Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

4K vs. FullHD – настало ли время переключаться?

4K vs. FullHD – настало ли время переключаться?

В рубрику "All-over-IP" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

4K vs. FullHD – настало ли время переключаться?

Технологии не стоят на месте – с каждым годом камеры "видят" лучше и дальше, что помогает эффективнее решать задачи видеонаблюдения на самых разных объектах. Но всегда ли уместны новейшие разработки? Ведь новые форматы не только способны повышать качество изображения, но и требуют больших затрат, повышения вычислительной мощности, а часто и полного обновления существующей системы. О том, где и почему формат 4К по праву займет место FullHD и как не сделать лучшее врагом хорошего, расскажут эксперты компаний Honeywell, "Болид", "АРМО-Системы" и ГК "Траскон"
Василий
Волковицкий
Руководитель технической службы компании Honeywell Security & Fire
Александр
Горбанев
Руководитель проекта видеонаболюдения ЗАО НВП "Болид"
Роман
Баранов
Бренд-менеджер компании "АРМО-Системы"
Аркадий
Варшавский
Главный инженер проекта МФ "МХО "Интератомэнерго" (ГК "Траскон")

Преимущество 4K относительно FullHD, казалось бы, очевидно – в четыре раза более четкое изображение. А каковы ограничения для перехода на новый формат?

Василий Волковицкий, Honeywell Security & Fire
Использование камер с разрешением 4K позволяет в два раза увеличить плотность пикселей по сравнению с камерами 1080p при четырехкратном увеличении количества пикселей и объема передаваемых данных. Выигрыш достигается при равномерной высокой освещенности. Однако более высокое разрешение камеры автоматически не гарантирует ее способность формировать более качественное изображение. На качество изображения влияют разнообразные факторы, в том числе место расположения камеры. Лицо человека является трехмерным объектом, изображение которого зависит от угла зрения, яркости и спектра падающего света. Поэтому в ряде случаев использование двух (и более) камер 1080p позволяет получить более детальное изображение нарушителя по сравнению с одной камерой 4K.

Камеры с разрешением 4K требуют значительно большего объема хранилища при записи и существенных вычислительных мощностей при декодировании видеопотоков на стороне клиентских рабочих станций. Это приводит к дополнительным затратам не только на сами камеры, но и на всю инфраструктуру, включающую NVR с дисковым хранилищем и VMS. Стоит отметить, что на рабочих станциях для высокоэффективного рендеринга мегапиксельных видеоизображений производители современных NVR и VMS используют технологию Intel Quick Sync Video, которая задействует ресурсы графической карты (GPU), встроенной в современные процессоры. GPU-рендеринг позволяет одновременно декодировать значительно большее количество видеопотоков по сравнению с реализацией декодирования только средствами центрального процессора.

Помимо разрешающей способности, для IP-камеры одним из основных параметров является скорость трансляции видео. Практика доказывает, что не все камеры с разрешением 4К обеспечивают заявленную скорость трансляции кадров, особенно при использовании нескольких видеопотоков. Для поддержки высокого разрешения матрицы необходим соответствующий объектив, стоимость которого может быть сопоставимой со стоимостью самой IP-камеры. Увеличение разрешающей способности чувствительного элемента IP-камеры приводит к тому, что на каждый из элементов матрицы попадает меньшее количество фотонов. Поэтому чувствительность камеры, физический размер пикселя и соотношение "сигнал/шум" всегда имеют строгую взаимосвязь (это правило справедливо для матриц, созданных по одной и той же технологии). Физический размер матрицы и ее разрешение однозначно определяют размер пикселя: чем он больше, тем выше чувствительность камеры при заданном соотношении "сигнал/шум". У некоторых производителей повышение чувствительности мегапиксельных камер без увеличения формата матрицы реализуется за счет совмещения изображений от нескольких модулей камер, расположенных в одном корпусе. Достоинства и недостатки любой технологии зачастую относительны, и функция совмещения изображений не является исключением. Камеры данного типа обычно значительно дороже стандартных IP-камер, имеют большие габаритные размеры и менее надежны.

Александр Горбанев, "Болид"
При переходе с FullHD на 4К требуется поменять не только видеокамеру. Три основных элемента системы видеонаблюдения: сбор информации (видеокамеры), обработка и хранение информации (регистраторы или серверы с ПО), отображение информации (мониторы) – должны поддерживать возможность работы с 4К-разрешением. И первое ограничение, с которым может столкнуться потребитель, – бюджетное, так как все три элемента однозначно подорожают при повышении разрешения. Второе ограничение – технологическое. Только монитор в общем случае способен отобразить 25 кадр/с при разрешении 4К. Кабель HDMI также может таить в себе ограничение – поддержка кабелями разрешения 4К была введена в стандарте HDMI 2.0, который появился сравнительно недавно, в 2013 г. Не все камеры в данный момент на рынке при разрешении 4K выдают живое видео со скоростью 25–60 кадр/с, в основном это "приемлемые" 15 кадр/с. При передаче видеоизображения от камеры до регистратора или сервера уже повсеместно используется кодек H.265 – он из-за своей новизны и накладывает, пожалуй, главное технологическое ограничение: пока еще редки производители программного обеспечения, которые имплементировали кодек H.265 в свои продукты. Серверу или регистратору также могут понадобиться дополнительные "дисковые" мощности для сохранения требуемой глубины архива.

Роман Баранов, "АРМО-Системы"
Ограничения существуют, и сводятся они к двум факторам – финансовому и технологическому. Получение в четыре раза более четкого изображения – это хорошо, но оно также означает в четыре раза большую нагрузку на сеть, в четыре раза больший объем архива и четырехкратно увеличенный расход ресурсов на декодирование потоков для вывода операторам. Это влечет за собой необходимость использования более дорогих коммутаторов, большего количества жестких дисков и серверов (у них тоже есть лимит по пропускной способности), более мощных рабочих станций операторов для показа того же самого количества камер на экране. Общая стоимость системы может вырасти многократно.

Теперь о технологических ограничениях. Первое связано с меньшим размером пикселей матриц 4K по сравнению с матрицами FullHD. Это означает меньшую светочувствительность, более скромные возможности "вытягивать" картинку в цвете при малой освещенности и худшую реальную детализацию даже с применением дополнительных алгоритмов обработки видео.


Второе технологическое ограничение касается объективов. Качественная оптика с соответствующими параметрами стоит отнюдь не дешево. Вновь возвращаемся к финансам – хорошая 4K-камера обойдется дороже хотя бы из-за объектива. Конечно, можно найти сравнительно дешевые 4K-камеры. Здесь, как правило, производитель экономит на оптике. Но если установлен объектив 2 Мпкс, то он "режет" всю детализацию и получается, что различимых деталей в картинке на 2 Мпкс, а поток все равно 8 Мпкс – пользователь получает все минусы и никаких плюсов. Мягко говоря, не самая лучшая сделка. Надо сказать, что на данный момент отсутствуют длиннофокусные вариофокальные и моторизованные объективы с разрешением 4K (за исключением объективов для профессиональных фотоаппаратов, которые используются на некоторых современных камерах).

Аркадий Варшавский, ГК "Траскон"
Многое зависит от целей и объектов применения данной технологии. Возможность широкоугольного охвата и детализации изображения с максимальным разрешением в постанализе событий, безусловно, является востребованной для оборудования, применяемого на объектах с постоянным массовым пребыванием людей. Однако использование подобных технологий влечет за собой большие расходы на оборудование, способное поддерживать качество видеопотока, повышенную (так же в четыре раза) нагрузку на все компоненты тракта приема передачи видеосигнала и общее повышение затрат, связанных с приобретением дорогостоящих камер с подобным разрешением. Если все эти факторы окажутся преодолимыми для заказчика, то применение системы видеонаблюдения 4K может стать вполне оправданным.

В каких рыночных сегментах назрела необходимость перехода с разрешения FullHD на 4К?

Василий Волковицкий, Honeywell Security & Fire
Существуют две причины выбора камер с более высоким разрешением. Во-первых, это необходимость получения более детализированного изображения и/или увеличения размеров зоны обзора. С точки зрения оптимизации затрат на систему видеонаблюдения выбор разрешения камеры обычно осуществляется, исходя из необходимой плотности пикселей (на метр) в кадре. В свою очередь, требуемая плотность зависит от решаемой задачи. Плотность пикселей является универсальной метрикой, позволяющей заказчику и проектировщику договориться о "приемлемости" видеоизображения. Например, для обнаружения объектов в контролируемой зоне достаточно иметь плотность 25 пкс/м, но для идентификации человека требуется увеличить ее как минимум в 10 раз. Можно отметить, что параметр "плотность пикселей" не полностью описывает качество получаемого изображения, так как на него влияет освещенность, компрессия видео, качество изготовления объектива, наличие в камере функции WDR и другие факторы. Для наблюдения внутри помещений при использовании стандартного объектива разрешение 4К может быть избыточным, однако оно оправдывает себя при использовании панорамных камер и при наблюдении за объектами на значительном расстоянии.

