پیشرفت روز افزون محدوده دینامیکی گسترده (WDR) آن را به یکی از مهم ترین ویژگی های دوربین های نظارتی تبدیل کرده است.به واسطه WDR دوربین ها قادر خواهند بود از محیط های با سایه و نور شدید، تصاویری با حفظ وضوح و جزئیات تهیه نمایند. این ویژگی به خصوص در ورودی ها، نواحی دارای پنجره های بزرگ و الگو های نوری متنوع و سایر موارد مشابه مفید واقع می گردد. پیش از ظهور تکنولوژی WDR غالبا جزئیات مهم نواحی با شرایط ذکر شده (در تصاویر) از بین رفته و در نتیجه کاربر امکان ارزیابی دقیق موقعیت را از دست می داد. با تکنولوژی کنونی WDR و دستیابی به سطح محدوده دینامیکی گسترده واقعی، این مشکل برطرف گشته است.
با قدم گذاشتن دوربین های شبکه به عصر وضوح مگاپیکسلی، سنسور های داخلی آن ها نیز دستخوش تغییراتی می گردند و این به دلیل نیازهای مختلفی است که کیفیت بالاتری را می طلبند. سنسور های CMOS به دلیل قیمت مناسبشان،جایگرین سنسور های سنتی CCD می گردند و به آهستگی به "چشم های" تعداد کثیری از دوربین های مگاپیکسل شبکه ای تبدیل می شوند. هرچند تکنولوژی مورد استفاده این دو نوع سنسور، غالبا مشکلاتی ایجاد می کند که بر عملکرد محدوده دینامیکی گسترده در شرایط کم نور تاثیر می گذارد. خوشبختانه پیشرفت ترکیب های مختلفی از CMOS و پردازنده سیگنال دیجیتالی (DSP)، به بهبود قابل توجهی در عملکرد WDR انجامیده است.
امروز،دوربین های نظارتی WDR که از ترکیب CMOS و DSP استفاده می کنند، رفته رفته بازار را تحت سلطه خود قرار می دهند. از منظر فروش، هزینه دوربین های نظارتی که دارای ویژگی WDR می باشند اندکی بالاتر است. تکنولوژی هوشمندانه WDR که هم اکنون به نسل سوم خود رسیده است، به "WDR واقعی" نیز معروف می باشد. هم اکنون در بازار، هر دوربینی که محدوده دینامیکی بالای 100 دسیبل تولید نماید به عنوان WDR واقعی شناخته شده و قادر به کار با هر اپلیکیشن مرتبط با WDR خواهد بود.
كاربري هاي WDR نیز دستخوش رشد گسترده ای بوده اند. توسعه سریع السیر WDR ، آن را به تکنولوژی کلیدی انکار ناپذیر دوربین های نظارتی تبدیل کرده است. تحت این شرایط،WDR باید تا به امروز به طور کامل توسعه یافته و به ثبات کامل رسیده باشد. اما در بسیاری از دوربین ها، ویژگی WDR به طور عمده با ادغام دو تصویر به دست می آید. از این گذشته،اگر چیپ ست DSP به کار رفته در این ترکیب، قابلیت پردازش لازم را نداشته باشد، می تواند به بازیابی ضعیف تصاویر، باز تولید ضعیف رنگ ها، تصاویر تار و کیفیت پایین منجر گردد. بنابرین آشنایی با كاربري هاي WDR حائز اهمیت بسزایی است.
WDR چیست؟
این احتمال وجود دارد که بسیاری از کاربران درک دقیقی از WDR و عملکرد آن نداشته و دچار تصور اشتباهی از آنچه که توسط این تکنولوژی انجام می گیرد باشند. از طرفی بسیاری از تولید کنندگان نیز تعاریف و اصطلاحات خود را در رابطه با تکنولوژی های مختلف WDR دارند. در بسیاری از موارد، تعریف یک تولید کننده از تکنولوژی WDR ، با آنچه که تولید کننده دیگری از این مفهوم در ذهن دارد در تناقض است.(مانند WDR دیجیتال،WDR واقعی و غیره). به زبان ساده،WDR توانایی نمایش واضح و همزمان جزئیات روشن ترین و تاریک ترین نواحی یک صحنه می باشد. به عبارت دیگر تکنولوژی WDR قادر است جزئیات نواحی دارای تضاد نوری بالا را نمایان سازد. هنگامی که یک منبع نوری قوی(نور خورشید،انعکاس نور و...) و سایه، نور سیاه و سایر نواحی کم نور، به طور همزمان در صحنه ای وجود داشته باشند، این احتمال وجود دارد که که در تصویر نور نواحی روشن تر چنان شدید باشد که باعث شود این نواحی به صورت یک لکه سفید ظاهر گردند. برعکس، نواحی تاریک تر صحنه به صورت چاله ای سیاه رنگ نمایان خواهند شد. هر دو وضعیت یاد شده، می توانند تاثیری منفی در کیفیت تصویر داشته باشند. هرچند محدودیت هایی در آنچه که دوربین ها قادر به نمایش از تاریکی یا روشنایی بیش از حد هستند وجود دارد، غالبا این محدودیتها به محدوده دینامیکی بر می گردد.
