چيپ تصوير Progressive CMOS / فشرده سازي تصاوير در دوربين مداربسته

چيپ تصوير Progressive CMOS  / فشرده سازي تصاوير در دوربين مداربسته

اگر به واكاوي اجزاي دروني يك دوربين مداربسته بپردازيم به سخت افزارهايي برمي خوريم كه يكي از آنها قطعه اي كوچك با فتوديود هاي بازتابنده اي است كه به آن لنز دوربين گفته مي شود. بخش اصلي يك لنز شامل حسگر يا چيپ تصوير آن مي باشد. بسته به ويژگي نوع دوربين مداربسته اي كه قصد خريد آن را داريد، متوجه خواهيد شد كه از يكي از دو نوع چيپ  تصوير درون آن استفاده شده است:

• چيپ تصوير CCD يا (charged-coupled device)
• چيپ تصوير CMOS يا (complimentary metal-oxide semiconductor)

اين دو سنسور در واقع شامل همان فتوديود هايي هستند كه در پنل هاي خورشيدي نيز مورد استفاده قرار مي گيرند و اساسا تمام آنها وظايف يكساني دارند. آنها نور را به الكترون تبديل و در نهايت به تصاويري قابل نمايش تبديل مي كنند. تكنولوژي موجود در سنسور هاي CMOS در سال هاي اخير پيشرفت هاي زيادي داشته است و بسياري از نقايص آن نيز برطرف شده اند.

پس از پيشرفت هاي تكنولوژيكي صورت گرفته اخير كيفيت تصاوير گرفته شده با سنسور CMOS به حدي بالا رفته كه قادر به تمايز آن از تصاوير گرفته شده توسط رقيب خود يعني سنسور CCD نيستيد. و حتي مي توان گفت مزاياي داشتن يك دوربين با سنسور CMOS از سنسور CCD بيشتر است.

معرفي سنسور CMOS Progressive

سنسورهاي CCD و CMOS كه در داخل دوربين هاي مدار بسته يافت مي شوند با تكنولوژي پيشرفته  اي ساخته شده اند كه قابليت هاي اساسي آنها را بهبود مي بخشد. فيلتر هاي Interlaced و Progressive از جمله اين پيشرفت ها محسوب مي شوند. آنها تصاوير را درون فريم ها پردازش نموده و نقايص موجود در تصاوير را از بين مي برند.

استفاده از فيلتر Progressive در هر دو سنسور CCD و CMOS رايج است، اما عمدتا در دوربين هاي امنيتي CMOS وجود دارد. فيلتر Progressive اين امكان را فرآهم مي كند تا دوربين بتواند اطلاعات را از هر كدام از پيكسل ها به طور جداگانه دريافت كند و پس از اسكن نمودن آنها تصويري كامل از سوژه به دست دهد. به بيان ديگر تصاوير دريافتي به طور جداگانه به فيلدها و اجزاي مختلف تجزيه نمي شوند و خطوط توليد شده در هر تصوير با كيفيت مناسبي سريعا در نمايشگر قابل مشاهده است. مهمترين مزيت اين روش در كاربرد هاي تشخيص حركت يا (Motion Detection) است.

اين امر در دوربين هاي مدار بسته از اهميت زيادي برخوردار است، زيرا اين فيلتر ها به دستگاه هاي ضبط  DVR يا NVR اجازه مي دهد تا فيلم ها را با كيفيت بيشتري ضبط كنند. به خصوص در مواقعي كه تصاوير از پيچيدگي ها و جزئيات بيشتري برخوردار اند.

معرفي سنسور Interlaced

فيلتر هاي Interlaced منحصرا در سنسورهاي CCD وجود دارند. براي تشكيل تصاوير توسط اين نوع از سنسور ها، خطوطي به صورت زوج و فرد توليد مي شوند. زماني كه اطلاعات حاصل از اين خطوط با يكديگر ادغام مي شوند تصوير كامل تشكيل مي گردد.

