От чего зависит качество компьютерного изображения

Качество изображения – это не только разрешение

Качество изображения в конечном итоге является главным фактором получения достоверной информации при видеонаблюдении. Вместе с тем изображение в системах видеонаблюдения всегда существенно уступало по качеству системам технического и широковещательного телевидения. А теперь – и любительского, бытового видео

Николай Чура
Технический консультант компании «Фирма «Видеоскан»

Отрасль видеонаблюдения всегда была в некотором роде «бедным родственником» и питалась «остатками со столов» технического наблюдения и широковещательного телевидения. Кроме экономических причин, у всех направлений совершенно разные задачи и условия применения. В техническом и вещательном телевидении всегда создается освещение, требуемое для получения максимально качественного изображения. Такой важнейший параметр, как чувствительность или минимальная освещенность, там просто не фигурирует.

Информативность и качество

Видеонаблюдение в интересах безопасности, к сожалению, не может позволить себе обеспечения максимального освещения. Охранное наблюдение должно осуществляться практически при любой освещенности и в самых разнообразных климатических и погодных условиях. К тому же, применять какое-то дополнительное освещение зачастую неэффективно, а иногда и недопустимо. Другими словами, какое-то изображение должно быть, хотя бы для обнаружения объекта наблюдения.

Основной тренд последних лет – это рост разрешения изображений, особенно в бытовом телевидении, видеосъемке и фотографии. Стремление к мегапиксельности имеется и в видеонаблюдении. Однако несколько забывается, что качество изображения, а соответственно – его информативность при разных условиях освещения, – зависит еще от чувствительности камер и адекватной передачи контраста и цвета. При этом, учитывая современное многократное преобразование аналоговой формы представления в цифровую и обратно, сжатие изображений для хранения и передачи, изменения форматов в тракте видеонаблюдения, необходимо минимизировать и неизбежные артефакты.

Разрешение – синоним качества?

Мегапиксельные изображения, можно сказать, уже завоевали видеонаблюдение. Причем во многих случаях это формат 16:9 бытового, то есть в каком-то смысле художественного телевидения. Размер и ширина экрана увеличивают «силу впечатлений», несмотря на то, что края экрана, как правило, просматриваются боковым зрением и просто усиливают это впечатление.

Видеонаблюдение работает по другим принципам. Здесь картинка должна просматриваться целиком и анализироваться сразу. Причем реальное погонное разрешение из-за возросшей ширины кадра не всегда значительно превышает стандартное CCTV. Например, для формата HD это от 25% для вертикали и до 30% по горизонтали. Для формата FullHD – уже более чем в два раза. По сути, только кратное (кардинальное) увеличение разрешения ощущается как улучшение качества. Более существенным фактором улучшения является переход на прогрессивную развертку, снимающую проблему интерлейсинга. При повсеместном переходе на «компьютерные» мониторы VGA в регистраторах и компьютерных системах этот эффект стал неизбежен. Причиной является различие чересстрочного формата получения и прогрессивного формата вывода изображений. Но за прогрессивную развертку приходится платить объемами хранения и передачи видео, сложностью и стоимостью оборудования.

Появление HD с аналоговой передачей сигнала (HD-CVI, AHD и HD-TVI) с более низкой стоимостью, чем цифровые системы IP- или HD-SDI, дает некоторые надежды на массовый переход к прогрессивному сканированию и высокому разрешению в видеонаблюдении. Тогда можно было бы смириться и с избыточной шириной кадра, и меньшей, чем у CCD, чувствительностью CMOS-матриц. Однако пока стоимость устройств формата FullHD довольно высока, но, как отмечалось выше, только в нем мы имеем кардинальное и отчетливо заметное увеличение разрешения.

Типовое CCTV и качественное видео

Классическое CCTV все еще весьма востребовано и может эффективно решать практически все типовые задачи видеонаблюдения. Что обеспечивается, прежде всего, многокамерностью систем. Более того, это же является фактором повышения как технологической надежности, так и надежности получения информации при изменении условий наблюдения.

Рассмотрим факторы улучшения качества изображения стандартного CCTV на основе распространенного сейчас формата 960H, предложенного SONY несколько лет назад. Он обеспечивает реальное горизонтальное разрешение до 600 ТВЛ в цвете при стандартном вертикальном разрешении 450–430 ТВЛ.

В современных аналоговых телевизионных камерах в основном применяются высокочувствительные ПЗС-матрицы (CCD) цветного изображения с технологий Super HAD II EXview HAD II или их клоны.

