Мегапиксельные камеры.
Телевидение высокой четкости – основной тренд развития CCTV на ближайшие годы. Сомнений на этот счет ни у кого не возникает. Тем более что сектор бытовой видеотехники уже преодолел рамки аналогового формата. Мегапиксельные фото- и видеокамеры стали повседневными устройствами за разумные деньги. Потребитель ждет качественно нового уровня и в секторе CCTV. Однако, несмотря на появление специализированных мегапиксельных камер для систем безопасности, их использование пока сопряжено с целым рядом ограничений. Природа этих ограничений в самой сути мегапиксельной камеры как источнике изображения высокого разрешения, а также в сложности и дороговизне создания системы на основе этих устройств.
В данной публикации я коснусь некоторых из них.
Чувствительность и скорость формирования изображения
В качестве формирователя изображения в мегапиксельных камерах используются светочувствительные матрицы CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП – комплиментарная структура металл-оксид-полупроводник). Принципиальные различия между двумя этими типами матриц приведены в таблице.
| Показатель | CCD | CMOS |
| Чувствительность | *** | ** |
| Отношение сигнал-шум | *** | ** |
| Динамический диапазон | ** | *** |
| Скорость считывания заряда | ** | *** |
| Цена | *** | ** |
Основным фактором, ограничивающим применение мегапиксельных CCD матриц, является низкая скорость считывания заряда и как следствие невозможность обеспечения высокой скорости формирования изображения. Для телекамер 1,5–2Мп это значение составляет 15–12 кадр/с. Чем выше разрешение матрицы, тем ниже скорость формирования изображения. Технология CMOS, объединяющая светочувствительный элемент и микросхему обработки, позволяет получать высокую скорость обновления кадра даже для 3Мп сенсоров. При этом стоимость CMOS-матрицы ниже, чем аналогичной по разрешению CCD.
С другой стороны, более высокое соотношение сигнал – шум и высокая чувствительность камер на базе CCD делает эту технологию более предпочтительной для систем безопасности. Необходимо также понимать, что с увеличением разрешения чувствительность матрицы падает из-за уменьшения площади пикселя. Характерный показатель чувствительности для мегапиксельных CMOS камер в 30 раз ниже по сравнению с традиционными аналоговыми камерами на базе CCD.
Впрочем, технология CMOS совершенствуется, и с учетом роста требований к повышению разрешения на рынке начинают преобладать мегапиксельные камеры на базе CMOS-матриц.
Интерфейс передачи данных
Цифровые камеры с мегапиксельным разрешением на протяжении многих лет используются для систем машинного зрения, однако, как было отмечено выше, на рынке CCTV они появились не так давно. Основным сдерживающим фактором являлась не только цена устройства (светочувствительной матрицы, процессора камеры), но и отсутствие универсального интерфейса передачи данных, позволяющего подключать несколько устройств и объединять их в систему. Речь идет о цифровом интерфейсе с высокой пропускной способностью, так как параметры изображения мегапиксельной камеры выходят за пределы аналогового стандарта. К сожалению, используемый для промышленных камер интерфейс FireWire (IEEE1394) дорог и не позволяет создать распределенную систему. Развитие IP-сетей и появление IP-систем обусловило использование Ethernet как стандартного универсального интерфейса для мегапиксельных CCTV-камер. Разумеется, изображение подвергается компрессии. Оно не может передаваться в RAW (несжатом) формате, так как для цифрового представления (4CIF, 704 х 576) даже аналогового изображения поток составляет более 29Мб/с*. Для камеры с разрешением 1,5 Мп (16CIF, 1408 x 1152) несжатый поток составит 118,8 Мб/с. Наиболее распространенные алгоритмы сжатия, использующиеся для компрессии изображения в мегапиксельных камерах, – MJPEG и MPEG4. Они позволяют в десятки раз сократить объем данных. Характерный поток 1,5 мегапиксельной камеры составляет 1–1,5Мб/с. Это в 2–3 раза больше, чем поток 4CIF(704 х 576). Камеры с разрешением 2 и 3Мп (в данный момент они наиболее распространены на рынке) имеют значение битрейта – 2–4Мб/с. Объем транслируемых данных заставляет задуматься о создании гигабитной сети для системы на базе мегапиксельных камер, что серьезно сказывается на стоимости решения. В любом случае задача правильного расчета и построения IP-сети для мегапиксельных камер стоит острее, чем для IP-камер с разрешением 4CIF (704 х 576).
