Chociaż oświetlenie w podczerwieni jest dojrzałą technologią, która niejednokrotnie udowodniła swoją przydatność w warunkach nocnych, jej użycie w obecnych systemach dozoru wizyjnego obejmuje zaskakującą sferę – zarządzanie przepustowością sieci. Dzięki możliwości zmniejszenia wymagań dotyczących przepływności sieci oświetlenie w podczerwieni może stać się przydatne do lepszego wykorzystania zasobów sieciowych w systemach dozoru wizyjnego. Oświetlenie w podczerwieni może istotnie zmniejszyć wymagania dotyczące przepustowości oraz przestrzeni dyskowej rejestratorów, co sprawia, że staje się czymś więcej niż tylko technologią usprawniającą działanie systemu w warunkach nocnych.
Praktycznie wszystkie kamery CCTV – zarówno analogowe, jak i sieciowe – generują użyteczne obrazy dozorowe w dzień, w warunkach dobrego oświetlenia, jednakże dzisiejsze systemy bezpieczeństwa wymagają pracy 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu, a to właśnie możliwość pracy w nocy determinuje całkowitą efektywność systemu. W nocy zdarza się większość włamań, kradzieży, napadów oraz ogólnie definiowanych prób wykorzystania słabości systemów dozorowych. Przetworniki CCD i CMOS, stanowiące kluczowy element każdej kamery CCTV, zgodnie ze swoją zasadą działania są zaprojektowane do reagowania na światło i tworzenia w ten sposób użytecznych obrazów. Jeśli nie ma światła, nie może być mowy o jakimkolwiek użytecznym i czytelnym obrazie.
Wiele dostępnych obecnie kamer dysponuje bardzo wysoką czułością, często dochodzącą do 0,1 luksa. Ich dane techniczne sugerują efektywne działanie w warunkach słabego oświetlenia, jednak w branży bezpieczeństwa panuje, skądinąd słuszne, powszechne przekonanie, że złe warunki oświetleniowe przyczyniają się w rezultacie do wytwarzania obrazów o słabej jakości i o wysokim poziomie szumów.
Wraz ze spadkiem poziomu oświetlenia rośnie zapotrzebowanie na przepustowość (przepustowość – albo przepływność – określa, ile bitów danych można przesłać w ciągu sekundy przez dostępną sieć teleinformatyczną, np. Ethernet). Zasadniczo obrazy powstające w dzień wymagają mniejszej przepustowości niż obrazy powstające w nocy – przy założeniu, że pozostałe czynniki (na przykład ruchliwość sceny czy stopień kompresji) są takie same.
Aby zrozumieć nieuchronny wzrost zapotrzebowania na przepływność przy złym oświetleniu, weźmy pod uwagę działanie funkcji automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW) w kamerze, która zwiększa wzmocnienie toru wizyjnego w złych warunkach oświetleniowych. Wynikiem wzrostu wzmocnienia jest wzrost zarówno poziomu sygnału wizyjnego, jak i poziomu szumów. Kiedy scena jest słabiej oświetlona, funkcja ARW powoduje wzrost wzmocnienia i zwiększa się poziom szumów w obrazie. Gdy oświetlenie sceny nadal maleje, funkcja ARW jeszcze bardziej zwiększa wzmocnienie, co powoduje dalszy wzrost poziomu szumów. W końcu obraz powstający w kamerze w nocy staje się zaśnieżony oraz ziarnisty. W tych warunkach – nawet w przypadku nieruchomych obrazów – wymagana przepływność sieci może być wiele razy większa niż w dzień.
