Μείωση θορύβου

Μια μεγάλη πρόκληση για τα συστήματα βίντεο-επιτήρησης

Ο θόρυβος μπορεί να αποτελέσει σημαντικό θέμα σχετικά με την απόδοση του βίντεο, επιδρώντας στην ποιότητα, στο bit rate και στις απαιτήσεις αποθήκευσης. Πρόκειται σίγουρα για μια σημαντική πρόκληση για κάθε σύστημα παρακολούθησης που λειτουργεί όλο το 24ωρο, αλλά η αντιμετώπιση του δεν είναι δύσκολη αν χρησιμοποιείται ο κατάλληλος εξοπλισμός. Ας δούμε λοιπόν διάφορες τεχνικές μείωσης του θορύβου που υπόσχονται ένα “καθαρότερο” βίντεο.

Του Δημήτρη Θωμαδάκη

Ο θόρυβος αποτελεί πάντα μια πρόκληση για τα συστήματα παρακολούθησης μέσω βίντεο και παρ’όλο που η αύξηση σε επεξεργαστική ισχύ των καμερών και των άλλων συσκευών επιτήρησης, καθώς και άλλες τεχνολογίες εφαρμόστηκαν για να μειώσουν την επίδραση του, η τάση προς όλο και υψηλότερες αναλύσεις δείχνει ότι ο θόρυβος εικόνας υφίσταται σε πολλές εγκαταστάσεις. Ο θόρυβος δεν επηρεάζει μόνο την ποιότητα της εικόνας, αλλά επίσης αυξάνει το απαιτούμενο bit rate και τις απαιτήσεις αποθήκευσης.

Η πηγαία αιτία του θορύβου είναι απλή και οφείλεται στο γεγονός ότι δεν πέφτει αρκετό φως στον αισθητήρα εικόνας. Ως αποτέλεσμα, το σήμα του βίντεο πρέπει να ενισχυθεί ώστε να αυξηθεί η ισχύς των απαιτούμενων δεδομένων εικόνας. Φυσικά αυτό σημαίνει επίσης, ότι όλα τα δεδομένα που επιδρούν αρνητικά στην εικόνα και προκαλούνται από έλλειψη φωτός, μπορούν και αυτά να ενισχυθούν. Το αποτέλεσμα είναι ο θόρυβος εικόνας.

Υπάρχουν πολλά στοιχεία που επιδρούν στο επίπεδο του θορύβου: το επίπεδο φωτισμού, η επιλογή οπτικών, το μέγεθος του αισθητήρα, τα σημεία εναλλαγής λειτουργίας μέρας/νύχτας, κτλ. Η μείωση των επιπέδων του θορύβου μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός συνδυασμού βημάτων, που αντιμετωπίζουν τα παραπάνω ζητήματα.

Ζητήματα αποδοχής ή όχι συμβιβασμών

Υπάρχουν διάφοροι συμβιβασμοί που γίνονται συχνά από τους χρήστες συστημάτων παρακολούθησης βίντεο. Κάποιοι για παράδειγμα, είναι πρόθυμοι να αποδεχτούν χαμηλότερες αναλύσεις σε συγκεκριμένες κάμερες, την ώρα που κάποιοι άλλοι επιθυμούν να καταγράφουν υλικό σε HD, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ταυτοποίηση. Ως εκ τούτου, οι εικόνες χαμηλής ανάλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δείξουν μια συνέχεια ενός περιστατικού. Χαμηλότερες αναλύσεις, αν χρησιμοποιηθούν σωστά, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι επηρεάζουν την εμφανή αξιοπιστία ενός συστήματος παρακολούθησης.

Ένας ακόμα συχνά αποδεκτός συμβιβασμός, είναι και τα μειωμένα καρέ ανά δευτερόλεπτο. Κάθε προδιαγραφή σε HD ή 4K UHD βίντεο πρέπει να είναι σε πραγματικό χρόνο για να συμβαδίζει με το πρότυπο. Όμως αν ένας χρήστης είναι ευχαριστημένος με 20 ή ακόμα και με15 καρέ ανά δευτερόλεπτο, τότε συνήθως δεν υπάρχει πρόβλημα (εξαρτάται από την εκάστοτε σκηνή) καθώς τυπικά κάθε δραστηριότητα θα καταγραφεί έτσι κι αλλιώς. Όπως και με τις χαμηλότερες αναλύσεις, έτσι το μικρότερο bit-rate μπορεί να μην είναι ιδανικό, αλλά αν χρησιμοποιηθεί σωστά δεν θα επηρεάσει σε πολύ μεγάλο βαθμό την αξιοπιστία και αποτελεσματικότητα ενός συστήματος παρακολούθησης, πάντα όμως κατά περίπτωση.

Παρ’ όλα αυτά, θα ήταν σωστό να επισημάνουμε, ότι κανένας δεν είναι έτοιμος να αποδεχτεί επίτηδες “θορυβώδεις εικόνες” από βίντεο. Ο στόχος είναι και πάντα θα είναι, η βελτίωση της ποιότητας βίντεο και όχι η αποδοχή “φτωχότερης” εικόνας. Ο θόρυβος μπορεί όχι μόνο να επιδράσει αρνητικά στην ποιότητα εικόνας, σε σημείο όπου τα αποδεικτικά στοιχεία που προσφέρονται από το βίντεο σε κάποιο συμβάν να μην μπορούν να αποδειχτούν νομικώς αξιόπιστα, αλλά επίσης μπορεί να επιδράσει στη συνολική απόδοση ενός συστήματος παρακολούθησης. Είναι ένας συμβιβασμός που οι τελικοί χρήστες δεν αποδέχονται και ούτε θα έπρεπε να το αποδεχτούν όσοι υλοποιούν έργα, εγκαταστάτες και integrators.

Αντιμετωπίζοντας το θόρυβο

Αν και υπάρχουν πολλοί τρόποι προσέγγισης της μείωσης θορύβου, περιλαμβάνοντας μεταξύ άλλων την προδιαγραφή καμερών με μεγαλύτερους αισθητήρες, τη χρήση φακών καλύτερης ποιότητας, την εφαρμογή τεχνολογιών μείωσης θορύβου και την κατά το δοκούν χρήση μηχανισμών ελέγχου απολαβής, δύο είναι τα πιο αποτελεσματικά μέτρα που αντιμετωπίζουν το πρόβλημα στην ουσία του, δηλαδή τα ανεπαρκή επίπεδα φωτισμού.

Ο θόρυβος προκαλείται λόγω των τεχνικών επεξεργασίας, που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση του σήματος, που περιλαμβάνει δεδομένα βίντεο μαζί με ηλεκτρικό θόρυβο, όταν δεν πέφτει αρκετό φως στον αισθητήρα εικόνας. Αν προστεθεί και άλλο φως στη σκηνή, αντιμετωπίζεται το πρόβλημα. Ίσως δεν είναι πάντα εφικτό να αυξήσετε τη φωτεινότητα της σκηνής, αλλά ο πιο απλός τρόπος μείωσης θορύβου είναι να προσθέσετε κι άλλο φως.

Όταν η φωτορύπανση δεν αποτελεί θέμα, το λευκό φως επιτρέπει τη διατήρηση έγχρωμης εικόνας, κάτι που είναι ένα σημαντικό πλεονέκτημα στην παρακολούθηση. Το χρώμα είναι ένα βασικό στοιχείο αναγνώρισης για τους ανθρώπους και έτσι η σημασία του χρώματος σε μία πλατφόρμα ασφαλείας μπορεί να είναι ζωτικής σημασίας.

Ένας χειριστής που κοιτάζει ένα κόκκινο αυτοκίνητο σε μία ασπρόμαυρη σκηνή, θα το δει ως γκρίζο, δηλαδή το ίδιο χρώμα που θα δει σε ένα μπλε, πράσινο, καφέ ή γκρι αυτοκίνητο. Αυτό σημαίνει ότι ένα σημαντικό στοιχείο πληροφορίας χάνεται.

Αν η φωτορύπανση αποτελεί θέμα, ή αν απαιτείται κάποια πιο διακριτική λύση, ο υπέρυθρος φωτισμός προσφέρει μία βιώσιμη επιλογή και ενώ η αγορά διαθέτει αυξανόμενο αριθμό καμερών με ενσωματωμένο φωτισμό, υπάρχουν πολλοί υπέρμαχοι των αυτόνομων επιλογών.

Ο αυτόνομος φωτισμός προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία όσον αφορά στην τοποθεσία της πηγής φωτισμού. Δεν είναι πάντα η καλύτερη επιλογή να έχετε το φως στον ίδιο άξονα με την κάμερα. Επίσης, οι αυτόνομες συσκευές προσφέρουν περισσότερες επιλογές όσον αφορά στις γωνίες κάλυψης και στο εύρος. Ο ενσωματωμένος φωτισμός χαρακτηρίζεται συνήθως από περιορισμούς στο μέγεθος, στην ισχύ και στην προσαρμογή, ενώ έχουν και μεγάλο κόστος κατασκευής. Ο αυτόνομος φωτισμός μπορεί να επιλεγεί για κάθε ξεχωριστή γωνία θέασης της κάμερας.

Πολλές συσκευές αυτόνομου φωτισμού είναι απλές στην εγκατάσταση. Οι περισσότεροι κατασκευαστές προσφέρουν εκδόσεις PoE (powered over Ethernet) και με τις περισσότερες κάμερες να διαθέτουν υποδοχή τροφοδοσίας RJ45 (καλώδιο δικτύου) η σύνδεση της συσκευής φωτισμού με αυτό τον τρόπο είναι οικονομικά συμφέρουσα.

Ο πρόσθετος φωτισμός είναι επίσης μία πολύ οικονομική λύση αν λάβετε υπ’όψη το λόγο τιμής / απόδοσης. Όπως με κάθε εξέλιξη σχετική με την απόδοση, οι αλλαγές στο χαμηλότερο σημείο της καμπύλης αναπόφευκτα προσφέρουν αξιοσέβαστη βελτίωση σε αποδεκτό κόστος. Όμως όσο πλησιάζετε στο υψηλότερο σημείο της απόδοσης, οι ενδιάμεσες αλλαγές μπορούν να έχουν αυξανόμενα υψηλότερες τιμές.

Η άλλη απλή προσέγγιση για μείωση θορύβου είναι η εναλλαγή μεταξύ λειτουργίας ημέρας / νύχτας νωρίτερα. Μπορεί να ακούγεται πολύ απλό, όμως σε κάποιες κάμερες απλά δεν είναι εφικτό.

Καθώς αυξάνονται οι αναλύσεις εικόνας, η εργασία σε χαμηλό φωτισμό αποτελεί όλο και μεγαλύτερη πρόκληση. Ο υψηλότερος αριθμός pixels σε ένα HD ή megapixel chipset σημαίνει ότι κάθε εικονοστοιχείο είναι σημαντικά μικρότερο απ’ ότι σε έναν αισθητήρα χαμηλότερης ανάλυσης. Η προσπάθεια να ρίξετε επαρκές φως σε σημαντικά μικρότερα pixels, δημιουργεί ορισμένες δυσκολίες. Είναι απλό θέμα φυσικής!

Άλλες επιλογές

Πρέπει να θυμάστε ότι ο θόρυβος είναι αποτέλεσμα της ενίσχυσης, που είναι απαραίτητη επειδή δεν πέφτει αρκετό φως στον αισθητήρα της κάμερας για να δημιουργηθεί ισχυρό σήμα. Ως εκ τούτου, είναι λογικό ότι κάθε μέτρο που επιτρέπει μεγαλύτερο επίπεδο φωτισμού στον αισθητήρα, βοηθάει στη μείωση του θορύβου.

Συχνά λέγεται ότι η απόδοση χαμηλού φωτισμού σε κάμερες υψηλότερης ανάλυσης, δεν θα είναι τόσο καλή όσο σε κάμερες χαμηλότερης ανάλυσης. Η αιτία έχει σχέση με το μέγεθος και την πυκνότητα των pixels. Οι αισθητήρες εικόνας απαιτούν να πέφτει φως σε κάθε pixel ξεχωριστά, ώστε να δημιουργηθεί το φορτίο που θέτει την τιμή για κάθε ξεχωριστό εικονοστοιχείο. Αν πάρουμε ως παράδειγμα ένα κύκλωμα κάμερας 1/3 ιντσών βασικής ανάλυσης, αυτό περιέχει περίπου 400.000 pixels, δηλαδή η επιφάνεια του κυκλώματος χωρίζεται σε 400.000 εικονοστοιχεία. Τα pixels διαθέτουν ξεχωριστά στοιχεία για το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε, και η ένταση του φωτός στον αισθητήρα χρησιμοποιείται για να ορίσει την εκάστοτε τιμή.

