Test jakości obrazu w systemie PAL w telewizji przemysłowej.

Spis treści

 Wstęp.
Organizacja stanowiska testowego.
Procedura kadrowania obrazu.
Ustawienie i test ostrości obrazu.
Test geometrii obrazu monitora.
Test odbicia sygnału.
Test rozdzielczości kamery.
Pasmo wizyjne kamery.
Skala szarości.
Odwzorowanie kolorów.
Identyfikacja człowieka.
Rozpoznawanie pisma.
Obserwacje i wnioski.

Wstęp.                         

Oddajemy w Państwa ręce „obraz kontrolny” opracowany przez naszą firmę, który jest wynikiem naszej wielotygodniowej pracy, związanej z wykonaniem kilkuset prób i testów w celu umożliwienia pomiarów parametrów kamer CCTV.

Podstawowym przeznaczeniem opracowanego obrazu kontrolnego jest sprawdzenie poszczególnych elementów składowych systemu telewizji przemysłowej jak i całego systemu pod względem spełniania założonych wymagań.

Wykorzystując charakterystyczne elementy obrazu testowego można ocenić jakość i wysnuć wnioski na temat zastosowanej kamery, obiektywu. Ocenić jakość samego obrazu na monitorze przemysłowym, a także dokonać pomiarów niektórych parametrów.

W przypadku systemów archiwizacji obrazu możemy zobaczyć jak zmienia się jakość obrazu w zależności od zastosowanej metody, rozdzielczości i stopnia kompresji samego zapisu.

Obraz testowy pozwala na ocenę systemu i jego elementów pod względem parametrów technicznych oraz przydatności do określonych zastosowań, takich jak: kontrola ruchu, identyfikacja twarzy człowieka, rozpoznanie pisma.

Obraz testowy można pobrać z naszej strony internetowej: https://sklep.delta.poznan.pl/download/obraz_kontrolny.zip i wydrukować na kolorowej drukarce atramentowej o rozdzielczości minimum 600 dpi.

Rys.1. Opracowana plansza testowa.

 Obraz testowy można podzielić na kilka części funkcjonalnych. Centralna część testu umożliwia dokładne ustawienie ostrości i sprawdzenie geometrii monitora.
Niżej i po prawej stronie znajdują się testy rozdzielczości i szerokości pasma wizyjnego kamery, powyżej test odbicia sygnału w torze wizyjnym.
Po lewej stronie obrazu, testy rozpoznawania twarzy człowieka i rozpoznawania ruchu.
Po prawej stronie test rozpoznawania pisma różnej wielkości.
Pasek skali szarości u dołu pozwala na sprawdzenie współczynnika gamma kamery/monitora (optymalnego ustawienia jasności i kontrastowości obrazu).
Pasek kolorów na górze pozwala przetestować wierność  odwzorowania barw.
Test ostrości umieszczony został również w narożnikach obrazu testowego.
Istotnym elementem testu są białe i czarne trójkąty na krawędzi obrazu pozwalające na właściwe wykadrowanie pola widzenia kamery.

W następnych rozdziałach instrukcji opisany zostanie sposób organizacji stanowiska testowego i przygotowania jego poszczególnych elementów. Następnie przedstawiony zostanie sposób przeprowadzenia poszczególnych testów z uzasadnieniem procedury. Opis procedur testowych wzbogacony jest rzeczywistymi przykładami z pomiarów.

Spis treści

Organizacja stanowiska testowego.

Stanowisko testowe powinno spełnić kilka wymogów. Ekran z planszą testową musimy umocować poziomo w takim miejscu, aby mieć możliwość swobodnego ustawienia kamery przed nim i właściwego oświetlenia planszy. Plansza musi być zamocowana na sztywnym podłożu. Najlepiej, aby plansza testowa oświetlona była równomiernie z dwóch stron światłem rozproszonym. Oświetlenie należy tak ustawić, aby uniknąć refleksu światła od planszy na obserwowanym przez kamerę obrazie.

Kamerę najlepiej umocować na statywie. Do tego celu z powodzeniem możemy wykorzystać statyw fotograficzny. Statyw ten posiada regulację orientacji zamontowanego urządzenia w trzech płaszczyznach oraz regulację wysokości, co umożliwi nam precyzyjne ustawienie warunków ekspozycji. Statyw powinien być również ustawiony na płaszczyźnie poziomej, dzięki czemu ewentualne zmiany położenia kamery nie spowodują konieczności ponownej regulacji we wszystkich płaszczyznach. Pomocnym w tym przypadku elementem jest poziomica kolista w którą wyposażonych jest wiele statywów.

