اندازه گیری صحیح کیفیت تصویر در دوربین مداربسته

اندکی پیش از این دوربین های تحت شبکه با رزولوشن های VGA و D1 در بازار معمول بودند. آن زمان تقریبا همه می دانستند که کیفیت تصویر را چگونه ارزیابی کنند. با ورود دوربین های تحت شبکه 1 و 1.3 مگاپیکسلی هم همچنان مقایسه کیفیت دوربین ها سخت نبود. در حال حاضر با معرفی دوربین های چندمگاپیکسل که بعضا تا رزولوشن 10مگاپیکسل نیز تولید می شوند تشخیص و مقایسه دوربین های مداربسته پیچیده شده است. آیا واقعا یک دوربین 10 مگاپیکسل تصویر ا کیفیت تری از یک دوربین 4 مگاپیکسل دارد؟ لزوما خیر. تعداد بالاتر پیکسل ضمانتی برای کیفیت بالاتر تصویر نهایی نیست.

به مثال زیر دقت کنید. دو تصویر با رزولوشن های متفاوت ارائه شده اند.

با یک نگاه اجمالی می توانید تشیص دهید که کیفیت تصویر سمت چپ به مراتب بهتر از تصویر دیگر است. جزییات بسیار روشن و واضح هستند اما تصویر سمت راست مات و ناخواناست با اینکه در هر دو مورد لنز به خوبی فوکوس شده است. اگر دوربین شما تصاویری با تعداد پیکسل زیاد تولید کند که مانند تصویر سمت راست وضوح خوبی ندارند شما بسیاری از جزییات را از دست خواهید داد و در عین حال پهنای باند بسیار زیادی را مشغول می کنید و فضای زیادی برای ذخیره تصاویر آن نیاز دارید. در قسمت بعد فاکتورهایی که بر کیفیت تصویر نهایی تاثیر دارند را معرفی می کنیم. هم چنین در مورد اینکه چگونه دوربین ها را تست کنیم صحبت می کنیم.

فاکتورهایی که بر کیفیت تصویر تاثیرگذارند

کیفیت تصویر نهایی را می توان از روی تصاویر ارسالی از دوربین ارزیابی کرد. فرآیند تبدیل نور دریافتی به یک تصویر کامل تقریبا پیچیده است و مراحل زیادی دارد که همه مراحل با وجود اختلاف هایی که دارند از اهمیت زیادی برخوردارند. ارتقای سنسور تصویر که یک حلقه از زنجیره تولید تصویر است تغییرات اندکی را در کیفیت تصویر ایجاد می کند، اگر حلقه های دیگر ارتقا پیدا نکرده باشند. این حالت حتی ممکن است موجب بی کیفیت تر شدن تصویر نهایی نیز بشود. نتیجه چیزی خواهد بود شبیه تصویر سمت راست شکل بالا. فاکتورهایی که بر کیفیت تصویر نهایی تاثیر دارند عبارتند از: لنز، سنسور تصویر، پردازنده تصویر(که همه امکانات از قبیل WDR، DNRو … در این قسمت قرار دارند) و سیستم فشرده سازی.

فاکتورهای نام برده شده در ادامه به طور مجزا توضیح داده خواهند شد.

لنز

ممکن است بارها دیده باشید که در بازار لنزهای مگاپیکسلی وجود دارد و عرضه می شود. معنای لنز مگاپیکسلی چیست؟

هر لنزی یک رزولوشن اپتیکال دارد که به این معناست که دقت لنز در رساندن شعاع های نور و قرار دادن صحیح آن ها روی سنسور تصویر چقدر است. به تصاویر زیر نگاه کنید. فرض کنیم یه درخت در مقابل دوربین قرار دارد. ببینیم چگونه یک نقطه از تصویر درخت به سنسور تصویر می رسد. همه شعاع های نور که از یک نقطه شیء منتشر می شوند باید به روی یک نقطه بر روی سنسور تصویر قرار بگیرند. با وجود یک لنز با کیفیت بالا تمامی شعاع های نور که از یک نقطه شیء منتشر می شوند بر روی یک پیکسل در سنسور تصویر قرار می گیرند و تصویر نهایی بدون مات شدن و یا اعوجاح خواهد بود.(مورد قبول)

اگر از لنز با کیفیت پایین تر استفاده کنیم چه اتفاقی می افتد؟ با اینکه شعاع های نور روی یک نقطه قرار نمی گیرند اما به دلیل اینکه اندازه پیکسل ها بزرگ است باز هم همه شعاع های نور روی یک پیکسل قرار می گیرند.(مورد قبول)

زمانی که از سنسور تصویر با مگاپیکسل پایین استفاده می کنید رزولوشن لنز چندان اهمیتی ندارد چرا که اندازه پیکسل ها بزرگ است. اما زمانی که از یک سنسور تصویر با رزولوشن بالا استفاده می کنید و لنز توانایی قرار دادن شعاع های نور روی یک نقطه کوچک را نداشته باشد، شعاع های نور روی پیکسل های مختلفی از سنسور تصویر قرار می گیرند، از آنجایی که در این مورد پیکسل ها تعداد زیادی دارند و در کنار هم قرار گرفته اند شعاع های نور یک پیکسل وارد پیکسل کناری می شود، بنابراین هر پیکسل علاوه بر شعاع نور مربوط به خود، شعاع های نوری را دریافت می کند که متعلق به پیکسل های کناری است. چنین حالتی موجب ایجاد نویز در تصویر می شود. (مورد قبول نیست)

بسیاری از تولیدکنندگان دوربین مداربسته در حال حاضر بر روی دوربین های چند مگاپیکسلی خود لنزهای با رزولوشن پایین قرار می دهند که برای آن ها طراحی نشده است.

بهترین روش برای استفاده از سنسورهای با رزولوشن بالا، استفاده از لنز مناسب آن هاست که رزولوشن خوبی داشته باشند. تولیدکنندگان لنز دوربین های مدار بسته، محصولات خود را با اعلام این که بیشترین رزولوشنی که می توانند پشتیبانی کنند چیست ارائه می دهند.

ممکن است متوجه شده باشید که بسیاری از تولیدکنندگان دوربین تحت شبکه اشاره ای به این نمی کنند که در مقابل سنسور 5 مگاپیکسل از لنز 1 مگاپیکسل استفاده می کنند.

سنسور تصویر

در نبود خلاقیت و نوآوری بسیاری از تولیدکنندگان دوربین مداربسته امروزه برای ارتقای محصولات خود تنها از سنسورهای تصویر با رزولوشن بالا استفاده می کنند. رزولوشن استاندارد دوربین های  تحت شبکه در این سال ها افزایش یافته و در حال حاضر دوربین های پایین تر از 2 مگاپیکسل معمول نیستند. دوربین های تحت شبکه بالاتز از 2 مگاپیکسل بسیار حساس و آسیب پذیر هستند، کوچکترین ضعف آن ها می تواند لنز باشد، پردازنده و فشرده ساز می تواند آسیب های بیشتری به تصویر نهایی بزنند.

بسیار مهم است که بدانیم هر چه رزولوشن سنسور تصویر افزایش می یابد اندازه فیزیکی پیکسل های روی سنسور کاهش پیدا می کند. بنابراین اندازه فیزیکی سنسور تصویر آنچنان تغییری نمی کند. در چنین حالتی فوتون یا شعاع های نور کمتری وارد هر پیکسل می شوند. بنابراین هر پیکسل آسیب پزیر می شود و ممکن است اطلاعات تصویر از دست برود. برای غلبه بر این مشکل، بعضی از تولیدکنندگان به ویژه کمپانی سونی که تولیدکننده سنسور تصویر است، از تکنولوژی Backside Illumination استفاده می کنند که باعث می شود از تمامی سطح یک پیکسل به طور کامل استفاده مفید شود. این امر باعث می شود که هر پیکسل توانایی دریافت اطلاعات بیشتری را داشته باشد.

پردازنده سیگنال تصویر

فرض کنیم که یک دوربین تحت شبکه از لنز مناسب و سنسور تصویر با رزولوشن بالا استفاده می کند، مرحله حساس بعد در تولید تصویر با کیفیت نهایی پردازنده تصویر خواهد بود. پردازنده به عنوان مغز دوربین مداربسته عمل می کند که وظیفه آن تولید بهترین تصویر ممکن بدون در نظر گرفتن شرایط نور ورودی است. این مغز می تواند ابزارهای متعددی را که روی کیفیت تصویر تاثیر دارند کنترب کند. مواردی مانند اندازه شاتر، سرعت شاتر، gain control، white balance،   فوکوس، دید در شب، شفافیت تصویر، WDR، DNR و بسیاری دیگر. گرچه برخی ازین موارد می توانند به صورت جداگانه روی دوربین مداربسته نصب شوند اما یک پردازنده قوی می تواند تمامی آن ها را به صورت یکجا کنترل کرده و حتی بر اساس صحنه مقابل لنز آن ها را به صورت اتوماتیک تنظیم کند.

همانطور که پردازش تصاویر با رزولوشن پایین کار بسیار ساده ای است، تصاویر رزولوشن بالا توان زیادی را از دستگاه می گیرد و نیاز به فرمول ها و محاسبات پیچیده ای دارد تا تصویر نهایی برای استفاده مناسب باشد، مخصوصا زمانی که شرایط نور محیط در حال تغییر باشد. بیشتر پردازنده هایی که برای دوربین های مداربسته 1 مگاپیکسل طراحی شده اند، برای رزولوشن های بالاتر مناسب نیستند. استفاده از سنسورهای 3 مگاپیکسل و بالاتر نیاز به استفاده از نوع دیگری از تکنولوژی در طراحی پردازنده های تصویر دارد. تولیدکنندگانی که همچنان از پردازنده های قبلی برای دوربین های تحت شبکه خود استفاده می کنند به ناچار دوربین های مداربسته ای را به بازار عرضه می کنند که آن چنان ارتقایی در کیفیت تصویر ندارند.

مثال ساده زیر می تواند ضعف پردازنده های قدیمی را به خوبی نشان دهد:

هرچه رزولوشن تصویر بیشتر باشد، فوکوس کردن لنز سخت تر خواهد بود. حتی اگر از لنز مناسب با رزولوشن بالا استفاده شود، پیکسل های روی برد سنسور تصویر انقدر کوچک هستند که با کوچکترین چرخشی در حلقه فوکوس دوربین، تغییر زیادی در تصویر نهایی ایجاد خواهد شد. تنظیم فوکوس در یک دوربین تحت شبکه 1.3 مگاپیکسل حدود 5 تا 10 ثانیه زمان می برد، اما برای دوربین های رزولوشن بالاتر ممکن است حتی 5 دقیقه زمان نیاز برای این کار نیاز باشد. راه حل این موضوع استفاده از لنزهای autofocus به همراه پردازنده تصویر مناسب است که توانایی محاسبه و انجام دقیق فوکوس را داشته باشد. بسیاری از پردازنده های تصویر موجود در بازار چنین دقت بالایی ندارند و باید دوباره از نو طراحی شوند. به طور مثال پردازنده تصویری که کمپانی اکتی در محصولات اخیر خود استفاده کرده است، امکان تولید دوربین ها زوم دار با لنز autofocus را حتی در نور بسیار پایین دارد که تا مدت ها مشکلی حل ناشدنی در صنعت دوربین مداربسته بود.

مثال دیگر استفاده از ابزارهای مختلف برای ارتقای کیفیت تصویر در شرایط نور مختلف  است. بر اساس اینکه چه زمانی از شبانه روز باشد، ممکن است نیاز به استفاده از DNR یا همان حذف نویز باشد پیش از اینکه از فیلترهای دیگر استفاده شود، و یا اینکه مراحل همین فرآیند از آخر به اول انجام شود. در مورد پردازنده های تصویر قدیمی، جابجا کردن این مراحل امکان پذیر نیست و همین موضوع باعث می شود که در شرایط نوری مختلف دوربین تحت شبکه یک فرآیند خاص و از پیش تعیین شده را انجام دهد و نتواند بهترین حالت ممکن را با جابجا کردن مراحل ایجاد کند.

فشرده سازی

آخرین اما نه کم اهمیت ترین فاکتور در تعیین کیفیت تصویر فشرده سازی است. دوربین های چند مگاپیکسل مقدار زیادی دیتا تولید می کنند. وظیفه سنگین کاهش حجم دیتا تا اندازه ممکن بدون از دست دادن کیفیت تصویر به عهده چیپ فشرده سازی داخل دوربین مداربسته است. در حالی که دوربین های تحت شبکه 2 تا 6 مگاپیکسل به شکل مطلوبی قابلیت فشرده شدن را دارند، قبول اینکه دوربین های 10 مگاپیکسل و یا بیشتر را بتوان طوری فشرده کرد که هم روی پهنای باند های موجود و هم هارد دیسک های فعلی با هزینه مناسبی انتقال یابند، کار ساده ای نیست. بسیاری از چیپ های فشرده سازی به دلیل کمی سرعت پردازش فقط از فرمت MJPEG استفاده می کنند. و این بدین معنی است که زمانی که نیاز به فشرده سازی کامل و دقیق است، چیپ فشرده سازی قادر به دریافت تمامی فریم های تصویر نیست و به دلیل حجم بالای فرمت MJPEG به ندرت توانایی ذخیره تمامی فریم ها را برای فشرده کردن دارد. در این فرمت هر چه نیاز به فشرده کردن تصاویر بیشتر باشد، کیفیت تصویر نهایی افت می کند.

پیشرفت پرستاب تکنولوژی سنسورهای تصویر و تولید سنسورهای با رزولوشن بالاتر برای دوربین های مداربسته تحت شبکه نیاز به چیپ های فشرده ساز قوی تر و مجهز تر را بیشتر کرده است. تلاش شرکت های تولیدکننده دوربین مداربسته برای دستیابی به تکنولوژی های جدید در فشرده سازی کاملا گویای این حقیقت است.

چگونه کیفیت تصویر نهایی را اندازه گیری کنیم؟

حال که می دانیم رزولوشن بالای دوربین مداربسته تضمین کننده کیفیت بالای تصویر نهایی و جزییات شفاف در آن نیست، این سوال مطرح می شود که چگونه می توانیم کیفیت تصاویر نهایی را اندازه گیری کنیم و دوربین های مداربسته را با یکدیگر مقایسه کنیم.

یکبار دیگر نگاهی به فرآیند تولید تصویر بیاندازیم:

روشی وجود دارد که به سادگی می تواند نمایانگر این فرآیند و کاری که لنز، سنسور، پردازنده و فشرده ساز انجام داده اند به شکل عددی باشد. این روش Television Lines یا به صورت مخفف TVL نام دارد که از روی تصویر نهایی اندازه گیری می شود. TVL از سال های سال پیش روش اندازه گیری کیفیت تصاویر دوربین های آنالوگ بوده است که برای دوربین های تحت شبکه نیز قابل استفاده است. TVL را به این شکل تعریف می کنند که تعداد خطوط متوالی سیاه و سفیدی است که می توان در یک تصویر از هم تفکیک کرد. 400TVL به این معناست که 200 خط مجزای سفید و 200 خط مجزای سیاه در طولی از عرض تصویر که به اندازه ارتفاع تصویر باشد قابل تفکیک کردن است.

به بیان دیگر TVL بیانگر رزولوشن صحیح افقی یک تصویر است، هر چه TVL بالاتر باشد کیفیت تصویر نهایی نیز بهتر است. برگردیم به دو تصویری که در ابتدا دیدیم، با اینکه تصویر سمت چپ پیکسل های کمتری دارد، اما TVL آن بالاتر است. نتیجه ساده ای می توان گرفت این است که صرف نظر از تعداد پیکسل های یک تصویر، هر چه TVL بالاتر باشد، کیفیت تصویر نهایی بالاتر است. بنابراین علی رغم باور عموم بر اینکه کیفیت تصویر مساوی رزولوشن تصویر است، متوجه می شویم که کیفیت تصویر دوربین مداربسته به فاکتورهای زیادی وابسته است که یکی از آن ها رزولوشن تصویر است. دلیل اینکه گاهی تصویری از یک دوربین تحت شبکه 5 مگاپیکسل یا دوربین مداربسته دیگری که 2 مگاپیکسلی است برابری می کند همین امر است. بهتر است در انتخاب دوربین های تحت شبکه تنها به رزولوشن که در حقیقت رزولوشن سنسور تصویر است بسنده نکنیم و فاکتورهای دیگری را که در این مقاله توضیح داده شد نیز بررسی کنیم.