Тестирование стабилизации изображения в FullHD видеокамерах

Профессиональное видеонаблюдение является такой областью, в которой даже самая мелкая деталь может иметь важнейшее значение. Недаром идет непрестанное увеличение разрешения видеокамер, и производители соревнуются, кто сможет представить на рынок новейшую модель с еще большим количеством мегапикселей. Ведь высокое реальное разрешение как-раз и позволяет видеть те самые мелкие детали. Раньше задачи распознавания решались только на достаточно близком расстоянии от камер. Теперь же видеокамера может находиться на значительном удалении от наблюдаемого объекта, и при этом передавать все происходящее на сцене с достаточной детализацией.

Для профессионалов, сцены из фильмов, в которых происходит бесконечное увеличение изображения за счет использования фантастических алгоритмов, всегда были комичными. Однако высокое реальное разрешение позволяет без использования каких-то фантастических технологий получать максимально детализированное изображение. И наиболее сбалансированными сейчас являются FullHD-камеры, осуществляющие съемку с 2 Мпкс разрешением. Несколько лет назад они только появились на рынке и проигрывали более ранним моделям по чувствительности (реальному разрешению при низкой освещенности) и величине потока (требуемому размеру архива на видеосервере для полноценного видеомониторинга 24/7). А сейчас, благодаря новым высокочувствительным сенсорам и применению новейших алгоритмов кодирования, эти модели стали практически минимальным используемым инсталляторами вариантом.

Реальное разрешение зачастую значительно меньше заявленного, вследствие воздействия разнообразных внешних факторов. И одной из причин, приводящих к этому, является воздействие на видеокамеры механической вибрации в месте установки. Подобная вибрация практически всегда сопутствует видеокамерам, установленным вдоль автомобильных дорог на столбах или специальных мачтах. В этом случае, она возникает вследствие сильного ветра и нестабильности используемой конструкции. Кроме того, на камеру может непосредственно передаваться и вибрация от техногенного источника. Зачастую рядом, особенно при видеонаблюдении в помещении, оказывается какой-то мощный источник вибрации: генератор, лифт, входная дверь.

Кроме смазывания изображения при эксплуатации в таких условиях, происходит и «дребезжание» картинки, и заметное увеличение потока. И главная проблема состоит в том, что вибрация является непредсказуемым процессом, не может быть учтена, описана, а значит и полностью скомпенсирована каким-то определенным алгоритмом. Подобное ухудшение изображения сильно усложняет задачу детекции, а тем более распознавания. К примеру, при распознавании автономеров, ПО может не справляться с такими условиями и выдавать большое количество ошибок. Стоит учитывать, что для длиннофокусных объективов, влияние вибрации будет наиболее критичным. И даже небольшое перемещение камеры, может вызывать колоссальное смещение картинки. При больших увеличениях это недопустимо. А ведь малая вибрация присутствует практически всегда, но обычно ее просто не замечают.

Поэтому важным для инсталлятора, а значит и производителя, становится разработка способов борьбы с подобным. Полноценным решением этой проблемы является использование оптической стабилизации в объективах видеокамер. Но такие камеры практически отсутствуют на рынке и являются скорее дорогостоящими проектными устройствами. А следующим решением, куда более доступным и распространенным, является использование программной стабилизации изображения. Подобные алгоритмы стабилизации, называются у разных компаний по-разному (EIS – electronical image stabilization, DIS – digital image stabilization). Также существует вариант, при котором в камере используется гиросенсор. Его перемещения передаются в процессор камеры и учитываются при программной обработке изображения для компенсации вибрации. Еще есть несколько достаточно экзотических вариантов для видеонаблюдения. Ну и наконец, инсталляторы зачастую просто игнорируют мелкую вибрацию камеры, лишь иногда подстраивая сбившуюся фокусировку.

