CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии - Владо Дамьяновски

Все изложенное выше и в особенности данные об оцифровке яркостного сигнала позволяет нам прийти к очень важному заключению относительно разрешения оцифрованного видео. Сразу отметим, что наш вывод касается только рекомендации ITU-601, а, как уже было сказано выше, большинство цифрового оборудования, которое используется в видеонаблюдении, придерживается этой рекомендации.

При записи на цифровые видеорегистраторы, совместимые с рекомендацией ITU-601, мы не получим никакого преимущества от телекамер с разрешением выше 450 ТВ-линий.

Нечто похожее уже наблюдалось в истории видеонаблюдения, когда использовались телекамеры высокого разрешения (например, 460 ТВ-линий) для записи на видеомагнитофоны VHS, у которых разрешение ограничено было 240 ТВ-линиями из-за фильтра низких частот. Конечно, разница в случае с цифровыми видеорегистраторами не будет такой существенной, так как относительно недавно некоторые производители заявили о выпуске цветных телекамер с разрешением 520 ТВ-линий. На практике это для нас означает, что мы не увидим никакой разницы от телекамеры с 460 ТВ-линиями и 480 ТВ-линиями или даже 520 ТВ-линиями горизонтального разрешения при записи цветного изображения на цифровой видеорегистратор (даже самого лучшего качества), соответствующий рекомендации ITU-601. Следует уделить больше внимания выбору телекамеры с лучшим отношением сигнал/шум, меньшим смазыванием или лучшим динамическим диапазоном, чем ориентироваться на небольшие отличия в горизонтальной разрешающей способности, которые все равно никто не сможет увидеть. Но если система предназначена только для наблюдения с использованием высококачественных видеомониторов, у которых разрешение превышает 500 ТВ-линий, такая небольшая разница в разрешении может оказаться полезной. Впрочем, это потребует подключения раздельного видеосигнала Y/C вместо композитного видеосигнала, что очень редко используется в видеонаблюдении, иначе разница будет практически незаметной.

Конечно, никто не может предсказать, с чем мы столкнемся в будущем, но уже сейчас с уверенностью можно сказать, что рано или поздно в видеонаблюдении появятся телекамеры высокого разрешения и соответствующие им рекомендации по оцифровке. Однако, пока этого не произошло, нам необходимо помнить о всех ограничениях, с которыми нам приходится сталкиваться, и компромиссах, которые заложены в цифровых системах видеонаблюдения.

Все, что было изложено выше, справедливо для горизонтального разрешения, но теперь настало время поговорить о вертикальном разрешении. Для некоторых цифровых систем видеонаблюдения вертикальное разрешение будет не менее важно, чем горизонтальное, особенно в тех случаях, когда необходимо распознать лицо или номерной знак автомобиля на расстоянии.

Рис. 9.11. ITU- 601 рекомендует несколько форматов оцифровки, из которых в видеонаблюдении широко распространен формат 4:2:2.

Рис. 9.12. Если частота дискретизации слишком низка, то видеосигнал будет реконструирован неверно

Рис. 9.13. Слева: ТВ-поле; В центре: Эффект чересстрочной «гребенки»; Справа: Работа алгоритма деинтерлейсинга. Обратите внимание на зубчатые контуры автомобиля на иллюстрации слева, где была использована запись полями, и на качество тех же контуров на иллюстрациях в центре и справа, где использовалась запись кадрами.

В рекомендации ITU-601 выбрано 8-битное квантование, что дает нам 256 уровней квантования(28 = 256). Этот выбор очень практичен с инженерной точки зрения: ни одна электронно-лучевая трубка не в состоянии передать более 250 оттенков серого, поэтому не имеет смысла квантовать видеосигнал большим количеством уровней. Значение 256 выбрано потому, что оно является степенью двойки, а в мире цифровых устройств, как мы знаем, все представлено нулями и единицами (то есть, в двоичной системе счисления).

Имея дело с рекомендацией ITU-601, мы должны быть готовы к появлению новых подводных камней. Как было в случае с частотой дискретизации 13.5 МГц, которая учитывала весь видеосигнал, включая синхроимпульсы, ITU-601 рекомендует использовать 8-битный диапазон уровней квантования для представления всех вертикальных деталей видеосигнала. В данном случае мы можем расценивать время как горизонтальные детали, так как оно имеет дело со строками, которые разворачиваются на мониторе по горизонтали.