Co wspólnego mają szumy w obrazie wytwarzanym przez kamerę ze zwiększeniem przepływności łącza sieciowego kamery? Otóż wspólnym elementem łączącym te dwa zjawiska jest zastosowana kompresja. Przy założeniu, że bierzemy pod uwagę stratne algorytmy kompresji obrazu, niezależnie od wyboru konkretnego rozwiązania (M-JPEG, MPEG-4 czy H.264), podstawową zasadą kompresji jest eliminacja nadmiernej ilości danych w celu zmniejszenia rozmiarów plików. Każda kompresja wymaga kompromisu pomiędzy jakością obrazu a rozmiarami uzyskiwanych plików. Wyższy (bardziej stratny) stopień kompresji pozwala w rezultacie na zmniejszenie rozmiarów plików i jednocześnie powoduje pogorszenie jakości obrazu. Mniejszy (mniej stratny) stopień kompresji daje obraz o wyższej jakości, jednak rozmiary plików są większe. Najbardziej popularne, wyżej wymienione algorytmy stosują jeden z dwóch rodzajów redukcji:
- redukcję nieistotnych elementów – usuwającą części sygnału wizyjnego niedostrzegalne dla ludzkiego oka, takie jak nieznaczne zmiany kolorów,
- redukcję nadmiarowości – usuwającą powielone informacje (zarówno z tej samej ramki obrazu, jak i pomiędzy ramkami), takie jak duże, jednolite obszary o jednakowej barwie lub obiekty nieruchome.
Efekt słabszego oświetlenia dostępnego w scenie, a co za tym idzie zwiększonej aktywności funkcji ARW, zakłóca pracę algorytmów kompresji stosowanych w nowoczesnych kamerach sieciowych (IP). Algorytmy kompresji interpretują powodowane przez działanie funkcji ARW zaśnieżenie oraz ziarnistość obrazów jako przydatne informacje (takie jak detale obrazu lub ruch), które nie mogą być potraktowane jako elementy nieistotne lub nadmiarowe. Koder kamery działa więc tak, jak gdyby w scenie pojawiło się więcej ruchu, co w konsekwencji powoduje, że obrazy przesyłane z kamery obserwującej scenę słabiej oświetloną są mniej skompresowane, czyli mają większe rozmiary. Istnieje zatem bezpośredni związek pomiędzy pracą nocną, kompresją i wielkością generowanego strumienia danych.
Pozornie najbardziej oczywistym rozwiązaniem jest wyłączenie funkcji ARW. Rzeczywiście spowodowałoby ono zmniejszenie przepływności, jednak odbyłoby się to kosztem rozróżnialności szczegółów obrazu. Skutkiem byłyby bardzo słabe, jeśli nie bezużyteczne obrazy. Niewątpliwie możliwość pracy systemu dozoru wizyjnego w nocy ma istotne znaczenie dla efektywności zastosowanych zabezpieczeń.
Najlepszym rozwiązaniem do zapewnienia efektywnej pracy sieciowych systemów dozorowych w nocy jest oświetlenie obserwowanej sceny. I tutaj do wyboru mamy dwie drogi. Możemy skorzystać z oświetlenia widzialnym światłem sztucznym (np. halogenowym lub żarowym) albo oświetlenia światłem o długości fali mieszczącej się w zakresie podczerwieni – częściowo lub całkowicie niewidocznym.
Sztuczne oświetlenie w zakresie widzialnym w nocy można chwilowo pominąć ze względu na kilka niekorzystnych z punktu widzenia profesjonalnego systemu monitoringu parametrów (np. zniekształcanie kolorów, krótki zasięg oświetlenia, widoczność promieniowania, czyli również informowanie potencjalnych intruzów o zasięgu widzenia naszych kamer, niska sprawność energetyczna, niższa trwałość i jednolitość źródła światła, brak dokładnego oświetlenia poszczególnych planów czy efekt zanieczyszczenia otoczenia światłem widzialnym). Zajmiemy się oświetleniem w podczerwieni.