Если же говорить о преимуществах и недостатках разных типов стабилизации изображения, то можно отметить следующее:

Таблица 1 Сравнение типов стабилизации изображения

Тип стабилизации

Преимущества

Недостатки

Оптическая

    • Нет потери площади зоны обзора

    • Широкий диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации

    • Объектив может быть использован с любой камерой с подходящим креплением

    • Повышенная стоимость

    • Увеличенные размеры объектива

    • Практически нет на рынке видеонаблюдения

    • Дополнительный элемент в объективе может оказать влияние на параметры съемки

Цифровая

    • Алгоритм может быть заложен практически в любую камеру

    • Распространенность на рынке

    • Возможно использование отдельного процессора для повышения качества работы алгоритма

    • Частичная стабилизация колебаний

    • Использование только части изображения

    • Возможно ухудшение детализации изображения, вследствие работы алгоритма

Цифровая с использованием показаний гиросенсора

    • Более широкий диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации, чем у цифрового способа

    • Возможно использование отдельного процессора для повышения качества работы алгоритма

    • Повышенная стоимость камеры

    • Использование только части изображения

    • Редко есть на рынке видеонаблюдения

Подвижная матрица с гиросенсором

    • Не увеличивает габариты камеры

    • Малые вибрации компенсируются с высокой точностью

    • Позволяет стабилизировать перемещения практически в любых направлениях

    • Не ограничивает в выборе объектива

    • Нет в видеонаблюдении

    • Низкая эффективность при больших фокусных расстояниях

    • Малый диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации

    • Наиболее дорогое решение

Внешняя гироплатформа

    • Компенсация практически любой вибрации

    • Подходит для любой камеры

    • Нет в массовой продаже

    • Большие размеры

И чтобы посмотреть, что же из себя представляют цифровые алгоритмы стабилизации, как самый доступный вариант компенсации вибрации, мы решили провести тестирование.

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения заключается в программной обработке видеосигнала, поступающего с сенсора камеры.  При включении режима стабилизации видеокамера фиксирует центр изображения. Камера транслирует часть потока («кроп»), обрезая полосу изображения по периметру. При возникновении перемещения (при вибрации) камера «следит» за перемещением центра изображения, передвигая область трансляции по площади кадра вслед за перемещением. Таким образом, амплитуда цифрового стабилизатора ограничена периметральной областью вырезанной из площади изображения.

Рисунок 1 Принцип работы цифровой стабилизации изображения

 

Что тестируем

Мы же решили испытать воздействие вибрации на изображение в box-камерах. Для этих моделей чаще всего возможна установка на улице в кожухе с применением длиннофокусных объективов, что является наиболее сложным условием при наличии вибрации. А FullHD разрешение выбрано как самое востребованное на текущий момент. Таким образом, мы собирали камеры со следующими ограничениями:

  • Разрешение 2-3 Мпкс;
  • Корпус Box;

Что нам предоставили на тест

В результате в лаборатории оказались следующие образцы:

  • BEWARD SV2015M
  • Bolid VCI-320
  • NOVIcam PRO NC24P
  • Приобретенная лабораторией камера, которую в дальнейшем будем называть Noname

Как станем это измерять?

Все измерения будем проводить при одинаковом угле обзора у камер. Оценим общее качество съемки камер, измерив реальное разрешение при помощи типовой тестовой таблицы при снижении освещенности от 500 до 1 лк не используя ИК-подсветку.

Заданные амплитуда и частота вибрации в нашем тесте характерны для конструкций, на которые устанавливают камеры (столбы, мачты над автомагистралями). Частота вибрации составляла 1 Гц и 5 Гц, а смещение изображения в объективе камеры по отношению к полному размеру кадра равнялось 2%, 6%, 11%. Влияние этой вибрации на качество съемки будем оценивать по нескольким факторам.

Первым будет разрешение камеры при воздействии вибрации и при воздействии вибрации и включенном алгоритме стабилизации

А вторым фактором будет отношение перемещения изображения при воздействии вибрации к перемещению изображения при воздействии вибрации с включенным алгоритмом стабилизации.

BEWARD SV2015M

Предоставлена компанией НПП «Бевард»

Самая дорогая камера в тесте, камера показала самое высокое разрешение и наилучшую стабильность разрешения при снижении освещенности. Показала наибольшую эффективность алгоритма стабилизации изображения при больших амплитудах на 1 Гц и при малых на 5 Гц. Лидирует по величине разрешения при малой амплитуде и вибрации на 1 Гц при выключенном алгоритме стабилизации. На этой же частоте включение алгоритма стабилизации, позволяет сохранить разрешение даже при воздействии вибрации.

