Журнал "Системы Безопасности" № 3‘2019

На сегодняшний день стандарт задает второе поколение сенсоров Pregius от компании Sony с пикселем 3,45 мкм, обеспечивающим не худ- шее качество изображения, чем предшествен- ник, но с большим разрешением. Рассмотрим в качестве конкретного примера камеру Basler acA4112-uc. Это 12-мегапиксель- ная флагманская камера с сенсором Sony Pre- gius IMX304, 30 кадр/с, с размером пикселя 3,45 мкм (меньше, чем у фотографической камеры, но существенно больше, чем у GoPro), глобальным затвором и сменной оптикой C-Mount. Стандартная сменная оптика – это большой выбор объективов с переменным или фиксированным фокусом, моторизованных и обычных. Вес камеры – 80 г, со средним объ- ективом – чуть больше 200 г, что весьма суще- ственно для БПЛА (против 116 г у GoPro и 500 г у профессиональной фотокамеры). Немецкий производитель предлагает три года гарантии и стоимость порядка 3 тыс. евро с НДС. Главное, что получает заказчик при покупке такой камеры, – изображение отличного каче- ства с максимальной детализацией без сжатия. Камеры видеонаблюдения формируют картин- ку для просмотра человеком, а камеры машин- ного зрения – для обработки компьютерной платформой. Принципиальная разница в изоб- ражениях, получаемых с камер видеонаблюде- ния или GoPro и камер машинного зрения – использование сжатия. Компьютер нуждается в деталях, чтобы на основе информации, которую алгоритмы извлекут из изображения, человек мог принимать взвешенные решения. Для этого нужно исходное, несжатое изображение. Поте- рю деталей при сжатии человек, скорее всего, на экране монитора просто не заметит. Но сохранение деталей ведет к гораздо большему объему данных. Это один из факторов, опре- деляющих необходимость наличия интеллекта прямо в камере, чтобы передавать по сети для отображения и хранения уже осмысленные данные, предварительно обработанные прямо там, где располагается источник информации. Процессор для этого не обязательно встраивать прямо в камеру. Он может находиться и рядом, если достаточно компактен. Еще один параметр, влияющий на детализа- цию, – глубина цвета. В системах видеонаблю- дения в большинстве случаев используется 8-разрядная картинка, крайне редко 10-раз- рядная и практически никогда 12-разрядная (рис. 6). Абсолютное большинство мониторов в состоянии показать только 8-разрядное изоб- ражение. Несколько очень дорогих моделей для видеомонтажа и обработки графики – 10 разрядов. Поэтому для наблюдения видео- ряда на экране разрядность больше восьми не имеет никакого практического применения. Компьютерная обработка – совсем другое дело: чем больше разрядов, тем больше информации для принятия решения. Профессиональный фотоаппарат Sony может выдавать 14-разряд- ное изображение, но его будет так же не на чем смотреть и очень трудно обрабатывать. На рис. 7 видно, что разрешение FullHD, каче- ство которого еще недавно считалось высоким, на сегодняшний день занимает положение в нижнем левом углу. За ним уже следуют 12 Мпкс (4К) и 42 Мпкс, которые дает профес- сиональная полноформатная матрица. Для оценки практической необходимости в ресурсах при том или ином разрешении каме- ры возьмем классический SSD-накопитель на 512 Гбайт на борту беспилотного аппарата в двух вариантах хранения информации: с 8- и 16-разрядной кодировкой (для упрощения не приводятся компактные форматы представле- ния данных). Подсчитаем, сколько несжатых кадров в зависимости от разрешения войдет на такой SSD: l FullHD – 28 тыс.; l 12 Мпкс – 14 тыс.; l 24 Мпкс – 7 тыс.; l 42 Мпкс – 4 тыс. При съемке хотя бы одного кадра в секунду камерой 42 Мпкс и при длительности полета 1 час такого SSD едва-едва хватит, чтобы сохра- нить всю полученную информацию. Поменять накопитель "на лету" возможности нет: про- грамма загружена и БПЛА полетел контролиро- вать лесные угодья. В случае если вдруг появит- ся необходимость сделать несколько дополни- тельных интересных кадров, для них попросту не окажется места. Обработка кадров такого размера на борту – тоже задачка не из простых. Поэтому, приобретая мультимегапиксельную камеру, стоит подумать, что делать со всеми этими мегапикселями даже на самой современ- ной встраиваемой платформе. Мы уже говорили, что качество изображения и чувствительность во многом определяются размером пикселя. Давайте оценим приведен- ные выше примеры камер. Сенсоры у GoPro, профессиональной камеры Sony и камеры Bas- ler Ace созданы на базе примерно одной и той же технологии Sony, но имеют разный физиче- ский размер: l GoPro – 1,55 мкм; l Sony – 4,5 мкм; l Basler – 3,45 мкм. Если взять за единицу размер пикселя GoPro, то площадь чувствительного элемента фотокаме- ры Sony в девять раз больше. А значит, при про- чих равных условиях качество изображения, определяемое чувствительностью, уровнем шумов и динамическим диапазоном, на полно- форматном (пленка 35 мм) изображении у Sony в девять раз лучше. Basler с 3,45 мкм зани- мает промежуточное положение: у него сенсор всего в два раза меньше, чем у профессиональ- ной фотокамеры, и в 4,5 раза больше (качество изображения лучше), чем у GoPro. Не лишним будет еще раз напомнить о наличии глобально- го затвора у камеры Basler, это важнейший параметр для съемки динамических объектов. П ромышленный дизайн, глобальный затвор, тесная интеграция с различно- го рода вычислительными платформа- ми, широкие возможности управления съемкой, выдержкой, экспозицией и балансом белого – все это доступно в камерах машинного зрения Разница в подходах к обработке изображений Обычно в законченных устройствах (IP-камера, видеорегистратор, фотокамера) доступен ограниченный, законченный набор функций, где из возможностей обработки изображения только стандартные алгоритмы "улучшайзинга". Они повышают привлекательность изображе- ния при просмотре человеком, но в абсолютном большинстве случаев не что-то добавляют в картинку, а наоборот, сглаживают или уби- рают "ненужные" детали. Если же камера дополнена компьютером, то появляются воз- можности добавлять те алгоритмы, которые нужны (рис. 8), например: l MJPEG-сжатие с малой потерей или вовсе без потери информации, а не только H.264/Н.265; l точную синхронизацию кадра с сигналом GPS, акселерометрам и гироскопам, которые пока- зывают положение летательного аппарата в пространстве в данный момент (как и куда он наклонен), то есть привязкой его к пози- ции, где в данный момент находился лета- тельный аппарат; l привязку к дополнительным датчикам осве- щенности, для задач мультиспектрального анализа; l интеллектуальное управление режимами съемки; l нейронные сети для обнаружения и класси- фикации объектов: человека, автомобиля, дома; передача на обработку только неболь- ших участков изображения. Многие производители IP-камер устанавливают дополнительный процессор прямо в корпус камеры и запускают на нем ряд аналитических алгоритмов обработки, например распознава- ния лиц или номеров автомобилей. Возмож- июнь – июль 2019 www.secuteck.ru МАШИННОЕ ЗРЕНИЕ В И Д Е О Н А Б Л Ю Д Е Н И Е 100 Рис. 6. Глубина цвета Рис. 7. Мегапиксель и размер кадра.