کیفیت تصویر دوربین های مداربسته بر اساس پیکسل ها و رزولوشن

نقش پیکسل ها و رزولوشن در کیفیت تصویر دوربین مداربسته یکی از اساسی ترین مباحث در بررسی انواع دوربین مدار بسته تلقی می شود. همه ما معادله « پیکسل = رزولوشن = کیفیت » را شنیده ایم. اما این معادله همیشه هم صحیح نیست. زیرا عوامل دیگری نیز بر روی کیفیت تصویر دوربین تاثیرگذار هستند. نور کم، نور شدید، کیفیت لنز و غیره از جمله این عوامل به شمار می آیند. با وجود این، پیکسل ها می توانند به صورت بالقوه ساختار تعیین کننده ی کیفیت در نظر گرفته شوند. در این بخش توضیح می دهیم که چرا تعداد بالای پیکسل ها را معادل با وضوح بالاتر و بهتر کیفیت تصویر می شناسید.

به تصویر بالا نگاه کنید. در این تصویر به وضوح مشخص است که هر چه نقش پیکسل ها ی اختصاص یافته به تصویر افزایش می یابد، جزئیات کیفیت تصویر دوربین افزایش می یابد. تصاویری که تعداد پیکسل های کمتری دارند( صرف نظر از آن که چه کُدک یا بهترین دوربین مدار بسته آن را ضبط کرده است)، نمی توانند جزئیات را ضبط کنند. زیرا هر پیکسل منطقه بزرگی را پوشش می دهد. منظور از این که پیکسل ها پتانسیل را مشخص می کنند همین است.

نقش پیکسل ها در میزان کیفیت تصویر دوربین های مداربسته

یک دوربین مداربسته ۱ مگا پیکسلی هرگز نمی تواند جزئیات دقیقی از چهره یک انسان در میدان دید گسترده ۱۵ متری را ضبط کند. به سادگی می توان گفت که چنین دوربینی فاقد پتانسیل لازم برای تامین کیفیت تصویر دوربین است. زیرا پیکسل ها در قیاس با اندازه ی کوچک چهره شخص در موقعیت مشابه، منطقه بسیار بزرگ تری را پوش می دهند. به عبارت دیگر نقش پیکسل ها کم رنگ است. با وجود این، یک دوربین ۵ مگا پیکسل یا همان دید ۱۵ متری می تواند جزئیات خوبی از چهره را ضبط کند. چنین دوربینی پتانسیل این کار را دارد. زیرا پیکسل های تصویر به اندازه کافی کوچک هستند. البته این پتانسیل یک حد فرضیه است که در عمل به عوامل بسیار مهم دیگری وابسته است. از جمله این عوامل می توان ب موارد زیر اشاره نمود:

• توانایی تصویر برداری در صحنه هایی که نور کم است (که بیشتر دوربین های بالاتر از ۵ مگا پیکسل در این زمینه کیفیتی پایین تر دارند).
• توانایی پردازش صحنه هایی با بازه دینامیکی بالا و یا WDR .
• کیفیت لنز، دقت فوکوس و برطرف ساختن هر گونه مشکل در ارتباط با عمق میدان.
• به حداقل رسانیدن افت کیفیت بر اثر فشرده سازی.
• زاویه ای که سوژه با دوربین دارد (اگر دوربین خیلی بالا باشد یا زاویه نگاه به شخص سوژه از سوی دوربین مناسب نباشد، تعداد پیکسل های بالا هم کمکی به بهتر شدن تصویر نمی کند).

کیفیت پیکسل ها

در نهایت باید گفت که کیفیت تصویر دوربین به ترکیبی از عوامل مختلف وابسته است. به این ترتیب، هر چند که تعداد و تراکم پیکسل ها را «کیفیت بالقوه» محسوب می کنیم و آن ها جزئیات تصویر را تعیین می کنند، اما عوامل دیگری – که در بیشتر اوقات از آن ها چشم پوشی می شود و محاسبات PPF نیز نادیده گرفته می شوند- دائما و در بسیاری از اوقات به شکلی کلی و چشمگیر بر روی کیفیت واقعی تصویر به دست آمده تاثیر می گذارند.

