Разрешение в пикселях или в линиях. Что ближе к реальности?

Видеонаблюдение существенно расширило рынок телевидения и привлекло огромное количество специалистов из других областей. С другой стороны, коммерциализация отрасли и неистовая конкуренция стремительно растущего числа производителей привели к стремлению "улучшать" характеристики продукции хотя бы на бумаге. Вертикальное разрешение, зафиксированное форматом разложения, поддавалось этому с трудом, да и, честно говоря, мало кого интересовало. Горизонтальное разрешение, зависящее от множества факторов, было для этого более перспективным параметром

Николай Чура
Технический консультант компании "Фирма "Видеоскан"

Разрешение телекамеры определяет четкость и детальность картинки, то есть определяет в конечном итоге информативность видеонаблюдения. В традиционном телевидении и видеонаблюдении, основанном на его технологиях, разрешение нормировалось в телевизионных линиях. При этом вертикальное разрешение определялось форматом разложения и было фиксировано в пределах конкретного стандарта телевидения – NTSC или PAL/SECAM. Горизонтальное разрешение – для телевизионной таблицы это количество черных и белых линий изображения – указывалось как величина укладывающихся по горизонтали линий, приведенная к вертикальному размеру кадра в соответствии с базовым форматом изображения телевидения 4:3.

Принципы оценки разрешения

В эпоху торжества черно-белого видеонаблюдения стандартного разрешения в 1990-е гг. горизонтальное разрешение от 380 ТВЛ (при матрице 500х582 пкс) поднялось до 420–450. Сейчас, даже при малой востребованности подобного формата, уже встречаются заявления и о 420 ТВЛ в цвете для стандартного разрешения. Можно обратить внимание, что многие серьезные производственные "киты" видеонаблюдения либо вынуждены были скатываться с рекламными заявлениями к фантастике, либо уже прекратили свое отдельное существование. Во многом их подвела техническая "принципиальность".

С появлением мегапиксельного видеонаблюдения с произвольным форматом изображения, как в IP, или форматами HDTV (HD-SDI, HD-CVI, HD-TVI и AHD) все более усиливаются предложения отбросить эти "дурацкие телевизионные линии" и перейти на мегапиксели, которые, предполагается, понятны всем. Эту дорогу уже успешно прошли мониторы и телевизоры, а также цифровая фототехника и бытовая видеотехника.

В чем принципиальное отличие этого нормирования от определения числа воспроизводимых линий изображения? Оценка разрешающей способности телекамеры, тракта или всего канала до изображения оператора с помощью таблиц является внешним измерительным средством. Заявленное разрешение изображения в мегапикселях практически является распространением разрешения видеосенсора на весь тракт. В общем случае это совершенно безосновательно, поскольку не учитываются ни влияние сжатия и обработки изображения в телекамере, ни потери в процессе передачи, регистрации и вывода изображения на видеоконтрольное устройство. Для определения влияния этих факторов необходимо именно внешнее средство оценки разрешения.

С подобным феноменом знакомы пользователи цифровой фототехники, особенно в мобильных устройствах. Разрешение самих фотосенсоров уже превысило 20 Мпкс, а реальное качество изображения не сильно лучше фотоаппаратов 6–8 Мпкс. Здесь и влияние оптики, когда ее дифракционный предел почти сравнялся с разрешением сенсора и даже превзошел его, а также проблемы обработки.

Похожая ситуация в IP-системах, когда качество изображения зависит от пропускной способности сети и подвижности объекта из-за влияния сжатия изображения. Особенно в случае эффективного, а значит, адаптивного алгоритма. Причем зачастую пользователь не имеет возможность влиять на эти процессы. Наверное, многие уже наблюдали, как изображение IP-камеры плавно улучшается после остановки движения камеры или объектов в кадре. Естественно, с ростом пропускной способности сетей эти проблемы будут уменьшаться, но пока в наших условиях до этого еще далеко.

HD-SDI – "пиксель в пиксель"

В каком-то смысле только системы HD-SDI, работающие без сжатия и по принципу "пиксель в пиксель", могут спокойно перейти на нормирование изображения в пикселях по разрешению сенсора. Можно констатировать, что это уже произошло, как и в IP, но в данном случае это более справедливо. Если рассматривать весь тракт, то и в этих системах все-таки производится запись с применением сжатия изображения. По всей видимости, применительно к HD-SDI сейчас это не очень актуально, поскольку скорее всего в чистом виде они так и останутся в профессиональном студийном сегменте.

В видеонаблюдении, возможно, будет использоваться только вариант передачи EX-SDI (HD-VLC), в которой все же применяется сжатие потока (изображения), правда, как заявляют производители, совершенно "без потери качества".

Остальные аналоговые варианты HD-систем (HD-CVI, HD-TVI и AHD) из-за перехода на аналоговый сигнал по принципу действия не могут похвастаться бескомпромиссной передачей HD-изображения "пиксель в пиксель".

