Различия

Здесь показаны различия между двумя версиями данной страницы.

Ссылка на это сравнение

articles:videologic [2017/09/05 02:55] (текущий)
Строка 1: Строка 1:
 +====== videologic ======
 +<​sub>​{{videologic.odt|Original file}}</​sub>​
 +
 +====== прикладная видеология ======
 +
 +крис касперски,​ ака мыщъх, no-email
 +
 +**широкий ассортимент выбора камер видео-наблюдения превращает свободу выбора в проблему,​ особенно если ни потребитель,​ ни продавец не разбираются в технических характеристиках и разницу между ****avi ****и ****mpeg ****чувствуют на смутном интуитивном уровне,​ не подвластном логическому анализу. давайте попробуем разобраться какие стандарты хранения видеоинформации существуют и чем они _реально_ отличаются друг от друга.**
 +
 +===== введение =====
 +
 +Снижение цен на электронику вызвало встречный рос популярности систем видео-наблюдения. И хотя подобная защита во многом носит чисто психологический характер,​ отпугивающий мелких преступников от кражи и создающий иллюзию безопасности,​ наличие видеозаписи упрощает "​разбор полетов",​ пускай и реальные случаи задержания носят единичный характер,​ отчасти вызванный безграмотными настройками охранной системы. Что толку, если силуэт грабителя уверенно отличается от силуэта собаки?​ Ладно, лицо размазано и неразборчиво,​ ладно, темно как в танке, так ведь и угол охвата настолько широк, что перспективные искажения не позволяют нам сказать:​ толи это низенький толстенький мужичок,​ толиэто высокая худощавая блондинка. Конечно,​ ситуация несколько утрирована,​ но в целом по стране качество видеозаписи таково,​ что разобрать кто на ней запечатлен можно только сравнив "​портрет"​ с оригиналом.
 +
 +Кто виноват?​ Разрешение современных камер достаточно высоко. Современные алгоритмы сжатия (при правильном их применении) обеспечивают более чем удовлетворительный результат. Наконец,​ современные накопители данных позволяют записывать тысячи и тысячи часов с подобающим разрешением. Так почему же тогда мы имеем то, что имеем?​!
 +
 +Ответ прост. Обработка видеоинформации — сложное дело, требующее предварительной подготовки и управлять охранными видео-комплексами должны специалисты,​ а не системные администраторы или электрики. Но, увы, таких специалистов в нашем распоряжении нет и быстро они не появятся,​ поскольку те, кто освоил цифровое видео на уровне чуть выше faq, утекают в более прибыльный бизнес,​ занимаясь тем, что приносит деньги,​ в то время как поддержка охранного комплекса – это статья расходов и выделять под нее большой бюджет могут только те организации,​ которые делают деньги буквально из воздуха (например,​ банки). А всем остальным — что делать?​
 +
 +Эта статья не претендует на исчерпывающее рецептурное руководство,​ но, по крайней мере, поможет уберечь вас от популярных ошибок и развеять распространенные заблуждения. Она ориентирована как на тех, кто уже приобрел видео-комплекс,​ так и на тех, кто только раздумывает — что же ему покупать. Никакой специальной подготовки от читателя не требуется и все термины объясняются по ходу дела.
 +
 +===== от камеры до прайса и обратно =====
 +
 +Камеры видео-наблюдения можно разделить на две большие категории:​ первая выдает "​сырой"​ аналоговый видеосигнал (как правило,​ в системе PAL), вторая — готовое цифровое изображение,​ сжатое по стандарту MPEG-1/​MPEG-2/​MPEG-4/​x264. Достоинство первой — более низкая цена и (потенциально) более высокое качество,​ поскольку "​добротность"​ встроенных в камеру энкодеров оставляет желать лучшего,​ а возможность их ручной настройки сведена к минимуму. Зато камеры со встроенными энкодерами очень часто содержат и встроенный TCP/IP стек с Ethernet-портом,​ что позволяет их подключать к уже существующей локальной сети, избегая прокладки дополнительных проводов.
 +
 +Из прочих характеристик в первую очередь хотелось бы выделить прогрессивный и черезстрочечный режимы. Прогрессив обеспечивает более высокое качество на движущихся объектах и позволяет сжимать изображение в MPEG-1 (который черезстрочечной разверти не поддерживает). MPEG-4 – поддерживает,​ но путем хитрых извращений,​ которые реализованы не во всех энкодерах. Попытка сжатия черезсрочечного видео в MPEG-1 или MPEG-4 без поддержки прогрессива приводит к ужасным искажениям и существенно ухудшает сжимаемость. В настоящее время камеры обоих типов практически сравнялись в цене, хотя в целом прогрессив стоит чуть дороже,​ но он действительно того стоит!
