В продолжении статьи «Как выбрать процессор камеры?» — продолжим разбираться с функционалом процессора камеры, а именно — какие функции ISP-процессора (Image Signal Processor процессор обработки изображений) влияют на выбор камеры видеонаблюдения.
АРУ (Automatic gain control AGC)
Автоматическая регулировка усиления (АРУ или AGC — Automatic Gain Control) служит для поддержания максимального уровня видеосигнала на выходе камеры в пределах 0,7 В. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) характеризуется глубиной АРУ и выражается в децибелах. Глубина АРУ у различных видеокамер может быть от 12 дБ до 30 дБ.
Чтобы можно было записать изображение при низкой освещенности, не изменяя при этом значение выдержки или глубину резкости, используется электронное усиление слабого сигнала датчика, и это позволяет получить более яркое изображение. Побочный эффект такого подхода заключается в том, что крошечные несовершенства картинки также усиливаются и воспроизводятся на изображении как помехи. Такие помехи ухудшают качество изображения и обычно приводят к увеличению трафика для передачи видеопотока.
Чем значение AGC выше, тем больше в кадре появляется шумов, но при этом изображение будет более яркое.
Автоматическая регулировка освещенности (Automatic light control ALC)
Automatic light control (ALC) — помогает оптимизировать работу диафрагмы в сценах с высокой контрастностью. При условии, что видеокамера оснащена объективом с автодиафрагмой.
Существует определенное значение освещенности, при котором весь динамический диапазон светочувствительности матрицы используется максимально. Для того чтобы при любом освещении получать высококачественные снимки, в камерах используют автоматическую регулировку освещенности. Регулировка освещенности основывается на измерении яркости света и вычислении его среднего для кадра значения.
Регулировка изображения
Регулировка насыщенности цвета, яркости (Brightness), четкости (Sharpness), контраста (Contrast), локального контраста.
Яркость, контраст и резкость
- Brightness (яркость) — чем больше значение, тем выше яркость. Например, если IP-камера направлена на яркий источник света и изображение выглядит слишком темным, можно увеличить яркость.
- Contrast (контраст) — чем больше значение, тем выше контрастность.
- Sharpness (резкость) — чем больше значение, тем выше резкость.
Режим автоматической регулировки яркости и контраста, как правило, активирован по умолчанию. Но при необходимости яркость, контраст и резкость настраиваются в ручную через web-интерфейс камеры или osd-меню.
Автофокусировка изображения — также распространённая функция в современных камерах видеонаблюдения.
Баланс белого
Видеокамеры имеют несколько режимов регулировки баланса белого цвета:
- ATW — автоматическая настройка баланса белого в пределах температуры цвета в пределах 1800°K ~10500°K.
- AWC – автоматическое слежение за балансом белого, когда камера автоматически подстраивает баланс белого исходя из меняющейся обстановки и освещенности.
- MANUAL – режим ручных настроек. Нужен в том случае, если в автоматическом режиме неверно отображаются цвета. Благодаря этой настройке можно вручную установить уровень красного и синего цветов с помощью ползунков.
- AWCSET — адаптационные настройки баланса белого. В целях получения оптимальных настроек следует навести камеру на белый лист бумаги и нажать кнопку ENTER. В случае изменения параметров освещения(например, замены ламп накаливания на флуоресцентные) процедуру необходимо будет повторять.
- INDOOR (внутри помещения) – если камера установлена внутри помещения, можно использовать этот режим, задающий баланс белого для цветовой температуры, лежащей в пределах 4500°K~8500°K.
- OUTDOOR (вне помещения) – автоматическая настройка баланса белого в пределах температуры цвета 1800°K~10500°K. – в таком температурном диапазоне находится солнечный свет в течение суток. Установка баланса белого в режим OUTDOOR часто дает правильную цветопередачу при применении камеры на улице.
Антитуман (Defogging)
Функция «Defog» (антитуман) повышает контрастность изображения, что позволяет повысить видимость объектов в сложных погодных условиях, таких как туман , смог, пыль или дым. Функция антитуман хорошо показала себя в тех условиях, когда камеры значительно теряют в эффективности: в тумане, когда находящееся уже в 3-5 метрах становится менее четким, при дожде, снегопаде, пыльной бури.