В последние два года предложены аналоговые камеры с CMOS-матрицами 1,3 Мпкс, имеющие стандартный композитный выход чересстрочного формата 960Н. Благодаря исходной избыточности разрешения сенсора эти модели обладают несколько большим горизонтальным разрешением в сравнении со стандартной комбинацией 960H-Effio. Однако реальные результаты весьма далеки от заявленных 1200 ТВЛ. Кроме того, односторонний рост разрешения по одной координате (горизонтали) не улучшает качества изображения.

Несмотря на огромные успехи в совершенствовании технологии CMOS, CCD все еще более чем в 2,5 раза превосходят по чувствительности даже лучшие образцы CMOS-матриц Exmor. К сожалению, новейшая технология Exmor R с обратной засветкой и характеристиками, уже совсем близкими CCD, в основном используется в мобильных устройствах. Сравнительные характеристики сенсоров приведены в таблице.

В камерах с СMOS-матрицами снижение чувствительности обычно компенсируется большей глубиной АРУ и незначительным накоплением по умолчанию в 2–4 раза. Воспользоваться глубокой АРУ в современных камерах позволяет широкое применение цифровых систем шумоподавления 2DNR и 3DNR, которые также включены по умолчанию. В результате реальное значение минимальной освещенности, при которой камера дает приемлемое изображение, уменьшается.

Значение контраста и цвета

Сейчас практически все видеонаблюдение стало цветным. Общеизвестно, что контраст цветного изображения, даже при не совсем правильной цветопередаче, выше черно-белого. Это обусловлено одинаковой яркостью красных и синих составляющих спектра. На рис. 1 показана кривая видности глаза и повторяющая ее спектральная характеристика сенсора по яркости. При недостаточной освещенности в цветных камерах практически повсеместно используется ночной режим с расширением спектрального диапазона чувствительности в область ИК-излучения (ICR).

Общим трендом становятся технологии получения цветного изображения при минимальной освещенности, то есть в ночном режиме. Эти технологии имеют разные торговые названия, но используют единые принципы одновременной работы систем ICR, AGC, DNR и DSS (Sens-Up) с сохранением цвета. На рис. 2 представлен пример подобного изображения в сравнении с изображением типовой телекамеры.

Освещение и улучшение качества

Качественное изображение неизбежно предполагает хорошую освещенность, хотя бы не менее 200–100 лк. Естественно, изображение можно получить и при меньших значениях, но снижается его цветность и растут шумы АРУ, ухудшая разрешение. В ночное время желательно использовать искусственное освещение, предпочтительно видимого спектра, особенно для камер цветного изображения.

В настоящее время очень популярны телекамеры со встроенной ИК-подсветкой. В современных наружных камерах практически устранена внутренняя засветка объектива через защитное стекло. Здесь используются бленды и раздельные иллюминаторы. Такая проблема еще несколько актуальна для купольных камер с подсветкой через тот же купол. Правда, сейчас появляются конструкции с составными поликарбонатными куполами по зонам наблюдения и подсветки. К сожалению, это эффектное техническое решение сводит на нет относительную скрытность наблюдения купольной камерой, когда не видно направление визирования.

Еще более серьезная проблема прямой засветки от встроенного осветителя имеется в купольных поворотных камерах, где даже бленды практически не применимы. По необходимости такие камеры постепенно возвращаются к уже «забытым» поворотным системам с обилием скользящих сочленений, подверженных проникновению влаги и размораживанию по сравнению с классическими купольными поворотными камерами. Эта эволюция представлена на рис. 3.

Даже учитывая большое удобство монтажа и настройки камер со встроенной подсветкой, для улучшения качества изображения необходимо настоятельно рекомендовать применение отдельных осветителей. Для наружных камер это обеспечивает высокое качество изображения при сложных атмосферных условиях и длительных сроках эксплуатации, когда загрязнение иллюминатора приводит к существенному увеличению обратной засветки объектива. Отдельные осветители позволяют встречное визирование камер, а для внутреннего наблюдения создают более равномерное освещение зон наблюдения.

Только кратное (кардинальное) увеличение разрешения ощущается как улучшение качества. Более существенным фактором улучшения является переход на прогрессивную развертку, снимающую проблему интерлейсинга

Доставка изображения без потерь

При передаче композитного видеосигнала нежелательно применять дешевые и суррогатные кабели, которые зачастую представляют собой просто экранированные провода. А если и применять, то только для линий не более 30–40 м.

