کنترل بهره (Gain Control) عاملی نا مشهود در سامانه های نظارتی

کنترل بهره (Gain Control) یکی از عوامل بسیار پر اهمیت در سامانه های نظارتی و دوربین مداربسته به شمار می آید. با این وجود این عامل مهم در بسیاری از موارد توسط کارشناسان امر مورد بی مهری واقع شده و توجهی به آن نمی شود. اصولا کارکرد این عامل در شرایط ضعف نور و در انواع دوربین مداربسته مورد ارزیابی قرار می گیرد. گفتنی است که این شاخص عموما هنگامی مورد توجه واقع می شود که تاثیرات نا مطلوب آن به صورت نویز تصویری نمایان می شوند. مثال زیر یکی از نمونه های شاخص در این حوزه محسوب می شود.

به عبارت دیگر، نویز مشاهده شده در این تصویر یک معضل به حساب می آید و قطعا کاربر از دیدن آن خشنود نخواهد بود. این معضل حتما ذهن کاربران را به خود مشغول خواهد نمود و آن ها در سدد خواهند بود تا بر مشکل نویز تصویر غلبه نمایند. برای آشنایی بیشتر با این عامل آزمایش های متعددی ضمن توجه به تفاوت انواع دوربین مداربسته در صحنه های گوناگون انجام شده تا به جزئیات آن پرداخته شود. در این خصوص با توجه به گوناگونی صحنه ها و تفاوت انواع دوربین مداربسته، پهنای باند مصرف شده نیز مورد ارزیابی قرار گرفته که در زیر توصیف می شود.

• وضعیت سفید و سیاه (Black and white) 0.5 لوکس (شرایط تاریکی)
• وضعیت سفید و سیاه (Black and white)۲۰ لوکس (شرایط نور کم)
• وضعیت رنگی (Color) ۴ لوکس (نسبتا تاریک)
• وضعیت رنگی (Color) ۳۰۰ لوکس (شرایط نور روزانه)

فرآیند آزمایش های کنترل بهره

لازم به ذکر است که ارزیابی کنترل بهره یا AGC با بهره گیری از برند هایی چون دوربین مداربسته ویوتک ، دوربین مداربسته مایل سایت و دوربین kdt (دوربین مداربسته kdt) تا کنون انجام شده است. اما در این نوشته موضوع اصلی بحث در مورد ۳ برند دوربین مداربسته بوش (BOSCHS) ، دوربین مداربسته اکسیس (Axis) و دوربین مداربسته اویجیلون (Avigilon) بوده است. پس از انجام این آزمایش ها نتایج به دست آمده منتشر شده و با توجه به نتایج آن به سوالات بنیادی در این رابطه پاسخ داده شده است. این سوالات به شرح زیر هستند.

• تاثیر تنظیمات گوناگون کنترل بهره یا AGC بر وضعیت تصویر به چه نحوی است؟
• آیا کاربرد کنترل بهره یا AGC ضرورت دارد؟
• مناسب ترین تنظیمات برای AGC کدام تنظیمات هستند؟
• آیا جایگزینی برای AGC وجود دارد؟
• توجه تولید کنندگان دوربین مداربسته به AGC به چه ترتیبی است؟
• در وضعیت سفید و سیاه و وضعیت های رنگی AGC به چه نحوی برجسته می شود؟
• پهنای باند دوربین مداربسته چه تاثیری بر ساماندهی های گوناگون AGC دارد؟
• سطح های نور (Light Levels) چه عملکردی در پهنای باند مصرفی می توانند داشته باشند؟
• وضعیت های استریم ویدئویی چون VBR و CBR چه عملکردی در کارکرد AGC دارند؟
• تقلیل نویز دیجیتال (Digital Noise Reduction) چه برآیندی در بر خواهد داشت؟

اهمیت کارکرد AGC در ویدئو های شبانه

می توان به به سادگی اظهار داشت که در تمامی تصاویر دوربین های مداربسته که در شب تهیه می شوند، بدون کنترل بهره یا AGC تصویر بسیار تیره و غیر قابل استفاده خواهد بود. این در شرایطی است که عموما AGC مورد توجه تکنسین ها و کارشناسان واقع نمی شود. آن گونه که از نام آن بر می آید Automatic Gain Control به معنای کنترل خودکار بهره است. با این وجود در برخی موارد مشاهده می شود که فعال کردن گزینه موجب افزایش نویز نیز شده است. اما توجه داشته باشید که خاموش کردن آن به مراتب موجب وخیم تر شدن شرایط خواهد شد.

