پهنای باند

مقدمه

پهنای باند از جمله مباحث اساسی و تقریبا پیچیده در صنعت نظارت و حفاظت تصویری است. این مقاله مجالی است برای پرداختن به عوامل موثر بر پهنای باند. درک این مفهوم و عوامل موثر بر آن میتواند کمک شایانی به برآورد صحیح بار کلی شبکه ، هزینه و فضای مورد نیاز برای ذخیره سازی کل سیستم بنماید.

این تصور ذهنی که رابطه ای خطی و مستقیم بین رزولوشن ، فریم ریت و پهنای باند وجود دارد را فراموش کنید. این تصور نه تنها اشتباه بوده بلکه حتی اشاره ای به سایر موارد موثر بر پهنای باند نیز نمیکند.

از مهم ترین و موثرترین فاکتورهای تعیین کننده بر پهنای باند ، پیچیدگی و جزئیات صحنه ای است که از آن تصویربرداری میکنیم. توجه شما را به دو عکس زیر از دو محیط متفاوت جلب میکنیم.

حتی در شرایط کاملا یکسان (استفاده از یک دوربین با تنظیمات کاملا برابر برای تصویر برداری از دو محیط نشان داده شده در عکس های بالا) میزان پهنای باند مصرفی هنگام تصویر برداری از پارکینگ حدودا 3 برابر پهنای باند مصرفی هنگام  تصویربرداری از سالن ساده نشان داده شده در عکس بالا میباشد. دلیل این تفاوت عمده در میزان جزئیات و حرکات بیشتر در این دو محیط است.

آنچه این بررسی و مقایسه را دشوارتر و غامض تر می سازد این است که واحد و روشی برای اندازه گیری میزان جزئیات و پیچیدگی یک تصویر وجود ندارد. ضمنا ، به جز پیچیدگی و جزئیات تصویر عوامل دیگری نیز بر پهنای باند موثر هستند.

در این مقاله به بررسی 10 عامل موثر بر پهنای باند میپردازیم :

1.رزولوشن :

به صورت متوسط با دو برابر شدن تعداد پیکسل ها ، پهنای باند نیز دو برابر میشود. دقت کنید این موضوع بین سازنده های متفاوت میتواند تفاوت شایانی داشته باشد. برای مثال در بعضی موارد با دو برابر شدن رزولوشن پهنای باند تنها 60 درصد افزایش می یابد . بالعکس در بعضی موارد با دو برابر شدن رزولوشن پهنای باند 200 درصد افزایش می یابد.

2.الگوریتم فشرده سازی(CODEC):

تفاوت فاحشی بین دو نوع الگوریتم فشرده سازی Inter-Frame مانند H.264 ، MPEG-4 و الگوریتم فشرده سازی Intra-Frame مانند MJPEG  و JPEG2000 وجود دارد.

در الگوریتم های Inter-Frame مانند H.264 نه تنها پیکسل های مشابه در کل تصویر فشرده سازی میگردند بلکه ، با مقایسه هر دو فریم متوالی و  تنها ارسال تغییرات موجود بین دو فریم ، پهنای باند به طرز بسیار شگفت آوری کاهش می یابد. برای مثال هنگام دویدن یک فرد در یک راهروی خالی تنها پیکسل های متناظر با حرکت دونده ارسال میگردند و سایر اجزای ثابت تصویر دوباره ارسال نخواهند شد.

در الگوریتم های Intra-Frame کل فریم بدون توجه به قسمت های متحرک و ثابت تصویر فشرده و ارسال میشوند.

همین تفاوت در عملکرد این دو نوع فشرده سازی سبب اختلاف قابل توجهی در پهنای باند مصرفی بین این دو نوع الگوریتم شده است. نمودار زیر تفاوت بین این دو Codec را در شرایط مختلف نمایش میدهد.

I-Frame و P-Frame  :

در الگوریتم های فشرده سازی نوع Inter-Frame دو نوع فریم ارسال میشوند. I-Frame ها فریم هایی هستند که کل تصویر را اسکن کرده اند و P-Frame ها فریم هایی هستند که تنها تغییرات نسبت به فریم قبلی را حمل میکنند. در نتیجه همان طور که انتظار می رود هر چه تعداد I-Frame ها بیشتر باشد پهنای باند افزایش می یابد. در اغلب مواقع ارسال یک I-Frame در هر ثانیه کافی می باشد. I-Frame های کمتر از این مقدار موجب کاهش کیفیت تصویر میشود و بالعکس مقادیر بیشتر از یک تاثیر به سزایی در بهبود تصویر ندارند.

