Человеческий глаз обладает возможностью различать до 1014 градаций яркости одномоментно, благодаря этому мы можем четко распознавать объекты и в темных, и в светлых участках сцены. Видеокамера же с этой точки зрения ограничена, что также ограничивает и эффективность зрения оператора, или программных алгоритмов. Тем самым усложняетсю задачи детекции и распознавания в сложных условиях освещенности на видеоизображении. Для улучшения ситуации в видеонаблюдении применяется расширение динамического диапазона камеры — WDR, от Wide Dynamic Range.

Можно выделить 2 основных типа реализаций WDR, представленных в IP - видеонаблюдении: программную и аппаратную. Принцип первого кроется в работе лишь процессора цифровой обработки изображения. Эта технология не предполагает управление способом сканирования или накоплением заряда в матрице камеры. Упрощенно, она заключается в расширении количества градаций серого в каждом кадре и цифровой обработке изображения, сводящейся к настройке визуальной яркости каждого пикселя или отдельных участков изображения.

Аппаратная реализация WDR у разных производителей может называться по – разному: RealWDR, TrueWDR., DoubleScan и т.п. Сам физический принцип же, в любом случае, основывается на проведении последовательной съемки нескольких кадров при различном времени выдержки. Это позволяет получить четкие кадры объекта отдельно на светлых участках (короткая выдержка) и на темных (долгая выдержка). Процессор матрицы сам производит «склейку» полученных кадров, позволяя пользователю тем самым получить на одном изображении картинку с динамическим диапазоном недостижимым никаким другим способом. Наиболее часто количество кадров с различной выдержкой равняется 2 (так называемый DoubleScan), где время выдержки одного кадра в 2 раза больше второго. Присутствуют матрицы с тройным и четырехкратным сканированием. При этом, инсталлятору стоит обращать внимание на то, что такой алгоритм может уменьшать частоту следования кадров относительно максимального значения, а поставщик может и не указать это в характеристиках камеры.

Также производители камер зачастую используют объединение этих 2-х технологий для получения еще больших значений WDR и повышения потребительских характеристик своих моделей.

Для задач видеонаблюдения величина WDR играет одну из важнейших ролей. Именно она определяет, удастся ли на изображении различить объекты в слабо и сильноосвещенных зонах изображения. Подобная картина встречается, когда камера производит съемку одновременно очень яркого источника света и затемненного участка в зоне наблюдения. Если подумать о том, где такое часто возникает – то на ум приходит офисное помещение, или магазин, в котором происходит видеозапись одновременно ярко освещённой улицы (окно, дверь) и темного участка внутри помещения (касса, рабочее место сотрудника), или яркий свет от фар автомобиля на ночной трассе. В первом случае – часто применяется обычная камера "все-в-одном" для помещений. Вторая задача обычно решается за счет применения профессиональных уличных решений на основе корпусных камер с термокожухом и специально подобранным объективом. Рассмотреть такую реализацию мы и решили в этот раз.

Что тестируем

Стоит отметить, что в практике видеонаблюдения принято измерять величину WDR в дБ, а в цифровой видеосъемке в f – ступенях. Для удобства дальнейшего анализа мы представим результаты тестирования в первом варианте, более характерном для систем видеонаблюдения. Инсталлятору не стоит забывать, что каждое устройство в тракте передачи видеоинформации от сенсора камеры до его глаза обладает своим динамическим диапазоном. Так, например, использование дешевого монитора не позволит получить полную доступную на изображении информацию. Производители тоже часто игнорируют этот факт. Они просто списывают величину WDR с технических характеристик примененного сенсора, не обращая внимания на то, что и элементы самой камеры тоже уменьшают значение динамического диапазона. В тесте планируется использовать один общий для всех камер объектив, чтобы добиться более объективных результатов.

