Расширение динамического диапазона – WDR. Технологии от Axis, Samsung, Smartec, Vision Hi-Tech

Яркий дневной свет – критический вызов пользователям видеонаблюдения. Особенно свет, попадающий в затемненное помещение из дверного проема. Изображение, получаемое видеокамерой, получается размытым – распознать черты лица входящего человека бывает крайне затруднительно. Ирония в том, что видеофиксация людей на входе в здание является одним из приемов организации эффективной системы видеонаблюдения

Производители камер охранного видеонаблюдения предлагают различные методы решения проблемы засветки изображения. Принято называть их "расширение динамического диапазона" (WDR). Технология WDR должна обеспечивать качественное изображение как затемненных фрагментов сцены, так и засвеченных.

Однако для сравнения функций WDR от разных производителей не существует ни общепризнанных стандартов, ни каких-либо других подходов. Несмотря на то что динамический диапазон измеряют в децибелах (например, WDR 65 дБ или 110 дБ), каждый производитель волен предложить и свою методику измерения, поэтому сопоставлять функции WDR от различных разработчиков порой просто бесполезно.

Чтобы помочь покупателям и пользователям в выборе моделей оборудования с функцией WDR, представители ведущих в России поставщиков видеокамер – Axis, Samsung, Smartec и "Система СБ" (Vision Hi-Tech) – рассказали о принципах технологий WDR, используемых в своих продуктах, их ключевых отличиях и примерах реализации.



П.А. Рожков
Инженер поддержки продаж компании Axis Communications

Принцип метода WDR

Расширенный динамический диапазон WDR (как и DR) – отношение яркости самых светлых и темных объектов съемки – оценивается в децибелах. Считается, что чем выше значение WDR, тем лучше продукт мы имеем и тем более точное изображение мы получим. На сегодня существует большое количество алгоритмов определения данного отношения, но нет единого. Есть динамический диапазон сцены, за которой ведется наблюдение, динамический диапазон монитора, который нам ее отображает, а есть динамический диапазон матрицы камеры и результирующего изображения, которое камера передает.

Согласитесь, что для задачи видеонаблюдения в условиях сложной освещенности нам важно получить наиболее пригодное изображение, степень пригодности которого измерить в децибелах на практике представляется задачей затруднительной.

Попытаюсь объяснить на примере нашей новой камеры AXIS Q1604. В продукте используется технология получения изображения с несколькими выдержками (их длительность динамически определяется по мере освещенности отдельных пикселей) и специальные алгоритмы обработки изображения (в том числе алгоритм тонального отображения – Tone Mapping). Матрица камеры позволяет использовать динамический диапазон до 120 дБ. Из указанного значения мы вычитаем:

  • около 6 дБ на снижения шумов – в зависимости от сложности сцены;
  • около 6 дБ на улучшение контрастности – как сцены в целом, так и отдельных ее участков, опять же в зависимости от сложности сцены;
  • и еще около 6 дБ – для снижения количества артефактов смазывания изображения во время движения объекта.

В итоге (в зависимости от условий) мы используем около 100 дБ и выше для автоматического подбора наиболее подходящих настроек.

Ключевые отличия

Мы обеспечиваем лучшее или как минимум не уступающее аналогам качество изображения с точки зрения видеонаблюдения и пригодности получаемого видеоматериала. Добиваемся мы этого за счет использования эффективных алгоритмов обработки изображения и за счет подбора подходящего динамического диапазона.

Выбор алгоритмов обработки изображения и динамического диапазона в продуктах AXIS зависит от сцены, за которой ведется наблюдение, и будет различаться для разных сцен. В результате обеспечивается изображение очень высокого качества (больше полезных деталей, меньше шума, а также более низкое влияние таких артефактов, как смазывание динамичных объектов (Motion Blur), мерцание от флуоресцентных источников света и пр.), не за счет использования заданных (статичных) настроек. Мы разработали WDR-камеры таким образом, что они сами выбирают оптимальные настройки в зависимости от условий их использования (сцены, за которой ведется наблюдение).

Примеры реализации

Наилучшего результата работы WDR на сегодняшний момент мы добились в камерах AXIS Q1604/-Е.

Внастоящее время готовится подробная публикация на эту тему, которая будет доступна на нашем сайте в разделе White papers axis (.com/ru/corporate/)

А.А Виталисов
Ведущий эксперт компании "АРМО-Системы"

Принцип метода WDR

В аналоговых телекамерах торговой марки Smartec реализовано три способа расширения динамического диапазона.

  1. Первый представляет собой программную реализацию режима WDR и основан на использовании процессора цифровой обработки изображения. Упрощенно говоря, при оцифровке видео процессор предоставляет больше бит для градаций серого, и тем самым обеспечивается больше возможностей по глубине динамического диапазона.
  2. Второй способ – аппаратная реализация WDR – применяется в телекамерах Smartec, использующих матрицы Sony с двойным сканированием, как Double Scan, Double Speed. При этом матрица формирует два предызображения – с нормальной экспозицией и недо- или переэкспонированное, путем суммирования которых получается сбалансированное по контрасту изображение.
  3. Получить высокие показатели по расширению динамического диапазона позволяет также технология PIXIM: за счет попиксельной регулировки времени накопления и оцифровки информации с сенсора обеспечивается возможность работы даже в условиях особо контрастного освещения.

Ключевые отличия

В линейке телекамер Smartec применяются основные известные сегодня на рынке методы расширения динамического диапазона. Представляется интересным сравнить их между собой.

