Documento tecnico Wide Dynamic Range Sfide e soluzioni Indice 1. Introduzione 3 2. Contesto 4 3. Sfide 5 3.1 Luci, pixel e intervallo dinamico 5 3.2 Profondità di bit 5 3.3 Rumore 6 4. Estendere l’intervallo dinamico fino a WDR 6 5. Artefatti 6 5.1 Movimento 6 5.2 Illuminazione artificiale 6 5.3 Visualizzazione 6 5.4 Acquisizione dell’immagine 7 5.5 Effetto scia 7 6. Applicazioni e necessità 7 7. Misurazione del intervallo dinamico 8 8. Soluzioni Axis per Wide Dynamic Range 9 8.1 WDR – Acquisizione dinamica 9 8.2 WDR – Acquisizione forense 9 9. Conclusioni 10 10. Link utili 10 1. Introduzione Spesso ci troviamo ad installare soluzioni di sorveglianza in ambienti con difficili condizioni di luminosità. Una situazione particolarmente difficile è quella che presenta contemporaneamente differenti livelli di luce in un’unica scena. In questo caso la tecnologia Wide DynamicRange (WDR) ci viene in aiuto. Situazioni tipiche comprendono: >> La sorveglianza delle porte di ingresso con la luce solare fuori e l’oscurità dell’ambiente interno. Situazione molto comune nelle applicazioni per negozi e uffici. >> Veicoli che entrano in un parcheggio coperto o in un tunnel, sempre con luce solare esterna e bassi livelli di luce all’interno. >> Sorveglianza cittadina, trasporti, sorveglianza perimetrale e in altre applicazioni esterne, dove parti della scena sono alla luce diretta del sole e altre parti sono completamente all’ombra. >> Veicoli con fari molto forti che guidano direttamente verso la telecamera. >> Ambienti con luce riflessa,per esempio centri uffici con molte finestre o centri commerciali. Una delle ovvie richieste dell’utilizzatore è quella di poter identificare con sicurezza persone, oggetti, veicoli e attività anche in situazioni di luminosità complesse. Di qui la necessità di telecamere di sicurezza che siano in grado di percepire i particolari sia in aree molto scure che in aree estremamente illuminate. Il Wide Dynamic Range (WDR) è una tecnologia utilizzata per produrre immagini che ricreino con completezza il contenuto delle scene anche in condizioni di luce molto complesse che non potrebbero essere riprese efficacemente con telecamere standard in una singola immagine. Questo white paper spiega perché le telecamere standard presentano queste difficoltà e come raggiungere buone prestazioni utilizzando al meglio la tecnologia WDR nella videosorveglianza professionale. Figura 1: Esempi di telecamera WDR, AXIS Q1604, AXIS Q1604-E e AXIS P3384-VE. 3 2. Contesto Le telecamere di sorveglianza standard (senza WDR) incontrano difficoltà in scene con grande variazione di luce. Qui in basso potete vedere l’esempio di una scena ripresa con esposizioni diverse utilizzando una telecamera standard. Ogni scena è presa in modo da rendere visibile, o la parte scura, immagine a destra, o la parte illuminata, perdendo però i dettagli della parte scura come mostrato a sinistra. Figura 2 e 3: Parcheggio coperto, interno. A sinistra l’immagine è sottoesposta. A destra è sovraesposta. È chiaro che in entrambe le immagini mancano informazioni della scena completa. Le immagini di seguito mostrano il risultato aggiungendo alcune porzioni dell’immagine prese da quella con un’esposizione diversa. Una buona telecamera di sorveglianza con funzionalità WDR può – in una sola immagine – riprendere questi due estremi, cioè mostrare chiaramente i dettagli sia dell’ingresso ben illuminato sia della zona scura all’interno del garage. In altre parole, la tecnologia WDR facilita l’abilità di assimilare informazioni con tutti i livelli di illuminazione della scena contemporaneamente. Figure 4 e 5: Parcheggio coperto, interno. L’immagine sulla sinistra mostra i dettagli che vengono persi nella zona scura. L’immagine sulla destra mostra i dettagli che vengono persi nella zona illuminata. 