Расширение динамического диапазона – одно из главных направлений развития систем видеонаблюдения наряду с увеличением разрешения и чувствительности матриц. Кроме того, если повышение разрешения имеет обратную сторону (приводит к увеличению потока и затрат на хранение видеоданных), то увеличение динамического диапазона всегда в приоритете: чем больше диапазон, тем меньше на изображении будет засвеченных участков (как от света фар) и темных участков – черных пятен (тень от зданий и т.д.). В половине случаев реальных уличных инсталляций прирост по динамическому диапазону даже более важен, чем прирост по разрешению.
Что же такое WDR?
WDR, буквально Wide Dynamic Range, – широкий динамический диапазон (или функция расширения динамического диапазона) – является атрибутом системы формирования изображения, обеспечивающим получение большей детальности сцены при контрастном изображении – наличии в кадре ярких и темных участков.
В то время как разрешение матриц является более или менее понятным для пользователя параметром, ситуация с WDR сложнее. Не все специалисты знают, как увидеть эффект данной функции при офисном тесте, не говоря уже о сравнительном тестировании и тем более об измерении. А обнаружив на видеозаписи невидимые участки, опять же далеко не все верно интерпретируют причину возникновения проблемы.
Несмотря на общепринятое значение WDR, некоторые производители указывают WDR для программно реализованной функции, что еще больше усложняет определение потребительских качеств камер с помощью заявленных технических характеристик.
Какой бывает функция WDR?
- WDR – она же Real WDR, она же Double Scan для двойного сканирования либо Quadro Scan для четырехкратного сканирования соответственно – аппаратная реализация WDR;
- DWDR – Digital WDR, программный WDR, ATR и т.д. – программная реализация функции.
Аппаратная реализация
Матрица способна за один кадр делать два сканирования (четыре для Quadro Scan) с разной выдержкой. Одно сканирование – с длинной выдержкой, увидели все темные участки, светлые засветили. Второй скан – короткая выдержка, увидели светлые участки. Складываем участки, получаем полностью разборчивый кадр.
Программная реализация
Намного менее эффективная, чем аппаратная. DWDR обрабатывает обычное изображение аналогично программе Adobe Photoshop, увеличивая яркость на темных участках и сглаживая шумы. Увеличивает ли DWDR динамический диапазон? Да, темные участки становятся более разборчивы в случае применения реального сжатия (2–3 Мбит/с для мегапиксельного видео) и обычного офисного монитора (имеющего проблемы с отображением всех градаций серого). При среднем и сильном сжатии потока кодек игнорирует малые перепады яркости, и "почти черный" становится черным. А если кодек и пропустил нижнюю градацию – ее не пропустит матрица монитора при содействии потери градаций по причине неоптимальности угла обзора наблюдателя. Поэтому в реальной ситуации при включении DWDR мы видим улучшение детализации на темных участках. Но в данном случае в тесте с точным поиском граничных освещенностей, с применением минимального сжатия потока и специального монитора – фактически DWDR оказывает минимальное влияние на динамический диапазон.
Какие камеры тестируем?
Для данного теста выбран наиболее профессиональный тип камер – корпусные камеры без объектива. Когда говорим о профессиональном видеонаблюдении, автоматически отсеиваем камеры "всё в одном" – со встроенным объективом и ИК-подсветкой. Отделы маркетинга активно продвигают их как профессиональные, но в силу заложенных в них фундаментальных проблем этим устройствам гораздо больше подходит определение "товары широкого потребления".
Камеры тестируем мегапиксельные (как наиболее востребованные на данный момент) с заявленной функцией WDR.
Как измеряем?
WDR измеряется в децибелах и исчисляется как отношение, а именно отношение светимостей самого засвеченного и самого тусклого объекта, которые были захвачены камерой. Значение WDR вычисляется как десятичный логарифм вышеуказанного отношения, взятого 20 раз:
WDR = 20 х lg(Мс/Мт),
где Мс – светимость наиболее яркого объекта, Мт – светимость наиболее темного распознаваемого объекта.
