Secur.by Полезное Выбор оптимальной частоты кадров в видеонаблюдении

Выбор оптимальной частоты кадров в видеонаблюдении

В качестве предварительного условия требуется знать скорость объектов, которыми чаще всего в системах видеонаблюдения являются люди.

Скорость людей

Чем быстрее движется человек, тем сложнее уследить за его движениями. Нам известна «скорость» частоты кадров – 1 кадр в секунду, 10 кадров, 30 и т.д., однако какая частота кадров требуется для качественной видеозаписи?

С какой скоростью движутся люди.

- Человек, идущий неторопливым, обычным шагом, проходит чуть больше одного метра в секунду, т.е. пересекает поле обзора шириной 6 метров примерно за 5 секунд.

- Бегущий человек пересекает поле обзора шириной 6 метров примерно за 1,25 секунды, т.е. движется со скоростью почти 5 метров в секунду.

Например, если частота кадров составляет всего 1 кадр в секунду, человек в течение этой секунды может преодолеть от 1 до 5 метров. Это необходимо принимать во внимание при выборе частоты кадров.

Рассмотрим следующие вопросы:

  • С какой скоростью движутся люди и как это связано с частотой кадров.
  • Шаг: какие существуют опасности при съемке идущего человека с частотой 1, 10 и 30 кадров в секунду.
  • Бег: что получается при съемке бегущего человека с частотой 1, 10 и 30 кадров в секунду.
  • Поворот головы: сколько четких снимков крупным планом получится при частоте 1, 10 и 30 кадров в секунду.
  • Игра в карты: что остается незамеченным при наблюдении за сдачей карт при частоте 1, 10 и 30 кадров в секунду.
  • Выдержка затвора и частота кадров: какая между ними связь?
  • Полоса пропускания и частота кадров: какова зависимость полосы пропускания от увеличения частоты кадров?
  • Средняя частота кадров: какая частота кадров в среднем применяется при видеонаблюдении?

Примеры с идущим человеком

По мере пересечения объектом поля обзора мы наблюдаем за его перемещением кадр за кадром. При частоте 30 и 10 кадров в секунду полный шаг не остается незамеченным. Однако при частоте 1 кадр в секунду объект преодолел более одного метра между кадрами, что совпадает с оценкой скорости идущего человека – чуть более 1 м/с.

Примеры с бегущим человеком

При перемещении объекта через поле обзора бегом, при частоте 30 кадров в секунду каждые полшага фиксировались, при частоте 10 кадров объект пробегал примерно 0,3 метра между кадрами. При частоте 1 кадр в секунду объект зафиксирован только на одном кадре, остальной путь через поле обзора был проделан между кадрами, на втором кадре видна только часть ноги.

Получение изображения лица

Получить четкое изображение лица движущегося человека может быть непросто, так как в движении голова естественным образом движется из стороны в сторону. В эксперименте по сравнению разных частот кадров объект шел по коридору, двигая головой вперед и назад.

Обратите внимание, при частоте 1 кадр в секунду получен только один четкий снимок, при частоте 10 кадров четких снимков намного больше. При частоте 30 кадров четких снимков на один-два больше, однако, это не является существенным улучшением.

 

Игра в карты

При проведении данного испытания, с помощью видеокамеры с выдержкой затвора по умолчанию (1/30с) проводилось наблюдение за сдачей карт в порядке от туза до пятерки.

При наблюдении с частотой кадров 30 и 10 к/с видно, как каждая карта снимается с колоды и кладется на стол, а при наблюдении с частотой 1 к/с можно увидеть только появляющиеся на столе карты – движения рук раздающего не видны, так как частота кадров слишком низкая.

 

Выдержка затвора и частота кадров

Частота кадров не является причиной размытости изображения, это неправильное представление. Причиной является автоматическое управление выдержкой затвора камеры.

Наблюдение за следующей сдачей карт от туза до пятерки проводилось с минимальной выдержкой затвора, доведенной до 1/4000 секунды. На следующих двух примерах можно сравнить размытие изображения руки и карты, вызванное движением: двойка намного лучше различима на изображении, полученном при более высоком значении выдержки затвора.

При выдержке затвора 1/4000 секунды все следы размытости, вызванной движением, полностью исчезли. При выдержке затвора 1/1000 и 1/2000 секунды размытость существенно снижается, но все еще заметна в области пальцев и краев карт при покадровом просмотре записи.

Причиной размытости изображения является неправильная установка выдержки затвора, а не частота кадров.

 

Низкое значение выдержки затвора и частота кадров

С другой стороны, по желанию пользователей или производителей камер, иногда случается, что максимальное значение выдержки затвора ниже, чем частота кадров (например, при выдержке затвора 1/4 секунды, частота кадров составляет 1/30 секунды). При этом не только возникает размытие движущихся объектов, но и происходит потеря кадров.

Ключевой урок: частота кадров не должна превышать количество экспозиций в секунду. Если выдержка затвора составляет 1/4 секунды, затвор открывается и закрывается (выполняется экспозиция) всего 4 раза в секунду (т.е., 1/4 + 1/4 + 1/4 + 1/4 = 1). Поскольку это происходит всего 4 раза в секунду, то в течение этой секунды можно получить только 4 кадра.

Некоторые изготовители фальсифицируют кадры при низких значениях выдержки затвора путем простого многократного копирования одного и того же кадра. Например, при выдержке затвора 1/15 в течение одной секунды выполняется всего 15 экспозиций и, следовательно, получается 15 кадров. Для создания видимости того, что получается 30 кадров, каждый кадр дублируется.

Выдержке затвора следует уделять внимание, так как при ее низких значениях, помимо размытия изображения, может произойти потеря кадров или нерациональное использование объема хранения.

Полоса пропускания и частота кадров

Частота кадров оказывает влияние на полосу пропускания, однако при наличии современных кодеков, например, H.264, влияние нелинейно. Таким образом, при увеличении частоты кадров в 10 раз, ширина полосы пропускания увеличивается намного меньше, обычно только в 3 – 5 раз. Зачастую об этом имеют неправильное представление.

Это возможно благодаря межкадровому сжатию, которое снижает требования к полосе пропускания за счет повторяющихся на кадрах неизменных частей изображения.

В целях дальнейшего иллюстрирования данного факта были проведены измерения при частоте кадров 30, 10 и 1 к/с с целью демонстрации изменений в скорости передачи данных при осуществлении видеонаблюдения в конференц-зале. Были получены следующие средние значения скорости передачи:

  • 1 к/с – 0,179 Мбит/с,
  • 10 к/с, частота увеличена в 10 раз, а полоса пропускания – в 4 раза (0,693 Мбит/с),
  • 30 к/с, частота увеличена еще в 3 раза, полоса пропускания – еще в два раза; при увеличении частоты кадров в 30 раз, полоса пропускания увеличивается в 7 раз (1,299 Мбит/с)

При испытаниях использовалась камера Axis Q1604 (встроенное ПО версии 5.50.3) с тремя потоками (30/10/1) записываемыми с помощью ExacqVision 6.2.7.63216

Усредненная применимая частота кадров

В среднем применяется частота кадров, равная примерно 8-10 к/с, такое значение обеспечивает достаточное количество кадров для съемки большинства действий, изображение получается дискретным, но стоимость хранения информации минимизируется.

Как показано выше, увеличение частоты кадров с 10 до 30 к/с может удвоить стоимость хранения информации, но детализацию съемки улучшает в самой малой степени.

Следующая таблица построена на основе результатов исследования «Средняя частота кадров, используемая при видеозаписи».