Особенности проектирования видеонаблюдения с IP-камерами fish-eye

Что такое fish-eye

«Fish eye» (произносится как «фишай») в переводе означает «рыбий глаз». Имеется в виду тот факт, что строение глаза большинства рыб позволяет обозревать окружающую обстановку с углом 180^o, практически не оставляя «слепых» (непросматриваемых) зон. Оптические схемы такого типа стали использоваться задолго до появления IP-камер — в конструкции дверных глазков, в художественной фотографии для получения различных эффектов. Мы же поговорим об использовании «рыбьего глаза» в сфере охранного видеонаблюдения.

Прежде всего разделим понятия «IP-камера с объективом типа fish-eye» и «IP-камера типа fish-eye». В первом случае имеется в виду «обычная» IP-камера с установленным «фишай» -объективом. Во втором случае подразумеваются камеры, имеющие не только объектив с углом зрения 180^o, но и некоторые специфические функции в «прошивке» (о которых поговорим ниже). Такие камеры также называют «панорамными» или просто «фишай» — и именно таким камерам посвящена статья.

Сферы применения камер fish-eye

Обычно к сферам применения относят:

• Общий обзор
  Довольно спорный момент. Да, безусловно, «рыбий глаз» разом охватывает большую площадь, но геометрические искажения и малая плотность пикселей на периферии могут свести на нет преимущество широкого обзора. В итоге все зависит от наличия/отсутствия требований по разборчивости наблюдаемых объектов. Если стоит задача общего контроля обстановки, то «фишай» может подойти, если же требуется какое-либо распознавание, то от «рыбьего глаза», скорее всего, придётся отказаться;
• «Подсчёт посетителей» или «тепловые зоны»
  Поскольку вести наблюдение в таких случаях нужно за довольно большими зонами нахождения людей, и нет необходимости в просматривании деталей внешнего вида, то «фишай» действительно удобен для такого рода задач;
• Наблюдение в труднодоступных местах
  Типичным примером являются т. н. системы осмотра днища автомобилей (англ. UVSS), особенно мобильные их варианты. Для таких систем характерно сочетание малого расстояния от камеры до автомобиля с требованием максимально широкого угла обзора — и в этом случае использование «фишай» -камер является естественным выбором;
• Наблюдение на транспорте
  Чаще всего встречается использование фишай-камер на автомобилях (помощь водителю при парковке), но могут быть и другие примеры, связанные с максимальным охватом наблюдаемого пространства (пассажирские салоны, тамбуры, кабины персонала и т.п.).

Мы не станем углубляться в специфику описанных задач и сосредоточимся на изучении характерных черт камер типа «fish-eye» с целью помочь проектировщикам, работающим с камерами этого типа.

Специфические особенности IP-камер типа fish-eye

Далее речь пойдёт не только о каких-то уникальных свойствах фишай-камер, но и об учёте этих свойств при проведении расчётов потоков и плотности пикселов, т.е. при выполнении работ, обязательных для всех типов проектов видеонаблюдения.

Характеристики изображения

Основная и главная особенность отражена в названии: получение максимально широкого угла обзора без «слепых» зон. В поле зрения камеры находится всё вокруг и к ней невозможно приблизиться незамеченным (особенно при установке на стене или на потолке). Этакое «всевидящее око Саурона» в охранном видеонаблюдении.

И здесь необходимо учитывать следующее: указываемое в характеристиках разрешение IP-камеры является разрешением используемой матрицы, но не разрешением именно изображения. Чёрные участки на картинке с камеры не содержат какой-либо информации (являясь следствием несовпадения «круглой» картинки и прямоугольной матрицы). Имея дело с камерой разрешения 2592x1944 (5 Мпикс), мы получим изображение с разрешением π * (1944/2)²=2 968 126 пикс≈2,83 Мпикс (согласно формуле площади круга, вписанного в прямоугольник).

Теперь перейдём к теме плотности пикселов.

* исключение — «Panomorph». Про эти объективы расскажем ниже.

Мы измерили плотность пикселей, наблюдая один и тот же предмет на одном и том же расстоянии, но под разными ракурсами. В качестве тестового предмета использовался строительный уровень-линейка, количество пикселей узнавали через встроенный счётчик камеры, для сравнения взяли «обычную» корпусную камеру с объективом 2,8 мм. Для понимания процесса приведем несколько скриншотов.

Полученные графики изменения плотности пикселов в зависимости от угла отклонения объекта от оси наблюдения камеры:

Результаты измерения показывают, что обе камеры имеют достаточно максимальную плотность пикселов на метр в центре изображения и равномерный спад по краям. Это значит, что обычные приёмы оптических расчётов вполне применимы к «фишаям», при условии, что наблюдаемые объекты будут находится близко к центру «картинки»; по отношению к объектам у границ изображения следует учитывать снижение плотности пикселов согласно графику.

Обратим внимание и на такой момент: границы изображения могут оказаться нечёткими, с какими-то неровными и полупрозрачными переходными областями и даже какими-то непонятными выпирающими участками. Производитель же в ответ на недоумение пользователя может сказать, что это такая вот особенность камер и порекомендовать включить в настройках функцию маскирования краёв («Border Mask») — граница станет круглой, ровной и красивой; «ложкой дёгтя» станет некоторое сужение угла зрения.

Паноморфные объективы «фишай»-камер

Стоит затронуть тему т.н. «паноморфных» («Panomorph») объективов. Вкратце: это широкоугольные объективы со специально изменённой (запатентованной) геометрией линз, призванные:

1. получить бОльшую плотность пикселей по краям изображения. Визуально при этом увеличиваются удалённые от края объекты и уменьшается центральная зона.
2. максимально использовать площадь матрицы. Грубо говоря, вместо круглой картинки мы получаем эллиптическую.
3. одновременно и то, и другое.

Не станем убеждать в очевидной полезности паноморфных объективов. Да, конечно, неплохо получить бОльшую различимость по краям и максимально уменьшить размеры ненужных чёрных углов. Однако использование таких объективов не решает проблему геометрических искажений.

Встречаются такие объективы редко: то ли из-за цены (сопоставимо с ценой «брендовой» уличной камеры в сборе), то ли в силу недостаточного информационного сопровождения, или же из-за ориентированности на какие-то специфические задачи. По внешнему виду эти объективы ничем не выделяются, в документации обозначаются словом «Panomorph» и указанием конкретного типа (A0**V, A1UST, A8TRT и пр.). Заметим, что ПО видеонаблюдения должно уметь корректно работать с «паноморфным» изображением, т. е. в документации должны быть указаны типы поддерживаемых объективов вида Panomorph.

Величина потока и глубина архива

Очередной момент, с которым связана работа проектировщика – расчёты потоков (и, соответственно, глубины архивов) с IP-камеры. Т.к. размер потока напрямую зависит от разрешения изображения, ещё раз обратим внимание на то, что в случае «фишай»-камеры разрешение полезного изображения не равно разрешению матрицы. Теоретически это означает, что поток с «фишай»-камеры должен быть меньше, чем с «обычной» камеры такого же разрешения. Проверить это на практике чрезвычайно затруднительно, т.к. количество движения в поле зрения «фишая» всегда будет больше, чем у «обычной» камеры (ввиду большего угла обзора).

Тем не менее мы попробовали провести ряд опытов и хотим поделиться результатами. Мы брали «обычную» корпусную камеру и камеру «fish-eye», устанавливали одинаковые настройки изображения и потоков (H.264, 12 к/с, VBR, сжатие 30) и пробовали снимать максимально близкие по характеру сцены. Измерив величины образующихся потоков, постарались найти закономерности. И вот что у нас получилось.

Очевидно, что размеры архивов камер типа «фишай» также будут существенно меньше (в той же пропорции, что и потоки) сопоставимых «обычных» камер.

Дополнительные режимы работы fish-eye IP-камер

Речь пойдёт о функциях прошивки, имеющихся только у fisheye-камер и реализующих дополнительные режимы отображения: имитация до 4 независимых физических камер, смотрящих в разные стороны, «склеивание» и «разворачивание» изображений в панорамный вид и пр. Набор функций может отличаться у разных производителей; «по умолчанию» используется т.н. Overview – как раз та самая «круглая картинка в чёрном прямоугольнике».

Общее свойство этих режимов — изображение, полученное с их использованием, будет более привычного прямоугольного вида. Это достигается в т.ч. за счёт программной коррекции геометрических искажений силами ЦП камеры. При этом, однако, ввиду неравномерности плотности пикселей на таком изображении неизбежны размытые участки (особенно касается прикраевых областей).

Ниже показано использование режимов типа «View», которые эмулируют работу 4 независимых «обычных» камер, смонтированных в одном и том же месте. В центре – т.н. режим «Overview», в котором изображение идёт с камеры одним целым. Справа и слева – те самые режимы «View Area» (4 шт.); изображение с камеры «разнесено» на 4 независимых канала (зоны). Оценить коррекцию изображения можно по отображению удалённых от центра объектов (обведены цветными овалами).

До сих пор мы говорили об особенностях камер — далее перейдём к особенностям ПО, касающихся работы с камерами типа «fish-eye».

Особенности работы ПО с камерами типа «фишай»

Ранее – в пособии и в видеоинструкции - мы уже говорили об особенностях работы с камерами «fish-eye» ПО Интеллект. Сейчас попробуем дать общий обзор таковых особенностей.

Общий момент у наиболее распространённых марок ПО видеонаблюдения, пожалуй всего один: любое ПО может показывать, записывать и воспроизводить изображение с «фишай»-камер в режиме «Overview». Разница же между ПО заключается в:

• перечне поддерживаемых доп. режимов «фишай»-камеры («Panorama», «QuadView» и др.);
• наличие собственных программных алгоритмов обработки круглого изображения и создания видов для отображения оператору;
• выборе потока для записи в архив;
• политике лицензирования камер.

И тут можно выделить два принципа работы ПО.

Первый (характерен для зарубежных производителей): каждый режим отображения можно использовать на запись и отображение как отдельную независимую камеру, но лицензия при этом одна – на IP-камеру как на физическое устройство. Доп. режимы, как правило, поддерживаются все.

Запись в архив при этом идёт по принципу «что на экране – то и в записи». Т.е. если «фишай» подключен только в режиме «View» (имитация «обычной» камеры), то воспроизвести архив в режиме «Overview» уже не получится.

Второй (характерен для отечественного производителя): «фишай»-камера подключается в каком-то одном своём режиме (обычно OverView, в некоторых ПО возможен выбор другого режима), который будет использоваться прежде всего для записи в архив. А для отображения оператору при этом можно выбрать другой —из собственных, встроенных в данное ПО и независящих от камеры режимов отображения. При этом хранящееся изображение в архиве никак не связано с отображением оператору — и тот же OverView может быть воспроизведен как, например, Panorama (при условии, что в ПО реализован соответствующий режим).

Использование же ещё одного режима, встроенного в камеру, рассматривается как подключение ещё одной физической камеры. Некоторые ПО позволяют отобразить на экране один «фишай» сразу в нескольких программных режимах, но для независимой записи каждого из них всегда требуются дополнительные лицензии.

Разницу в возможностях и политике лицензирования можно увидеть в таблице ниже, где указан функционал, который можно получить в рамках одной лицензии на камеру:

Там, где в таблице указано "Нет", или "Да", но с некоторыми оговорками, не всегда означает, что это невозможно. Для реализации некоторых функций просто потребуется приобретение дополнительных лицензий. Например, AxxonNext может задействовать все встроенные режимы с камеры, отобразить камеру во всех возможных режимах одновременно, и даже записывать изображение в любом дополнительном режиме с камеры fish-eye, но за это все придётся заплатить дополнительными лицензиями - по одному на каждый дополнительный задействованный режим.

В завершение стоит сказать, что многие (но не все) ПО также имеют программную поддержку объективов типа Panomorph – к счастью, эта функция не требует отдельного лицензирования.

Выводы и рекомендации

Поскольку тема статьи связана с проектированием, то и наши советы адресованы прежде всего проектировщикам систем CCTV, хотя могут быть интересны и инженерам. Итак:

1. Для оптических расчётов вполне можно использовать онлайн-калькуляторы — беря за основу некую усреднённую «типовую» камеру и подставляя значения фокусного расстояния из документации на «фишай». При этом помните о снижении плотности пикселов по краям изображения.
2. Камеры типа «fish-eye» непригодны для задач распознавания (номеров, лиц и пр.) – не только из-за сильных искажений пропорций, но и большой неравномерности плотности пикселов, даже при использовании режимов с коррекцией искажений.
3. Всегда надо помнить, что в случае «фишая» указанное разрешение матрицы - это не разрешение изображения, и учитывать этот факт при расчётах потоков и архивов. Можно использовать полученный нами «понижающий» коэффициент 1,4 для динамических сцен.
4. Следует отличать ПО друг от друга в плане характера записываемого изображения. Есть ПО, которое записывает архив независимо от выбранного типа отображения на экране оператора, а есть и ПО, которое записывает в архив именно то изображение, которое наблюдает оператор. Уточняйте этот момент для выбранного вами ПО.
5. Если задача наблюдения предполагает использование одновременно нескольких разных режимов работы «фишай»-камеры, необходимо уточнить политику лицензирования для каждого ПО («одна лицензия на физическое устройство» или «на каждый поток – своя собственная лицензия»).

Заключение

Мы рассмотрели не совсем обычный тип видеокамер, указали на специфические особенности и даже попытались провести собственные исследования с целью не только выявить наиболее важные моменты, которые должны быть учтены на стадии проектирования, но и помочь нашим читателям получить реальное, адекватное представление о целом классе IP-устройств и о технологиях охранного видеонаблюдения в целом.

Подробно тему особенностей проектирования систем видеонаблюдения с камерами типа fisheye мы рассмотрели в нашем вебинаре: