Полезность видеокамеры, как датчика информации об объекте наблюдения: предлагаем критерий сравнения

Предлагаем ввести для ранжирования видеокамер (особенно IP-видеокамер) количественный и однозначно определяемый показатель: полезность видеокамеры (для решения конкретной задачи) - это комбинация 3 (трёх) чётко определённых и просто изменяемых параметров, которые, с нашей точки зрения, полностью определяют пригодность (полезность) видеокамеры для решения данной конкретной задачи:

http://www.security-bridge.com/blogs/informacionnaya_polnota_informacionnoe_kachestvo_i_informacionnaya_mownost_videokamer/

Соблазн отыскать единый, универсальный показатель качества видеокамер реально существует, причем, уже довольно длительное время. Действительно, насколько бы меньше на рынке безопасности было бы спекуляций на неоднозначности ценностных показателей видеокамер, если бы удалось разыскать этот "философский камень".

То, что такой единый параметр до сих пор не нашелся, может быть следствием двух причин:

• нашей ленностью (куда без нее?),
• непростым решением этой задачи.

Слово "непростой" я употребил для обозначения одного из важнейших требований, которым должен отвечать подобный параметр: возможность его доступного использования в рыночной среде, среди специалистов, несколько удаленных от академической среды.

Поэтому прогнозирую, что вслед за предложением Вокорда создать единый подход к оценке видеокамер (который нельзя не приветствовать!), появится немало и противников подобного подхода - в силу инерционности, косности, корпоративных интересов и пр.

С другой стороны, это было бы и прекрасно - с момощью критики, как на оселке, проверить точность и жезненность предлагаемого подхода.

Попробую высказаться более конкретно и задать некоторые вопросы (вопросы вообще задавать легче, чем что-то придумывать самому :-).

1. Информационная полнота

Речь идет о том, что каждая видеокамера осуществляет временные выборки из того (квазинепрерывного) светового потока, который поступает на матрицу.

Действительно, если имеется одна видеокамера, работающая с частотой 50 изображений (не буду говорить, полей) в секунду и временем экспозиции 1 мс, то это составляет всего лишь 5% от максимально возможного времени экспозиции. Грубо говоря, если как тот математик в шутке про изготовления стола на одной ножке и устремлении затем числа ножек к бесконечности - если мы возьмем теперь 20 таких камер, установим их в одной точке, синхронизируем их затворы со сдвигом на 1 мс, и мы получим непрерывное во времени изображение, без пропусков. И будем счастливы?

Если мы говорим о полезности видеокамеры, то должны задаться вопросом, насколько полезен такой подход, что мы выиграем при этом?

Мне кажется полезность не может рассматриваться в отрыве от постановки конкретных задач. Например, если мы говорим об использовании видеокамер в системах безопасности, то мы можем ограничиться диапазоном скоростей перемещения человека (или автомобиля) на реальных расстояниях от видеокамер без риска потери ценной информации, и тогда ценность относительного "времени приема фотонов" может рассматриваться вполне предметно, без стремления к 100%.

С другой стороны, если мы сказали "информационная полнота", то разве можно эту полноту ограничивать временными рамками? А как же пространство? И здесь то же не все однозначно: максимально большой угол обзора - это далеко не всегда преимущество. Стремление к 100% и здесь дорога в никуда.

Если же рассматривать полезность самой видеокамеры (без объектива), то остается ниша для каких-то недоговоренностей, а значит, спекуляций (вспомните, как в свое время в прайс-листах все на перегонки стали указывать углы обзора по диагонали для камер, поставляемых с объективами).

Образно говоря, я бы сказал, что предлагаемая "информационная полнота" оказывается не полной.

2. Качество изображения

Вообще говоря, о качестве изображения можно говорить очень долго - каких только показателей нет (геометрические искажения, искажения цветопередачи и пр.). Поэтому, наверное, название данного параметра можно принять как условное.

Предлагается оценивать качество как относительное смещение изображение не более, чем на 1 пикс. Хорошо, что есть конкретика, число.

А как быть со статическими изображениями? Когда не важен этот сдвиг на 1 пикс?

Вот у меня есть видеокамера, которая не вписывается в этот показатель (она хуже), но стоит задача получать фиксированные изображения или периодически отображать довольно статическую картинку (участок пустой трассы, часть побережья до горизонта и пр.) - моя камера с успехом справляется с этими задачами, но несет на себе клеймо некачественной?

