Время гигантов. Есть ли перспективы у гигапиксельных камер?

26.02.2013

Последние сводки с глобального театра маркетинговых действий характеризует одна интересная особенность: слово «мегапиксельный» совершенно потеряло своё магическое очарование и стало вполне обыденным. Более того, всё реже стала попадаться информация о том, что компания Х опередила компанию Y по количеству пикселов в мат­рице/камере и вырвалась тем самым в лидеры мирового рынка. Мегапиксельная гонка, судя по всему, подходит к естественному завершению. Гиганты отрасли, когда-то задававшие темп в этой гонке, сегодня говорят о наращивании числа элементов в матрицах уже лишь вскользь. Теперь им куда важнее динамический диапазон, встроенная аналитика, удобство управления оптикой. Похоже, что никто из производителей уже не собирается заниматься мегапиксельной «фаллометрией». В чём же дело, что изменилось? Мы основательно перелопатили отраслевую прессу на двух языках, и вот что получается...

Откуда вообще взялась тема наращивания мегапикселов? Во времена, когда технологии производства КМОП- и ПЗС-матриц ещё не успели распространиться за пределы нескольких компаний-пионеров, это было предметом реальной гонки. Новости о достижении трёх-, пяти- или двенадцатимегапиксельного порога проникали даже в сводки теленовостей. Однако в момент, когда первые мегапиксельные камеры уже набрали определённый опыт эксплуатации, в общем позитивная картинка начала блёкнуть. Во-первых, критически важной оказалась оптика, поскольку производители линз по-прежнему ориентировались на камеры обычного разрешения. Во-вторых, далеко не на всяком объекте IT-инфраструктура способна адекватно выдержать формируемые мегапиксельными камерами потоки данных. В-третьих, прогрессивные и инновационные схемы применения камер — например, одновременный просмотр полного изображения и зумирование его части и т.п. — чаще всего не выходили за пределы тренинговых центров и демонстрационных инсталляций. Инертность и лень операторского персонала взяли своё, сведя на нет все прелести мультимегапиксельных решений.

А как же видеоаналитика, спросите вы? Наверняка появились новые мощные средства автоматического анализа картинки, рассчитанные на высокую детализацию изображений — определители объектов, поведения, коллизий и т.п.? К сожалению, от массового внедрения такие технологии пока ещё далеки. Иногда поставщикам аналитики удаётся уговорить заказчика установить на своём объекте специально приспособленные средства — скажем, счётчик чемоданов на ленте транспортёра. Это подаётся как технологический прорыв, однако в конце движущейся ленты «на всякий случай» стоит унылый сотруд­ник с шариковой ручкой и блокнотом. Заказчик должен быть морально и организационно подготовлен к внедрению новейших технологий. Однако маркетинговое давление направлено не на просвещение и продвижение новых технологий, а на как можно скорейшее приобретение «всё более мегапиксельных» камер. Совсем как это происходит сегодня в области бытовой компьютерной техники: в наших ноутбуках сменяют друг друга двух-, четырёх- и восьмиядерные процессоры, которые в равной степени пригодны для игры в танки и чтения замечательного веб-ресурса www.secnews.ru.

Время гигантов. Есть ли перспективы у гигапиксельных камер?

Топ-модели: к физическому пределу

Главным тормозом в гонке одноматричных камер стало уменьшение размеров светочувствительных элементов. Поскольку физические размеры матриц принципиально ограничены приемлемыми габаритами кожухов, следствием повышения разрешения матриц является минимизация самих светочувствительных элементов. При сохранении физического принципа накопления зарядов в сенсоре, количество света, попадающего на каждый отдельный пиксел, будет падать по мере уменьшения физических размеров светочувствительной ячейки. Если в обычных условиях освещения этим можно пренебречь, то при недостаточной освещённости сцены проблема становится весьма существенной. Учитывая собственный электрический шум матрицы и разброс характеристик чувствительности по элементам, контрастность изображения в таких условиях будет иметь тенденцию к снижению. Если попробовать повысить контрастность за счёт применения тех или иных ухищрений, к примеру, путём накопления зарядов — получим проблемы с отображением движущихся объектов, что в условиях несения камерами охранной службы крайне нежелательно.