رزولوشن (وضوح)

درک رزولوشن در مباحث انتخاب و خرید دوربین مداربسته و تجهیزات نظارت تصویری ممکن است به شکل عجیبی دشوار و پیچیده باشد. در حالی که به نظر می رسد واژه ی «رزولوشن» مفهوم سر راستی داشته باشد، کاربرد آن در نظارت تصویری هرگز اینچنین نیست. در این بخش پنج عنصر بسیار مهم در رابطه با نقش رزولوشن در کیفیت تصویر دوربین را توضیح خواهیم داد.

• رزولوشن به طور معمول چه معنایی دارد و محدودیت های آن چیست.
• رزولوشن در نظارت تصویری چه معنایی دارد.
• چگونه رزولوشن سنسور و استریم تصویری می توانند متفاوت باشند.
• چگونه فشرده سازی تأثیر شدیدی بر رزولوشن دارد.
• چه عاملی مقدار رزولوشن را محدود می سازد.

رزولوشن – دیدن جزئیات

در زبان انگلیسی استاندارد و کاربردهای معمول، رزولوشن به معنای توانایی در پرداختن به جزئیات – دیدن و تفکیک آن ها است. برای مثال، آیا می توانید پایین ترین خط را در نمودار بینایی سنجی بخوانید؟ آیا دوربین می تواند چند خط را در کنار هم بر روی مانیتور به طور واضح نمایش دهد؟ و غیره. برای مثال، در آزمایش انجام شده توسط  IPVM، مشخص شده است که چشم انسان دارای عملکردی تقریبا برابر با یک دوربین ۱۰ مگا پیکسلی است.

در طول زمان، در نظارت تصویری نیز از روش نمودار آزمون مشابهی استفاده شده است. رزولوشن دوربین آنالوگ با شمارش تعداد خطوط اندازه گیری می شد؛ دقیقا به این معنی که دوربین چه تعدادی از خطوط کنار هم را در منطقه ای مشخص در مانیتور می تواند نمایش دهد. تعداد خطوط بیشتر نشان دهنده ی رزولوشن بالاتر بود.

آزمایش آشنایی با رزولوشن

در مثال زیر اگر بتوانید خطوط بیشتری را ببینید، به این معنا است که در دنیای واقعی نیز می توانید اطلاعات دقیق تر و بیشتری (برای مثال، مواردی نظیر جزئیات چهره، حروف، پلاک و …) را ببینید.

شما نیز می توانید این کار را به همین صورت انجام دهید. برای مثال، ما چند آزمایش را بر اساس این نمودار انجام دادیم و دریافتیم که دوربین های P720 تقریبأ ۵۰۰ خط، دوربین های P1080 در حدود ۹۰۰ خط و … را نمایش می دهند که در تصویر زیر مشخص شده است:

به هر شکل، تولید کنندگان تقریبا همیشه به جای تعداد خط، از تعداد پیکسل برای بیان رزولوشن استفاده می کنند.

همچنین، شمارش تعداد خطوط همیشه در شرایط نوری کاملا مناسب انجام می شود. این در حالی است که در معرض نور مستقیم خورشید یا در نور کم، قدرت تفکیک یا همان رزولوشن تا حد قابل توجهی کاهش می یابد. نکته ی چالش برانگیز تر اینکه برخی از دوربین ها در این شرایط چالش برانگیز نوری عملکرد ضعیف تری نسبت به سایر دوربین ها دارند.

در حالی که این رویکردها عملکرد را اندازه گیری می کنند، اما این آزمایش ها در ایده آل ترین شرایط انجام می شوند، و اغلب نشانگر شرایط واقعی نیستند.