Kamera na statywie powinna być tak zorientowana w stosunku do planszy testowej, aby przedłużenie osi optycznych kamery i obiektywu prostopadle przecinało planszę testową w samym środku testu ostrości. Wykorzystując obiektyw ze zmienną ogniskową (zoom) można sprawdzić ustawienie kamery przybliżając sam środek planszy testowej w polu widzenia kamery - jeżeli nasze ustawienie jest prawidłowe, środek planszy testowej nie będzie nam „uciekał na boki”.

Ważną sprawą jest również dobór odpowiedniego obiektywu do kamery. Kamery wyposażone są w różnej wielkości przetworniki obrazu. Możemy wyróżnić przetworniki o rozmiarach 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3”, 1/4”. Na naszym rynku najczęściej spotykane są kamery przemysłowe o przetwornikach 1/3” i 1/4”. Warto wspomnieć, że obiektyw kamery jest znormalizowany do określonej wielkości przetwornika. Dopuszczalne jest stosowanie obiektywu normalizowanego do większego przetwornika w kamerze o mniejszym przetworniku, ale nie odwrotnie (obraz z kamery będzie miał czarną okrągłą obwódkę). Spotykane są również dwa typy montażu obiektywów – montaż C i CS. Obiektyw z montażem typu C można stosować z kamerami z mocowaniem C i CS, przy czym dla mocowania CS wymagane jest wkręcenie między obiektyw i kamerę pierścienia dystansowego – inaczej uzyskanie ostrości przy wymaganej odległości będzie niemożliwe. Kolejnym elementem na który warto zwrócić uwagę jest ogniskowa obiektywu. W przypadku kamer o przetwornikach 1/2” dobrym wyborem będą obiektywy o ogniskowych rzędu 12 – 25 mm. Dla kamer o przetwornikach 1/3” i 1/4” odpowiednio: 8 – 16 mm i 6 – 12 mm. Zastosowanie krótszych ogniskowych daje nam kąt pola widzenia kamery większy niż 30 stopni, przy którym zaczynają być widoczne sferyczne zniekształcenia obrazu. Dłuższe ogniskowe natomiast powodują zwiększenie odległości między kamerą a planszą testową. Dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie obiektywu ze zmienną ogniskową (ręczna regulacja), co znacznie ułatwi nam proces właściwego wykadrowania pola widzenia (patrz następny rozdział).

Dobrze, jeżeli obiektyw posiada również ręczną regulację przesłony (manual iris), co pozwala na optymalne dopasowanie jasności i kontrastowości obrazu w zależności od czułości kamery i oświetlenia ekranu.

Testy różnych kamer powinny być w miarę możliwości przeprowadzone przy użyciu tego samego obiektywu, jest to warunkiem zapewnienia porównywalności otrzymanych wyników.

Rys.2. Przykładowe stanowisko testowe.

Na koniec warto poświęcić chwilę uwagi monitorom. Kiedy chcemy przetestować rozdzielczość kamer, najlepszym rozwiązaniem będzie użycie czarno-białego monitora o możliwie jak największej rozdzielczości (zalecane jest, aby monitor miał rozdzielczość rzędu 1000 linii telewizyjnych w centrum obrazu).

Kolorowe monitory mają mniejsze rozdzielczości. Dopuszczalne jest zastosowanie monitora kolorowego, którego rozdzielczość jest porównywalna z rozdzielczością odbiornika telewizyjnego. Przy pomocy tych monitorów możemy badać kamery o mniejszych rozdzielczościach – poniżej 500 linii telewizyjnych (rozdzielczość większości kamer kolorowych nie przekracza 480 linii).

Obraz testowy z kamery możemy rozgałęzić również na określone urządzenia telewizji przemysłowej lub wprowadzić do danego systemu monitoringu, badając w ten sposób końcową jakość obrazu, co może być doskonałym kryterium porównawczym poszczególnych urządzeń, systemów, czy w końcu całego kompleksowego rozwiązania, które w praktyce zamierzamy zastosować.

W przypadku systemów archiwizujących można również sprawdzić jakość zapisu obrazu przez dane urządzenie lub oprogramowanie w zależności od konfiguracji poszczególnych parametrów tego zapisu (rozdzielczość, kompresja, metoda zapisu, itp.).

Spis treści

Procedura kadrowania obrazu.

Podstawą wiarygodnych odczytów jest właściwe wykadrowanie obrazu planszy testowej w polu widzenia kamery.

