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IP监控中采用红外照明的优点

资讯频道文章B

    IP监控面对具有挑战性的户外环境时会存在图像质量和带宽管理两方面的问题,为此笔者就红外照明对带宽的影响进行了研究,目的是用量化的方法证明在IP监控系统中运用红外照明的优点。测试结果显示,在一定范围的低照度条件下,红外照明使图像传输比特率大幅下降,只有原来的几分之一,下降幅度在70%-91%。测试结果证实了红外照明通过降低图像噪声来降低比特率,从而提高网络性能,比特率降低同样也会减少所需的网络存储量。

    在美国拉斯维加斯安防行业协会2007国际安防大会(美国西部国际安防展)上,Extreme CCTV凭借Black Diamond红外照明技术荣获“最佳视频设备创新奖”。该奖项强调在任何条件下保持高质量图像的必要性,即便是在条件恶劣的夜间和低照明环境中也不例外。

    虽然红外照明是一种经过现场验证的技术,夜视性能高,它除了用于现今的各种监控视频应用场合外,还令人惊讶地涉足了另一个领域:带宽管理。如今红外照明可用于降低比特率,因此正逐渐成为提高基于IP的安防系统中网络性能的必备技术,其能同时降低带宽和存储需求,已远远不止是夜视的必备技术。

    因此,研究的目的是证实和量化红外照明对带宽的影响。

    为了理解为什么要用比特率来考量红外照明的效果,有必要先了解一下压缩算法的基本工作原理。基本的压缩原理是去除多余信息,以降低文件大小,所有压缩都需要在图像质量和文件大小之间采取折衷。压缩率越高,则文件越小,但图像质量也越差;相反,压缩率越低,则图像质量越高,但文件会更大。

    如今通用的压缩工具通常包括JPEG、MPEG或M-JPEG,都称为有损压缩算法。它们采用以下两种削减原则之一:
·无关削减:除去部分肉眼看上去不明显的视频信号,如细微颜色变化;
·冗余削减:除去相同帧或不同帧中的重复信息,如大量相同区域中的颜色或固定对象。

    因此,由AGC引起的噪声会对如今在IP摄像机上广泛使用的压缩算法产生干扰,更准确地说,压缩算法将AGC增强图像上的雪花和颗粒理解为有用信息(如图像细节或移动),因此无法通过无关削减或冗余削减来去除雪花和颗粒感,所以夜间图像的压缩程度较低,文件通常也更大。从这个角度来说,显示夜间性能、压缩和比特率之间有着直接的联系。

    一开始,最便捷的修复方法似乎可以采用禁用AGC,该策略确实是降低了比特率,但它以牺牲图像细节为代价。这样会生成质量很差的夜间图像,更有甚者图像可能根本无法使用。显然,监控系统的夜间性能对于有效的安防工作是至关重要的。

    确保基于IP的系统具备有效夜间性能的最佳解决方案是在现场应用红外照明,为IP摄像机提供适当数量的红外照明将确保夜间图像信号增强、噪声降低,此类情况下,不必启用AGC,并且压缩机理能有效工作。[nextpage]

红外照明用于IP-基础
    无论是模拟还是数字摄像机,实际上几乎所有CCTV摄像机在照明良好的日间环境下都能生成可用的监控图像。然而,由于如今的安防系统都需要全天候监控,因此夜间性能才是确定总体系统有效性的决定性因素。

    实际上,CCD和CMOS图像传感器是设计应用于有照明的环境,并在此过程中生成画面或视频,如果没有照明,则不会有任何画面。现今许多摄像机的环境照度等级都非常低,往往在0.1lux范围内,虽然这些摄像机的规格数据表明在低照度时能执行有效操作,但一般安防行业的人都知道低照度环境会产生有高噪声、低质量的图像。

    随着照度下降,对带宽的需求就会相应上升,这通常用术语“比特率”来表示,其定义为网络在一秒内所需的带宽。一般来说,当所有其它因素都不变时,日间成像需要的带宽低于夜间成像。

    为了理解低照度对带宽要求更高的原因,必须考虑AGC(自动增益控制),这是一种在低照度条件下增加信号强度的摄像技术。AGC的工作原理很简单,就是放大图像信号,但结果是既放大了视频信号也放大了噪声。当某个场景照度较低时,AGC会启动,同时图像噪声也随之增加。

    而随着照度越来越低,AGC会大幅增加,结果在过程中产生更多噪声。由于存在雪花和颗粒感,最终生成的夜视图像模糊不清。此类情况下,对于静态固定图像,比特率可能是日间比特率的许多倍,这样提高了图像质量,但使文件更大,并伴随细微的颜色变化。

    大多数应用场合中,通常会根据各种应用要求来更改帧率和分辨率。例如,如果网络带宽或存储空间不足,则常用的策略是降低帧率或分辨率。

    然而,这种方法也存在缺点。牺牲帧率和分辨率会导致低质量的“锯齿形”视频,从而错过安防事件关键时刻的记录。此外,低帧率和分辨率往往会导致视频分析软件无法运行,对于高级别关键安防项目,更好的策略是提高存储能力和带宽,以便保持监控视频的完整性。

    额外增加的主动红外照明,通过为摄像机提供“不可见”光进行监控,用高逼真度的夜视取代了有噪声的夜间图像,且不会触发增益模式,带宽需求也保持在与日间差不多的水平。

测试结果
    表1总结了试验结果。
    表2测试总体结果。[nextpage]

 
    图1为在试验中采集的图像样例。

结论
    比较从低照度场景(<1勒克斯)到采用良好红外照明的场景中红外照明的效果时,测试显示出比特率下降范围在48%到91%之间。降低幅度的变化可能主要是由于受环境可见照度的影响。测试结果表明,当环境照明条件比较好时,比特率下降幅度不明显,即红外照明对视频带宽影响较小。一般情况下,测试中获得的结果明确证实了红外照明是促使低照度条件下降低比特率的工具。

    从根本上来说红外照明就是一种光。尽管人眼看到的是一片漆黑的场景,而看不到红外照明,但红外照明是现代监控摄像机可用于生成图像的一种形式的光。准确地说因为红外照明本身就是光,它防止生成噪声图像,也随之防止了会导致高比特率的一串事件的发生。测试结果显示,低噪声图像(即可视为高质量的图像)较之噪声(低质量)图像要求的带宽要低得多。

    根据研究,笔者发现回到了基础问题,IP领域亦不例外,实现良好监控的基础是全天候生成优质图像。所有网络系统的设计都是从摄像机或镜头组合开始的,而它们将是任何网络系统性能的决定因素。此外,虽然市场正朝向数字图像平台发展,图像优质的原则仍保持不变,事实上优质图像在设计CCTV系统时所占份量越来越重要。

    虽然上述研究关注的是比特率,但红外照明的使用从逻辑上来说也会影响到存储量。由于比特率和存储要求之间有着直接联系,因此可以得出结论:对于降低IP视频应用中的存储需求,红外照明会是一项有效的策略。这个问题特别重要,因为磁盘空间是CCTV安防系统中最昂贵的部分之一。(本文作者Hamish Dobson现任博世安保有限公司Extreme CCTV视频监控产品经理)

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