بازه دینامیک بالا : کیفیت بالا در شرایط سخت نوری

بازه دینامیک بالا یا  WDR (Wide Dynamic Range) در دوربین مدار بسته برای ضبط تصاویری با کیفیت بالا در شرایط سخت نوری، بسیار مهم و حیاتی است. با این حال، بدون وجود استانداردهای واقعی، هر تولید کننده ای می تواند مدعی داشتن WDR باشد. چه بسا بسیاری از آن ها این کار را می کنند، حتی اگر عملکرد واقعی ضعیف باشد، که این ادعاها باعث ایجاد سر در گمی، حتی برای کاربران با تجربه، شده است. در این نوشته مسائل مربوط به بازه دینامیک بالا یا  WDR را به تفکیک بررسی می کنیم و موضوعات زیر را توضیح می دهیم.

سرفصل های مرتبط با مباحث بازه دینامیک بالا یا WDR

• وضعیت بازه دینامیک بالا یا WDR در سال های اخیر.
• WDR چیست؟
• تفسیر مشخصات WDR.
• چگونه WDR را اندازه گیری کنید؟
• چالش های دوربین WDR .
• پیاده سازی های WDR واقعی.
• نگرانی ها درباره ی WDR جعلی.
• ابهام درباره ی واژه شناسی تولید کنندگان.

وضعیت WDR در سال های اخیر

وضعیت بازه دینامیک بالا در سال های اخیر به این ترتیب بوده که روندهای سال های آغازین استفاده از این فن  همچنان ادامه یافته است. این روند را می توان طی مراحل زیر توصیف نمود.

WDR یا بازه دینامیک بالا واقعی ارزان شده است

روزگاری بازه دینامیک بالا یا همان  WDR واقعی یک ویژگی برتر به شمار می آمد. اما اکنون حتی مدل های ارزان هم عملکرد قابل مقایسه با مدل های رده بالا دارند و با مقایسه بین دوربین مداربسته ارزان نظیر مدل های ۴ مگاپیکسلی هایک ویژن (Hikvision) و داهوا (Dahua) یا سری جدید M30 اکسیس (همگی با قیمت کمتر از ۲۰۰ دلار) با مدل های معمولی WDR که در گذشته که بیش از ۵۰۰ دلار قیمت داشتند، می بینیم که قیمت ها به صورت قابل توجهی کاهش یافته است.

WDR آنالوگ HD

علاوه بر این، هم اکنون می توان بازه دینامیک بالا یا WDR را بر روی بسیاری از مدل های آنالوگ HD نیز پیدا کرد. این در حالی است که پیش از این کسانی که به عملکرد بهتر WDR نیاز داشتند، باید به سراغ استفاده از دوربین تحت شبکه می رفتند. این امر هزینه ی استفاده از WDR را باز هم پایین می آورد. زیرا برخی از این مدل ها را می توان با قیمت هایی کمتر از ۱۰۰ دلار نیز خریداری کرد.

هر چند که WDR را به سختی می توان یک ویژگی عمومی نامید و عملکرد آن هنوز هم به میزان گسترده ای متغیر است، اما انتظار داریم با تداوم بهبود سنسور دوربین های مداربسته و SoC ها، این تحول به سمت کاهش هزینه ی WDR همچنان ادامه پیدا کند.

WDR چیست؟

WDR مخفف عبارت Wide Dynamic Range (بازه دینامیک بالا) است و اساسا به معنای توانایی تولید تصویر با کیفیت بالا در طیف وسیعی از سطوح روشنایی است. برای مثال، در تصویری که می بینید، مرکز صحنه به خاطر تابش نور خورشید در پشت شخص وارد شونده بسیار روشن است. این در حالی است که دو طرف راهرو تاریک شده اند و دیوار پشتی (روبروی دوربین) تاریک تر است. زیرا در این حالت هیچ نور مستقیمی را دریافت نمی کند. در این جا چگونگی اندازه گیری این سطوح نور را به دقت مورد بررسی خواهیم داد.

