Функция 3DNR
Полное название 3DNR на английском языке звучит, как 3D adaptive Noise Reduction Filter. Это технология, которая позволяет подавлять шумы в изображении, появляющиеся при слабом освещении.
При создании систем передачи видеосигнала (например, системы видеонаблюдения и т.д.), особо остро становится вопрос о технологии фильтрации шума изображения. Таким образом, шумоподавление является важным элементом функционирования системы, поскольку присутствие разных шумов на изображении искажает и ухудшает картинку, а также мешает обрабатывать сигнал после записи. Для цифрового видеосигнала, шум является особенно неприемлемым, поскольку в дальнейшем оно подвергается сильному сжатию.
Разновидности шумоподавления
Сегодня существует два вида подавления шумов на изображении:
1. Двумерное шумоподавление 2DNR, которое в свою очередь делится на: временное и пространственное.
2. Трехмерное шумоподавление 3 DNR.
2DNR метод
Пространственный фильтр, который используется для подавления шумов, проводит анализ изображения и видеосигнала только в пространственной области. При этом зачастую он игнорирует информацию, касающуюся временного направления.
С помощью временных фильтров происходит анализ пикселей изображения только во временном направлении. Тогда как временное шумоподавление может применять компенсационный метод фильтрации или адаптивный метод фильтрации. Если же используется адаптивный метод фильтрации, то в этом случае исследуются пиксели, которые находятся в одной и той же позиции в разных кадрах изображения. При компенсационном методе фильтрации, анализируется траектория движения групп пикселей. Во время анализа используются фактические данные, которые были получены при оценке движения.
Недостатки 2DNR фильтра
При обработке видеосигнала детали изображения расплываются, становятся нечеткими. Тогда как 3DNR фильтр подавления шумов изображения объединяет все преимущества, которые есть в пространственном и временном фильтрах. А также у него нет таких недостатков, которые есть в 2DNR.
Использование 3DNR в камерах
Когда в камерах используется 3DNR технология шумоподавления изображения, то происходит уменьшение аддитивного влияния гауссовского шума. При этом, данная технология анализирует большое количество последовательных кадров видеоизображения, используя временную фильтрацию.
Представленный метод позволяет определить уровень различия между пикселями в предшествующих кадрах и текущем кадре. Кроме этого, он устанавливает вектор движения, используемый для движения в данном кадре, а также схожее движение пикселя, который компенсируется в отфильтрованном кадре. После этого, 3DNR метод оценивает другие искажения, которые касаются пикселя в определенном кадре. В конечном счете, 3DNR фильтр определяет результат из среднего количества пикселей в текущем кадре, учитывая пиксели последующего кадра, а также итоги определения и оценки движения, оценку шума, компенсацию движения.
Таким образом, мы видим, что с помощью данного метода пользователь получает высококачественное изображение видеосигнала даже, если в месте съемки будет слабое освещение.
1.Начнем с 3D DNR.
В переводе с анлийского 3D adaptive Noise Reduction Filter.
Функция 3DNR (3D-DNR) предназначена для уменьшения искажений до приемлемого уровня или их полного устранения.
В ходе эксплуатации камер внутреннего или наружного видеонаблюдения возникают помехи, которые снижают качество изображения. Вследствие этого какие-то детали могут остаться незамеченными. Особенно это касается объектов с усиленным режимом охраны и мест с большим количеством техники, создающей помехи.
Помимо стороннего оборудования (станков, электроприборов, кабелей, антенн и т. д.), помехи и искажения вызываются и самой камерой, в которой происходит постоянное течение электрического тока.
В зависимости от вызывающих их причин помехи бывают нескольких видов:
Преимущества 3D DNR
Следует отметить, что, очищая изображение от шумов, можно его испортить. Процедура очистки может исказить цветопередачу или привести к размытию изображения. Однако правильное применение технологии 3D DNR дает немалые выгоды.
Во-первых, она обеспечивает более чистый сигнал, что позволяет при его сжатии экономить дисковое пространство.
Кроме того, камеры, оснащенные технологией 3D DNR, дают более резкое изображение, что облегчает идентификацию тех, кто попал в кадр.
2.DWDR
Дело в том, что количество градаций серого (полутонов), которые может передать видеокамера, составляет лишь часть полного спектра, от чисто белого до чисто чёрного цвета. И если в кадре одновременно присутствуют яркие и тёмные участки (например, яркое небо в солнечный день и объект в тени), то видеокамера вынуждена рассчитывать экспозицию, пытаясь охватить максимум градаций яркости. В результате, яркие объекты оказываются темнее (ближе к серому), а тёмные — светлее (тоже ближе к серому). Таким образом, теряется контрастность изображения.
