وضوح و فرمت تصاویر
وضوح تصویر (قدرت تفکیک)
در دنیای آنالوگ و دیجیتال مفهوم وضوح تصویر (Resolution) که به آن قدرت تفکیک نیز گفته می شود، شبیه به هم است ولی تفاوتهای مهمی در تعریف آن در این دو دنیا وجود دارد. از آن جایی که فن آوری ویدئوی آنالوگ از صنعت تلویزیون سرچشمه می گیرد، تصویر در ویدئوی آنالوگ از خطوط تلویزیونی تشکیل شده است اما در سیستم دیجیتالی تصویر از پیکسل های مربعی تشکیل می شود.
وضوح تصویر NTSC و PAL
در امریکای شمالی و ژاپن برای ویدئوی آنالوگ از استاندارد NTSC و در اروپا از استاندارد PAL استفاده می شود. وضوح تصویر استاندارد NTSC، 480 خط و نرخ بروز رسانی خطوط آن 60 درجه (30 فریم) در ثانیه است که به زبان فنی به شکل 60i480 نمایش داده می شود، در اینجا «i» نمایان گر رشته اطلاعاتی (Interlaced Scaning) است. وضوح تصویر استاندارد PAL، 576 خط و نرخ بروز رسانی خطوط آن 50 خط (25 فریم) در ثانیه است (50i576). یادآوری می شود که کل اطلاعاتی منتقل شده توسط هر دو روش در هر ثانیه برابر است.
برای عددی کردن مقادیر آنالوگ در هنگام تبدیل ویدئوی آنالوگ به دیجیتال می توان بر اساس خطوط تلویزیونی از حداکثر تعداد پیکسلی تولیدی استفاده کرد. در سیستم NTSC حداکثر ابعاد تصویر دیجیتالی شده 480×720 پیکسل و در سیستم PAL 576×720 پیکسل (DI) است.
پر کاربردترین وضوح تصویر به ترتیب قالب 4CIF: 576×704 (PAL) یا 480×704 (NTSC) و بعد از آن قالب 2CIF: 288×704 (PAL) یا 240×704 (NTSC) می باشد. در برخی از کاربری ها از یک- چهارم CIF تصویر استفاده (QCIF) می شود. در شکل (الف ) انواع مختلف وضوح تصویر برای تصاویر سیستم PAL و NTSC به نمایش درآمده است.
قالب های وضوح تصویر سیستم PAL قالب های وضوح تصویر سیستم NTSC
وضوح تصویر VGA
طراحی سیستم ویدئویی کاملاً دیجیتال با تولید دوربین های شبکه ممکن شده است. این قابلیت جدید محدودیت های سیستم های PAL و NTSC را ندارد. امروزه قالب های وضوح تصویر متنوعی در صنعت تولید کارت های گرافیک رایانه ها ابداع شده است که همه آنها جزء استانداردهای بین المللی هستند و نسبت به قالب های قدیمی انعطاف بیشتری دارند.
اصطلاح فنی VGA مخفف آرایه نگاره سازی بصری (Video Graphics Array) است و توسط شرکت IBM برای نمایش تصاویر گرافیکی روی صفحه ی رایانه های شخصی (PC) طراحی شده است. اکثر دوربین های دیجیتال یا شبکه به جز دوربین های مگاپیکسلی از وضوح تصویر قالب VGA (480×640 پیکسل) استفاده می کنند. معمولاً از آنجایی که در اکثر موارد صفحه نمایش رایانه می تواند وضوح تصویر VGA یا مضربی از آن را نمایش بدهد، بهتر است از وضوح تصویر VGA برای دوربین های شبکه استفاده شود. انواع مختلف قالب های وضوح تصویر VGA شبیه به ابعاد CIF بوده و در جدول زیر نشان داده شده اند.
