Κάμερες υψηλής ανάλυσης

Στην έρευνα καθώς και σε εξειδικευμένες εφαρμογές γίνεται ευρεία χρήση καμερών υψηλής ανάλυσης.

Τα τελευταία χρόνια άρχισαν να χρησιμοποιούνται και στις εφαρμογές CCTV, παρέχοντας ένα σημαντικό εργαλείο στις αστυνομικές και δικαστικές αρχές.

Όλο και πιο πολλοί τελικοί χρήστες χρησιμοποιούν ή εξετάζουν την τεχνολογία καμερών υψηλής ανάλυσης για εφαρμογές CCTV. Γιατί συμβαίνει αυτό; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι η τιμή. Αυτό πιθανώς να ακούγεται οξύμωρο, γιατί η παρούσα τεχνολογία των συμβατικών καμερών επιτήρησης (με ανάλυση 4 CIF) και αξιόπιστη είναι, ενώ είναι και τέσσερις τάξεις μεγέθους πιο φθηνή από μία κάμερα υψηλής ανάλυσης (MegaPixel Camera). Πώς γίνεται λοιπόν η χρήση μιας κάμερας Megapixel να αποτελεί μια φθηνότερη λύση επιτήρησης;

Πριν απαντήσουμε σε αυτό το εύλογο ερώτημα, ας εξετάσουμε τους κύριους λόγους για τους οποίους ο τελικός χρήστης θα προτιμήσει μία κάμερα Megapixel σε ένα CCTV σύστημα. Αυτή η διερεύνηση είναι και η πιο σημαντική, γιατί σε κάποιες περιπτώσεις οι κάμερες Megapixel μπορεί να μην είναι κατάλληλες για ορισμένες εφαρμογές. Για να γίνει κατανοητό, θα περιοριστούμε στις ακόλουθες τρεις περιοχές εφαρμογών.

• Οπτική Επιτήρηση. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι εφαρμογές εκείνες όπου γίνεται επιτήρηση σε πραγματικό χρόνο και δεν απαιτείται μεγάλη ανάλυση στο καταγεγραμμένο video. Ως παράδειγμα, μπορούμε να αναφέρουμε την περίπτωση όπου θέλουμε να παρακολουθήσουμε ένα δρόμο για να δούμε την κίνηση που επικρατεί, αλλά δεν μας ενδιαφέρει να αναγνωρίζουμε τις πινακίδες ή να παρακολουθήσουμε τη συμπεριφορά ενός πλήθους, αλλά δεν χρειάζεται να αναγνωρίζουμε πρόσωπα. Μπορεί απλά να εντοπίσουμε κάποιον σε μια συγκεκριμένη περιοχή, ώστε να ληφθούν άμεσα τα απαραίτητα μέτρα.
• Δικαστική τεκμηρίωση. Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται οι εφαρμογές όπου μας ενδιαφέρει να παρακολουθήσουμε καταγεγραμμένο video, στο οποίο να φαίνονται καθαρά εικόνες που εμφανίζουν πινακίδες αυτοκινήτων ή πρόσωπα, ώστε να δοθεί η απαραίτητη πληροφορία στις δικαστικές ή αστυνομικές αρχές για ένα συμβάν.
• Υψηλή Ανάλυση. Σε αυτού του είδους τις εφαρμογές, μας ενδιαφέρει να παρακολουθήσουμε μαζί με την αναγνώριση της πινακίδας και το μοντέλο του αυτοκινήτου ή σε μία τράπεζα χρειάζεται να δούμε με καθαρότητα τα πρόσωπα των υπαλλήλων και των πελατών, καθώς και τις κινήσεις των χεριών τους.