Po przeprowadzeniu wstępnych czynności polegających na poziomym zamocowaniu planszy testowej, wyborze określonego obiektywu do kamery oraz zamontowaniu kamery na statywie, musimy właściwie wykadrować pole widzenia. Kamerę należy tak ustawić, aby oś optyczna obiektywu była prostopadła do płaszczyzny planszy testowej i przecinała ją w samym środku (środek testu ostrości). W praktyce trzeba kamerę wypoziomować na odpowiedniej wysokości przed planszą testową, tak aby z punktu leżącego po środku obiektywu była taka sama odległość do poszczególnych narożników obrazu testowego. Posiadając obiektyw ze zmienną ogniskową możemy to łatwo sprawdzić zwiększając ogniskową i przybliżając środek testu – jeżeli oś optyczna przebiega przez ten środek, to w trakcie przybliżania obraz testowy będzie na środku ekranu.

Gdy nasza kamera jest ustawiona prostopadle na odpowiedniej wysokości, musimy ustawić taką odległość kamery od planszy testowej (statyw trzeba przesuwać prostopadle po linii prostej), aby właściwie wykadrować obraz. Stosując obiektyw ze zmienną ogniskową, zamiast przesuwać cały statyw możemy dokonać korekty ogniskowej (w określonym zakresie). Po każdej korekcie należy poprawić ostrość.

 

 Rys.3. Obraz jaki powinien być widoczny w polu widzenia kamery przy poprawnie wykadrowanej planszy testowej.

Obraz musi zostać tak wykadrowany, że czarna ramka z białymi trójkątami powinna się schować za krawędź pola widzenia, tak aby czarne trójkąty były jeszcze widoczne. Zdarza się, że obraz nie można dokładnie wykadrować w poziomie i pionie (proporcje ekranu monitora mogą delikatnie odbiegać od proporcji 4 : 3) - ważne jest, aby dopasowanie było dokładnie przeprowadzone w poziomie. Wiele monitorów przycina krawędzie obrazu, aby nie były widoczne impulsy synchronizacyjne.

Trzeba w tym momencie zwrócić uwagę na fakt, że tradycyjny monitor przemysłowy nie wyświetla na ekranie 100% obrazu. Niektóre monitory wyposażone są w funkcję underscan pozwalającą na zmianę trybu pracy monitora, tak, że widoczne jest 100% wyświetlanego obrazu. Kadrowanie należy przeprowadzić przy włączonej funkcji.

W przypadku gdy posiadamy standardowy monitor, który nie jest wyposażony w funkcję underscan, około 10% obrazu (przy krawędziach, zwłaszcza w narożnikach) nie jest wyświetlane. W takim przypadku, aby dokładnie wykadrować test należy wykonać następujące czynności:

 

 Rys.4. Ustawienie obrazu standardowego monitora w celu wykadrowania testu.

 Wszystkie układy przetwarzania obrazu w testowanej kamerze muszą być wyłączone (np.: AGC, BLC, Auto-Iris).

Spis treści

Ustawienie i test ostrości obrazu.

Do ustawienia ostrości obrazu służy kolisty test liniowy w centrum planszy testowej. Ostrość obrazu powinna być ustawiana przy możliwie największym otworze przesłony obiektywu (tak aby obraz był jeszcze czytelny), ponieważ wówczas jest najmniejsza głębia ostrości, co pozwala na bardziej precyzyjną regulację. Regulacja ostrości polega na obserwacji szarego obszaru w centrum testu, przy którym przestajemy rozróżniać czarne i  białe linie. W miarę jak polepszamy ostrość szary obszar rozmyty ulega zmniejszeniu. Najlepsza ostrość odpowiada najmniejszemu obszarowi jaki uda nam się zauważyć.



Rys.5. Test ostrości

Dla różnych kamer rozmiar tego obszaru nie musi być taki sam – wpływ na to ma chociażby sama rozdzielczość danej kamery.
Po dokładnym ustawieniu ostrości możemy zmniejszyć otwór przesłony na średnie wartości (F/5.6, F/8), przy których obiektyw ma najlepszą rozdzielczość optyczną.

W narożnikach planszy testowej znajdują się również testy ostrości, co umożliwia porównanie ostrości w centrum pola widzenia i na obrzeżach. Może to być jedno z kryteriów porównawczych oceny obiektywów.

Przykład ustawienia ostrości ilustruje poniższy rysunek:

   

Rys.6. Ostrość obrazu jest poprawnie ustawiona na środkowym przykładzie.

Spis treści

Test geometrii obrazu monitora.

Do pobieżnego zbadania geometrii obrazu monitora można wykorzystać test ostrości, ze względu na jego kształt (koło), okrąg narysowany na wysokość pola widzenia kamery oraz test liniowości obrazu.

Stwierdzenie, że kształt okręgu i testu ostrości nie są okręgami oraz że pola testu liniowości odbiegają od kwadratów, świadczy o tym, że obraz jest spłaszczony lub rozciągnięty w danej płaszczyźnie. Sam test liniowości umożliwia oprócz sprawdzenia liniowości monitora, wykrycie poważnych wad obiektywu lub samego przetwornika kamery - jeżeli stwierdzimy niejednolite odwzorowanie w obrazie obszaru objętego testem.