Запись и визуализация
Передача потока данных и управление им не является единственным острым вопросом. Данные необходимо сохранить, изображение должно быть декодировано для отображения на экране рабочей станции. При выборе решения на базе мегапиксельных камер необходимо учитывать стоимость создания системы архивации и производительность компьютеров рабочих станций. Используя данные о битрейте камеры, несложно рассчитать объем дискового пространства на сутки для системы высокой четкости, состоящей, например, из16 камер с разрешением 1,5Мп. Цифра получается внушительная – более 2Тб!!! Разумеется, можно сократить число кадров и как следствие битрейт. При этом снизить и информативность системы.
Однако возникает вопрос: ради чего такие жертвы?
Расчеты потока для форматов 4CIF и 16CIF, а также рисунок соотношения двух форматов приведены не случайно. Читатель может оценить эффективность использования мегапиксельной телекамеры в сравнении с камерой аналогового разрешения и ответить на вопрос, часто задаваемый на страницах отраслевых журналов: может ли мегапиксельная камера заменить несколько аналоговых камер? К сожалению, кроме отменной визуализации изображения на мониторах с большим экраном и высоким разрешением камеры с разрешением 1,5–2Мп не имеют каких-либо преимуществ. Разрешения определенно недостаточно, чтобы использовать возможности цифрового масштабирования (ZOOM).
Впрочем, не хочется, чтобы у читателя сложилось мнение, что мегапиксельные камеры нецелесообразно использовать для систем охранного видеонаблюдения. В настоящее время на рынке появляются камеры с разрешением 3 и 5Мп, которые действительно способны изменить принципы видеоохраны и количественные параметры элементов системы. Сокращение числа камер разрешения 4CIF, расходов на каналы оцифровки, передачи данных и непосредственно на инсталляционные работы может компенсировать затраты на построение высокоскоростных сетей и массивы хранения данных.
На сегодняшний день наиболее актуально использование мегапиксельных камер не в составе IP-систем, но в гибридных системах на базе DVR. Специализированные гибридные видеорегистраторы позволяют осуществлять запись изображений как от аналоговых камер, так и от мегапиксельных IP-камер. Области наблюдения, требующие особенной детализации, могут быть оснащены мегапиксельными камерами, подключенными к гибридному DVR, остальные зоны оснащаются обычными аналоговыми камерами. Мегапиксельные камеры необходимо распределить между регистраторами, так чтобы к каждому из них было подключено не более 1–2 камер. В случае необходимости организации удаленных рабочих мест важно правильно рассчитать трафик запросов клиента и выбрать конфигурацию рабочих станций.
В дальнейшем совершенствование технологий обработки, передачи и хранения данных позволит создавать по-настоящему эффективную систему высокой четкости.
*Примечание: расчет объема данных от одной камеры с разрешением 704 х 576 пикселей: 704 (точек по горизонтали) х 576 (точек по вертикали) х 24 (оцифровка, бит на цвет) / 8 (представление бит в байт) / 1024 (представление байт в килобайт) х 25 (кадр/с) = 29 700Kb/c.
AXIS 209MFD (AXIS Communications)Цветная IP-камера AXIS 209MFD компании AXIS Communications оптимально подходит для организации видеонаблюдения внутри помещений. Она оснащена объективом 3,6 мм с фиксированной диафрагмой и заключена в компактный плоский корпус, который легко монтируется на потолке или стене. Направление обзора IP-камеры можно настраивать. Кроме того, она поддерживает функцию Digital PTZ и позволяет запрограммировать до 20 предустановок. AXIS 209FD имеет чувствительность 1,5 лк и передает по сети видео MPEG-4 / MJPEG с разрешением 1280 х 1024 пикс. и скоростью до 12 к/с. Благодаря поддержке PoE AXIS 209FD может получать электропитание по витой паре.
Цветная IP-камера AXIS 211M (AXIS Communications)AXIS 211M использует 1/3-дюймовую КМОП-матрицу с прогрессивной разверткой и имеет чувствительность 1 лк. Камера оснащена вариообъективом. Она формирует видео M-JPEG/MPEG-4 и передает его по сети с разрешением до 1280 х 1024 пикс. и со скоростью до 30 к/с. AXIS 211M имеет встроенный микрофон, аудиовход и выход, вход для подключения охранного датчика и релейный выход, а также гибко настраиваемый детектор движения. IP-камера поддерживает PoE и может получать питание по витой паре. Изображение с нее можно просматривать в окне Internet Explorer или через специализированное ПО. Кроме того, для просмотра видео можно использовать бесплатное русифицированное ПО AXIS Camera Station One.
