دوشنبه , ۲۹ مرداد ۱۳۹۷
خانه / مقالات / مقالات نظارت تصویری / راهکارهای کاهش نویز در دوربین‌های نظارت تصویری
L1

راهکارهای کاهش نویز در دوربین‌های نظارت تصویری

مترجم: سارا ایزدیار

اعواج سیگنال در تصویر، که بیشتر با عنوان نویز شناخته می­شود را می­توان به شکل یک الگوی تصادفی از پیکسل­ها تعریف کرد که نشان ­دهنده هیچ ویژگی­ تصویری در صحنه تصویربرداری شده نیستند، یا به ­صورت نویزی که در اثر مشخصات و ویژگی­های مثلاً یک دستگاه تولید می­شود، دانست. در هر وسیله الکترونیکی که سیگنال را دریافت یا ارسال می­کند وجود مقدار مشخصی از نویز اجتناب ناپذیر است و در دوربین­های ویدئویی نیز نویز محصول جانبی ضبط تصویر به­ شمار می­رود.

شاید اینگونه بنظر رسد که دوربین­های با وضوح و تفکیک­ پذیری بالاتر بیشتر به نویز حساس باشند. به این دلیل که عناصر مربوط به حسگر نوری کوچک‌تر هستند و در نتیجه قادر به جمع آوری نور کمتری می‌باشند، و بنابراین تلورانس­ها محدود و احتمال وقوع خطا افزایش می­یابد. علاوه ­بر این، برای جبران مقدار کم نور جمع­آوری شده، معمولاً سیگنال بیشتر تقویت می­شود که خود باعث وقوع نویز می­شود. بطور کلی برای هر دوربین، شرایط نور کم سبب افزایش میزان نویز می­شود.

 

انواع راهکارهای کاهش نویز

هر پیکسل دارای رنگ و میزان روشنایی مخصوص به خود است، که برای سادگی بیشتر به آن­ها مقدار پیکسل می­گوییم، که در صورت وجود نویز، با مقدار صحیح نشان­دهنده منطقه میدان دید مربوط به آن فرق می­کند. بنابراین ممکن است رنگ (نویز رنگ) یا مقدار روشنایی (نویز روشنایی) یک پیکسل نویزدار نادرست باشد.

از آنجا که مقادیر قابل­ توجه نویز به شدت بر کیفیت تصویر اثر می­گذارند، درکنار حفظ جزئیات مهم تصویر، کاهش نویز طبیعتاً جزو اولویت­های اصلی فروشندگان است. روش­های نرم­افزاری و سخت­افزاری مختلفی در سال­های اخیر توسعه یافته­اند تا مقدار نویز را در تصاویر ویدئویی دیجیتالی که توسط حسگرهای نوری سی‌موس و سی­سی­دی ضبط می­شوند کاهش دهند. این روش­ها را می­توان بر اساس فناوری مورد استفاده به دو نوع دسته­بندی کرد – فضایی[۱] و زمانی[۲].

در روش کاهش نویز فضایی تک­تک فریم­های ویدئو مورد تجزیه و تحلیل قرار می­گیرند. در واقع برای کاهش نویز، متداول­ترین راهکار استفاده از فیلترهایی است که با استفاده از مجموعه­ای از الگوریتم­ها اثرات نویز را کاهش می­دهند. بعنوان مثال در یک الگوریتم کاهش نویز مقدار یک پیکسل می­تواند برابر با مقدار میانه[۳] پیکسل­های مجاورش، یا میانگین مقدار خود و دو مقدار مجاورش باشد. بنابراین حتی اگر یک پیکسل حاوی نویز باشد، مشخصه نویزی آن تضعیف می­شود و مقدار جدیدش بیشتر با پیکسل­های اطرافش هماهنگی دارد. یکی از اثرات جانبی این روش این است که علی­رغم استفاده از الگوریتم­های ویژه برای تشخیص لبه­های اجسام و جلوگیری از میانگین­گیری پیکسل­ها در حد فاصل بین اشیاء و محیط اطراف، باز هم ممکن است مرزهای تمیز اشیاء از بین بروند.