Чтобы сделать эксперимент наиболее наглядным, мы собрали камеры с разным разрешением и способом реализации WDR: аппаратным и программным. Все камеры соответствуют следующим критериям:

• Box исполнение;
• Сменный объектив;
• Разрешение: 1 - 5 Мп;
• Поддержка WDR;

Что нам предоставили на тест

В результате в лаборатории оказались следующие образцы:

• ACTi E22VA
• BEWARD BD2230
• Bolid VCI-320
• Dahua DH-IPC-HF5231EP

Что и почему станем измерять?

Если перейти к методике испытаний, то мы не стали изобретать велосипед. Измерялась способность камер передавать четкое видеоизображение одновременно в наиболее и наименее освещенном участках одного кадра. Один участок изображения освещался мощным источником света, а второй, напротив, находился в затемненной зоне. Освещенность каждого участка контролировалось при помощи люксметров. Критерием того, что камера «видит» достаточно, принималось различение полос и текста на тестовых мирах, установленных в обеих зонах. А само значение WDR рассчитывалось как логарифм отношения максимальной и минимальной освещенностей, умноженный на 20.

Рисунок 1 Скриншот с камеры при измерении динамического диапазона (Средняя освещенность)

Дополнительно, в ходе тестов измерялось максимальное горизонтальное разрешение камер и их чувствительность по стандартным методикам.

ACTi E22VA

Предоставлена компанией IPera (Айпера)

Камера имеет самое высокое абсолютное разрешение при съемке как на 5 Мп, так и на 2 Мп. Величина максимального горизонтального разрешения равна 1989 линий при освещенности 500 лк (1782 линий при 2 Мп) и 1911 линий при 10 лк (1689 линий при 2 Мп). Также модель лидирует по стабильности разрешения, итоговое падение составило 4%.

Единственная камера, обладающая 5 Мпкс сенсором среди тестируемых образцов. Только в этой модели заявлено применение Basic WDR до 74 дБ. Питание камеры осуществляется по технологии PoE. Также особенностью камеры является и то, что производитель включил в комплект ее поставки объектив, тем самым создав готовое решение для обеспечения видеонаблюдения в помещении «из коробки». То, что этот объектив вариофокальный должно сделать камеру удобнее для простого использования.

BEWARD BD2230

Предоставлена компанией НПП «Бевард»

Камера показывает наибольшее значение динамического диапазона, среди других моделей — 94 дБ. Модель входит в число лидеров по величине абсолютного разрешения (1599 линии при освещенности более 100 лк). Стабильность разрешения также одна из лучших — падает на 8%, при уменьшении освещенности до 10 лк. Чувствительность камеры также находится в тройке лидеров в тесте. Разрешение падает до 75% и 50% при 4,2 лк и 0,7 лк, соответственно.

В камере заявлено использование 1/3'' сенсора Panasonic, поддерживающего технологию 2xWDR до 120 дБ. Заявлена поддержка кодека H.265 для более эффективного сжатия видеоданных без потери качества. Питание камеры осуществляется от источника 12 В (DC). Также производитель подчеркивает, что данная модель имеет опциональную реализацию со встроенным аппаратным распознаванием автономеров, не требующим покупки серверов и дополнительного ПО.

Bolid VCI-320

Предоставлена компанией ЗАО НВП «Болид»

Занимает лидирующую позицию по чувствительности, причем имеет ощутимый отрыв от других камер. Падение разрешения до 75% наступает при 0,6 лк и до 50% при 0,05 лк. Камера занимает второе место по абсолютной величине разрешения при освещенности 500 лк — 1624 линии. Среди 2 Мп камер это самый высокий результат. Модель показывает хорошее значение динамического диапазона – 87 дБ, позволяющее ей попасть в число лидеров по этому параметру.

Производитель отмечает, что его камера обладает высокой чувствительностью в условиях плохой освещенности и имеет расширенный динамический диапазон 140 дБ для одновременного отображения ярких и темных участков одного кадра. Камера обладает поддержкой кодека H.265 для более эффективного использования архива. Модель имеет несколько вариантов питания: 24 В, 12 В, PoE. Также отмечается, что камера обладает встроенным микрофоном.

