Панорамные камеры для видеонаблюдения

Панорамные камеры с полем зрения 180 и 360° пользуются все большим спросом. Одна такая камера способна заменить несколько фиксированных. При установке в стратегических узлах они позволяют видеть всю картину целиком при минимуме слепых зон. Постепенно эти устройства начинают вытеснять поворотные PTZ-камеры, которые чаще всего использовались ранее для кругового обзора.

Традиционным решением для кругового контроля являются поворотные камеры с увеличительным объективом (Pan, Tilt, Zoom, PTZ). На рынке представлены PTZ-камеры всех форм и размеров, однако наиболее распространенным является купольный конструктив. Оснащенные моторизованным механизмом, такие устройства способны контролировать объекты в 180- и 360-градусном секторах обзора, а благодаря высокому разрешению и мощному зуму позволяют разглядеть все детали, в том числе на большом удалении. Камера может быть настроена на автоматическое перемещение между заданными положениями в предопределенной последовательности. К сожалению, глаз на затылке нет и у них, поэтому при возникновении инцидента камера нередко оказывается направлена в другую сторону.

Это вызывает интерес к альтернативным подходам, которые позволили бы охватить всю территорию одним взглядом. Любопытное решение предложила компания HGH Infrared Systems. Ее вращающаяся система Spynel-S Panoramic Detection System обеспечивает круговой обзор, совершая один оборот в секунду. Она позволяет получить панорамное изображение с разрешением 30 Мпикс и обнаружить человека на расстоянии до 6 км. Однако это не камера видеонаблюдения в привычном смысле, поскольку в ней используется только инфракрасный сенсор (Mid-Wave InfraRed, MWIR), да и предназначена она исключительно для охраны периметра и детектирования несанкционированного проникновения на обширные территории, например в зону порта.

Между тем все большее распространение получают панорамные камеры. Одна такая камера способна заменить несколько фиксированных и эффективнее поворотной, поскольку обеспечивает одновременный обзор всей территории при меньшем числе слепых зон.

Панорамные камеры с объективом «рыбий глаз» обеспечивают круговой обзор помещения при минимуме слепых зон

КАМЕРЫ С «РЫБЬИМ ГЛАЗОМ»

Объективы «рыбий глаз» применяются в фотографии около 100 лет, однако в камерах видеонаблюдения они стали устанавливаться относительно недавно — после появления мегапиксельных сенсоров. Оуществлять круговой обзор на базе традиционных аналоговых устройств не имело смысла, поскольку на полученном изображении невозможно было разобрать детали, для восстановления которых к современным цифровым изображениям применяются специальные алгоритмы компенсации (см. подробнее следующий раздел).

Камера представляет собой купольный конструктив. Для получения панорамного изображения обычно используются один объектив и один сенсор. Благодаря этому стоит она в два, а то и в три раза дешевле, чем многосенсорные панорамные устройства, о которых речь пойдет ниже. Однако камеры «рыбий глаз» позволяют получить четкое изображение на меньшем удалении, чем поворотные камеры с аналогичным сенсором, поэтому подходят для наблюдения за небольшими территориями, прежде всего за помещениями.

Такая «близорукость» вызвана особенностями получения изображения: в камерах «рыбий глаз» применяются те же прямоугольные (или квадратные) сенсоры, что и в обычных камерах видеонаблюдения. Между тем линзы создают круговую проекцию, так что для формирования изображения задействуется только часть пикселей сенсора. Например, в случае 360-градусного кругового изображения и сенсора 4:3 «в тени» оказывается около 40% пикселей. Иначе говоря, при наличии сенсора 5 Мпикс реальное разрешение составляет 3 Мпикс. (В 180-градусной камере круговое изображение подгоняется по ширине сенсора, то есть фактически верх и низ круговой проекции не попадают на сенсор, так что соотношение между номинальным и реальным разрешением оказывается лучше.)