Rys.7. Elementy odwzorowania geometrii obrazu.

Test ten nie umożliwia dokładnego zbadania geometrii obrazu, ale umożliwia wykrycie poważnych wad odwzorowania kształtów w centrum pola widzenia. Jest to o tyle ważne, że właśnie w centrum pola widzenia jakość obrazu powinna być najlepsza i jeżeli już tam zostaną stwierdzone nieprawidłowości, to zasadność przeprowadzenia dalszych testów ulega podważeniu. Może nam to pomóc we właściwym doborze do naszych testów zwłaszcza takich elementów jak obiektyw kamery i monitor.

Spis treści

Test odbicia sygnału.

 Rys.8. Test odbicia sygnału.

Odbicie sygnału może powstać najczęściej w przewodzie koncentrycznym w przypadku uszkodzenia tego przewodu lub w wyniku niedopasowania (impedancja) wyjścia kamery i wejścia monitora. W przypadku dużych długości przewodów zjawisko odbicia jest znacznie bardziej widoczne, niż przy krótkich przewodach, przy których może być nawet niezauważalne. Przewód łączący kamerę z monitorem powinien zatem nie być zbyt długi. Stosujemy oczywiście przewód koncentryczny o impedancji 75 W. Monitor przemysłowy posiada z tyłu przełącznik dopasowujący impedancję wejścia sygnału. Należy się upewnić, że został on ustawiony na pozycję 75 W.

Odbicie sygnału obserwujemy jako słabiej widoczne przesunięcie danego elementu obrazu na prawo. W przypadku gdy mamy więcej takich przesunięć możemy mówić o odbiciu wielokrotnym. Najłatwiej zjawisko odbicia zaobserwować na silnie kontrastujących wyraźnych kształtach i krawędziach. Zjawisko odbicia na naszym teście jest również dobrze widoczne na liniach testu liniowości.

Przykład poniżej ilustruje zjawisko odbicia:

 

 Rys.9. Zjawisko odbicia zarejestrowane na obrazie testowym. Widoczne są przesunięcia prostokątów.

Odbicie sygnału powinniśmy wyeliminować, ponieważ uniemożliwi nam dokładny odczyt przede wszystkim testów rozdzielczości.

Spis treści

Test rozdzielczości kamery.

Przy pomocy omawianego testu możemy odczytać zarówno rozdzielczość poziomą, jak i rozdzielczość pionową obrazu.

Testy rozdzielczości opierają się na następującym założeniu: jeżeli obszar planszy testowej zostanie dokładnie wykadrowany w polu widzenia kamery, wówczas możemy przyjąć, że szerokość obszaru testowego odpowiada szerokości przetwornika kamery. Znamy szerokość obszaru testowego, możemy podzielić ją np. na 400 części i narysować 400 linii o grubości 1/400 szerokości testu każda. Linie te powinny być dobrze rozróżnialne, więc najlepiej, aby były to czarne i białe linie na przemian. Kiedy obserwujemy takie linie na obrazie z kamery i możemy je wyraźnie rozróżnić, oznacza to, że przetwornik kamery musi mieć co najmniej tyle linii ile widzimy, czyli 400 w omawianym przykładzie. Do stwierdzenia rozróżnialności linii nie musimy mieć oczywiście 400 linii, dla przetestowania wystarczy kilka.

Kamery przemysłowe mają różne rozdzielczości przetworników (liczba linii przetwornika kamery) – najczęściej spotykane mają od 240 TVL (linii telewizyjnych) do 600 TVL. Trzeba więc, taką samą metodą jak wyżej, wyznaczyć różne próbki linii o różnej grubości (odpowiadające określonej liczbie linii na całej szerokości testu). Dla zwiększenia czytelności testu zostały narysowane linie o zmiennej grubości z podaniem skali określającej jakiej liczbie linii czyli rozdzielczości przetwornika kamery dana próbka odpowiada. Skala testu obejmuje wartości od 240 TVL do 640 TVL, podzielone na przedziały co 20 linii.