هايك ويژن   دوربين مدار بسته تياندي 

فشرده سازي تصاوير در دوربين مداربسته

اصطلاح Video Compression يا فشرده سازي تصاوير در دوربين مداربسته دسته اي از اقدامات نرم افزاري براي كاهش حجم تصاوير ضبط شده و در عين حال حفظ كيفيت آنهاست. روش هاي گوناگوني براي فشرده سازي در سيستم هاي مداربسته وجود دارند. فشرده سازي در ضبط تصاوير و فيلم دوربين مداربسته در ميزان هزينه هاي ذخيره سازي نقش مهمي دارد. حجم داده هاي تصويري به خودي خود بالاست و زماني كه كيفيت تصوير بالا باشد اين حجم بيشتر است. چگونه مي توان هم تصاوير بيشتري ذخيره نمود و هم كيفيت را از دست نداد. فرمت هاي مختلف فشرده سازي براي اين منظور معرفي شدند و هر بار نسخه جديدتري با عملكرد بهتر به آنها اضافه شد. به عنوان مثال فرمت هاي فشرده سازي JPEG ،Wavelet، JPEG 2000،MPEG-2 ،MPEG-4 ، H.264 و MPEG-7 كه توسعه آنها موجب بهبود نتايج شد.

فشرده سازي فيلم چطور صورت مي گيرد؟

پيش از بررسي روش هاي فشرده سازي فيلم بايد كمي با روش هاي ساده فشرده سازي تصوير يا عكس آشنا شويم. براي فشرده سازي يك عكس روشهاي بسيار متفاوتي وجود دارد كه هر يك فرمولاسيون نرم افزاري خود را دارند اما دو روش بسيار رايج JPEG و PNG هستند. بايد بدانيد در شكل خام (BMP)، يك عكس به صورت پيكسل هاي يك به يك ضبط مي شود، يعني اطلاعات هر پيكسل به صورت جداگانه ثبت مي شود كه شامل ميزان روشنايي، رنگ و محل پيكسل است. از كنار هم گذاشتن اين اطلاعات يك عكس كامل ساخته مي شود. اين روش طبيعتا ظرفيت بسيار بالايي را اشغال مي كند.

در روش JPEG، نرم افزار با پيدا كردن پيكسل هاي نزديك به هم و ضبط شباهت آنها از نظر رنگي به جاي ثبت پيكسل به پيكسل تصوير، تصوير را به صورت مجموعه اي از شكل هاي رنگي ثبت مي كند (البته اين فقط اصل عملكرد JPEG است، جزئيات نرم افزاري فشرده سازي بسيار گسترده است). در روش PNG عكس به صورت يك فرمول از شكل هايي با رنگ هاي مختلف در مي آيد.

مثلا اگر دايره اي در مركز تصوير است اين دايره به صورت فرمول يك دايره ثبت مي شود. روش JPEG معمولا در فشرده كردن عكس هاي واقعي بالاترين بهره وري را دارد در حالي كه روش PNG براي فشرده سازي طراحي هاي كامپيوتري و ICON ها بهينه است. تقريبا تمام روشهاي فشرده سازي فيلم ها بر پايه JPEG ساخته شده اند. چراكه بيشتر فيلم ها از تصاوير واقعي تشكيل شده اند و اين روش بهينه تر خواهد بود. البته در فشرده سازي فيلم پا را يك قدم فراتر از روش JPEG مي گذارند.

در روش‌هاي رايج فشرده سازي فيلم مانند MPEG گذشته از بررسي پيكسل هاي كنار هم در تصوير، پيكسل هاي مشابه در بين فريم ها هم شناسايي مي شود و به يك مجموعه ثبت مي شوند. در واقع در اين روش، اگر تصوير در بين فريم ها تغييرات زيادي نداشته باشد به مراتب فشرده تر مي شود. اين باعث مي شود قسمت هايي از تصوير كه فاقد اتفاقات مهم و حركت هستند ظرفيت زيادي اشغال نكنند. البته موارد گفته شده تنها پايه هاي فشرده سازي ديجيتال هستند، روشهاي امروزي براي تشخيص شباهت ها در تصاوير و بين فريم ها از مكانيزم هاي بسيار پيچيده اي استفاده مي كنند تا بتوانند نهايت فشرده سازي را در يك فيلم بدون كاهش كيفيت انجام دهند.

فشرده سازي تصاوير در دوربين مداربسته به چه صورت انجام مي گيرد؟

دوربين هاي آنالوگ فاقد پردازشگر هستند، پس نمي توانند تصوير را فشرده كنند. اين دوربين هاي تصاوير را به صورت غير فشرده براي دستگاه DVR مي فرستند و فشرده سازي در اين دستگاه انجام مي شود. در دوربين هاي تحت شبكه فشرده سازي تصاوير در داخل دوربين انجام مي شود.

نسل اول از دوربين هاي مداربسته از روش هاي بسيار ساده مانند JPEG يا MPEG استفاده مي كردند. اما امروزه تقريبا تمام دوربين هاي مداربسته حداقل از روش H.264 استفاده مي كنند. در چند سال اخير يك روش بسيار پيشرفته به نام H.265 يا HEVC هايك ويژن براي فشرده سازي مورد استفاده قرار مي گيرد كه تا 4 برابر موثرتر از H.264 است.