КОМПЕНСАЦИЯ ИСКАЖЕНИЙ

Для получения неискаженного изображения при использовании панорамных камер с объективами «рыбий глаз» применяются специальные алгоритмы компенсации (dewarping). Вероятно, корректнее было бы говорить о приведении к привычному «прямолинейному» виду, поскольку любая проекция трехмерных объектов на плоскость приводит к искажениям. Как бы то ни было, без компенсации полученное изображение выглядит искривленным, особенно на его периферии, где трудно разглядеть детали. Исходный вариант может быть трансформирован в панораму, двойную панораму, различные виды (см. рис. 1).

Рис. 1. Для получения неискаженного изображения при использовании панорамных камер с объективами «рыбий глаз» применяются специальные алгоритмы компенсации (dewarping)

Искажения могут быть устранены непосредственно на камере или позднее на сервере (хотя правильнее говорить — на клиенте). В первом случае картинка, передаваемая с камеры для записи и архивирования, предварительно обрабатывается с помощью алгоритмов компенсации и преобразуется в одно или несколько изображений. Благодаря предварительной обработке, снижающей нагрузку на программное обеспечение для управления видео и его отображения, пользователи могут использовать менее мощное серверное оборудование, но при этом увеличивается объем передаваемых по сети данных и ограничиваются возможности последующей обработки видео (по сравнению с исходным изображением). Как правило, для компенсации используются специальные VSDK, что затрудняет интеграцию с VMS. Последняя должна поддерживать конкретный VSDK, что, в свою очередь, может усложнить интеграцию со сторонним программным обеспечением. Как следствие, это может стать сдерживающим фактором для применения панорамных камер.

Компенсация искажений на сервере может применяться как к изображению, транслируемому в реальном времени, так и к записи, хранящейся в архиве. Камера снимает и передает полное панорамное видео, которое можно подвергать необходимой (в зависимости от поставленной задачи) обработке либо сразу же, либо позже. Например, программа просмотра выполняет приближение и поворот изображения для отслеживания объекта при его передвижении по помещению. Развитые алгоритмы компенсации предлагают те же функции, что и поворотные камеры, но в дополнение позволяют получить детальные изображения нескольких объектов в один момент времени. Правда, необходимо помнить, что панорамные камеры с «рыбьим глазом» обладают более скромными возможностями в отношении оптического увеличения, чем поворотные, так что четко различить объект можно будет на меньшем удалении.

Пока же в разных камерах используются разные коммуникационные протоколы, из-за чего программное и аппаратное обеспечение, приобретенное у нескольких производителей, может оказаться несовместимым.

Новая панорамная видеокамера Axis P3707-PE оснащена четырьмя варифокальными видеоголовками и обеспечивает разрешение 8 Мпикс. Она может применяться для кругового обзора на 360° или для обзорного видеонаблюдения в сочетании с увеличением в четырех разных направлениях.

AXIS P3707-PE содержит четыре объектива, которые можно перемещать по круговой траектории для выбора оптимального направления. Каждый объектив можно наклонять и регулировать, меняя угол обзора по горизонтали в пределах от 108 до 54° для широкоугольного или телескопического обзора. Объективы можно поворачивать, получая изображение в формате Axis Corridor Format, что позволяет эффективно контролировать зоны наблюдения с вертикальной ориентацией.

Специально разработанная прозрачная крышка обеспечивает отсутствие искажений изображения во всех направлениях. Камера поддерживает видеопотоки, конфигурируемые индивидуально для каждого объектива, а также видеопоток в режиме квадратора, что позволяет получать видео с разрешением 1080p при частоте 12,5/15 кадров в секунду и с разрешением 720p при полной частоте кадров.

Для доступа к камере используется один IP-адрес. Таким образом, во многих системах для управления видео (VMS) для одной камеры будет достаточно одной лицензии на программное обеспечение. Поддерживаются технологии Power over Ethernet и Axis Zipstream — благодаря последней снижается нагрузка на сеть и уменьшается потребность в приобретении устройств хранения данных.

Серия панорамных многосенсорных камер компании Pelco с разрешением 12 Мпикс (4 сенсора × 3 Мпикс) представлена моделями с углом обзора 180, 270 и 360°. Модели для «угловой» установки (270°) — достаточно редкое предложение на рынке видеонаблюдения.