Przy tak narysowanym teście liniowym odczyt rozdzielczości polega na znalezieniu takiego miejsca, przy którym przestajemy rozróżniać czarne i białe linie. Granica ta nie jest wyraźna, stąd odczyt pozwala określić rozdzielczość z dokładnością do danego przedziału, a więc rzędu 20 linii

Rys.10. Test rozdzielczości 

Pojawia się jeszcze jeden problem, który dotyczy odczytu granicy rozróżnialności linii. Pojawia się interferencja pomiędzy liniami narysowanymi na planszy testowej, a liniami przetwornika kamery (Rys.11. poniżej), która znacznie utrudnia stwierdzenie: czy w danym przedziale linie są jeszcze widoczne czy już nie, ponieważ na obraz zaczynają się nakładać linie interferencyjne. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy wyższych rozdzielczościach (cieńszych liniach). Sama struktura ekranu monitora również utrudnia dokładny odczyt. Z uwagi na powyższe, linie testu nie są pionowe (poziome) tylko nachylone pod pewnym kątem, co osłabia zjawisko interferencji. Kąt nachylenia dobraliśmy po wykonaniu wielu prób w taki sposób, aby linie interferencyjne były najmniej widoczne.

Z testu pionowego można odczytać rozdzielczość poziomą, która odpowiada rozdzielczości przetwornika   kamery. Na teście poziomym, odczytujemy natomiast rozdzielczość pionową obrazu.

Rys.11. Zjawisko interferencji widoczne w górnej części planszy w kształcie krzyża.

Poniżej przedstawiono przykładowe odczyty rozdzielczości kamer:

     (a)     (b)    (c)

Rys.12. Rozdzielczość przykładowych kamer:
 (a) – kamera CMOS – odczytana rozdzielczość: 320 linii,
 (b) – kamera CCD – odczytana rozdzielczość: 340 linii,
(c) – kamera CCD – odczytana rozdzielczość: 460 – 480 linii.

Odczyt rozdzielczości wymaga pewnej wprawy, którą nabiera się po kilku testach.
Zrzuty ekranowe pogarszają nieznacznie jakość prezentowanych próbek.
W rzeczywistości są one bardziej wyraźne.

Spis treści

Pasmo wizyjne kamery.

 

Rys.13. Test szerokości pasma wizyjnego kamery.

Szerokość pasma wizyjnego kamery (MHz) określa, najprostszym językiem mówiąc, zdolność kamery do odwzorowania szczegółów obrazu. Większa rozdzielczość pozioma przetwornika kamery wymusza na elektronice szersze pasmo wizyjne. Im większy jest zatem ten parametr tym przetwornik kamery może mieć większą rozdzielczość, czyli obraz będzie mniej rozmyty (o lepszej ostrości i szczegółowości).

Grubość próbki linii testowych można wyznaczyć w oparciu o znajomość czasu wyświetlania całej linii obrazu. Określona grubość linii czarnej i białej odpowiada pewnemu okresowi czasu trwania impulsu, co jest odwrotnością częstotliwości próbki charakteryzującej szerokość pasma.

Wartość tego parametru odczytujemy z testu w następujący sposób:

   

 Rys.14a. Pomiar pasma wizyjnego kamery.

 Ostatnią dobrze rozróżnialną próbką są 3 MHz, pasmo wizyjne kamery wynosi 4 MHz – linie zaczynają się zacierać (przykład po lewej). W przykładzie po prawej stronie to odpowiednio 4 MHz, pasmo wynosi zatem 5 MHz.

 

 Rys.14b. Kolorowe pasy wynikające z budowy przetwornika.

W przypadku kamer kolorowych, można zaobserwować interesujące zjawisko w postaci czerwono-niebieskich pasów. Efekt taki wynika z budowy samej matrycy CMOS / CCD (układ filtrów kolorowych na pikselach matrycy). Wzmacniacze o słabych parametrach mogą ograniczać pasmo wizyjne kamery. W przypadku gdy np. wzmacniacz w danym systemie monitoringu nie przepuści całego pasma wizyjnego kamery, to w rezultacie otrzymujemy na monitorze obraz o gorszej rozdzielczości w stosunku do tego, który byśmy uzyskali bezpośrednio z kamery.

Spis treści

Skala szarości.

 

 Rys.15. Skala szarości.

Test skali szarości umożliwia sprawdzenie współczynnika gamma kamery, monitora. Współczynnik gamma określa charakterystykę obrazu pod kątem kontrastu i jasności. Wybrana została liniowa skala szarości (spotykana jest również logarytmiczna), ponieważ w przeważającej większości obecne kamery posiadają liniową charakterystykę. 

Skala szarości umożliwia nam również optymalne ustawienie jasności i kontrastu obrazu monitora. Ustawienie możliwie najlepszego obrazu monitora można przeprowadzić w następujący sposób:

Spis treści

Odwzorowanie kolorów.

 

 Rys.16. Test odwzorowania kolorów. 

Test ten jest przeznaczony do sprawdzenia wierności odwzorowania barw w kamerach kolorowych. Skala barw jest identyczna jak w typowym teście telewizyjnym. W odpowiedniej kolejności zostały przedstawione barwy dwóch podstawowych modeli barw, tj. CMY i RGB oraz kolor biały i czarny.