در روش کاهش نویز زمانی، میانگین­گیری برای پیکسل­های یک تک ­فریم صورت نمی­گیرد بلکه برای مقدار یک پیکسل در همان مکان اما در طول فریم­های متوالی انجام می­شود. از آنجا که فریم­های متوالی مورد بررسی قرار می­گیرند، مقدار یک پیکسل در یک موقعیت مکانی مشخص را می­توان به راحتی در طول زمان مورد بررسی قرار داد، و به این ترتیب برای تشخیص و کاهش اثرات نویز در نواحی بدون حرکت که از فریمی به فریم دیگر تغییر نمی­کنند راهکار کارآمدتری نسبت به کاهش نویز فضایی است. با این حال یکی از اثرات جانبی این راهکار این است که اگر شیءی در ناحیه مورد نظر حرکت کند تاری حرکت[۴] ایجاد می­شود. در این حالت برای یک پیکسل درون یک فریم جایی که در فریم­های قبلی شیءی آنجا بوده و دیگر آنجا نباشد پس از اعمال الگوریتم­های کاهش نویز هنوز هم تا حدودی آن پیکسل متناسب با مقادیر قبلی مقدار خواهد داشت و باعث می­شود یک تصویر محو از شیء در موقعیت قبلی خود باقی بماند.

در جدول زیر خلاصه­ ای از دو راهکار ارائه شده است.

  فضایی زمانی
مکانیزم شناسایی نویز هر فریم به طور مستقل مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته تا پیکسل­هایی که احتمالاً دارای نویز هستند شناسایی شوند فریم­های متوالی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته تا پیکسل­هایی که احتمالاً دارای نویز هستند متمایز شوند
مزایا تاری حرکت ایجاد نمی­کند در کاهش نویز بسیار کارآمد است
معایب ·نسبت به کاهش نویز زمانی کارآمدی کمتری در کاهش نویز دارد

·احتمال تار شدن لبه­های اشیاء

اگر در ناحیه مورد پردازش حرکت وجود داشته باشد تاری حرکت ایجاد می­شود

 

 

نیاز به راهکاری یکپارچه

با توجه به کاستی­ های هر یک از این دو فناوری، باید بتوان سیستم­هایی ساخت که در آنها هر دو راهکار کاهش نویز به طرزی هوشمندانه با هم ترکیب شوند زیرا این راهی است برای جبران کاستی­ها. در برخی از سیستم هایی که از هر دو این روش­ها استفاده می­شود ممکن است هر دو همزمان به تک­تک فریم­های ویدئویی اعمال نشوند بلکه فقط حق انتخاب یکی از بین این دو وجود داشته باشد. توجه داشته باشید انتخاب تنها یک گزینه از بین این دو راهکار برای اعمال به پیکسل­ها، تا ایده­آل فاصله دارد زیرا فریم­های مجزا ممکن است همانطور که شامل نواحی بدون حرکت و ثابت باشند مناطقی را هم شامل شوند که در آنها حرکت وجود داشته باشد.

در بهترین حالت، راهکار یکپارچه عبارتست از پردازش نواحی از میدان دید که در آن حرکت وجود دارد با استفاده از کاهش نویز فضایی و آنجایی که دارای محتوای بدون حرکت است توسط کاهش نویز زمانی. این راهکاری است که ویووتِک[۵] در دوربین­های خود به­ کار گرفته است. روش کاهش نویز دینامیک دوبعدی آن (۲DNR) نسخه بهینه­ شده­ی فناوری کاهش نویز زمانی و فضایی است، در حالی که در روش کاهش نویز دینامیک سه ­بعدی ویووتک (۳DNR) فناوری­های کاهش نویز فضایی و زمانی با هم ترکیب شده­اند.

در مقایسه با ۳DNR، ۲DNR برای اشیاء در حال حرکت نتایج بهتری دارد و به چنین اجسامی در میدان دید اعمال می­شود. در همین حال ۳DNR به نواحی ثابت در میدان دید اعمال می­شود. به این شیوه دوربین‌های ویووتک قادر به بهره­مندی از مزایای هر دو نوع راهکار کاهش نویز هستند در حالی که از معایب آن دور می­مانند. علاوه بر این، پیاده­سازی ویووتک شامل روش­هایی برای تعریف حرکت درون منطقه مورد پردازش است، که از طریق تمایز قایل شدن بین فریم­هایی که در آنها یک پیکسل مشخص نشان دهنده یک وضعیت قبلی است و آنهایی که پیکسل در آن­ها نشان ­دهنده وضعیت فعلی است، باعث از بین بردن تاری حرکت می­شوند.