Камеры формируют «бесшовное» панорамное изображение с высокой детализацией и частотой кадров. Для получения высококачественного изображения в различных условиях освещенности применяется технология SureVision 2.0. Помимо видеоданных, камеры могут осуществлять двунаправленную передачу звука.

Чтобы обеспечить повышение эффективности работы системы телевизионного наблюдения и снизить нагрузку на оператора системы видеонаблюдения, камеры данной серии оснащаются пакетом видео-

аналитики Pelco. Камеры Optera IMM поддерживаются системами сетевого видеонаблюдения Pelco и большим числом систем сетевого видеонаблюдения стороннего производства.

Серия Optera IMM представлена большим числом моделей с разными вариантами исполнения корпуса (врезной, накладной, подвесной монтаж) и различными классами защиты от внешних воздействий (для помещения и уличной установки). Вне зависимости от исполнения все камеры имеют антивандальную защиту и могут размещаться в потенциально опасных местах.

Панорамные камеры 7000 MP семейства Flexidome IP компании Bosch, оснащенные объективами «рыбий глаз», предназначены для установки внутри помещений и обеспечивают обзор 180 или 360° при разрешении 12 Мпикс и частоте 30 кадров в секунду.

Встроенная технология умного динамического шумоподавления (Intelligent Dynamic Noise Reduction) позволяет снизить битрейт до 50% без ухудшения качества видео. Благодаря этому существенно сокращаются издержки по хранению данных и нагрузка на сеть. А потенциальные искажения из-за меняющегося фронтального или контрового освещения устраняются при помощи технологии умной автоэкспозиции (Intelligent Auto Exposure).

Обеспечивая полный обзор, камеры 7000 MP позволяют увеличивать изображение и выбирать несколько видимых областей. Крупные планы передаются отдельным потоком данных, так что и полное изображение, и отдельные детали можно просматривать одновременно и в высоком разрешении, что существенно упрощает работу с видео без потери общей картины. Искажения, вносимые в кадр по краям объективом «рыбий глаз», устраняются посредством клиентской и встроенной компенсации оптических искажений.

Камеры 7000 MP оснащены функциями умной видеоаналитики (Intelligent Video Analysis, IVA), генерирующими оповещения при наступлении предопределенных событий и позволяющими за несколько секунд находить важные события в многочасовых видеозаписях.

КАМЕРЫ С НЕСКОЛЬКИМИ СЕНСОРАМИ

Помимо камер с одним сенсором и объективом «рыбий глаз», для получения панорамного изображения применяются устройства с несколькими сенсорами и обычными объективами. Естественно, они заметно дороже, но позволяют контролировать более обширную территорию. Полученное изображение не содержит искажений, его не надо «выпрямлять», правда, приходится «сшивать» для получения панорамы. Камеры с несколькими сенсорами делятся на собственно многосенсорные и многонаправленные. Последние отличаются тем, что положение их сенсоров можно регулировать, — фактически это несколько камер в одном корпусе.

В многосенсорных камерах устанавливаются обычно два или четыре сенсора. В случае 360-градусных камер каждый сенсор контролирует сектор в 900. Для передачи изображения со всех четырех сенсоров достаточно одного сетевого кабеля — так же, как и для энергопитания. Для работы с изображениями с четырех сенсоров при использовании программного обеспечения VMS нужна зачастую всего одна лицензия. Поскольку необходимость в компенсации искажений отсутствует, требования к вычислительным ресурсам снижаются.

По сравнению с односенсорными, такие камеры позволяют охватить более обширную территорию. Однако чем шире сцена, тем выше вероятность того, что она будет содержать как хорошо, так и плохо освещенные участки. Поскольку панорамное изображение формируется на основе данных нескольких сенсоров, для получения согласованного изображения такие параметры, как яркость, контрастность, баланс белого, должны настраиваться отдельно для каждого сенсора. Из-за того что конструкция камеры фиксированная, ее следует устанавливать в таком месте, откуда просматривается вся контролируемая территория.