Функция «Антитуман» реализована за счёт обработки изображения в процессоре. При этом могут использоваться несколько разных методов.
- Выравнивание общей гистограммы кадра, на которой отображается относительное количество точек с различными оттенками серого. В ходе автоматической обработки кадра производится растягивание такой гистограммы на весь диапазон оттенков серого, что повышает контрастность изображения.
- Локальное выравнивание гистограммы, при котором кадр разбивается на участки. Для каждого из них данная процедура производится отдельно. Применяются и другие методы очистки изображения от тумана. Некоторые из них основаны на подборе функции, приближённо описывающей воздействие частиц тумана на интенсивность проходящего через них света.
Anti-flicker
Устранение мерцания от ламп дневного света и т.д.
Цифровое подавление шумов (2DNR и 3DNR)
Digital Noise Reduction — цифровое подавление шумов.
Во многих современных камерах есть функция DNR (Digital Noise Reduction) — система шумоподавления в цветном изображении при низкой освещенности. Названий этой функции много, зависит от производителя чипа или камеры. Наиболее распространенные: 3D-DNR (3 Demension Signal Noise Reduction), SSNR (Samsung Signal Noise Reduction), 2DNR.
- При выключенном режиме DNR изображение «покрыто» разноцветными шумами, что резко увеличивает объем записи.
- 2DNR и 3DNR отличаются способом обработки сигнала и соответственно качеством получаемого результата.
- 3DNR анализирует различия между кадрами, чтобы скорректировать пиксели и улучшить качество. Как правило, 3DNR лучше подавляет шум, чем 2DNR, но при этом движущиеся объекты могут выглядеть размытыми. Технология 3DNR используется в статических областях области обзора.
- 2DNR предполагает обработку отдельных кадров видеоизображения, анализируя и исправляя пиксели, которые с большой вероятностью представляют собой шум. 2DNR демонстрирует хороший результат применительно к движущимся объектам, этот алгоритм используется в частях кадра, где присутствует движение. В режиме 2D-NR изображение сглаживается, что делает его более читабельным и значительно сокращает объем записываемых регистратором данных. Степень сглаживания регулируется видеопроцессором.
Компенсация пересвеченных участков (BLC / HLC)
Black Light Compensation (BLC) или компенсация встречной засветки — функция помогает получить нормальную детализацию картинки в условиях засвеченного заднего фона.
Когда объект находится на переднем плане, а на заднем — источник яркого света, то мы видим объект только в виде силуэта. BLC компенсирует встречную засветку путем выравнивания яркости изображения (фактически за счет экспонирования по части кадра, где располагается зона интереса Region of Interest — ROI), благодаря этой функции Вы сможете детально видеть темные объекты на фоне яркого света, например света фонаря, окна и т.д.
Фактически BLC просто выполняет экспозицию по части кадра (зоне интереса). Для этого, как правило, требуется выбрать зону интереса. В некоторых продвинутых камерах зона интереса выбирается автоматически.
При использовании BLC происходит повышение уровня экспозиции для всего изображения, что делает объект наблюдения светлее и четче. Минусы технологии — передержка в ярко освещенных участках (яркие зоны становятся еще светлее).
High Light Compensation (HLC) или компенсации яркой засветки — функция для компенсации яркой засветки. Из расчета средней яркости изображения происходит маскировка источника яркого света, позволяя рассмотреть темные участки. Фактически происходит экспокоррекция (Exposure Compensation). Двигая ползунок добиваемся, чтобы экспозиция камеры делалась для более яркого или более темного изображения.
Расширенный динамический диапазон (WDR)
Широкий динамический диапазон (Wide Dynamic Range, WDR) — это технология, позволяющая расширить рабочий диапазон камеры между самыми темными и самыми светлыми участками изображения. Существует два варианта реализации этой функции:
- матрица с двойным сканированием, когда матрица во время одного полукадра делает два снимка на длинной выдержке и на короткой, ISP-процессор накладывает эти снимки друг на друга и получает изображение с одинаково ясными деталями в светлых областях и в тенях (WDR)
Камеры с WDR подходят для помещений с большой площадью остекления, в которых есть большой перепад освещенности. На улице WDR помогает увидеть объекты в тени зданий или машин, компенсировать засветку от уличных фонарей, фар автомобилей.
Уровень WDR часто указывается в децибелах (dB) и показывает соотношение освещенности самого яркого и самого тёмного объекта съёмки которые различимы на изображении. Чем больше значение в децибелах, тем в большем диапазоне освещенности камера может давать хорошее изображение.
Уровень WDR рассчитывается как отношение светимостей самого яркого и самого тусклого объекта, которые были захвачены видеокамерой. Наиболее распространённый метод получения широкого динамического диапазона базируется на матрицах Double Scan или QuadroScan. Для каждого кадра матрица делает два или четыре сканирования с разной выдержкой электронного затвора и формирует предварительные изображения — одно с длинной выдержкой для осветления всех тёмных частей кадра, другое с короткой выдержкой с более корректным отображением переосвещённых участков. После этого фрагменты с лучшей передачей контраста суммируются в результирующий кадр, сбалансированный по яркости.
Очевидный недостаток WDR — длительное время экспозиции за счет нескольких сканирований матрицы, что может давать «смаз» от быстро движущихся целей наблюдения.
- электронный WDR (DWDR — Digital Wide Dynamic Range)
В DWDR для повышения качества изображения используется его обработка в цифровом виде. Детализация изображения DWDR значительно меньше, чем изображения, обработанного WDR. Сканирования матрицы при двух выдержках в DWDR не происходит.
Есть также фирменные технологии производителей камер.
WDR – Forensic Capture
Технология WDR — Forensic Capture — это целый набор прогрессивных алгоритмов обработки изображений по снижению уровня шума и усилению слабых сигналов для получения четкого детализированного изображения даже при слабом или контрастном освещении.
Axis WDR — Forensic Capture поддерживает плавный переход между режимом расширенного динамического диапазона и режимом работы при слабой освещенности, что позволяет легче обнаруживать и идентифицировать важные детали в сцене.
Стабилизация изображения (Electronic Image Stabilization EIS)
Electronic Image Stabilization (EIS) или Digital Image Stabilization (DIS) — электронная стабилизация изображения.
Система электронной стабилизации изображения (EIS) обеспечивает четкость видео в ситуациях, когда камера подвержена вибрации. EIS минимизирует размывание — компенсирует дрожание изображения при тряске от ветра или проезжающих мимо машин, из-за чего изображение и становится размытым. При этом виде стабилизации примерно 40 % пикселей на матрице отводится на стабилизацию изображения и не участвует в формировании картинки. При дрожании видеокамеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пиксели для компенсации дрожания картинки.
Наиболее критичной функция является для камер с длиннофокусным объективом, в особенности — для PTZ-камер. А также для случаев монтажа, где нет технологической возможности избежать вибрации и ветровой нагрузки на крепление камеры.
«Коридорный» формат (Corridor Format)
«Коридорный» формат (режим) — это всего-лишь «повернутое» на 90° изображение (9:16; 3:4 и т.п.). Коридорный формат удобен для ряда локаций — просмотра длинных коридоров, периметра промышленного предприятия (забора) и др. Для применения такого формата камера должна иметь возможность поворота объектива на 90° либо установки всей камеры «на боку». Процессор камеры должен уметь формировать поток, повернутый на 90° в обратную сторону.
Наложение текста и изображения (Text and image overlay)
В качестве накладываемого изображения может использоваться текст и/или статическое изображение (например логотип), которое располагается поверх основного видео. Для камер с функциями видеоаналитики «на борту» — вывод результата работы аналитики (например наложение информации о номере авто, подсчете сотрудников / посетителей за выбранный период и др.). При интеграции камеры с софтом VMS / PSIM — вывод любой другой информации (например при наличии интеграции с кассовыми терминалами — вывод текстовой информации кассового чека на видеоизображение).
Наложение маски на изображение (Privacy mask)
Используется для следующих задач:
- сокрытие приватных зон из живого видео и архива (важно понимать — восстановить изображение «под маской» не возможно — эта информация просто удаляется;
- сокращение битрейта от камер (упрощение ЛВС и уменьшение архива);
- обеспечение приватности посетителей.
Статическое маскирование закрытой зоны
Статическое маскирование закрытой зоны идеально подходит для ситуаций, когда из поля обзора камеры необходимо исключить некоторую определенную зону, наблюдать которую не требуется или запрещено по закону (например, участок соседней территории). Это решение можно использовать и для внутреннего, и для наружного наблюдения.
Статическая маска закрытой зоны полностью закрывает и не позволяет видеть выбранную область на изображении. Маска необратимо применяется и к живому видео, и к видеозаписям с камеры. Убрать ее из полученного видеоизображения невозможно никакими способами, что гарантирует требуемую конфиденциальность.
Новые модели фиксированных и PTZ-камер поддерживают не только простые непрозрачные блоки, но и пикселизацию (наложение мозаичного узора) маскируемых зон. При наложении мозаичной маски то, что происходит в закрытой области изображения, видно в очень низком разрешении. Благодаря мозаичной маске вы сможете видеть в пикселизированной области движение, связанное с любыми действиями, но не персональные данные, по которым можно было бы установить личности людей в кадре. Более новые камеры также поддерживают использование многоугольных масок для более точного определения контуров зоны.
Возможность исключить из обзора области, просмотр которых недопустим или нежелателен, особенно актуальна для PTZ-камер, принимая во внимание их способность давать подробное увеличенное изображение объектов, находящихся на большом расстоянии, и обширность охватываемой ими территории. В PTZ-камере статическая маска закрытой зоны привязывается к системе координат камеры, благодаря чему она всегда скрывает одну и ту же область сцены, даже если поле зрения камеры изменяется в результате панорамирования, наклона или изменения фокусного расстояния.
Динамическое маскирование
Технология одного из вендоров IP-камер — Axis Live Privacy Shield сравнивает кадры видео для выделения фона и позволяет наложить детальную динамическую прозрачную маску на изменяемые области. Другими словами, движущиеся люди и другие объекты представляются в виде прозрачных объектов поверх фона. Процесс выполняется мгновенно и эффективно исключает сбор личных данных.
Область интереса (Region of interest ROI)
Region of interest (ROI) — это “умная функция”, которая позволяет снимать разные части изображения с разным разрешением, GOP, FPS. Например, при съемке участка дороги “в лоб”, нижняя половина (с автомобилями и дорогой) будет записана в максимальном качестве, другая часть изображения (небо, деревья) записывается с низким разрешением.
Фактически ROI — это часть технологии SMART-кодеков Zipstream, WiseStream, H.264+, H.265+, которые мы обсуждали в статье «Как выбрать процессор камеры?«.
Коррекция дисторсии (Lens Distortion Correction LDC)
Lens Distortion Correction (LDC) — это функция исправление искажений, вносимых широкоугольным объективом. Для этого в ISP-процессоре камеры производится программная обработка изображения по определённому алгоритму, и его геометрия восстанавливается. В системе видеонаблюдения просматривается и записывается геометрически правильное изображение.
Выводы
Современные камеры обладают мощными ISP-процессорами, которые позволяют осуществлять цифровую обработку изображения ДО того, как это изображение будет сжато, закодировано и передано в сеть. Существуют как стандартные функции, о наличии которых можно вообще не задумываться (например яркость, контраст, резкость или баланс белого), так и весьма специфические, присущие отдельным вендорам и лишь в некоторых их линейках. При выборе модели камеры следует учесть, что как правило любые «улучшители» изображения нужно отключать при использовании алгоритмов видеоаналитики. Поэтому ещё на этапе планирования вы должны понимать как и для чего будет использована камера, в каких условиях она будет работать. Это позволит игнорировать при выборе функционал, не применимый к конкретной задаче, при этом обращая внимания на действительно важные функции ISP-процессора камеры для целевой задачи наблюдения.
Обязательно пишите в комментариях какие функции камер вы используете и почему. Если я что то забыл или в чем то неправ — буду разбираться и обязательно добавлю в текст статьи.
- Что такое плотность пикселей?
- Аналитика «на борту» видеокамер
- Уход брендов и санкции: тренды рынка видеонаблюдения в 2023
- ГОСТы на проектирование «пожарки»
- Что такое авторский надзор?