مزایای کاهش نویز

  • کیفیت بهبود یافته­ی تصاویر برای شناسایی بهتر اشیاء
  • کاهش سایز فایل ویدئو با هدف کاهش پهنای باند و الزامات حافظه
  • کاهش آلارم­های کاذب با هدف بالابردن سطح هوشیاری کارکنان

در ویدئوهای سرگرم­ کننده وجود نویز تنها یک مزاحمت ساده بنظر می­رسد اما مسلماً در ویدئوهایی که برای اهداف حفاظتی ضبط شده­اند نویز می­تواند مشکل جدی به شمار رود. نویز می­تواند به شدت بر کارایی برنامه‌های کاربردی نظیر شناسایی افراد مورد نظر یا شماره پلاک ماشین در شب، یا نظارت بر مناطق کم نور در دفاتر یا مناطق فروش تاثیر بگذارد. اگر میزان نویز به طور خاص زیاد باشد، ممکن است کاربرد را غیرعملی کند.

نویز مشکلی است که در ویدئوهای نظارتی مکرراً اتفاق می­افتد زیرا اغلب ویدئوها تحت شرایطی ضبط می­شوند که به ­سادگی به وقوع نویز منجر می­شوند. برای مثال میزان نور کم. این شرایط نه فقط منجر به تولید نویز می­شود بلکه مقابله با نویز موجود در فیلم تحت شرایط نور کم، مثل شب، مشکل است زیرا هر تلاشی برای افزایش دامنه سیگنال برای بهبود دید معمولاً میزان نویز را هم همزمان افزایش می­دهد.

علاوه بر افزایش کیفیت ویدئو، راهکارهای کاهش نویز دو بعدی و سه­ بعدی ویووتک مزایای مهم دیگری هم دارند. مثلاً یکی از موارد این است که سایز ویدئوی ضبط شده را کاهش می دهند به این ترتیب که نویزی را حذف می­کنند که به مناطق موجود در میدان دید پیچیدگی و در نتیجه داده­های غیر اصلی می­افزایند و در واقع به میزان زیادی در ظاهر یکنواخت هستند. به عنوان مثال نواحی سایه تاریک در فیلمبرداری در شب. این حذف نویز وقتی ویدئو از دوربین به یک اِن­وی­آر یا دیگر گره­ها در سیستم ارسال می­شود پهنای باند مصرفی را کاهش می­دهد. به علاوه کاهش سایز فایل الزامات حافظه را نیز کاهش می­دهد و به این ترتیب اجازه می­دهد فیلم­های بیشتری را بتوان روی تجهیزات موجود بایگانی کرد یا در هزینه خرید حافظه اضافی صرفه­ جویی کرد.

دومین مزیت کاهش نویز این است که احتمال به صدا درآمدن هشدارهای کاذب آشکارسازی حرکت کاهش می­یابد. هشدارهای کاذب زمانی به صدا در می­ آیند که تصاویر غیر واقعی ویدئویی ایجاد می­شوند که در واقع بیانگر حرکت واقعی در منطقه تحت نظارت نیستند. کاهش چنین هشدارهای خطایی باعث می­شود وقت کارکنان کمتر هدر رفته و احتمال کاهش هوشیاری در اثر وقوع مکرر هشدار خطا کاهش می­یابد.

دوربین­هایی با فناوری قوی کاهش نویز بهترین انتخاب برای کاربردهای نظارتی داخلی و بیرونی در شرایط نور کم هستند. توانایی دقیق شناسایی و حذف نویز از ویدئو، امکان کاربردهایی مثل شناسایی افراد یا پلاک ماشین­ها حتی در شب را مطرح می­کند. به این ترتیب دوربین­های دارای توانایی قوی حذف نویز بسیار مناسب بویژه برای مناطق نظارتی مثل پارکینگ­ها، تاسیسات کم­ نوری مثل انبارها، یا مکان­هایی که در شب فعال نیستند مثل دفاتر هستند.

[۱] Spatial

[۲] Temporal

[۳] Median

Motion blur[4]

[۵] VIVOTEK

پیشنهاد برای مطالعه:

Coax-Cabling-175881451

ارتقاء سیستم های نظارت تصویری با کمک فناوری اچ دی روی کابل کواکسیال

مترجم: سارا ایزدیار در طول دهه­ ی گذشته فناوری دوربین‌های تحت شبکه بیشتر مباحث را …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *