Wydaje się, że spośród wszystkich systemów technicznej ochrony mienia najtrudniejszy do zaprojektowania jest system CCTV. Poprawne zaprojektowanie i wykonanie systemu telewizji dozorowej w zgodzie z oczekiwaniami inwestorów i przyszłych użytkowników jest utrudnione przede wszystkim dlatego, że odbiorcy takich systemów są przekonani o możliwości dokonania łatwej i szybkiej weryfikacji jego jakości - i to bez użycia specjalistycznych technik pomiarowych. Wieloparametrowy i ciągły charakter weryfikacji systemu CCTV utrudnia spełnienie wszystkich oczekiwań inwestora. Mam tu na myśli takie parametry jak rozróżnialność szczegółów i kolorów w obrazie, zniekształcenia perspektywy itp. Warto też wspomnieć, że ocena użyteczności obrazu jest subiektywna. Oceniamy to, co widzimy na ekranie monitora. Testy jakości, takie jak testy Rotakina, przeprowadzane są rzadko.
Monitory w systemach CCTV są tak samo standardowym wyposażeniem jak kamery. Jednak to tym drugim poświęca się więcej uwagi w przetargach, na stronach producentów, w pismach branżowych. Wynika to z wielości ich funkcji w systemie dozoru wizyjnego. Kwestia wyświetlania obrazów na monitorze jest poruszana w kontekście podziału ekranu, który jest dokonywany przez rejestratory cyfrowe lub dedykowane oprogramowanie. W rzeczywistości jakość uzyskiwanego obrazu zależy zarówno od zastosowanych obiektywów, systemów transmisji sygnału, stopnia kompresji, jak i monitorów1.
Standardy HD
Dobór odpowiedniego monitora nabrał szczególnego znaczenia w momencie, gdy CCTV wkroczyła na tereny zdominowane do niedawna przez branżę rozrywkową – HD. Plusem rozwiązań High Definition zastosowanych w systemach zabezpieczeń jest niewątpliwie jakość uzyskiwanego dzięki nim obrazu. Jest ona porównywalna z jakością telewizji HD obecnej w naszych domach. Ta sama technologia, te same standardy, ten sam algorytm kompresji2. Inny jest tylko sposób transmisji i cel.
HDTV jest ogólnym określeniem sygnału telewizyjnego o rozdzielczości większej niż PAL. Standardy określiła m.in. organizacja SMPTE (ang. Society of Motion Picture and Television Engineers)3,wprowadzając definicje obrazu HD o rozdzielczościach 1280×720 (296M-2001) oraz 1920×1080 (274M-2008):
- liczba linii: 720 i 1080,
- metoda wyświetlania: progresywna (p) lub z przeplotem (i),
- prędkość odświeżania: liczba obrazów na jedną sekundę lub liczba ramek (półobrazów) na jedną sekundę,
- współczynnik kształtu: 16:9.
Proszę zauważyć, że w poniższych kryteriach nie występuje termin „rozdzielczość” tylko „liczba linii”. W przeciwieństwie do rozwiązań megapikselowych mamy do czynienia z obrazami skanowanymi progresywnie lub międzyliniowo, które w efekcie dają sygnał o tej samej rozdzielczości. Na przykład sygnał 1080i ma rozdzielczość obrazu wynoszącą ponad dwa megapiksele, ale rozdzielczość ramki wynosi jeden megapiksel. Rozróżnienie to nie jest konieczne w odniesieniu do obrazów komputerowych, ale jest kluczowe w odniesieniu do telewizji.
Overscanning – nie dla HD
Niezwykle ważnym warunkiem uzyskania faktycznej rozdzielczości 1920×1080 przez monitory o rozdzielczości Full HD jest prawidłowa obsługa trybu wyświetlania pixel-to-pixel, to znaczy z całkowitym wyeliminowaniem skalowania obrazu. Zdarza się, że telewizory z matrycami Full HD nie potrafią pracować w tym trybie lub pracują nieprawidłowo. Jeśli obraz z kamery (np. Bosch AutoDome HD 1080p) nie jest wyświetlany bez zmiany skali, to zastosowanie matrycy Full HD mija się z celem, ponieważ brak dokładnego przekształcenia 1:1 powoduje artefakty na poziomie pojedynczych pikseli. Między innymi to przemawia za stosowaniem monitorów Bosch, takich jak UML-422-90 lub UML-262-90, które, pracując bez zmiany skali, dają kompletny obraz (100% powierzchni ramki), dzięki czemu odwzorowanie pojedynczych pikseli jest idealne. Z uwagi na niskie koszty stosowane powszechnie monitory WXGA pracują zawsze ze zmianą skali, która powoduje kilkuprocentową utratę powierzchni obrazu na jego brzegach. Ponadto sam proces matematycznego skalowania sygnału 1080p wymaga stosowania niecałkowitych mnożników, co prowadzi do nieprecyzyjnego odwzorowania najdrobniejszych detali w obrazie.