4 Figura 6: Dettaglio della scena del parcheggio coperto, porzione dell’immagine più scura. Figura 7: lo stesso dettaglio preso da un’immagine più luminosa o da una telecamera con tecnologia WDR. Teoricamente è possibile rilevare informazioni dalla zona scura (fig. 6), ma notiamo chiaramente i limiti del modesto intervallo dinamico di una telecamera standard se comparata con i dettagli forniti utilizzando immagini più luminose o una telecamera con funzionalità WDR (Fig. 7). 3. Sfide 3.1 Luci, pixel, e intervallo dinamico La luce è fatta di fasci separati di energia chiamati fotoni. Più intensa è la luce, più alto è il numero di fotoni per secondo che illumina la scena. Un dispositivo può percepire i fotoni riflessi da una scena, ma non può percepire tutti i fotoni disponibili. Un fattore limitante è che il dispositivo può sopportare solo un numero limitato di fotoni per ogni intervallo d’esposizione. Quindi, l’immagine prodotta dalla telecamera è soltanto una stima della scena. I dispositivi di solito accumulano fotoni per un tempo limitato, chiamato tempo di esposizione. La lunghezza massima del tempo di esposizione è limitata dalla frequenza dei fotogrammi – se il dispositivo è una telecamera. Questa esposizione massima può risultare troppo lunga o troppo breve simultaneamente per la stessa immagine, dato che sia zone scure che zone illuminate possono essere presenti in una stessa immagine. Il corretto tempo di esposizione per un pixel è quello che massimizza il rapporto segnale/rumore (SNR) e quindi, è più breve per i pixel situati nelle parti più luminose dell’immagine che per quelli nelle zone più scure. La dimensione del pixel in un dispositivo digitale influisce sull’intervallo dinamico della stessa. L’intervallo dinamico è definito a livello di pixel come il massimo segnale diviso il rumore di fondo. Il rumore di fondo è una combinazione di molte fonti di rumore nel sensore. Il convertitore da analogico a digitale è un’altra componente che può limitare l’intervallo dinamico. 3.2 Profondità di bit La profondità di bit descrive il numero di bit usati per “catturare” le informazioni in un pixel. Solitamente i dispositivi di sicurezza hanno una profondità di 10 bit. Una più alta profondità di bit, per esempio 12 invece di 10, teoricamente incrementerebbe il numero di livelli che può essere rilevato, ma nella realtà migliora la qualità dell’immagine solo se ilsensore è di buona qualità. Se il sensore è rumoroso, non si guadagna molto dall’aumento del numero di bit. L’aumento significativo di bit sopra i 12 bit è generalmente un esercizio molto costoso sia dal punto di vista della spesa sia per la sua complessità, cioè l’introduzione di più circuiti e componenti e funzioni avanzate. È importante anche ricordare che il display di fronte all’operatore di sicurezza di solito ha una profondità di bit di un canale di 8 bit/colore per mostrare le immagini del video. Ciò significa che l’algoritmo per tradurre i 10 bit del sensore in 8 bit del display è decisivo per il raggiungimento di buone prestazioni in WDR. 5 3.3 Rumore Nella progettazione di telecamere con tecnologia WDR – o in generale per qualsiasi telecamera – il rumore è una sfida importante. Le immagini digitali sono soggette a una grande varietà di tipi di rumore e il rumore risulta in valori di pixel che non riflettono le vere intensità della scena reale. Ci sono diversi tipi di rumore che possono essere presenti in un’immagine, a seconda di come l’immagine viene creata. Anche con una telecamera perfetta, ci sarà sempre un po’ di rumore. Questo perché il rumore nella percezione dei fotoni è dovuto alla natura stessa della luce. Il dispositivo può compensare il rumore nell’immagine, ma ciò può avere come risultato diversi artefatti (come si vedrà in seguito). 4. Estendere l’intervallo dinamico per ottenere WDR Ci sono vari modi per migliorare l’intervallo dinamico di una telecamera senza correggere la profondità di bit o i pixel, il costoso procedimento descritto in precedenza. Ma questo significa sacrificare qualcos’altro. Un modo per raggiungere il WDR è quello di usare tempi di esposizione diversi per pixel diversi. Ciò può essere effettuato in vari modi. Uno è quello di combinare semplicemente due o più immagini full frame ottenute con tempi di esposizione diversi. Cioè combinare il segnale in ombra di un’immagine con un segnale della zona sovra illuminata di un’altra. Tempi multipli di esposizione, come spesso vengono realizzati, tuttavia influiranno sul movimento degli oggetti poiché l’effetto mosso e la posizione degli oggetti può essere diversa con luminosità diverse. Un pallone bianco e nero in movimento, per esempio, sarà più sfocato nelle parti scure che in quelle luminose e apparirà in due diverse posizioni. Ecco un esempio di artefatto in un’immagine. Vedere la sezione successiva per più informazione sugli artefatti. In qualsiasi modo venga esteso l’intervallo dinamico, ci sarà sempre un prezzo da pagare, sia in termini di denaro poiché il sensore e i processori hanno costi proibitivi, sia in termini di qualità d’immagine, dato che verranno introdotti diversi artefatti. 5. Artefatti Quando si usano informazioni da immagini ottenute con tecnologia WDR, il minimo cambiamento nella scena può generare artefatti, cosa che limita fortemente le potenzialità di questa soluzione. Un certo numero di artefatti può apparire in una immagine con WDR e alcuni sono più comuni di altri. 5.1 Movimento L’effetto mosso può avvenire quando l’immagine catturata cambia durante la registrazione di un singolo fotogramma, sia a causa di un rapido movimento sia quando il tempo di esposizione è troppo lungo rispetto al movimento della scena. 5.2 Illuminazione artificiale Un artefatto deriva da alcune particolari fonti luminose modulate come le luci a fluorescenza. Questo tipo di luci rappresentano una sfida per tutti i dispositivi poiché essi presumono normalmente una illuminazione constante. A seconda del tipo di telecamera, possono essere presenti artefatti come strisce o pulsazioni visibili. Nelle telecamere con WDR, questi artefatti possono apparire in qualche modo diversi a seconda della tecnica di acquisizione adottata. 5.3 Visualizzazione Un altro artefatto visibile che può ricorrere è il rumore in posizioni inaspettate. Un esempio tipico è una superficie liscia come un muro con leggere differenze di illuminazione che presenta, invece, zone con rumore visibile. Ciò può essere esteticamente spiacevole, ma di solito è un piccolo prezzo da pagare in cambio di un più esteso intervallo dinamico. 6 5.4 Acquisizionedell’immagine Un’immagine in WDR può sembrare diversa a causa della ricchezza con cui vengono riprodotti i toni rendendone così più difficile la visualizzazione su uno schermo standard. Lo scopo è quello di mostrare il maggior numero di dettagli sia nelle zone buie che nelle zone più illuminate, imitando quello che il sistema visivo umano fa quando l’attenzione si sposta da un oggetto ad un altro. Qualche volta questo viene indicato come “Effetto cartone animato”. 5.5 Effetto scia “effetto fantasma” Tempi di esposizioni multipli influiscono sulla ripresa di obiettivi in movimento poiché l’effetto mosso sarà diverso per oggetti con luminosità diversa. Con un oggetto in movimento, per esempio, questo effetto sarà più marcato nelle sue parti scure che nelle zone luminose generando l’effetto scia “effetto fantasma”. 