Технология расширения динамического диапазона как раз и позволяет передать все градации серого во всех участках кадра с максимальной достоверностью, сохранив контрастность, но при этом происходит потеря детализации.
Способность камеры применять специальные средства – цифровую обработку исходящего сигнала, для расширения динамического диапазона, называют функцией DWDR.
Разница между DWDR и WDR
DWDR и WDR фактически выполняют одну и ту-же функцию. Они реализуют расширение динамического диапазона, но радикально отличаются принципом действия:
WDR – использует аппаратные средства для реализации расширения динамического диапазона – цифровой сигнальный цветной сопроцессор. Эта функция более качественно и быстро обрабатывает поступающую со светочувствительной матрицы информацию. Распознает объекты, которые расположены в местах проблемных для съемки. Однако, модели видеокамер где реализована эта технология значительно дороже сопоставимых по качеству изображения изделий с функцией DWDR;
DWDR – применяет программные алгоритмы обработки видео. Это дает вполне удовлетворительный уровень распознания объекта в темноте, но довольно посредственное качество распознания засвеченных участков.
3. BLC
Во включенном режиме, микропроцессор будет выравнивать (сглаживать) освещенность по всему полю зрения камеры. Часто применяется на объектах с ярким задним фоном.
Видеокамеру часто сравнивают с органами зрения человека — она также имеет свою четкость, светочувствительность, воспринимает определенное количество кадров в секунду. Когда мы смотрим на предмет, находящийся между нами и ярким источником освещения, не всегда выходит рассмотреть его подробности. Причина засветки кроется в том, что отдельные пиксели, из которых состоит матрица, способны воспринять определенный максимум света. Если его больше, на изображении, выведенном на экран, появится просто светлое пятно.
Однако и до того, как максимум достигнут, происходит своеобразное насыщение. К примеру, солнце за спиной у человека «нагружает» матрицу настолько, что ее мощности становится недостаточно для четкого восприятия других элементов. Пиксели не успевают накопить достаточный заряд, поэтому в лучшем случае фото объекта получается менее освещенным, чем на самом деле.
Это создает определенные проблемы и в охранном видеонаблюдении: Не всегда получается распознать номер автомобиля, если у последнего включены фары; Яркий свет мешает рассмотреть лицо человека, проникшего на территорию; Сложно рассмотреть мелкие детали (надписи на коробках с товаром).
Расскажем о том, как эта компенсация работает на практике. Всего есть 3 варианта:
Использование диафрагмы, которая бы в случае увеличения потока света сверх некого предела, сужалась. Подобное и происходит в мире живых существ — при недостаточном освещении диафрагма максимально раскрывается, а при чрезмерном — сужается до предела;
Автоматическая регулировка усиления — предварительная обработка изображения, основанная на настройках максимального уровня освещения. Если они превышены на отдельном участке, оно искусственно занижается. На выходе (экране телевизора, мониторе) оператор увидит уже обработанные данные;
Применение затвора, который бы периодически закрывался, отсекая источник света от чувствительной матрицы. Если он был открыт непродолжительное время, то вероятность засвечивания снижается. Обычно применяется комбинированный вариант, в котором сочетаются все перечисленные способы.
Что значит BLC для видеонаблюдения? Это возможность вести его в условиях неблагоприятной освещенности, вызванных природными и другими факторами. В той или иной степени функция используется в большинстве современных камер.
Выбор камер видеонаблюдения
Технологии и условные обозначения: WDR, DNR, BLC, HLC и другие
В других статьях мы обсудили физические параметры матрицы – её размеры, мегапиксели, светочувствительность. Теперь поговорим о процессоре. Он нужен, чтобы на лету обрабатывать изображение: сжимать, исправлять контрастность, гамму, реагировать на блики и свет ламп или фар. С его помощью даже недорогая камера покажет классную картинку. Если его функции настроены неправильно, напротив – может ерунда получиться.
Так случилось с Игорем. Пришел он и говорит: «продайте ваш комплект камер для дома. Барахло с Али мне не нужно, готовый ширпотреб-комплект тоже. Дайте хорошую камеру. Только без монтажа – сам установлю». Без монтажа, так без монтажа – продали. Звонит через два дня: «ах вы [нехорошие люди], что вы мне продали, ничего не видно»! Приезжаем. Правда, ничего не видно – сплошное белое пятно. Оказалось, что AGC не включен, Shuttle не настроен, WDR как надо не работает, и так далее. Подкрутили параметры, видеонаблюдение заработало — клиент доволен.
Если вы тоже подыскиваете камеру, нелишне узнать, как камеры на лету преобразовывают изображение и что при этом меняется в кадре. Мы расскажем о назначении основных алгоритмов.
Цифровые опции камер видеонаблюдения
Shutter (Затвор) настраивает скорость закрытия затвора. Ручная настройка пригодится, чтобы снимать быстрые движения при недостатке света.
Скорость закрытия затвора обозначается долями секунды: 1/1600, 1/500, 1/60 и так далее. Чем дольше затвор открыт, тем больше света попадет на матрицу и кадр получится светлым.
AGC (Automatic Gain Control, автоматическая регулировка усиления, АРУ) регулирует уровень сигнала, усредняя слишком яркие и темные участки кадра. Настройка одного этого параметра позволит добиться приемлемой картинки в офисе с лампами дневного света.
D-WDR (Digital Wide Dynamic Range, программный расширенный динамичный диапазон). Когда в кадр попадает яркий объект – окно или лампа – остальной кадр становится темным. Правильная настройка WDR сглаживает яркость сохранением контрастности. Поэтому окно перестанет быть белым пятном, а люди в кадре – черным.
Аппаратный WDR работает иначе: делает два кадра – с высокой и низкой экспозицией, а затем накладывает их друг на друга. Обозначение D-WDR указывает на программную обработку, но некоторые производители сбивают с толка, называя его просто WDR.
BLC (Backlight Compensation, компенсация задней засветки). Эта функция борется с прямыми источниками света – солнцем или лампой, направленной в объектив. Когда камера решает использовать BLC, она повышает уровень экспозиции картинки. Минус BLC в том, что яркие объекты становятся ещё ярче, поэтому то, если за объектом наблюдения яркая область, она потеряет контрастность. Для борьбы с этим, BLC используется совместно с WDR. Также для BLC можно настроить рабочие зоны.
HLC (High Light Compensation, компенсация яркой засветки) работает подобно BLC. Спасает камеру от слепоты в момент включения лампы или включённых фар. Вместо того, что резко изменить экспозицию, камера решает, затемнить, игнорировать источник света – будто накладывает на него трафарет.
DNR, 3D-DNR (3 Dimension Signal Noise Reduction) – шумоподавление. Классическая DNR сопоставляет соседние пиксели и решает, и отсеивает то, что посчитает шумом. 3D DNR – усовершенствованная технология она несколько раз сравнивает ряд кадров и на основании этого решает, что считать шумом. Добавочная польза шумоподавления – она уменьшает размер каждого кадра. В результате архив занимает на 30-60% меньше места.
White balance (баланс белого) особенно актуален для внутренних камер, чтобы убрать паразитные оттенки: желтизну или синеву. В простых случаях автоматическая регулировка справляется с задачей. В сложных – интенсивность каждого оттенка регулируется вручную.
Советы покупателям
Вернемся к Игорю. Он убедился, что технологии из списка должны работать, а не красоваться на рекламном буклете. Экстрабюджетные камеры из Китая или готовые комплекты в магазинах могут продаваться с сырой прошивкой и без надежд на её доработку. Часть функций, AGC или WDR, в них присутствует номинально. Сюрприз в том, что они не настраиваются и реализованы для галочки.
Это иллюстрирует случай на подземной парковке. В камере не было ручной регулировки перехода в режим с ИК-подсветкой. При плохом освещении камера сохраняла цвет, а изображение становилось шумным и прерывистым – отчасти из-за нехватки света, а отчасти оттого, что процессор не справляется с удалением шумов в реальном времени. Защищать от угона видеонаблюдение не могло.
В другой ситуации заказчик сам купил дешевые китайские камеры, хотя и на 5Mpx, а у нас приобрел видеорегистратор и монтаж. Регистратор так и не смог их увидеть. Мы снизили разрешение до 2Mpx – о чудо, всё заработало. Но заказчику-то было нужно 5Mpx! Разбирались долго. Оказалось, что камеры работают на строго заданном канале. В норме канал можно поменять, но у прошивки камеры просто не было для этого опции равно как и другой, нормальной прошивки. В результате, камеры пришлось заменить.
