عوامل موثر بر کیفیت دوربین مداربسته چیست؟

اندکی پیش از این دوربین های تحت شبکه با رزولوشن های VGA و D1 در بازار معمول بودند. آن زمان تقریبا همه می دانستند که کیفیت تصویر را چگونه ارزیابی کنند. با ورود دوربین های تحت شبکه 1 و 1.3 مگاپیکسلی هم همچنان مقایسه کیفیت دوربین ها سخت نبود. در حال حاضر با معرفی دوربین های چند مگاپیکسل که تا رزولوشن 10 مگاپیکسل نیز تولید می شوند تشخیص و مقایسه دوربین های مداربسته کیفیت بالا و پایین ساده تر شده است. آیا واقعا یک دوربین 10 مگاپیکسل تصویر  کیفیت بیشتری از یک دوربین 4 مگاپیکسل دارد؟

جواب این سوال خیر است . لزوما تعداد بالاتر پیکسل ضمانتی برای کیفیت بالاتر تصویر نهایی نیست.

به مثال زیر دقت کنید. دو تصویر با رزولوشن های متفاوت ارائه شده اند.

با یک نگاه اجمالی می توانید تشیص دهید که کیفیت تصویر سمت چپ به مراتب بهتر از تصویر دیگر است. جزییات بسیار روشن و واضح هستند اما تصویر سمت راست مات و ناخواناست با اینکه در هر دو مورد لنز به خوبی فوکوس شده است. اگر دوربین شما تصاویری با تعداد پیکسل زیاد تولید کند که مانند تصویر سمت راست وضوح خوبی ندارند شما بسیاری از جزییات را از دست خواهید داد و در عین حال پهنای باند بسیار زیادی را مشغول می کنید و فضای زیادی برای ذخیره تصاویر آن نیاز دارید. در تصویر نهایی دوربین های مدار بسته فاکتور های دیگری نیز علاوه بر کیفیت تصویر و رزولوشن خروجی تاثیر گذار است. در قسمت بعد فاکتورهایی که بر کیفیت تصویر نهایی تاثیر دارند را معرفی می کنیم.

عوامل موثر بر روی کیفیت نهایی دوربین مدار بسته

کیفیت تصویر نهایی را می توان از روی تصاویر ارسالی از دوربین مداربسته ارزیابی کرد. فرآیند تبدیل نور دریافتی به یک تصویر کامل تقریبا پیچیده است  که همه مراحل با وجود اختلاف هایی که دارند اهمیت فراوانی دارند. ارتقای سنسور تصویر که یک حلقه از زنجیره تولید تصویر است تغییرات اندکی را در کیفیت تصویر ایجاد می کند ، اگر حلقه های دیگر این زنجیره ارتقا پیدا نکرده باشند حتی ممکن است موجب بی کیفیت تر شدن تصویر نهایی نیز گردد . فاکتورهایی که بر کیفیت تصویر نهایی تاثیر دارند عبارتند از: لنز ، سنسور اصلی تصویر ، پردازنده تصویر دوربین (که همه امکانات از قبیل  , BLC , HLC ,WDR، DNR , Star Lightو … در این قسمت قرار دارند) و در نهایت سیستم کامپکت تصویر دوربین مدار بسته.

پارامتر های  نامبرده شده را در ادامه این مطلب به طور مجزا توضیح خواهیم داد . تا پایان این مقاله با دیاکالا همراه باشید.

کیفیت تصویر و لنز دوربین

ممکن است بارها دیده باشید که در بازار لنزهای مگاپیکسلی وجود دارد و عرضه می شود. حال این سوال پیش می آید که لنز مگاپیکسلی چیست؟

هر لنزی یک رزولوشن اپتیکال دارد که به این معناست که دقت لنز در رساندن شعاع های نور و قرار دادن صحیح آن ها روی سنسور تصویر چقدر است. به تصاویر زیر که دقت کنید…  فرض کنید یک درخت نخل در مقابل دوربین قرار دارد . دقت کنید چگونه یک نقطه از تصویر درخت به سنسور تصویر می رسد… همه شعاع های نور که از یک نقطه جسم منتشر می شوند باید به روی یک نقطه بر روی سنسور تصویر قرار بگیرند. با وجود یک لنز با کیفیت تمامی شعاع های نور که از یک نقطه جسم منتشر می شوند بر روی یک پیکسل در سنسور تصویر قرار می گیرند و تصویر نهایی بدون مات شدن و یا اعوجاح خواهد بود.