При существенном снижении контраста и четкости изображения следует использовать магистральные усилители в начале линии, а не в ее конце. Нормирующие усилители с максимальным выходом 1,3–1,5 В здесь совершенно не подходят. В любом случае необходимо обеспечить на входе цифрового регистратора номинальный уровень видеосигнала (1В р-р). Только в этом случае не будет снижения контрастности и количества градаций яркости.

Применяя для передачи композитного сигнала витую пару как наиболее дешевый вариант помехозащищенной передачи, не надо использовать ее на предельной заявленной дальности. Иначе потребуется максимальная частотная коррекция, которая даже при амплитудно-частотной линейности не всегда обеспечивает линейную фазочастотную характеристику.

Фазовые искажения приводят к неустранимым артефактам, особенно на цветном изображении. При этом предпочтительно поделить линию на части по 100–300 м, в зависимости от типа оборудования.

Регистрация и просмотр без потери качества Современные аналоговые системы строятся на базе видеокамер чересстрочной развертки и видеорегистраторов с популярным выходом VGA или HDMI на LCD-монитор с прогрессивным изображением. Целесообразно устанавливать камеры так, чтобы минимизировать поперечное движение предполагаемых объектов наблюдения. В этом случае можно обеспечить максимальное разрешение при записи, используя оба полукадра изображения с минимальным интерлейсингом.

Даже учитывая большое удобство монтажа и настройки камер со встроенной подсветкой, для улучшения качества изображения необходимо настоятельно рекомендовать применение отдельных осветителей

Для улучшения качества изображения необходимо всегда применять минимально возможное сжатие. Экономию объема архива лучше обеспечивать снижением частоты кадров записи.

Неискаженная передача контраста, то есть градаций яркости, обеспечивается амплитудной линейностью всего тракта. Популярные, да и почти единственно доступные сейчас, LCD-мониторы имеют исходную линейную амплитудную характеристику (гамма около 1). В этом случае линейность амплитудной характеристики системы обеспечивается камерами с гамма-коррекцией, близкой единице. Если применяются камеры с типовой гамма-коррекцией 0,45 (для CRT-монитора), желательно иметь корректор в регистраторе или мониторе с коэффициентом близким 2,2. Формирование сквозной линейной амплитудной характеристики типовой CCTV с CRT-монитором представлена на рис. 4.

Разрешение изображения в системах охранного видеонаблюдения, безусловно, будет увеличиваться. И за это придется заплатить не только стоимостью оборудования. Причем многие вышеперечисленные требования справедливы и для цифровых мегапиксельных систем.

Учитель информатики

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

§ 3.1. Формирование изображения на экране монитора

Информатика. 7 класса. Босова Л.Л. Оглавление

Ключевые слова:

• пиксель
• пространственное разрешение монитора
• цветовая модель RGB
• глубина цвета
• видеокарта
• видеопамять
• видеопроцессор
• частота обновления экрана

Пространственное разрешение монитора

Изображение на экране монитора формируется из отдельных точек — пикселей (англ, picture element — элемент изображения), образующих строки; всё изображение состоит из определённого количества таких строк.

Пространственное разрешение монитора — это количество пикселей, из которых складывается изображение на его экране. Оно определяется как произведение количества строк изображения на количество точек в строке. Мониторы могут отображать информацию с различными пространственными разрешениями (800 х 600, 1280 х 1024, 1400 х 1050 и выше). Например, разрешение монитора 1280 х 1024 означает, что изображение на его экране будет состоять из 1024 строк, каждая из которых содержит 1280 пикселей. Изображение высокого разрешения состоит из большого количества мелких точек и имеет хорошую чёткость. Изображение низкого разрешения состоит из меньшего количества более крупных точек и может быть недостаточно чётким (рис. 3.1).

Компьютерное представление цвета

Человеческий глаз воспринимает каждый из многочисленных цветов и оттенков окружающего мира как сумму взятых в различных пропорциях трёх базовых цветов — красного, зелёного и синего. Например, пурпурный цвет — это сумма красного и синего, жёлтый — сумма красного и зелёного, голубой — сумма зелёного и синего цветов. Сумма красного, зелёного и синего цветов воспринимается человеком как белый цвет, а их отсутствие — как чёрный цвет 1 .

Такая модель цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов: Red — красный, Green — зелёный, Blue — синий (рис. 3.2).

