Видеокамеры высокого разрешения. Реальные возможности

Конечно, важным моментом для появления мегапиксельных видеокамер стал переход к IP-видеонаблюдению. До тех пор пока использовался привычный аналоговый НЧ-видеосигнал, ничего более чем 1/3 мегапикселя использовать было нельзя.

Итак, сегодня вполне доступны и всерьез рассматриваются даже в небольших системах видеокамеры с одним миллионом или более пикселей. Но давайте чуть остынем от бурной радости и рассмотрим вопрос: "А всегда ли мегапиксельные видеокамеры лучше обычных?". Точнее, выясним, какие еще параметры, кроме количества мегапикселей, необходимо принимать к рассмотрению при выборе видеокамеры. Все мы уже давно знаем, что не только объем двигателя определяет качество автомобиля (иначе КАМАЗу не было бы равных). Кроме того, все мы хорошо помним, что "если нет разницы, зачем платить больше?". Сэкономить не получится

Первое и очевидное преимущество мегапиксельных видеокамер – каждая камера видит больше деталей, а значит, можно поставить меньше видеокамер. И даже иногда упоминают такой параметр, как "цена на один пиксель". На самом деле это не совсем так. Конечно, если вам надо наблюдать за стеной размером 3х4 м, то одна камера с одним мегапикселем примерно эквивалентна 4 видеокамерам обычного разрешения (тем более что их придется настроить слегка с перекрытием поля зрения). Но так ли это в действительности? В реальной жизни, например на периметре, где камеры стоят одна за другой, на каждой из них реально используется лишь узкая полоса по центру. Да, видеокамера с 1 Мпкс имеет в 1,7 раза большее линейное разрешение, а значит, такие камеры можно поставить (в идеальном случае, если это разрешение действительно реализуется) в 1,7 раза реже. Обратили внимание? Уже не в 4 раза, а всего лишь в 1,7 раза. При этом общее количество пикселей, информацию от которых вам надо передавать и хранить, вырастет в 1,7 раза, хотя эффект будет такой же, что и с обычными камерами. Ну конечно, непосредственно перед мегапиксельными камерами картинка будет чуть лучше, чем от обычной, но на дальнем конце контролируемого одной камерой участка различимость деталей будет точно такой же. И это, как уже сказано, в идеальном случае, ниже мы увидим, что качество изображения редко определяется одними лишь пикселями. А теперь вспомните, что на периметре просто недостаточно длинных прямых участков, и даже обычные камеры в среднем приходится ставить раза в полтора чаще, чем на основании идеальных расчетов. А еще более длинных участков, которые, по идее, способны контролировать мегапиксельные камеры, еще меньше, так что на периметре выигрыш в количестве от применения мегапиксельных камер будет не более чем 1,5.

Конечно, если вы и не собирались ставить камеры реже, а просто хотите получить картинку более высокого качества при том же стандартном 50–70-метровом расстоянии между камерами, то вы действительно получите картинку лучше. И если вы готовы за это платить, вы не будете обмануты: вместо теоретически различимых силуэтов вы увидите значительно более четкие фигуры. Если, конечно, не будет никаких других проблем.

Может быть, все вышеописанное относится только к периметру? Отнюдь. Возьмем задачу распознавания номеров. Здесь, правда, ситуация несколько другая. Одна видеокамера обычного высокого разрешения достаточно успешно контролирует одну полосу движения при условии, что все автомобили едут более-менее по центру полосы. Мегапиксельная камера гарантированно качественно перекроет всю полосу с запасом, но две полосы все равно не перекроет. Опять, как и на периметре, ситуация такова, что, перейдя с обычных на мегапиксельные, вы получаете улучшение качества, но вовсе не значительную экономию количества камер. А с учетом цены одной камеры суммарная стоимость проекта почти наверняка возрастет.

Или задача контроля входа. Необходима одна видеокамера, нацеленная на дверь. Даже обычная камера обычного разрешения успешно справляется с задачей распознавания лица. Мегапиксельная тоже справится с этой задачей, даже лучше. Но поставить половину камеры не получится, сколько бы мегапикселей в ней ни было, все равно в этой ситуации нужна ровно одна видеокамера.

Что ж, об экономии речь не идет. Ну, хорошо. Но качество-то всегда и наверняка будет лучше?

Нет, цена – не единственный параметр, который неожиданно может оказаться менее выигрышным, чем с обычными камерами.

Критерии качества

Объем информации Очевидный следующий параметр – количество информации, которую вы можете сохранить или передать. Мегапиксели генерируют мегабайты каждый кадр. Конечно, методики цифрового сжатия улучшаются от года к году, но вовсе не так быстро, как размножаются мегапиксели. Если вы сожмете 5 Мпкс в такой же объем (в килобайтах), в какой привыкли сжимать четверть мегапикселя (типичная видеокамера стандартного разрешения), изображение наверняка получится субъективно хуже. Да-да, увеличение количества пикселей при ограниченном объеме хранения (или пропускной способности канала) после некоторого размера приводит к ухудшению изображения. Это понятно: начиная с некоторого уровня сжатия, информация о наличии дополнительных пикселей начинает вытеснять полезную информацию об изображении.

Скорее всего, ситуация будет другая: качество-то будет лучше, а вот объем израсходованных гигабайтов на диске возрастет. Впрочем, это тоже обернется всего лишь увеличенными расходами на сетевое оборудование и дисковые накопители. Как мы уже видели, за качество надо платить. Не стоит думать, что, используя новое оборудование, удастся сэкономить, удастся лишь с пользой потратить больше денег.

Количество мегапикселей Следующий хорошо известный факт – чем больше мегапикселей в том же размере чувствительной матрицы, тем хуже ее чувствительность, тем хуже передача полутонов.

Гонка за мегапикселями оборачивается уменьшением размера пикселя. Во времена, когда видеокамера обычного разрешения стоила как подержанный "Мерседес", когда выпускались черно-белые камеры 1", 2/3" и только-только появлялись 1/3", профессионалы часто жаловались, что на камерах размером меньше 1/2" качество передачи полутонов явно невысокое. При том, что речь шла о всего лишь 500 пикселях по горизонтали, то есть размер пикселя у "плохих" 1/3" камер был больше 10 мкм. Для сравнения: у современных мегапиксельных матриц с размером 1/2" при 5 Мпкс размер каждого пикселя примерно 2х2 мкм. А если камера цветная, то еще вдвое меньше. Думаете, развитие технологии позволяет улучшить ситуацию, да? А вот нет. Есть законы физики, которые не обойти. Это в процессоре "Пентиум-7" все еще можно уменьшать и уменьшать размер транзисторов. Все равно отдельный транзистор либо включен, либо выключен. Даже если на его затвор будет умещаться всего один электрон, он будет работать. А если в светочувствительной матрице видеокамеры в 1 пиксель умещается максимум 4 электрона, то, как ни крути, она сможет передать не больше чем 2 уровня серого. Для ячеек размером около 2 мкм максимальное количество электронов составляет около тысячи, что дает теоретический (недостижимый в реальности!) предел около 50 градаций яркости. Думаете, почему у профессиональных фотоаппаратов матрица не меньше чем стандартный кадр пленки, то есть эквивалентна 8/3" в тех единицах, в которых обозначают матрицы видеокамер? А даже 10 Мпкс на уменьшенный менее 2" ("кропнутый", как говорят фотографы) формат матрицы, как считается, приводят к заметному снижению качества передачи полутонов.

Лучшие из современных мегапиксельных видеокамер (применяемых в охранном телевидении) – 5-мегапиксельные формата 2/3" – по размеру ячейки соответствуют средней цифро-мыльнице. Это вполне приемлемо, но если вы увидите 10-мегапиксельную камеру формата 1/3" – будьте осторожны, низкое качество изображения будет заметно невооруженным глазом!

Вы, может быть, скажете, что вас устраивает картинка даже с самых ширпотребных цифрофотоаппаратов? Не спешите, фотографии друзей на пикнике делаются в идеальных условиях, а друзья терпеливо позируют. Преступник в поле зрения видеокамеры ждать не будет, выдержка нужна значительно короче, а освещенность будет значительно хуже, так что чувствительность у матрицы будет выкручена за пределы, которые не позволяет себе ни один из производителей фотоаппаратов. Ну а изображение будет, мягко говоря, хуже некуда.

Время считывания Еще один существенный недостаток больших (по количеству мегапикселей) матриц – долгое время считывания информации. На ПЗС-матрице в несколько мегапикселей вам наверняка не достичь 50 кадров в секунду (20 мс на кадр), причем большая часть времени будет потеряна совершенно бездарно – изображение будет просто считываться, а не накапливаться, что приведет к еще большему снижению чувствительности. Сейчас все более популярны КМОП-сенсоры, у которых время считывания может быть значительно меньше. Однако у них далеко не вся площадь кристалла занята светочувствительными ячейками, так что чувствительность опять же будет ниже, чем можно было бы ожидать для такого размера пикселя. Внимательно читайте параметры мегапиксельной камеры, в рекламе количество кадров в секунду может быть указано вовсе не для максимального разрешения.

Чувствительность В целом чувствительность мегапиксельных камер оказывается значительно хуже, чем обычных. Чувствительность всегда была любимым объектом маркетинговых изысканий. Рекламные заявления об обычных видеокамерах, превышающих квантовый предел чувствительности, одно время появлялись с удручающей частотой. Для мегапиксельных камер пока идет гонка мегапикселей, на чувствительности никто не акцентирует внимание. В частности, потому, что чем больше мегапикселей (а пока в рекламе считается, что больше мегапикселей = "круче" камера), тем хуже чувствительность (если, конечно, размер матрицы не растет хотя бы пропорционально).

Для сравнения вспомните: вы давно привыкли, что стандартная черно-белая видеокамера показывает приемлемую картинку, когда вы глазом ничего не видите, так? А теперь вспомните: любой фотоаппарат (а там стоят те же самые мегапиксельные матрицы) настойчиво включает вспышку (то есть отказывается работать без подсветки), когда вы еще замечательно видите объект съемки. Снова напомню: видеокамеры от фотоаппаратов отличаются только тем, что их принудительно заставляют работать с малой выдержкой, то есть им еще сложнее получить хорошее изображение, чем фотоаппарату.

Разрешение Ну вот, наконец, дошли до разрешения. Казалось бы, уж тут все ясно – мегапиксели для того и есть. Собственно, обычно так и говорят: разрешение камеры столько-то мегапикселей. Ан нет, не тут-то было. Разрешение, наоборот, стало общепринятым моментом рекламных умолчаний.

В оптике разрешение определяется довольно однозначно – количество штрихов на мм, которое создает полосы с модуляцией около 20% (критерий Рэ-лея). В телевидении понятие разрешения несколько размылось, определение говорило о количестве полос, которые можно "различить". Но каков критерий различимости – никто уже не уточнял. Обычно считали, что 10 или даже 5% – вполне хорошая модуляция, которую можно различить. Впрочем, после появления ПЗС-матриц все производители перестали задумываться о требуемой глубине модуляции и считали, что "можно различить" ровно столько полос, сколько пикселей в матрице. Конечно, для успешного различения необходимо выполнить ряд условий, но в принципе вроде бы их действительно можно различить. По крайней мере полос больше, чем пикселей, уж точно разрешить нельзя, вот и писали: разрешение в ТВЛ равно 3/4 количества пикселей в строке (3/4 – это чисто геометрический коэффициент, отношение высоты стандартного кадра к ширине).

По мере отхода от ТВ-стандарта использовать ТВЛ для измерения разрешения совсем нет смысла, и потому теперь для разрешения все указывают просто количество пикселей (пиксельный размер кадра). В какой-то мере это оправдано, по крайней мере это число абсолютно однозначно и неподвластно манипуляциям. Но какое оно имеет отношение к разрешению? Сколько штрихов можно разрешить такой камерой? Специалисты по цифровому сжатию изображения очень не любят говорить о количестве штрихов. Оно и понятно – современные алгоритмы компрессии ведут себя очень по-разному в зависимости от состава изображения кадра. "Интеллектуальные алгоритмы" ориентированы на воспроизведение приятной глазу картинки, иногда на передачу мелких деталей, но вовсе не на передачу структуры параллельных линий. И это правильно, такая структура, даже если встречается в реальной жизни, мало интересует наблюдателя. Так как же тогда определить разрешение? Реально используются субъективные тесты: например, опрашивают множество людей, какая картинка им больше нравится. Или – в случае видеосигнала для охранных целей – на какой картинке вы еще видите преступника, а на какой – не видите. Да, речь идет о потере качества (способности разрешать мелкие предметы), связанной с алгоритмом сжатия, она напрямую не связана с мегапикселями матрицы. Но ведь именно мегапиксели заставляют нас "жать" сигнал все сильнее и сильнее. А теперь вспомните, что большинство алгоритмов ориентированы на вещательное телевидение, на крупные планы и контрастное освещение. Очень может оказаться, что видеокамера, в которой больше мегапикселей, наоборот, намного хуже передает мелкие детали в реальных условиях. И худшее, как вы уже поняли, в том, что в настоящее время в принципе нет общепризнанной методики сравнения разрешающей способности разных камер с цифровой компрессией. Вы можете только надеяться, что если в камере внутри много мегапикселей, то, наверное, в принципе она может иногда в некоторых условиях позволить разрешить более мелкие детали.