  1. Программный режим WDR является более простым и экономичным вариантом – телекамеры с ним можно рекомендовать для работы в умеренно-сложных условиях освещенности. Вместе с тем аппаратный WDR позволяет получить более впечатляющие результаты по качеству изображения, особенно в условиях встречной засветки, при наличии в кадре ярких источников света наряду с темными объектами.
  2. Что касается PIXIM-телекамер, несмотря на все их преимущества в части динамического диапазона, модельный ряд Smartec обновляться не будет по причине их недостаточной чувствительности и, на наш взгляд, необоснованно высокой цены.

Примеры реализации

Программный и аппаратный методы расширения динамического диапазона известны довольно давно – сами технологии разработаны в конце 1990-х гг. В оборудовании Smartec они используются с момента появления линейки телекамер этой марки, а именно с 2006 г. В настоящий момент программный режим WDR реализован во всех телекамерах Smartec, созданных на базе процессора Sony Effio-E (например, STC-3019, STC-3512 и др.), а также на базе процессора Samsung Winner5 (это популярная линейка устройств Ultimate).

Аппаратный расширенный динамический диапазон применяется в телекамерах на базе процессора Sony Effio и матрицы Double Scan, например в моделях премиум-класса STC-3014, STC-3514 и STC-3518.

М.А. Савельев
Менеджер по продажам компании Samsung Techwin

Принцип метода WDR

Компания Samsung Techwin предлагает два метода расширения динамического диапазона – SSDR/eXDR и WDR.

Режим SSDR (Samsung Super Dynamic Range) реализован в телекамерах с процессором W5/SV5. Аналогичная технология под названием eXDR (eXtended Dynamic Range) используется в камерах с процессором A1. Благодаря анализу видеосигнала и коррекции яркости повышается видимая детализация затемненной области изображения при сохранении четкости и детализации более освещенной его области. Классический WDR-режим реализуется в телекамерах с процессорами SV5 и А1. Данный режим наиболее эффективный – используется ПЗС с прогрессивным сканированием, что позволяет реализовать получение изображений при разных значениях экспозиции с последующей компиляцией средствами DSP эталонного изображения с более равномерным распределением освещенности. Данная технология позволяет добиться 128-кратного расширения динамического диапазона для телекамер, работающих в стандарте PAL, и 160-кратного – в NTSC. Работа WDR-режима может быть настроена пользователем в меню камеры – есть возможность задать уровень WDR и чувствительность, определяющую контраст между светлыми и темными зонами изображения.

Ключевые отличия

Методы не являются уникальными на рынке систем безопасности (практически каждый производитель предлагает схожие решения, иногда придавая им уникальные названия и возможности), однако их эффективность напрямую зависит от мощности процессора обработки сигнала.

Примеры реализации

Компания Samsung Techwin начала использовать режим WDR порядка 5 лет назад с выпуском процессоров SV4, предлагая стационарные, поворотные и IP-камеры с этой функцией.

SSDR появился с выпуском процессоров 5-го поколения W5 и SV5 в 2009 г. Как уже отмечалось выше, телекамеры на основе процессоров SV5 и А1 имеют обе технологии – SSDR/eXDR и WDR и являются наиболее эффективными для решения задач видеонаблюдения в условиях сложного освещения.

Н.И. Чура
Технический консультант ООО "Система СБ"

Принцип метода WDR

Основной поставщик камер для компании "Система СБ", южнокорейский производитель Vision Hi-Tech, применяет в своих изделиях различные варианты технологий WDR.

В ассортименте моделей имеются варианты WDR с технологией PIXIM на основе оператив ного управления активными пикселями CMOS-матрицы, традиционной системы двойного сканирования Double Scan WDR. В свое время выпускались камеры с "цифровым" вариантом WDR на основе DSP NextChip. Но они разочаровали не только нас, но и производителя.

В настоящее время базовым вариантом технологии WDR от Vision Hi-Tech можно считать функцию WideLux. Практически это система двойного сканирования, выполненная на типовой матрице Super HAD II. По эффективности она напоминает известные системы Double Scan WDR, но существенно дешевле, поскольку вместо специальной матрицы двойного сканирования используется типовая матрица.

Ключевые отличия

Мы не будем рассматривать технологию PIXIM, реализованную на матрицах CMOS с поэтапным многократным (5 и более раз) съемом сигнала, и Digital WDR, не предполагающую управление сканированием или накоплением.

Основное отличие технологии WideLux от типового Double Scan – это реализация режима двойного сканирования с типовой матрицей Super HAD II и в каждом полукадре изображения. Данная технология обеспечивается с помощью уникального встроенного тактового генератора, позволяющего матрице работать на двойной скорости сканирования при расширении динамического диапазона.

В системе WideLux реализовано сближение временных интервалов накопления, что расширило возможности камеры при высоком контрасте изображения. Благодаря этому оба интервала накопления умещаются в течение одного полукадра, что сохраняет максимальным вертикальное разрешение камеры в сравнении с режимом Double Scan. При снижении освещенности камера WideLux переходит в режим одиночного сканирования с увеличением чувствительность более чем в 2 раза. Таким образом, камера WideLux использует режим двойного сканирования в условиях значительного перепада яркости в кадре и режим одиночного сканирования для условий с недостаточной освещенностью.

Примеры реализации

Как базовый вариант технологии расширения динамического диапазона, функция WideLux была предложена компанией Vision Hi-Tech в 2010 г. и реализуется в моделях видеокамер наблюдения цветного изображения высокого разрешения с режимом "день/ночь" серии S практически всех конструктивных вариантов.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2011