Ανάλογα σε ποια από τις παραπάνω κατηγορίες ανήκει η εφαρμογή μας, πρέπει να καθορίσουμε και τις απαιτήσεις ανάλυσης. Στην ευρέως χρησιμοποιούμενη αναλογική τεχνολογία, η ανάλυση της εικόνας ορίζεται σε τηλεοπτικές γραμμές (TVLines). Στην αναπτυσσόμενη τα τελευταία χρόνια ψηφιακή τεχνολογία, η ανάλυση της εικόνας ορίζεται από το συνολικό αριθμό των εικονοστοιχείων (pixels). Π.χ., μια εικόνα με ανάλυση 640×480 pixels, δίνει συνολικά 307.200 pixels ή προσεγγιστικά 0.31 megapixels.
Πολλές φορές η ανάλυση ορίζεται και με τον αριθμό των pixels που καλύπτουν μια ορισμένη επιφάνεια, δηλαδή τα pixels/m. Στις γενικές εφαρμογές οπτικής επιτήρησης χρειαζόμαστε περίπου 66 pixels/m, για εφαρμογές δικαστικής τεκμηρίωσης 132 pixels/m και για υψηλής λεπτομέρειας εφαρμογές τουλάχιστον 264 pixels/m.
Ανάλογα με την εφαρμογή που έχουμε, πρέπει να γνωρίζουμε την επιφάνεια που θέλουμε να καλύψουμε. Ας συνοψίσουμε όλα τα παραπάνω, με ένα παράδειγμα:
Έστω ότι θέλουμε να καλύψουμε έναν υπαίθριο χώρο στάθμευσης αυτοκινήτων, με ανάλυση δικαστικής τεκμηρίωσης, που έχει πλάτος 30m. Για απλότητα των υπολογισμών, θα εξετάσουμε μόνο το πλάτος (οριζόντιο πεδίο θέασης).
Για μια πραγματική ανάλυση πρέπει να συνυπολογιστεί και το βάθος. Έτσι, σύμφωνα με τα παραπάνω, απαιτούνται για κάλυψη της συγκεκριμένης περιοχής

για να εμφανίζονται με λεπτομέρεια πινακίδες αυτοκινήτων και πρόσωπα.
Το επόμενο βήμα είναι να ορίσουμε την ανάλυση των καμερών που χρειαζόμαστε. Αυτό θα το ορίσουμε, αν διαιρέσουμε τον αριθμό των pixels που απαιτούνται για να καλύψουμε την περιοχή (3962 pixels) με τον αριθμό των οριζόντιων pixels που προσφέρονται από την κάμερα.
Αν χρησιμοποιηθεί κάμερα με ανάλυση 320×240 pixels (0.07Μpixels-CIF ανάλυση) το αποτέλεσμα είναι 12.4, δηλαδή χρειάζονται 13 κάμερες. Με χρήση κάμερας με ανάλυση 640×480 pixels (0.31Μpixels-4CIF ανάλυση) το αποτέλεσμα είναι 6.2, δηλαδή χρειάζονται 7 κάμερες για την κάλυψη της περιοχής. Αν χρησιμοποιηθεί κάμερα ανάλυσης 1.3 Μpixels (1280×1024 pixels) απαιτούνται 4 κάμερες για την κάλυψη της ίδιας περιοχής, ενώ με χρήση κάμερας με ανάλυση 3 Mpixels χρειάζονται μόνο 2 κάμερες.

Στον ακόλουθο πίνακα δίνονται κάποιες ενδεικτικές τιμές που ισχύουν στις Η.Π.Α.

Τα παραπάνω βασίζονται σε ένα απλοϊκό μοντέλο. Εντούτοις, αναδεικνύουν το γεγονός ότι το κόστος είναι μικρότερο αν έχουμε να καλύψουμε μια ευρεία περιοχή.
Στο σημείο αυτό ας διερευνήσουμε τι γίνεται όταν οι ανάγκες της εφαρμογής μας απαιτούν τη χρήση μιας κινητής κάμερας (Ρ/Τ/Ζ κάμερα). Αν ακολουθήσουμε τη συμβατική μέθοδο, θα γίνει χρήση μιας κάμερας με φακό zoom και με μηχανισμούς περιστροφής και κλίσης. Σήμερα και εφόσον οι απαιτήσεις του φακού δεν είναι ιδιαίτερες, όλα αυτά τα χαρακτηριστικά ενσωματώνονται και τοποθετούνται σε ένα περίβλημα θόλου (dome κάμερες). Η τιμή της μεγέθυνσης που επιτυγχάνει ο φακός (π.χ. 25x) εξαρτάται από το λόγο της εστιακής απόστασης, όταν ο φακός βρίσκεται σε κατάσταση Τele, προς την εστιακή απόσταση όταν ο φακός βρίσκεται στην κατάσταση Wide. Για παράδειγμα, ένας φακός με εύρος εστιακής απόστασης 4mm-100mm επιτυγχάνει μεγέθυνση (zoom) 25x, ενώ ένας φακός με εύρος εστιακής απόστασης 50mm-150mm επιτυγχάνει μεγέθυνση 3x.
Οι σημερινές κινητές κάμερες έχουν ανάλυση περίπου 0.44Μpixels (ενεργά pixels αισθητήρα 752×582). ¶ρα, για να πάρουμε υψηλή λεπτομέρεια (264pixels/m) με αυτήν την κάμερα χρειάζεται να γίνει zoom σε ένα εύρος περιοχής όχι παραπάνω από 2.85m