Test umożliwia również przetestowanie kamery kolorowej pod kątem widzenia barw w słabych warunkach oświetleniowych. Możemy zaobserwować jak kamera reaguje na zmiany światła i czy poszczególne barwy są jeszcze rozróżnialne.

Na poprawne odwzorowanie barw przez kamerę istotny wpływ ma temperatura barwy źródła światła i automatyczna regulacja balansu bieli kamery (jeżeli w kamerze taka regulacja istnieje). Temperatura barwy źródła światła powinna być zbliżona do światła dziennego. W przypadku kamer kolorowych, po włączeniu oświetlenia, należy ponownie włączyć kamerę, aby układy balansu bieli kamery znalazły właściwy punkt bieli.

Spis treści

Identyfikacja człowieka.

Grupa testów po lewej stronie, została opracowana w celu sprawdzenia zdolności systemu do rozpoznania twarzy człowieka oraz rozpoznania ruchu.

Podstawowym założeniem przy opracowywaniu testu było ustalenie konkretnego kryterium oceny wg którego można uznać, że w danych warunkach twarz człowieka jest rozpoznawalna. Przeprowadzenie testów polegało na skierowaniu kamery na twarz człowieka trzymającego planszę testową. Plansza testowa składała się początkowo z czarnych i białych kwadratów różnej wielkości. Kamera była oddalana, tak aby uzyskać różną wielkość twarzy człowieka w odniesieniu do pola widzenia kamery.

W pierwszym etapie testów zaobserwowaliśmy zależności między rozróżnialnością różnej wielkości kwadratów planszy, a rozpoznawaniem szczegółów twarzy. Z uwagi na powyższe, wybraliśmy takiej wielkości  kwadrat  planszy testowej, którego rozmiar odpowiadał, podziałowi twarzy na 20 części.

Rys.17. Grupa testów identyfikacji człowieka.

Przeprowadzenie wielogodzinnych testów z różnej odległości pozwoliło na sporządzenie skali, której poszczególne przedziały odpowiadają określonej wielkości twarzy człowieka. Górne pola przedziału wypełnione są kwadratami (na podstawie wybranej planszy testowej), które należy utożsamić ze szczegółami rysów twarzy człowieka. Kolory czarne i białe zastąpiono próbkami kolorów z różnych przykładów twarzy ze zdjęcia obok, dzięki czemu różnice jasności i kontrastu między poszczególnymi kwadratami bardziej odpowiadają różnicom z jakimi mamy w rzeczywistości do czynienia patrząc na twarz człowieka. Dolne pole przedziału nie jest wypełnione kwadratami, jego kolor zmienia się w sposób płynny od ciemnego go jasnego odcienia. Skala testu określa procent wysokości pola widzenia kamery jaki zajmuje twarz człowieka. Praktyczne wykorzystanie testu jest następujące: jeżeli na oglądanym obrazie możemy rozróżnić kwadraty górnego pola testu, dla danego przedziału, to twarz człowieka o określonej wielkości, odpowiadającej temu przedziałowi również będzie rozpoznawalna. Na zdjęciu obok umieszczono przykładowe twarze osób, które stanowią uzupełnienie testu. Największa twarz odpowiada przedziałowi 19 % wysokości pola widzenia, twarz dziecka: 13 % wysokości, twarz dziewczyny (większa) ok. 6 %. Diagram prostokątów powyżej zdjęcia pokazuje jaki rozmiar w odniesieniu do pola widzenia kamery ma twarz człowieka dla danego przedziału.

Obserwując obraz z wykorzystaniem całego systemu monitoringu, możemy nie tylko powiedzieć o przydatności do celów identyfikacji danej kamery, czy też obiektywu, ale sprawdzić pod tym kątem cały system, a w przypadku zapisu obrazu przeanalizować wpływ parametrów i jakości zapisu. Zwiększając przykładowo stopień kompresji zapisywanego obrazu, zmniejszając rozdzielczość zapisu, można zauważyć, że możliwości identyfikacji twarzy człowieka ulegają znacznemu pogorszeniu. Szczegóły twarzy (kwadraty górnego pola) przestają być wyraźnie widoczne. Pojawiają się również zniekształcenia obrazu wynikające na przykład z samego algorytmu kompresji obrazu. Utrudnia to rozpoznanie czy na danym przedziale kwadraty są jeszcze widoczne. Trzeba w tym momencie odczytując dane z testu zaobserwować do którego momentu na dolnych, kontrolnych polach przedziałów nie są widoczne zniekształcenia wynikające z kompresji. Jeżeli zniekształcenia kompresji (dolne pola) będą większe niż kwadraty odpowiadające szczegółom twarzy (górne pola), to nie możemy dla takiego przedziału (dla takiej wielkości twarzy) mówić o poprawnym rozpoznaniu.