ویژگی WDR می تواند تفاوت های زیادی را در صحنه هایی که سطوح نور کاملا متفاوتی دارند، رقم بزند. در این جا مثالی از یک فرد در حال حرکت درون یک راهرو داریم. دوربین مداربسته بدون WDR تنها جزئیات کلی را نشان می دهد. اما با آن نمی توان چهره را تشخیص داد. این در حالی است که دوربین با WDR واقعی به وضوح چهره ی سوژه، حالت مو، و … را به ما نشان می دهد.

چالش های دوربین با بازه دینامیک بالا

دوربین های مداربسته معمولی، به دلیل وابستگی به نوردهی منفرد، به طور معمول در صحنه هایی که طیف وسیعی از سطوح روشنایی وجود دارد، مشکل پیدا می کنند. دوربین ها برای خلق تصویر به نور نیاز دارند. با این حال، نور بیش از حد باعث شسته شدن تصویر می شود. همان گونه که اگر نور خیلی کم باشد تصویر بسیار تاریک می شود. اگر صحنه ای با روشنایی یکنواخت داشته باشید، هیچ مشکلی وجود ندارد. در این حالت، دوربین مداربسته به سادگی اندازه باز شدن و سرعت شاتر خود را برای دریافت نور مناسب تنظیم می کند. به همین دلیل است که تولید کنندگان معمولا دوربین های خود را در صحنه هایی با نور پردازی یکنواخت برای تبلیغ آن قرار می دهند.

با وجود این، اگر صحنه ای دارای یک طیف گسترده از سطوح روشنایی باشد، دوربین مداربسته یک چالش جدی پیش رو خواهد داشت. اگر برای ثبت بهینه مناطق روشن تر مقدار نور دریافتی را محدود کند، مناطق کم نورتر بیش از اندازه تاریک خواهند بود. از سوی دیگر، اگر برای ثبت بهینه بخش های تاریک تر رویکرد معکوس را انتخاب کند، بخش روشن شسته می شود. تصویر زیر این موازنه ی دشوار را نشان می دهد. بنابراین، برای غلبه بر این مشکل باید کاری انجام داد.

اندازه گیری WDR

دانستن اینکه وسعت سطوح روشنایی موجود در یک صحنه چقدر است اهمیت زیادی دارد. واحد مورد قبول برای اندازه گیری این پارامتر در نظارت ویدئویی دسی‌بل است (برای مثال، ۵۸ دسی‌بل ، ۱۱۳ دسی‌بل ، و غیره). سطوح بالاتر دسی‌بل به معنی عملکرد قوی تر بازه دینامیک بالا یا WDR  است. متأسفانه این اندازه گیری ها استاندارد سازی نشده اند و تعیین آن در اختیار خود تولید کنندگان است. بنابراین، نباید چندان به آن ها اعتماد کرد. تأسف بار تر این که تولید کنندگان ممکن است درجات متفاوت بازه دینامیک بالا یا WDR  را ارائه دهند که این امر باعث بغرنج تر شدن وضعیت می شود.

در حالی که خود اندازه گیری های دسی‌بل به نسبت مرموز و مبهم هستند یعنی به صورت فیزیکی معنی آن ها قابل درک نیست. اما این اندازه گیری ها مبتنی بر یک سناریوی آزمایش خاص هستند. برای این کار، از یک نمودار سیاه و سفید با سایه های متعدد، از سفید تا سیاه، استفاده می شود. هر چه سطوحی که یک دوربین می تواند نمایش دهد یا ضبط کند، بیشتر باشد، رتبه ی دسی‌بل آن بالاتر می رود و عملکرد بازه دینامیک بالا یا WDR  آن باید بهتر باشد. در این جا یک تصویر نمونه از ابزار اندازه گیری WDR متعلق به Pixim را مشاهده می کنید. متأسفانه این آزمایش به صحنه های عالم واقع قابل تعمیم نیست و تضمینی وجود ندارد که این روش را تولید کنندگان برای اندازه گیری WDR مورد استفاده قرار دهند.