Таким образом, ITU-601 предлагает из 256 доступных уровней квантования 8-битного диапазона значения 0 и 255 использовать для синхронизации, а значения от 1 до 254 — для видео. Яркостный уровень черного задается значением 16 (двоичное значение 00010000), а уровню белого присваивается значение 235 (двоичное значение 11101011). Значение 128 зарезервировано для определения цветного или черно-белого видеосигнала.

Рис. 9.14. Сравнение полнокадрового формата с форматом CIF

Как уже было сказано выше, количество пикселов по вертикали в ТВ-кадре PAL будет 576, тогда как для NTSC это будет 480, что соответствует количеству активных строк в этих телевизионных стандартах. Необходимо напомнить читателям, что аналоговые телекамеры в видеонаблюдении генерируют видеосигнал с чересстрочной разверткой (50 полей в секунду или 29.97 полей в секунду). Кадр при чересстрочной развертке состоит из двух телевизионных полей, смещенных во времени относительно друг друга (на 1/50 секунды для PAL и 1/29.97 секунды для NTSC). Поэтому в оцифрованном видеофрагменте с движущимися объектами может проявляться эффект чересстрочной «гребенки» при записи полными кадрами. Это нормальный телевизионный эффект, возникающий как следствие чересстрочной развертки. Это даже не ошибка оцифровки, как иногда считают. При этом возникает ощущение, что движущиеся объекты размываются в направлении движения, и, чем быстрее движется объект, тем сильнее будет заметен этот эффект.

Существуют специальные алгоритмы обработки цифрового изображения, которые позволяют минимизировать или полностью исключить этот эффект. Это называется деинтерлейсингом (de-interlacing). Такая функция присутствует в различных графических редакторах, таких, как Photoshop или Photopaint, но ее имеют и некоторые цифровые видеорегистраторы.

Рис. 9.15. Полный кадр, записанный цифровым видеорегистратором с использованием Wavelet-сжатия

Рис. 9.16. Полный кадр, записанный цифровым видеорегистратором с использованием сжатия MPEG-2

При записи в полнокадровом режиме, в отличие от записи полями, вертикальное разрешение повышается в два раза, что делает края объектов более плавными и позволяет видеть больше деталей (см. примеры на иллюстрациях). Когда запись ведется кадрами, но телевизионные поля записываются и обрабатываются раздельно, то при отображении такого фрагмента на экран выводятся поочередно четные и нечетные поля, что вызывает ощущение «прыгающего» вверх и вниз изображения, так как четные и нечетные поля смещены относительно друг друга по вертикали на одну строку. На самом деле это вполне естественный эффект, обусловленный чересстрочной разверткой, а не ошибка при воспроизведении, как иногда считают. (Такой режим отображения производители зачастую пытаются выдать за собственную уникальную разработку. Будьте внимательны, на российском рынке он фигурирует под разными названиями (режим «казино», ускоренная запись, запись 50 к/с и т. д. Прим. ред.), но никаких особых преимуществ не предоставляет и никакой дополнительной информации, помимо той, что содержалась в видеосигнале, тоже не дает. При желании его можно получить самостоятельно, имея в наличии программу для обработки и редактирования видео.) Отметим, что раздельная запись и обработка четных и нечетных телевизионных полей приводит к значительному увеличению размера архива.

Рис. 9.17. Разница между телевизионным полем (слева) и полным кадром (справа)

Возможно, читатели уже задаются вопросом, как можно нормально отображать оцифрованное видео, записанное полями (720x288 для PAL или 720x240 для NTSC), на экране или при экспорте изображения.

Ответ прост. Это достигается дублированием каждой строки. (Это не всегда так, потому что существует несколько алгоритмов интерполяции недостающих строк. Эти алгоритмы отличаются визуальным качеством и ресурсоемкостью. Впрочем, нужно помнить, что никакая интерполяция не сможет повысить реальную детализацию изображения и дать нам новую информацию. Прим. ред.) Такой способ приводит еще к одному заметному эффекту, который выражается в появлении зубчатых границ на изображении.