Качество изображения – это не только разрешение

Качество изображения в конечном итоге является главным фактором получения достоверной информации при видеонаблюдении. Вместе с тем изображение в системах видеонаблюдения всегда существенно уступало по качеству системам технического и широковещательного телевидения. А теперь – и любительского, бытового видео

Николай Чура
Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

Отрасль видеонаблюдения всегда была в некотором роде "бедным родственником" и питалась "остатками со столов" технического наблюдения и широковещательного телевидения. Кроме экономических причин, у всех направлений совершенно разные задачи и условия применения. В техническом и вещательном телевидении всегда создается освещение, требуемое для получения максимально качественного изображения. Такой важнейший параметр, как чувствительность или минимальная освещенность, там просто не фигурирует.

Информативность и качество

Видеонаблюдение в интересах безопасности, к сожалению, не может позволить себе обеспечения максимального освещения. Охранное наблюдение должно осуществляться практически при любой освещенности и в самых разнообразных климатических и погодных условиях. К тому же, применять какое-то дополнительное освещение зачастую неэффективно, а иногда и недопустимо. Другими словами, какое-то изображение должно быть, хотя бы для обнаружения объекта наблюдения.

 

Стань участником Партнерской программы «Актив-СБ» и вы получите:   

- Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);

- Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования ежемесячно на сумму более 100 000 руб;

- Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок

Основной тренд последних лет – это рост разрешения изображений, особенно в бытовом телевидении, видеосъемке и фотографии. Стремление к мегапиксельности имеется и в видеонаблюдении. Однако несколько забывается, что качество изображения, а соответственно – его информативность при разных условиях освещения, – зависит еще от чувствительности камер и адекватной передачи контраста и цвета. При этом, учитывая современное многократное преобразование аналоговой формы представления в цифровую и обратно, сжатие изображений для хранения и передачи, изменения форматов в тракте видеонаблюдения, необходимо минимизировать и неизбежные артефакты.

Разрешение – синоним качества?

Мегапиксельные изображения, можно сказать, уже завоевали видеонаблюдение. Причем во многих случаях это формат 16:9 бытового, то есть в каком-то смысле художественного телевидения. Размер и ширина экрана увеличивают "силу впечатлений", несмотря на то, что края экрана, как правило, просматриваются боковым зрением и просто усиливают это впечатление.

Видеонаблюдение работает по другим принципам. Здесь картинка должна просматриваться целиком и анализироваться сразу. Причем реальное погонное разрешение из-за возросшей ширины кадра не всегда значительно превышает стандартное CCTV. Например, для формата HD это от 25% для вертикали и до 30% по горизонтали. Для формата FullHD – уже более чем в два раза. По сути, только кратное (кардинальное) увеличение разрешения ощущается как улучшение качества. Более существенным фактором улучшения является переход на прогрессивную развертку, снимающую проблему интерлейсинга. При повсеместном переходе на "компьютерные" мониторы VGA в регистраторах и компьютерных системах этот эффект стал неизбежен. Причиной является различие чересстрочного формата получения и прогрессивного формата вывода изображений. Но за прогрессивную развертку приходится платить объемами хранения и передачи видео, сложностью и стоимостью оборудования.

Появление HD с аналоговой передачей сигнала (HD-CVI, AHD и HD-TVI) с более низкой стоимостью, чем цифровые системы IP- или HD-SDI, дает некоторые надежды на массовый переход к прогрессивному сканированию и высокому разрешению в видеонаблюдении. Тогда можно было бы смириться и с избыточной шириной кадра, и меньшей, чем у CCD, чувствительностью CMOS-матриц. Однако пока стоимость устройств формата FullHD довольно высока, но, как отмечалось выше, только в нем мы имеем кардинальное и отчетливо заметное увеличение разрешения.

Типовое CCTV и качественное видео

Классическое CCTV все еще весьма востребовано и может эффективно решать практически все типовые задачи видеонаблюдения. Что обеспечивается, прежде всего, многокамерностью систем. Более того, это же является фактором повышения как технологической надежности, так и надежности получения информации при изменении условий наблюдения.

Рассмотрим факторы улучшения качества изображения стандартного CCTV на основе распространенного сейчас формата 960H, предложенного SONY несколько лет назад. Он обеспечивает реальное горизонтальное разрешение до 600 ТВЛ в цвете при стандартном вертикальном разрешении 450–430 ТВЛ.

В современных аналоговых телевизионных камерах в основном применяются высокочувствительные ПЗС-матрицы (CCD) цветного изображения с технологий Super HAD II EXview HAD II или их клоны.

В последние два года предложены аналоговые камеры с CMOS-матрицами 1,3 Мпкс, имеющие стандартный композитный выход чересстрочного формата 960Н. Благодаря исходной избыточности разрешения сенсора эти модели обладают несколько большим горизонтальным разрешением в сравнении со стандартной комбинацией 960H-Effio. Однако реальные результаты весьма далеки от заявленных 1200 ТВЛ. Кроме того, односторонний рост разрешения по одной координате (горизонтали) не улучшает качества изображения.

Несмотря на огромные успехи в совершенствовании технологии CMOS, CCD все еще более чем в 2,5 раза превосходят по чувствительности даже лучшие образцы CMOS-матриц Exmor. К сожалению, новейшая технология Exmor R с обратной засветкой и характеристиками, уже совсем близкими CCD, в основном используется в мобильных устройствах. Сравнительные характеристики сенсоров приведены в таблице.


В камерах с СMOS-матрицами снижение чувствительности обычно компенсируется большей глубиной АРУ и незначительным накоплением по умолчанию в 2–4 раза. Воспользоваться глубокой АРУ в современных камерах позволяет широкое применение цифровых систем шумоподавления 2DNR и 3DNR, которые также включены по умолчанию. В результате реальное значение минимальной освещенности, при которой камера дает приемлемое изображение, уменьшается.