Рассмотренная особенность восприятия цвета человеческим глазом и положена в основу окрашивания каждого пикселя на экране компьютера в тот или иной цвет. На самом деле пиксель — это три крошечные точки красного, зелёного и синего цветов, расположенные так близко друг к другу, что человек их воспринимает как единое целое. Пиксель принимает тот или иной цвет в зависимости от яркости базовых цветов (рис. 3.3).

Рекомендуем вам посмотреть анимацию «Цветовая модель RGB» (179672), размещённую в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов (http://sc.edu.ru/). Этот ресурс не только демонстрирует общий принцип образования цветов (см. рис. 3.2), но и позволяет в интерактивном режиме собственноручно создавать всевозможные оттенки, задавая различные соотношения базовых цветов. Там же размещена анимация «Изображения на компьютере» (196610), в которой доступно изложены основные принципы формирования изображений на экране монитора.

У первых цветных мониторов базовые цвета имели всего две градации яркости, т. е. каждый из трёх базовых цветов либо участвовал в образовании цвета пикселя (обозначим это состояние 1), либо нет (обозначим это состояние О). Палитра таких мониторов состояла из восьми цветов. При этом каждый цвет можно было закодировать цепочкой из трёх нулей и единиц — трёхразрядным двоичным кодом:

Современные компьютеры обладают необычайно богатыми палитрами, количество цветов в которых зависит от того, сколько двоичных разрядов отводится для кодирования цвета пикселя.

Глубина цвета — длина двоичного кода, который используется для кодирования цвета пикселя. Количество цветов в палитре N и глубина цвета i связаны между собой соотношением: N = 2 i .

В настоящее время наиболее распространёнными значениями глубины цвета являются 8, 16 и 24 бита, которым соответствуют палитры из 256, 65 536 и 16 777 216 цветов:

Видеосистема персонального компьютера

Качество изображения на экране компьютера зависит как от пространственного разрешения монитора, так и от характеристик видеокарты (видеоадаптера), состоящей из видеопамяти и видеопроцессора. Монитор и видеокарта образуют видеосистему персонального компьютера. Рассмотрим работу видеосистемы персонального компьютера в упрощённом виде.

• 1. Под управлением процессора информация о цвете каждого пикселя экрана компьютера заносится для хранения в видеопамять. Видеопамять — это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Глубина цвета, а значит, количество цветов в палитре компьютера, зависит от размера видеопамяти. Видеопамять современных компьютеров составляет 256, 512 и более мегабайтов. 2. Видеопроцессор несколько десятков раз в секунду считывает содержимое видеопамяти и передаёт его на монитор, который превращает полученные данные в видимое человеком изображение. Частота обновления экрана (количество обновлений экрана в секунду) измеряется в герцах (Гц). Комфортная работа пользователя, при которой он не замечает мерцания экрана, возможна при частоте обновления экрана не менее 75 Гц.

Пространственное разрешение монитора, глубина цвета и частота обновления экрана — основные параметры, определяющие качество компьютерного изображения. В операционных системах предусмотрена возможность выбора необходимого пользователю и технически возможного графического режима (рис. 3.4).

Задача. Рассчитайте объём видеопамяти, необходимой для хранения графического изображения, занимающего весь экран монитора с разрешением 640 х 480 и палитрой из 65 536 цветов.

Самое главное

Изображение на экране монитора формируется из отдельных точек — пикселей. Пространственное разрешение монитора — это количество пикселей, из которых складывается изображение.

Каждый пиксель имеет определённый цвет, который получается комбинацией трёх базовых цветов — красного, зелёного и синего (цветовая модель RGB).

Глубина цвета — длина двоичного кода, который используется для кодирования цвета пикселя. Количество цветов N в палитре и глубина i цвета связаны между собой соотношением: N = 2 i .

Монитор и видеокарта, включающая в себя видеопамять и видеопроцессор, образуют видеосистему персонального компьютера.

Вопросы и задания

1. Ознакомьтесь с материалами презентации к параграфу, содержащейся в электронном приложении к учебнику. Используйте эти материалы при подготовке ответов на вопросы и выполнении заданий.

Что влияет на четкость изображения: мегапиксель и сокращения

В настоящее время необязательно быть профессионалом, чтобы создавать снимки высокого качества. Для получения хорошего результата начинающему фотографу подойдет и обычная «мыльница». Для выбора подходящей техники понадобятся общие знания о процессе формирования изображения. Из этой статьи вы узнаете о том, что такое 1 мегапиксель и о его сокращении. Также она поможет разобраться в главных характеристиках камеры, влияющих на изображение. Правда ли, что от числа мегапикселей зависит четкость картинки?