Для замера WDR используем специальный стенд, который позволяет камере фиксировать темное и светлое изображение одновременно. На нашем стенде отношение светимостей объектов равно отношению освещенностей этих объектов.
Измерение освещенности производим двумя люксметрами, датчики которых установлены непосредственно на таблицах, работающих на просвет. Светлые, "белые" участки таблиц выполнены из одинакового материала. Для обеспечения единых условий тестирования аппаратной функции WDR минимизируем вмешательство программных алгоритмов обработки изображений, выставив первичные настройки тестируемой камеры:
- кадр/c, битрейт, разрешение – максимальные;
- ARD, BLC, AGC, HLC, 2DNR, 3DNR и пр. – выключены.
Для каждой камеры проводим серию тестов
- Увеличиваем освещенность яркой части изображения до нахождения границы засветки 20% градации серого, замеряем значения непосредственно до достижения этой границы.
- Увеличиваем от 0 до границы распознавания очертаний черных фигур на темной части изображения.
- Записываем значения, производим расчеты. Для камер, имеющих настройки, влияющие на WDR, производится несколько тестов с разными значениями, выбирается максимальное значение WDR.
Почему считаем начало распознавания темной таблицы нижней границей освещенности для замера диапазона? Не слишком ли низок этот порог (граница разборчивости довольно крупных черных элементов на белом фоне)? Данный момент не стандартизирован для подобных замеров, поэтому принимаем тот критерий, который показывает, что динамический диапазон для измеряемой камеры в данных условиях точно не шире, чем те значения, которые мы получаем. Почему считаем верхней границей засветку 20% серого? По результатам экспериментов, при включенном WDR на высоких значениях яркости все тестируемые камеры не переходили в режим WDR при яркости, достаточной для засветки более низких градаций серого. Не должны смущать приведенные ниже скриншоты по результатам тестирования. Отображены именно граничные режимы: "некрасивость" картинки обусловлена поиском этого режима, между отображением и засветкой 20% серого.
Hikvision DS-2CD864FWD-E (Китай)
Предоставлена компанией DSSL
Достойная камера, наглядный пример реального WDR. Показала себя очень хорошо при проведении эксперимента, лишь немного не дотянув до победителя по значению динамического диапазона.
В основу IP-камеры видеонаблюдения Hikvision DS-2CD864FWD-E положена 1/3-дюймовая CMOS-матрица с разрешением 1280х960 пкс. Частота кадров при максимальном разрешении составляет 25 кадр/с. Сетевое устройство IP-видеонаблюдения рассчитано на работу в режиме "день/ночь". Имеются встроенный детектор движения и механический ИК-фильтр для коррекции цветовой передачи изображения в светлое время суток и увеличения чувствительности устройства ночью. На одну из боковых сторон вынесен разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД). На другой – отверстие для установки карт памяти стандартов SD/SDHC объемом до 32 Гбайт, таким образом ведется локальная запись на Flash-носитель, что, во-первых, превращает IP-видеокамеру в автономный видеорегистратор, а во-вторых, увеличивает надежность сохранности отснятых видеоматериалов.
Специальная площадка для монтажа камеры на кронштейн может быть закреплена как сверху, так и снизу корпуса, для чего с обеих сторон имеются по четыре мелких резьбовых отверстия. Тип крепления объектива – CS. Допустимо использование стандарта C, для чего к камере прилагается специальное 5-миллиметровое кольцо-переходник. IP-устройство также имеет регулировку заднего отрезка для подстройки под нестандартные объективы.
С тыльной стороны располагаются все основные порты: сетевой разъем (RJ-45), порт RS-485, тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), аналоговый BNC-видеовыход и разъем для подключения 12-воль-тового источника питания, оснащенный световым индикатором. Камера поддерживает функцию питания по сети Ethernet (PoE).