 Όσο μεγαλώνουμε το εύρος της περιοχής (με χρήση zoom-out), τόσο υπάρχει μεγαλύτερη απώλεια στη λεπτομέρεια της εικόνας. Αυτό συμβαίνει γιατί οι συμβατικές κάμερες έχουν την ιδιότητα (χαρακτηριστικό των οπτικών φακών που χρησιμοποιούν) να εμφανίζουν υψηλή ευκρίνεια σε μια στενή περιοχή και χαμηλή ευκρίνεια σε μια ευρεία περιοχή. Δεν γίνεται να ισχύουν ταυτόχρονα υψηλή ευκρίνεια, σε ευρεία περιοχή. Επιπλέον, αν γίνεται χειρισμός των καμερών μέσα από ένα TCP/IP δίκτυο, υπάρχει χρονική καθυστέρηση μεταξύ της εντολής που δίνουμε και της απόκρισης της κάμερας.
Μια διαφορετική προσέγγιση είναι η χρήση μιας Μegapixel κάμερας με ψηφιακές λειτουργίες P/T/Z (Pan/Tilt/Zoom). Είναι ιδανικές σε εφαρμογές όπου δεν απαιτείται 24/7 επιτήρηση και χρειάζεται λεπτομέρεια δικαστικής τεκμηρίωσης για το καταγεγραμμένο video. Όταν συνδυάζονται με τους σωστούς φακούς δίνουν πολύ καλά αποτελέσματα.
Επίσης μεταδίδουν την εικόνα απευθείας σε δίκτυα TCP/IP. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να συνδεθούν (μέσω κατάλληλου λογισμικού) πολλαπλοί χρήστες και επιπλέον να μην υπάρχει χρονική καθυστέρηση στις κινήσεις Ρ/Τ/Ζ. Ακόμα μπορεί να επιτηρούνται διαφορετικές περιοχές, χωρίς να χάνεται η λεπτομέρεια της εικόνας, ενώ και η συντήρησή τους είναι η ελάχιστη δυνατή.
Στο σημείο αυτό, ας εξετάσουμε τις απαιτήσεις σε αποθηκευτικό χώρο από μια κάμερα Megapixel. Αρχικά, ας κάνουμε μια σύντομη αναδρομή στις βασικές αρχές και μεθόδους συμπίεσης εικόνας που χρησιμοποιούνται σήμερα. Οι πιο δημοφιλείς μέθοδοι είναι είτε η συμπίεση να γίνεται εξετάζοντας κάθε πλαίσιο εικόνας ξεχωριστά (frame by frame) είτε να γίνεται συσχέτιση μεταξύ διαφορετικών πλαισίων (temporal reduction). Το πλεονέκτημα στην πρώτη περίπτωση (MJPEG πρότυπο) είναι ότι με αυτήν την τεχνική οι εικόνες μπορούν να αναδημιουργηθούν με ακρίβεια και το εύρος ζώνης (bandwidth) που θα χρησιμοποιηθεί είναι προβλέψιμο. Το μειονέκτημα βρίσκεται στο γεγονός ότι ο χειρισμός κάθε εικόνας στο σύνολό της δεν είναι πολύ αποδοτικός, όσον αφορά το εύρος ζώνης, όταν υπάρχει ελάχιστη κίνηση.
Στην περίπτωση που η συμπίεση γίνεται με τη μέθοδο της συσχέτισης των πλαισίων (πρότυπα Η.263, Η.264, MPEGx), επιλέγονται κάποια πλαίσια αναφοράς και με βάση αυτά γίνεται η σύγκριση των επομένων. Το πλεονέκτημα σε αυτήν την τεχνική είναι ότι στέλνονται μόνο οι αλλαγές του πλαισίου αναφοράς, εξοικονομώντας εύρος ζώνης και αποθηκευτικό χώρο όταν υπάρχει μικρή δραστηριότητα στην περιοχή κάλυψης της κάμερας. Το μειονέκτημα είναι ότι μόνο τα πλαίσια αναφοράς είναι πραγματικές εικόνες. Ακόμη, όταν υπάρχει μεγάλη κίνηση απαιτείται μεγαλύτερο εύρος ζώνης και επομένως μειώνεται το συγκριτικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα πρότυπα που κάνουν χρήση της τεχνικής frame by frame.
