1. 1. Складні умови освітлення
2. 2. Приховане освітлення
3. 3. відеоаналітіка
4. 4. Смуга пропускання і дискові масиви
5. 5. мегапіксельні камери
6. висновок

Д.Нікольскій
керівник напрямку систем відеоспостереження ТОВ «Роберт Бош»

Чутливість сучасних відеокамер стає все більш і більш високою.
У специфікаціях камер навіть середнього цінового діапазону вже давно вказується чутливість 0.1 Лк і нижче. Це приблизно відповідає рівню освітленості вночі при повному Місяці. Камери трохи дорожче легко оперують значеннями 0.01 - 0.001лк. Такі камери повинні давати картинку і без допомоги Місяця. І це не рекордні значення. Так навіщо ж ускладнювати і використовувати додатково інфрачервону підсвітку? Нижче ми розглянемо тільки декілька, на мій погляд основних, аргументів на користь використання інфрачервоного підсвічування в сучасних системах відеоспостереження.

Рис.1. Інфрачервоний прожектор SuperLED

1. Складні умови освітлення

Мабуть, головна причина використання інфрачервоного підсвічування - це забезпечення можливості відеоспостереження в темний час доби. Кількість і якість світла визначають якість одержуваного зображення. Під якістю світла в даному випадку мається на увазі те, наскільки рівномірно він розподілений в поле кадру. Якщо об'єкт погано освітлений - світла недостатньо або він розподілений нерівномірно, то не варто очікувати хороших записів від камер відеоспостереження, навіть якщо використовується відмінне устаткування. Часто такі записи просто не приносять користі. Кілька прикладів дозволяють наочно проілюструвати якісне поліпшення, що досягається за допомогою інфрачервоного підсвічування (рис.2).

Рис.2. якісне поліпшення, що досягається за допомогою інфрачервоного підсвічування
Верхній ряд - підсвічування вимкнено. нижній ряд - підсвічування включена

Загальна помилка щодо інфрачервоного підсвічування укладає в тому, що вона не дає ніяких переваг, коли об'єкт спостереження освітлений (рис.2). Хоча, це твердження і вірно в цілому, істина складніша і, як зазвичай, багато в чому залежить від конкретного додатка і характеристик об'єкта, що спостерігається. Існують також такі спеціальні додатки, коли застосування інфрачервоного підсвічування виправдано швидше днем, ніж вночі. Але це тема окремої розмови. Що ж стосується нічного відеоспостереження, то і на штучно освітлених майданчиках інфрачервоне підсвічування дозволяє домогтися кращого результату. Інфрачервоні прожектори, як правило, розміщують поряд з камерою і направляють безпосередньо на об'єкт спостереження. Це дозволяє вирівняти експозицію кадру і підсвітити тіні, створювані іншими джерелами світла. Як результат, зображення краще "читається": значущі деталі краще помітні.

Основа будь-якої камери - КМОП або ПЗС матриця. Саме матриця є світлочутливі елементи. Якщо є світло, є і зображення. Якщо немає, необхідне підсвічування. Інакше, матриця не працює. А що, якщо світло є, але його зовсім мало або навпаки занадто багато? Наскільки важливим для камери є кількість світла?

Більшість сучасних камер, як було вже сказано, мають відмінні характеристики світлочутливості. У специфікаціях вказують 0.1 Люкс і менш. У той час як виробник камер наполягає на тому, що його камера може працювати в умовах поганої освітленості, зображення від такої камери може виявитися практично марним.

Розглянемо спектр тонального переходу від білого до чорного. В ідеалі, камера повинна передавати всі можливі градації яскравості сцени спостереження (рис.3): від повної темряви глибокої осінньої ночі до сліпучого сонця літнього дня. В реальності ж, будь-яка камера має обмежений динамічний діапазон. І хоча на ринку існують камери з високим динамічним діапазоном, такого розширеного динамічного діапазону часто все ж не вистачає, щоб одночасно коректно передати деталі зображення, як в глибокій тіні, так і на яскравому світлі. Спробуємо, наприклад, розглянути висококонтрастну сцену, де присутній і яскравий джерело світла (точка А) і деталі на темному тлі (B).

Рис.3. Спектр тонального переходу від білого до чорного.

Як правило, камера за стандартних параметрів покаже тільки середній тоновий діапазон. Якщо поворожити з настройками, можна налаштувати камеру так, щоб змістити цей діапазон в праву сторону тонового спектру, і розглянути погано освітлені деталі в тіні. Але тоді світлі ділянки зіллються в одне суцільне біла пляма. Або навпаки, "зрушити" діапазон в бік світла, втративши при цьому всю інформацію в тінях. Розглянути і те, і інше одночасно не вийде. Динамічного діапазону не вистачає.