رزولوشن و تعداد پیکسل ها

امروزه، با پیدایش دوربین مداربسته تحت شبکه تولید کنندگان حتی تلاشی برای ارزیابی کیفیت تصویر دوربین نمی کنند. به جای این کار، رزولوشن با شمارش تعداد پیکسل هایی که سنسور تصویر به صورت فیزیکی دارد، باز تعریف شده است. برای مثال، دوربینی با رزولوشن P1080  معمولا با عنوان دوربینی با رزولوشن ۲ مگاپیکسل (دو میلیون پیکسل) توصیف می شود. زیرا سنسور آن از حدود ۲ میلیون پیکسل بهره برده است (از نظر فنی، دقیقا ۲,۰۷۳,۶۰۰ پیکسل به صورت حاصلضرب ۱۹۲۰ پیکسل افقی در ۱۰۸۰ پیکسل عمودی). تصویر سنسور زیر این مثال را نشان می دهد.

پیکسل ها پتانسیل را تعیین می کنند، نه کیفیت

پیکسل ها برای ضبط جزئیات عاملی لازم به شمار می روند، اما کافی نیستند. از این رو پیکسل ها در کیفیت تصویر دوربین از نقشی منفرد برخوردار نیستند. البته تصویر برداری از یک منطقه یا سوژه ی خاص بدون حداقل تعداد پیکسل ها غیر ممکن است.

محدودیت ها

فرض بر این است که تعداد پیکسل های بیشتر، نظیر تعداد خطوط بالاتر خطوط تصویر، کیفیت تصویر دوربین را بهتر ارائه می کنند. با این حال، این فرضیه از واقعیت فاصله ی زیادی دارد. درست همانند اندازه گیری های کلاسیک رزولوشن، که فقط در شرایط ایده آل نورپردازی انجام می شوند، اندازه گیری تعداد پیکسل ها به تنهایی باعث نادیده گرفتن تأثیر چالش های معمول نوری بر نظارت تصویری در دنیای واقعی می شود. در بیشتر اوقات و نه همیشه، داشتن تعداد پیکسل بالا در شرایطی که نور کم است، می تواند باعث کاهش قدرت تفکیک شود. علاوه بر این، دوربین هایی با تعداد پیکسل کمتر ولی قدرت پردازش تصویر بالاتر می توانند در صحنه های مواجه با نور شدید خورشید با صحنه های WDR تصاویری با کیفیت بالاتر ارائه دهند.

با این همه، تعداد پیکسل ها به سنگ بنای تعیین ویژگی نظارت ویدئویی IP تبدیل شده است. به رغم محدودیت های موجود باید بدانیم هنگامی که یک فرد حرفه ای در حوزه ی نظارت تصویری از رزولوشن سخن می گوید، منظورش «تعداد پیکسل ها» است، نه «توان تفکیک تصاویر». باید گزینه های رزولوشن مختلف موجود را بشناسیم.

رزولوشن های رایج در دوربین های مداربسته

در جدولی که مشاهده می کنید، خلاصه ای از رزولوشن هایی که امروزه در محصولات نظارت ویدئویی رایج تر هستند، ارائه شده است. به این نکته توجه داشته باشید که رزولوشن VGA (به جز در دوربین های حرارتی) دیگر رایج نیست. اما در این جا برای ذکر آنچه که در «تعریف استاندارد» می گنجد، آمده است.

تغییرات ساختاری

در سال های اخیرا در حالی که همچنان رزولوشن های P1080، ۴ مگا پیکسل ، ۴K  و غیره نیز رواج داشتند، برخی نکات قابل توجه در زمینه ی رزولوشن دوربین ها و کیفیت تصویر دوربین نسبت به سال های پیش تر همچنان مشاهده می شد. این نکات به شرح زیر است:

• سر درگمی در دوربین های ۳ و ۵ مگا پیکسل

کاربران رزولوشن های ۳ و ۵ مگاپیکسلی را در طول زمان با نسبت ابعاد ۴:۳ (به ترتیب، ۱۵۳۶ × ۲۰۴۸ و ۱۹۴۴ × ۲۵۶۰) شناخته اند. با وجود این، اکنون دوربین هایی با این رزولوشن ها وجود دارند که از نسبت ابعاد متفاوت ۱۶:۹ استفاده می کنند. به این ترتیب، هرچند که PPF افقی افزایش یافته است، اما ارتفاع منطقه ی تحت پوشش کم شده است و همین امر می تواند باعث شود که برخی مناطقی که تحت پوشش دوربین های ۴ : ۳ بوده اند، از تصویر حذف شوند.

• غیر متداول شدن دوربین های ۱۰ مگاپیکسلی

اگر چه استفاده از دوربین های ۱۰ مگا پیکسلی برای رزولوشن های «بالا» در سال های گذشته رایج بود، اما در عمل استفاده از این نوع تجهیزات چندان از اقبال عمومی برخوردار نبوده است.

• در دسترس قرار گرفتن دوربین های ۶ مگاپیکسل

نهایتأ، دوربین های ۶ مگاپیکسلی اکنون به سادگی قابل دسترسی هستند، چرا که نسل جدید سنسورها از این رزولوشن استفاده می کنند. دوربین های ۶ مگاپیکسلی از نسبت ابعاد غیرمتعارف (برای حوزه ی نظارت تصویری) ۳ : ۲ استفاده می کنند. دوربین های P720، که زمانی به دلیل حاشیه ی سود مطلوب رایج ترین دوربین ها بودند، با کاهش قیمت دوربین های دارای رزولوشن بالاتر و اقدام تولید کنندگان در راستای کاهش تنوع محصولات با این رزولوشن در قیاس با رزولوشن های بالاتر، روند نزولی شدیدی داشته اند.

رزولوشن و هزینه

با برابر بودن سایر امکانات، دوربین های دارای رزولوشن بالاتر و برتری کیفیت تصویر دوربین ، قیمت بالاتری نسبت به دوربین های کم رزولوشن دارند. این در حالی است که روند کاهش قیمت دوربین های ۴K از سال ۲۰۱۷ آغاز شده است. قیمت های بالاتر تا اندازه ای به دلیل هزینه های بالاتر اجزا، نظیر سنسورهای تصویر گران تر، پردازشگرهای مضاعف مورد نیاز، لنزهای با توان تفکیک بالاتر بوده اند.

با وجود این، توجه داشته باشید که این هزینه ی بالاتر همیشه هم عملکرد بالاتر را به همراه ندارد. زیرا ویژگی های پیشرفته ای نظیر عملکرد در شرایط نور فوق العاده کم و WDR واقعی در تمامی دوربین ها پشتیبانی نمی شود. یا در مدل های دارای رزولوشن بالاتر به عنوان عملکرد بالا در نظر گرفته می شوند، یا نیازمند افزایش قابل توجه هزینه هستند. برای مثال، هر چند که بیشتر دوربین های P1080 ارائه دهنده ی گزینه های عملکرد حداکثر دید در شب و WDR قدرتمند هستند، اما این ویژگی ها کمتر در دوربین های با رزولوشن بالاتر مشاهده می شوند.

رزولوشن سنسور در برابر رزولوشن استریم

در حالی که معمولا تولید کنندگان محصولات را بر اساس رزولوشن (یعنی تعداد پیکسل ها) ، کیفیت تصویر دوربین و سنسور مشخص می کنند، اما گاهی اوقات ممکن است رزولوشن استریم تصویری ارسال شده کمتر از این مقدار باشد. این اتفاق در موارد مختلفی رخ می دهد که در زیر به آن ها اشاره می شود:

• محدود شدن قابلیت های دوربین

در برخی موارد، ممکن است تولید کننده دوربین مداربسته از سنسورهایی جهت ارتقا کیفیت تصویر دوربین در یک رزولوشن بالاتر استفاده کنند. اما این سنسورها را به دلیل محدودیت در پردازش رزولوشن کامل، به یک رزولوشن پایین تر تقلیل دهند. برای مثال، ممکن است یک سنسور ۶ مگاپیکسلی را به ۵ مگاپیکسل برسانند تا فریم ریت (Frame Rate) بالاتری در استریم ویدئویی اعمال شود، یا WDR یا سطح بهره استریم ویدئویی افزایش پیدا کند.