WDR
Заявленный производителем WDR: 120 дБ, максимальный измеренный – 106 дБ. Режим WDR имеет два положения: Вкл/Выкл. Регулировка WDR осуществляется с помощью "бегунка". Значения бегунка варьируют от 0 до 100.
RVi-IPC21WDN (Россия)
Предоставлена компанией "ЭРВИ групп"
Камера RVi-IPC21WDN показала достойный динамический диапазон и при этом оказалась самым недорогим устройством среди участников. По нашему мнению, это очень интересный вариант в плане оптимизации системы видеонаблюдения по соотношению цены и качества.
Модель RVi-IPC21WDN способна транслировать в сеть видеопоток с разрешением до 1280x960 пкс с максимальной скоростью 25 кадр/с в любом из доступных стандартов сжатия видео. Поддержка карт памяти формата microSD позволяет вести запись архива не только на сервер фиксации видео и NAS, но и на локальный накопитель IP-камеры.
Камера заключена в прочный металлический корпус и имеет форму параллелепипеда. На боковой стороне находится разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД). Камера может быть закреплена на кронштейн как сверху, так и снизу корпуса. Тип крепления объектива CS. Допустимо использование стандарта C, для чего к камере прилагается специальное 5-миллиметровое кольцо-переходник. В комплект поставки камеры также входит инструкция на русском языке и CD с программным обеспечением.
С тыльной стороны располагаются все основные порты: сетевой разъем (RJ-45), порт RS-485, тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), аналоговый BNC-видеовыход, разъем для подключения источников питания 12/24 В, гнездо для установки карт памяти стандартов SD и светодиодный индикатор.
WDR
Заявленный производителем WDR: 128 дБ, максимальный измеренный – 98 дБ. Регулировка WDR осуществляется с помощью "бегунка", значения варьируют от 1 до 100.
BEWARD BD3170 (Россия)
Предоставлена компанией "Бевард"
В основе камеры BD3170 лежит сенсор SONY, который поддерживает в два раза более высокую скорость съемки (50 (60) кадр/с в формате XGA), что позволяет устройству формировать отчетливое видеоизображение при любом движении в кадре. Единственный участник тестирования, который заявляет режим четырехкратного сканирования (Quadro Scan). В меню камеры пользователь может задать режим работы WDR, определяющий контраст между светлыми и темными зонами изображения.
В комплект поставки камеры BD3170 входит программное обеспечение, комплект для монтажа, стикер "Видеонаблюдение", CD-диск. Камера может быть закреплена на кронштейн как сверху, так и снизу корпуса. Тип крепления объектива – CS. С тыльной стороны располагаются все основные порты: разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД), сетевой разъем (RJ-45 с поддержкой PoE), тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), аналоговый BNC-видеовыход, разъем для подключения источника питания 12 В, гнездо для установки карт памяти стандарта SD.
Бесспорно, BD3170 показала лучшие результаты при попытке "перегрузить" камеру высоким уровнем освещенности. При подготовке теста, на стадии подбора различных таблиц, поведение камеры на граничных режимах принципиально отличалось от конкурентов: вплоть до самой границы засветки – отлично читались все градации серого, что видно на изображении. Кроме того, для засветки камеры приходилось увеличивать освещенность до предела. Видимо, это и есть результат работы алгоритма заявленного "четырехкратного" сканирования. Учитывая высокую скорость кадров, нам кажется, что данная особенность камеры, скорее всего, будет полезна в первую очередь в очень сложных условиях, например, при борьбе с засветкой фарами при чтении автомобильных номеров движущегося транспорта.
WDR
Заявленный производителем WDR: 120 дБ, максимальный измеренный – 110 дБ. В настройке WDR можно выбрать два приоритета: Экстра WDR (для качественной обработки ярких сцен) и Нормальный (для качественной обработки темных сцен). Имеется настройка усиления уровня сигнала для малоосвещенных сцен.
AVer FX3000-R (Тайвань)
Предоставлена компанией "Тайле"
Камера от тайваньской компании AVer Information Inc. – один из победителей среди 3-мегапиксельных конкурсантов. Достойный выбор для достижения максимального результата по сумме показателей – разрешение плюс динамический диапазон.
AVer FX3000-R передает видеопоток с высоким разрешением до 2048х1536 пкс со скоростью 20 кадр/с и с разрешением 1920x1080 пкс со скоростью 30 кадр/с. В камере присутствуют функции, которые помогут оптимизировать поток и снизить нагрузку на сеть:
- опция "выбор области интересов (ROI)" (целенаправленного захвата изображения);
- функция Smart Stream;
- функция Event Booster – автоматическое увеличение частоты кадров при срабатывании тревоги. Служит для оптимизации пропускной способности и объема хранения посредством настройки записи на минимальную частоту кадров. При срабатывании тревоги Event Booster позволит записать событие с максимальной частотой кадров.
Комплект поставки камеры AVer FX3000-R самый богатый из всех, попавших на тестирование: CD с программным обеспечением, вариофокальный объектив (f = 3,1–8 мм), регулировочные прокладки, кронштейн, комплект для монтажа, блок питания от 220 В. На боковой стороне находится разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД). Камера может быть закреплена на кронштейн как сверху, так и снизу корпуса. Тип крепления объектива – CS.
С тыльной стороны располагаются все основные порты: сетевой разъем (RJ-45), порт RS-485, тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), сервисный разъем, аналоговый BNC-видеовыход, разъем для подключения источника питания 12 В, светодиодный индикатор, гнездо для установки карт памяти стандарта SD, DIP-переключатель.
WDR
Заявленный производителем WDR: 100 дБ, максимальный измеренный – 91 дБ. Настройка True WDR: три предустановленных уровня (низкий/средний/высокий), а также возможность отключения.
Hikvision DS-2CD4032FWD (Китай)
Предоставлена компанией DSSL
Очень интересную камеру на тестирование передала компания DSSL. Это устройство только готовится к продажам в России и пришло к нам в виде тестового образца, так сказать, с пылу с жару.
Одно из основных преимуществ камеры – это наличие аналитики "на борту" камеры (распознавание лиц, вторжение в зону, аудиодетектор, детектор саботажа, трехмерное цифровое шумоподавление и т.д.). Из всех представленных камер в данном тесте эта – самая функциональная. Камера поддерживает функции: ROI, антитуман, тройной поток, режим кратчайшего времени (отключает некоторые алгоритмы обработки изображения для снижения задержки), коридорный формат. Производитель планирует поставки камер с символом "А" в названии, которые оснащаются опцией автоматической настройки резкости объектива (функция Auto Back Focus), предоставленный тестовый образец не имел данной функции.
Модель имеет следующие интерфейсы: разъем RJ-45 (электропитание по сети PoE), слот для карты памяти microSD (поддерживается объем до 64 Гбайт), BNC-разъем, тревожные входы и выходы, аудиовход и выход, разъем питания, поддерживается питание 12 В постоянного или 24 В переменного тока. Тестирование производилось при питании 12 В на максимальном разрешении 3 Мпкс со скоростью передачи 20 кадр/с. Предварительная рекомендованная розничная цена в России 21 900 руб.
WDR
Заявленный производителем WDR: 120 дБ, максимальный измеренный – 87 дБ. Камера очень недалеко ушла от победителя среди 3-мегапиксельных камер, показав достойный результат.
Режим WDR имеет два положения: Вкл/Выкл. Настройка WDR отсутствует. Думаем, что это временное явление, до тех пор пока не локализована прошивка.
NeoVizus NVC-i130 (Россия)
Предоставлена компанией "КОМКОМ-СБ"
Камера – победитель в номинации "Самая выгодная покупка" среди 3-мегапик-сельных камер с функцией WDR. Модель NVC-i130 показала прекрасную яркость и контрастность в светлой области и результаты, значительно превышающие показатели камер без WDR.
В комплект поставки камеры NeoVizus NVC-i130 входит блок питания на 12 В, инструкция на английском языке, CD с программным обеспечением, С/CS 5-миллиметровое кольцо-переходник, USB-кабель. Камера заключена в прочный металлический корпус и имеет самые малые габариты – всего 12 см в длину, что может стать одним из решающих параметров при выборе устройства. На боковой стороне находится разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД), а также DIP-переключатель AES/DC IRIS, DHCP/Static I P. Камера может быть закреплена на кронштейн как сверху, так и снизу корпуса.
В комплект поставки NeoVizus NVC-i130 не входит объектив. Тип крепления объектива – CS. Допустимо использование стандарта C через специальное кольцо-переходник. С фронтальной стороны камеры расположен микрофон, индикатор питания, ИК-сенсор, а с тыльной стороны – все основные порты: сетевой разъем (RJ-45), порт RS-485, тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), аналоговый BNC-видеовыход, разъемы для подключения источников питания 12/24 В, гнездо для установки карт памяти стандартов SD/SDHC и светодиодный индикатор, USB-порт. Камера поддерживает функцию питания по сети Ethernet (PoE).
- Широкий диапазон питания: DC 12 В/AC 24 В/PoE (IEEE 802.3af)
- Механический ИК-фильтр (ICR)
WDR
Заявленный производителем WDR: 100 дБ, максимальный измеренный – 76 дБ. Регулировка WDR осуществляется переключением значений от 1 до 10.
RVi-IPC23WDN (Россия)
Предоставлена компанией "ЭРВИ групп"
Прекрасная камера – второй победитель теста среди 3-мегапиксельных устройств. Модель RVi-IPC23WDN способна транслировать в сеть видеопоток с разрешением до 2048x1536 пкс при максимальной скорости 20 кадр/с в любом из доступных стандартов сжатия видео. Поддержка карт памяти формата microSD объемом до 32 Гбайт позволяет вести запись архива не только на сервер фиксации видео и NAS, но и на локальный накопитель.
В комплект поставки камеры RVi-IPC23WDN входит инструкция на русском языке, CD с программным обеспечением, С/CS 5-миллиметровое кольцо-переходник, комплект для монтажа. Камера заключена в прочный металлический корпус и имеет уникальную форму (дизайнеры поработали хорошо). На боковой стороне камеры находится разъем автоматической регулировки диафрагмы (АРД). Камера может быть закреплена на кронштейн сверху, а при установке специальной площадки возможно крепление снизу. Тип крепления объектива – CS. Допустимо использование стандарта C через специальное кольцо-переходник. С тыльной стороны располагаются все основные порты: сетевой разъем (RJ-45), порт RS-485, тревожные входы и выходы, пара 3,5-миллиметровых аудиогнезд (вход и выход), аналоговый BNC-видео-выход, разъем для подключения источников питания 12/24 В, гнездо для установки карт памяти стандарта SD и светодиодные индикаторы.
WDR
Заявленный производителем WDR: 100 дБ, максимальный измеренный – 91 дБ. Режим управления WDR: Вкл./Выкл. При включении WDR появляются два предустановленных режима – MC и DLO.
Сводная таблица результатов тестирования мегапиксельных Box IP-камер с функцией WDR
Камера | Квартал и год начала продаж в России | Разрешение и производитель сенсора | WDR, дБ | Цена (розн), руб. | |
заявленный на сайте производителя | измереннный | ||||
Hikvision DS-2CD864FWD-E | II квартал 2013 г. | 1/3 Мпкс, Sony | 120 | 106 | 16900 |
RVi-IPC21WDN | III квартал 2013 г. | 1/3 Мпкс, Aptina | 128 | 98 | 13200 |
BEWARD BD3170 | II квартал 2013 г. | 1/3 Мпкс, Sony | 120 | 110 | 16300 |
Aver FX3000-R | II квартал 2013 г. | 3 Мпкс, Aptina | 100 | 91 | 24500 |
Hikvision DS-2CD4032FWD | I квартал 2014 г. | 3 Мпкс, н/д | 120 | 87 | 21900 (предварительная) |
NeoVizus NVC-I130 | II квартал 2012 г. | 3 Мпкс, Sony | 100 | 76 | 19300 |
RVi-IPC23WDN | II квартал 2013 г. | 3 Мпкс, Aptina | 100 | 91 | 19800 |
На графике дополнительно отражены результаты измерений на том же стенде еще двух камер – недорогой камеры CMOS VGA и популярной аналоговой камеры CCD 700 ТВЛ.
WDR на сайтах производителей
К сожалению, наличие заявленного WDR на сайте производителя не гарантирует сколько-нибудь работающего аппаратного WDR. Даже если однозначно идентифицировать матрицу с аппаратным WDR – нет гарантии, что прошивка камеры поддерживает эту функцию. И как обычно – чем старше и профессиональнее компания-производитель, тем выше вероятность получения достоверной информации из заявленных характеристик ее камеры. Несколько камер было отсеяно в процессе измерения с явно ошибочно указанным WDR, поскольку разница между заявлено/измерено была просто огромна.
Теория и практика
Даже если в камере действительно установлена WDR-матрица и даже если прошивка поддерживает этот функционал – к сожалению, и это не является гарантией получения заявленного диапазона. Мы видим, что производители камер указывают значения динамического диапазона из технических характеристик используемой матрицы. Но это значение является лишь верхней границей, которое в теории мог бы достичь динамический диапазон при правильной настройке и правильном использовании матрицы. Дело в том, что производитель матрицы дает производителю камеры лишь механизм управления. Какой режим, в какой момент включать – это полностью зависит от алгоритма работы прошивки камеры, и далеко не всегда, по разным причинам, производителю камеры удается получить от матрицы все 100% ее возможностей, что и подтверждает наш эксперимент.
Разрешение и динамический диапазон
Явно прослеживается, что чем меньше разрешение камеры – тем больший динамический диапазон удается достичь производителям. Как обычно, приобретая что-то одно, жертвуем другим. Увеличиваем разрешение – теряем динамический диапазон (как минимум). Конечно, это верно только при условии аналогичности уровня технологий производства матрицы и соответственно цен на камеру.
Сравнение тестируемых камер с аналоговыми CCD-и дешевыми CMOS-камерами
У всех протестированных камер наблюдается огромный отрыв по динамическому диапазону от популярных аналоговых CCD-камер и дешевых CMOS IP-камер, что оправдывает более высокую цену первых, в плане профессионального применения.
На рисунке ниже показано сравнение изображений камеры с WDR и обычной камеры при одинаковом уровне освещенности в данных условиях.
Кому нужен WDR
Сегодня наблюдается некоторый рост спроса на камеры с функцией WDR, но он, к сожалению, вызван не столько пониманием важности этой функции, сколько снижением цен на камеры с аппаратным WDR и активизацией отделов маркетинга. Спрос на камеры с WDR прямо пропорционален уровню технических знаний инсталлятора, а с уходом видеонаблюдения в массовый рынок этот уровень стремительно падает.
Для обывателя не всегда обосновано удорожание камеры за какой-то неведанный WDR, гораздо "ближе к сердцу" Его Величество Мегапиксель. Поэтому прежде всего спрос на данное оборудование наблюдается со стороны профессионалов, устанавливающих оборудование на серьезных объектах, чаще всего это уличные камеры. А также со стороны инсталляторов, мотивированных на результат, когда заказчик требует конкретный эффект от работы системы для обеспечения гарантированной и предсказуемой детализации видеоизображения при разных условиях освещенности.
