Главная » Технология HDRi в видеонаблюдении
Статьи

Технология HDRi в видеонаблюдении

Анисимов Игорь Юрьевич, кандидат технических наук по специальности «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления». Эксперт по проектированию цифровых устройств, алгоритмам сжатия и цифровой обработки изображений.

Современные мегапиксельные камеры способны охватывать гораздо более широкое поле зрения, чем аналоговые камеры предыдущего поколения. С одной стороны это даёт новые возможности для видеонаблюдения, с другой стороны поднимает новые проблемы. Такой проблемой является нехватка динамического диапазона камеры.

Понятие динамический диапазон камеры обозначает максимально возможное количество различных градаций яркости в кадре. Наилучшее качество изображения достигается тогда, когда в поле зрения камеры все объекты освещены примерно одинаково. В этом случае имеющийся динамический диапазон камеры используется наиболее эффективно, все объекты на изображении видны и имеют достаточную контрастность. Для камер стандартного разрешения условие одинаковой освещенности почти всегда выполняется. Однако для мегапиксельных камер гораздо больше примеров, когда это условие нарушается, одна часть сцены на свету, а другая в тени. Например, солнце и тень от дома, яркое окно и тёмный угол и т.п. Когда в кадр одновременно попадает и свет и тень, то градаций яркости уже недостаточно, чтобы одинаково контрастно изобразить и свет и тень. Если настроить камеру на светлый участок, то всё что в тени становится просто чёрным и неразличимым, если настроить на тёмный участок – то оказывается засвеченной светлая часть. Приходится выбирать что-то одно, а другую часть кадра безвозвратно терять, либо снижать общую контрастность изображения, делая неразличимыми многие детали. Рассмотрим на примере. На первом изображении (Рисунок 1) видны только тёмные участки наблюдаемой сцены, а светлые участки оказываются засвеченными. На втором изображении (Рисунок 2) видны только светлые участки сцены, тёмные участки оказываются затемнёнными.

Самый простой способ решить проблему с засветкой или с затемнением части кадра – это вырезать такие участки в кадре и запрашивать их от камеры отдельным потоком со своими настройками выдержки. Либо запрашивать целые кадры с разной выдержкой двумя отдельными потоками. Однако этот способ неэффективен, вместо одного изображения оператору приходится контролировать два изображения.

Эффективным решением данной проблемы является технология HDRi (High Dynamic Range imaging) или «высокий динамический диапазон». Основной принцип – это получение 2-х кадров с разной выдержкой, один настроен на светлый участок сцены, а другой на тёмный участок сцены, а потом слияние этих кадров в один, в котором присутствуют изображения и светлых и тёмных участков.

Jpg 607x460, 70665 байт

Рисунок 1. Засвеченное изображение

Jpg 605x457, 56833 байт

Рисунок 2. Затемнённое изображение

Получение изображения с высоким динамическим диапазоном

Процесс получения изображения в камере, если абстрагироваться от множества деталей, можно представить в виде блок-схемы, см. Рисунок 3.

Jpg 373x189, 14084 байт

Рисунок 3. Блок-схема

Входом X является освещенность пикселя на сенсоре, выходом Y является цифровое значение пикселя. Ф – фотоприёмник (сенсор). У – усилитель. АЦП – аналого-цифровой преобразователь. МК – микроконтроллер, управляющий усилителем (У) и выдержкой сенсора (Ф).

Зависимость выхода Y от входа X можно приближённо описать линейной функцией, прямой, ограниченной сверху и снизу, см. Рисунок 4 синяя линия. При слишком большом значении входного сигнала все элементы схемы уходят в режим насыщения (засветка), поэтому прямая ограничена сверху. При слишком малом значении сигнала все элементы схемы уходят в режим отсечки (затемнение), поэтому прямая ограничена снизу.

Выдержка (экспозиция) позволяет накапливать сигнал на сенсоре, и в паре с усилителем позволяет менять наклон прямой. Двум разным выдержкам соответствуют две разные прямые, см. Рисунок 4.

Jpg 348x328, 17979 байт

Рисунок 4. Две разные выдержки

Зная разницу коэффициентов наклона прямых, можно привести изображения в один масштаб яркости, умножив второе изображение на эту разницу, см. Рисунок 5.

Jpg 357x326, 19911 байт

Рисунок 5. Приведение выдержек

Теперь, для того чтобы получить изображение с высоким динамическим диапазоном, достаточно вместо засвеченных пикселей из первого изображения брать пиксели из второго изображения, умноженные на разницу между выдержками. В результате из 2-х изображений с разной выдержкой получим одно, но с увеличенным динамическим диапазоном, и соответственно, увеличенной разрядностью пикселя.

Существует 2 способа получения изображений одной и той же сцены с разной выдержкой. Первый – это получать 2 кадра с разной экспозицией последовательно во времени. Недостаток этого способа в том, что за период кадра сцена успевает измениться, в результате возникают искажения движущихся объектов. Второй способ – использовать специальный сенсор, поддерживающий 2 экспозиции одновременно.

Отображение широкого динамического диапазона в обычный диапазон для просмотра на мониторе

Человеческий глаз не воспринимает более 256 градаций яркости, а изображение с высоким динамическим диапазоном может содержать намного больше градаций яркости. Из-за этого изображение с высоким динамическим диапазоном не может быть просмотрено человеком без прокрутки яркости, что достаточно неудобно. Поэтому следующий этап в технологии HDRi – это сжатие динамического диапазона так, чтобы изображение можно было удобно просматривать.

Существует 2 подхода к сжатию динамического диапазона, глобальное и локально-адаптивное сжатие диапазона. При глобальном сжатии диапазона ко всем пикселям изображения применяется одно и то же преобразование яркости. Это преобразование имеет нелинейный вид, в качестве примера см. Рисунок 6.

Jpg 353x320, 17942 байт

Рисунок 6. Глобальное преобразование яркости

При этом в зависимости от выбора вида функции одна часть диапазона сжимается сильней, а другая слабей. В приведенном примере сильней сжимается верхняя часть динамического диапазона. При выборе вида преобразования руководствуются предположением, что в реальном изображении задействован не весь диапазон яркостей. Следовательно, из него можно исключить некоторые наборы градаций яркости, передавая их со сниженной контрастностью. Однако на практике для видеосъёмки это предположение не подтверждается, все градации яркости обычно задействованы. Их выбрасывание ведёт к потере контрастности, а соответственно к неразличимости деталей.

К глобальному сжатию диапазона относятся такие методы как: преобразование гистограммы, гамма-коррекция, логарифмическое преобразование и др. – все эти методы приводят к потере контрастности изображения.

Сохранить высокую контрастность деталей изображения позволяет локально-адаптивное сжатие диапазона, представляющее собой выравнивание освещения на изображении. Предполагается, что изображение, получаемое камерой, имеет 2 составляющие: саму наблюдаемую сцену и наложенное на неё освещение (тень). Если удалить наложенное на сцену освещение, то мы получим изображение самой сцены, что и требуется для задачи видеонаблюдения.

Рассмотрим на примере. На изображении после локально-адаптивного сжатия динамического диапазона (Рисунок 7) видны одновременно и тёмная и светлая части сцены, в отличие от изображений, приведённых выше (Рисунок 1 и Рисунок 2). При этом обе части сцены передаются без снижения контрастности, а соответственно без потери деталей.

Jpg 639x481, 77237 байт

Рисунок 7. Локально-адаптивное сжатие динамического диапазона

Главная и достаточно сложная проблема, возникающая при выравнивании освещения, это визуальные дефекты на стыках ярких и тёмных участков. Чем меньше визуальные дефекты на границах, тем выше качество реализации технологии HDRi.

Приведённое изображение (Рисунок 7) является результатом работы локально-адаптивного алгоритма выравнивания освещенности, разработанного автором, который не имеет заметных глазом визуальных дефектов на границах тёмных и светлых участков.

Заключение

Таким образом, на основании материала, приведённого в данной статье, можно сделать ряд выводов.

Технология HDRi действительно необходима и действительно позволяет сильно повысить качество изображения. Данная технология наиболее актуальна для камер с высоким разрешением.

При выборе камер и сравнении реализаций технологии HDRi различными производителями, рекомендуется обращать внимание на следующее:

  • Использование специального сенсора с поддержкой двух одновременных экспозиций (выдержек) имеет преимущество перед использованием обычного сенсора, поскольку позволяет свести к минимуму искажения движущихся объектов.
  • Локально-адаптивное сжатие динамического диапазона (или выравнивание освещения) имеет преимущество перед глобальным преобразованием яркости (гамма-коррекция, преобразование гистограммы, логарифмическое преобразование и др.) Локально-адаптивные алгоритмы дают более высокую контрастность изображений, что позволяет различать детали.

  • Локально-адаптивные алгоритмы отличаются друг от друга величиной визуальных дефектов на границах светлых и тёмных объектов или участков изображения.

Анисимов Игорь Юрьевич


Взято с http://www.sec.ru
13.04.2010



------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Облако тегов:

Когда мы нарушаем закон нас штрафуют, когда мы поступаем правильно с нас берут налоги.