• دوربین های پانورامایی

دومین مورد این است که تولید کنندگان در بیشتر اوقات بخش های استفاده نشده ی سنسور را از استریم ویدئویی دوربین های پانوراما حذف می کنند. بنابراین، یک مدل دوربین مداربسته فیش آی ۱۲ مگاپیکسلی ممکن است استریم ویدئویی در حدود ۸ تا ۹ مگاپیکسل ارائه دهد.

• کاهش نرم افزاری

مورد آخر اینکه شخص نصاب ممکن است عمدا یا سهوا کیفیت تصویر دوربین را بر روی یک رزولوشن پایین تر تنظیم کند. برخی اوقات چنین کاری برای صرفه جویی در پهنای باند انجام می شود، اما در بعضی موارد نیز این اتفاق به دلیل یک اشتباه یا عدم اطلاع کافی از تنظیمات صحیح رزولوشن در سیستم مدیریت ویدئویی رخ می دهد. در هر دو حالت، یک رزولوشن اچ دی ممکن است «فاجعه بار» به نظر برسد، در حالی که تنها مشکل موجود این است که تنظیمات برای به حداکثر رساندن رزولوشن استریم ویدئویی به درستی انجام نشده است (برای مثال، یک دوربین ۳ مگا پیکسل بر روی رزولوشن ۴۸۰×۶۴۰ تنظیم شده باشد).

به دلیل مسائل ذکر شده، کاربران باید مطمئن شوند که نه تنها رزولوشن سنسور را بررسی کرده اند، بلکه رزولوشن های استریم ویدئویی مورد پشتیبانی و استفاده شده (که معمولا در پایین صفحه ی اطلاعات درج می شوند) را نیز بررسی کرده باشند.

تأثیر فشرده سازی بر کیفیت تصویر دوربین مداربسته

با توجه به این که در بیشتر مواقع رزولوشن به معنی تعداد پیکسل تلقی می شود، به همین دلیل توجهی به این که چه تعداد پیکسل فشره سازی شده اند، نمی شود. به هر پیکسل مقداری برای نمایش رنگ اختصاص داده می شود که این مقدار معمولا در بازه ی صفر تا ۱۶ میلیون (۲۴ بیتی) است و حجم عظیمی از داده پدید می آورد. برای مثال، یک استریم ویدئویی P1080  با نرخ فریم ۳۰ فریم در ثانیه در حالت غیر فشرده پهنای باند بیش از ۱ گیگابیت در ثانیه را اشغال می کند. با وجود این، تصاویر ویدئویی نظارتی فشرده سازی می شوند و یک استریم ویدئویی P1080، با سرعت ۳۰ فریم در ثانیه ، معمولا پهنای باندی بین ۱ تا ۸ مگابیت در ثانیه خواهد داشت.

تصویر ویدئویی چه مقدار فشرده سازی می شود؟

انتخاب یک سطح فشرده سازی صحیح ممکن است نیاز به مهارت داشته باشد. اما این که چه میزان اتلاف فشرده سازی قابل تحمل خواهد بود، به ترجیح ذهنی ناظران یا جزئیات موجود در صحنه ی ضبط شده بستگی دارد. نکته ی دیگر با همان اندازه اهمیت اینکه افزایش فشرده سازی می تواند منجر به صرفه جویی زیاد در هزینه های:

• هارد درایو (با کاهش فضای تجهیزات ذخیره سازی مورد نیاز برای مدت زمان مشابه)؛
• پیکربندی سرور (با کاهش توان پردازشی مورد نیاز برای ذخیره سازی پهنای باند کمتر)؛
• سوئیچ شبکه (امکان استفاده از سوئیچ های گیگابیتی به جای فیبر ۱۰GbE)؛

شود.