به WDR می توان به چشم يك معاوضه نگریست. در تصویر برداری همواره مهم ترین وظیفه کاهش نويز و افزايش سیگنال بوده است. بارزترین معاوضه در WDR بین نويز و لكه هاي نوري می باشد. کاهش نويز و در نتیجه دست یابی به محدوده دینامیکی گسترده تر امکان پذیر است اما این عمل به قیمت ایجاد لكه هاي جدید انجام می گیرد. تمامی تکنیک های کنونی WDR لكه هاي جدیدی خلق می کنند.
در نظر داشتن این نکته که مفهوم محدوده دینامیکی به عنوان نسبتی از تاریک ترین و روشن ترین نواحی تصویر (و نه یک ارزش دقیق) تعریف شده است امر مهمی است. این نسبت بر حسب دسیبل بیان می گردد. نسبت محدوده دینامیکی در دوربین های نظارت تصویری عادی 10 دسیبل بوده و در دوربین های WDR معمولی این مقدار 48 دسیبل می باشد. نسل سوم دوربین های WDR می توانند به 95 دسیبل در این نسبت دست یابند. با تکنولوژی کنونی، حداکثر محدوده دینامیکی قابل دستیابی بیش از 120 و کمتر مساوی 130 دسیبل خواهد بود.
انواع اصلی ترکیب های سنسور ها
تکنولوژی WDR ترکیب های متفاوتی از سنسورها و پردازنده ها را به کار می گیرد که این ترکیبات به سه دسته کلی تقسیم می شوند. سنسور بخش بسیار مهمی در عملکرد WDR به شمار می رود. محدوده دینامیکی دوربین به سنسور بستگی دارد. جفت کردن چیپ ست و سنسور نیز به همان اندازه حائز اهمیت است. به عنوان مثال اگر ما چیپ ستی از نسل قدیمی ISP را جهت کار با سنسور WDR جدیدی انتخاب نماییم، این احتمال وجود خواهد داشت که کارکرد WDR به حداکثر قابلیت و کارایی خود نرسد.
پیش از به کارگیری تکنولوژی WDR، برای کنار آمدن با مشکلات محیط های با الگو های نوری متغیر، تنها امکاناتی مانند Low lux، فیلترها، پولاریز، زوم اتوماتیک و جبران نور سیاه در اختیار بود. متاسفانه این تکنولوژی ها دارای توانایی های محدودی می باشند. تکنولوژی WDR گامی فراتر از توانایی های تکنولوژی های پیشین برداشته و آنچه را که این تکنولوژی ها از انجام آن ناتوانند جبران می نماید. این سه ترکیب اصلی در ادامه توضیح داده شده اند.
سنسور CCD + DSP
ترکیب نخست از ادغام CCD و DSP تشکیل شده است. این فرم از WDR به WDR دیجیتال نیز معروف می باشد. به عبارت دیگر،این ترکیب یک روش نمایش چندگانه است که شامل سرعت های پایین و بالای نمایش می گردد.نمایش اول بر نواحی روشن موجود در صحنه، جهت تهیه تصویری که جزئیات این نواحی را به طور واضح نمایان سازد، تمرکز می نماید.این تصویر در ناحيه بافر رم ذخیره می گردد. حالت دوم که آهسته تر می باشد، نواحی تاریک را هدف قرار داده و تصویر واضحی از جزئیات آن ها تهیه می کند که در همان محل ذخیره تصویر قبلی ذخیره می گردد. پس از انجام این دو عملیات،با استفاده از DSP برای پردازش تصویر، این دو تصویر با هم ادغام شده و تصویری تشکیل می دهند که جزئیات نواحی تاریک و نواحی روشن صحنه در آن نمایان است.
سنسور CMOS+ DPS WDR
ترکیب دوم از تکنولوژی پیکسیم که بر اساس سیستم جدید تصویر برداری CMOS در دهه نود می باشد، الهام گرفته است و به سیستم پیکسل دیجیتال معروف می باشد(DPS).
DPS برای WDR در کنار تکنولوژی کنترل ARM 7 CPU، از فرايندي استفاده می کند که در آن پیکسل ها تک تک در معرض نمایش گذاشته می شوند. در مقایسه با روش نمایش چندگانه DSP، این روش قادر است که محدوده دینامیکی گسترده ای فراهم نماید. از نظر نسبت، قدرت پردازش تصاویر دوربین های نظارتی که از ترکیب سنسور CMOS و DPS استفاده می نمایند می تواند به 95 دسیبل و در برخی دیگر حتی به 120 دسیبل برسد. همچنین با استفاده از DPS مشکلات استفاده از سنسور های CCD (بی رنگ شدن تصویر و برد پردازش محدود) رفع شده و توانایی آن در بازآفرینی دقیق رنگ های نزدیک به واقعیت، نیاز های كاربري را بر طرف می نماید.
ترکیب CMOS+ DPSمانند چشم و مغز عمل کرده و با تقلید از عملکرد آن دو با یکدیگر، برای پردازنده و سنسور تصویر امکان تراکنش دو طرفه ای را فراهم می سازد. هنگامی که DPS تصویری را پردازش می نماید، به طور همزمان سیگنال هایی را به سنسور تصویر مخابره می کند. این کار نه تنها زمان در معرض گذاری تصویر را تنظیم می نماید، بلکه الگوریتم تصویر برداری را نیز در جهت دست یابی به تصویر برداری هوشمند تغییر می دهد. درنتیجه تحت شرایط نوری مشخص و در برخی محیط ها، دوربین های نظارتی که از DPS استفاده می نمایند، می توانند نهایتا تصویری کاملتر، با جزئیات بیشتر و واقع گرایانه تر تهیه نمایند.
DPS ، تکنولوژی به کارگیری تک تک پیکسل ها می باشد. در نتیجه هر پیکسل در برگیرنده یک سری از جریان های پردازش است که به گونه ای موثر سطح حساس نسبت به نور هر پیکسل را کاهش می دهد. با کاهش میزان نور دریافتی تفاوت قابل توجهی در میزان حساسیت دوربین های دارای ترکیب CMOS + DPS ایجاد می گردد.
Sony Effio-P WDR
در مقایسه با دو ترکیب یاد شده، دوربین های تحت شبکه Sony Effio نتایج عملی تری دارند Effio-Pقادر است با آخرین تکنولوژی سنسور ها هماهنگ گشته و از اسکن دوگانه CCD در جهت دستیابی به WDR واقعی پشتیبانی می نماید و در نتیجه امکان نمایش واضح تصاویر در صحنه های با نور شدید و یا نور سیاه را فراهم می سازد.
تفاوت در عملکرد
با اینکه دوربین های WDR بیشتر از همان ترکیب چیپ ست-سنسور استفاده می کنند، عملکرد آن ها با یکدیگر تفاوت قابل توجهی دارد. مجهز بودن به یک سنسور بهتر لزوما به معنی دستیابی به بهترین عملکرد WDR نیست، چرا که سیستم پردازنده سیگنال ها نیز در دسترسی به بهترین نتایج اهمیت بسزایی دارد.
یک عامل مهم دیگر سیستم عاملی است که در کنار این سنسور ها استفاده می شود. حتی اگر سنسور مورد استفاده دوربین های WDR، یکسان باشد، در صورتی کهISPیا DSP جفت شده با سنسور، متفاوت باشند، عملکرد WDR نیز متفاوت خواهد بود. سیستم عامل می تواند تصویر را با تغییر الگوریتم های ISP ارتقا بخشد ولی تفاوت اصلی در راه حل های سخت افزاری گذشته نهفته است .با توجه به اینکه WDR،عموما فایل های تصویری پرحجم تری را پردازش می کند، طبیعتا این تصاویر نیازهای بالاتری به DSP خواهند داشت.
برخی از تولیدکنندگان، چیپ ست دیگری را جهت تسهیل پردازش تصویر،اضافه می کنند. در نتیجه برای تضمین بهترین عملکرد WDR ابتدا باید طراحی درستی داشته باشید،چرا که سیستم عامل بر اساس این طراحی تنظیم خواهد گشت.