3.درجه فشرده سازی(Quantization):

درجه فشرده سازی ارتباط معکوسی با پهنای باند دارد. هر چه درجه فشرده سازی بیشتر باشد میزان پهنای پاند مصرفی کمتر میشود. سازندگان متفاوت برای بیان این فاکتور نام ها و درجات متفاوتی را برگزیده اند و به ندرت عدد دقیق آن قابل دسترسی میباشد. بعضی از عبارات “کم-متوسط-زیاد” استفاده میکنند و بعضی بازه ای از 1 تا 100 را برای بیان و تعیین میزان فشرده سازی استفاده میکنند. جدول زیر بعضی از نامگذاری و درجه بندی های متفاوت را مشاهده میکنید:

4.فریم ریت :

فریم ریت بر پهنای باند موثر است اما به ویژه در الگوریتم های فشرده سازی Inter-Frame این رابطه خطی نیست. برای مثال با 10 برابر کردن فریم ریت پهنای باند تنها 3 تا 5 برابر میشود. اندازه گیری ها ما نتایج کلی زیر را نشان میدهند :

-1 فریم : 0.179 (Mbps)

-10 فریم : 0.693 (Mbps)  همان طور که ملاحظه میکنید با 10 برابر شده فریم ریت پهنای باند 4 برابر شده است

-30 فریم : 1.299 (Mbps) در این حالت نیز با 30 برابر کردن فریم ریت پهنای باند 7 برابر شده است.

5. ساعات و محیط های تاریک :

در مقایسه با نور زیاد روز ، پهنای باند مصرفی در طی ساعات شب به 5 برابر میزان پهنای باند در طی ساعات روز میباشد. این افزایش به دلیل به وجود آمدن نویز در تصویر میباشد. در مواردی که Gain برای روشن تر شدن تصویر در شب به تقویت سیگنال خروجی میپردازد نویزها نیز در کنار سیگنال اصلی تصویر افزایش می یابند. جدول زیر جزئیات تست ها و آزمایشات ما را نشان می دهد:

در این قسمت میتوان به مزیت دوربین های IR اشاره کرد. مسلما دوربین هایی مجهز به IR LED با استفاده بهتر از نور مادون قرمز محیط ، تصویر شب بهتر و نویز کمتری تولید میکنند. در نتیجه افزایش پهنای باند مصرفی دوربین های IR نسبت به مدل های بدون IR عددی بسیار کمتر از 500 درصد و معادل 176 درصد میباشد. جدول زیر شامل جزئیات آزمایشات ما می باشد.

نکته : مکانیزم های کاهش نویز علاوه بر بهبود تصویر به کاهش پهنای باند نیز کمک شایانی میکنند.

6. زاویه دید دوربین :

در محیط هایی که پر از اجسام متحرک با جزئیات بالا هستند مانند درخت ها ، وزش باد بر روی درختان و برگ ها و امثال آنها هستند ، بزرگ کردن و یا به عبارتی عریض کردن زاویه دید موجب افزایش میزان پهنای باند می شود. در محیط هایی با میزان حرکت اجسام نسبتا پایین  و با الگوهای تکرار شونده مانند پارکینگ ها ، کف پوش ها و دیوارها با طرح و قالب بندی تکراری ، کوچک کردن و بستن زاویه دید موجب افزایش میزان پهنای باند مورد نیاز می گردد. برای مثال در پارک نشان داده شده در تصویر زیر ، افزایش زاویه دید موجب افزایش 60 درصدی پهنای باند شده است.

6-1. محیط با اجسام متحرک

6-2. محیط با اجسام نسبتا ثابت و الگوهای تکرار شونده

7. Sharpness  :

آیتمی که اغلب در هنگام تنظیمات و راه اندازی سیستم مد نظر قرار نمیگیرد اما تاثیر به سزایی بر پهنای باند دارد Sharpness می باشد. افزایش Sharpness از موجب بهبود جزئیات تصویر مانند لبه ها ، خطوط ، برگ ها و طرح ها میشود . افزایش جزئیات نیز  منجر به افزایش اطلاعات و افزایش پهنای باند میباشد. تصویر زیر بیانگر اثر Sharpness بر پهنای باند میباشد.

8. WDR (Wide Dynamic Range):

اثر WDR بر دوربین ها و شرایط مختلف متفاوت است. به صورت کلی از آنجایی که WDR موجب افزایش جزئیات هم در قسمت های تاریک تر و هم در قسمت های روشن تر تصویر میگردد می بایست باعث افزایش میزان پهنای باند گردد.

9.رنگ:

در عمل ، رنگ اثر بسیار جزئی بر روی پهنای باند دارد. در واقع با تغییر حالت از رنگی به سیاه و سفید پهنای باند تنها به اندازه 8 درصد کاهش می یابد. شایان ذکر است با ماکزییم کردن Saturation پهنای باند میتواند حتی تا 2 برابر افزایش پیدا کند. البته ماکزیمم کردن Saturation باعث از بین رفتن رنگ های طبیعی در تصویر میشود. توجه شما راه به تصویر زیر در رابطه بر اثر Saturation و رنگ بر میزان پهنای باند جلب میکنیم.

10.سازنده:

به دلیل استفاده از سنسورها و پردازنده های متفاوت ، اختلاف در تنظیمات پیش فرض دوربین ها ، عملکرد بهتر یا بدتر دوربین ها در شرایط محیطی کم نور و … در دوربین های مختلف حتی تولید شده توسط سازنده همسان ، پهنای باند های متفاوتی مشاهده میشود.  

نتیجه کلی :

با توجه به عوامل متنوع موثر بر پهنای باند و روش اندازه گیری ساده بیت ریت دوربین ها توصیه میشود که برای محاسبه و برآورد پهنای باند ، ضمن در نظر گیری عوامل فوق با سازندگان دوربین ها در این خصوص مشورت کنید.