Значение контраста и цвета

Сейчас практически все видеонаблюдение стало цветным. Общеизвестно, что контраст цветного изображения, даже при не совсем правильной цветопередаче, выше черно-белого. Это обусловлено одинаковой яркостью красных и синих составляющих спектра. На рис. 1 показана кривая видности глаза и повторяющая ее спектральная характеристика сенсора по яркости. При недостаточной освещенности в цветных камерах практически повсеместно используется ночной режим с расширением спектрального диапазона чувствительности в область ИК-излучения (ICR).


Общим трендом становятся технологии получения цветного изображения при минимальной освещенности, то есть в ночном режиме. Эти технологии имеют разные торговые названия, но используют единые принципы одновременной работы систем ICR, AGC, DNR и DSS (Sens-Up) с сохранением цвета. На рис. 2 представлен пример подобного изображения в сравнении с изображением типовой телекамеры.


Освещение и улучшение качества

Качественное изображение неизбежно предполагает хорошую освещенность, хотя бы не менее 200–100 лк. Естественно, изображение можно получить и при меньших значениях, но снижается его цветность и растут шумы АРУ, ухудшая разрешение. В ночное время желательно использовать искусственное освещение, предпочтительно видимого спектра, особенно для камер цветного изображения.

В настоящее время очень популярны телекамеры со встроенной ИК-подсветкой. В современных наружных камерах практически устранена внутренняя засветка объектива через защитное стекло. Здесь используются бленды и раздельные иллюминаторы. Такая проблема еще несколько актуальна для купольных камер с подсветкой через тот же купол. Правда, сейчас появляются конструкции с составными поликарбонатными куполами по зонам наблюдения и подсветки. К сожалению, это эффектное техническое решение сводит на нет относительную скрытность наблюдения купольной камерой, когда не видно направление визирования.

Еще более серьезная проблема прямой засветки от встроенного осветителя имеется в купольных поворотных камерах, где даже бленды практически не применимы. По необходимости такие камеры постепенно возвращаются к уже "забытым" поворотным системам с обилием скользящих сочленений, подверженных проникновению влаги и размораживанию по сравнению с классическими купольными поворотными камерами. Эта эволюция представлена на рис. 3.


Даже учитывая большое удобство монтажа и настройки камер со встроенной подсветкой, для улучшения качества изображения необходимо настоятельно рекомендовать применение отдельных осветителей. Для наружных камер это обеспечивает высокое качество изображения при сложных атмосферных условиях и длительных сроках эксплуатации, когда загрязнение иллюминатора приводит к существенному увеличению обратной засветки объектива. Отдельные осветители позволяют встречное визирование камер, а для внутреннего наблюдения создают более равномерное освещение зон наблюдения.

Только кратное (кардинальное) увеличение разрешения ощущается как улучшение качества. Более существенным фактором улучшения является переход на прогрессивную развертку, снимающую проблему интерлейсинга

Доставка изображения без потерь

При передаче композитного видеосигнала нежелательно применять дешевые и суррогатные кабели, которые зачастую представляют собой просто экранированные провода. А если и применять, то только для линий не более 30–40 м.

При существенном снижении контраста и четкости изображения следует использовать магистральные усилители в начале линии, а не в ее конце. Нормирующие усилители с максимальным выходом 1,3–1,5 В здесь совершенно не подходят. В любом случае необходимо обеспечить на входе цифрового регистратора номинальный уровень видеосигнала (1В р-р). Только в этом случае не будет снижения контрастности и количества градаций яркости.

Применяя для передачи композитного сигнала витую пару как наиболее дешевый вариант помехозащищенной передачи, не надо использовать ее на предельной заявленной дальности. Иначе потребуется максимальная частотная коррекция, которая даже при амплитудно-частотной линейности не всегда обеспечивает линейную фазочастотную характеристику.

Фазовые искажения приводят к неустранимым артефактам, особенно на цветном изображении. При этом предпочтительно поделить линию на части по 100–300 м, в зависимости от типа оборудования.

Регистрация и просмотр без потери качества Современные аналоговые системы строятся на базе видеокамер чересстрочной развертки и видеорегистраторов с популярным выходом VGA или HDMI на LCD-монитор с прогрессивным изображением. Целесообразно устанавливать камеры так, чтобы минимизировать поперечное движение предполагаемых объектов наблюдения. В этом случае можно обеспечить максимальное разрешение при записи, используя оба полукадра изображения с минимальным интерлейсингом.

Даже учитывая большое удобство монтажа и настройки камер со встроенной подсветкой, для улучшения качества изображения необходимо настоятельно рекомендовать применение отдельных осветителей

Для улучшения качества изображения необходимо всегда применять минимально возможное сжатие. Экономию объема архива лучше обеспечивать снижением частоты кадров записи.

Неискаженная передача контраста, то есть градаций яркости, обеспечивается амплитудной линейностью всего тракта. Популярные, да и почти единственно доступные сейчас, LCD-мониторы имеют исходную линейную амплитудную характеристику (гамма около 1). В этом случае линейность амплитудной характеристики системы обеспечивается камерами с гамма-коррекцией, близкой единице. Если применяются камеры с типовой гамма-коррекцией 0,45 (для CRT-монитора), желательно иметь корректор в регистраторе или мониторе с коэффициентом близким 2,2. Формирование сквозной линейной амплитудной характеристики типовой CCTV с CRT-монитором представлена на рис. 4.


Разрешение изображения в системах охранного видеонаблюдения, безусловно, будет увеличиваться. И за это придется заплатить не только стоимостью оборудования. Причем многие вышеперечисленные требования справедливы и для цифровых мегапиксельных систем.

Источник: Secuteck