عملکرد WDR همچنین می تواند بر اساس تنظیمات پیش فرض دوربین نیز متفاوت باشد. هر تولید کننده ای تعریف خود را از نحوه نمایش تصاویر ارائه می دهد و ترجیحات متفاوتی نسبت به عملکرد WDR در كاربري هاي دارد. در نتیجه حتی اگر آن ها از ترکیبات یکسان سنسور و ISP استفاده نمایند، عملکرد WDR می تواند بر اساس تنظیمات پیش فرض تولید کننده، تفاوت بسزایی داشته باشد.
دغدغه برخی کاربران این است که آیا عملکرد WDR در دوربین های تحت شبکه، آنالوگ یا HD-SDI یکسان خواهد بود یا خیر. تفاوت بستگی به این خواهد داشت که آیا از CMOS یا CCD استفاده می شود یا خیر. اخیرا دوربین های بر اساس CMOS، دارای بالاترین محدوده دینامیکی می باشند.
ویژگی WDR دوربین با ظرفیت سنسور و کیفیت پردازش تصویر مرتبط است. به همین دلیل است که WDR نباید به نوع دوربین (SDI، تحت شبکه یا آنالوگ) بستگی داشته باشد. هرچند که پیشرفت چشم گیر تکنولوژی تحت شبکه، امکانات بیشتری را در جهت ارتقای کیفیت تصاویر با استفاده از الگوریتم های آنالیتیک ارائه می نماید.
ویدئوهای WDR در نمايشگر
برای این که ویدئو های WDR به درستی نمایش داده شوند چند نکته باید در نظر گرفته شود. به دلیل اینکه محدوده دینامیکی مانیتور های معمولی 200 الی 300 مرتبه کم تر از دوربین های WDR است، این مانیتور ها قادر به نمایش تصاویر WDR نمی باشند. برای رفع این مشکل، تصویر WDR تحت یک روند پردازش غیر خطی به نام "نگاشت تُن" قرار می گیرد. در این فرايند پیکسل ها به منظور کاهش کنتراست عمومي جا به جا می شوند و این در حالی است که کنتراست محلی حفظ می شود. در حال حاضر بسیاری از تولیدکنندگان از تکنولوژی نگاشت تُن محلی استفاده می نمایند که به آن ها در جهت بهینه سازی پیکسل تصاویر بر اساس ويژگي محلی تصویر کمک نموده و وضوح تصویر را در نواحی تاریک و بیش از حد نورانی تنظیم می نماید. به این ترتیب نمای کلی تصویر برای چشم انسان کاملا مناسب و قابل قبول بوده و تصویر نیز توسط مانیتور قابل نمایش خواهد بود.
کیفیت برند
با این که تکنولوژی WDR به سرعت در حال پیشرفت و توسعه است،همچنان نمی توان آن را با توانایی مشاهده انسان مقایسه نمود، چرا که حد Low-Lux همچنان برای دوربین ها، بسیار بالا می باشد. هرچه صحنه تاریک تر باشد عملکرد تکنولوژی WDR نیز ضعیف تر خواهد بود. بسیاری از دوربین های WDR، برای نمایش اشیا در محیط های با شرایط نوری چالش انگیز، همچنان نیازمند به کار گرفتن BLC می باشند. محدودیت های دیگری نیز مانند نسبت محدود شاتر، به دلیل برخی محدودیت های تکنولوژیکی وجود دارد.
ژئوويژن با الهام از شفق شمالی(نورشفق شمالی)، که فقط در عکس ها و فیلم ها تحت محیط های نور بسيارکم قابل مشاهده است ، سري دوربين هاي با لوكس بسيار پايين(Super Low Lux) خود را سری شفق قطبی يا شمالي(آرورا) نام نهاده كه منعکس کننده عملکرد استثنایی دوربين تحت شبكه تحت محیط های کم نوراست.
اگر تصویر از فریم های متوالی تشکیل شده باشد، در صورت وجود حرکت در صحنه، همواره عیوب قابل مشاهده ای در تصاویر دوربین های امنیتی وجود خواهد داشت. بنابراین تنها دوربین های برخی برندهای برجسته قادر به جلب رضایت کاربران خواهند بود.
سری آرورا مجموعه استانداردهای جدیدی را برای نظارت شبانه ارائه مي كند كه شامل توانایی ارائه جزئیات رنگ استثنایی لباس مظنون و يا ماشين در حال فرار در نور بسيار پايين شب و يا در كافي شاپ ها و محيط هاي تاريك است.