3. Информационная мощность

Здесь можно согласиться, что данный параметр объективно отображает качество той или иной видеокамеры. И здесь все более или менее понятно: чем больше пикселов, и чем с большей скоростью эта информация может передаваться, тем больше передаваемый от камеры объем информации, тем больше ее ценность как источника информации. Конечно, это интегральная характеристика:

• одни видеокамеры могут передавать большой объем информации, но крайне редко (с малой скоростью обновления),
• другие видеокамеры могут часто отображать картинку с малым разрешением.

Однако результирующие характеристики у них могут быть близкими, при этом из паспортных данных будет не очевидна их полезность для конкретных задач.

Однако для IP-камер не менее важным является и то, насколько полезным явлется поток данных после сжатия. То есть потенциальная информационная мощность однозначно описывает возможности использования видеоаналитики прямо в камере, но сколько, например, "витаминов" останется в этой информации после использования "консервантов" и транспортировки?

Вот это, на мой взгляд, еще одно из направлений оценки "полезности" IP-камер.

Кроме того, мне не кажется очевидной необходимость суммирования возможных видеопотоков: есть потенциальная информационная мощность, что дает суммирование потоков, которые заведомо хуже потенциального - здесь можно много насчитать.

В целом же, хочется приветствовать Вокорд в его стремлении и инциативе при постановке (и решении?) данной не простой задачи.

Сначала ответим на возражения по первому пункту - информационная полнота.

1. Информационная полнота

... мы получим непрерывное во времени изображение, без пропусков. И будем счастливы?

...мы можем ограничиться диапазоном скоростей перемещения человека (или автомобиля) на реальных расстояниях от видеокамер без риска потери ценной информации, и тогда ценность относительного "времени приема фотонов" может рассматриваться вполне предметно, без стремления к 100%.

Сколько уже "копьев сломано" в спорах про светочувствительность! Ведь в системах безопасности как раз самую интересную информацию хочется и необходимо получать в самых сложных условиях освещённости: когда мало света, когда объекты интереса слабоконтрастны, когда они быстро движутся. И здесь единственный путь - это увеличение информационной полноты, т.е. сбор максимального числа фотонов, "прилетающих" из зоны контроля. А какая ценность у постановочной картинки? - Среди бела дня, как правило, мало что опасного происходит. Именно риск потери ценной информации и отражен в параметре информационная полнота. Кстати, хороший пример про автомобиль. Для аналоговых камер, и зона контроля в простанстве невелика, и выдержку нельзя увеличить более 1 мсек (потому что качество изображения из-за смаза будет полностью неприемлемым). А на больших скоростях >200 км/ч (это ли не опасность, которую обязательно нужно зафиксировать!) автомобиль может проскочить зону контроля, так и не оставив следов - из-за ограничений частоты кадров (не более 50 fps) не зафиксируется ни одного изображения с этим автомобилем.

С другой стороны, если мы сказали "информационная полнота", то разве можно эту полноту ограничивать временными рамками? А как же пространство? И здесь то же не все однозначно: максимально большой угол обзора - это далеко не всегда преимущество. Стремление к 100% и здесь дорога в никуда.

Пространственная полнота учтена в параметре P (когда вычисляется истинно пространственное разрешение оптической системы "от света до света" в терминах ТВЛ и умножается на разрешение в терминах интенсивности (контраста)). Из за того, что параметры C (полнота во времени) и P (полнота в пространстве и в контрасте) входят в итоговую формулу информационной полезности:

U = C^α * Q^β * P

как произведение, то учитываются равноправно оба фактора.

Если же рассматривать полезность самой видеокамеры (без объектива), то остается ниша для каких-то недоговоренностей, а значит, спекуляций (вспомните, как в свое время в прайс-листах все на перегонки стали указывать углы обзора по диагонали для камер, поставляемых с объективами).

Объективы, конечно же, учитываются. Хотелось бы акцентировать внимание ещё раз: в параметре P измеряется пространственное и контрастное разрешение всего тракта оптической системы "от света до света". Т.е. учтены и ЧКХ объектива, и пространственная дискретность матрицы видеосенсора, и встроенные алгоритмы обработки видеоинформации, и компрессия, и ограничения производительности тракта трансляции.

Наверное, в понятие полезности видеокамеры должны входить и такие характеристики, как возможность ее адаптироваться к условиям окружающей среды (диапазон рабочих температур, уровень IP и т.д.), а также возможность работы не только при низкой, но и высокой освещенности.

До кучи: а вандалозащищенность - это полезный параметр?