Eφόσον ο χρήστης χρησιμοποιεί Megapixel κάμερα, θέλει και υψηλής ποιότητας καταγεγραμμένες εικόνες, οπότε χρησιμοποιείται η τεχνική frame by frame. Θα χρησιμοποιήσουμε το αρχικό παράδειγμα του υπαίθριου χώρου στάθμευσης, με ανάλυση δικαστικής τεκμηρίωσης, προσθέτοντας και τον παράγοντα του βάθους.
Οι συνθήκες που έχουμε τώρα είναι κάλυψη του χώρου σε ένα εύρος 30m, καλύπτοντας περισσότερες γραμμές, σε ένα βάθος 20m.
¶ρα απαιτούνται για το πλάτος  
και για το βάθος .
Ο συνολικός αριθμός των pixels που απαιτούνται είναι .
Ας συγκρίνουμε τις απαιτήσεις σε αποθηκευτικό χώρο μιας συμβατικής κάμερας που έχει ανάλυση 4CIF (640×480) και μιας Megapixel κάμερας με ανάλυση 3.1 Mpixel. Έστω ότι η συμβατική κάμερα έχει ένα μέτριο λόγο συμπίεσης και το μέγεθος του αρχείου που δημιουργεί είναι 50 ΚΒ, ενώ η Megapixel κάμερα δημιουργεί ένα αρχείο 225 ΚΒ.
Στην περίπτωση που χρησιμοποιήσουμε τη συμβατική κάμερα, θα απαιτηθούν 35 κάμερες και θα καταλαμβάνουν 35x50KB=1.75 MB. Στη δεύτερη περίπτωση θα απαιτηθούν 4 κάμερες, που θα καταλαμβάνουν 4x225KB=900 KB. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι για την ίδια ποιότητα συμπιεσμένης εικόνας, οι κάμερες υψηλής ανάλυσης χρησιμοποιούν περίπου το μισό αποθηκευτικό χώρο.
Στις περισσότερες εφαρμογές όμως, για να μειωθεί το κόστος, χρησιμοποιούνται κάμερες σε ευαίσθητες μόνο περιοχές. Έτσι η χρήση 35 συμβατικών ή 4 υψηλής ανάλυσης καμερών, δεν είναι και τόσο ρεαλιστική.
Αν χρησιμοποιήσουμε 6 συμβατικές κάμερες για την κάλυψη μιας ευαίσθητης περιοχής, απαιτούνται 300 KB αποθηκευτικού χώρου, ενώ με χρήση μιας Megapixel κάμερας απαιτούνται 225 ΚΒ. Και σε αυτήν την περίπτωση, το κέρδος είναι να καταλαμβάνεται 25% λιγότερος χώρος με τη χρήση της κάμερας υψηλής ανάλυσης.
Κάποιες από τις σημερινές κάμερες υψηλής ανάλυσης χρησιμοποιούν έξυπνες τεχνικές (π.χ. digital image cropping) με αποτέλεσμα να μειώνεται ακόμα περισσότερο ο απαιτούμενος αποθηκευτικός χώρος. Έτσι, μια κάμερα 3.1 Mpixel με χρήση τέτοιων τεχνικών μπορεί να δημιουργήσει ένα αρχείο μεγέθους 135 ΚΒ, ώστε να χρησιμοποιεί λιγότερο κατά 55% αποθηκευτικό χώρο από μια συμβατική κάμερα.
Οι κάμερες υψηλής ανάλυσης στις εφαρμογές CCTV θα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο, καθώς θα εξελίσσονται και θα μειώνεται το κόστος τους. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να γίνεται μια μελέτη σχετικά με την ανάλυση που θέλουμε, την περιοχή που χρειάζεται να καλύψουμε και τον αποθηκευτικό χώρο που έχουμε διαθέσιμο. Η εξέλιξη της τεχνολογίας, μας προσφέρει όλο και πιο προηγμένα εργαλεία για τις εφαρμογές μας. Στο χέρι μας είναι να τα χρησιμοποιήσουμε κατάλληλα, ώστε να πετύχουμε το βέλτιστο αποτέλεσμα.