Rozdzielczość jest i zawsze była wyznacznikiem jakości w telewizji dozorowej. Choć o jakości obrazu decydują także inne wartości, jak dynamika i głębokość bitowa (liczba bitów wykorzystanych do zakodowania informacji o barwie i o odcieniu szarości), to właśnie rozdzielczość jest uznawana przez rynek za wartość zapewniającą lepszą lub gorszą rozróżnialność szczegółów. Dotychczas ciągły rozwój technologiczny w systemach analogowych powodował zwiększanie wartości tego parametru zarówno w kamerach, jak i w wizyjnych systemach zapisu – wszystko po to, aby obraz był zniekształcony w jak najmniejszym stopniu. Gdy osiągnięto granicę możliwości rozwoju technologii analogowej, rozpoczęły się poszukiwania wyższych rozdzielczości w dziedzinach przetwarzania obrazu cyfrowego.
Narodziny kamer megapikselowych (Mpix) w telewizji dozorowej miały zmienić postrzeganie CCTV jako rozwiązania zamkniętego w ujęciu fizycznym i logicznym. Scentralizowana analogowa struktura przetwarzania i wizualizacji obrazu narzucała na ogół konieczność prowadzenia dozoru wizyjnego tylko z jednego punktu. Wszelkie próby decentralizacji skutkowały relatywnie dużym wzrostem kosztów przy jednoczesnym niewielkim stopniu rozproszenia systemu. Dodatkowo każde wydłużenie i przekształcenie toru transmisji sygnału powodowało dalszą degradację rozdzielczości. W ujęciu stricte cyfrowym bezpośrednia digitalizacja obrazu bez zbędnego przejścia w sygnał analogowy gwarantowała lepszy obraz bez niepotrzebnych strat jakości, jakie następują podczas konwersji obrazu w układzie kamera – enkoder. Wykorzystanie sieciowych metod transmisji zapewniało uzyskanie powtarzalnych wyników w dziedzinie rozpoznawalności szczegółów obrazu, niezależnie od lokalizacji pomieszczenia kontrolnego, nawet znacznie oddalonego geograficznie od chronionego obiektu. Brak wyraźnych ograniczeń technologicznych w wytwarzaniu przetworników o większej liczbie elementów światłoczułych powodował, że obraz o bardzo wysokiej rozdzielczości przestał być fikcją. De facto w tym okresie powstała nowa gałąź CCTV, wykorzystująca konstrukcję aparatów fotograficznych dopasowaną do wymagań telewizji dozorowej. Gdy zatem na targach IFSEC w 2006 roku zobaczyłem po raz pierwszy kamerę HD w otoczeniu mocno już wtedy zarysowującej się konkurencji kamer megapikselowych, nie dawałem jej dużych szans na przetrwanie. Właściwie byłem przekonany, że rozwiązania megapikselowe wchłoną takie wynalazki jak kamery o rozdzielczości HD ze względu na ograniczenia, jakie z definicji stawia ta technologia. Trudno jest bowiem porównywać obraz o wymiarach 1920×1080 pikseli z obrazem z kamery o rozdzielczości 8 megapikseli. Z perspektywy pięciu lat już wiem, w jak wielkim byłem błędzie.
Rozwiązania określane jako megapikselowe nie mają zdefiniowanego standardu dotyczącego rozmiarów i proporcji boków obrazu; od początku swojego istnienia stanowią niezależny i zarazem specyficzny kierunek w rozwoju wizyjnych systemów dozorowych, na ogół bez możliwości integracji z istniejącymi systemami CCTV. W niektórych kamerach megapikselowych stosowana jest mało wydajna kompresja JPEG wymagała stosowania dużo większych pojemności dyskowych do archiwizacji materiału niż w systemach analogowych lub SD1 IP. W warunkach niedostatecznego oświetlenia oraz w przypadku scen o dużych zmianach natężenia oświetlenia słabe parametry kamer megapikselowych – w porównaniu z kamerami SD – wzbudzały poważne wątpliwości co do zasadności ich stosowania w systemach zabezpieczeń. Z drugiej strony istniał wymóg korzystania z wyższych rozdzielczości.
