Зачастую телекамеры устанавливаются в труднодоступных местах, что существенно осложняет как первоначальную настройку камер (в частности, настройку ракурса и фокусировки), так и их дополнительную подстройку. Поэтому решения со встроенными моторизованными объективами и функцией автоматической фокусировки могут значительно облегчить эксплуатацию системы видеонаблюдения. Кроме того, повышение разрешения камер повлекло за собой рост требований к квалификации персонала для точной настройки фокуса. Зачастую неверная настройка фокуса камеры при ее установке сводит на нет все преимущества ее "мегапиксельности" и, как следствие, ведет к нерациональному расходованию средств на высокое разрешение устройства. Наличие системы автоматической подстройки фокуса либо просто удаленного ручного управления фокусом устраняет эту проблему, делая данные камеры все более популярными на рынке видеонаблюдения.

Насколько IP-камеры с моторизованным объективом соответствуют заявленным параметрам, насколько можно доверять такому функционалу – попытаемся разобраться с помощью некоторых тестов.

Информация от производителей

Традиционно в технической документации для IP-камер производители приводят очень мало данных о характеристиках встроенных объективов. В технической документации на современные IP-камеры в строке "Разрешение" производители предпочитают указывать формат кадра в пикселях.

К сожалению, количеством пикселей сегодня подменяют понятие разрешающей способности системы, хотя количество пикселей может только говорить о максимуме детализации, которой в теории способна достигнуть данная система, тогда как в реальности результат бывает очень далек от теоретического максимума и зависит от многих факторов. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев для различных фокусных расстояний не указывается не только разрешающая способность, но даже и светосила. Обычно пояснения ограничиваются указанием значения F-числа для минимального фокусного расстояния.

Другой важной составляющей является функция автоматической фокусировки изображения у моторизованных объективов. С одной стороны, такая возможность теоретически позволяет существенно упростить настройку камеры на объекте, но, как показывает практика, не всегда при ее работе пользователь получает максимально доступное для конкретной камеры разрешение. Резюмируя все вышесказанное, можно заключить, что специалистам рынка систем безопасности информация о разрешающей способности камер со встроенными трансфокаторами может быть не только интересна, но и очень полезна с практической точки зрения.

Участники тестирования

В тестировании принимали участие уличные мегапиксельные IP-камеры, в которых используются встроенные моторизованные объективы с автофокусом. Эти устройства относятся к классу "день/ночь" с перемещаемым ИК-фильтром, имеют встроенную ИК-подсветку. Для тестирования в лабораторию удалось получить следующие устройства:

• ACTi KCM-5511;
• ActiveCam AC-D2053ZIR3;
• AVer FB2028-TM;
• BEWARD BD3570RVZ;
• D-Link DCS-7513/A1A;
• Evidence Apix motorized/M2 279 AF;
• LTV-ICDM2-623LH-V3-9

У большинства моделей фокусные расстояния трансфокатора могут изменяться в близких диапазонах: 2,7–9,0; 2,8–11; 3,0–10,5 мм. Однако одна из моделей, которая очень схожа по своим потребительским качествам с остальными участниками, позволяет работать с фокусными расстояниями 3,2–70,4 мм. Это IP-камера KCM-5511 компании ACTi Corporation. У основной части IP-камер, которые принимали участие в тестировании, количество пикселей по горизонтали было близко к 2000. Более того, в тестировании участвовала также одна 5-мегапиксельная камера – модель AC-D2053ZIR3 от компании DSSL.

Как тестируем

Тестирование производим на стенде с равномерным освещением таблицы источниками света со спектром, близким к солнечному, в трех режимах освещенности – 1000, 100 и 20 лк. Разрешение замеряем по таблице, причем применяем коэффициенты для учета дисторсии при расчете разрешения. Замеряем на разных фокусных расстояниях. Данные о разрешающей способности, полученные для разных участков сцены, позволяют оценить распределение разрешения изображения при различных фокусных расстояниях.

Кроме разрешающей способности также проводилась оценка точности автоматической фокусировки и времени, которое требуется камерам на фокусировку в автоматическом режиме: после автоматической настройки фокуса пытаемся вручную добиться максимума разрешения. На основе измерений разрешения при автоматической и ручной фокусировке оценивается точность автоматической фокусировки.

Во время тестирования IP-камеры были настроены следующим образом:

• сжатие Н.264;
• качество изображения максимальное;
• поток максимальный;
• все дополнительные программные обработки, влияющие на качество изображения, выключены.