تفسیر مشخصات WDR

هرگز نباید به مشخصات دسی بل تعیین شده توسط تولید کننده اعتماد کنید. زیرا این مشخصات توسط خود تولید کننده تخصیص داده می شوند و اعتبار آن ها مستقلا سنجیده نمی شود. با این حال، باز هم الگوهایی وجود دارد که باید در نظر بگیرید. این الگو به شرح زیر هستند.

WDR ۷۰ دسی‌بل یا کمتر

رتبه بندی بازه دینامیک بالا یا WDR  ۷۰ دسی‌بل یا کمتر تقریبا همیشه به این معنی است که دوربین از WDR  واقعی پشتیبانی نمی کند. زیرا تولید کنندگان می دانند رتبه بندی دوربین در این سطح پایین تضمین خواهد کرد که دوربین از نظر مقیاس WDR در سطح پایینی قرار دارد. دوربین های مداربسته معمولی، یعنی دوربین های بدون WDR، در بیشتر مواقع در محدوده ی ۵۵ تا ۷۰ دسی بل رتبه بندی می شوند.

WDR بیش از ۱۰۰ دسی‌بل

امتیاز بازه دینامیک بالا یا WDR  بیش از ۱۰۰ دسی‌بل معمولا -ولی نه همیشه به این معنی است که دوربین از WDR واقعی با نوردهی چندگانه پشتیبانی می کند. باز هم باید گفت که اگر چه تولید کنندگان برای تعیین رتبه ی WDR آزاد هستند، هیچ تضمینی برای صحت رتبه بندی وجود ندارد.

رعایت جانب احتیط از سوی تولید کنندگان

در همین ارتباط، برخی از تولید کنندگان در رتبه بندی بازه دینامیک بالا یا WDR  خود جانب احتیاط را رعایت می کنند. برای مثال، سونی (SONY) بسیاری از دوربین های WDR واقعی خود را تنها با ۹۰ دسی بل ذکر می کند. در حالی که این امر به این معنی نیست که این دوربین ها از محصولات تولید کننده ی دیگری که به دوربین های خود ۱۲۰ دسی بل با ۱۳۰ دسی بل اختصاص داده است، ضعیف تر باشد. برای تأیید چنین امتیاز هایی به آزمایش های واقعی نیاز است.

WDR دسی بل پایین تر

در همین چند سال گذشته، شاهد تولید کنندگانی بوده ایم که با تخصیص رتبه بندی های ۱۳۰ یا حتی ۱۴۰ دسی بل رقابت در این دوربین مداربسته عرصه را شتاب بخشیده اند. با وجود این، در آزمایش ها مشخص شده است که دوربین هایی با مشخصات دسی بل پایین تر (حتی ۹۰ دسی بل) ممکن است در شرایط واقعی حتی کارایی بیشتری نسبت به این مدل ها داشته باشند.

یک رویکرد جایگزین

در آزمایش های انجام شده، روش جایگزینی را برای اندازه گیری میزان بازه دینامیک بالا یا WDR  صحنه در شرایط واقعی ابداع شده است. در این رویکرد جایگزین با استفاده از دستگاه لوکس متر روشن ترین و تاریک ترین نقاط هر صحنه ثبت می شود. نسبت این دو، شاخصی قوی از میزان چالش برانگیز بودن صحنه است. در راهرویی که به سمت فضای بیرون باز می شود، با ورودی کوچک به یک فضای سرپوشیده، بازه دینامیکی معمولا بالا است، که این امر در تصویر نشان داده شده است.

با یک ورودی باز که ۱۳۰۰ لوکس نور دارد و کناره های داخلی در که در حدود ۲۰۰ لوکس نور دارند، نسبت بازه دینامیک بالا یا WDR  در حدود ۶٫۵ برابر است. هرچه نسبت WDR به ۱ نزدیکتر شود، کمتر احتمال می رود که قابلیت  WDR مورد نیاز باشد. علاوه بر این، هر چه این نسبت مقدار کمتری داشته باشد، به قابلیت WDR کم قدرت تری نیاز خواهد بود. و حتی با وجود روش ما نیز باید سطوح روشنایی را اندازه گیری کنید، که این کار می تواند توسط یک نورسنج ۱۰۰ تا ۱۵۰ دلاری انجام شود. به هر صورت، مطمئن شوید که این کار را زمانی انجام می دهید که نور خورشید در شدیدترین حالت باشد. زیرا نسبت WDR در طول روز و با حرکت خورشید تغییر می کند.