Производитель отмечает, что камера снабжена чувствительным сенсором SONY Exmor R, что позволяет ей записывать качественное видео с высокой цветопередачей и малым уровнем шума в условиях недостаточной освещенности, а также при работе с короткой выдержкой для наблюдения быстро движущихся объектов.

Производитель отмечает, что поддерживаемая функция ABF преобразует объектив с типом крепления CS в объектив с автофокусом для удаленного изменения положения матрицы, точно подстраивая таким образом фокусировку изображения. Заявлена поддержка режима высокоскоростной съемки (60 к/с). В модели заявлен кодек H.265 совместно с режимом Smart Stream для повышения степени сжатия видео. В камере заявлен 2-кратный расширенный динамический диапазон (Double Scan, 2xWDR).

Заявлена встроенная поддержка расширенной видеоаналитики на 8 функций: подсчет людей, пересечение линии, детекторы праздношатания, саботажа, людей, движения и входа/выхода в рамках заданной области (активация лицензии).

Bolid VCI-320

Предоставлена компанией ЗАО НВП «Болид»

Камера имеет наименьшее (почти нулевое) снижение разрешения при включении алгоритма стабилизации во всех условиях. Лидирует по эффективности алгоритма стабилизации изображения при малых и средних амплитудах на 1 Гц и занимает второе место по этой величине на 5 Гц. Имеет наилучшее разрешение при вибрации 5 Гц. 

Производитель описывает модель как цветную видеокамера, предназначенную для работы в составе комплекса видеонаблюдения и непрерывной трансляции видеоизображения с охраняемой зоны на системы отображения, записи, хранения и воспроизведения видеоизображения. Производитель оснастил свою камеру аудиовходом и аудивыходом для подключения дополнительного звукового оборудования. В модели заявлен разъем DI/DO для приема/отправки для обмена цифровыми сигналами с внешними устройствами. 

Для более экономного использования видеоархива, камера поддерживает видеозапись с помощью кодека Н.265. В камере заявлен встроенный адаптер PoE для питания видеокамеры по кабелю сети Ethernet и слот для карты Micro SD, позволяющий сохранять видео даже при отсутствии сетевого подключения. 

Производитель отмечает, что видеокамера обладает расширенным динамическим диапазоном 140 децибел для одновременного отображения ярких и темных участков одного кадра. Производитель заявляет, что модель обладает высокой чувствительностью в условиях плохой освещенности.

NOVIcam PRO NC24P

Предоставлена компанией NOVIcam

Камера входит в число лидеров по величине и стабильности разрешения. Причем при хорошей освещенности показывает достаточно близкие к лидеру значения.

Модель не оснащена функцией цифровой стабилизации изображения. IP видеокамера исполнена в классическом корпусе и, по словам производителя, передаёт изображение Full HD с разрешением 1080р 25 к/с и обеспечивает детализированный обзор. По словам, производителя, связка мегапиксельного сенсора SONY и производительного процессора превращает камеру в мультифункциональное устройство. Заявляется возможность подключения к камере микрофона и динамиков, датчиков тревоги и реле, карты памяти, что должно позволить организовать на её основе полноценную систему видеонаблюдения.

На одну из боковых сторон вынесен разъём автоматической регулировки диафрагмы (АРД) для электронного управления световым потоком. Поддержка технологии РоЕ позволит использовать один кабель для передачи питания и данных. 

Производитель подчеркивает, что для простоты настройки и удаленного доступа к камере предоставляется бесплатный облачный сервис P2P. Поддержка стандарта ONVIF предназначена для обеспечения связи с популярными IP видеорегистраторами и программным обеспечением. Заявляется широкий диапазон рабочих температур, позволяющий использовать камеру даже в неотапливаемых помещениях.

Noname

Предоставлена лабораторией CCTVLab

Ожидаемо отстает от других камер по величине разрешения и качеству работы алгоритма цифровой стабилизации изображения практически при всех условиях. Однако показывает рост эффективности алгоритма стабилизации при частоте вибрации 5 Гц, в итоге выигрывая у других моделей при больших амплитудах.

Модель является типовой видеокамерой из китайского интернет магазина, оснащенной сенсором SONY IMX123. Преимуществом этой конкретной модели является поддержка алгоритма цифровой стабилизации изображения.