Многонаправленные камеры появились относительно недавно. Гнездо каждого сенсора регулируется отдельно, так что его можно позиционировать для съемки нужного сектора и, соответственно, более гибко настроить камеру для съемки под любым углом. Вместе с дистанционным зумом это позволяет добиться «PTZ-подобных» характеристик при сохранении полного обзора и контроля за ситуацией. Из-за наличия выдвижных частей такие камеры значительно больше по размерам, чем обычные многосенсорные, и самые дорогие среди всех решений для панорамной съемки. Однако они дают наиболее полный обзор, обеспечивая отсутствие мертвых зон, и детализацию изображения.

Многосенсорный подход нашел применение и в «обычных» камерах — для контроля за большими территориями. Так, Panomera S8 Topline компании Dallmeyer оснащается восемью сенсорами и обеспечивает эффективное разрешение до 178 Мпикс. Благодаря многофокусной сенсорной системе (Multifocal Sensor, MFS) все зоны контролируемой области отображаются одновременно с максимальной детализацией. Для каждого сенсора используются объективы со своим фокусным расстоянием. Сцена «нарезается» таким образом, чтобы любая из зон имела оптимальное фокусное расстояние (см. рис. 2). Тем самым гарантируется одинаковое разрешение для ближних и дальних областей наблюдения. Как и панорамные, эта камера способна заменить несколько устройств, когда требуется контроль протяженной территории.

Рис. 2. Многосенсорный подход применяется и в «обычных» камерах видеонаблюдения для контроля за большими территориями. В Panomera S8 Topline компании Dallmeyer для каждого сенсора используются объективы со своим фокусным расстоянием. Сцена «нарезается» таким образом, чтобы любая из зон имела оптимальное фокусное расстояние

ГДЕ УСТАНОВИТЬ КАМЕРУ

Панорамные камеры с обзором 1800 обычно монтируются на стене, а с круговым обзором — на потолке (реже — на столе или даже на полу) (см. рис. 3). Пока еще редко встречающиеся камеры с обзором 2700 предназначены для установки в углу помещения. Монтаж панорамных камер столь же прост, как и стандартных купольных. При установке на подвесном кронштейне обеспечивается более детализированное наблюдение, чем при монтаже непосредственно на потолке. Благодаря отсутствию подвижных частей камера работает бесшумно и меньше нуждается в обслуживании после инсталляции (это, естественно, не относится к многонаправленным камерам). Тем не менее необходимо соблюдать определенные, достаточно очевидные правила и предосторожности.

Рис. 3. Панорамные камеры с углом обзора 1800 обычно монтируются на стене, а с круговым обзором — на потолке (реже — на столе или даже на полу)

При установке на потолке камеру желательно располагать в центре помещения (или посередине стены), в противном случае изображение, которое для целей мониторинга раскладывается обычно на 2–4 плоских экрана, окажется сдвинуто. Однако на этом месте уже могут находиться люстра или другое световое оборудование, а расположение камеры рядом с источником света, очевидно, нежелательно: хотя современные камеры поддерживают широкий динамический диапазон (Wide Dynamic Range, WDR) и компенсацию контрового освещения (Backlight Compensation, BLC), снижение яркости на краях изображения оказывается заметнее, чем при отсутствии сильного источника света.

Камера не должна находиться поблизости от кондиционера — это может привести к образованию конденсата на линзах. Кроме того, ее нежелательно устанавливать возле входной двери, так как из-за разницы температуры внутри и снаружи помещения объективы запотевают. При установке на подвесном потолке необходимо использовать специальный крепеж, особенно в случае использования тяжелых многонаправленных камер.

Панорамная камера представляет собой эффективную альтернативу фиксированным камерам (двум или более), применяемым для широкого охвата. Уже сам факт установки всего одной камеры вместо нескольких упрощает задачу монтажника. К тому же панорамная камера позволяет видеть зоны, недоступные для фиксированной (например, предметы на полу в помещении с модульными офисами (cubicle)), и в целом дает более полную картину событий. По сравнению же с поворотной камерой она позволяет видеть четыре угла комнаты одновременно, то есть оператор может следить сразу за всеми подозрительными объектами без потери критической информации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Панорамные камеры могут применяться везде, где требуется полный обзор территории и помещений, — в розничной и оптовой торговле (магазины, склады), на транспорте (вокзалы, аэропорты, стоянки), в офисных зданиях и правительственных учреждениях (офисные модульные помещения, коридоры) и т. д.

Главное преимущество камер «рыбий глаз» — устранение слепых зон. Они наилучшим образом подходят для мониторинга относительно небольших площадей: магазинов, лобби гостиниц, рекреационных зон в школах и т. п. Помимо контроля за внутренними помещениями, они могут применяться для наблюдения за внешней территорией — парковками, заправочными станциями и т. п.

Благодаря своему высокому разрешению многосенсорные камеры позволяют контролировать более обширные территории, чем односенсорные, когда для адекватного контроля за ситуацией требуется обеспечить изображение с высокой степенью детализации. Это могут быть различные залы внутри аэропортов и вокзалов при внутренней установке и университетские кампусы, стадионы, парковки — при внешней. Им можно доверить контроль за периметром вокруг критической инфраструктуры, такой как правительственные и финансовые учреждения.

Как наиболее дорогостоящий вид панорамных камер, многонаправленные камеры целесообразно применять для контроля за обширными территориями как внутри, так и вне помещения — оптовыми складами, перекрестками дорог, торговыми комплексами, крупными парковками и т. п.

Однако при всех достоинствах панорамных камер для ряда специфических задач лучше подходят традиционные поворотные камеры. Они оснащены моторизованными объективами, обеспечивающими многократное (до 30x) оптическое увеличение. Таким образом, там, где требуется получить детальное изображение (например, при распознавании лиц и определении номеров автомобилей), лучше подойдут PTZ-камеры.

«РЫБИЙ ГЛАЗ» СТАНЕТ ОРЛИНЫМ?

Разрешение и характеристики панорамных камер продолжают улучшаться. Еще недавно устройство с «рыбьим глазом» зоркостью 3 Мпикс считалось последним словом техники, однако реальное разрешение было ближе к CIF, поскольку при том же числе пикселей на сенсор объем поступающей информации в несколько раз больше. Сегодня односенсорные камеры с разрешением 6/12 Мпикс способны заменить традиционные поворотные камеры в целом ряде задач. Эта тенденция будет набирать обороты по мере распространения знаний и опыта использования таких камер среди системных интеграторов и конечных заказчиков. Кроме того, ей должна способствовать все более широкая поддержка программной компенсации искажений в системах VMZ.

Многие аналитики ожидали, что 2016-й станет годом панорамных камер, которые в новых инсталляциях станут вытеснять поворотные PTZ-камеры. Однако пока односенсорные камеры на 6/12 Мпикс не могут соперничать с PTZ-камерами по уровню детализации, на это потребуется еще одно или два поколения. Для задач, где необходим более высокий уровень детализации, можно использовать многосенсорные и многонаправленные камеры — целый ряд производителей выпустили за последний год устройства с общим разрешением 15 и 20 и даже 40 и 48 Мпикс. А компания Logipix One представила камеру с общим разрешением 140 Мпикс (по сути, это десять камер в одном корпусе — см. рис. 4).

Рис. 4. Панорамная IP-камера Logipix One 180 Panorama 140 MP имеет общее разрешение 140 Мпикс. Она содержит 10 видеокамер с разрешением 14 Мпикс каждая в специально разработанном корпусе. Камера предназначена для видеонаблюдения за обширной территорией в секторе обзора 1800

Такое решение обойдется дешевле, чем необходимое число фиксированных камер, причем можно дополнительно сэкономить на монтаже и подключении (достаточно установить одну камеру и подвести к ней один кабель, к тому же на коммутаторе будет занят единственный порт). А прогнозируемое аналитиками и ожидаемое поставщиками и их партнерами все более широкое применение панорамных камер должно привести к заметному сокращению их стоимости и, как следствие, большей доступности.

Дмитрий Ганьжа, главный редактор «Журнала сетевых решений/LAN»