ACTi KCM-5511
Предоставлена компанией «Тайле»

Формирование изображения в 2-мегапиксельной IP-камере ACTi KCM-5511 осуществляется с помощью КМОП-матрицы 1/3,2''. Для автоматической фокусировки изображения ACTi KCM-5511 требовалось 8 с, причем в автоматическом режиме отклонения от идеальной фокусировки были на минимальном фокусном расстоянии (97%) и фокусе около 9 мм (90%).

Реальные углы обзора камеры по горизонтали для протестированных минимального, среднего и максимального фокусных расстояний составили соответственно 58, 38 и 28 градусов.

В случае наблюдения хорошо освещенной сцены (1000 лк) при уменьшении угла обзора от максимального до соответствующего фокусному расстоянию около 9 мм разрешение в центральной части изображения сначала увеличивалось с 1313 до 1394 линий, а затем снижалось до 1337. Причем на фокусных расстояниях около 6 и 9 мм падение разрешения относительно центра составляло соответственно 18 и 15%. Работа камеры ACTi KCM-5511 при низкой освещенности (20 лк) на среднем угле обзора сопровождалась снижением разрешения в центре почти на 8%.

В рассматриваемой модели реализованы такие функции, как расширение динамического диапазона, двухпотоковая трансляция видеоизображения, функция подавления шумов, функция Defogging. При сбое в работе сети камера может записать определенное количество информации на карту памяти. Изображение максимального размера ACTi KCM-5511 транслирует со скоростью до 15 кадр/с в форматах H.264 и MJPEG. Кроме того, напомним, что в ACTi KCM-5511 с помощью встроенного объектива можно работать на фокусных расстояниях 3,2–70,4 мм, что предоставляет пользователю дополнительные возможности. 22-кратное оптическое увеличение объектива, по утверждению производителя, позволяет на расстоянии 200 м распознавать людей и номера автомобилей.

ActiveCam AC-D2053ZIR3
Предоставлена компанией DSSL

Для встроенного в ActiveCam AC-D2053ZIR3 объектива с автофокусом разработчики указывают доступные фокусные расстояния 3,3–10,5 мм, величину относительного отверстия F1.4, а также автоматическую регулировку диафрагмы. На минимальном фокусном расстоянии реальный угол обзора камеры по горизонтали соответствовал 89 градусам, а на максимальном зуме – 34 градуса.

В условиях с хорошей освещенностью на уровне 1000 лк и при минимальном фокусном расстоянии IP-камера ActiveCam может фокусироваться с высокой степенью точности и формировать картинку с разрешением в центре 2130 линий, что позволяет ей лидировать по данному показателю. С точностью 84% данная 5-магапиксельная камера фокусировалась на среднем фокусном расстоянии, а на максимальном соответствующая величина составила 46%.

Стоит обратить внимание, что в нашем случае значение точности фокусировки является относительной величиной. Причиной не самых высоких показателей камеры ActiveCam в сравнении с другими представленными моделями, возможно, является в значительной мере высокое разрешение устройства (напомним, используется матрица 5 Мпкс). То есть, другими словами, неточности работы привода в камере с матрицей 2 Мпкс будут менее критичны, чем для 5 Мпкс при прочих равных условиях.

Во всех случаях для завершения автофокусировки требовалось 75 с.

Снижение уровня освещенности наблюдаемой сцены сопровождалось уменьшением степени детализации изображения, и при 20 лк разрешение в центре составляло 88% от аналогичного значения при 1000 лк.

Скорость трансляции при разрешении 5 Мпкс составляет 15 кадр/с, а при 2 Мпкс камера передает видео в реальном времени. В этом устройстве для формирования изображения используется КМОП-матрица оптического формата 1/2,5''.

В числе дополнительных функций данной модели имеются цифровое расширение динамического диапазона (DWDR), цифровое подавление шумов, а также возможность одновременного кодирования двух видеопотоков, двусторонняя работа со звуком, использование тревожных контактов, поддержка карт памяти и функции видеоанализа (ActiveSearch).

AVer FB2028-TM
Предоставлена компанией «Тайле»

Изображение в AVer FB2028-TM формируется с помощью КМОП-матрицы формата 1/2,7'' и встроенного моторизованного объектива P-Iris с автофокусом, который позволяет пользователю работать с фокусными расстояниями от 3 до 9 мм, причем заявленная светосила соответствует значению F1.2.

Сразу скажем, что во всех случаях для автоматической фокусировки камере AVer требовалось не более 9 с. Разрешение 1347 линий модель AVer FB2028-TM демонстрировала в центре изображения на минимальном фокусном расстоянии для освещенности 1000 лк. Максимальный угол обзора по горизонтали, с которым позволяет работать данная модель - 74, а минимальный 39 градусов.