2. Качество изображения

Вообще говоря, о качестве изображения можно говорить очень долго - каких только показателей нет (геометрические искажения, искажения цветопередачи и пр.). Поэтому, наверное, название данного параметра можно принять как условное.

в параметре P измеряется пространственное и контрастное разрешение всего тракта оптической системы "от света до света". Поэтому, все параметры, которые влияют на чёткость и контраст, учтены. Что касается цветопередачи, то это отдельная большая тема, которая, в предлагаемых критериях оценки, действительно никак не учтена. Можно ввести в итоговую формулу ещё один множитель Dс весовым коэффициентом γ ≥ 1 :

U = C^α * Q^β * P * D^γ

где: D = 1 / (1+ ΔE) , ΔE - цветовое различие, вычисленное в координатах (L^*, а^*, b^*) в системе МКО 1976 CIELAB.

Предлагается оценивать качество как относительное смещение изображение не более, чем на 1 пикс. Хорошо, что есть конкретика, число.

А как быть со статическими изображениями? Когда не важен этот сдвиг на 1 пикс?

Вот у меня есть видеокамера, которая не вписывается в этот показатель (она хуже), но стоит задача получать фиксированные изображения или периодически отображать довольно статическую картинку (участок пустой трассы, часть побережья до горизонта и пр.) - моя камера с успехом справляется с этими задачами, но несет на себе клеймо некачественной?

Вообще-то в формуле учитывается сдвиг L на любое количество прикселов (в том числе дробное), но L всегда ≥ 1. И ещё введён весовой коэффициент β , который учитывает значимость этого параметра для конкретной задачи. Поэтому, для обзорного видеонаблюдения за "участком пустой трассы, частью побережья до горизонта и пр.", варьируя этот коэффициент, можно загрубить или вообще исключить его влияние на итоговый результат.

Наверное, в понятие полезности видеокамеры должны входить и такие характеристики, как возможность ее адаптироваться к условиям окружающей среды (диапазон рабочих температур, уровень IP и т.д.), ...

До кучи: а вандалозащищенность - это полезный параметр?

Мы рассматриваем информационную полезность U , но если хочется учесть другие характеристики видеокамеры: её вандалозащищённость, массу, размер, то тогда, по-видимому, надо добавлять ещё множители в формулу (со своими весовыми коэффициентами).

а также возможность работы не только при низкой, но и высокой освещенности.

Ну, с высокой освещённостью все проще. Частично она учтена в множителе P , когда рассчитывается динамический диапазон контраста. Всё-таки, как нам кажется, динамический диапазон важнее, чем способность видеокамеры работать в "сильно пересвеченной", но укладывающейся в охватываемый динамический диапазон, сцене (в этом случае проблема легко решается объективом с АРД).

1. Где размерности?

Формула (3).

1. Зачем использовать энтропию, когда и так понятно, что с увеличением количества пикселов в матрице неопределенность возрастает.

2. Не понятно, что есть хорошо, когда S=0 или S=1

3. Если Н или V=0 формула не работает. А такие матрицы (строка, столбец) существуют.

Формула (4).

Информационная мощность больше, чем хуже разрешение камеры. Как-то не вяжется с логикой.

Прежде чем придумывать новые показатели, мне кажется нужно разобраться с существующими и научиться с их помощью описывать возможности оборудования.

Посмотрите, как уважающие свой продукт фирмы представляют свои IP камеры. Наверно это хороший пример для подражания.

http://comonyx.com/co-pro-i20hs2dnp-0003.html

http://comonyx.com/co-pro-i20hs0dnp-0002.html

http://comonyx.com/co-pro-i20ds2irpv-0009.html

http://comonyx.com/co-pro-i20ds2irpv-0010.html

1. Где размерности?

Так написано же: C , Q - безразмерные и всегда 0 < C , Q ≤ 1.

P , U - размерные величины и пропорциональны количеству информации, которое транслирует камера в единицу времени, и измеряются в бит/сек или, что более корректно, в сек^-1 .

Формула (3).

1. Зачем использовать энтропию, когда и так понятно, что с увеличением количества пикселов в матрице неопределенность возрастает.

Вопрос не понятен. В формуле фигурируют не количество пикселов, а число ТВЛ по горизонтали Н и вертикали V ( ТВЛ определено как MTF50 - число чёрно-белых пепепадов при MTF = 50%, измеренное по методике ISO-12233 )

Формула (3).

2. Не понятно, что есть хорошо, когда S=0 или S=1

Чем больше S - тем лучше ( S всегда > 0 )

Формула (3).