 +
 +Камеры с аналоговым выходным сигналом меряются количеством телевизионных линий, которое обычно составляет 300, 420, 570 или 600. Естественно,​ чем больше — тем лучше, но и дороже. Камеры с цифровым выходом указывают разрешение в писелах — 320x240, 352x288, 640x480 или 704x576, которое на самом деле еще ни о чем не говорит,​ поскольку 352x288 могут соответствовать как 300, так и 420 фактическим линиям. Все зависит от того, в какую строну производитель производит округление — в большую или в меньшую. Впрочем,​ и "​физические"​ линии аналоговых камер — величина чисто абстрактная,​ поскольку не учитывает разрешающей способности объектива,​ качество которого может варьироваться в очень широких пределах и, как показывает практика,​ практически у всех камер разрешающая способность объектива (штатного) ниже, чем матрицы,​ причем в некоторых случаях значительно ниже. Камеры со сменными объективами в этом смысле намного более предпочтительны,​ но и стоят они… скажем так, очень недешево,​ а хороший объектив стоит вдвое – втрое дороже самой камеры,​ особенно если речь идет о камерах с высоким разрешением.
 +
 +Далее — камеры бывают черно-белые и цветные. Цвет — это, конечно,​ хорошо,​ вот только… нет, вопрос совсем не в том, что дорого. За цвет приходится платить снижением чувствительности,​ которая измеряется в люксах (что такое "​люкс"​ рассказано в одноименной врезке) и которая у цветных камер часто падет до 0,1 lux, в то время как большинство черно-белых (даже из недорогой серии) спокойно дают 0,05 lux, что _намного_ больше,​ поскольку шкала — логарифмическая. Высокая чувствительность позволяет снимать в буквальном смысле слова даже при луне, что особенно актуально для камер наружного наблюдения. К тому же на камерах с инфракрасной подсветкой (а есть и такие) все равно никакого "​цвета"​ не будет. С другой стороны,​ при низком качестве записи,​ цвет оказывается чуть ли не единственным источником информации и данные о том, что бандиты приехали на красной машине и были в зеленых куртках крайне важны, так что полностью отказываться от цвета не стоит и тут уже приходится выбирать – то ли покупать цветную камеру с высокой чувствительностью,​ то ли комбинировать высокочувствительные черно-белые камеры с низко чувствительными цветными.
 +
 +Чувствительность очень тесно связана как с качеством объектива,​ так и с его фокусным расстоянием и диафрагмой. Обычно производители приводят чувствительность для минимального фокуса (т. е. широкого угла) с полностью открытой диафрагмой,​ поэтому при сравнении двух камер помимо чувствительности нужно так же смотреть на фокусное расстояние и диафрагму.
 +
 +Очень важный (но не всегда упоминаемый в документации) параметр — скорость "​затвора"​ (ES – Electronic Shutter Speed), измеряющая в долях секунды и, в зависимости от модели камеры (и уровня освещения),​ колеблющаяся в интервале от 1/50 (и выше) до 1/100.000 (и ниже). И хотя никакого затвора в традиционном понимании этого слова в видеокамерах нет, его электронный эквивалент остался. Съемка движущихся объектов на 1/50 приводит к размазыванию изображения,​ которое будет тем больше,​ чем выше фокусное расстояние объектива. К сожалению,​ обычно из документации нет никакой возможности узнать реальные характеристики камеры и потому предсказать как она поведет себя при слабом освещении можно только исходя из цены. Дешевая высокочувствительная камера скорее всего просто имеет слишком длинную выдержку,​ подходящую только для съемок неподвижных объектов. Впрочем,​ высокая цена еще не гарант обратного.
 +
 +===== один, два, четыре,​ двести шестьдесят четыре =====
 +
 +По поводу качества различных алгоритмов сжатия идут непрекращающиеся споры, циркулируют нелепые слухи, мифы и легенды. Одни утверждают,​ что наименьшие потери дает MPEG1 (не поддерживающий черезстрочечной развертки,​ кстати),​ другие же говорят,​ что, дескать,​ MPEG1 – дрянь, поскольку,​ не поддерживает разрешений выше 352x240, в то время как MPEG2 легко "​тянет"​ 1280x720.
 +
 +На самом деле, эти цифры взяты из стандартов на Videodisk и DVD соответственно,​ где предельное разрешение определяется максимальным битрейтом,​ то есть количеством информации,​ которое гарантированно успевает прочитать привод в единицу времени. В видеокамерах таких ограничений нет, и MPEG1 легко "​разгоняется"​ до 4095x4095 при битрейте в 100 Мбайт/​сек,​ что полностью умещается в витую пару (правда,​ если туда будет "​валиться"​ сигнал с нескольких камер — наступят полные тормоза,​ но ведь и разрешение 4095x4095 не обеспечивается даже самыми продвинутыми камерами наблюдения!).
 +
 +Сравнивая различные стандарты сжатия друг с другом,​ многие обозреватели забывают,​ что в их основе лежит один и тот же алгоритм,​ основанный на //​**дискретном косинусном преобразовании **//​(//​**D**////​iscrete////​**C**////​osine////​**T**////​ransform//​или сокращенно **DCT**), представляющим собой разновидность косинусного ортогонального преобразования для вектора действительных чисел.
 +
 +В общем случае DTC-преобразование осуществляется умножением вектора на матрицу преобразования:​
 +
 +**[Y] = [C]x[X]x[C****<​sup>​T</​sup>​****]**
 +
 +Формула 1 DTC преобразование,​ записанное в матричной форме, здесь: [X] – начальная матрица,​ [C] и [C<​sup>​T</​sup>​] – матрицы с коэффициентами преобразования,​ где C<​sup>​T</​sup>​ означает транспонированную матрицу
 +
 +Алгоритмы MPEG1, MPEG2 и MPEG4 разбивают каждый кадр (фрейм) на блоки по 8x8 пикселей,​ над которыми осуществляется DCT-преобразование — сначала для каждой строки,​ а затем для каждого столбца матрицы,​ поэтому такое преобразование часто обозначается как DCT8 (число "​восемь"​ означает 8 векторов).
 +
 +После выполнения дискретного косинусного преобразования в Y-матрице уже нет пикселей и она превращается в совокупность волн с различными частотами и амплитудами. Низкие частоты,​ сосредоточенные в левом вернем углу матрицы,​ соответствуют крупным деталям исходного изображения. Высокие частоты,​ соответствующие мелким деталям,​ оккупируют правый нижний угол (см. рис. 1).
 +
 +{{videologic_Image_0.png}}
 +
 +Рисунок 1 наглядная демонстрация DFT- и DCT-преобразований
 +
 +Суть сжатия заключается в отсечении наименее значимых деталей,​ практически не воспринимаемых человеческим глазом,​ но кодируемые наиболее длинными кодами и соответствующие высоким частотам. Отсечение деталей в основном достигается за счет квантования.
 +
 +{{videologic_Image_1.png}}
 +
 +Рисунок 2 сигнал,​ переведенный в цифровую форму
 +
 +{{videologic_Image_2.png}}
 +
 +Рисунок 3 оцифрованный сигнал после квантования
 +
 +//​**Квантованием**////​ (применительно к обработке сигналов) называется деление величины сигнала на некоторое ////​**целое**////​ число, называемое ////​**квантом**////​ (////​**quant**////​)//,​ обычно обозначаемый буквой Q, а обратный ему процесс — **деквантированием**. С математической точки зрения X/Q = X*Q, но целочисленная арифметика "​огрубляет"​ сигнал (см рис 2,​ 3),​ причем это "​огрубление"​ тем сильнее,​ чем больше квант. При Q = 1 мы не теряем никаких деталей,​ при Q превышающим половину амплитуды сигнала — теряем все. ("​теряем все"​ — в пределах одного 8x8 блока, который заливается одним цветом,​ и мы получаем мозаику из 8x8 квадратов,​ из которой еще кое-что можно разобрать).
 +
 +Потоковые MPEG-энкодеры,​ как правило,​ позволяют менять величину кванта,​ которая обычно варьируется от 1 (наилучшее качество) до 31 (наихудшее качество). На самом деле, 31 — это _очень_ большое число и уже при Q > 6 на изображение без содрогания смотреть невозможно. В некоторых (достаточно многих) энкодерах качество сжатия определяется в процентах,​ 100% соответствует Q1, 0% – Q31.
 +
 +Ниже представлен ряд изображений,​ сжатых с различным качеством для сравнения:​
 +
 +{{videologic_Image_3.png}}
 +
 +Рисунок 4 изображение,​ сжатое с Q = 1
 +
 +{{videologic_Image_4.png}}
 +
 +Рисунок 5 левая половина — Q = 1, правая — Q = 6
 +
 +{{videologic_Image_5.png}}
 +
 +Рисунок 6 левая половина — Q = 1, правая — Q = 13
 +
 +{{videologic_Image_6.png}}
 +
 +Рисунок 7 левая половина —Q = 1,​ правая — Q = 31
 +
 +Теперь поговорим о цветовых пространствах. В большинстве видеокамер используется матрица с красными (Red), зеленными (Green) и синимыми (Blue) датчиками изображения. RGB-сигнал,​ снимаемый с матрицы,​ при преобразовании в PAL, преобразуются в сигнал яркости Y (он же Luminance или Luma) и два цветоразностных сигнала U и V (Chroma), вычисляемых по следующей формуле:​
 +
 +**Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, U = R - Y, V = B - Y**
 +
 +Формула 2 перевод RGB-сигналов в YUV форму
 +
 +Подбор коэффициентом обусловлен особенностями системы нашего,​ человеческого,​ цветоощущения,​ наиболее всего чувствительной к зеленой (точнее,​ желто-зеленой) области спектра,​ которому разработки видеосистем выделили наибольшее количество бит. То есть, даже если не использовать никакого сжатия,​ изображение все равно будет записано с потерями и качество видеокамеры всегда ниже, чем у фотоаппарата (к черно-белым камерам,​ работающим только с сигналом яркости,​ это не относится).