Wielkość a odległość
Defekty wyświetlanego obrazu są tym bardziej widoczne, im bliżej monitora się znajdujemy. Przyjmuje się, że osoby o dobrym wzroku rozróżniają dwa obiekty odległe od siebie w przestrzeni o nie mniej niż jedną minutę kątową (1/60 stopnia)4. Oznacza to, że z odległości jednego metra człowiek jest w stanie dostrzec szczegóły o wielkości co najmniej 0,27 mm. Przy odległości 1,8 m (typowej dla dozoru wizyjnego) rozmiar ten powiększa się proporcjonalnie do 0,48 mm. Niemal dokładnie taka sama jest wielkość pojedynczych pikseli w monitorze Bosch UML-422-90 o przekątnej ekranu równej 42". By cieszyć się bogactwem szczegółów obrazu z kamery Bosch AutoDome HD 1080p, powinniśmy usiąść niecałe dwa metry przed ekranem. Jeśli usiądziemy dalej, stracimy z oczu część najdrobniejszych detali. Jeśli będziemy obserwować z mniejszej odległości, zaczniemy dostrzegać strukturę obrazu (piksele).
Tab. 1. Przedstawienie formatów HD zgodnych z wytycznymi SMPTE
Fot. 1. Bosch HD monitor 16:9
Fot. 2. Bosch HD monitor 26" FL
Tab. 2. Oszacowanie czasowej rozdzielczości dla formatów 1080p30 i 720p60
1080p30 czy 720p60?
Matryce o rozdzielczości 1080p uzyskują faktyczną rozdzielczość 1920 linii w poziomie i 1080 w pionie w przypadku obrazów statycznych. Co zatem z ciągle zmieniającym się obrazem z kamer obrotowych? Wykorzystanie formatu 720p60 w kamerach Bosch AutoDome HD pozwala otrzymać oczekiwaną wysoką jakość. Wiąże się to z mało znanym faktem, że to nie rozdzielczość monitorów ma znaczenie tylko prezentowana liczba pikseli na sekundę, zwana także czasową rozdzielczością. Dzięki obliczeniom można zauważyć, że w przypadku formatu 1080p30 kamery dostarczają zaledwie 12% więcej pikseli na sekundę niż w przypadku formatu 720p60. Dlatego też większość ludzi nie jest w stanie odróżnić obrazu w formacie1080p30 od 720p60 – widzą praktycznie tę samą liczbę pikseli na sekundę5.
Monitor zgodny z HD
Monitor stanowi jedyną bramę pomiędzy człowiekiem a wygenerowanym obrazem. Na podstawie obserwacji wyświetlanego na nim obrazu podejmujemy decyzje i określone działania. Niedostosowany do aplikacji powoduje nadmierne zmęczenie operatora z powodu konieczności wzmożonego koncentrowania się na obszarach niepoprawnie przetworzonych. Cały efekt zastosowania rozwiązań HD może zostać zniweczony między innymi na skutek złego doboru lub niepoprawnego zainstalowania monitora. Proponując rozwiązania HD, pamiętajmy, że nie można przenosić złych praktyk z analogowej CCTV. Wysoka rozdzielczość nie wybacza.
Jan T. Grusznic
Bosch Security Systems
Przypisy
- Więcej na ten temat w artykule Andrzeja Walczyka Piksel pikselowi wilkiem („Zabezpieczenia” nr 1/2010).
- „Analiza porównawcza algorytmów kodowania sygnału wizyjnego MPEG-2 i MPEG-4 w celu określenia liczby programów w multipleksie”, dr inż. Alina Karwowska-Lamparska, mgr inż. Andrzej Chudziński, mgr inż. Justyn Połujan, Centralne Laboratorium Badawcze, Warszawa 2005.
- Organizacja z siedzibą w White Plains w stanie Nowy Jork, która zajmuje się zagadnieniami filmu i telewizji i skupia ok. 9 tys. członków z całego świata. SMPTE przygotowuje standardy i dokumentacje związane z produkcją telewizyjną.
- By łatwiej zrozumieć jednostkę miary odległości kątowej, należy przyjąć, że tarcza Księżyca w pełni ma średnicę około 30 minut kątowych.
- W porównaniu ze standardem 720p60 standard 1080p30 dokładniej odwzorowuje szczegóły i przedmioty nie poruszające się w pionie, a także ma wyższą rozdzielczość poziomą. Z kolei 720p60 oferuje większą płynność ruchów. W związku z tym, w celu zmaksymalizowania jakości, w zastosowaniach ogólnych stosuje się zazwyczaj standard 1080p30, natomiast w przypadku kanałów sportowych – 720p60.