دوربين هاي مداربسته هايك ويژن از چه روشي براي فشرده سازي استفاده مي كنند؟

دوربين هايك ويژن از روش H.264 يا H.264+ (نمونه پيشرفته همان روش با مشخصاتي مشابه H.265) استفاده مي كند. نوع روش فشرده سازي تصاوير در كاتالوگ دوربين يا دستگاه ذخيره ساز نوشته شده است. اما جديدترين ورژن فشرده سازي تصاوير كه توسط خود شركت هايك ويژن ابداع شده است فشرده سازي H.265+ است. تفاوت اصلي آن از نظر عملكرد نسبت به نسخه هاي قبلي، كاهش ميزان بيت ريت (تعداد بيت هايي كه در يك واحد منتقل يا پردازش مي شوند) و كاهش مصرف پهناي باند (ميزان انتقال داده ها در بيت در ثانيه (بيت / ثانيه) در آن است.

فشرده سازي H.264 در دوربين مداربسته هايك ويژن

264 در سال 2003 توسعه يافت. همچنين به عنوان كدگذاري پيشرفته ويدئو (AVC) شناخته مي شود، اين فرمت پركاربردترين فرمت براي ضبط، فشرده سازي و توزيع ويدئو است. H. 264 يك استاندارد شناخته شده فشرده سازي ويدئو براي فيلم هاي ديجيتال با كيفيت بالا محسوب مي شود. H. 264 كه با نام MPEG-4 Part 10 يا Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC) نيز شناخته مي شود، چندين سطح از حداكثر بيت ريت و وضوح را تعريف مي كند. در سطح بالا، مقدار يكنواختي در پارامترهاي فشرده سازي براي هر كدك وجود دارد. در تمام آنها حفظ كيفيت مورد نظر است اما بيت استريم رمزگشايي پيچيده اي دارد. در واقع سطوح H.264 حداكثر داده و وضوح تصوير را تعيين مي كند.

نصب دوربين مدار بسته

دوربين حارس

ساير فرمت هاي فشرده سازي در دوربين مداربسته

• Motion JPEG

M-JPEG فرمت فشرده سازي تصوير دوربين مداربسته از فرمت JPEG گرفته شده است. JPEG تكنيك فشرده سازي از نوع lossless است. به اين مفهوم كه اطلاعات كمي از تصوير حذف در جريان فشرده سازي حذف مي كند. Motion-JPEG يك جريان ويديويي از عكس هايي را ايجاد مي كند كه با فرمت JPEG فشرده شده باشند.

• MPEG

پس از M-JPEG فرمتي ديگر جهت فشرده سازي توسط گروه Motion Picture Expert Group طراحي و معرفي شد. اساس كار اين استاندارد به اين نحو است كه قسمت هاي اضافي يا مشابه را حذف مي كند. بخش هاي حذف شده نه تنها در هر تصوير بلكه در بين تصاوير مختلف و مجاور نيز شناسايي و حذف مي شود.

• MPEG-1

در MPEG-1 از هر تصوير سه فريم متفاوت ساخته مي شود. فريم اول شامل (l-frame)  تمام خصوصيات و اطلاعات مربوط به ساخت تصوير است. فريم دوم P-frame يا فريم پيش بيني  نام دارد اين فريم از فريم اول، تصوير قبلي ايجاد شده است. از آن براي ايجاد تصوير بعدي استفاده مي شود. سومين فريم با نام B-frames كه به آن فريم پيش بيني دوتايي  نيز گفته مي شود از دو فريم قبلي و بعدي ساخته مي شود. اين روش فشرده سازي بخش هاي تكراري و زائد را در هر تصوير حذف مي كند. علاوه براين بين تصاوير مختلف نيز با استفاده از مقايسه فريم ها با يكديگر، بخش هاي تكراري را حذف خواهد كرد. نتيجه اين فشرده سازي، كاهش بيشتري از حجم تصوير نسبت به روش JPEG است.

• MPEG-2 و MPEG-3

MPEG-2 نسخه پيشرفته MPEG است. به عبارت ديگر حاصل اين فرمت كم حجم تر از نتيجه فرمت فشرده سازي MPEG است. اما فرمت فشرده سازي MPEG-3 كه ساختاري مشابه MPEG-1 دارد. با اين تفاوت كه تصاوير فشرده شده با MPEG-3 با كيفيت بهتري خواهد بود.