Рішенням проблеми є додаткова підсвітка. Додаючи світла, ми підсвічувати тіні, відкидаємо найбільш темні місця об'єкта спостереження, обрізаємо тонову діаграму справа і, як би, підстроюємо наше зображення під динамічний діапазон камери. Така технологія допомагає як днем, так і особливо в темний час доби. Однак необхідно відзначити, що до підбору джерела додаткового освітлення в цьому випадку необхідно підійти особливо ретельно. Чим більше діапазон яскравості треба компенсувати, тим більш потужну, і, головне, тим більше рівномірне підсвічування необхідно забезпечити. Рівномірний, що заливає світло є ключовою умовою, так як спрямований потужний промінь може не поліпшити, а навіть погіршити ситуацію, збільшуючи діапазон зміни яскравості, замість того, щоб його зменшити. Сучасні високоякісні світлодіодні прожектори дозволяють добитися рівномірної підсвічування, не перевищуючи при цьому розумних значень споживаної енергії.

2. Приховане освітлення

Інфрачервоне освітлення має на увазі, що довжина хвилі випромінювання знаходиться в інтервалі від 700 до 1100 нм. Око людина не чутливий до випромінювання в цьому діапазоні довжин хвиль, тому цей світ для нас невидимий. А ось матриці сучасних камер відеоспостереження володіють чутливістю в цьому спектрі, що, власне, і дозволяє використовувати інфрачервону підсвітку для охоронного відеоспостереження. Таким чином, те, що для людини представляється абсолютно темним об'єктом, насправді може бути прекрасно освітленим в інфрачервоному спектрі випромінювання.

Рис.4. Приклад архітектурного підсвічування

Невидимість інфрачервоного підсвічування є прекрасним властивістю системи відеонагляду , В умовах, коли необхідно забезпечити цілодобове відеоспостереження, не порушуючи в той же час зовнішнє освітлення об'єкта, і не змінюючи його характерний світловий малюнок. Архітектурна підсвічування будівель, ландшафтне освітлення, підсвічування туристичних визначних пам'яток, території готелів і офісних комплексів, рекламні об'єкти - все це приклади, коли дизайнери та інженери спеціально створюють світлові рішення, які вночі можуть бути важливі настільки ж, наскільки важлива сама архітектура об'єкта. Таке підсвічування ефектно виглядає і створює відмінне візуальне враження. У той же час вона, як правило, абсолютно не підходить для потреб охоронного відеоспостереження. Нерівний, часто пофарбований, іноді пульсуюче світло призводить до того, що зображення недоекспонувати, сповнені тіней і пересвічений одночасно. Інфрачервоне підсвічування дозволяє вийти з положення, забезпечивши якісне відеоспостереження вночі і не порушуючи в той же час задумів архітектора.

3. відеоаналітіка

На швидко розвивається відеоаналітіка покладаються в даний час великі надії. Відеоаналітіка вважається мало не панацеєю серед професіоналів індустрії безпеки. І тому є вагомі причини. Відомі дослідження, які показують, що вже після дванадцяти хвилин безперервного спостереження оператор системи відеоспостереження пропускає до 45% подій. І до 95% активних подій буде пропущено оператором після 22 хвилин безперервного відеоспостереження.

Рис.5. Типові завдання відеоаналітики

Чим більше камер вводиться в експлуатацію, тим більше відчувається потреба в системах надійної, ефективної і не дуже дорогий відеоаналітики. Такі системи дозволили б обробляти відеодані як в режимі реального часу, ініціюючи тривожні повідомлення для оператора, так і оперативно здійснювати інтелектуальний пошук в великих відеоархівах, розміри яких зростають випереджаючими темпами. Системи відеоаналітики використовують у своїй роботі досить складні алгоритми, що дозволяють виявляти певні класи подій, які можуть нести потенційну загрозу для об'єкта, що спостерігається а так же детектувати неправильне або незвичайне поведінки об'єктів в полі зору камери. Найпростішим і найбільш відомим прикладом такого алгоритму є датчик руху, коли будь-який рух в обраній області поля зору камери викликає тривожний сигнал. Можливості систем відеоаналітики ростуть швидкими темпами разом з обчислювальною потужністю сучасних процесорів. Удосконалюються алгоритми, з'являються все нові і нові класи виявляються подій. Зараз їх уже десятки. Ось тільки деякі з них:

• Перетин кордону
• Знаходження в зоні
• залишений предмет
• віддалений предмет
• дотримання маршруту
• праздношатаніе
• Напрямок руху
• Класифікація об'єктів
  І т.п

Остання тенденція відеоаналітики - переміщення обчислювальних функцій від централізованих серверів безпосередньо в камери і кодери. Сучасний рівень розвитку елементної бази дозволяє це. Обчислювальна потужність при цьому рівномірно розподіляється по всій системі. Зникає необхідність прокачувати якісне нестиснене відео через всю мережу - адже обробка ведеться там, де якість сигналу максимально - в самій камері. Така система набагато краще масштабується, не боїться відмов.

Загалом, відеоаналітіка це динамічно розвивається технологія. Однак, як і будь-які алгоритми обробки інформації, алгоритми відеоаналітики потребують якомога більше надійних, перевірених даних. Без достовірного сигналу на вході будь-яка, найскладніша відеоаналітіка, буде працювати неадекватно, що може скомпрометувати всю систему і швидше погіршує безпеку об'єкта, ніж поліпшить її. Алгоритми відеоаналітики завжди працюють краще, маючи на вході якісне зображення, що має на увазі високий рівень відеосигналу і добре ставлення сигнал / шум. Як орієнтир, часто вказується, що відношення сигнал / шум має бути не гірше, ніж 50 Дб. Це має на увазі, що об'єкт спостереження повинен бути добре освітлений. Тут знову стане в нагоді якісна підсвічування.

Інфрачервоне підсвічування дає можливість використовувати відеоаналітіка в темний час доби. З її допомогою можна висвітлити об'єкт спостереження, виключивши використання темних, галасливих зображень, які і є тими самими поганими даними на вході системи і не дозволяють їй виконувати свої функції в повній мірі, знижуючи ефективність роботи алгоритмів відеоаналітики. Правильно підібрана інфрачервоне підсвічування дозволяє істотно поліпшити ставлення сигнал / шум, що дозволяє системам відеоаналітики оперувати більш якісними, достовірними даними і виконувати покладені на них функції.

Аналогічно, функції, засновані на обробці відеосигналу і широко використовуються в таких пристроях, як: відеореєстратори (DVR), мережеві відеореєстратори (NVR), програмне забезпечення відеоспостереження VMS, будучи за своєю суттю найпростішої відеоаналітікой, теж погано працюють в умовах недостатньої освітленості. Такі функції, як: датчик руху, запис подій по руху, пошук в архіві подій по руху і т.п., - всі вони для правильної роботи вимагають зображення з хорошим ставленням сигнал / шум.

Всі вони теж потребують якісної інформації на вході, і будуть працювати оптимально при використанні інфрачервоного підсвічування.

4. Смуга пропускання і дискові масиви

Ключовим фактором при побудові сучасних систем цифрового відеоспостереження є питання побудови мережі передачі даних. Особливо важливими параметрами, що впливають на характеристики майбутньої системи, є смуга пропускання мережі і розміри дискового сховища для відеоархіву. У більшості випадків, стикаючись з чисто економічними обмеженнями на розміри дискових сховищ, доводиться жертвувати якістю запису: зменшувати частоту кадрів, збільшувати ступінь стиснення, знижувати дозвіл. Це, звичайно, негативно впливає на якість запису. Критичні події можуть бути пропущені або записані незадовільно, тобто основна функція системи відеоспостереження, заради якої все і будується, не виконується. В критично важливих додатках такого роду компроміси допускатися не повинні. Існує інший шлях зниження вимог як до смуги пропускання мережі, так і до розмірів дискових масивів - використання інфрачервоного підсвічування.

Рис.6. Ілюстрація ефективності застосування ІК-підсвічування для зниження трафіку в мережах передачі даних цифрового відеоспостереження

Одним з основних чинників збільшення розміру кадру є підвищений рівень шуму відео при недостатньому освітленні. Такі записи вимагають в середньому на 20% більшою смуги пропускання мережі і на стільки ж більше місця на диску, ніж записи правильно, рівномірно освітленою картинки. Відеосигнал таких зображень містить більше високочастотних складових, які сприймаються кодером, як рух. Вони також гірше стискаються. Більш того, шум часто є джерелом помилкових спрацьовувань відеодетектора руху, за якими, як правило, змінюються параметри запису. Передбачається, що якість запису по тривожним подіям має бути максимально хорошим. В результаті, записується істотно більший обсяг непотрібної інформації, що містить тільки шум. Цих проблем можна уникнути, забезпечивши достатній рівень підсвічування об'єкта спостереження в темний час доби.

5. мегапіксельні камери

мегапіксельні камери відрізняються від звичайних CCTV-камер більш високою роздільною здатністю і більш широким полем зору. При цьому геометричні розміри елемента зображення - пікселів - стають менше, що погіршує чутливість такої матриці в порівнянні з матрицею CCTV-камери стандартного дозволу, при інших рівних умовах. Тому все міркування, наведені вище для камер стандартного дозволу ще більш актуальні в цьому випадку, а застосування інфрачервоного підсвічування при використанні мегапіксельних камер особливо виправдано.

висновок

Отже, в умовах переходу на системи цифрового відеоспостереження значення інфрачервоного підсвічування не тільки не зменшується, але навпаки, її застосування стає все більш важливим. Якісні сучасні інфрачервоні світлодіодні прожектори дозволяють полегшити вирішення складних технічних завдань побудови IP систем: знизити трафік в мережах передачі даних; зменшити обсяг відеоархіву; покращують роботу відеоаналітики, знижуючи ймовірність помилкових тривог.

Джерело: журнал «Алгоритм безпеки» №3-2010