Разбираемся в понятии

Цифровая фотография состоит из множества точек, формирующих изображение. Они и называются пикселями. Каждый из них – элемент построения матрицы, чем больше их количество, тем лучше сама камера. Итак, 1 мегапиксель состоит из 1 000 000 пикселей.

Как можно сжато обозначить этот термин? Часто встречается такое сокращение мегапикселя, как mpx. Происходит понятие от английских слов pix и element. Возможно, при сильном увеличении фотографии, полученной с устройства, вы уже видели, как изображение разбивается на мельчайшие квадраты? Это и есть пиксели.

Сколько нужно единиц

Можно встретить мнение, что чем больше точек и, соответственно, выше разрешение, тем более четким выйдет снимок. В реальности, куда более важным является наличие хорошей оптики и авторского мастерства.

На результат влияют настройки диафрагмы, выдержки, ISO (светочувствительности) и многие другие. Из внешних факторов — это выставленный свет или естественное освещение, погодные условия (в том случае, если съемка происходит на улице).

Физический размер самой матрицы гораздо сильнее влияет на характеристики картинки, чем количество мегапикселей (или сокращение — Мп) в фотоаппарате. Если этих единиц совсем мало, вы получите размытый кадр с большим количеством шума. С такой проблемой обычно сталкиваются владельцы недорогих смартфонов и камер. Избавиться от подобных артефактов полностью не смогут даже такие мощные редакторы, как Adobe Photoshop. Если вы хотите сразу получать отличные кадры, рекомендуем обратить внимание как на наличие необходимого числа мегапикселей, так и на такое понятие, как кроп-матрицы.

От чего зависит качество изображения

В большинстве современных устройств мегапиксели (либо сокращения — mpx, Mp, Мп) находятся в избыточном количестве, в то время как производители пытаются сэкономить на других параметрах. К примеру, на физическом размере матрицы.

Во времена пленочной фотографии появилось понятие «полного кадра», связано оно с 35-миллиметровой пленкой, используемой в качестве светочувствительного элемента. С появлением цифровых камер последнюю заменила матрица. Но ее производство стоит дороже, поэтому компании стали выпускать урезанные варианты. Так появился коэффициент кропа – соотношение диаметра полного кадра к диагонали матрицы меньшего размера.

Данный параметр влияет, прежде всего, на то, какой процент видимого изображения попадет в кадр, и на своего рода обрезку будущего снимка. С увеличением коэффициента, возрастает уровень шума, уменьшается угол обзора. Изображение, полученное фотоаппаратом с полнокадровым сенсором, будет в разы четче и качественнее. Также при покупке камеры следует обращать внимание на фокусное расстояние, характеристики которого относятся больше к объективу.

Еще немного о разрешении матрицы

В каких же случаях необходимо большее количество мегапикселей (в сокращении, Мп)? Если вы собираетесь сильно увеличивать будущее изображение, например, для печати фотообоев. Чем больше их количество, тем сильнее изображение можно кадрировать без потери качества. Пригодятся дополнительные пиксели и при съемке объекта издалека, появится возможность его приблизить при редактировании.

Другой фактор – это увеличение объема занимаемой памяти на носителе и времени обработки полученного снимка. В большинстве случаев начинающему фотографу хватит разрешения в 8-13 мегапикселей (в сокращении, Mp). При печати уличных плакатов, например, используют не такое высокое разрешение, так как расположены они на высоте и зритель смотрит на них издалека.

Вместо заключения

Из данной статьи читатели узнали, что такое мегапиксели (в сокращении, Мп, Mp или mpx), как эти элементы влияют на фотографию. Стоит ли приобретать камеру с большим количеством этих элементов, зависит от задач, для которых вы будете использовать фототехнику. Если цель – получение качественных снимков для небольших печатных изображений (в том числе и формата A4), лучше обратить внимания на другие, более важные характеристики камеры, о которых поговорили выше.

Планируете печатать большие плакаты или сильно увеличивать снимки — стоит предпочесть устройство с большим количеством мегапикселей. Во всех остальных случаях не нужно уделять этому параметру особое внимание – лучше приобрести хороший объектив или фильтры. На четкость снимка влияет в большей степени мастерство фотографа и подходящие условиям съемки настройки, чем количество пикселей в устройстве.