اگر از لنز با کیفیت پایین تر استفاده کنیم چه اتفاقی می افتد؟ با اینکه شعاع های نور روی یک نقطه قرار نمی گیرند اما به دلیل اینکه اندازه پیکسل ها بزرگ است باز هم همه شعاع های نور روی یک پیکسل قرار می گیرند.

زمانی که از سنسور تصویر و دوربین مداربسته با مگاپیکسل پایین استفاده می کنید دیگر مقدار رزولوشن لنز چندان اهمیتی ندارد چرا که اندازه پیکسل ها بزرگ است  اما زمانی که از یک سنسور تصویر با رزولوشن بالا استفاده می کنید و لنز توانایی قرار دادن شعاع های نور روی یک نقطه کوچک را نداشته باشد، شعاع های نور روی پیکسل های مختلفی از سنسور تصویر قرار می گیرند.

از آنجایی که پیکسل ها تعداد زیادی دارند و در کنار هم قرار گرفته اند شعاع های نور یک پیکسل وارد پیکسل کناری می شود، بنابراین هر پیکسل علاوه بر شعاع نور مربوط به خود، شعاع های نوری را دریافت می کند که متعلق به پیکسل های کناری است. چنین حالتی موجب ایجاد نویز و اعوجاج در تصویر و در نتیجه پایین آمدن کیفیت خروجی دوربین مداربسته می شود.

هم اکنون بسیار دیده می شود که وارد کنندگان دوربین های مداربسته در هنگام سفارش دوربین برای هموطنان خود تا آنجا که لازم است و حد وجدانشان اجازه می دهد از سر و ته دوربین می زنند و از لنز های ارزان قیمت و بی کیفیت استفاده می کنند.

بهترین روش برای استفاده از سنسورهای با رزولوشن بالا، استفاده از لنز با کیفیت است که رزولوشن خوبی داشته باشند. تولیدکنندگان لنز دوربین های مدار بسته، محصولات خود را با اعلام این که بیشترین رزولوشنی که می توانند پشتیبانی کنند چیست ارائه می دهند.

ممکن است متوجه شده باشید که بسیاری از تولیدکنندگان دوربین تحت شبکه اشاره ای به این نمی کنند که در مقابل سنسور 5 مگاپیکسل از لنز 1 مگاپیکسل استفاده می کنند.

نقش سنسور تصویر دوربین در تصویر نهایی

در نبود خلاقیت و نوآوری بسیاری از تولیدکنندگان دوربین مداربسته امروزه برای ارتقای محصولات خود تنها از سنسورهای تصویر با قدرت تولید رزولوشن بالا استفاده می کنند. رزولوشن استاندارد دوربین های  مداربسته در این سال ها افزایش یافته و در حال حاضر دوربین های پایین تر از 2 مگاپیکسل معمولا تولید نمی شوند. دوربین های مداربسته بالاتر از 2 مگاپیکسل بسیار حساس و آسیب پذیر هستند، کوچکترین ضعفی که در آنها ممکن است وجود داشته باشد می تواند لنز باشد!!  پردازنده تصاویر  و نرخ فشرده ساز می تواند آسیب های بیشتری به تصویر نهایی دوربین بزنند.

بسیار مهم است که بدانیم هر چه رزولوشن سنسور تصویر افزایش می یابد عملا اندازه فیزیکی پیکسل های روی سنسور کاهش پیدا می کند و تراکم پیکسل ها بیشتر می شودو اندازه فیزیکی سنسور تصویر آنچنان تغییری نمی کند. در چنین حالتی فوتون یا شعاع های نور کمتری وارد هر پیکسل می شوند. بنابراین هر پیکسل آسیب پذیر می شود و ممکن است اطلاعات تصویر از دست برود. برای غلبه بر این مشکل، بعضی از تولیدکنندگان به ویژه کمپانی SONY که تولیدکننده سنسور تصویر است  از تکنولوژی Backside Illumination استفاده می کنند که باعث می شود از تمامی سطح یک پیکسل به طور کامل استفاده مفید شود. این امر باعث می شود که هر پیکسل توانایی دریافت اطلاعات تصویری بیشتری را داشته باشد.