Dahua DH-IPC-HF5231EP

Предоставлена компанией IPera (Айпера)

Камера имеет самое высокое абсолютное разрешение среди 2 Мп камер при освещенности 10 лк — 1492 линии, уступая по этому показателю только 5 Мп камере. И также лидирует по стабильности разрешения среди 2 Мп камер (падение на 6%), вновь занимая второе место. Входит в число лидеров по величине динамического диапазона — 88 дБ.

В камере использован 1/2.8" сенсор Sony Exmor, с поддержкой аппаратного WDR, и трансляцией видео 1080P на 50 кадр/c. Производитель заявляет в своей модели поддержку технологии сжатия H.265+. Модель может запитываться несколькими доступными вариантами: от источников питания 24 В, 12 В или по технологии PoE. В камере заявлен встроенный микрофон.

Результаты испытаний

Таблица 1 Характеристики камер

Рисунок 2 Зависимость разрешения от освещенности (Больше — лучше)

Таким образом, наблюдается закономерное снижение разрешения, при снижении освещенности. И, что характерно, камера с максимальным базовым разрешением показывает максимальное разрешение и при съемке на 2 Мпкс. Среднее значение разрешения камер при хорошей освещенности составляет 1649 линий. Однако, наблюдается и значительное снижение среднего разрешения при низкой освещенности до 1534 линий.

Рисунок 3 Зависимость относительного разрешения от освещенности (Больше — лучше)

Все камеры показывают достаточно высокую стабильность разрешения. При снижении освещенности с 1000 лк до 10 лк наблюдается падение разрешения, в среднем на 7%, а максимальное падение составляет 9%.

Рисунок 4 Чувствительность камер (Меньше — лучше)

Падение разрешения камеры на 75% относительно максимального значения, наступало в среднем при 13 лк, а до 50% при 2 лк. Интересно, что камера с высоким разрешением сенсора показывает значительно худшую чувствительность при 75% разрешения, однако достаточно близкую к другим камерам при 50%.

Рисунок 5 Динамический диапазон камер (Больше — лучше)

Динамический диапазон камер с поддержкой аппаратного WDR в среднем составил 90 дБ, что явно ниже указываемого значения в 120 - 140 дБ. Если учитывать показания камеры с базовым WDR – то среднее значение динамического диапазона еще ниже и составляет 82,5 дБ.

Рисунок 6 Кропы скриншотов, при съемке участков с сильно различающимися освещенностями (Яркость настроена для лучшей различимости при печати)

Если же говорить о практическом использовании WDR, то становится заметным, что некоторые камеры лучше справляются со съемкой высокоосвещенного участка, у других же лучше получается справиться с темной зоной. Однако, в любом случае, все камеры смогли справиться с задачей съемки действительного сложного изображения.

Заключение

В результате испытаний в очередной раз удалось подтвердить гипотезу о том, что камеры с высоким разрешением, при прочих равных обладают меньшей чувствительностью, чем камеры с сенсором такого же размера, но меньшим разрешением. Но, что характерно принудительная установка пониженного разрешения съемки в камере позволяет добиться большего максимального разрешения, в сравнении с камерами, имеющими такое базовое разрешение. Эта особенность может быть полезна инсталляторам, для которых критично реальное разрешение камер.

Но не этот результат является главным в нашем тесте. Лаборатория смогла подтвердить, что заявленный в характеристиках камер динамический диапазон выше своего реального значения. Вероятно, он указывается исходя из динамического диапазона сенсоров, примененных в камерах. Таким образом, производители не учитывают компонентов камер, которые тоже оказывают значительное влияние на величину этого параметра.

Но все же, мы смогли наглядно продемонстрировано различие между камерами с аппаратной и программной реализацией WDR. Таким образом, если на объекте важно вести наблюдение сцен с сильно отличающимися по освещенности участками — следует приобретать камеру с аппаратным WDR. Это заметно улучшит качество картины. А все затраты на эту функцию, кажущиеся излишними на берегу, вполне могут окупиться в дальнейшей эксплуатации.  Проведенное исследование опубликовано в журнале «Системы Безопасности» №2 2018.