Избежать этого очень просто – доверяйте, если не монтаж, то хотя бы подбор оборудования, особенно камер людям с большим опытом. Что дает нам наш опыт? Мы тестируем много оборудования и сталкиваемся со множеством ситуаций, вроде описанных выше. Поэтому можем подобрать комплектующие правильно. К тому же, делаем это в подарок.
Наши рекомендации при покупке камеры
Настраивайте камеру, чтобы улучшить качество съемки. Лучше поручите это тем, у кого есть опыт.
Что такое 2D и 3D динамическое шумоподавление (DNR)?
Динамическое шумоподавление вызвано усилением усиления при обработке камеры безопасности. Искажение сигнала, или «шум», является неизбежным побочным продуктом усилителей при цифровой обработке для камер. Даже при работе на оптимальном уровне цифровые усилители, используемые в аудио- или видеоприложениях, создают некоторый шум. Это происходит как в аналоговых камерах видеонаблюдения, так и в цифровых SDI-камерах / IP-камерах безопасности, поскольку все они используют программное обеспечение для усиления сигнала в оборудовании цифрового сигнального процессора.
Видео «шум» может принимать форму «статического», тумана, спеклов (снега), дымки, нечеткости, прозрачных цветовых блоков и других визуальных артефактов, которые делают изображения с вашей камеры безопасности менее прозрачными. Поэтому снижение шума является важным аспектом дизайна и выбора камеры наблюдения. Это становится еще более важным по мере развития технологии отображения и дает людям возможность просматривать изображения с более высоким разрешением, такие как UHD (4K) и 8K CCTV.
На протяжении многих лет с помощью аппаратного и программного обеспечения использовались различные методы для очистки видео, генерируемого видеодатчиками CMOS и CCD. Одна из самых простых форм шумоподавления сравнивает один кадр с другим и удаляет любые странности, которые не появляются в каждом кадре. Сложные алгоритмы точно определяют, что такое «странность», которую нужно удалить. Это пример «временного шумоподавления».
2D-DNR лучше всего работает для очистки переднего плана изображения. Это можно заметить, например, когда вы смотрите на кадры с камеры наблюдения уличного фонаря ночью. Область, ближайшая к камере видеонаблюдения, будет прозрачной, а области, расположенные дальше, будут «солеными и пряными». Движущиеся объекты также могут быть проблемой в строго 2D-системе DNR, они могут выглядеть размытыми или оставлять следы затухания. Движение может «запутать» систему 2D-DNR. 3D-DNR был разработан, чтобы снять это ограничение.
3D-DNR добавляет «пространственное шумоподавление» к методам 2D-DNR. Этот тип шумоподавления сравнивает пиксели в том же кадре, а также между кадрами. Он устраняет зернистость
изображения при слабом освещении, обрабатывает движущиеся объекты, не оставляя следов, и делает изображения более четкими и четкими. Вся обработка усиления может также добавить некоторые уровни размытия при движении и задержки затвора, поэтому усиление всегда следует использовать с осторожностью.
Даже если качество изображения не является основной целью, есть еще одна причина, по которой стоит выбрать камеру с хорошим шумоподавлением. Если охранный видеорегистратор записывает видео с вашей камеры наблюдения, то он также записывает шум. Шум, когда он достигает вашего DVR, вызывает две проблемы, о которых вы хотите знать.
Во-первых, видео шум увеличивает размер файла, так как DVR записывает изображение плюс шум. Преимущественно чёрное изображение в ночное время, которое обычно создает небольшие компактные файлы, будет работать намного больше в зависимости от переменного шума. Кодеки сжатия, такие как h.265 и h.264, будут вынуждены сохранять все пятна соли и перца, помутнение и шаблоны смещения, возникающие из-за шума при значительно больших размерах файлов. Со временем размер файла увеличивается, и все жесткие диски имеют ограниченное пространство для хранения. Это проблема, которую можно предотвратить с помощью хорошего WDR.
Во-вторых, видео-шум может вызвать обнаружение движения, если видеорегистратор настроен на его использование. Это может вызвать ложные тревоги, раздражающие электронные письма от автоматизированной системы уведомлений и создать жалобы на потребление памяти.
Непрерывный баланс усиления с помощью регуляторов усиления сигнала и цифровых фильтров, таких как WDR, является важной частью этапов программирования. Программы контроля качества, такие как «MACROSCOP», гарантируют, что ваши пользователи будут пользоваться лучшими доступными настройками.