وضوح تصویر VGA
| قالب نمایشی | تعداد پیکسل ها |
|---|---|
| QVGA - SIF | 320×240 |
| VGA | 640×480 |
| SVGA | 800×600 |
| XVGA | 1024×768 |
| 4x VGA | 1280×960 |
وضوح تصویر MPEG
گروه کارشناسان تصاویر متحرک ( Motion Picture Expert Group-MPEG ) یک کارگروه از سازمان بین المللی استاندارد جهانی ( ISO ) است و عهده دار توسعه استاندارد رمز گذازی صدا و تصویر می باشد. در سال 1992 این گروه با هدف ضبط تصویر دیجیتال روی لوح فشرده (CD) تشکیل شد که نتیجه کار آنها اختراع قالب MPEG-1 بود. با استفاده از این قالب جدید می توان یک فیلم سینمایی را برروی CD ذخیره کرد. در سال 1995 قالب MPEG-2 تدوین شد و با استقبال زیادی در شبکه های کابلی و ماهواره ای و … مواجه گردید. تکنیک های MPEG برای فشرده سازی، کدگذاری و کدبرداری اطلاعات موافقتنامه هایی ساخته است .
الگوریتم MPEG
در این روش به جای اینکه یک فریم به صورت کامل ذخیره شود تغییرات آن نسبت به فریم قبلی ذخیره می گردد. در قالب MPEG اطلاعات به صورت بسته های فشرده تبدیل می شود که به آسانی قابل انتقال هستند و در مقصد این بسته ها از حالت فشرده شده خارج می شوند (Decompress).
تعداد قالب های وضوح تصویری MPEG-1 و MPEG-2 در اوائل محدوده بود و در برخی از موارد با قالب D1 یا بخشی از آن تفاوت داشت. امروزه منظور از وضوح تصویر MPEG یکی از قالب های زیر است.
- 576×704 پیکسل (PAL 4CIF)
- 480×704 پیکسل (NTSC 4CIF)
- 576×720 پیکسل (PAL & DI)
- 480×720 پیکسل (NTSC & DI)
وضوح تصویر مگاپیکسلی
دوربین های مگاپیکسلی برای داشتن وضوح تصویر بسیار بالا از حسگر های مگاپیکسلی استفاده می کنند. تصاویر فیلم برداری شده توسط آنها حاوی یک یا چندین میلیون پیکسل است. این دوربین ها به کاربر اجازه می دهد جزئیات بیشتری از صحنه را مشاهده کند. به هر میزان که پیکسل های حسگر دوربین بیشتر شود، جزئیات تصاویر بیشتر شده و کیفیت تصویر بالاتر می رود. این مزیت در کاربری های ویدئوی حفاظتی بسیار مطلوب است. در جدول زیر قالب های مگاپیکسلی گرد آوری شده اند.
قالب های وضوح تصویر مگاپیکسلی
| قالب نمایشی | تعداد مگاپیکسل | تعداد پیکسل ها |
|---|---|---|
| SXGA | 1/3 | 1280×1024 |
| (SXGA + (EXGA | 1/4 | 1400×1050 |
| UXGA | 1/9 | 1600×1200 |
| WUXGA | 2/3 | 1920×1200 |
| QXGA | 3/1 | 2048×1536 |
| WQXGA | 1/4 | 2560×1600 |
| QSXGA | 5/2 | 2560×2048 |
بهترین روش تعیین تعداد پیکسل دوربین در طراحی سیستم های ویدئوی حفاظتی، توجه به ویژگی های تعریف شده برای کاربری دوربین در مجموعه حفاظتی است. به عنوان مثال در تصویر منظره نما برای نمایش یک متر 70 الی 100 پیکسل کافی است و برای کاربری هایی که در آنها جزئیات درون تصاویری اهمیت دارد (نظیر تشخیص چهره) باید برای نمایش یک متر از 500 پیکسل یا بیشتر استفاده شود، یعنی برای دوربین مگاپیکسلی حداقل وضوح تصویر لازم برای تشخیص چهره افرادی که از یک محدوده 2 در 2 متر عبور می کنند 1 مگاپیکسل (1000×1000 پیکسل) است.
حداکثر وضوح تصویر دوربین آنالوگ روی DVR یا کدگذار ویدئو پس از دیجیتالی شدن تصاویر، D1 است که معادل 480×720 پیکسل سیستم NTSC و 576×720 پیکسل سیستم PAL است (معادل 414720 پیکسل یا 0.4 مگاپیکسل). در مقابل این وضوح تصویر، یک قالب مگاپیکسلی پر کاربرد 1024×1280 پیکسل (1.3 مگاپیکسل) است که سه برابر وضوح تصویر دوربین آنالوگ است.
نسبت تصویر
نسبت تصویر (Aspect Ratio) نسبت عرض به ارتفاع تصویر است و با وضوح تصویر مگاپیکسلی می توان نسبت تصویرهای متنوع تری داشت ( شکل د ). متداول ترین نسبت تصویر برای نمایشگرهای تلویزیونی 4:3 است.
وضوح تصویر تلویزیون های بسیار با کیفیت
با استفاده از استاندارد دیجیتالی (High-Definition TV) HDTV در صفحه نمایشگرهای بسیار با کیفیت می توان در نسبت تصویر 4:3 تصاویری با وضوح تصویر p720 ( پیمایش جلو رونده) یاi1080 (پیمایش محل تصویر) و در نسبت تصویر 16:9 تصاویری با حداقل وضوح تصویر p540 یا i810 نمایش داد.
ابعاد استاندارد تصویر در قالب HDTV برای اتحادیه اروپا (EBU) و کشورهای NTSC در جدول های زیر گرد آوری شده اند.
ابعاد استاندارد تصویر قالب HDTV در EBU
| ابعاد تصویر | نسبت تصویر | نوع پیمایش | نرخ ارسال تصویر (fps/Hz) | برچسب |
|---|---|---|---|---|
| 720×1280 | 16:9 | جلورونده | 50 | 720p50 |
| 1080×1920 | 16:9 | محل تصویر | *25 | 1080i50 |
| 1080×1920 | 16:9 | جلورونده | 25 | 1080p25 |
| 1080×1920 | 16:9 | جلورونده | 50 | 1080p50 |
ابعاد استاندارد تصویر قالب HDTV در NTSC
| ابعاد تصویر | نسبت تصویر | نوع پیمایش | نرخ ارسال تصویر (fps/Hz) | برچسب |
|---|---|---|---|---|
| 720×1280 | 16:9 | جلورونده | 50 | 720p60 |
| 1080×1920 | 16:9 | محل تصویر | *30 | 1080i30 |
| 1080×1920 | 16:9 | جلورونده | 30 | 1080p305 |
| 1080×1920 | 16:9 | جلورونده | 60 | 1080p60 |
تعیین وضوح تصویر و قالب فشرده سازی
وضوح تصویر تحت تاثیر ابعاد و فاصله ی هدف داخل صحنه قرار دارد. برای توضیح این تاثیرات، سیستم تشخیص چهره ای که برای درب ورودی فرودگاه استفاده می شود را در نظر بگیرید، عرض محدوده ی درب ورودی در حدود 20 متر است و باید در این محدوده چهره افراد قابل تشخیص باشد. در این مثال میدان دید عمودی مورد نیاز 2 متر تخمین زده شده است. طراح با ترکیب وضوح تصویر لازم و ابعاد محدوده ی تحت پوشش ویدئوی حفاظتی ( در این مثال درب ورودی فرودگاه 20 در 2 متر است) می تواند تعداد پیکسل های مورد نیاز برای پوشش صحنه را محاسبه کند. در شکل زیر چهره فردی با چهار وضوح تصویر مختلف نشان داده شده است. از آن جایی که اکثر افراد بزرگسال عرض چهره ی مشابه ای دارند ( در حدود 0.15 متر)، تعیین ابعاد چهره افراد کار آسانی است.