 +
 +Цветовые пространства алгоритмов видео сжатия привязаны именно к такой схеме. Схеме цветоразностных сигналов. MPEG1 работает с цветовым пространством,​ именуемым YUV420 (оно же YUV12 и YV12), в которой значение яркости (Y) сохраняется для каждого пикселя,​ а цветоразностные компоненты (U&V) получаются путем усреднения значений 4'х пикселей из квадрата 2x2. На все компоненты отводится по 8 бит, в результате чего на кодирование одного пикселя расходуется 12 бит (чем и объясняется присутствие данных цифр в названии название). Главным недостатком подобной схемы становится не только низкое цветовое разрешение,​ но и невозможность работы с черезстрочечным изображением,​ поскольку объединение пикселей,​ взятых из соседних вертикальных линий (принадлежащих различным полукадрам) приводит к появлению значительных искажения.
 +
 +MPEG2 используется цветовую схему YUV422 (она же YUY2), в которой сигнал цветности усредняется у двух соседних пикселей по горизонтали,​ в результате чего цветовое разрешение возрастает вдвое, а при сжатии черезстрочечного изображения не возникает искажений. К тому же на кодирование каждого сигнала отводится 16 бит.
 +
 +MPEG4 позволяет использовать как ту, так и другую схему на наш выбор. Точнее,​ это по стандарту он предлагает на выбор, а в реальной жизни выбор зачастую уже сделан производителем энкодера,​ реализовавшим поддержку только одной цветовой схемы. Обычно такой схемой становится YV12, которая обладает более лучшим (на %35) цветовым сжатием по сравнению с YUY2. Самое поразительное,​ что некоторые производители "​вставляют"​ YV12 даже в черезстрочечные камеры,​ оставляя ее единственной цветовой схемой! Вот еще один повод для отказа от камер со встроенными MPEG-энкодерами — никогда не знаешь какую пакость нам подстроили разработчики.
 +
 +Считается,​ что черно-белых камер выбор цветовой схемы некритичен,​ поскольку,​ цвета у них нет. Цвета нет, это верно, но сигнал яркости есть, а в YV12 на него отводится на 4 бита меньше — выше сжатие,​ ниже качество. К тому же, цветоразностный сигнал все равно сохраняется. Некоторые MPEG4 энкодеры имеют специальный черно-белый режим, выбрасывающий цветоразностный сигнал. MPEG1/MPEG2 этого делать не умеют.
 +
 +Вывод: MPEG4 – кот в мешке, MPEG2 – гарантированное номинальное качество.
 +
 +===== >>>​ врезка сколько в тебе люкс =====
 +
 +1 люкс (lux) равен освещённости поверхности площадью 1 м^2, при световом потоке падающего на неё излучения равном 1 Люмен (лм), который в свою очередь равен световому потоку,​ испускаемому точечным изотропным источником,​ c силой света равной одной канделе,​ в телесный угол, величиной в один стерадиан. А 1 кандела равна силе света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср.
 +
 +А слабо представить себе 1 люкс в реальности?​ Вот для этого и пригодится табличка,​ данная ниже.
 +
 +|освещенность,​ люксы|что создает|
 +|0,00005 |свет звезд|
 +|0,​0001|ночное безлунное небо в облаках|
 +|0,​001|безоблачное ночное небо|
 +|0,​01|луна в фазе первой/​последней четверти|
 +|0,​25|полная Луна в безоблачную ночь|
 +|10|свет свечи на расстоянии 30 см|
 +|50|освещенность жилой комнаты|
 +|400|яркий офисный свет|
 +|400|восход/​закат на чистом небе|
 +|32000|солнечный свет в средний день (мин.)|
 +|100000|солнечный свет в средний день (макс.)|
 +
 +Таблица 1 освещенность в люксах,​ создаваемая различными источниками
 +
 +{{videologic_Image_7.jpg}}
 +
 +Рисунок 8 кто следит за тобой?
 +
 +{{videologic_Image_8.jpg}}
 +
 +Рисунок 9 инфракрасная камера слежения видит даже в темноте
 +
 +