پهنای باند در نظارت تصویری

پهنای باند یکی از ویژگی های اساسی، پیچیده و نادیده گرفته شده در نظارت تصویری است. فرض ساده بر این است که پهنای باند یک رابطه مستقیم با کیفیت فریم ریت دارد در صورتیکه این فرضیه اشتباه است و تعدادی از عوامل مهم حذف می شوند بررسی این موضوع بارگذاری بیش از حد بر روی شبکه و کوتاه شدن زمان ذخیره سازی را منتج می شود.

پیچیدگی صحنه

پیچیدگی صحنه یکی از اساسی ترین مواردی است که نادیده گرفته شده است.

در شکل زیر یک اطاق در ساختمان با محوطه یک پارکینگ شلوغ مقایسه شده است.

2

حتی اگر همه چیز یکسان باشد (دوربین و تنظیمات) پارکینگ نیاز به %300 پهنای باند بیشتر نسبت به اطاق درون ساختمان دارد. زیرا در محوطه پارکینگ حرکات و سپس جزئیات بیشتری وجود دارد. به طور کلی پیچیدگی صحنه در ساعاتی از روز یا فصلی از سال و یا شرایط آب و هوایی متفاوت تغییر می کند و این موضوع ارزیابی را دشوارتر می سازد.

وضوح تصویر

به طور متوسط، رابطه مستقیمی بین تعداد پیکسل ها و پهنای باند وجود دارد. برای نمونه اگر دوربین 1 مگاپیکسل 1  از پهنای باند را استفاده کند، دوربین 2 مگاپیکسل به طور متوسط باید 2  را مصرف کند.

در آزمایشهای انجام شده بر روی برخی از دوربین ها این رابطه مستقیم نیست. به عنوان مثال برای %100 افزایش تعداد پیکسل ها، %60 پهنای باند بیشتر نیاز است.

هیچ عاملی برای اینکه چرا این مدل ها در افزایش پهنای باند با هم متفاوتند وجود ندارد.

به عنوان یک قاعده کلی، برای به دست آوردن پهنای باند متأثر از وضوح تصویر، از ضریب 1 استفاده می کنیم، اگر تعداد پیکسل ها 2 برابر شود، پهنای باند نیز 2 برابر می شود گرچه ممکن است این قاعده در مورد تعداد زیادی از دوربین ها صدق نکند.

فریم ریت (Frame Rate)

فریم ریت بر پهنای باند اثر می گذارد. در این صورت اگر فریم ریت 10 برابر افزایش یابد پهنای باند کمتر می شود.

پهنای باند اغلب 3 تا 5 برابر بیشتر می شود. میزان متوسط بیت ریت به شرح زیر است.

در 10Fps    فریم ها 10 برابر می شوند    پهنای باند 4 برابر می شود

در 30Fps    فریم ها 3 برابر می شوند      پهنای باند 2 برابر می شود

فشرده سازی

میزان فشرده سازی رابطه معکوس با پهنای باند دارد به این معنی که هرچه فشرده سازی بیشتر باشد، پهنای باند کمتری نیاز است. فشرده سازی و وضوح تصویر دو مقوله جدا از هم اند. کیفیت تصویر در صنعت به معنای تعداد پیکسل ها در یک عکس و یا تصویر است. فشرده سازی چگونگی فشردگی آن پیکسل هاست.

به عنوان مثال، در جدول زیر تأثیر فشرده سازی بر پهنای باند در 4 دوربین مختلف و با فرمت H.264 در مقیاس استاندارد 0 تا 51 نشان داده شده است. هرچقدر عدد بزرگتر باشد فشرده سازی بیشتری انجام می شود ولی وضوح تصویر کاهش می یابد.

کاهش تدریجی فشرده سازی از 34 به 28 منجر به 3 برابر شدن پهنای باند می شود. در حالیکه کاهش بیشتر تا عدد 22 باعث افزایش 5 تا 11 برابری پهنای باند می شود که این افزایش به نوع دوربین بستگی دارد.