با توجه محدودیت های نور موجود در صحنه های فیلم برداری دوربین های مداربسته، در این دوربین ها بر خلاف دوربین های تصویر برداری تجاری از میزان AGC زیادی استفاده می شود. بدین ترتیب اگر قصد داشته باشیم تا نویز تصویر و تاثیرات پهنای باند را با AGC کاهش دهیم، می توانیم به شیوه های زیر عمل کنیم:

• ثابت کردن AGC؛
• محدود کردن AGC؛

اغلب کارشناسان در این رابطه معتقدند که استفاده از شیوه اول (ثابت کردنAGC) می تواند خطرناک باشد. اما در مواردی که ثبات نور صحنه تضمین شده باشد، استفاده از این گزینه سودمند خواهد بود. اما در مورد گزینه دوم (محدود کردن AGC) باید اشاره نمود که این گزینه بسیار کاربردی بوده و کاملا توصیه می شود.

تفاوت های کنترل بهره در وضعیت های رنگی و سفید-سیاه

در هر دو وضعیت سیاه – سفید و رنگی دوربین های مداربسته از کنترل بهره یا AGC استفاده کرده و مشخصه های شبیه به هم را ارائه می دهند. این مشخصه ها در نویز های تصویری، خیزش باند و سایر موارد به وضوح مشاهده می شود. اما تفاوت اصلی AGC در شرایط رنگی و سیاه و سفید در مبحث دیگری خلاصه می شود. دوربین های مداربسته در حالت رنگی، AGC را در سطح بالاتری در مقایسه با وضعیت های سیاه و سفید فعال می نمایند. به عنوان مثال اگر در وضعیت رنگی AGC تقریبا ۵۰ لوکس باشد، در وضعیت سفید و سیاه تقریبا ۲۰ لوکس خواهد بود.

حالت های کنترل بهره یا AGC

عموما کنترل بهره یا AGC از طریق دو حالت میسر می شود. اولی را می توان تحت عنوان “وضعیت سطحی” مورد کنترل قرار داد. مثال مربوط به وضعیت سطحی را با توجه به ریز دانه های قابل مشاهده در صحنه و به صورت های زیاد، میانه و کم می توان بیان نمود. کنترل بهره در حالت دوم عموما با واحد لگاریتمی دسی بل مطرح می شود. در چنین وضعتی کنترل مناسب بهره از محدوده ای بین ۰ (صفر) دسی بل تا چهل و پنج دسی بل نوسان خواهد داشت. در این حالت صفر دسی بل معادل با وضعیت خاموش و ۴۵ دسی بل معادل با شرایط خیلی فعال تعبیر می شود.

روش های های مرسوم AGC

روش های مرسوم کنترل بهره یا AGC عموما به صورت خودکار، ثابت و با محدودیت هستند که در ادامه با شرح مختصری توضیح داده می شوند.

کنترل AGC به صورت خودکار

بیشتر دوربین های مداربسته به صورت خودکار میزان بهره را تعیین می کنند. بدین ترتیب کاربر در اعمال تنظیمات مرتبط هیچ نقشی نخواهد داشت.

کنترل به شکل ثابت

در این روش کاربر قادر است تا میزان AGC را بر روی سطح مشخصی قفل نماید. به عنوان مثال کاربر با اعمال تنظیمات مربوطه، بهره را بر روی ۸ دسی بل تنظیم می نماید. اما عموما این روش به دلیل خطراتی که در پی دارد، توصیه نمی شود. در صورتی که کاربر سطح بهره را بر روی سطحی پایین تنظیم نماید و به تبع آن صحنه تاریک شود، کیفیت تصویر به شدت کاهش خواهد یافت. از طرف دیگر در صورتی که بهره بر روی یک سطح بالا ثابت شود، به محض اینکه صحنه با روشنایی بیشتری مواجه شود، نویز های زیادی در تصویر ظاهر شده و موجب بهم ریختگی یا اعوجاج تصویر خواهد شد.

کنترل بهره با استفاده از محدودیت

برخی از دوربین های مداربسته کاربر را قادر می سازند تا بیشترین میزان AGC را که دوربین می تواند ارائه دهد را کسب نمایند. این نوع عملکرد دوربین موجب می شود تا دوربین قادر به اعمال نوسان در AGC باشد. اما این نوسان بدین معنی نیست که کاربر مجاز به بالا بردن غیر منطقی سطح AGC است. این نوع عملکرد برای تقلیل نور و تقلیل نوسان های پهنای باند مفید تلقی می گردد. علی رغم چنین مزایایی باید توجه نمود که این محدودیت موجب می گردد تا تصاویر تهیه شده در مقایسه با بیشترین حد AGC تاریک تر به نظر برسد.