Обязательно предоставьте своим клиентам камеры самого высокого качества, прежде чем у них возникнут эти проблемы. Получение плохого видеоизображения часто достаточно, чтобы люди захотели купить высококачественную камеру. Если это не так, то платите больше места на жестких дисках или хотите приобрести высококачественную систему обнаружения движения, которая позволяет избежать ложных срабатываний, часто передумывает.
Системы видеонаблюдения
Основные термины видеонаблюдения
Данная статья создана для того, чтобы разобраться с основной терминологией в системах видеонаблюдения. В описаниях товаров камер видеонаблюдения, регистраторов Вы часто видите непонятные для вас названия и цифробуквенные обозначения. В данной статье приводится описание этих обозначений и терминов, чтобы разобраться что к чему и как это работает.
Стандарты видеонаблюдения:
Функции и технологии камер видеонаблюдения:
AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления. При включенном режиме AGC, камера автоматически усиливает видеосигнал при уменьшении освещенности. Технология позволяет получить качественную картинку на мониторе при малой освещенности объекта. Как правило, диапазон регулировки усиления ограничивается диапазоном 12-20 дБ (т.е. 4-10 раз), так как большее увеличение усиления видеосигнала приводит к высокому зашумлению и ухудшению изображения.
ALC (Automatic Light Control) – это технология автоматической регулировки освещенности. Применяется для оптимальной работы автодиафрагмы на сценах с повышенной контрастностью. Управляемый процессор ALC принудительно раскрывает отверстия диафрагмы с целью выделения темного объекта даже при очень высокой общей освещенности. Данный метод возникает за счет «затемнения в белом» наиболее освещенных участков. Настройка происходит при максимально контрастной сцене.
D-WDR (Digital Wide Dynamic Range) — расширенный динамический диапазон с цифровой обработкой сигнала позволет получить качественное изображение одновременно ярких и темных участков кадра. Количество градаций серого (полутонов), которые может передать видеокамера составляет лишь часть полного спектра от чисто белого до чисто черного цвета. И если в кадре одновременно присутствуют и яркие и темные участки (например яркое небо в солнечный день и объект в тени), то видеокамера вынуждена рассчитывать экспозицию, пытаясь охватить максимум градаций яркости. В результате яркие объекты оказываютя темнее (ближе к серому) и темные – светлее (тоже ближе к серому). Таким образом, теряется контрастность изображения. Технология расширения динамического диапазона как раз и позволяет передать все градации серого во всех участках кадра с максимальной достоверностью, сохранив контрастность, но при этом происходит потеря детализации. А вот для сохранения детализации (четкости) и применяется цифровая обработка этот процесс и представляет технологию D-WDR.
3DNR+2DNR – одновременное использование двух функций (камеры позволяют задавать необходимую степень обработки отдельно для каждой функции) позволяет сделать изображение более качественным и существенно снизить уровень шумов.
IR-cut (Infraredcut) – инфракрасный фильтр. Не дает возможности лишнему инфракрасному изображению, которое не видит человеческий глаз попадать на матрицу, что позволяет получить четкое неискаженное изображение, избежать засветок, вызываемых инфракрасным излучением. В условиях плохой освещенности ИК фильтр отключается, чувствительность камеры увеличивается, матрица регистрирует весть излучаемый спектр. Для того чтобы человеческий глаз видел изображение неискаженным, при отключенном IR-фильтре применяется черно-белое изображение.
ICR, «День-ночь» (Infrared Cut filter mechanically Removable) — механически сдвигаемый ИК-фильтр, расположенный перед матрицей видеокамеры. Часто его называют функцией «день-ночь». В ночное время инфракрасное излучение используется видеокамерой для достижения детального изображения в темноте или в условиях низкой освещенности. В дневное время, ИК-фильтр с помощью механического привода сдвигается, закрывая светочувствительную матрицу видеокамеры, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов, вызванных инфракрасным излучением.
Sens-UP (или DSS — Digital Slow Shutter) — функция обработки видеосигнала, позволяющая пользователю выбрать скорость срабатывания электронного затвора видеокамеры. При этом, увеливается время накопления заряда на матрице (время экспозиции), что приводит к повышению чувствительности видеокамеры в условиях недостаточного освещения. Отрицательной стороной технологии является увеличение степени размытия картинки пропорционально увеличению времени экспозиции.
