Интеллектуальные телекамеры для перспективных систем

Постоянное развитие элементной базы предоставляет новые возможности разработчикам электронной аппаратуры. Попробуем представить, как этот прогресс повлияет на сферу CCTV, в частности на характеристики телекамер.

Рассматривая перспективы развития систем видеонаблюдения, прежде всего хочется обратить внимание на следующие тенденции.

Увеличение разрешающей способности чувствительных элементов телекамер.

Увеличение производительности и степени интеграции микросхем.

Уменьшение габаритов и энергопотребления микросхем и накопителей информации.

Первая тенденция позволяет значительно улучшить качество изображения, а вторая и третья — создать высокопроизводительную компактную аппаратуру, способную в том числе работать автономно.

Увеличение размерности кадра — палка о двух концах Можно привести множество примеров ситуаций из области охранного видеонаблюдения, когда важна фиксация изображения с очень высоким разрешением (чем выше, тем лучше) и нужно получить ответы на такие вопросы: что человек несет в руках? кто вошел в подъезд здания? что за автомобиль скрылся с места ДТП? Очень часто видеозапись оказывается бесполезной для ответа на эти вопросы. Причина этого — низкое разрешение кадра и невозможность различить важные детали на изображении.

Получается, что видеозапись есть, а информации нет. Поэтому увеличение размерности кадра в системах видеонаблюдения нельзя не приветствовать. Но может ли информации быть слишком много? Ответ на этот вопрос не так однозначен.

В одном советском мультфильме волшебная антилопа, обладающая способностью ударом копыта о землю выбивать золото, спросила раджу: «А что, если золота окажется слишком много?» «Глупое животное, — рассмеялся раджа, — золота не может быть слишком много!» Чем все закончились, известно: золото превратилось в черепки, похоронив под собой жадного раджу. В случае с видеоинформацией также действует принцип «ничего не дается бесплатно». Увеличение разрешающей способности телекамеры приводит к многократному увеличению объема информации, которую несет в себе кадр.

Например, при переходе с формата 384×288 на 2048×1536 пикселей объем информации увеличивается почти в 30 раз. Эту информацию необходимо передать, обработать и сохранить. Соответственно увеличиваются требования к пропускной способности каналов передачи данных, быстродействию процессоров и емкости архивов, что во многих случаях оказывается неприемлемым.

Необходимость интеграции новых камер с уже существующим на объекте оборудованием передачи, обработки и хранения также накладывает свои ограничения. Следует помнить, что на средних и крупных объектах применение одной телекамеры оказывается недостаточным — как правило, там используются распределенные системы, состоящие из десятков, сотен и даже тысяч телекамер.

Поэтому решение задачи «в лоб» (то есть увеличения размерности кадра) является не только малоэффективным, но во многих случаях просто нереализуемым на практике.

Чтобы пояснить это утверждение, рассмотрим на примере распространенной системы (рис. 1), что означает увеличение кадра в 30 раз. На видеорегистратор поступает видеопоток с 16 телекамер.

Центральный процессор видеорегистратора осуществляет сжатие видеосигнала и, возможно, некую дополнительную обработку (например, детекцию движения в поле зрения телекамер). Получается, что при увеличении размерности кадра в 30 раз требования к пропускной способности каналов возрастут тоже в 30 раз, а скорость работы процессора и накопителя, а также емкость накопителя должны возрасти почти в 500 раз! А что если в качестве видеорегистратора используется персональный компьютер (распространенная в России практика) с шиной PCI? Он «захлебнется» от информации! Значит ли это, что применение камер высокого разрешения в видеонаблюдении остается возможным лишь в сверхдорогих специализированных системах? Конечно, нет! Телекамера с бортовым процессором Попробуем разобраться, как можно ограничить повышение требований к системе видеонаблюдения, вызванное увеличением размера кадра.