При высокой освещенности на среднем фокусном расстоянии AVer FB2028-TM могла автоматически фокусировать изображение с точностью 91%, и 87% камера показала на максимальном фокусном расстоянии и таком же уровне освещенности. В данном случае в центре детализация изображения была на 16% выше, чем на краях.

Уровень освещенности влиял на точность фокусировки камеры AVer. Так, при 100 лк она составляла 80%, а при 20 лк – 89%. Причем в последнем случае степень детализации в центральной области снижалась более чем на 6%.

Корпус со степенью защиты IP68 позволяет использовать 2-мегапиксельную IP-камеру AVer FB2028-TM в жестких климатических условиях: она может работать при температурах от - 60 до +60 °С.

Данное устройство имеет функцию интеллектуальной потоковой передачи данных (Smart Stream). С максимальным разрешением AVer FB2028-TM может передавать изображение со скоростью до 30 кадр/с в форматах H.264 и MPEG-4. Для дополнительной обработки изображения в камере реализованы функции цифрового расширения динамического диапазона (DWDR) и подавления шумов. А при сбое в работе сети данные могут записываться на карту памяти. Дополнительно в AVer FB2028-TM реализованы функция ePTZ и работа и со звуком. Кроме того, имеется функция Event Booster, которая, по замыслу производителя, должна автоматически подстраивать частоту кадров в зависимости от ситуации и тем самым экономить трафик.

Evidence Apix – motorized/M2 279 AF
Предоставлена Дистрибьюторским центром "СТА"

Устройство марки Evidence может одновременно передавать два видеопотока, поддерживает двунаправленную работу со звуком, имеет функции расширения динамического диапазона и цифрового подавления шумов, а также работает с картами памяти.

2-мегапиксельная камера Evidence Apix – motorized/M2 279 AF, в которой используется КМОП-матрица формата 1/2,8'' и моторизованный объектив c функцией автоматической фокусировки (на работу которой требовалось 7 с), при освещенности 1000 лк и максимальном угле обзора формирует изображение с разрешением в центре 1437 линий.

На среднем фокусном расстоянии при 1000 лк камера формировала изображение с максимальным разрешением в центральной области 1480 линий, что позволяет отнести ее к группе лидеров по этому показателю. Снижение разрешения на 9% на краю изображения было при среднем фокусном расстоянии и освещенности 20 лк.

На среднем фокусе Evidence Apix – motorized/M2 279 AF давала горизонтальный обзор 48 градусов. А поле зрения этой камеры на минимальном и максимальном фокусе было соответственно 92 и 32 градуса.

При работе с минимальным углом обзора, что соответствует фокусному расстоянию 10,5 мм, можно получать изображение с детализацией в центре, соответствующей 1391 линии. А при работе со средним значением фокусного расстояния и уменьшении освещенности с 1000 до 20 лк разрешение Evidence Apix – motorized/M2 279 AF снижалось почти на 8%.

BEWARD BD3570RVZ
Предоставлена компанией "Бевард"

В 3-мегапиксельной камере BEWARD BD3570RVZ разработчики решили использовать КМОП-матрицу Sony Exmor формата 1/2,8'' и моторизованный объектив с автофокусом, АРД и доступными фокусными расстояниями 2,8 – 11 мм при светосиле F1.2. Причем при работе с минимальным фокусным расстоянием пользователь получал угол обзора по горизонтали 87 градусов, а при работе с максимальным – 31 градус.

Точность автоматической фокусировки во всех режимах была очень близка к 100% или непосредственно соответствовала этому значению. Что же касается разрешающей способности, то по данному показателю BEWARD BD3570RVZ входит в число лидеров.

Используя максимальный угол обзора при освещенности 1000 лк, IP-камера BEWARD формирует изображение с разрешением в центре 1552 линии, а на краю изображения детализация снижалась на 7%.

Наблюдая хорошо освещенную сцену (1000 лк) на среднем фокусном расстоянии, с помощью BEWARD BD3570RVZ пользователь мог получать изображение с разрешением в центральной области 1544 линии. Более того, в этом случае по всему полю зрения камеры сохранялось высокое разрешение, детализация практически не снижалась на краях. Дальнейшее увеличение фокусного расстояния практически не сказывалось на разрешающей способности. И при работе с минимальным углом обзора отклонение разрешения на краю от разрешения в центре составляло только 3%.

Проверка работы камеры при различных уровнях освещенности показала, что даже при 20 лк на среднем фокусном расстоянии разрешающая способность почти не снижается по сравнению с освещенностью 1000 лк (снижается не более чем на 6%) и остается равномерной по всему полю изображения.

При максимальном размере кадра эта модель BEWARD может передавать 15 кадр/с в формате Н.264 High Profile, и максимальный размер видеопотока не превышает 8 Мбит/с.

Среди дополнительных возможностей BEWARD BD3570RVZ стоит отметить функции расширения динамического диапазона, "холодный старт", цифровое подавление шумов (3DNR/SPQ), возможность записи на карту памяти и NAS, двустороннюю работу со звуком и поддержку спецификаций ONVIF.

D-Link DCS-7513/A1A
Предоставлена компанией D-Link

Согласно технической документации величина относительного отверстия моторизованного объектива 2-мегапиксельной камеры DCS-7513/A1A, в котором применена технологией P-Iris, соответствует F1.2. Точную работу функции автоматической фокусировки эта модель демонстрировала на минимальном фокусном расстоянии, а на среднем и максимальном точность была на уровне 93–94%. Причем сам процесс автофокусировки у D-Link DCS-7513/A1A занимал 55 с. Для освещенности 1000 лк разрешающая способность камеры D-Link на минимальном, среднем и максимальном фокусных расстояниях составляла 1260, 1173 и 1315 линий, причем для всех углов обзора наблюдалось равномерное распределение разрешения по полю изображения.

Для максимального, среднего и минимального фокуса камера реализовала обзор по горизонтали соответственно 36, 55 и 105 градусов.

Падение разрешения при работе в условиях низкой освещенности сцены (20 лк) составляло около 10%.

Изображение с максимальным разрешением 1920х1080 пкс камера D-Link может передавать со скоростью до 30 кадр/с. Помимо кодеков Н.264 и MJPEG, при работе с данной моделью также доступен формат MPEG-4.

Технологическое исполнение корпуса D-Link DCS-7513/A1A соответствует классу IP68. А для совместимости с уже действующими системами видеонаблюдения в устройстве реализована поддержка сжатия MPEG-4.

Осуществлять локальное хранение информации позволяет поддержка карт памяти. Более того, в D-Link DCS-7513/A1A имеется возможность работы со звуком.

LTV-ICDM2-623LH-V3-9
Предоставлена компанией "Луис+"

Во встроенной в 2-мегапиксельную модель LTV-ICDM2-623LH-V3-9 оптике используется технология P-Iris, а доступные фокусные расстояния лежат в диапазоне 3–9 мм. При этом реальные максимальный и минимальный углы поля зрения по горизонтали для нее соответствуют 97 и 38 градусов.

Используя камеру марки LTV в условиях хорошей освещенности, например, 1000 лк, при минимальном фокусном расстоянии пользователь может рассчитывать на детализацию в центре изображения, соответствующую 1324 линиям при точности фокусировки 86%. Практически аналогичные значения разрешающей способности, но уже с точностью фокусировки, приближающейся к 100%, LTV-ICDM2-623LH-V3-9 показывала при 1000 лк для среднего и максимального фокусного расстояния.

Немного ниже была точность автофокусировки камеры при уменьшении освещенности и среднем угле обзора. Так, при 100 лк точность фокусировки составляла 90%, а при 20 лк – 93% с одновременным снижением детализации изображения на 9,5%.

Уличная цилиндрическая IP-камера LTV может передавать видео с частотой 25 кадр/с и одновременно транслировать два независимых видеопотока. Она поддерживает протоколы ONVIF, двунаправленную работу со звуком, а также работу с картами памяти для локального хранения данных при сбое в работе сети.

LTV-ICDM2-623LH-V3-9 может питаться как от 24 В, так и по PoE, оснащена нагревателем и работает в диапазоне от - 40 до +50 °C. В комплекте с камерой поставляется монтажная коробка.

Подведем общие итоги тестирования.

Работа функции автоматической фокусировки

Время, необходимое камерам для автоматической фокусировки изображения, у разных производителей может существенно различаться. Причем моделям, у которых формат кадра больше, на фокусировку необходимо гораздо больше времени. Так, если AVer FB2028-TM на автоматическую фокусировку требовалось 7 с, то IP-камере ActiveCam – уже 75 с.

Характеристики IP-камер с моторизованным объективом

Для матриц с высоким разрешением производители используют объективы с большой разрешающей способностью, при этом жертвуя их скоростью. Тогда как для камер с разрешением до 2 Мпкс применяются широко распространенные скоростные зум-объективы.

Но несмотря на такой разброс и не очень высокие показатели для некоторых рассмотренных камер, скорость фокусировки непринципиальна для данного типа оборудования в отличие от скоростных PTZ.