3

به طور کلی، تولید کنندگان مقیاس ها و اصطلاحات فنی مختلفی را برای نشان دادن میزان فشرده سازی به کار می برد. بعضی از تولیدکنندگان ممکن است از مقیاس عددی 1 تا 100 استفاده کنند، در صورتی که بعضی دیگر از برچسب هایی از قبیل

“Best” – “Light” – “Low” استفاده می کنند جدول زیر بعضی از این مقیاس ها را نشان می دهد.

 4

کدک ها

تفاوت اصلی بین کدک ها در اینتر فریم ها (H264-H265) Inter Frame و اینترا فریم (mgPEG,JPEG2000) می باشد.

کدک ها اینتر فریم مانند H265 یا H264 نه تنها پیکسل های یکسان را در یک تصویر فشرده می کنند بلکه به فریم های قبلی نیز مراجعه کرده و تغییرات صحنه را فریم به فریم منتقل می کنند و در پهنای باند صرفه جویی می شود. برای مثال اگر سوژه ای در راهروی خالی حرکت کند فقط پیکسل هایی که سوژه مورد نظر را به نمایش می گذارند در فریم های مختلف تغییر می یابد، در حالیکه پس زمینه ثابت است و پیکسل ها تغییری نمی کنند.

کدک های اینترا فریم با فشرده سازی هر فریم به تنهایی و به عنوان تصویر، پیکسل های مشابه را فشرده سازی می کنند. این عمل منجر به پهنای باند بیشتر می شود چون هر فریم باید بدون در نظر گرفتن تغییرات در صحنه، به طور کامل کد گذاری شود.

در حال حاضر اکثر دوربین ها از H264 برای ایجاد پهنای باند مناسب تر استفاده می کنند در H264 بر خلاف MPEG پهنای باند کمتری در تمام صحنه ها استفاده می شود.

 5

پهنای باند در فرمت H265

فرمت H265 در مقابل H264 می تواند 50% در پهنای باند صرفه جویی کند. در آزمایشات ثابت شد که در یک صحنه یکسان استفاده از H265 در مقابل H264 مناسب تر است. برای مثال در آزمایش  H265  Smart سامسونگ، این فرمت توانست 10 تا 15 درصد بیت ریت کمتری نسبت به H264 ایجاد کند.

 6

فریم I در مقابل فریم P

در فن آوری اینترفریم، فریم هایی که میدان دید را پوشش می دهند، فریم I نامیده می شوند، در حالیکه فریم هایی فقط تغییرات را ارسال می کنند فریم P هستند زیرا آنها تصویر کلی را ایجاد می کنند. اگر تعداد فریم های I بیشتر باشد پهنای باند بیشتر است. در سالهای گذشته دوربین ها از فریم I با فاصله ثابت استفاده می کردند اگر فریم I کمی ارسال شود اثر نا مطلوبی بر تصویر خواهد داشت.

با ظهور کدک های هوشمند در 2 سال اخیر، دیگر دوربین ها قادرند به جای استفاده از فریم ثابت، فاصله فریم I را تنظیم کنند. برای مثال دوربین 10fps برای ارسال فریم I در هر ثانیه تنظیم می شود، اگر در صحنه حرکت وجود نداشته باشد کدک های هوشمند این روش را می توانند توسعه دهند.

 7

تأثیرات فاصله ثابت فریم I

گرچه در بسیاری از دوربین ها کدک هوشمند فعال است و از فاصله ثابت فریم I استفاده نمی شود اما درک اثر فاصله فریم I بر پهنای باند اهمیت دارد.

کاهش تعداد فریم های I باعث کاهش پهنای باند می شود همانطور که در شکل زیر ملاحظه می شود، و این مسأله باعث می شود کیفیت عکس مناسب نباشد.

8

افزایش تعداد فریم های  I بیشتر از  1 عدد در هر ثانیه پهنای باند را افزایش داده در این صورت وضوح تصویر کمی بهبود می یابد.

9

کدک های هوشمند

کدک های هوشمند فن آوریهای پیشرفته ای هستند که تأثیر به سزایی بر پهنای باند دارند این فن آوریها به دو روش بیت ریت (Bit rate) را کاهش می دهند:

فشرده سازی پویا: به جای استفاده از تنها یک سطح فشرده سازی برای یک صحنه، دوربین سطح فشرده سازی کمتری را برای سوژه متحرک به کار می برد و کیفیت را برای پس زمینۀ ثابت پایین می آورده و فشرده سازی را برای آن افزایش می دهد زیرا اغلب اوقات نیازی به جزئیات تصویر در قسمت ثابت صحنه نیست.