Uruchomienie w 2004 roku telewizji programowej nadawanej w technologii HD zainicjowało działania na rzecz jej wykorzystania w systemach zabezpieczeń2. Płynny obraz o poprawnej reprodukcji kolorów, wysokiej dynamice stanowił poważną alternatywę dla kamer megapikselowych, które w zasadzie nie wytwarzały ruchomego obrazu, lecz serię następujących po sobie zdjęć. Standaryzacja formatu HD zapewniała dostosowanie pozostałych technologii zapisu i wizualizacji do parametrów ustanowionych w 2002 roku przez ITU-R (International Telecommunication Union – Radiocommunication Sektor, czyli Międzynarodowy Związek Telekomunikacji – Sektor Radiokomunikacji)3. W efekcie branża zabezpieczeń zainteresowała się rozwiązaniami HD, co stanowiło naturalną ewolucję wizyjnych systemów dozorowych, nie zaś rewolucję w postaci gwałtownego zwiększenia liczby pikseli, błędnie utożsamianego z poprawą jakości obrazu.
Synergia technologii SD i HD
Fot. 1. Porównanie efektu dwóch technologii przetwarzania obrazu. Po lewej obraz przetworzony przez filtr 8-bitowy, po prawej – przez filtr 15-bitowy
Implementacja standardu HD w systemach Boscha była poprzedzona analizą dotychczasowych doświadczeń. Kamery Boscha są od lat kojarzone z wysoką jakością wykonania i wzorową reprodukcją obserwowanej sceny. Ciągle rozwijana technologia XF Dynamic, wykorzystująca 15-bitowe przetwarzanie sygnału, gwarantuje prawidłowe odwzorowanie barw i skali szarości oraz poprawną obserwację miejsc o dużej rozpiętości tonalnej (fot. 1). Rozwiązanie to jest doceniane w trudnych i uciążliwych warunkach oświetleniowych, gdzie w kadrze znajdują się jednocześnie miejsca bardzo jasne i bardzo ciemne. Poprzez wydłużenie czasu naświetlania przetwornika (funkcja SensUp) usprawniany jest dozór w nocy, w słabych warunkach oświetleniowych – bez nadmiernego wzrostu zaszumienia obrazu. Wieloletnie doświadczenia w dziedzinie tworzenia obrazu o wysokiej jakości Bosch powiązał z technologią zapewniającą wysoką rozdzielczość. Synergia takiego powiązania zaowocowała powstaniem rozwiązań Bosch HD, gwarantujących reprodukcję poprawnego obrazu o rozdzielczości 720p oraz 1080p niezależnie od warunków oświetleniowych.
Utrzymanie niezmienionej, wysokiej jakości obrazu dostarczanego przez kamery HD oferowanych przez Boscha jest możliwe dzięki wykorzystaniu kompresji H.264 Main Profile, znacznie obniżającej wielkość wyjściowego strumienia wizyjnego bez widocznego wpływu na jakość obrazu. Standard H.264 stanowi innowację wywodzącą się z popularnych standardów kodowania sygnału wizyjnego MPEG-2 oraz MPEG-4. Każdy detal obrazu jest kompresowany bez żadnego uszczerbku na częstotliwości odświeżania. Jest to o tyle ważne, że przy wykorzystaniu formatu HD 720p60 (60 klatek prezentowanych w ciągu sekundy) każda, nawet chwilowa zwłoka spowodowałaby zauważalne zubożenie jakości prezentowanego obrazu. Bosch, wykorzystując kompresję H.264 MP, zredukował wielkość zapisywanego pliku wizyjnego o ponad 80% w porównaniu z formatem Motion JPEG oraz o około 50% w porównaniu z tradycyjnym standardem MPEG-4 Part 2.
