TV przemysłowa / CCTV

Systemy alarmowe

Kontrola dostępu

Kamery sportowe

Partnerzy LC Security

Kamery online

Pomoc techniczna

Generowanie i kompresja obrazu

Skuteczność każdego współczesnego systemu telewizji przemysłowej w bardzo dużym stopniu zależy od jakości obrazu generowanego przez kamery przemysłowe. Wysoka jakość wyświetlanego obrazu jest szczególnie ważne w przypadku wymagających systemów monitoringu wizyjnego, w których od efektywności pracy systemu zależy zdrowie, a nawet życie osób monitorowanych. W jaki sposób można zapewnić wysoki poziom jakości obrazu kamer sieciowych IP? Kamery IP w odrażeniu od konwencjonalnych kamer analogowych wykorzystują moc obliczeniową nie tylko do rejestracji i wyświetlania obrazu, ale także do zarządzania i cyfrowej kompresji, która pozwala na jego transmisję w sieci IP. Poziom jakości generowanego przez kamery IP obrazu zależy od wielu czynników. Fundamentalny wpływ na poziom jakości obrazu mają takie elementy jak: przetwornik, obiektyw, moc obliczeniowa oraz poziom złożoności algorytmów przetwarzających i procesora.

Generowanie obrazu

Przetworniki obrazu

Przetwornik obrazu to podstawowy element konstrukcji każdej kamery. Głównym zadaniem przetwornika jest przekształcenie światła na sygnał elektryczny, który to następnie pozwala na wytworzenie obrazu widzianego przez oko człowieka. Obecnie kamery przemysłowe, zarówno te analogowe, jak i sieciowe korzystają z dwóch technologii przetworników obrazu: CCD (Charged Coupled Device – urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym) i CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – półprzewodnik komplementarny z tlenków metali).

• Przetworniki CCD – stosowane w kamerach od ponad 20 lat. Ich produkcja odbywa się z wykorzystaniem technologii opracowanych specjalnie na potrzeby kamer i aparatów cyfrowych. Obecnie powszechnie stosowane w kamerach przemysłowych.



• Przetworniki CMOS – korzystają z standardowych rozwiązań technologicznych, co sprawia, że o wiele wcześniej były stosowane w układach pamięci (np. w komputerach). Obecnie dynamiczny rozwój technologiczny przetworników CMOS sprawił, że jakością obrazu zbliżyły się do przetworników wykonywanych w technologii CCD. Pomimo znacznej poprawy jakości wytwarzanego obrazu nadal ustępują technologii CCD, co sprawia, że nie nadają się do współpracy z kamerami od których wymagamy najwyższego poziomu jakości generowanego obrazu.

Techniki skanowania obrazu

Współczesne przetworniki stosowane w kamerach przemysłowych korzystają z dwóch podstawowych technik skanowania, które pozwalają na wygenerowanie obrazu. Obecnie mamy do ze skanowaniem z przeplotem oraz skanowaniem progresywnym. Rodzaj zastosowanej techniki skanowania obrazu zależy przede wszystkim od miejsca przeznaczenia kamery przemysłowej i od rodzaju obserwowanych obiektów.

• Skanowanie z przeplotem – technika stworzona z myślą o pracy z monitorami, w których zastosowano ekrany kineskopowe ((Cathode Ray Tube – CRT), wyświetlające obraz o rozdzielczości 576 (PAL) lub 480 (NTSC) linii telewizyjnych. Skanowanie z przeplotem polega na rozłączeniu obrazu na linie parzyste i nieparzyste, które następnie na przemian są odświeżane z częstotliwością 25/30 (PAL/NTSC) klatek na sekundę. Jakiekolwiek opóźnienia między odświeżaniem poszczególnych linii przyczynia się do powstawania zniekształceń lub „wyszczerbienia” krawędzi obrazu. Ten niepożądany efekt może być skompensowany za pomocą specjalnych metod usuwania przeplotu. Skanowanie z przeplotem jest stosunkowo starą technologią, która od lat znajduje zastosowanie w kamerach analogowych, monitorach CRT oraz magnetowidach VHS. Obecnie w wyniku dynamicznego rozwoju branży elektronicznej technika skanowania z przeplotem coraz częściej zastępowana jest skanowaniem progresywnym.


