Влияние параметров установки телекамер на информативность видеоизображения

Известно, что при разработке системы телевизионного наблюдения в первую очередь нужно задать решаемые задачи наблюдения и соответствующую им плотность пикселей. Однако встречаются ситуации, когда даже в нормативных или рекомендательных документах фиксируются требования к разрешению используемых телекамер (ТК), к примеру фраза "Телекамеры должны иметь разрешение не менее 2 Мпк". Такой подход некорректный и может приводить как к избыточной, так и к недостаточной информативности видеоизображений. В данной статье сделана попытка еще раз пояснить причину некорректности подобных требований, а также обратить внимание на необходимость учитывать некоторые особенности, которые могут существенным образом повлиять на информативность видеоизображения, формируемого телевизионными камерами.

Даже в случае выбора качественного оборудования с нужными параметрами и в соответствии с хорошим проектом не обязательно будут достигнуты планируемые характеристики системы телевизионного наблюдения.

Проблема состоит в том, что на первый взгляд малозаметные или малозначащие ошибки, которые допустили проектировщики, монтажники или настройщики системы и не заметили заказчики, могут привести к тому, что информативность сформированного видеоизображения будет далека от планируемой. Это приведет к снижению функциональных характеристик систем телевизионного наблюдения (СТВН) по сравнению планируемыми и к тому, что система наблюдения не выполнит свои функции в определенной ситуации.

Информативность видеоизображения зависит от многих характеристик и параметров оборудования системы телевизионного наблюдения, от способов и условий его использования.

Критерии оценки информативности видеоизображения

Критериями могут служить различные параметры, характеризующие качество изображения, такие как цветопередача, баланс белого, контрастность и т.д. В статье мы кратко остановимся на наиболее важных, при этом не самых очевидных из них и зачастую не учитываемых разработчиками и заказчиками СТВН.

С точки зрения именно телевизионной системы наблюдения (в отличие от системы вещательного телевидения) целесообразно в первую очередь использовать следующие два критерия:

1. Информативность зоны обзора.
2. Степень детализации изображения, определяющая качество воспроизведения мелких деталей видеоизображения.

Степень детализации можно характеризовать, во-первых, плотностью пикселей (ПП) – количеством пикселей, приходящихся на единицу длины в месте нахождения объекта наблюдения (ОН) и, во-вторых, равномерностью распределения ПП по зоне наблюдения.

Существует ряд других критериев, которые необходимо учитывать в СТВН: информативность видеоизображения самого объекта наблюдения, равномерность параметров формируемых изображений по зоне обзора и др¹.

Информативность зоны обзора

Информативность видеоизображения может характеризоваться информативностью зоны обзора (ЗО) телекамеры.

Под информативностью зоны обзора будем понимать соотношение информативной части Sинф площади изображения, несущего полезную информацию, и полной площади этого изображения Sп. В идеальном случае все видеоизображение должно содержать только полезную информацию, позволяющую ТВ-системе решать ту или иную задачу наблюдения. В этом случае упомянутое соотношение будет равно 1 (или 100%).

На рис. 1 показано изображение, верхняя часть которого (изображение неба и окологоризонтного пространства) практически не несут никакой полезной информации.

Рис.1. Видеоизображение с низкой информативностью

Это изображение выглядит нормально с точки зрения композиции, но не с точки зрения выполнения функций СТВН. Действительно, верхняя часть экрана (около 40%) содержит изображение верхушек деревьев и неба и вряд ли полезна с точки зрения функций СТВН. Это свидетельствует о некорректной ориентации телекамеры. В рассмотренном примере простой разворот ТК позволяет существенно увеличить размер реальной зоны обзора и тем самым повысить информативность формируемого видеоизображения.

Таким образом, если, посмотрев на экран монитора, вы увидели линию горизонта, небо, верхнюю часть стен и потолка либо значительную часть занимает малоинформативное изображение стены дома или помещения, то, скорее всего, камера сориентирована неправильно и информативность изображения можно увеличить просто правильной переориентацией.

Помимо неполного использования функциональных ресурсов телекамер, в рассмотренном примере видеосигнал будет содержать значительную избыточную, неинформативную составляющую, которую надо передавать по каналам связи и хранить, что приведет к неэффективному использованию и других ресурсов системы наблюдения.

Степень детализации видеоизображения

Степень детализации видеоизображения, в значительной мере определяющая его информативность, зависит от многих факторов, но наиболее важными из них являются разрешение, плотность пикселей, расстояние от ТК до объекта наблюдения и угол обзора камеры. Эти параметры характеризуют как саму ТК, так и расположение объекта наблюдения в зоне обзора относительно камеры. Поэтому рассмотрим детальнее специфику взаимосвязи этих параметров.

Сначала уточним такие понятия, как "разрешающая способность" и "разрешение". В последнее время на практике вместо такой характеристики, как разрешающая способность ТК или СТВН по вертикали и горизонтали, обычно используется общее количество пикселей матрицы или количество пикселей по вертикали и горизонтали. Строго говоря, эти параметры – разрешающая способность по вертикали или горизонтали и соответствующее количество пикселей матрицы – не совпадают. Поэтому далее будем использовать термин "разрешение" для характеристики общего количества пикселей матрицы и "разрешение по горизонтали и вертикали" как количество пикселей в строке или столбце матрицы.

Обоснованно рекомендовать (как упоминалось в начале статьи) разрешение камеры без знания других параметров невозможно. Разрешение может быть выбрано корректно, только если известны:

• требуемая плотность пикселей, соответствующая решаемой задаче наблюдения (мониторинг, обнаружение, наблюдение, распознавание или идентификация);
• расстояние до объекта наблюдения в дальней возможной точке его нахождения;
• угол обзора ТК.

Другой параметр, достаточно часто используемый и непосредственно связанный с рассмотренным, – это количество пикселей, приходящихся на размер объекта наблюдения или его характерного элемента, например рост человека или расстояние между зрачками глаз.

Степень детализации видеоизображения одних и тех же объектов, находящихся в разных частях зоны обзора ТК, будет различной. Поэтому с точки зрения решения задач наблюдения целесообразно учитывать также характер распределения плотности пикселей по зоне обзора и влияние на это распределение различных особенностей формы ЗО, положения в ней объекта наблюдения и параметров установки ТК (места, высоты, углов наклона, поворота и обзора).

Таких особенностей достаточно много. Основные можно условно разбить на несколько групп:

1. Отсутствие правильной постановки задачи наблюдения и выбора соответствующий плотности пикселей в наиболее удаленной точке зоны обзора.
2. Отсутствие формулирования или учета критериев установки для каждой телекамеры или групп типовых камер¹ и, как следствие, неправильный выбор параметров установки камеры.
   В первую очередь это касается выбора высоты установки и ориентации ТК.
3. Некорректное использование программ автоматизированного проектирования систем видеонаблюдения или калькуляторов объективов либо наличие неточностей и ошибок в этих программах, приводящее к ошибкам выбора функциональных характеристик и параметров камер или параметров их установки.

Программы автоматизированного проектирования систем видеонаблюдения

В качестве примера рассмотрим некоторые особенности использования таких программ.

Обычно в программах граница потенциальной зоны обзора или, точнее, проекция этой зоны на подстилающую поверхность изображается в виде трапеции (рис. 2а, желтый цвет). Если не учитывать плотность пикселей, то это правильно.

Рис. 2. Изображение зоны обзора камеры

Однако размер эффективной зоны наблюдения, в которой решается заданная задача наблюдения, будет определяться не только формой зоны обзора, но и ограничиваться выполнением требований достижения заданной плотности пикселей. По дальности это поверхность равной плотности пикселей, которая будет соответствовать сферической поверхности. Поэтому и границы эффективной зоны обзора будут определяться не прямой, а линией (дугой), равной плотности пикселей. При этом чем больше угол обзора, тем больше отклонение реальной плотности пикселей по краям зоны обзора от отображаемой (рис. 2б).

Выше представлено чисто теоретическое объяснение. На практике надо учитывать и практические особенности параметров объективов.
Специфика объективов, особенно широкоугольных, приводит к дополнительным искажениям по краям изображений и к снижению плотности пикселей. Так, для объектива с углом обзора 120 град. уменьшение ПП составит около 20% (рис. 3).

Рис. 3. Распределение плотности пикселей широкоугольного объектива

Подобное искажение приведет к дополнительному сдвигу реальной кривой равной плотности пикселей по краям зоны обзора в сторону места расположения камеры, то есть к еще большему сокращению размера эффективной зоны обзора, в которой решается заданная задача наблюдения.

Для объективов с небольшими и средними углами обзора эти рассуждения не столь критичны. Однако для больших углов обзора, к примеру около 90 град. и более, сокращения размеров эффективной зоны обзора по краям будут весьма заметными и могут составлять 20–40% по сравнению с получаемыми с помощью электронных калькуляторов.

Распределение плотности пикселей

Программы автоматизированного проектирования и современные калькуляторы объективов (кроме простейших) обычно отображают также распределение плотности пикселей по изображению зоны обзора (рис. 4) разной цветовой закраской различных участков. Границы этих участков определяют минимальные и максимальные значения плотности пикселей, соответствующие решению основных задач наблюдения. На рис. 4 желтый цвет соответствует возможности решать задачу идентификации, зеленый – распознавания, розовый – наблюдения, а красный – обнаружения.

Рис. 4. Цветовое отображение распределения расчетной и реальной плотности пикселей

Поэтому при моделировании необходимо учитывать расположение ЗО относительно соответствующих элементов объекта. Если требуемая плотность пикселей выбрана из расчета максимальной дальности по оси камеры (зеленая стрелка), то для небольшого прямоугольного помещения (рис. 5а) заданная ПП будет достигаться и информативность формируемого изображения будет соответствовать планируемой.

Для помещения большего размера (рис. 5б), контролируемого двумя такими же, как и в предыдущем примере, камерами, будут участки зоны обзора с плотностью пикселей меньше необходимой (выделены красным цветом). Поэтому потребуются камеры с большим разрешением (рис. 5в).

Рис. 5. Примеры учета зон с низкой плотностью пикселей

В заключение отметим, что мы рассмотрели лишь часть факторов, влияющих на снижение информативности формируемого сигнала и, как следствие, на снижение функциональных характеристик СТВН. Всегда необходим учет и других причин снижения информативности.

¹ Волхонский В.В. Системы телевизионного наблюдения: основы проектирования и применения: Горячая линия. Телеком, 2020. С. 392.

Редакция советует

Профессиональное проектирование, монтаж и настройку систем видеонаблюдения осуществляет компания DSSL. Один из лидеров российского рынка, DSSL заявляет также о технической поддержке 7 дней в неделю и замене оборудования в день обращения.
Разработку отраслевых решений для конкретных объектов предлагает компания “АРМО-Системы”. Инженеры и менеджеры российского дистрибьютора прошли обучение и сертификацию в компаниях-производителях и помогут клиенту выбрать те системы безопасности, которые будут отвечать всем его техническим, функциональным, эксплуатационным и экономическим требованиям. Услуги по поддержке клиентов включают технический консалтинг, составление спецификаций, проектирование систем и подбор оборудования, гарантийный ремонт, обучение специалистов заказчика и др.