Inteligentne wspomaganie
Wysoka rozdzielczość obrazu zwiększa ilość informacji wymagających przetworzenia. Z jednej strony pozytywne jest to, że dzięki rozwiązaniom HD pole dozoru zostało poszerzone. Z drugiej strony w obecnych systemach analogowego dozoru wizyjnego istnieje problem przeciążenia personelu, które wpływa na efektywność jego pracy. Operatorzy systemów CCTV uważają, że liczba monitorów, jaką są w stanie efektywnie kontrolować, to szesnaście lub mniej. Ponad połowa operatorów twierdzi natomiast, że maksymalna liczba waha się od jednego do czterech4. Dane uzyskane w wyniku przeprowadzonych doświadczeń wskazują, że wraz ze wzrostem liczby nadzorowanych kamer maleje efektywność pracy obserwatorów próbujących wykryć określone cele (dotyczy to monitoringu w centrach miast). Wnioski te idą w parze z wynikami badań Ticknera i Poultona, którzy porównywali efektywność pracy przy zwiększającej się liczbie monitorów. Przy czterech, dziewięciu i szesnastu monitorach pokazujących bardzo ruchliwe obszary miejskie skuteczność działań operatorów przy wykrywaniu postaci wyniosła odpowiednio 93%, 84% i 64%.
Rys. 1. Schemat przedstawiający porównanie scentralizowanych i rozproszonych technologii analizy i zapisu obrazu wizyjnego
Starając się rozwiązać problem przeciążenia personelu, Bosch kilka lat temu wyposażył swoje kamery w funkcję inteligentnej analizy obrazu – IVA (Intelligent Video Analysis). Obecnie dostosował ten algorytm do nowych rozdzielczości, przyczyniając się w ten sposób do skuteczniejszego wykrywania określonych zachowań. Wbudowany w kamery Bosch algorytm IVA jest zdolny nie tylko do detekcji ruchu, ale także do wykrywania określonych obiektów (takich jak porzucony bagaż), kierunku ruchu, a nawet podejrzanych zachowań, np. pozostawania w jednym miejscu przez długi czas. Wszystko analizowane jest w czasie rzeczywistym. Analiza przeprowadzana w kamerach Boscha, w przeciwieństwie do analogicznej analizy przeprowadzanej przez ludzki mózg, działa bez przerwy – kamera nigdy się nie rozprasza, nie nudzi i nie bierze dnia wolnego. Ponadto jest na tyle inteligentna, aby zauważyć modele działań, które niekiedy umykają uwadze nawet najbardziej czujnego operatora, a mogą być interpretowane jako potencjalnie podejrzane.
Są to na przykład: poruszanie się w kierunku odwrotnym do normalnego kierunku ruchu podczas podchodzenia do stanowiska kontroli na lotnisku lub ciągłe powracanie do tego samego miejsca. W takich przypadkach odpowiednia konfiguracja zaawansowanych algorytmów analizy obrazu może powodować wyzwalanie alarmu. Prócz tego dane cyfrowe generowane przez systemy IVA są również zapisywane celem ich późniejszego wykorzystania jako materiału dowodowego. Analiza IVA już teraz redukuje ilość materiału wizyjnego, który musi być przeszukany, ale mimo to proces wyszukiwania jest pracochłonny, jeśli przeprowadza się go ręcznie. Aby ułatwić wyszukiwanie, bardziej zaawansowane algorytmy IVA oferują funkcje zarządzania obrazami. Automatycznie generowane metadane są przesyłane razem z obrazem na nośnik zapisu. Metadane to ciąg znaków składający się zwykle z kilku, słów kluczowych opisujących określone scenariusze zdarzeń, wspomniane modele zachowań oraz informacje na temat obserwowanych obiektów, takie jak proporcje, barwa, inne cechy związane z wyglądem, a ponadto metadane zawierają informacje na temat daty i godziny wystąpienia zdarzenia. Dzięki temu pliki z metadanymi są znacznie mniejsze niż pliki z obrazem. Przeszukanie metadanych za pomocą inteligentnych funkcji (podobnych do tych, które są dostępne w wyszukiwarkach sieciowych) umożliwia znalezienie właściwego obrazu w ciągu kilku sekund, co w przypadku ręcznego wyszukiwania zajęłoby całe dnie, a nawet tygodnie. Wyniki wyszukiwania, ograniczone do określonej liczby trafień, są wyświetlane wraz z przypisanym materiałem wizyjnym, z możliwością dokładnego sprawdzenia pod kątem ich przydatności do dalszych działań.