6. Applicazioni e necessità Non tutte le applicazioni richiedono il WDR. Quando si usa un dispositivo con basso intervallo dinamico configurato per evitare di escludere le zone più illuminate, gli esempi successivi mostrano cosa succede quando una persona viene posta in zone d’ombra sempre più scure. Quale immagine risulta ancora accettabile? Figura 8: soggetto ripreso da una telecamera standard senza cambiare le impostazioni. Il soggetto è posto in zone d’ombra sempre più scure, con il risultato di un rumore crescente. Tipo di scena Esempio A: sole/ombra Il tipico esempio è una stazione illuminata dal sole con alcune parti del binario riparate dal sole B: interno con luce dalle finestre Un atrio con grandi vetrate C: interno scuro con apertura Tipica scena di magazzino con porte o aperture che danno sulla luce esterna Rapporto illuminazione 1:20 1:200 1: 2000 Tabella 1: tipo di scena e rapporto di illuminazione corrispondente. Se la vostra scena si avvicina di più al tipo A della tabella e avete risposto con l’immagine 6 o superiore alla domanda, allora una telecamera standard sarà in grado di soddisfare i vostri bisogni. Se la vostra scena è più vicina al tipo B e avete risposto 9 o superiore allora potete ancora usare una camera standard. Se la vostra scena si avvicina al caso C, molto difficile, dovete essere in grado di accettare l’immagine 12 o superiore per utilizzare una telecamera standard. Ciò vi dà una indicazione su quando una tecnologia WDR deve essere utilizzata. Tutto questo è solo indicativo poiché le telecamere standard possono, ovviamente, avere qualità diverse. 7 7. Misurare un intervallo dinamico In molti casi, la capacità dell’intervallo dinamico di una telecamera è presentata in unità dB. Questo è un modo per descrivere quanto un dispositivo sia performante con scene difficili contenenti contemporaneamente oggetti molto illuminati e molto scuri. L’unità dB misura un rapporto, precisamente il rapporto della radianza tra l’oggetto più luminoso e quello più scuro che la telecamera riesce ad acquisire. Va notato che non si tratta della stessa cosa misurata dal rapporto di illuminazione utilizzato sopra (Tabella 1). Se il rapporto è 1000:1, il valore dB è 60. Il valore è calcolato come il logaritmo del rapporto (in questo caso 3) moltiplicato 20. Il livello più scuro percepibile può essere definito come il rumore di fondo di un pixel del sensore, poiché ogni segnale al di sotto di questo livello è coperto dal rumore. Con tale definizione, un buon sensore d’immagine può raggiungere un intervallo dinamico di circa 70 dB. Alcuni sensori speciali possono arrivare a leggere sopra i 100 dB poiché possono incrementare il limite superiore di percezione utilizzando tecniche come le esposizioni multi-frame. Ciò estenderà l’intervallo dinamico del sensore, ma questa non sempre sarà la soluzione migliore per raggiungere le prestazioni del WDR. Alcune moderne telecamere di sorveglianza usano sensori con un esteso intervallo dinamico, che permette di gestire meglio scene difficili. Il numero di dB non può, tuttavia, pienamente descrivere la capacità del WDR. Per apprezzare a pieno le nuove funzionalità delle telecamere la cosa migliore è testarle. Quando si confrontano le schede tecniche delle telecamere di diversi produttori, è importante sapere che l’unità decibel è soltanto un’approssimazione delle capacità dinamiche di un dispositivo. Axis è di solito modesta nel rapporto poiché un’immagine WDR di alta qualità dipende anche dal livello di artefatti e dalla qualità di elaborazione. Quindi, non sorprendetevi se una telecamera Axis surclassa una telecamera di un competitor anche se il rapporto dato è leggermente più basso. Sotto ci sono altri due esempi di immagini acquisite grazie alla tecnologia Wide Dynamic Range. La prima immagine è acquisita con una telecamera con alto valore dB, e la seconda con una telecamera dal basso valore dB. Quale delle due è la migliore dal punto di vista della sorveglianza? Figura 9: immagine da telecamera con alto dB Figura 10: immagine da telecamera con basse dB. 8 8. Soluzione Axis per Wide Dynamic Range 8.1 WDR – Dynamic Capture Axis WDR – Dynamic Capture funziona attraverso l’acquisizione di immagini in sequenza con un diverso tempo di esposizione per ogni immagine. Queste immagini vengono combinate in una unica composizione, dove sia le parti più luminose che quelle più scure vengono mantenute, il risultato è un’immagine di eccezionale chiarezza e nitidezza. Sotto viene mostrata l’immagine di una scena all’interno di un parcheggio coperto ripresa con una telecamera Axis che incorpora la tecnologia WDR – Dynamic Capture. Figura 11: interno, garage parcheggio. L’immagine è ripresa con telecamera Axis che incorpora la tecnologia WDR – Dynamic Capture. 8.2 WDR – Forensic Capture Il WDR Axis – Forensic Capture ottimizza il video per scopi giuridici permettendo un livello molto alto di dettagli visibili sia nelle zone chiare che in quelle scure della scena. Questo è il risultato di anni di sviluppo presso Axis, combinato con i migliori componenti di imaging sul mercato. Una telecamera Axis con WDR – Forensic Capture applica avanzati algoritmi per ottimizzare la qualità d’immagine e include la funzionalità di transizione invisibile tra WDR e modalità “low-light”. Nel complesso, questa tecnologia WDR facilita l’identificazione e la percezione di importanti dettagli nella scena. Qui sotto viene mostrato un confronto tra telecamere di sicurezza con WDR convenzionali e una telecamera Axis con WDR – Forensic Capture. Figura 12: spiaggia, esterno, sera. Confronto tra telecamera di sicurezza di alta gamma con WDR convenzionale (a sinistra) e una telecamera Axis con WDR – Forensic Capture (a destra). L’immagine risultante da una telecamera con WDR sarà diversa a seconda di aspetti come la complessità della scena e la quantità di movimento. Come per ogni video di sorveglianza, la domanda più importante è: che cosa voglio vedere? E, come voglio presentare l’immagine ottenuta? 9 9. Conclusione Ci sono molte situazioni di sorveglianza che presentano una grande variazione nei livelli di luce all’interno della scena. Questo rappresenta una sfida tecnica per le telecamere di sicurezza, inoltre è difficile raggiungere una buona prestazione WDR senza l’introduzione di artefatti. Misurare con quanta efficacia una telecamera gestisca gli intervalli dinamici in una scena è difficile, e le unità utilizzate di solito sulle schede tecniche (come i dB) non sono indicazioni affidabili sulle reali prestazioni. Come sempre, Axis raccomanda di testare le telecamere nell’ambiente reale prima di decidere. 10. Link utili Per maggiori informazioni, si vedano i seguenti link: Axis Communications – ‘In the best of light – The challenges of minimum illumination’ www.axis.com/files/whitepaper/wp_light_sensitivity_41137_en_1011_lo.pdf Axis Communications – ‘CCD and CMOS sensor technology’ www.axis.com/files/whitepaper/wp_ccd_cmos_40722_en_1010_lo.pdf Axis Communications – ‘Lighting for network video – Lighting design guide’ www.axis.com/files/whitepaper/wp_lighting_for_netvid_41222_en_1012_lo.pdf 10 59508/IT/R2/1409 Informazioni su Axis Communications Axis offre soluzioni di sicurezza intelligenti e capaci di creare un mondo più sicuro. In qualità di leader mondiale nel video di rete, Axis è alla guida del settore grazie al continuo sviluppo di prodotti innovativi e basati su piattaforma aperta, offrendo ai clienti la massima qualità grazie a una rete di partner globale. Axis ha stretto collaborazioni a lungo termine con i propri partner e fornisce loro conoscenze e prodotti di rete innovativi per mercati nuovi e già consolidati. Axis ha oltre 1.600 dipendenti dedicati in più di 40 paesi in tutto il mondo, assistiti da una rete di oltre 65.000 partner in 179 nazioni. Fondata nel 1984, Axis è una società con sede in Svezia e quotata all’indice NASDAQ OMX di Stoccolma con la sigla AXIS. Per ulteriori informazioni, visitare il sito web www.axis.com. ©2014 Axis Communications AB. AXIS COMMUNICATIONS, AXIS, ETRAX, ARTPEC e VAPIX sono marchi di Axis AB registrati o in fase di registrazione in diverse giurisdizioni. Tutti gli altri nomi di Società e prodotti sono marchi o marchi registrati di proprietà dei rispettivi proprietari. Ci riserviamo il diritto di apportare modifiche senza preavviso.
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