نقش پردازنده سیگنال در دوربین و کیفیت نهایی تصویر

اگر  یک دوربین تحت شبکه از لنز مناسب و سنسور تصویر با رزولوشن بالا استفاده کند، مرحله حساس بعد در تولید تصویر نهایی پارامتر “پردازنده تصویر” خواهد بود. پردازنده به عنوان مغز پردازشگر دوربین مداربسته عمل می کند که وظیفه آن تولید بهترین تصویر ممکن بدون در نظر گرفتن شرایط نور ورودی است . این مغز پردازنده می تواند ابزارهای متعددی را که روی کیفیت تصویر تاثیر دارند کنترل کند. مواردی مانند، ، BLC، HLC،اندازه شاتر , فوکوس، سرعت شاتر , دید در شب ، شفافیت تصویر، WDR، DNR و بسیاری دیگر.

وظیفه کنترل لنز های اتوماتیک و بدست آوردن بهترین نقطه فوکاس نیز در دوربین های که به لنز های موتور دار مجهز هستند به عهده پردازنده تصویر است.

همانطور که پردازش تصاویر با رزولوشن پایین کار بسیار ساده ای است، تصاویر رزولوشن بالا توان زیادی را از دستگاه می گیرد و نیاز به فرمول ها و محاسبات پیچیده ای دارد تا تصویر نهایی ساخته شود، مخصوصا زمانی که شرایط نور محیط متغیر باشد. بیشتر پردازنده هایی که برای دوربین های مداربسته با رزولوشن کم طراحی شده اند، برای رزولوشن های بالاتر مناسب نیستند . استفاده از سنسورهای 3 مگاپیکسل و بالاتر نیاز به استفاده از نوع پیشرفته ای از تکنولوژی در طراحی پردازنده های تصویر دارد. تولیدکنندگانی که همچنان از پردازنده های قبلی برای دوربین های مدار بسته رزولوشن بالای خود استفاده می کنند به ناچار دوربین های مداربسته را به بازار عرضه می کنند که آن چندان بهبودی در کیفیت تصویر خروجی ندارد.

عده ای از همکاران و مشتریان تجربه ی تلخی در برابر بودن تصاویر 2 مگاپیکسل و 4 مگاپیکسل برخی برند ها دارند که دلیل آن می تواند استفاده کارخانه سازنده از پردازنده های کم توان باشد.

هرچه کیفیت تصویر بیشتر باشد  فوکوس کردن لنز سخت تر خواهد بود. حتی اگر از لنز مناسب با رزولوشن بالا استفاده شود، پیکسل های سنسور تصویر انقدر کوچک هستند که با کوچکترین چرخشی در حلقه فوکوس، تغییر زیادی در تصویر نهایی ایجاد خواهد شد. تنظیم فوکوس در یک دوربین تحت شبکه 1.3 مگاپیکسل حدود 5 تا 10 ثانیه زمان می برد، اما برای دوربین های رزولوشن بالاتر ممکن است حتی 5 دقیقه زمان برای این کار مورد نیاز باشد.

راه حل این موضوع استفاده از لنزهای فوکاس خودکار به همراه پردازنده تصویر مناسب است که توانایی محاسبه و انجام دقیق فوکوس را داشته باشد .

بسیاری از پردازنده های تصویر موجود در بازار چنین دقت بالایی ندارند و باید دوباره از نو طراحی شوند. به طور مثال پردازنده تصویری که کمپانی ACTI در محصولات اخیر خود استفاده کرده است و مشکلی جدی را در صنعت دوربین حل نموده، این پردازنده به اکتی امکان تولید دوربین ها زوم دار با لنز فوکاس اتومات را حتی در نور بسیار پایین دارد .

مثال دیگر استفاده از ابزارهای مختلف برای ارتقای کیفیت تصویر در شرایط نوری متفاوت است. بر اساس اینکه چه زمانی از شبانه روز باشد، ممکن است نیاز به استفاده از DNR باشد که پیش از اینکه از فیلترهای دیگر استفاده شود، و یا اینکه مراحل همین فرآیند از آخر به اول انجام شود. در مورد پردازنده های تصویر قدیمی، جابجا کردن این مراحل امکان پذیر نیست و همین موضوع باعث می شود که در شرایط نوری مختلف دوربین مداربسته یک فرآیند خاص و از پیش تعیین شده را انجام دهد و نتواند بهترین حالت ممکن را با جابجا کردن مراحل ایجاد کند. پردازنده های جدید و با کیفیت مناسب می توانند تاثیر شگرفی در تصویر خروجی در شرایط نوری مختلف داشته باشند.

نقش فشرده سازی در رزولوشن دوربین

یکی دیگر از فاکتور ها در تعیین کیفیت تصویر فشرده سازی است. دوربین های چند مگاپیکسل مقدار زیادی اطلاعات دیجیتالی تولید می کنند. وظیفه سنگین کاهش حجم دیتا تا اندازه ممکن بدون از دست دادن کیفیت تصویر به عهده چیپ فشرده سازی داخل دوربین مداربسته است .