Объективы Помимо алгоритмов сжатия, легко может испортить разрешение объектив. Даже у идеального объектива есть дифракционный предел при сильном диафрагмировании. То есть на ярком солнце разрешение объектива значительно ухудшается. А в оптимальных условиях с максимально открытой диафрагмой? В этом случае, наоборот, даже идеальная геометрическая оптика дает весьма небольшую глубину резкости. То есть в фокусе резкость, может быть, и будет, а шаг вперед или шаг назад – и вы не в фокусе, можете вскрывать сейфы сколько угодно, вас никто не опознает. По крайней мере мегапиксели тут не помогут.

Ну ладно, а хотя бы в самых-самых идеальных условиях, в самом фокусе имеющиеся объективы смогут обеспечить качество, достойное мегапиксельной видеокамеры? Не факт. Конечно, сейчас даже объективы уже называют "мегапиксельными", хотя там еще нет цифровой обработки изображения. Имеется в виду, конечно, что такой-то объектив производитель рекомендует для применения на мегапиксельных камерах. Конечно, 5-мегапиксельный объектив от уважаемой компании, несомненно, лучше чем 1-мегапиксельный no-name. Тем не менее не верьте, что он обеспечит возможность различить 5 млн точек.

Есть такой объективный параметр качества объектива – контрасточастотная характеристика. Показывает, сколько процентов модуляции остается от стольких-то штрихов на миллиметр. Параметр обычно измеряется в белом свете, раздельно для радиальных штрихов (по радиусу от центра кадра) и тангенциальных (вдоль окружности), а главное, как функция от расстояния от оси объектива. В центре кадра реальное разрешение объектива, может быть, почти соответствует расстоянию между пикселями в целевой 5-мегапиксельной матрице. В том смысле, что имеет контраст хотя бы на уровне 2–3%. Как будто это поможет вам различить преступника в серой одежде на сером фоне (оптический контраст исходного изображения около 10%) с учетом, что мегапиксельная матрица, как мы уже говорили, хорошо, если передает 30–40 градаций серого. И это еще до того, как за дело принялись "интеллектуальные" алгоритмы компрессии. А ближе к углам разрешение наверняка очень сильно падает.

У меня сейчас нет данных ни по одному объективу, рекомендованному для мегапиксельных камер, не могу говорить точно, но я основываюсь на фактах, что для обычных камер самые лучшие объективы (в несколько раз дороже самых дорогих из реально продававшихся у нас в стране) обеспечивали "почти достаточное разрешение" в очень малой области в центре кадра, а на краях их разрешение падало в несколько раз. И я знаю, что технология производства полупроводников значительно выросла и позволяет делать много мегапикселей почти за те же деньги. А вот технология производства объективов практически не изменилась за последние 50 лет, а значит, сделать объектив, способный разрешить в 3 раза больше пикселей, стоит по меньшей мере в 10 раз дороже.

Инвестиции в качество Так что, возвращаясь к задаче расстановки камер на периметре, мы можем вовсе не получить ожидаемого выигрыша по разрешению в корень из числа пикселей – ведь именно на дальнем конце контролируемого участка (на верхней границе кадра) искажения оптики заведомо ухудшат картинку. Или мы можем не получить достаточной глубины резкости. И в результате мы почти совсем не сможем сэкономить в количестве камер. Но зато качество изображения по центру будет заметно лучше.

Вы могли подумать, что я такой ярый противник мегапиксельных камер. Отнюдь. Я лишь хотел подчеркнуть, что всего лишь за деньги, причем не за такие уж и большие, вы можете заметно улучшить качество изображения. На обычных камерах был фактически достигнут потолок качества, сколько бы вы ни тратили денег, существенно улучшить качество картинки вам бы не удалось. А теперь вы можете потратить деньги и сделать это с толком.

Вот только не надо надеяться, что в результате за счет того, что камеры лучше, их удастся поставить заметно меньше, а то даже и сэкономить, купив более дешевые пиксели (глядя на удельную стоимость одного пикселя).

Источник: Каталог "CCTV"-2010