سیاست های مورد توجه تولید کنندگان دوربین مداربسته در زمینه AGC

لازم به ذکر است که در صورتی که دو تولید کننده ی دوربین مداربسته در جدول ویژگی های محصول خود میزان کنترل بهره یا AGC را به شکل مشابه بیان نمایند، این موضوع به مفهوم یکسان بودن محصولات و یا عملکرد مشابه آن ها در وضعیت محدویت های نوری نباید تلقی گردد. بر این اساس در این زمینه توجه به موضوع تفاوت در افزودن AGC و چگونگی پردازش و ارتقا تصویر از جمله اولویت ها محسوب می شود. شاید تا به حال با دوربین مداربسته ای مواجه شده باشید که کارکرد دوربین در شرایط ضعف نوری را با عناوینی چون:

• Stellar LightCapture؛
• Light Finder؛
• Dark Fighter؛

عنوان نموده اند. در تمامی این موارد تولیدکنندگان از AGC برای اتقا کیفیت تصاویر در شرایط محدودیت های نوری بهره می برند. علی رغم این موضوع، مانند عملکرد سنتی AGC، این نوع عملکرد نیز موجب افزایش پهنای باند مصرفی می شود. با این وجود باید یادآور شد این افزایش، وابسته به فنون تقلیل نویز مورد کاربرد دوربین ها است. کارشناسان معتقدند که کارکرد دوربین مداربسته در شرایط محدودیت نور و تاریکی نیازی به تجهیزات مادون قرمز (اینفرارد (IR)) و سنسور های خاص ندارد. چرا که این توان خاص برگرفته از کنترل بهره یا AGC و ابزارهای پردازش و ارتقا تصاویر است.

نمونه هایی از تاثیر کنترل بهره بر کیفیت تصویر

برای درک بهتر این موضوع که چگونه کنترل بهره یا AGC بر روی کیفیت تصاویر موثر است، تصاویر زیر نمایش داده شده است. همان گونه که مشاهده می کنید تصاویر زیر از شرایط نورپردازی همانند ولی از سطح AGC متفاوتی بهره می برند.

در تصاویر فوق نظر عموم بر این است که تصویر اول از کیفیت مطلوب تری نسبت به سایر تصاویر برخوردار است.

به نظر شما کدام یکی از تصاویر فوق بهتر به نظر می رسد؟ این تصویر نسبت به تصویر پیشین پیچیده تر به نظر می رسد. علی تفاوت های کیفی تصاویر، این تصویر با بیشترین میزان AGC نسبتا تاریک به نظر می رسد و دارای نویز های تصویری زیادی است. در اصل تصاویری با میزان AGC کمتر با کیفیتی مطلوب تر به نظر می آیند.

نمونه های مقایسه ای در حالت تصاویر رنگی

مقایسه مشابه نمونه های فوق در مورد تصاویر رنگی نیز صورت گرفته است. آن گونه که از نتایج این آزمایش ها بر می آید تفاوت های فاحش در شرایط رنگی نشانگر نیاز به AGC حتی در سطح های بالا می باشد. باید توجه نمود که ضمن افزایش سطح AGC هزینه های مصرف پهنای باند نیز افزایش می یابد.

سرانجام در رابطه با کنترل بهره یا AGC می توان به کلیاتی در مورد سطح های مختلف نور، تنظیم های AGC در دوربین های مداربسته مختلف اشاره نمود. با یک نگاه اجمالی شخص می تواند اختلاف ها و تفاوت ها را شناسایی نماید.

تقلیل نویز دیجیتال و AGC در دوربین های تحت شبکه

دوربین های مداربسته تحت شبکه امکان دارد که به فناروی تقلیل نویز مجهز باشند. این فناوری در این دوربین ها عموما به تقلیل نویز دیجیتال یا DNR (Digital Noise Reduction) موسوم است. هدف اصلی تقلیل نویز دیجیتال یا DNR کاستن نویز ها به شیوه پردازش سری فریم هاست. به وسیله این فناوری ها دوربین ها موفق به شناسایی و تفکیک نویز از سایر عناصر تصویر می شوند. بدین ترتیب با کاسته شدن از میزان نویز های تصویر، میزان پهنای باند مصرفی نیز کاهش می یابد. علی رغم چنین مزایایی، کاربران سامانه های نظارت تصویری می باید مراقب باشند تا میزان بهره گیری از تقلیل نویز دیجیتال را در سطح های بالا به کار نگیرند. دلیل چنین توصیه این است که سطوح بالای DNR موجب تار شدن سوژه هایی می شود که در حال حرکت هستند.