دو دوربین که رزولوشن مشابه یکدیگر دارند (یعنی تعداد پیکسل آن ها برابر است)، تنها به دلیل اینکه سطوح مختلفی از فشرده سازی را انتخاب کرده اند، می توانند به کیفیت تصویر دوربین متفاوتی داشته باشند. برای مثال، به تصویر زیر نگاه کنید.

http://photo20.ir/images/vxg3f6pcsguvvwgo7ii0.jpg

همچنین، توجه به این امر در فشرده سازی اهمیت دارد که تنظیمات پیش فرض تولید کنندگان مختلف برای فشرده سازی استریم ویدئویی به شکل قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است.

زاویه ی دید دوربین

صرف نظر از این که کیفیت تصویر دوربین تا چه حد بالا است، زاویه ی آن باید مناسب باشد تا بتوانیم جزئیات یک سوژه را به شکلی دقیق ببینیم، چرا که دوربین ها نمی توانند پشت دیوارها یا انسان ها را پوشش دهند. برای مثال حتی اگر رزولوشن تصویر سمت چپ ده برابر تصویر سمت راست باشد، باز هم نمی توانیم به اندازه ی تصویر سمت راست جزئیات چهره را به راحتی در آن ببینیم.

این مشکلی است که در بیشتر مواقع در تلاش برای پوشش کامل تصویری فضای پارکینگ با استفاده از دوربینی با رزولوشن فوق العاده بالا رخ می دهد، حتی اگر تعداد پیکسل درست و مناسبی را انتخاب کرده باشید، باز هم در صورتی که خودرو در جهت مخالف با دوربین یا عمود بر آن حرکت کند، شانسی برای بهره گیری از کارکرد دوربین مداربسته پلاک خوان نخواهید داشت (مشابه نمونه دوربین تشخیص چهره در مثال قبل).

رزولوشن بیش از حد نیاز

صنعت نظارت تصویری در طول زمان همواره با کمبود رزولوشن مواجه بوده و تقریبا همیشه رزولوشن از مقدار مورد نیاز نظارت تصویری کمتر بوده است. هر کسی که با عکس های منتشر شده ی مظنونین در رسانه های خبری محلی آشنا است، ممکن است با تصویری اینچنین مواجه شده باشد.

با این همه، اکنون که تعداد پیکسل ها به P1080  و فراتر از آن نیز رسیده است، مشکل دیگری در این حوزه به وجود آمده است. رزولوشن بالای غیر ضروری نسبت به صحنه حتی زمانی که رزولوشن کافی برای ضبط جزئیات چهره و شماره ی پلاک وجود دارد، باز هم بسیاری از کاربران تمایل دارند از تعداد پیکسل بیشتری بهره ببرند. گرچه در چنین شرایطی ممکن است تصویر «بهتری» ارائه شود، اما کیفیت مشهود آن مشابه قبل است. این نکته ی مهمی است که در زمان محاسبه ی PPF  مطمئن شوید که پیکسل های زائد نخواهید داشت.

عوامل مؤثر دیگر بر روی رزولوشن

در نهایت توجه داشته باشید که علاوه بر مسائل مورد بحث، بسیاری از عوامل دیگر در کیفیت تصویر دوربین ، فراتر از تعداد پیکسل ها، بر رزولوشن نظارت تصویری تأثیر می گذارند، از جمله:

• عملکرد در شرایط نور کم؛
• عملکرد WDR ؛
• تنظیمات فشرده سازی؛
• زاویه و شیب دوربین؛
• انتخاب لنز ؛
• فوکوس لنز؛

بنابراین، رزولوشن مشخص شده (یعنی تعداد پیکسل ها) را به عنوان تنها معیار ارزیابی کیفیت قبول نکنید. زیرا این کار به ایجاد مشکلات زیادی ختم خواهد شد. برای دست یافتن به بالاترین کیفیت در کاربرد خودتان، تمامی این عوامل را دریابید و آن ها را درک کنید.