Schemat działania skanowania z przeplotem

• Skanowanie progresywne – w odrażeniu od skanowania z przeplotem, skanowanie progresywne nie dziali obrazu na linie parzyste i nieparzyste tylko skanuje cały obraz linia po linii z częstotliwością co 1/25 lub 1/30 sekundy. Technika stworzona na potrzeby urządzeń cyfrowych, czyli monitorów LCD, TFT oraz kamer cyfrowych. Skanowanie progresywne pozwala na wyeliminowanie negatywnego zjawiska migotania, co ma ogromne znacznie w przypadku współczesnych systemów telewizji przemysłowej. Aby w pełni móc wykorzystać zalety tej techniki skanowania obrazu konieczne jest zastosowanie wysokiej jakości monitorów przemysłowych. Doskonale sprawdza się podczas obserwacji ruchomych obiektów (eliminuje efekt wyszczerbionych krawędzi)


Schemat działania skanowania progresywnego

Na poniższym obrazie porównanie skanowania progresywnego ze skanowaniem z przeplotem podczas obserwacji ruchomego obiektu (w naszym przypadku jest to samochód).

Kompresja obrazu

Kompresja obrazu to niezwykle istotny element w przypadku kamer IP i sieciowych systemów monitoringu wizyjnego. Od standardu kompresji zależna jest nie tylko wydajność instalacji ale także poziom jakości otrzymywanych nagrań video. Kompresja obrazu dzieli się na stratną i bezstratną.

• Kompresja bezstratna – nie zmienia wartości pikseli, dzięki czemu po dekompresji otrzymujemy obraz o identycznym poziomie jakości. Związane jest to z ograniczeniem współczynnika kompresji, który sprawia, że zmniejszenie rozmiaru danych jest możliwe ale w bardzo ograniczonym zakresie. Doskonałym przykładem kompresji bezstratnej jest standard GIF. Ze względu na bardzo małe zmniejszenie rozmiaru danych kompresja bezstratna nie nadaje się do zastosowania we współczesnych sieciowych systemach monitoringu wizyjnego, gdyż w przypadku pracy z kilkoma kamerami natychmiastowo nastąpiłoby zapchanie pasma sieciowego. Ponadto, koszty archiwizacji tego typu danych byłby bardzo wysokie.

• Kompresja stratna – technika pozwalająca na zmniejszenie rozmiaru danych, co w rezultacie pozwala na zredukowanie kosztów związanych z ich przesyłem i zapisem. Z założenia kompresja stratna odpowiedzialna jest za redukcję tych elementów obrazu, które są niewidoczne dla oka ludzkiego. Dzięki takiemu założeniu możemy znacznie zwiększyć współczynnik kompresji. Technika stosowana zarówno w kompresji obrazów (zdjęć), jak i sygnałów wideo (ruchome obrazy).

Podstawowe standardy kompresji obrazów nieruchomych (zdjęcia)

Wszystkie algorytmy tego typu kompresji skupiają się jedynie na jednym obrazie. Obecnie najlepiej znaną i zarazem najbardziej popularną metodą kompresji zdjęć jest standard JPEG.

• JPEG – technika kompresji zdjęć, którą opracowano w połowie lat 80 XX wieku. Powszechnie wykorzystywana w rozwiązaniach sieciowych. Każda współczesna przeglądarka internetowa pozwala na dekompresję i wyświetlanie obrazów JPEG. Kompresja JPEG może być wykonywana w trzech różnych, definiowanych przez użytkownika poziomach, co pozwala na dostosowanie jakości i rozmiaru obrazu do indywidualnych potrzeb. Poziom kompresji bezpośrednio powiązany jest z jakością otrzymywanego obrazu. Im większy współczynnik kompresji, tym jakość obrazu niższa. Ponadto, również złożoność obrazu ma wpływ na współczynnik kompresji. Obrazy z mniejszą ilością szczegółów przy tym samym poziomie kompresji dają rozmiar danych mniejszy niż bardziej złożone obrazy.