فاصله پویا برای فریم I : به جای استفاده از یک فاصله ثابت فریم I، دوربین ها فاصله بین فریم های I را افزایش می دهند و این عمل با افزایش فاصله ها در مدت زمان بیش از یک دقیقه صورت می گیرد. سپس در صورت وجود حرکت دوربین فوراً فریم I را تولید کرده و فاصله را به سطح قبلی کاهش می دهد.

میدان دید دوربین

میدان دید در پهنای باند تأثیر می گذارد به این شکل که در صحنه هایی با فضای بزرگ و اجسام متحرک، مانند درخت یا سایر پوشش های گیاهی، گسترش میدان دید باعث افزایش پهنای باند می شود.

در صحنه های با تحرک کمتر اما با زمینه تکراری مانند محوطه پارکینگ، پشت بام، فرش و یا دیوار، محدود شدن میدان دید به دلیل قابل تشخیص بودن جزئیات بیشتر، پهنای باند 60 درصد افزایش یافته و این به دلیل شاخ و برگ متحرک درختان در صحنه است که با میدان دید محدود مقایسه شده است.

 10

در تقاطع شلوغ یا محوطه پارکینگ با توسعه میدان دید پهنای باند 50 درصد در دوربین مثال زیر کاهش می یابد.

در میدان دید محدود، جزئیات بیشتری از ساختمان ها قابل رویت است و سطح آسفالت نیز قابل مشاهده می باشد لازم به ذکر است این امر باعث می شود کد گذاری صحنه سخت تر شود.

11

نور کم

در مقایسه با روز، به طور متوسط بیت ریت در نور کم 500 درصد بیشتر است.

این مقدار تحت تأثیر نویز دیجیتالی است.

 12

عملکرد دبلیو دی آر WDR

دبلیو دی آر با توجه به مدل دوربین و صحنه بر روی بیت ریت تأثیر می گذارد. در آزمایشات با دوربین Axis در یک تقاطع وقتی دبلیو دی آر روشن شد پهنای باند افزایش یافته و جزئیات بیشتری قابل مشاهده است.

13

در زمین بازی، پهنای باند کاهش می یابد، در این حالت دوربین Q1604 کنتراست را در جاهایی از عکس مانند درخت ها افزایش می دهد و به همین علت این نواحی رنگ بیشتری دارند و به آسانی با کاهش بیت ریت فشرده می شوند.

14

برای سایر دوربین ها، این نتیجه گیری متفاوت است و بستگی به روشنایی، تاریکی و زمان روشن شدن دبلیو دی آر دارد.

شفافیت تصویر (Sherpness)

شفافیت اثر زیادی بر پهنای باند دارد در حالیکه در طول تنظیمات توسط کارشناسان حرفه ای در نظر گرفته نمی شود. شفافیت بیش از حد جزئیات بیشتری از صحنه را از قبیل جزئیات در یک فرش و یا پارچه، لبه یک برگ درخت و چمن ارائه می دهد بنابراین نمایش جزئیات بیشتر باعث افزایش پهنای باند می شود.

تصویر رنگی در مقابل تصویر تک رنگ

در سطوح کاربردی، رنگ اثر کمی بر روی پهنای باند دارد. در مثال زیر، در حرکت از تصویر رنگی تا تصویر تک رنگ پهنای باند %8 کاهش یافته است. عدم اشباع بصورت غیر متعارف، باعث ایجاد پهنای باند بالا می شود.

در این مثال پهنای باند %200 افزایش یافته و اشباع بوجود می آید.

 15

اندازه گیری پهنای باند در دوربین شخصی

در این متن، قواعد آسان و امن، برای برآورد ذخیره سازی پهنای باند وجود دارد. عوامل زیادی بر آن تأثیر می گذارند. اما شناخت همه عوامل غیر ممکن است. از اینرو مهم است که بدانیم کدامیک از عوامل بر روی پهنای باند مؤثرند بنابراین با شناخت این عوامل می توانیم پهنای باند دوربین شخصی خود را به دست آوریم.