Технологии изготовления матриц на сегодня окончательно «устаканились» и стандартизовались. Победили, как и ожидалось, КМОП и ПЗС, имеющие свои преимущества и недостатки. Общим для этих типов матриц является их существенное удорожание по мере роста площади матриц. В принципе, удорожание это вполне прогнозируемо, и в отдельных случаях использование крупноразмерных матриц может оказаться оправданным. А вот с минимизацией светочувствительных элементов нас поджидает неприятный сюрприз, описанный в предыдущем абзаце. Судя по всему, дальнейшая минимизация сенсорных элементов на данный момент уже не считается целесообразной. Тем не менее, ведущие производители одночиповых мультимегапиксельных камер добрались каждый до своего предела и не без оснований настаивают на том, что именно их продукт является верхом совершенства.

Одночиповый динозавр

На сегодняшний день компания Avigilon держит мировой рекорд по количеству рабочих пикселов в одноматричной IP-камере. То, что в Avigilon решили «допрыгнуть» до 29-мегапиксельного показателя, некоторые эксперты напрямую связывают с удачной рекламной кампанией Arecont Vision, представившей рынку свою 20-мегапиксельную панорамную камеру (кстати, мультисенсорную). На деле камера Avigilon представляет собой «доупакованную» до 29 миллионов пикселов прежнюю топ-модель — 16-мегапиксельную. Практически все основные технические характеристики (кроме, естественно, разрешения на выходе) идентичны: те же 35-миллиметровые сенсоры, те же наборы штатных объективов, идентичные настройки разрешений в цвете и монохроме. Вырвавшись вперёд по разрешению, камера потеряла в скорости записи, сниженной на треть по сравнению со значением для 16-мегапиксельной (до двух кадров в секунду).

Мощнейшая из одночиповых IP-камер — модель Avigilon 29 MP JPEG2000 HD Pro
Мощнейшая из одночиповых IP-камер — модель Avigilon 29 MP JPEG2000 HD Pro

Камера использует вейвлет-кодек JPEG2000, поддержка «модного» H.264 не предусмотрена. При передаче по сети полноэкранного изображения при штатной скорости записи 29-мегапиксельная камера занимает полосу пропускания порядка 20-25 мегабит в секунду. Управление устройством возможно лишь с применением «родного» программного обеспечения, информации о каких-либо возможностях интеграции с другими системами на момент написания этого материала не было. Специалисты считают, что предыдущая, 16-мегапиксельная модель, выпущенная в 2007 году, была реальным прорывом, а новинка представляет собой лишь ответ на маркетинговое давление, вызванное искусственно созданной гонкой «Кто больше?»

Самое интересное, что, вырвавшись вперёд по формальным показателям мегапиксельной гонки, Avigilon не смогли опередить конкурирующую модель Arecont по остальным параметрам: калифорнийские камеры были существенно дешевле и поддерживались весьма внушительным перечнем оборудования сторонних производителей. К тому же Arecont Vision строго придерживается курса на разгрузку пропускной способности сетей, и в большинстве камер предусмотрено использование кодека Н.264. Единственная досадная особенность — фиксированное фокусное расстояние объектива, которое накладывало ограничения на физическое размещение камеры относительно сцены наблюдения.

Сканирующая система

Компания IpConfigure чуть более года назад вывела на рынок свою систему GWAS (Gigapixel Wide Area Surveillance, гигапиксельная система наблюдения для больших территорий). Принцип действия системы — сканирование территории с одновременным захватом изображений при помощи высококачественной камеры и (опционально) тепловизора, расположенных на прецизионной поворотной платформе. Система предназначалась для объектов, где до сей поры было принципиально невозможно использовать видеонаблюдение высокой чёткости, а также для усиления существующих систем.

Использованная в системе камера разрешением опять-таки 29 мегапикселов формирует совокупные изображения общим разрешением до нескольких миллиардов пикселов. Сканирование проводится как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Чтобы справиться со столь интенсивным потоком графических данных, требующих «сшивания» в единую картинку, потребовалось создание уникальной управляющей системы и специализированного пользовательского интерфейса.

Система GWAS от IpConfigure — камера с механическим сканированием сцены наблюдения
Система GWAS от IpConfigure — камера с механическим сканированием сцены наблюдения
Система GWAS от IpConfigure — камера с механическим сканированием сцены наблюдения

Частота обновления совокупного изображения является величиной переменной, зависящей от фокусного расстояния объектива, номинальной скорости съёмки камеры и времени суток. В дневных условиях съёмки на камере может быть установлено меньшее значение выдержки, что позволяет вести съёмку в движении. При недостаточной освещённости сцены позиционер вынужден останавливать камеру, чтобы сделать возможным захват изображений с большими значениями выдержки. Соответственно, при использовании длиннофокусной оптики приходится чаще захватывать в кадр изображения, чем при использовании короткофокусных объективов.

При скорости съёмки 1 кадр в секунду в дневных условиях и фокусном расстоянии объектива 100 мм (что соответствует 0,188-гигапиксельной картинке) частота обновления общего изображения составляет 9 секунд, а при длиннофокусной съёмке (600 мм, или 6,638 мегапиксела) в ночное время частота обновления достигает 6 минут 11 секунд. Нет уверенности в том, что подобная частота обновления будет иметь хоть какую-либо оперативную ценность, поскольку время, в течение которого происходят инциденты, исчисляется скорее секундами, чем минутами. Впрочем, по некоторым данным, управляющий софт позволяет операторам задавать определённые области интереса, обновление изображений в которых производится чаще, чем на всех остальных участках изображения.

Скептическая нотка: система GWAS физически основана на том, от чего, по словам производителей мегапиксельных камер, должны увести пользователей системы сверхвысокого разрешения — от интенсивного использования механически изнашиваемых деталей. «Накрылся» поворотный механизм — и объект теряет мощное средство защиты. Какими бы надёжными ни выглядели изделия, защитить металл от износа или усталостного разрушения сможет только волшебник. А они, как известно, нашу отрасль не обслуживают.

Мультисенсорные монстры

Наращивание мегапиксельной мощи на одноматричной камере зашло в тупик. Понимая это, многие из лидеров сектора камер высокого разрешения перестраивают свои линейки в расчёте на альтернативное развитие событий. Например, американская компания Arecont Vision предлагает 8-мегапиксельные панорамные камеры, которые оборудованы четырьмя двухмегапиксельными сенсорами. На каждый сенсор работает отдельный объектив, а общее изображение интегрируется электронным путём. Результирующее изображение имеет соответствующие размеры и не вписывается ни в одно существующее устройство отображения видеоинформации. Собственно говоря, необходимости в таких мониторах нет: если речь идёт об одновременном захвате в кадр относительно протяжённой сцены видеонаблюдения, то, как правило, визуальному контролю подвергается лишь определённый набор зон интереса (regions of interest, ROI).

Mobotix пошли ещё дальше: выпустили камеру с двумя выносными модулями объективов, соединёнными с основным корпусом двухметровыми кабелями. Формально говоря, в этом случае можно усомниться в том, что, собственно, является камерой — прибор, в котором размещена электроника обработки сигнала и разъёмы ввода-вывода? При необходимости камеры могут быть направлены на два прилегающих участка, и электронный блок, используя внутренние вычислительные ресурсы, «сошьёт» изображения в единое целое. Собственно говоря, в мультисенсорных камерах именно так и происходит.

40 мегапикселов (Arecont Vision)

40-мегапиксельные панорамные камеры Arecont Vision SurroundVideo стали сенсацией осени прошлого года. Эти модели стали логическим развитием мультисенсорных камер, впервые выпущенных на рынок в 2006 году. В конструкции использовано четыре 10-мегапиксельных камерных головки. Каждый сенсор формирует изображение 3648x2752 пиксела с частотой обновления 5 кадров в секунду. Здесь предусмотрено два типа кодеков — H.264 и MJPEG. Для более уверенной работы в условиях слабой освещённости сцены имеется режим накопления зарядов (как вы помните, в этом режиме несколько хуже передаются изображения движущихся объектов).

Сделано в Калифорнии: 40-мегапиксельная панорамная камера Arecont Vision AV40185 (панорама 180°) и AV40365 (круговая панорама 360°)
Сделано в Калифорнии: 40-мегапиксельная панорамная камера
Arecont Vision AV40185 (панорама 180°) и AV40365 (круговая панорама 360°)

Панорамные камеры такого типа могут оказаться экономически оправданной альтернативой в проектах систем, где требуется использование механических поворотных камер с зумом либо большого количества камер для покрытия однородного участка территории охраняемого объекта. Камеры позволяют выделить области повышенного внимания (regions of interest, ROI) для проведения оперативного зумирования при просмотре живых и архивных изображений. Интересно, что сенсоры здесь конструктивно отделены друг от друга, а в 360-градусной модели даже предусмотрена их регулировка по углу наклона (±10°).

51 мегапиксел (Dallmeier)

Этот германский производитель славится функциональными и зачастую неожиданными решениями, не вписывающимися в общие тенденции рынка. Решение Panomera его создатели характеризуют как мультифокальную систему сенсоров, лежащую в основе принципиально новой камерной технологии. В конструкции использовано множество объективов, каждый из которых имеет собственную величину фокусного расстояния, что позволяет вести эффективное наблюдение за удалёнными объектами даже со сравнительно больших дистанций съёмки. Вполне естественно, что камера позиционируется на рынке как потенциальная замена большому количеству камер, плюс экономия на инсталляционных затратах, кабелях, креплениях и т.п.

Рекордсмен по мегапикселам в классе серийно выпускаемых камер — мультифокальная камера Dallmeier Panomera
Рекордсмен по мегапикселам в классе серийно выпускаемых камер —
мультифокальная камера Dallmeier Panomera

По заверениям производителя, всего лишь две такие камеры могут обеспечить полный обзор трибун футбольного стадиона
По заверениям производителя, всего лишь две такие камеры могут
обеспечить полный обзор трибун футбольного стадиона

В маркетинговых сообщениях руководство Dallmeier сопоставляет революционность новинки с успехом компании в 1992 году, когда на одной из выставок отраслевой общественности был представлен невиданный доселе прибор — цифровой видеорегистратор. Скептики, однако, не склонны сопоставлять эти прорывы между собой: идея многоматричной камеры не нова, и до сих пор нет чёткого представления, как все эти инновации скажутся на решении главной задачи систем видеонаблюдения — эффективной охране объектов.

Как и мультимегапиксельное решение от Avigilon, в состоянии поставки камера Panomera работает только лишь с «родным» софтом. Это несколько сужает круг потенциальных инсталляций. Тем не менее, производитель не теряет надежды отвоевать свой кусок рынка: в последнее время распространились заявления о том, что теоретически эта система может и не останавливаться на достигнутом разрешении. Технически достижимым пределом Dallmeier провозгласил 215 мегапикселов. Учитывая, что сама система не является отдельно взятой камерой, а представляет собой матрицу из нескольких рядов камер, на сегодняшний день максимально достижимая этой моделью «мегапиксельная крутизна» составляет... берём калькулятор... 17 камер по 3 мегапиксела = 51. Поздравляем, ответ сошёлся.

1 гигапиксел (проект университета Дьюка, США)

Никаких натяжек. Это действительно гигапиксельная камера. Пока ещё опытный образец — откровенно громоздкий, без изысканных дизайн-решений и рекомендаций для инсталляторов. Но опыт, судя по всему, уже удался. И то, насколько быстро этот принцип будет внедрён в практику производства серийных камер, вполне возможно, принесёт с собой немало изменений на рынке видеонаблюдения.

Студентам американского университета Дьюка в рамках научной работы была поставлена задача спроектировать многоцелевую гигапиксельную видеокамеру в минимальном форм-факторе и за как можно меньшие деньги. Традиционные монолитные линзы, увеличивающие значение F-числа и сложность построения объективов, к тому же ограничивают угол поля зрения при изменении фокусного расстояния в меньшую сторону. Кроме этого, сложившиеся в электронике подходы не в состоянии обеспечить абсолютно параллельную передачу видеопотоков и одновременный, а не поэтапный анализ крупноразмерных изображений. В проекте AWARE пошли по иному пути, объединив моноцентрический объектив с массивами вторичных микрокамер. Поскольку проекция камерных изображений в этой схеме производится не на плоские матрицы, а на моноцентрическую линзу, это позволяет исключить характерные геометрические искажения, возникающие при работе широкоугольных объективов.

Гигапиксельная камера AWARE2

Микрокамеры в данной конструкции играют роль вторичных линзовых систем, каждая из которых работает автономно. На рисунке представлена схема архитектурного решения, позволяющего обеспечить гигапиксельное изображение при помощи 98 микрокамер, имеющих совокупный угол поля зрения 120°x40°. Последующая обработка «сшивает» изображения в единую картинку с минимумом искажений. Всё это очень напоминает фасеточное зрение, характерное для насекомых. В существующем сегодня физическом воплощении системы в конструкцию каждой микрокамеры входит 14-мегапиксельная фокальная плоскость, механизм фокусировки и интерфейс передачи данных. На каждую пару микрокамер приходится по одному блоку управления.

Общая компоновка и суммарное поле зрения гигапиксельной камеры AWARE2
Общая компоновка и суммарное поле зрения гигапиксельной камеры AWARE2

Совокупное изображение в описываемой системе образуется в реальном времени путём совмещения изображений с микрокамер в памяти отдельного компьютера, связанного с камерой шиной передачи данных. Для исключения сложностей, могущих возникнуть при совмещении, программа расчёта вводит поправку на рельеф местности, где производится съёмка — в противном случае время, расходуемое на совмещение изображений, может вырасти в несколько раз. Режим моментальной фотографии позволяет получить полную картинку за 14 секунд — качество изображений вы можете оценить на иллюстрациях, выложенных в сети Интернет. По приводимой ссылке возможно зумировать отдельные участки изображения, и вы будете немало удивлены качеством съёмки. Режим живого просмотра позволяет вывести общий план либо участок изображения на выбранное устройство отображения — чтобы отпала необходимость в рендеринге всего массива пикселов одновременно.

Изображение с гигапиксельной камеры AWARE

Главное преимущество описываемой системы состоит в том, что она является идеально масштабируемой. Никаких ограничений на количество микрокамер нет. С использованием корпусов различной геометрии, один и тот же набор микрокамер может образовать 2-, 10- и 4- гигапиксельную систему. А суммарный угол поля зрения зависит от количества установленных микрокамер, при этом никаких изменений в конструкцию моноцентрического объектива либо микрооптики вносить не нужно.

Работающий прототип супергигапиксельной камеры, созданный силами Университета Дьюка и ряда других научных учреждений, уже попал в сферу интересов оборонного ведомства, и разработки перспективных моделей идут в настоящее время полным ходом. А открытая информация о них, сами понимаете, строго дозирована.

Новая репрезентация объекта

Итак, мы с вами убедились, что гигапиксельная гонка действительно подошла к логическому завершению: не выдержав темпов роста, гигаматрица рассыпалась на отдельные элементы. Услужливый управляющий софт тут же научился объединять по нескольку камерных изображений воедино. А что если вообще отбросить в сторону характеристики отдельных камер? В самом деле, неважно, каким образом и какими устройствами получены изображения. Управляющий софт вводит их в единую систему, а настройками операторы добиваются того, чтобы частота обновления кадров соответствовала важности участков объекта. В самом деле, привыкли же безопасники к интерактивным картам объектов. Почему бы не сделать и следующий шаг?

Речь идёт о создании обновляющегося интегрального изображения объекта в виде единой сцены, сшитой из изображений камер системы. При необходимости оператор может зумировать, панорамировать, задавать маршруты патрулирования, даже не задумываясь, силами каких камер получена картинка. В этом смысле видится логичным устанавливать суммарный показатель количества мегапикселов в системе с учётом зонирования, задающего различную плотность пикселов для разных участков объекта — в связи с решаемыми задачами охраны и угрозами, возникающими на этих участках. Такая система должна гибко конфигурироваться и иметь возможность генерировать технические требования к установке недостающих камер, чтобы обеспечить покрытие объекта видеонаблюдением. Соответственно, намного возрастает роль правильно проведённых процедур аудита и анализа рисков на объекте.

Интересно, что интегральное изображение вовсе не обязательно сохранять на носителях информации. На ответственных объектах достаточным будет организовать его дотревожную запись, на базе которой управляющий софт может выделить зону, подлежащую сохранению в полном разрешении — очевидно, на размеры этой зоны могут влиять размеры, визуальные признаки (например, изменение цвета) и параметры перемещения (скорость, ускорение) объектов, поведение которых признано нештатным. Здесь есть где развернуться видеоаналитике, по сути, оптимизирующей процессы записи изображений в системе.

В идеале можно получить интерактивную «живую» 3D-карту объекта, где в любой момент движением мышки оператор вызывает на экран реальное изображение нужной детали. Возможно, это когда-то фигурировало в фантастических боевиках. Наверняка сегодняшние учёные уже бьются над чем-то подобным в своих секретных лабораториях. И на рынке даже присутствуют решения, вплотную подошедшие к этому принципу. Возможно, всё дело в нас: ослеплённые и оглушённые рекламой не желающего сдаваться старого, мы часто становимся невосприимчивыми к новому. Тому самому, которое занимает самые скромные стенды на отраслевых выставках и, хватая вас за бэджик, с молодым задором спрашивает: «Хотите посмотреть, как работает наша система?»

ПОСЛЕСЛОВИЕ РЕДАКЦИИ

Эта статья написана отраслевым журналистом. Возможно, некоторые выводы, представленные в ней, могут показаться преждевременными, а кое-что может нуждаться и в уточнении. Нас очень интересует мнение наших читателей-экспертов: возможно ли, что видеонаблюдение на объектах будет действительно стремиться к тотальной оцифровке сцен видеонаблюдения и соответствующей «виртуализации» интерфейса — или это лишь фантастика, навеянная 3D-шутерами?

Кстати, автор клянётся, что никогда не играл ни во что подобное. Приглашаем к обсуждению этого материала на странице этой статьи. Будьте, как обычно, доброжелательны и конструктивны.


Возврат к списку

 Подписаться на RSS-канал