Zależności między rozmiarem obiektu na ekranie monitora a zadaniami, jakie zostają postawione przed systemem w związku z tym obiektem określone zostały przez normy prawne. Polska norma wzorując się na normie europejskiej (PN-EN 50132-7) określa rozmiar obiektu na ekranie monitora, w związku z zadaniami operatora takimi jak, np.: rozpoznanie, identyfikacja, detekcja lub kontrola.

Przyjęte zostały założenia, że obiekt jest osobą, rozdzielczość graniczna systemu CCTV przewyższa 400 linii telewizyjnych. Norma zaleca następujący minimalny rozmiar obiektu w zależności od danej potrzeby:

Warto zwrócić uwagę na fakt, że norma ta została zdefiniowana w oparciu o systemy analogowe.

Zgodnie z powyższą normą, dany system nadaje się do identyfikacji człowieka (rozpoznania twarzy), gdy sylwetka człowieka zajmuje 120 % wysokości pola widzenia kamery. Ponieważ norma nie mówi nam z jakim wzrostem człowieka mamy do czynienia, wiec przyjęliśmy wzrost 180 cm i po uwzględnieniu proporcji ciała, wysokość głowy (dla całej sylwetki 120%) powinna wynosić 19% wysokości ekranu. Odpowiada to na naszej skali wartości 19 %, oznaczonej kolorem zielonym. Dla identyfikacji bardzo dobrze nadaje się system, umożliwiający rozpoznanie twarz człowieka w przypadku, gdy wysokość głowy jest mniejsza niż 19% wysokości ekranu (odpowiada to przedziałowi z niebieskiej części skali: 6 % - 16 %). W przypadku gdy wielkość twarzy człowieka, którą możemy rozpoznać przypada na czerwoną część skali (od 22 %), wówczas zgodnie z normą, system taki nie może zostać użyty do identyfikacji człowieka.

Norma określa również, kiedy możemy mówić o rozpoznaniu - kontroli ruchu. Gdy w polu widzenia kamery jesteśmy w stanie zobaczyć postać człowieka, której wysokość jest rzędu 5 % wysokości pola widzenia kamery, to możemy stwierdzić, że testowany system można wykorzystać dla rozpoznania ruchu. Test kontroli ruchu, przedstawiający sylwetkę człowieka o omawianych rozmiarach został umieszczony obok diagramu prostokątów.

Wielkość sylwetki człowieka (5%) oraz określoną wielkość twarzy człowieka (diagram prostokątów) można nanieść na ekran monitora (np. odrysowując na przyłożonej folii). Dzięki temu możemy porównać wielkość twarzy / sylwetki człowieka na rzeczywistym obrazie z kamery zainstalowanej w jej miejscu przeznaczenia. Może być to dodatkowym kryterium doboru ogniskowej obiektywu, przy założeniu określonej odległości dla obserwowanych osób.

  

 Rys.18. Przykładowe widoki obrazu testowego.

Na przykładzie po lewej stronie rozróżniamy szczegóły (kwadraty górnego pola) jeszcze przy 16% skali – zastosowane rozwiązanie umożliwia rozpoznanie twarzy wg normy,
(np. dla 13% nie widać kwadratów tylko łagodne przejście tonalne).
 Przykład z prawej strony pokazuje wpływ dużej kompresji obrazu – nie można w tym przypadku mówić o rozróżnianiu kwadratów testowych (górne pole) z uwagi na silne zniekształcenia algorytmu kompresji – kwadratowe zniekształcenia widoczne są na dolnych polach testu (nazwaliśmy je polami kontrolnymi).
Na prawym przykładzie kompresja jest zbyt duża dla identyfikacji twarzy.

Spis treści

Rozpoznawanie pisma.

Rys.19. Test rozpoznawania pisma.

Celem testu jest ocena zdolności systemu do rozpoznania pisma o określonej wielkości. Zdolność ta może być przydatna w praktyce w systemach rejestrujących obraz z kamery skierowanej na obiekt, którego charakterystyczne cechy, takie jak: opis, symbol, numer, mają zasadnicze znaczenie (są głównym celem) dla procesu archiwizacji.

Ciąg znaków w danej linii testu nie jest przypadkowy. Zawiera szereg informacji charakteryzujących cechy rozmiaru czcionki.