Результаты испытаний

Таблица 2 Характеристики камер

Камера

Сенсор

Максимальное разрешение

Скорость записи

Кодирование

Питание

Стоимость, руб

BEWARD SV2015M

1/2.8" SONY Exmor R

1920×1080

60

H.265

12 В/PoE

25700

Bolid VCI-320

1/2.8” КМОП

1920×1080

30

H.265

24 В/12 В/PoE

24407

NOVIcam PRO NC24P

  1/2.8" SONY

1920×1080

30

H.264

12 В/PoE

16302

Noname

  1/2.8" SONY

2048×1536

60

H.265

24 В/12 В/PoE

-

 

Рисунок 2 Изменение горизонтального разрешения при снижении освещенности (Больше – лучше). Вибрация и алгоритм стабилизации изображения выключены

Во всех камерах наблюдалось закономерное снижение разрешения при снижении освещенности.

Рисунок 3 Изменение горизонтального разрешения при увеличении амплитуды вибрации при частоте 1 Гц (Больше – лучше). Вибрация и алгоритм стабилизации изображения включены

Рисунок 4 Изменение горизонтального разрешения при увеличении амплитуды вибрации при частоте 5 Гц (Больше – лучше). Вибрация и алгоритм стабилизации изображения включены

По графикам становится заметно, что в большинстве камер, при увеличении амплитуды вибрации происходит закономерное падение разрешения. В основном разрешение камер при включенном алгоритме немного ниже, чем, когда он выключен. Чем выше амплитуда и частота вибрации, тем меньше разница между величинами разрешений при съемке с выключенным алгоритмом и при его включении. Интересно, что при частоте 1 Гц алгоритм стабилизации одной из камер отрабатывает вибрацию без видимого ухудшения изображения.

Рисунок 5 Уменьшение амплитуды колебаний изображения при включении  алгоритма стабилизации при частоте 1 Гц (Больше – лучше). Вибрация и алгоритм стабилизации изображения включены

Рисунок 6 Уменьшение амплитуды колебаний изображения при включении  алгоритма стабилизации при частоте 5 Гц (Больше – лучше). Вибрация и алгоритм стабилизации изображения включены

При оценке эффективности работы алгоритма стабилизации, можно заметить много интересных особенностей. Эту эффективность вычисляли при воздействии вибрации как отношение амплитуды колебания изображения к амплитуде колебания изображения при включенном алгоритме стабилизации изображения. Получилось, что алгоритмы стабилизации камер более эффективны на частоте 1 Гц, причем эффективность с увеличением амплитуды вибрации только возросла. А вот при частоте 5 Гц, эффективность с ростом амплитуды вибрации незначительно росла только у одной камеры, а у двух других заметно снижалась. При большой амплитуде вибрации на частоте 5 Гц амплитуда перемещения изображения у этих при включенном алгоритме сравнялась с амплитудой при выключенном алгоритме.

Если же рассмотреть все результаты в совокупности, то можно отметить, что камеры лучше справились с вибрацией на 1 Гц. Можно предположить, что производители настраивали свои алгоритмы именно на такие условия.

Заключение

По результату тестов данных образцов камер можно сделать следующие важные выводы: 

Алгоритм при его включении снижает разрешение камеры, даже при съемке статичного изображения при отсутствии вибрации. И далее разрешение падает с увеличением амплитуды и частоты вибрации, стабилизатор позволяет лишь сохранить разрешение на том же уровне, либо ухудшает его ещё больше. Но в то же время алгоритм цифровой стабилизации позволяет значительно снизить амплитуду колебаний изображения, снижая скачок битрейта из-за вибрации, что позволяет более стабильно работать различным алгоритмам аналитики – таким как распознавание номеров, детекторов движения и т.д., а также сделать просмотр видео более комфортным.

Отсюда следуем главная рекомендация инсталляторам: следите чтобы на камере алгоритм стабилизации был выключен, при отсутствии веского обоснования его включения не только в самого наличия заметной вибрации камеры в месте установки, но именно влияния этой вибрации на качество выполнения поставленных системе видеонаблюдения конкретных задач.

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеокамер

Тестирование видеодомофонов

Тестирование видеодомофонов

Тестирование видеодомофонов

Тестирование NVR