Cloud computing w CCTV
Analiza obrazu dokonywana przez kamerę umożliwia decentralizację systemu poprzez wykorzystanie mocy obliczeniowej kamer, a nie serwerów z wbudowanym oprogramowaniem analitycznym. Obecnie rozwiązania bazujące na oprogramowaniu przechwytującym strumienie wizyjne są coraz częściej wypierane przez innowacyjne technologie analizy, takie jak IVA. To samo dotyczy systemów zapisu. Innowacje proponowane przez firmę Bosch są związane przede wszystkim z przeniesieniem inicjatora zapisu z punktu centralnego do urządzenia brzegowego (kamery) w myśl trendu zwanego cloud computing. W takim systemie można wyróżnić punkt kamerowy oraz punkt archiwizacji. Nie jest wymagany dodatkowy serwer ani oprogramowanie. System bazujący na takiej technologii wysyła strumień wizyjny z kamery bezpośrednio do pamięci masowej (iSCSI) dostępnej w sieci LAN. Pozwala to na ograniczenie kosztów rejestracji i skrócenie łańcucha urządzeń bezpośrednio zaangażowanych w proces rejestracji. Z klasycznego schematu: kamera IP, serwer, specjalistyczne oprogramowanie i macierz, usunięte zostają serwer i oprogramowanie. Zwiększa to także bezawaryjność całego rozwiązania.
Fot. 2. Sekwencja ukazująca działanie IVA. Na obraz nałożone zostały metadane w formie graficznej. Kolor żółty oznacza działanie analizy, lecz obiekt nie spełnił warunku (przekroczenie linii ogrodzenia). Kolorem czerwonym oznaczony jest obiekt, który spowodował uruchomienie alarmu. Zielona linia ukazuje trajektorię poruszania się obiektu
HD według Boscha
Wykorzystanie przedstawionych technologii, sprawdzonych przez instalatorów i użytkowników, spowodowało, że naturalne stało się zaadaptowanie wyższych rozdzielczości do obecnych rozwiązań, a nie odwrotnie. Korzystając z dotychczasowych doświadczeń, Bosch nie zapomniał o masowym wykorzystaniu rozwiązań SD I przygotował bogatą ofertę nowych produktów HD, w pełni kompatybilnych z wykorzystywanymi obecnie technologiami, dzięki czemu możliwe jest czerpanie korzyści ze wszystkich tych standardów, bez konieczności jakichkolwiek kompromisów.
Jan T. Grusznic
CCTV&Video IP Product Manager
Robert Bosch
Zabezpieczenia 2/2011
Przypisy
1. SD – Standard Definition – określenie, które pojawiło się po wprowadzeniu rozwiązań HD i oznacza obraz o rozdzielczości PAL lub NTSC.
2. 1 stycznia 2004 roku belgijska korporacja Euro1080 uruchomiła kanał HD1, na którym transmitowała koncert noworoczny filharmoników wiedeńskich. Ten dzień przyjęto jako datę oficjalnego wprowadzenia telewizji HD na starym kontynencie.
3. Rekomendacja ITU-R BT.709-5 (04/2002).
4. Mary Lynn Garcia, The design and evaluation of physical protection systems, Butterworth-Heinemann 2001.