Возможным выходом из этой ситуации является создание телекамеры с программируемой настройкой «выходного разрешения». Есть необходимость рассмотреть изображение с максимальным разрешением? Пожалуйста, но в ущерб скорости передачи. Нет такой необходимости — телекамера будет транслировать видеопоток с пониженным разрешением. Решение данной задачи достигается переносом части вычислительной мощности от видеорегистратора в телекамеру. Это становится возможным благодаря тому же прогрессу в области элементной базы — если несколько лет назад для обработки видеопотока в реальном масштабе времени требовался громоздкий вычислитель, то теперь этот же вычислитель может уместиться в одной микросхеме. Упрощенная схема телекамеры с высоким разрешением и со встроенным процессором, осуществляющим предобработку кадра «на проходе», представлена на рис. 2 (функциональные элементы приведены условно, их перечень и схема соединения могут изменяться и дополняться). Помимо процессора телекамера может содержать развитый набор средств, способный расширить область ее применения, например:

набор проводных и/или беспроводных интерфейсов для передачи большого потока данных на дальние расстояния (IP, GSM/GPRS и т.п.); набор проводных и/или беспроводных интерфейсов для передачи небольшого потока на короткие расстояния (RS- 232/485, Bluetooth, Wi-Fi и т.п.); встроенный накопитель информации (возможно, съемный) достаточно большого объема, выполненный на миниатюрном жестком диске или модуле флэш-памяти; встроенный источник питания для автономной работы.

Изменение встроенного программного обеспечения бортового процессора позволит создавать различные приборы для решения широкого ряда задач видеонаблюдения. Телекамера «умнеет» При дальнейшем развитии новой концепции может появиться телекамера с управляемым разрешением в пределах отдельного кадра, имеющая функцию проведения выборочного сжатия.

Прежде всего отметим, что в большинстве задач анализа видео интерес представляет не весь кадр, а отдельные его участки.

Самые очевидные примеры — лица (в случае наблюдения за людьми) и регистрационные номера автомобилей (в случае наблюдения за транспортом). Уже сейчас существуют надежные алгоритмы, способные выделять на изображении лица, автомобили, номерные знаки и другие объекты.

Реализация этих алгоритмов в реальном масштабе времени на бортовом процессоре телекамеры возможна и оправданна.

Фото 1-3 демонстрируют предлагаемый выше принцип работы системы видеонаблюдения.

На фото 1 представлено изображение, выполненное телекамерой высокого разрешения.

На фото 2 — то же изображение, выполненное телекамерой с низким разрешением. Несмотря на выгодное отличие второго варианта от первого с точки зрения размера кадра, такое изображение оказывается бесполезным в случае необходимости фиксации номера автомобиля.

На фото 3 приведен смоделированный результат работы перспективной системы видеонаблюдения. Общий фон не содержит значимой информации, поэтому может передаваться с существенной потерей качества.

Благодаря этому без потери информации о номерном знаке уменьшается размер кадра, снижаются требования к пропускному каналу передачи видеоизображения и объему видеоархива. Разумным шагом будет являться перенос функции распознавания изображения (номера, текста, лица и т.д.) из центрального процессора в телекамеру. Телекамера превращается в интеллектуальный датчик В некоторых приложениях основная цель применения системы видеонаблюдения — не получение (сохранение) визуальной информации, а автоматическое детектирование какого-либо события, более сложного, нежели движение в кадре.

Например, в задачах управления дорожным движением и контроля за дорожно-транспортной обстановкой актуально автоматическое определение факта ДТП или грубого нарушения правил дорожного движения (выезд на встречную полосу, проезд на красный свет и т.п.). В этом случае видеоинформация передается (сохраняется) только в случае подобного происшествия. Повышение качества алгоритмов и рост быстродействия специализированных процессоров позволяет говорить о возможности создания компактных приборов, обеспечивающих в реальном времени надежное решение различных задач анализа обстановки по видеоизображению. Директор по развитию компании ITV М.В. Груздев Опубликовано: №2005-Каталог «CCTV»