رزولوشن و WDR

به طور کلی، با برابر بودن سایر عوامل، رزولوشن بالاتر باعث بهبود عملکرد بازه دینامیک بالا یاWDR  می شود. البته این بهترین با پیچیده ترین رویکرد نیست. با این حال، افزایش تعداد پیکسل ها کمک می کند تا جزئیات دقیق تری حتی در مناطق تاریک تر یا روشن تر  ثبت شود. یک نمونه آزمایشی های در زیر نشانگر این شواهد است. حتی اگر از WDR واقعی استفاده کنید، باز هم ضعیف ترین عملکرد مربوط به دوربین SD است. کیفیت دوربین ۵ مگاپیکسلی بدون WDR به سادگی از SD فراتر می رود، زیرا این دوربین جزئیات بیشتری را ثبت و ضبط می کند. در نهایت هم دوربین اچ دی با WDR بهترین عملکرد را دارد.

توجه داشته باشید که بازه دینامیک بالا یاWDR  با نور دهی چندگانه عموما برای صحنه های دارای بازی دینامیک بسیار بالا ترجیح داده می شود. زیرا افزایش رزولوشن را نمی توان به سادگی با WDR امروزی مقایسه کرد. با وجود این، با برابر بودن همه ی شرایط، دوربینم مداربسته بدون WDR با رزولوشن بالاتر عملکرد بهتری از مدل دارای رزولوشن پایین تر خواهد داشت.

پیاده سازی های بازه دینامیک بالا یاWDR واقعی در برابر جعلی

از آنجایی که چالش اصلی در صحنه های بازه دینامیک بالا یاWDR  اعمال تنظیمات مناسب نور دهی برای ضبط تصویر در مناطق تاریک و روشن است، رایج ترین راه حل استفاده از نور دهی چندگانه و سپس ترکیب آن ها برای خلق تصویری با کیفیت بهتر است. نور دهی کوتاه مدت مناطق روشن تر و نوردهی طولانی تر مناطق تاریک تصویر را ضبط می کند. به توصویر زیر توجه کنید.

در این آزمایش، این نور دهی چندگانه نقطه ی قوت اصلی دوربین های بازه دینامیک بالا یاWDR  با عملکرد بالا است. در حالی که با استفاده از دوربین های WDR با نور دهی چندگانه را توصیه می شود. اما باید بدانید که این کافی نیست. تعداد نور دهی های مورد استفاده و سایر تکنیک های پردازش تصویر پیاده سازی شده نیز می توانند تفاوت ایجاد کنند. با وجود این، معمولا هیچ کدام از این موارد توسط تولید کنندگان فاش و اعلام نمی شود.

نوردهی چندگانه به عملکرد در نور کم آسیب می زند

ایراد رایج پیاده سازی WDR  با نور دهی چندگانه عملکرد ضعیف تر در شرایط کم نور است. استفاده از نور دهی چندگانه معمولا امکان تنظیم سرعت شاتر را فراهم می آورد. با این حال، زمانی که محیط تاریک است، سرعت آهسته تر شاتر باعث ورود نور بیشتر می شود و یک تصویر روشن تر تولید می کند. هر چند میزان روشنایی تصویر بیش از اندازه خواهد بود و باعث تاری حرکت نامطلوبی خواهد شد.

هنگام استفاده از دوربین های بازه دینامیک بالا یاWDR  ، اطمینان بیابید که WDR در طول شب غیر فعال است تا از حداکثر عملکرد در نور کم بهره مند شوید. برخی دوربین ها این عمل را به صورت خودکار انجام می دهند. از جمله این نمونه ها می توان به دوربین مداربسته ویوتک اشاره نمود که توسط نمایندگی ویوتک توزیع می شود. تنظیمات برخی دیگر به صورت دستی است و تعداد اندکی هم هیچ گزینه ای برای این کار ندارند. در صورتی که اولویت کار دوربین در شرایط کم نور باشد، این ویژگی به عنصری مهم تبدیل می شود.

روش های WDR جعلی

دو تکنیک شبیه بازه دینامیک بالا یاWDR  دیگر وجود دارد که اغلب از سوی تولید کنندگان به عنوان روش های جایگزین WDR با نور دهی چندگانه ادعا شده اند. با این حال، آزمایش ها نشان داده اند که این تکنیک ها حتی با دوربین های دارای WDR واقعی و عملکرد ضعیف هم قابل مقایسه نیستند.

جبران نور پس زمینه

BLC (Backlight Compensation) یا جبران نور پس زمینه به سادگی نور دهی (تکی) دوربین مداربسته را تنظیم می کند. این کار تنها زمانی مفید است که بخواهید فقط مناطق روشن یا تاریک صحنه را ضبط کنید، نه هر دوی آن ها. با این روش با استفاده از BLC، نور یک قسمت از صحنه را در ازای بدتر شدن نور بخش دیگر بهتر می کنید.

WDR دیجیتال

بازه دینامیک بالا یاWDR  دیجیتال، که با عناوین  EWDR، DWDR  یا WDR الکترونیکی نیز شناخته می شود، به طور کلی تنظیم کنتراست تصویر بر روی چند قسمت از صحنه است. هر چند که ممکن است WDR دیجیتال در برخی صحنه ها بهتر از انجام ندادن هیچ کاری باشد. اما باز هم باید گفت که این روش ها هنوز قابل مقایسه با WDR واقعی نیستند. توجه داشته باشید که بسیاری از تولید کنندگان، WDR دیجیتال را در کنار WDR واقعی ارائه می دهند و کاربران ممکن است به راحتی این دو را با هم اشتباه بگیرند. برای مثال،  Dynamic Capture  اکسیس در مقابل Dynamic Contrast. مراقب کاربرد این واژگان باشید. همچنین، فریب اطلاعات غلط در مورد WDR را نخورید.

تولید مشابه WDR و بدون WDR

هنگامی که تولید کنندگان WDR واقعی را ارائه می دهند، معمولا آن مدل در مقایسه با مدل های بدون بازه دینامیک بالا یاWDR  عملکرد بهتر قابل ملاحظه ای در شرایط نوری سخت ارائه می دهد. از سوی دیگر، در بیشتر مواقع این مدل ها هزینه های چند صد دلاری بیشتری نسبت به مدل های بدون WDR دارند. در این جا اکسیس با WDR و بدون WDR مقایسه شده است.

با P1314 و در این جا هم یک مقایسه در مورد برند سونی است.

تصاویر اکسیس و سونی را با یکدیگر مقایسه نکنید. زیرا این تصاویر از آزمایش های مختلف و در زمان های متفاوت گرفته شده اند و هر دوی این شرکت ها مدل های جدیدتری را به بازار عرضه کرده اند. این تصاویر فقط به عنوان نمونه هایی از تفاوت های مدل های ارائه شده آورده شده است.

مشخصات دروغین WDR دوربین مداربسته

به دلیل اینکه تولید کنندگان ممکن است در مورد پشتیبانی از بازه دینامیک بالا یاWDR  اطلاعاتی مبهم ارائه دهند، در این بخش لیستی از تولید کنندگان ارائه شده است که نشان می دهد کدام تولید کنندگان از WDR واقعی WDR با نور دهی چندگانه استفاده می کنند و کدام ها از WDR جعلی و WDR دیجیتال یا الکترونیکی یا هر دوی آنها پشتیبانی می کنند. همچنین، نکات مربوط به ویژگی های بازاریابی، قراردادهای نام گذاری و … را ارائه می کنیم. تمامی این ۱۵ تولید کننده دارای دوربین هایی هستند که از WDR پشتیبانی می کنند. این در حالی است که حدود نیمی از آن ها دوربین هایی نیز دارند که از WDR دیجیتال پشتیبانی می کند.

در صورت نیاز برای تعمیر دوربین مدار بسته با ما در ارتباط باشید.