• JPEG2000 – unowocześniony i bardziej złożony standard JPEG. Opracowany z myślą o zastosowaniach medycznych i wysokiej jakości zdjęciach fotograficznych. Niższe poziomy kompresji są zbliżone do JPEG, zaś przy wysokich poziomach możemy uzyskać lepszej jakości obraz niż w przypadku JPEG. Ze względu na konieczność uiszczania opłat na korzystanie z tego standardu, jego zastosowanie w sieci IP jest bardzo ograniczone.

Podstawowe standardy kompresji obrazów ruchomych (wideo)

Wyróżniamy kilka standardów kompresji ruchomych obrazów, w tym: M-JPEG, H.263, MPEG oraz H.264.

• Motion JPEG (M-JPEG) – sygnał wideo jako sekwencja obrazów JPEG. Obecnie jeden z najczęściej stosowanych standardów w sieciowych systemach monitoringu wizyjnego. W przypadku kamer sieciowych korzystających z tej techniki kompresji, rejestrowane są pojedyncze obrazy, które następnie poddawane są kompresji JPEG. W zależności od jakości kamery sieciowej może ona rejestrować i kompresować nawet do 30 pojedynczych zdjęć na sekundę, a następnie udostępniać je jako ciągły sygnał wideo. Płynność obrazów uzyskuje się gdy kamera jest w stanie zarejestrować i skompresować minimum 16 obrazów na sekundę. Motion JPEG ze względu na sposób działania gwarantuje jednakową jakość sygnałów wideo.



• H.263 – technika stosowana w sytuacjach gdy liczy się stałą szybkość transmisji sygnałów wizyjnych. Standard H.263 gwarantuje stałą szybkość, jednak odbywa się to wraz z pogorszeniem jakości obrazów, zwłaszcza w sytuacjach gdy znajdują się na nich ruchome obiekty. Kompresję H.263 opracowano na potrzeby telekonferencji, jednak ze względu na swoje działanie, znajduje często zastosowanie w sieciowych systemach monitoringu, w których ważniejsza od jakości obrazu jest stała szybkość transmisji sygnału wizyjnego.

• MPEG – najbardziej rozpowszechniona technika sygnałów wizyjnych i fonicznych. Opracowana pod koniec lat 80 przez Motion Picture Experts Group. W przypadku sieciowych systemów telewizji przemysłowej znajduje zastosowanie jedynie w kompresji sygnałów wizyjnych. Cechuje się znacznie większą złożonością kompresji niż Motion JPEG, jednak mimo tego pozwala na przesyłanie siecią mniejszej ilości danych. Podczas blisko 30 letniej historii powstało kilka standardów kompresji ruchomych obrazów MPEG: MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-4 part 10 (H.264).

  Standard MPEG-1 po powstał w 1993 roku z myślą o cyfrowym zapisie danych na nośnikach CD. W standardzie MPEG-1 skupiono się przede wszystkim na utrzymaniu względnej stałej szybkości transmisji kosztem zmiennej jakości obrazu. Liczba ramek na sekundę dla standardu MPEG-1 jest ustawiona na 25(PAL)/30(NTSC).

  Standard MPEG-2 premierę miał w 1994 roku i został zaprojektowany z myślą o cyfrowym zapisie danych na nośnikach (DVD), interaktywnych nośnikach danych (ISM), telewizji wysokiej rozdzielczości (HDTV), cyfrowej transmisji sygnału wizyjnego (DBV) oraz telewizji kablowej (CATV). Pod pewnym względem jest rozszerzeniem poprzedniego standardu MPEG-1. Podobnie jak w przypadku MPEG-1 prędkość transmisji dla standardu MPEG-2 została ustawiona na 25(PAL)/30(NTSC).

  Standard MPEG-4 stanowi bardzo duży skok jakościowy w stosunku do swoich poprzedników. Zastosowano w nim bardzo dużą ilość narzędzie pozwalających na obniżenie prędkości transmisji, która potrzebna jest do osiągnięcia obrazu o pożądanym poziomie jakości. W odrażeniu od poprzedników MPEG-4 nie posiada ustawionej prędkości transmisji. Większość posiadanych narzędzi do obniżenia szybkości transmisji nadaje się jedynie do pracy nie w czasie rzeczywistym, co wynika z dużej mocy obliczeniowej. MPEG-4 podobnie jak M-JPEG to jedne z najlepszych, pod kątem pracy w sieciowych systemach telewizji przemysłowej, kodeki sygnałów wideo.

  MPEG-4 part 10 (H.264) powstał w wyniku połączenia dwóch grup (H.263, MPEG-4). Korzysta z zaawansowanych algorytmów kodowania. Obecnie najlepszy standard kompresji sygnałów wideo, który doskonale sprawdza się w nowoczesnych, sieciowych systemach monitoringu CCTV IP. Jego zadaniem jest uzyskiwanie bardzo dużej kompresji danych, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości obrazu. W porównaniu z poprzednimi standardami cechuje się znacznie większą wydajności (w porównaniu z MPEG-4 nawet do 30%).

  

  Na poniższym wykresie przedstawiono porównanie zajętości pasma przez Motion JPEG i MPEG-4 z daną scenerią obrazu ruchomego.

  

Podczas rozważań na temat wyboru metody kompresji sygnałów wideo i projektowania sieciowego systemu telewizji przemysłowej należy zadać i odpowiedzieć sobie na kilka istotnych pytań, które pozwolą nam na optymalne przystosowanie metody kompresji do charakteru aplikacji wideo.

• Jaka jest wymagana liczba obrazów na sekundę?

• Czy przez cały czas potrzebna jest taka sama liczba obrazów na sekundę?

• Czy rejestrowanie/monitorowanie obrazu jest konieczne przez cały czas, czy tylko w przypadku ruchu/zdarzenia alarmowego?

• Jak długo obraz musi być przechowywany?

• Jaka jest wymagana rozdzielczość rejestrowanego obrazu?

• Jaka jest wymagany poziom jakości obrazu?

• Jakie jest dopuszczalne opóźnienie w kodowaniu i dekodowaniu sygnału wideo

• Jak niezawodny/bezpieczny musi być system monitoringu wizyjnego?

• Jaka jest przepustowość posiadanej przez nas sieci?

• Jaką ilość pieniędzy chcemy przeznaczyć na budowę i eksploatację sieciowego systemu monitoringu wizyjnego?

Rozdzielczość obrazu

Rozdzielczość to wartość, która oznacza rodzaj i wielkość generowanego obrazu. Zarówno w analogowych, jak i cyfrowych systemach telewizji przemysłowej rozdzielczość jest pojęciem podobnym. Istnieje jednak kilka różnic, które są charakterystyczne dla analogowych i cyfrowych systemów monitoringu. W przypadku instalacji analogowych obraz składa się z linii telewizyjnych, których liczba określa rozdzielczość obrazu. W systemach cyfrowych obraz składa się z pikseli (pojedynczych elementów obrazu).

Rozdzielczość standardów NTSC i PAL

Istnieją dwa podstawowe systemy obrazu analogowego, które bezpośrednio wywodzą się z branży telewizyjnej: NTSC (ang. National Television System Committee) oraz PAL (Phase Alternation by Line). System NTSC dominuje w Ameryce Północnej i Japonii, zaś system PAL jest stosowany w Europie. Podstawową różnicą jaką możemy zauważyć między tymi dwoma systemami jest rozdzielczość i sposób skanowania obrazu.

• System NTSC cechuje się rozdzielczością obrazu analogowego na poziomie 480 linii telewizyjnych z częstotliwością odświeżania 30 pełnych obrazów lub 60 półobrazów z przeplotem na sekundę.


Rozdzielczość dla standardu NTSC

• System PAL posiada rozdzielczość 576 linii i częstotliwość odświeżania 25 pełnych obrazów lub 50 półobrazów z przeplotem na sekundę.


Rozdzielczość dla standardu PAL

Niezależnie od tego z jakim systemem mamy do czynienia, ogólna liczba danych na sekundę w obu przypadkach jest jednakowa. Po przekształceniu analogowego obrazu do postaci cyfrowej liczba możliwych do utworzenia pikseli opiera się na liczbie linii telewizyjnych. I tak dla systemu NTSC po przekształceniu do postaci cyfrowej maksymalna rozdzielczość obrazu wynosi 720 x 480 pikseli, zaś w systemie PAL jest to 720 x 576 pikseli. Najczęściej stosowaną rozdzielczością obrazu w obu przypadkach jest 4CIF, czyli 704x480px dla NTSC lub 704x576px dla PAL.