Мегапиксельная IP камера ACM-5611 день/ночь 1,3М (ACTi)Сетевая камера день/ночь имеет 1/3″ ПЗС матрицу Micron Progressive Scan SuperCMOC. Использование этой матрицы позволяет получить высокие показатели чувствительности: 0,5 лк в цвете и 0,05лк (30 IRE) в ч/б режиме. Для передачи по сети возможен выбор одного из двух встроенных типов компрессии: MPEG-4 и MJPEG. При обычном VGA (640 х 480) разрешении,камера передает по сети до 30 кадр/сек., а при разрешении SXGA (1280 x 1024) – до 8 кадр/сек. Камера имеет двунаправленный аудиоканал, механический ИК фильтр, функции компенсации задней засветки, баланса белого, встроенный детектор движения. Камера поддерживает функцию PoE (питание через Интернет). Камера поставляется в комплекте с мегапиксельным объективом с фокусным расстоянием 4,2 мм. Изображение, получаемое с камеры, может просматриваться на обычном web-браузере или с использованием специального программного обеспечения NVR, которое до 32 каналов поставляется бесплатно.
Сетевые мегапиксельные камеры Bosch NWC-0700 и NWC-0800 Цветные мегапиксельные камеры NWC-0700 и NWC-0800 компании Bosch оптимально подходят для видеонаблюдения за большими площадями или для получения высокоточного изображения объектов. Эти камеры оснащены 2- и 3,1-мегапиксельными КМОП-матрицами, а реализованные на базе процессора алгоритмы цифровой обработки позволяют устранить случайные дефекты, такие как эффект смазанности на динамическом видео. Видео с камер можно просматривать в окне стандартного веб-браузера. Благодаря поддержке PoE камеры могут получать питание по сети Ethernet.
Панорамная камера Halocam (Grandey) Панорамная камера Halocam британской компании Grandey оснащена 5-мегапиксельной КМОП-матрицей и объективом «рыбий глаз». Высокопроизводительный процессор Imtera 2™ исправляет геометрические искажения, вносимые объективом, после чего изображение приобретает привычную для просмотра форму. А четырьмя виртуальными поворотными камерами совершенно независимо друг от друга могут управлять два оператора, используя все функции, характерные для поворотных камер. Halocam не имеет ни одной подвижной детали, но в ее поле зрения в любой момент времени находится все окружающее пространство, что делает ее по эффективности видеонаблюдения сопоставимой с несколькими поворотными камерами. Это устройство доступно как в аналоговом, так и в IP-варианте. С помощью тревожного входа и выхода, а также детектора движения, детектора оставленных вещей и функции слежения за подвижными объектами вы можете гибко настроить систему реакции на тревожные события.
AV3130 – мультисенсорная, день/ночь IP-камера™IP-камера типа день/ночь позволяет производить съемку при широком диапазоне освещенности, от яркого солнечного дня до лунной ночи. Применение запатентованной технологии MegaVideo позволяет проводить мультипараллельную обработку изображений со скоростью 6 млрд операций в секунду. Технология DualBand позволяет в автоматическом режиме оптимизировать переключение между обычным (день) и монохромным (ночь) сенсорами без использования механических поворотных IR-фильтров и быстро интегрировать картинку в темноте. Имеет цветную 3 Mpix матрицу; монохром – 1,3 Mpix. Чувствительность – от 0,012 люкс @ F1.4 до 100 000 люкс. Размеры матрицы, в точках: цветная – 2040 (H) x 1530 (V); монохром – 1280 (H) x 1024 (V). Автоматическое переключение день/ночь, монохром в цветное. Кадров в секунду: до 20 @ 1920 x 1200; до 30 @ 1280 x 1024. Оптический формат – 1/2″ . Мозаичный RGB Bayer фильтр. Динамический диапазон – 60 db. Максимальное отношение сигнал-шум – 45 db. Полноценная прогрессивная развертка. Питание по сетевому кабелю Power-over-Ethernet (POE).
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