В большинстве случаев камеры демонстрировали достаточно высокое качество автоматической фокусировки, и ручная подстройка не давала заметного выигрыша по разрешению после отработки автоматического режима.

Разрешающая способность на различных фокусных расстояниях

Как показали измерения, даже при работе со средним фокусным расстоянием у камер зачастую наблюдается заметное снижение разрешающей способности на краях изображения по сравнению с центральной частью. Причем в некоторых случаях снижение разрешения может достигать почти 10%.

Геометрические искажения изображения

Качество картинки, с которой в итоге работают пользователи или алгоритмы интеллектуальной обработки, помимо уровней детализации, зашумленности и заметности эффектов от работы кодека также определяется и геометрическими искажениями оптической системы камеры.

У реальных объективов, которые используются на практике, всегда присутствуют искажения (аберрации), абсолютно идеальных объективов не существует. Один из видов искажений – геометрические, они связаны с различным линейным увеличением оптической системы объектива по полю формируемого изображения, когда происходит проецирование сцены через линзы на плоскость фоточувствительного сенсора. В результате геометрические пропорции формируемого камерой изображения могут сильно не соответствовать реальным.

Для борьбы с геометрическими аберрациями в объективах используются линзы асферической формы и специальные конструкции с подбором групп линз. Также в современных IP-камерах встречается функция электронной корректировки геометрических искажений изображения. Впрочем, даже этими методами далеко не всегда удается существенно снизить уровень искажений.

Зачастую геометрические аберрации наиболее наглядно проявляются при работе на коротких фокусных расстояниях и соответственно широких углах обзора. В таких случаях на изображении проявляется дисторсия типа «бочка» - при этом прямые линии, которые не совпадают с осями объектива, имеют искривления. В итоге изображение имеет выпуклый вид. На очень больших фокусных расстояниях у объективов может наблюдаться подушкообразная дисторсия.

Тем не менее, аберрации типа «бочка» еще не означают, что объектив имеет низкое качество. Подобные объективы на краях формируют изображение объемных объектов с их реальными пропорциями, что очень важно для систем безопасности. А при корректировке бочкообразной дисторсии может произойти снижение резкости изображения на краях.

Реальные углы обзора и распределение дисторсии по полю изображения

Распределение геометрических искажений по полю изображения

Как показало проведенное тестирование, геометрические аберрации в большей или меньшей степени присущи моторизованным объективам, которые встраиваются в современные IP-камеры.

Влияние освещенности сцены на детализацию изображения

Традиционно обнаруживается падение детализации при снижении освещения, что вызывается различными встроенными неотключаемыми алгоритмами, такими как шумоподавление. Падение разрешения также коррелирует с размером пикселя камеры (чем крупнее пиксель, тем лучше камера отрабатывает при низком уровне освещения).

К сожалению, в большинстве случаев все, что мы можем получить от производителя по параметрам камеры в режиме недостаточной освещенности, – это "ценнейшая" информация про 0 лк в режиме работы подсветки, в то время как качество изображения сильно зависит от чувствительности камеры как в режиме "день" (работа камеры вблизи перехода в ночной режим в сумерки), так и в режиме "ночь" без учета ИК-подсветки (поскольку очень часто камера устанавливается на улице как обзорная, и чувствительность устройства имеет большее влияние на качество, чем наличие и мощность ИК-подсветки).

Тем не менее тестирование показало, что при работе даже в условиях низкой освещенности современные мегапиксельные IP-камеры позволяют получать очень достойное изображение с разрешением, довольно близким к разрешению в условиях высокой освещенности.

Перспективы IP-камер с автоматической фокусировкой

Камеры с функцией автоматической фокусировки успешно прошли тесты, что позволяет прогнозировать рост их популярности в будущем. Если и присутствуют какие-то недостатки, то они являются стандартными для камер, в том числе без моторизованного объектива.

По результатам можно увидеть, что устройства разделились на две группы: скоростной зум-объектив (аналогичный скоростным PTZ-камерам) и объектив с "медленным" приводом. Скорость привода для данной области применения не является критичным параметром, и скорее всего при выборе оборудования необходимо оценивать комплекс параметров с приоритетом разрешения изображения (детализации) в различных режимах работы.

Учитывая все преимущества, описанные в начале публикации (удобство и скорость монтажа, а также отсутствие критичной зависимости от умения монтажника настроить фокусировку, что становится нетривиальной задачей с ростом разрешения камер), данные устройства выглядят как очень удачное решение и логичное продолжение развития систем видеонаблюдения, и по всей видимости, актуальность такого функционала будет расти с повышением разрешения матрицы камеры.