Warunkiem wytworzenia pełnowartościowego obrazu w porze nocnej jest właściwy dobór takich elementów, jak kamera, obiektyw i źródło światła. Oczywiście kamera powinna być kamerą dzienno-nocną z mechanicznie usuwanym filtrem podczerwieni i obiektywem przystosowanym do pracy w zakresie podczerwieni, gwarantującą wyraźne, niezaszumione i ostre obrazy przy oświetleniu z wykorzystaniem podczerwieni. W tych warunkach funkcja ARW staje się zbędna, a kompresja działa stabilnie i wydajnie.
W większości zastosowań częstotliwość odświeżania oraz rozdzielczość są zwykle modyfikowane w celu dostosowania systemu do wymagań użytkowych. Na przykład, jeśli przepustowość sieci lub dostępna przestrzeń dyskowa jest niewystarczająca, powszechną strategią jest redukcja częstotliwości odświeżania, rozdzielczości lub obu tych wielkości. Jednakże takie podejście ma swoje wady. Ograniczenie częstotliwości odświeżania oraz rozdzielczości skutkuje „rwanym” obrazem o słabej jakości, przez co mogą zostać pominięte krytyczne momenty występujące w obserwowanej scenie. Ponadto obniżenie częstotliwości odświeżania i rozdzielczości często uniemożliwia prawidłowe działanie oprogramowania do analizy obrazu. W przypadku projektów mających krytyczne znaczenie dla bezpieczeństwa chronionych obszarów lepszą strategią jest zwiększenie dostępnej przestrzeni dyskowej oraz przepustowości sieci, pozwalające na utrzymanie integralności obrazu.
Zastosowanie aktywnego oświetlenia z wykorzystaniem podczerwieni umożliwia zamianę zaszumionych obrazów na obrazy nocne o znakomitej jakości dzięki emisji „niewidocznego” światła, które kamera może zobaczyć. Funkcja ARW nie jest włączana, a wymagana przepustowość sieci pozostaje taka sama, jak w przypadku pracy w dzień.
Nasze testy miały na celu potwierdzenie oraz ilościowe zobrazowanie wpływu użycia oświetlenia w podczerwieni na wielkość generowanego strumienia danych.
Czym i jak testowaliśmy
Sprzęt wykorzystany do testów to:
- Kamera Dinion XF, dzienno-nocna z przetwornikiem o przekątnej 1/3 cala i z 15-bitową, cyfrową obróbką analogowego sygnału wizyjnego. Dlaczego wykorzystaliśmy właśnie tę kamerę? Kamera Dinion XF charakteryzuje się:
- wysoką dynamiką XF-Dynamic, która gwarantuje znakomitą wierność i optymalne wyświetlanie szczegółów obrazu zarówno w silnie, jak i słabo oświetlonych obszarach sceny;
- elektroniczną migawką, czyli systemem automatycznej optymalizacji parametrów kamery przy zmianach natężenia światła padającego na przetwornik z obserwowanej sceny – funkcja niezwykle istotna w przypadku potrzeby rejestracji scen przy obniżonym oświetleniu;
- kompensacją tła – dzięki możliwości pełnego, programowego określenia obszaru działania funkcji kompensacji oświetlenia tła oraz regulowanemu poziomowi kompensacji (konfiguracja kamery może być łatwo dostosowana do pracy nawet w najbardziej wymagających zastosowaniach, takich jak monitoring bram wjazdowych dla podjazdów, czyli wszędzie tam, gdzie w jednej scenie obecne jest równocześnie bardzo silne i bardzo słabe światło);
- mechanicznie odsuwanym filtrem podczerwieni z wbudowanym inteligentnym czujnikiem światła, który zapobiega przełączaniu kamery w tryb kolorowy w przypadku dominującego oświetlenia w zakresie podczerwieni.
- Obiektyw 2,8–12 mm z korekcją pozwalającą na pracę w zakresie podczerwieni.
- Oświetlacz podczerwieni AEGIS UFLED (850 nm, kąt świecenia: 60 stopni). Dlaczego wykorzystaliśmy ten oświetlacz? Oświetlacz AEGIS UFLED charakteryzuje się:
- równomiernym doświetleniem sceny;
- eliminacją prześwietlenia pierwszego planu i niedoświetlenia tła;
- funkcją utrzymującą stały poziom natężenia podczerwieni przez cały okres eksploatacji promiennika, pomimo zmienności temperatury otoczenia; dzięki powierzchniowemu montażowi diod ich chłodzenie jest znacznie skuteczniejsze, co powoduje obniżenie temperatury pracy i poprawę parametrów optycznych, a także bezpośrednio wpływa na żywotność oświetlacza.
- Koder analogowego sygnału wizyjnego na postać IP typu VideoJet X10 z kompresją MPEG-4. Wybraliśmy go ze względu na:
- jakość i szybkość kodowania,
- możliwość obciążenia dużym strumieniem danych,
- obsługę wielostrumieniowości,
- możliwość elastycznego zarządzania jakością, osobno dla każdego ze strumieni.
- Profesjonalny luksometr o zakresie pomiarowym od 0,01 do 20 luksów.
Scena, którą wykorzystano do testów przepływności przy różnych poziomach oświetlenia, jest pokazana na fotografiach. Pierwszy plan (słup z lewej strony) znajduje się około pięciu metrów od kamery, najdalszy plan (tło) znajduje się około ośmiu metrów od kamery. W połowie odległości między tymi planami znajduje się tablica informacyjna i krzesło z umieszczoną na nim tablicą rejestracyjną.
Test składał się z dwunastu prób realizowanych przy sześciu różnych poziomach oświetlenia otoczenia, z włączonym i wyłączonym oświetlaczem podczerwieni – na zmianę. Mierzona była przepływność strumienia wizyjnego w obydwu przypadkach. Jakość reprodukowanego obrazu i poziom szumów widocznych na obrazach zostały pokazane na fotografiach.
Fot. 1. Obraz z próby nr 3
Fot. 2. Obraz z próby nr 4
Fot. 3. Obraz z próby nr 11
Fot. 4. Obraz z próby nr 12
Wyniki
Tabela 1 prezentuje wyniki z przeprowadzonych pomiarów.
Tab. 1. Wyniki uzyskane w poszczególnych próbach
Próba 3: oświetlenie światłem podczerwonym wyłączone, oświetlenie otoczenia 0,08 lx, przepływność 13,43 Mb/s
Próba 4: oświetlenie światłem podczerwonym włączone, przepływność 1,21 Mb/s, zmniejszenie przepływności o 91%
Próba 11: oświetlenie światłem podczerwonym wyłączone, oświetlenie otoczenia 1,04 lx, przepływność 5,27 Mb/s
Próba 12: oświetlenie światłem podczerwonym włączone, przepływność 1,20 Mb/s, zmniejszenie przepływności o 77%
Wnioski
Pozwalając na porównanie wyników uzyskanych podczas obserwacji scen o niskim poziomie oświetlenia światłem widzialnym (1,1 luksa) z wynikami uzyskanymi podczas obserwacji tych samych scen oświetlonych dodatkowo światłem podczerwonym, nasze testy uwidoczniły redukcję wielkości generowanego strumienia danych o 48%, a nawet o 91%, zależnie od warunków. Zmienność wielkości redukcji można przypisać głównie różnicom w poziomie oświetlenia naturalnego. Wyniki pokazują mniejsze poziomy redukcji przepływności, gdy oświetlenie naturalne staje się jaśniejsze, powodując, że oświetlenie w podczerwieni jest mniej istotne dla wielkości strumienia powstałego na skutek kodowania sygnału wizyjnego. Wyniki uzyskane w naszych testach jasno dowodzą, że oświetlenie w podczerwieni jest sposobem obniżenia przepływności w złych warunkach oświetleniowych.
Wykres 1. Podsumowanie wyników pomiarów
Mówiąc najprościej, promieniowanie w zakresie podczerwieni jest rodzajem światła, tyle że niewidzialnego dla ludzkich oczu, które reagują tak, jak w ciemności. Promieniowanie podczerwone jest formą światła, które nowoczesne kamery wykorzystują do tworzenia obrazów. Oświetlenie w podczerwieni zapobiega tworzeniu się szumów w obrazie, powodując przerwanie łańcucha zdarzeń prowadzących do wzrostu zapotrzebowania na przepływność. Jak pokazują nasze testy, obrazy o niskim poziomie szumów (lub obrazy, które uznalibyśmy za obrazy o wysokiej jakości) wymagają znacznie mniejszej przepustowości niż obrazy zaszumione (o niskiej jakości).
Projektowanie systemów sieciowych zawsze rozpoczyna się od doboru kamer lub obiektywów, który będzie miał wpływ na działanie każdego systemu. Chociaż rynek zmierza w kierunku platform cyfrowych, zasady tworzenia dobrych obrazów pozostają niezmienne i w rzeczywistości, podczas tworzenia systemów CCTV, właśnie te zasady powinny być najważniejsze.
Co prawda przeprowadzone badania skoncentrowały się na zagadnieniach związanych z przepływnością sieci, ale użycie oświetlenia w podczerwieni ma równie istotny wpływ na przestrzeń dyskową. Pomiędzy przepływnością i przestrzenią dyskową istnieje bezpośrednia zależność, dlatego można wywnioskować, że zastosowanie oświetlenia w podczerwieni może być efektywną strategią mającą na celu redukcję zapotrzebowania na przestrzeń dyskową w sieciowych systemach dozoru wizyjnego. To zagadnienie jest szczególnie ważne, gdyż przestrzeń dyskowa stanowi jeden z najbardziej kosztownych elementów systemu CCTV.
Podsumowanie
Sieciowy dozór wizyjny napotyka na problemy związane z jakością obrazu oraz zarządzaniem przepustowością w trudnych warunkach zewnętrznych. Zbadany wpływ oświetlenia w podczerwieni na przepływność w sieci IP miał na celu udowodnienie (z wykorzystaniem danych liczbowych) korzyści wynikających z zastosowania oświetlenia w podczerwieni w sieciowym systemie dozoru wizyjnego. Testy wykazały, że w złych warunkach oświetleniowych oświetlenie w podczerwieni znacznie zmniejszyło wielkość generowanego strumienia danych w zakresie od 70% do 91% (czyli zmniejszyło obciążenie sieci). Wyniki potwierdzają, że oświetlenie w podczerwieni może umożliwić poprawę wykorzystania przepływności sieci przez minimalizowanie efektu wytwarzania dużych strumieni danych podczas kodowania analogowych sygnałów wizyjnych o dużym poziomie szumów. Zmniejszenie strumienia danych przekłada się na redukcję wymaganej wielkości pamięci masowej, co z kolei umożliwia istotną redukcję kosztów uruchomienia oraz utrzymania systemu CCTV IP.
Jaka jest zależność pomiędzy przepustowością a przestrzenią dyskową?
Przepustowość (czy też pasmo przepustowości) i przestrzeń dyskowa, jeden z najbardziej kosztownych elementów systemu dozoru wizyjnego, są bezpośrednio powiązane. Jeśli obraz przeznaczony do zapisu jest przesyłany poprzez sieć z określoną przepływnością, będzie zużywać przestrzeń dyskową z dokładnie tą samą prędkością. Na przykład strumień wizyjny o przepływności 1 Mb/s będzie zużywać 1 megabit przestrzeni dyskowej na sekundę lub około 1/8 = 0,125 MB na sekundę, co odpowiada 0,125 × 3600 = 450 MB na godzinę (czyli około 11 GB dziennie lub około 75 GB tygodniowo).
Bosch Security Systems
Zabezpieczenia 3/2010