در حالی که دوربین های تحت شبکه 2 تا 6 مگاپیکسل به شکل مطلوبی قابلیت فشرده شدن را دارند، قبول اینکه دوربین های 10 مگاپیکسل و یا بیشتر را بتوان طوری فشرده کرد که هم روی پهنای باند های موجود و هم هارد دیسک های فعلی با هزینه مناسبی انتقال یابند، کار بسیار مشکلی است.

بسیاری از چیپ های فشرده سازی به دلیل کمی سرعت پردازش فقط از فرمت MJPEG استفاده می کنند که این یعنی زمانی که نیاز به فشرده سازی کامل و دقیق است، چیپ فشرده سازی قادر به عبور تمامی فریم های تصویر نیست و به دلیل حجم بالای فرمت MJPEG به ندرت توانایی ذخیره تمامی فریم ها را برای فشرده کردن دارد. در این فرمت هر چه نیاز به فشرده کردن تصاویر بیشتر باشد، کیفیت تصویر نهایی پائینتر خواهد آمد.

پیشرفت سریع تکنولوژی سنسورهای تصویر و تولید سنسورهای با رزولوشن بالاتر برای دوربین های مداربسته تحت شبکه نیاز به تکنولوژی فشرده ساز قوی تر و پیشرفته تر را بیشتر کرده است. تلاش شرکت های تولیدکننده دوربین مداربسته برای دستیابی به تکنولوژی های جدید در فشرده سازی کاملا گویای این حقیقت است.

چگونه کیفیت تصویر نهایی دوربین مداربسته را اندازه گیری کنیم؟

حال که می دانیم رزولوشن بالای دوربین مداربسته تضمین کننده کیفیت بالای تصویر نهایی و جزییات شفاف در آن نیست، این سوال مطرح می شود که چگونه می توانیم کیفیت تصاویر نهایی را اندازه گیری کنیم و به این وسیله دوربین های مداربسته را با یکدیگر مقایسه کنیم.

یکبار دیگر نگاهی به فرآیند تولید تصویر می اندازیم:

روشی وجود دارد که به سادگی می تواند نمایانگر این فرآیند و کاری که لنز، سنسور، پردازنده و فشرده ساز انجام داده اند به شکل عددی باشد. این روش Television Lines یا به صورت مخفف TVL نام دارد که از روی تصویر نهایی اندازه گیری می شود. تی وی لاین از سال های سال پیش روش اندازه گیری کیفیت تصاویر دوربین های آنالوگ بوده است که برای دوربین های تحت شبکه نیز قابل استفاده است!

TVL را به این شکل تعریف می کنند که تعداد خطوط متوالی سیاه و سفیدی است که می توان در یک تصویر از هم تفکیک کرد. 400TVL به این معناست که 200 خط مجزای سفید و 200 خط مجزای سیاه در طولی از عرض تصویر که به اندازه ارتفاع تصویر باشد قابل تفکیک کردن است.

به بیان دیگر TVL بیانگر رزولوشن صحیح افقی یک تصویر است، هر چه تی وی لاین بالاتر باشد کیفیت تصویر نهایی نیز بهتر است. برگردیم به دو تصویری که در ابتدا دیدیم، با اینکه تصویر سمت چپ پیکسل های کمتری دارد، اما تی وی لاین آن بالاتر است. نتیجه ساده ای می توان گرفت این است که صرف نظر از تعداد پیکسلهای یک تصویر، هر چه تی وی لاین بالاتر باشد، کیفیت تصویر نهایی بالاتر است.پس علیرغم باور عموم بر اینکه کیفیت تصویر مساوی رزولوشن تصویر است، میتوان گفت که کیفیت تصویر دوربین به فاکتورهای زیادی وابسته است که یکی از آن ها رزولوشن تصویر است. دلیل اینکه گاهی تصویری از یک دوربین مداربسته 4 مگاپیکسل با دوربین مداربسته دیگری که 2 مگاپیکسل کیفیت دارد برابری می کند همین موضوع است.

بهتر است هنگام خرید در انتخاب دوربین های مداربسته تنها به رزولوشن که در حقیقت رزولوشن سنسور تصویر است اکتفا نکنیم و فاکتورهای دیگری را که در این مقاله توضیح داده شد نیز بررسی کنیم… تا پایان این مطلب با دیاکالا همرا ه باشید.