جایگزین هایی که در دو تصویر انتهایی ارائه شده اند (یعنی 32 و 64 پیکسل) برای سیستم های تشخیص چهره گزینه های مناسبی هستند.
تعداد پیکسل های لازم برای نمایش چهره ای با عرض 0.15 متر (6 اینچ)
| طرح | وضوح تصویر (پیکسل های سطری تصویر چهره) | ابعاد صحنه (متر) | صحنه (پیکسل) |
|---|---|---|---|
| 1 | 8 | 5×20 | 110×1070 |
| 2 | 16 | 5×20 | 215×2130 |
| 3 | 32 | 5×20 | 430×4270 |
| 4 | 64 | 5×20 | 860×8530 |
تعداد دوربین های سیستم ویدئوی حفاظتی با تعیین وضوح تصویر قابل محاسبه هستند. در جدول زیر انواع روش های ترکیب دوربین ها و مزایای استفاده از دوربین های مگاپیکسلی نشان داده شده است .
تعداد دوربین های لازم برای ایجاد پوشش ویدئوی حفاظتی
| طرح | صحنه (پیکسل) | دوربین VGA (480×640) | دوربین 1/3 مگاپیکسلی (1024×1280) | دوربین 2 مگاپیکسلی (1200×1600) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 110×1070 | 5×20 | 1=1×1 | 1=1×1 |
| 2 | 215×2130 | 5×20 | 2=1×2 | 2=1×2 |
| 3 | 430×4270 | 5×20 | 4-=1×4 | 3=1×3 |
| 4 | 860×8530 | 5×20 | 7=1×7 | 6=1×6 |
مثال های جدول بالا نشان می دهد که برای رسیدن به وضوح تصویر بالاتر به هزینه ی بیشتر و به عبارت دیگر به تعداد دوربین بیشتری نیاز است. اگر برای ایجاد پوشش ویدئوی حفاظتی از طراحی شماره 4 استفاده شود به 28 دوربین VGA نیاز است ولی در صورت استفاده از دوربین های 2 مگاپیکسلی به جای این 28 دوربین، برای پوشش منطقه فقط به 6 دوربین نیاز است.
قالب های H.264، MPEG-4 و JPEG متحرک پر کاربرد ترین روش های فشرده سازی ویدئو هستند.
این قالب ها از ساز و کارهای متفاوتی برای کاهش حجم اطلاعات استفاده می کنند و هر کدام مزایا و معایبی دارند. قدرت مانور سیستم هایی که تجهیزات آنها از چند نوع قالب فشرده سازی استاندارد پشتیبانی می کنند. در نمایش بهتر ویدئو و ذخیره آن بیشتر است. به عنوان مثال در برخی از سیستم ها از قالب MPEG-4 برای نمایش زنده ویدئو و از قالب JPEG برای ذخیره آنها استفاده می شود.
در انتخاب نوع فشرده سازی می توان از توصیه های زیر استفاده کرد:
- JPEG متحرک: این قالب فشرده سازی برای سیستم های کوچک با تجهیزات ویدئویی محدود و سیستم هایی با نرخ فریم در ثانیه کمتر از fps5، پهنای باند نامعلوم و دارای دوربین های کنترل از راه دور مناسب است .
- MPEG-4: این قالب فشرده سازی برای سیستم های متوسط و بزرگ مناسب است. ارزش قالب MPEG-4 بیشتر در سیستم هایی با نرخ فریم در ثانیه بالاتر و زمان تأخیر طولانی تر نمایان می شود. همچنین این قالب برای سیستم هایی که پهنای باند ثابت ولی محدودی دارند، مناسب است.
- 264: این روش علاوه بر داشتن تمامی مزایای روش MPEG-4، در صرفه جویی پهنای باند و فضای ذخیره سازی دو برابر قوی تر عمل می کند.