Μία κάμερα HD με παρόμοιου μεγέθους αισθητήρα 1/3 ιντσών, έχει περίπου 2 εκατομμύρια pixels, ενώ μία κάμερα 4K UHD έχει πάνω από 8 εκατομμύρια εικονοστοιχεία. Επειδή το κύκλωμα είναι ακόμα 1/3 ιντσών, τα pixels είναι πολύ μικρότερα. Ως αποτέλεσμα, αποτελεί πρόκληση η προσπάθεια να ρίξετε τον απαιτούμενο φωτισμό πάνω σε κάθε στοιχείο.

Προφανώς μία κάμερα με μεγαλύτερο αισθητήρα, θα προσφέρει βελτιωμένη απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού, καθώς το κάθε εικονοστοιχείο θα είναι μεγαλύτερο. Αυτό σημαίνει ότι θα λαμβάνουν φως μεγαλύτερης έντασης.

Πολλές κάμερες υψηλότερης ανάλυσης προσφέρουν μία ευρεία γκάμα μεγεθών για κυκλώματα, με τις κάμερες που χρησιμοποιούν αισθητήρες 1/2 ιντσών ή 1/1,9 ιντσών να κερδίζουν όλο και περισσότερο έδαφος. Αν αυτές οι κάμερες χρησιμοποιηθούν με φακούς υψηλής ποιότητας, η πρόκληση της ρίψης φωτός στα pixels γίνεται πιο βατή.

Αν λάβετε υπ’ όψη το κόστος των φακών καλής ποιότητας έναντι της πρόσθεσης συσκευών φωτισμού ή των καμερών καλύτερης ποιότητας, οι πρώτοι προσφέρουν μία συμφέρουσα ώθηση στη μείωση του χαμηλού φωτισμού.

Τα πλεονεκτήματα της επεξεργασίας

Η επεξεργαστική ισχύς στις συσκευές έχει αυξηθεί σημαντικά τον τελευταίο καιρό, επιτρέποντας την ανάπτυξη βελτιωμένων χαρακτηριστικών. Οι περισσότεροι αξιόπιστοι κατασκευαστές περιλαμβάνουν λειτουργίες σχεδιασμένες για να μειώνουν το θόρυβο. Αυτό δε γίνεται μόνο επειδή επιδεινώνει την ποιότητα της εικόνας, αλλά επίσης λόγω της αρνητικής επίδρασης που έχει σε άλλες πτυχές της απόδοσης, όπως τις ανάγκες σε bandwidth και αποθηκευτικό χώρο.

Η προληπτική συμπίεση εικόνας αναζητά αλλαγές στην εικόνα, και επειδή οι μηχανές συμπίεσης αντιλαμβάνονται τον θόρυβο ως αλλαγή μέσα στην εικόνα, αυξάνει σημαντικά τις ανάγκες για bandwidth και αποθηκευτικό χώρο. Αυτό αντιστοιχεί συχνά σε υψηλότερο κόστος ιδιοκτησίας.

Η μείωση θορύβου επιτυγχάνεται μέσω επεξεργασίας της εικόνας του βίντεο, και ως εκ τούτου η ίδια η μείωση μπορεί να έχει αρνητική επίδραση στην ποιότητα. Εκεί που η κάμερα απαιτεί άλλου είδους επεξεργασία, όπως το WDR, η επισημασμένη συμπίεση ή το BLC, υπάρχει ανάγκη για ισορροπία μεταξύ όλων των στοιχείων επεξεργασίας. Στα benchmarks των καμερών έχουμε δει συχνά να προκαλείται επιδείνωση της εικόνας από συγκεκριμένους συνδυασμούς επεξεργασίας βίντεο.

Συμπεράσματα

Ο θόρυβος του βίντεο οπωσδήποτε επιδρά στην ποιότητα της εικόνας σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Όχι μόνο επηρεάζει το επίπεδο της διακριτής λεπτομέρειας, που είναι καίρια αν το βίντεο καταγράφεται ως αποδεικτικό στοιχείο, αλλά επίσης αποτελεί σοβαρό αρνητικό σημείο όσον αφορά τις προσδοκίες του χρήστη.

Αυτό ισχύει ακόμα περισσότερο όταν κάποιος πελάτης έχει επενδύσει σε ένα σύστημα σχεδιασμένο για HD ή 4K UHD βίντεο. Με τέτοια συστήματα, η προσδοκία ποιότητας και καθαρότητας στο υλικό αυξάνεται σημαντικά. Ο θόρυβος είναι αναπόφευκτα συνδεδεμένος στο μυαλό πολλών με τα συστήματα χαμηλού κόστους και ανεπαρκούς απόδοσης.

Ο θόρυβος επιδρά επίσης στην ποιότητα της συμπίεσης και ο βαθμός στον οποίο συμβαίνει αυτό είναι αρκετά μεγάλος, και συχνά παρεξηγείται. Προφανώς, όσο πιο μεγάλο είναι το επίπεδο της εφαρμοζόμενης συμπίεσης, τόσο πιο μεγάλη θα είναι και η επίδραση. Ενώ οι περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιούν σταθερά bit rates, αποφεύγοντας έτσι την υπερφόρτωση του δικτύου, η επιδείνωση της εικόνας θα έχει αρνητική επίδραση στη συνολική απόδοση ολόκληρου του συστήματος.

Ο καλύτερος τρόπος εξάλειψης του θορύβου είναι να προσθέσετε περισσότερο φως! Καθώς το επίπεδο φωτισμού αυξάνεται, ο θόρυβος μειώνεται. Αν ο αισθητήρας της κάμερας έχει το κατάλληλο επίπεδο φωτισμού να πέφτει στα pixels της, η ανάγκη για ενίσχυση, και ο θόρυβος που αυτή δημιουργεί, αφαιρείται.

Η επόμενη καλύτερη επιλογή είναι να επιβεβαιώσετε ότι οι κάμερες μπορούν να εναλλάσσουν τη λειτουργία τους μεταξύ μέρας και νύχτας, πριν ο θόρυβος αποτελέσει πρόβλημα. Οι τιμές ευαισθησίας ορίζονται συχνά για σήμα βίντεο χαμηλού επιπέδου, ενώ ακόμα και οι ισχυρισμοί περί «ωφέλιμου βίντεο» δεν είναι αξιόπιστοι. Συχνά, οι δοκιμές σε πραγματικές συνθήκες είναι ο μόνος τρόπος να διαπιστώσετε αν μία κάμερα μπορεί να προσφέρει ότι υπόσχεται.

Σε αντίξοες συνθήκες, οι μεγαλύτεροι αισθητήρες και τα οπτικά εξαρτήματα υψηλής ποιότητας μπορούν να βοηθήσουν. Οι εγκαταστάτες και οι ingrators πρέπει να συνειδητοποιήσουν ότι οι τεχνολογίες μείωσης θορύβου κάνουν ακριβώς ότι δηλώνουν, με έμφαση στη μείωση. Δεν μπορούν να αφαιρέσουν το θόρυβο! Αν το παρακάνετε με τη «μείωση», ως αποτέλεσμα θα εμφανιστούν άλλα θέματα με την ποιότητα της εικόνας.

Ο θόρυβος είναι μεγαλύτερο πρόβλημα απ’ όσο πιστεύουν πολλοί, και είναι επίσης ένας οικονομικά ασύμφορο θέμα όσον αφορά την εξάντληση πόρων. Είναι εκπληκτικό πόσο διαφορετικά συμπεριφέρονται κάποιες κάμερες σε επαρκή και χαμηλό φωτισμό και το πραγματικό πρόβλημα στην απόδοση είναι συνήθως ο θόρυβος. Ο καλύτερος τρόπος να εγγυηθείτε το υψηλότερο επίπεδο απόδοσης είναι να σχεδιάζετε συστήματα που εξ αρχής δε δημιουργούν “θορυβώδεις” εικόνες!