3. Если Н или V=0 формула не работает. А такие матрицы (строка, столбец) существуют.

Если матрица - строка или столбец (линейный видеосенсор), то H или V приравнивается 1.

Формула (4).

Информационная мощность больше, чем хуже разрешение камеры. Как-то не вяжется с логикой.

Информационная мощность тем больше, чем больше разрешение камеры (логарифм - монотонная возрастающая функция, и сумма положительных чисел всегда положительна и всегда больше любого из слагаемых). Как вы сделали обратный вывод?

Посмотрите, как уважающие свой продукт фирмы представляют свои IP камеры. Наверно это хороший пример для подражания.

http://comonyx.com/co-pro-i20hs2dnp-0003.html

Компания Вокорд с момента создания и выпуска на рынок своих камер Vocord NetCam всегда своим партнёрам даёт полную информацию о всех характеристиках продукции, в том числе ЧКХ (MTF) оптического тракта камера + объектив.

Да, молодцы компания Оникс! Наконец-то появился продавец IP-видеокамер (а не только производители), который начал публиковать ЧКХ для камер.

Кстати, диагональ видеосенсора 1/2.8", а число пикселов для этой матрицы Sony Exmor равно 2048 x 1536 ( ~3 МПикс), тогда размер пиксела равен 2.54 x 2.54 микрон. И хорошо видно, что объектив не дотягивает до пространственного разрешения матрицы. И пространственное разрешение MTF50 связки (камера+объектив), измеренное по ISO-12233, меньше 1.7 "эффективных МП", что почти в 2 раза меньше разрешения матрицы.

Уважаемые коллеги!

Мы можем далеко уйти в теорию, уже дошли до матрицы-строки и матрицы-столбца (что-то я не слышал об их использовании в видеонаблюдении).

Может, зайдем с обратной стороны: прикинем полезность самого показателя "полезность видеокамеры"?

То есть было бы прекрасно, если бы Вокорд (или кто-то другой, воспользовавшись их методикой) дал бы численную оценку десятку-другому популярных сейчас на рынке видеокамер - тогда можно было бы оценить то, как "полезность видеокамеры" коррелируется с ее реальной популярностью.

Да, на популярность влияют многие факторы (цена, отсутствие достоверной информации, договорные отношения, недобросовестная реклама и т.д.). И тем не менее, если исходить из того, что в массе технических решений проявляется коллективный разум, то, хоть и с осторожностью, но воспользоваться показателями рынка было бы разумно. Захотят ли производители, продавцы, интеграторы и просто монтажники поделиться информацией о своих наиболее популярных видеокамерах (и почему) - вот вопрос.

Давайте обратимся к ним с этой просьбой!

А с другой стороны, игнорировать реалии было бы неразумно - ведь "полезность ведиеокамеры" предлагается рынку для практического использования, а не для кулуарных обсуждений в узком кругу, не так ли?

было бы прекрасно, если бы Вокорд (или кто-то другой, воспользовавшись их методикой) дал бы численную оценку десятку-другому популярных сейчас на рынке видеокамер - тогда можно было бы оценить то, как "полезность видеокамеры" коррелируется с ее реальной популярностью.

Посчитать полезность можно только для видеокамер, для которых:

1) известны ЧКХ (MTF) связки камера+объектив

2) Извеcтна задача, для которой предполагается использовать видеокамеру, тогда можно договориться о весовых коэффициентах α , β

Кстати, диагональ видеосенсора 1/2.8", а число пикселов для этой матрицы Sony Exmor равно 2048 x 1536 ( ~3 МПикс), тогда размер пиксела равен 2.54 x 2.54 микрон.

Откуда такая информация?

Здесь же написано, что 2Мп с размером кадра 1920х1080 http://comonyx.com/co-pro-i20hs2dnp-0003.html

Разрешение по Найквисту для этой камеры 1440твл, а камера с объективом выдает 1325твл. Это вполне достойный результат.

И пространственное разрешение MTF50 связки (камера+объектив), измеренное по ISO-12233, меньше 1.7 "эффективных МП", что почти в 2 раза меньше разрешения матрицы.

Сначала покажите ФПМ ваших камер, а потом критикуйте других. По ссылке, которую Вы дали Гонте найти ФПМ не удалось.

Посчитать полезность можно только для видеокамер, для которых: 1) известны ЧКХ (MTF) связки камера+объектив

Мы готовы в виде исключения (бесплатно) протестировать любую из ваших камер используя ФПМ.