Проверка заявленных характеристик

Экстраполяция разрешения сенсора на камеру целиком может сыграть с потребителем и злую шутку. У всех еще в памяти большое "рыночное цунами" с давностью чуть больше года, когда в отрасль хлынули аналоговые суперкамеры с CMOS-сенсором 1,3 Мпкс и горизонтальным разрешением 1200 ТВЛ в формате PAL. Во-первых, при горизонтальном разрешении сенсора 1280 пкс откуда-то взялись 1200 ТВЛ. Во-вторых, как выяснилось, DSP-камеры выдавали композитный аналоговый сигнал на основе оцифровки 960 элементов по горизонтали, что обеспечивало горизонтальное разрешение, идентичное формату 960H Effio от SONY. Практически результат получался несколько лучше за счет некоторой избыточности разрешения самого сенсора. Кстати, если мы предположим, что заявляется приведенное к вертикали разрешение, а именно это является телевизионными линиями, то по горизонтали вообще должно укладываться 1600. Возникает вопрос: откуда это в сенсоре 1,3 Мпкс?

Этот относительно новый и сильно раскрученный формат 960H вообще вызывает много вопросов к реальности улучшения качества. Похоже, что увеличение разрешения по одной координате (горизонтали) при сохранении формата изображения и его разложения не способно улучшить интегральную четкость изображения. Что, собственно, и подтвердило использование камер широко разрекламированной и очень популярной системы Effio. Горизонтальное разрешение несколько выше типового высокого (на основе матриц 752х582), а субъективная четкость изображения практически идентична. Поэтому и рекламировать подобный продукт приходилось путем показа таблицы, а не реальной картинки. Видимо, условие равного погонного разрешения по обеим координатам, а соответственно, и осесимметричного элемента разрешения (пикселя) является довольно важным.

При наличии осциллографа с функцией выделения строки по тем же фрагментам таблицы с периодической структурой можно измерить разрешение более точно при заданном контрасте или величине модуляции. По границам черного и белого тем же осциллографом можно снять переходный параметр, характеризующий разрешение камеры. Несколько российских компаний предлагают аппаратно-программные продукты, позволяющие провести комплексное исследование видеосигнала, включая разрешение в линиях по обеим координатам или частотную характеристику. Но, к сожалению, они выполняются на основе типовых телевизионных АЦП, собственное разрешение которых ограничено цифровым форматом PAL (720х576 пкс). То есть мы измеряем средством, имеющим такую же разрешающую способность. Во всяком случае, очень настораживает абсолютная и значительная спонтанность получаемых результатов при незначительном изменении положения камеры.

Расчетные величины

Дискретность изображения и дискретность сенсора приводят к проблемам передачи периодических структур, да и просто границ фрагментов яркости, когда эти границы не совпадают с пикселями или строками сенсора. Появляются биения пространственных структур, или муар, что снижает предельное значение разрешения. Еще на заре телевидения установлено, что для передачи двух строк изображения необходимо около трех строк разложения или сенсора. В 1934– 1940 гг. различные исследователи предлагали несколько значений коэффициента пропорциональности (от 0,53 до 0,85), который был впоследствии назван именем одного из ученых – коэффициентом Келла. Для черно-белых камер, где каждый элемент изображения, пиксель, дает полную информацию яркости, принято среднее значение этого коэффициента около 0,7–0,75. Для цветных камер, где один элемент яркости составляется из 4 элементов, по 2 из каждой строки, этот коэффициент несколько меньше – около 0,64–0,68. Причем по 4 элемента используется как в CCD с мозаичным цветовым фильтром CMYG, показанным на рис. 1, так и в CMOS-сенсорах с фильтром RGB, представленным на рис. 2. В этом главная причина принципиально меньшего разрешения камер цветного изображения в сравнении с черно-белыми.


Другими словами, при заявленном горизонтальном разрешении в 600–580 ТВЛ по горизонтали должно укладываться 600 (580)/3х4 = 800 (733) белых и черных полос. Очевидно, что подобное разрешение даже без учета Kell-фактора просто невозможно обеспечить с матрицей стандартного (500х582 пкс) и весьма проблематично с матрицей даже высокого (752х582 пкс) разрешения. Только матрица 960H способна дать близкое значение, что хорошо подтверждается экспериментом. Собственно, задача современных алгоритмов обработки в DSP – увеличить скорость перехода яркости, одновременно не увеличивая муар, то есть повысить четкость изображения, не увеличивая артефакты.

Доступный способ оценки

На мой взгляд, телевизионные таблицы остаются достаточно простым и одновременно надежным средством оценки реального разрешения. Самое главное, что для этой оценки практически не нужно дополнительного оборудования. Для этого необходимо располагать телевизионной таблицей и черно-белым монитором либо цветным монитором с гребенчатым фильтром на входе, пропускающим весь спектр сигнала яркости. Визуальный метод оценки по муару и слиянию линий таблицы в какой-то мере можно считать субъективным. Вместе с тем он позволяет оценить разрешение, хотя бы в пределах ± 20–40 ТВЛ. Стандартные телевизионные таблицы при необходимости можно использовать и для оценочной проверки разрешения HD-камер с форматом кадра 16:9. Для этого необходимо согласовать их вертикальные размеры и увеличить оценочное значение горизонтального разрешения в 1,33 раза для приведения к полной ширине кадра изображения HD.

Источник: Secuteck