Ciąg znaków podzielony jest na grupy cyfr opisujących pewne informacje, które są rozdzielone losowo wybranymi literami. Pierwsze dwie cyfry z przecinkiem określają wysokość czcionki w mm. Kolejna grupa dwóch cyfr to rozmiar czcionki wyrażony w punktach drukarskich. Trzecia grupa –  trzy cyfry z przecinkiem – opisuje szerokość linii czcionki wyrażoną w mm. Ostatnia grupa cyfr – trzy cyfry z przecinkiem – wyraża szerokość linii czcionki w przeliczeniu na punkty. Cyfry z prawej strony są numeracją wierszy. Ich wielkość, jak i również wielkość napisu „Czcionki” (na dole testu) jest taka jak największego wiersza.

Przy wykorzystaniu tego testu, oprócz sprawdzenia samej zdolności kamery i obiektywu, można również w przypadku systemów archiwizacji, ocenić wpływ parametrów zapisu (zwłaszcza kompresji) na czytelność danych rejestrowanych przez system.

 

 Rys.20. Obraz z kamery testu rozpoznawania pisma.
 Możliwe jest jednoznaczne rozpoznanie pisma maksymalnie do wiersza numer 5.

Spis treści

Obserwacje i wnioski.

Kamery z przetwornikami CMOS w porównaniu do kamer z przetwornikami CCD wykazują charakterystyczne zaszumienie obrazu (mowa tu zwłaszcza o najtańszych kamerach płytkowych (typu CHIP)). Jest to związane z mniejszą czułością tego typu kamer oraz charakterystyką samego przetwornika CMOS (sposób odczytu i analizy informacji z matrycy przetwornika).

Ciekawostką w przypadku tych kamer jest fakt, że dla deklarowanej rozdzielczości kamer przez producentów rzędu 240 TVL, obserwowana rozdzielczość na teście przewyższała 300 TVL. Gdy chodzi natomiast o kamery CCD, nie zawsze deklarowane przez producentów rozdzielczości kamer odpowiadały temu co mogliśmy odczytać  z testu. Różne modele kamer charakteryzowała również różna kontrastowość obrazu. Bardzo dobrze wypadły kamery wyposażone w firmowy przetwornik CCD SONY, ich rozdzielczość odpowiadała deklarowanej wartości 480 TVL. Należy zauważyć, że rozdzielczość kamery podawana przez producentów dotyczy rozdzielczości poziomej. Testowane kamery były produkcji dalekowschodniej.

Przykładowe odczyty testów w niniejszym opracowaniu zostały zarejestrowane z wykorzystaniem komputera i oprogramowania karty telewizyjnej (przechwytywania obrazu). Trzeba zwrócić uwagę na fakt, że obraz obserwowany na ekranie monitora komputerowego charakteryzuje się mniejszą ostrością. Można odnieść wrażenie, że jest delikatnie rozmyty w porównaniu z obrazem monitora analogowego telewizji przemysłowej. Fakt ten zapewne spowodowany jest konwersją sygnału z analogowego na cyfrowy w przetworniku karty przechwytującej obraz. Pomimo, że technologia wykonania i struktura ekranu monitora komputera przewyższa monitory telewizyjne (np. pod względem rozmiaru plamki), to z uwagi na powyższy fakt odczyt testów jest nieco utrudniony.

Pod względem ostrości obrazu najlepiej wypadł monitor czarno-biały. W tym przypadku jednak, zbyt długie skupianie uwagi na szczegółach obrazu szybciej wywołuje efekt zmęczenia (duży rozmiar plamki ekranu, częstotliwość odświeżania obrazu 50 Hz). Rozdzielczość kamery najdokładniej można było odczytać z ekranu monitora czarno-białego.

Porównując wiele systemów archiwizacji obrazu, często porównujemy zapisany obraz za pomocą takich pojęć jak: „większa szczegółowość” ”lepsza wyrazistość obrazu”, „mniejsza ostrość” itp. Ponieważ trudno zbudować subiektywną skalę „wyrazistości” czy „ostrości” obrazu, poszukiwaliśmy obiektów, które najlepiej się nadają do takiej oceny. Nie mogą to być obiekty, które widzimy pierwszy raz w życiu np. twarz, tylko takie, które widzimy codziennie, najlepiej wielokrotnie.  Takimi obiektami są znaki alfanumeryczne. Stąd też umieszczenie na naszym teście cyfr i liter, które doskonale nadają się do tego typu porównań (np. w przypadku zrzutu na dysk obrazu z dwóch różnych kamer). Porównywanie obrazów (eksportowanych najczęściej w formacie JPG) najlepiej dokonać na małych kontrastowych obiektach. Do tego celu świetnie służą litery i cyfry. Wynika to z algorytmów kompresji łagodnych przejść tonalnych i małych obiektów o dużym kontraście, stosowanych w kompresjach obrazu.

Spis treści

Życzymy Państwu zadowolenia i satysfakcji z użytkowania naszego obrazu testowego.

Delta-Opti
delta.poznan.pl