Rozdzielczość VGA

W przypadku stricte sieciowych systemów telewizji przemysłowej, w których za wyświetlanie obrazu odpowiedzialne są nowoczesne kamery IP ograniczenia systemów NTSC i PAL przestały mieć większe znaczenie. W instalacjach stricte sieciowych wykorzystuje się systemy 100% cyfrowe, które dzięki zastosowanym rozwiązaniom zapewniają większą elastyczność. Podstawowym systemem cyfrowym jest VGA (ang. Video Graphics Array), który został opracowany przez firmę IBM. System VGA pozwala na wyświetlanie grafiki o rozdzielczości 640x480 pikseli na urządzeniach w pełni cyfrowych np. na komputerach. Rozdzielczość VGA jest rewelacyjnym rozwiązaniem dla kamer sieciowych IP, gdyż obraz w większości przypadków sieciowych systemów monitoringu jest wyświetlany na ekranach komputerów o rozdzielczości VGA lub wielokrotności VGA.

Podstawowe rozdzielczości obrazu dla systemu cyfrowego VGA:

• Quarter VGA (QVGA) z rozdzielczością 320 x 240 pikseli

• XVGA z rozdzielczością 1024 x 960 pikseli

• 4 razy VGA z rozdzielczością 1280 x 960 pikseli (rozdzielczość równorzędna 1Mpx)

Rozdzielczość MPEG

Rozdzielczość standardu kompresji MPEG przeważnie określana jest za pomocą jednej z poniższych rozdzielczości obrazu:

• 704 x 576 pikseli (PAL - 4CIF)

• 704 x 480 pikseli (NTSC - 4CIF)

• 720 x 576 pikseli (PAL lub D1)

• 720 x 480 pikseli (NTSC lub D1)

Rozdzielczość megapikselowa

Rozdzielczość obrazu ma ogromny wpływ na ilość znajdujących się na nim szczegółów. Reguła jest prosta im wyższa rozdzielczość obrazu, tym ma on więcej szczegółów. Ilość detali w obrazie w przypadku systemów telewizji przemysłowej jest bardzo ważna, gdyż to właśnie od nich zależy skuteczność w rozpoznawaniu obiektów. W analogowych systemach wizyjnych rozdzielczość kamer ograniczona jest przez systemy NTSC i PAL, które po przekształceniu do postaci cyfrowej pozwalają na wyświetlenie obrazu o maksymalnej rozdzielczości 400 000 pikseli (704x576), co daje około 0,4Mpx. Wraz z pojawieniem się na rynku kamer sieciowych, nowoczesne systemy telewizji przemysłowej mogą wyświetlać obrazy o znacznie wyższej rozdzielczości. Standardowa rozdzielczość megapikselowa wynosi 1,3Mpx (wspólny format megapikselowy 1280x1024), co daje nam około trzykrotnie większy obraz niż ten oferowany przez kamery analogowe.

Obecnie na rynku dostępne są kamery IP megapikselowe mogące wygenerować obraz o rozdzielczości 5Mpx i więcej, co sprawia, że jedna kamera megapikselowa może skutecznie zastąpić nawet kilka konwencjonalnych kamer przemysłowych. Dodatkową zaletą rozdzielczości megapikselowej jest to, że pozwala ona na uzyskiwanie obrazów o różnych proporcjach np. 4:3 (systemy CCTV IP) lub 16:9 (telewizory szerokoekranowe). Zaletą takiego rozwiązania jest to, że w większości obrazów ich części górna i dolna nie mają znaczenia, a przecież zajmują cenne piksele, a więc również zajmują pasmo i miejsce podczas zapisu. Ponadto, rozdzielczość megapikselowa doskonale sprawdza się w dozorowaniu rozległych obszarów i miejsc gdzie liczy się duża szczegółowość uzyskiwanych obrazów.

...wróć do pomocy