Второй причиной использования камер 4К является возможность замены двух (и более) камер с меньшим разрешением для уменьшения количества оборудования. Выигрыш достигается не только за счет замены нескольких камер одной и снижения затрат на их установку, но и за счет уменьшения стоимости лицензий на NVR/VMS, поскольку в большинстве случаев эти системы лицензируются по количеству каналов.

Отдельного рассмотрения заслуживают панорамные IP-камеры. При использовании объектива Fisheye плотность пикселей уменьшается с расстоянием значительно сильнее по сравнению с камерами со стандартным объективом. Поэтому для охвата широкого пространства в одном кадре разрешение 8–12 Мпкс в настоящее время является стандартным для панорамных камер от ведущих фирм-производителей.


Использование разрешения 4К актуально на объектах, для которых важно иметь качественную видеозапись при расследовании происшествий. Это прежде всего места массового скопления людей: транспортные объекты, парковки, стадионы, торговые и развлекательные центры.

Александр Горбанев, "Болид"
В первую очередь переход на 4К-системы видеонаблюдения необходим в местах массового пребывания людей – стадионах, торговых центрах, вокзалах и т.д. Более высокое разрешение позволит точнее идентифицировать личности людей в случаях расследования инцидентов. Обычно при использовании видеоаналитики действует правило: чем больше разрешение, тем эффективнее она работает.

Роман Баранов, "АРМО-Системы"
Камеры с разрешением 4K оптимально будет использовать для охвата больших территорий: стадионов, аэропортов, вокзалов, других мест массового скопления людей. В таких приложениях задача обычно состоит не только в том, чтобы охватить "взором" камер всю территорию, но и чтобы иметь определенную плотность пикселей на метр.

Рассмотрим на примере. В связи с грядущими футбольными мероприятиями как никогда актуальна тема обеспечения безопасности стадионов. Существует приказ МВД России № 1092 о требованиях к объектам инфраструктуры мест проведения официальных спортивных соревнований и техническому оснащению стадионов. Он предписывает, что для идентификации нужно иметь разрешение кадра минимум 250 пкс/м (4 мм на пиксель). Для наблюдения за трибуной необходимо разместить камеру на противоположной стороне чаши. При использовании камер с разрешением FullHD нам потребуется объектив с очень узким углом обзора (большим увеличением), чтобы удовлетворить требование по плотности пикселей. А это, в свою очередь, многократно увеличивает количество необходимых камер и объем инсталляционных работ. Важно учесть, что подходящих для установки мест, которые не подвержены вибрациям, в чаше не так уж много и их может не хватить на все камеры. Тут-то и приходят на помощь камеры с высоким разрешением. Но и 4K уже оказывается слишком мало: применяются камеры 20–33 Мпкс. Все они обладают крупными матрицами (1 дюйм и более) и зачастую используют профессиональные объективы для фотоаппаратов. Еще более удобным вариантом является видеосистема из нескольких таких камер, установленных и отъюстированных в одном корпусе таким образом, что каждая камера охватывает свой сегмент, который лишь слегка пересекается с сегментами соседних камер, – она "сшивает" изображение в общую панораму разрешениями в среднем по 200 Мпкс (если в системе 10 камер по 20 Мпкс).

Аркадий Варшавский, ГК "Траскон"
Применение видеооборудования с разрешением 4K будет наиболее полезно в тех сферах, где наиболее важна детализация изображения, например в условиях интенсивного движения объектов наблюдения – в сфере транспорта (видеофиксация положения автомобиля при разборе ДТП), спортивных объектах, а также в сфере обслуживания (в гостиницах для контроля за действиями персонала и посетителей, при разборе спорных/конфликтных ситуаций) и при наблюдении за складами и магазинами.

Требуется ли рынку резкий переход от FullHD к 4K? Или же разрешения 4–6 Мпкс сейчас и в ближайшем будущем более востребованы рынком?

Василий Волковицкий, Honeywell Security & Fire
Практически все функциональные возможности современных IP-камер реализуются в рамках концепции "система-на-кристалле" (SoC), а основными игроками на процессорном рынке для IP-камер являются две-три компании, которые определяют в том числе максимальное разрешение и видеокодеки. Они и продвигают свои новые SoC, поддерживающие разрешение 4К, и сомнений в том, что ведущие компании на рынке IP-камер будут его использовать, нет. Если рассматривать IP-камеры со стандартным объективом, то сейчас востребованы модели с разрешением 4 Мпкс, а не 4К. Основные причины этого:

  1. Стоимость IP-камер с разрешением 4 Мпкс практически сравнялась со стоимостью камер 1080p при более высокой детализации изображения.
  2. Большинство представленных на современном рынке IP-камер 4К пока что не могут обеспечить высокую чувствительность при наблюдении объектов в условиях низкой освещенности.
  3. Не все камеры 4К обеспечивают возможность трансляции видеоизображения со скоростью 25–50 кадр/с, которая может потребоваться для наблюдения за быстродвижущимися объектами.

Александр Горбанев, "Болид"
Резкий переход возможен только гипотетически – если полностью отказаться от существующей инфраструктуры на объекте. Поэтому для уже функционирующих систем такой переход технологически слишком дорог – придется менять инфраструктуру систем передачи, хранения и отображения данных. К тому же большое разрешение матрицы совсем не является самоцелью – качество картинки, получаемой на экране монитора, вовсе не определяется только разрешением матрицы. Как правило, заказчиков больше интересует решение конкретных задач видеонаблюдения наиболее экономически обоснованным методом.

Роман Баранов, АРМО-Системы
При выборе оборудования, на мой взгляд, стоит отталкиваться от конкретной задачи, от того, какая детализация требуется в рассматриваемом приложении. Например, для видеонаблюдения в офисах, магазинах, переходах и видеоконтроля большинства входных групп различных объектов вполне достаточно камер c 1–2 Мпкс, которые обеспечат нужную плотность пикселей на метр. Камеры, разрешение которых чуть выше, можно использовать при более высокой точке их установки и при покрытии больших площадей: на открытых парковках и в торговых центрах. Однако тут стоит правильно рассчитать нужное разрешение: 3–6 Мпкс вполне эффективно справляется с этой задачей.


В таких областях, как машинное зрение и интеллектуальные транспортные системы, "скачка" мы тоже не наблюдем: сейчас там наиболее популярны разрешения 2, 5 и 12 Мпкс. Применение камер с разрешением выше необходимого не дает никакой дополнительной информации и лишь "съедает" ресурсы сети и серверов. Иногда лучше использовать несколько камер с разными углами обзора либо одну многоматричную камеру, чем одну камеру с большим количеством пикселей.

Аркадий Варшавский, ГК "Траскон"
По опыту работы могу сказать, что на большинстве объектов применение оборудования с таким высоким разрешением (4K) не требуется. Цена законченного решения при использовании 4K-устройств (включающая затраты на всю необходимую инфраструктуру) существенно выше по сравнению с камерами HD 4–6 Мпкс. Кроме того, некоторые неудобства, с которыми приходится сталкиваться (проблематичность наблюдения в условиях недостаточной освещенности, где чувствительность камеры определяется площадью пикселя матрицы; ограничение съемки по количеству кадров в секунду, пониженные показатели работы "гибридного" стабилизатора, пока еще недостаточное предложение оптики, способной обеспечивать требуемое разрешение и др.), определяют выбор многих специалистов в пользу FullHD-систем.

Какие нюансы нужно учесть при построении мультимегапиксельной системы видеонаблюдения на IP-оборудовании, а какие на Analog HD-оборудовании?

Василий Волковицкий, Honeywell Security & Fire
Помимо увеличения разрешения и расширения функциональных возможностей IP-камер, необходима поддержка этих возможностей на стороне NVR и VMS. В связи с этим более выигрышные позиции на рынке имеют те компании, которые разрабатывают и производят полный функциональный ряд устройств для IP-систем видеонаблюдения, включающий поддержку всех инновационных функций IP-камер на стороне NVR и VMS.

Александр Горбанев, "Болид"
Чем выше разрешение матрицы, тем (при одинаковых физических размерах) хуже светочувствительность. При построении мультимегапиксельной системы видеонаблюдения требуется учесть минимальную освещенность на объекте и при необходимости обеспечить дополнительное освещение.


При построении систем видеонаблюдения с использованием оборудования, поддерживающего новые стандарты TVI, CVI, AHD, необходимо помнить, что это по-прежнему аналоговые стандарты с присущими аналоговому сигналу ограничениями. Если цифровой сигнал можно либо полностью передать, либо полностью не передать, то аналоговый сигнал "будет умирать медленно", с каждым метром кабеля ухудшая соотношение "сигнал/шум" в передаваемом изображении. В этом есть как неоспоримое преимущество (можно передать сигнал на расстояние до 500 м по хорошему коаксиальному кабелю без использования дополнительного оборудования), так и недостаток – картинка с камер, удаленных на разное расстояние, будет далеко не одинакова по искажениям и шумам.

Роман Баранов, "АРМО-Системы"
Получить максимум от большего разрешения можно, если не только матрица в камере будет выдавать больше мегапикселей, но и остальные компоненты системы не станут "узкими горлышками". В первую очередь необходимо использовать качественную оптику, чтобы получить хорошую светосилу, высокую детализацию и низкие искажения по бокам кадра. Следует также тщательно просчитать сетевую инфраструктуру, чтобы избежать потерь кадров и возникновения артефактов (большинство IP-систем использует протокол UDP, который попросту выбрасывает не успевшие дойти кадры в случае, если коммутатор не справляется с нагрузкой). Наконец, самая важная и дорогостоящая часть – это централь (сервера, хранилища, софт), отвечающая за управление и хранение видео. Эффективность использования серверов, рабочих станций и обеспечение долгой жизни жестких дисков в немалой степени зависит от оптимизаций используемого программного обеспечения. Стоит обратить внимание на возможность использования оперативной памяти вместо жестких дисков для предбуфера при записи по тревоге/событию/движению – это заметно снижает износ ЖД. Для снижения нагрузок на процессоры есть полезная оптимизация, которая переносит декодирование видеопотока и видеодетекцию движения с процессора на графическое ядро. Это позволяет обрабатывать больше потоков на одной машине.

Переход с разрешения FullHD на 4К необходим в местах массового пребывания людей, среди которых эксперты особенно отметили:

  • объекты транспортной инфраструктуры – вокзалы, аэропорты;
  • спортивные объекты – стадионы, ледовые арены;
  • объекты социально-культурной сферы – концертные и выставочные залы;
  • торговые центры и гостиницы

Что же касается аналогового оборудования, то важно заранее оценить преимущества и ограничения использования такого решения для конкретного объекта. Во-первых, на оборудовании данного типа не стоит строить системы средних и крупных размеров (все, что выше 40 камер), так как гибкость управления ими невелика. Во-вторых, если пользователи работают в основном с архивом и не важна каждая миллисекунда задержки показа живого видео, то никакого преимущества от аналогового видео не проявится, так как архив в этих системах точно так же сжимается. Если все же есть необходимость остановиться на оборудовании данного типа, желательно использовать качественный кабель.

Аркадий Варшавский, ГК "Траскон"
При построении IP-системы важны следующие факторы:

  1. Тщательный выбор оборудования, как систем видеонаблюдения (процессорная мощность серверов и рабочих станций, характеристики видеокамер, сетевых систем хранения с возможностью резервирования и восстановления данных видеоархива), так и сетевого оборудования (трафик, архитектура, состав) с точки зрения удовлетворения запросам технического задания ввиду значительной ресурсоемкости мультимегапиксельных систем видеонаблюдения.
  2. Состав аналитических функций системы видеонаблюдения (распознавание лиц, автономеров, оставленных вещей, траекторий движения, детекторов движения и активности в заданных областях кадра).
  3. Выбор программного обеспечения, кодеков. При проектирования аналоговой системы видеонаблюдения нужно учитывать: обеспечение помехоустойчивости за счет тщательного выбора характеристик кабеля, маршрутов и способов прокладки кабеля, учета источников помех; возможность ухудшения качества изображения в зависимости от длины кабельной линии.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2017
Посещений: 2815


  Автор
Волковицкий В. Д.

Волковицкий В. Д.

Руководитель службы
по технической поддержке
компании Honeywell Security Group

Всего статей:  27


  Автор
Александр Горбанев

Александр Горбанев

Руководитель проекта видеонаблюдения ЗАО "НВП "Болид"

Всего статей:  7


  Автор
Роман Баранов

Роман Баранов

Инженер компании "АРМО-Системы"

Всего статей:  9


  Автор
Аркадий Варшавский

Аркадий Варшавский

Главный инженер проекта МФ "МХО "Интератомэнерго" (ГК "Траскон")

Всего статей:  2

В рубрику "All-over-IP" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций