Сравнительное тестирование мегапиксельных сетевых камер AV3100M и AV3105M

Arecont Vision AV3105
Тим фотоприемника	1/2" КМОП матрица, 2048х1536
Минимальная освещенность	0.2 лк (F/1.4)
Отношение сигнал/шум	45 дБ
Тип сжатия	M-JPEG, Н.264 (MPEG-4,Part 10), 20 предустановок качества
Дополнительно	1 тревожный вход, 1 релейный выход, электронный PTZ, детектор движения, компенсация фоновой засветки, режим "картинка-в-картинке", автоматический баланс белого
Питание	12 - 48 В (постоянного тока). Power over Ethernet (стандарт IEEE 802.3af)
Рабочая температура	0°...+50°C
Габариты	76 x 64 x 57 мм
Масса	0.243 кг
Цена	37170 RUR
Оборудование для тестирования было предоставлено эксклюзивным представительством в России компании Arecont Vision

В эпоху стремительного развития во всем мире телевидения высокой четкости (HDTV) компания Arecont Vision имеет ряд предложений для создания систем видеонаблюдения, работающих в этом стандарте. Сегмент сетевых камер - достаточно молодое направление на рынке систем видеонаблюдения. Оно непрерывно совершенствуется, постоянно появляются новые интересные разработки. Тем не менее, многие инсталляторы до сих пор предпочитают использовать аналоговые камеры, не без оснований полагая, что качество изображения, получаемое с таких устройств, значительно превосходит оборудование для сетевого видеонаблюдения. В данной статье приводятся результаты тестирования, которые способны если и не изменить, то, по крайней мере, поколебать эти привычные представления.

Модель AV3100M уже давно зарекомендовала себя с лучшей стороны на отечественном рынке безопасности и представляет собой мегапиксельную сетевую камеру, которая позволяет передавать видеоизображение с форматом кадра до 2048x1536 пикселов, т. е. ее разрешение достигает 3.1 мегапиксела, что и отражено в названии модели.

Вторым устройством, которое мы рассматриваем в рамках данного тестирования, является модель AV3105. В корпусе этой сетевой камеры, внешне ничем не отличающемся от AV3100M, находится процессор, способный выполнять, если верить информации от производителя, 80 млрд. операций в секунду. Чтобы было с чем сравнивать, приведем данные и по другой камере: процессор, установленный на AV3100M, совершает до 6 млрд. операций в секунду. Эта вычислительная мощность у более новой модели AV3105 используется для сжатия изображения по стандарту Н.264 и передачи его по сети. Не вдаваясь в особенности работы кодека Н.264, стоит лишь отметить, что благодаря нему снижаются требования к объему, необходимому для хранения видеоинформации в 10 раз. При работе с камерой AV3105 пользователь может для компрессии видео выбрать стандарт сжатия M-JPEG или Н.264. Помимо использования нового стандарта сжатия, по сравнению с AV3100M эта модель выгодно отличается более высоким отношением сигнал/шум и возможностью динамического управления максимальным значением видеопотока (в режиме сжатия Н.264).

Кроме того, стоит отметить ряд преимуществ, свойственных всей линейке сетевых камер Arecont Vision. Это возможность параллельной трансляции до восьми видеопотоков (каждый со своими значениями скорости трансляции, формата кадра, используемого стандарта сжатия, качества изображения и размера видеопотока), частичное сканирование матрицы и связанная с ним функция electronic PTZ. Также следует упомянуть наличие встроенного видеодетектора движения. Благодаря поддержке питания по сети Ethernet (Power over Ethernet, IEEE 802.3af), процесс установки камеры значительно упрощается, а также экономятся средства на прокладку кабелей.

При тестировании мы поставили перед собой цель выяснить, насколько в действительности оправдано использование нового стандарта сжатия в мегапиксельных камерах производства компании Arecont Vision. Помимо оценки качества работы кодеков, были также проведены измерения базовых параметров, таких как разрешение, цветопередача и отношение сигнал/шум.

Для тестирования был выбран мегапиксельный объектив Fujinon HF25SA-1 с фокусным расстоянием 25 мм. Этот объектив рекомендуют и сами разработчики для использования совместно с мегапиксельными камерами Arecont Vision. Результаты измерения основных параметров объектива Fujinon HF25SA-1 можно посмотреть в пятом номере журнала ProSystem ССТV за 2007 год поэтому мы здесь повторно приводить их не будем. Стоит отметить, что глубина модуляции при использовании этого объектива достаточно быстро спадает по мере отдаления от геометрического центра изображения. Таким образом, приведенные ниже данные получены именно для центра изображения. Максимальное расчетное разрешение, которое могло бы получиться при использовании этого объектива с матрицей оптического формата 1/2", составляет 1500 ТВЛ.

Arecont Vision AV3100
Тим фотоприемника	1/2" КМОП матрица, 2048х1536
Минимальная освещенность	0.2 лк (F/1.4)
Отношение сигнал/шум	41 дБ
Тип сжатия	M-JPEG, 21 предустановка качества
Дополнительно	1 тревожный вход, 1 релейный выход, электронный PTZ, детектор движения, компенсация фоновой засветки, режим "картинка-в-картинке", автоматический баланс белого
Питание	12 - 48 В (постоянного тока). Power over Ethernet (стандарт IEEE 802.3af)
Рабочая температура	0°...+50°C
Габариты	76 x 64 x 57 мм
Масса	0.243 кг
Цена	37170 RUR
Оборудование для тестирования было предоставлено эксклюзивным представительством в России компании Arecont Vision

Отдельного внимания заслуживают системные требования, предъявляемые к конфигурации компьютера для работы с программой AV Video Surveillance System, входящей в программный комплекс AV100. Пакет AV100 имеет в основном демонстрационный характер и идет в комплекте поставки. Обычно требования, предъявляемые к рабочей станции оператора, сводятся к мощности процессора, ресурсы которого расходуются на декодирование видеосигнала, но и в случае мегапиксельных камер нужно учитывать и объем видеобуфера, необходимого для отображения видеопотока с высокой скоростью трансляции. Очевидно, что работа с мегапиксельным разрешением накладывает ряд дополнительных требований и к мощности процессора, и к объему оперативной памяти, которые будут отличаться от того, что мы привыкли видеть в качестве системных требований к конфигурации рабочего места оператора при работе с системами видеонаблюдения, использующих аналоговые камеры.

Для работы с камерой AV3100M достаточно процессора Intel Pentium 4 с тактовой частотой 3.4 ГГц и выше. Иначе обстоят дела с камерой AV3105. Согласно данным, которые размещены на веб сайте компании Arecont Vision, для того чтобы получать видеоизображение одновременно от 16 камер со скоростью трансляции от 9 к/с до 24 к/с и параллельно вести запись в архив, требуется компьютер с процессором Intel Core 2 Duo 2.6 ГГц с объемом оперативной памяти 2 Гбайт и видеокартой с объемом видеопамяти 128 Мбайт, поддерживающей разрешение монитора 1920x1200 пикселов. Данная конфигурация позволяет использовать до 16 камер на одном компьютере. Несоответствие конфигурации рабочего места этим требованиям повлечет за собой "выпадение" кадров как при просмотре, так и при записи в архив либо уменьшение числа задействованных камер.

В нашей лаборатории мы проверили работоспособность камер на компьютерах с процессором Intel Core 2 Duo 1.86 ГГц и Intel Core 2 Duo 2 ГГц. Можно заметить, что это далеко не самые мощные, но еще не устаревшие и широко распространенные сейчас процессоры. Обе камеры стабильно работали в режиме M-JPEG, но загрузка процессора при работе с форматами кадра выше 1600x1200 пикселов составляла 100%, а скорость трансляции не превышала 11 к/с. К сожалению, нам не удалось добиться устойчивой работы камеры AV3105 на этих конфигурациях в режиме Н .264. Здесь и далее мы приводим данные для камеры AV3105 с прошивкой версии 64331. Этот момент является существенным, так как шесть камер AV3105 с более ранней прошивкой версии 64127 успешно работали в режиме Н.264 на ноутбуке с процессором Intel Core 2 Duo 7200 2 ГГц под управлением Windows ХР SP2.

Поскольку приведенные выше конфигурации не соответствовали нашим задачам, мы обновили аппаратное обеспечение нашей тестовой лаборатории. Все измерения проводились на компьютере с установленным процессором Intel Core 2 Duo 8400 с тактовой частотой 3 ГГц. Вызывает интерес то, что загрузка процессора при работе камеры в режиме Н.264 на этом тестовом компьютере была меньше, чем в режиме M-JPEG. Сравнительные результаты измерения загрузки процессора в различных режимах работы приведены в таблице.

У нас сложилось впечатление, что все проблемы, с которыми нам пришлось столкнуться при настройке, обусловлены тем, что на момент проведения тестирования пока еще не было стабильной версии программной оболочки для работы с сетевыми камерами, которые поддерживают стандарт сжатия Н.264 (серия AVxxx5). Стоит обратить внимание, что бесплатное программное обеспечение, которое идет в комплекте поставки носит в основном демонстрационный характер и не является единственно возможным. Тем не менее, настоящее тестирование посвящено работе камеры в базовой комплектации, поэтому мы приняли указанные на веб сайте Arecont Vision системные требования за минимальные, которые необходимы для устойчивой работы камер серии AV3105 с версией программной прошивки 64331.

Приятно, что электронное руководство пользователя, описывающее особенности работы программного обеспечения AV100, переведено на русский язык. Однако это руководство написано для версии программы, не поддерживающей режим Н.264, поэтому в нем нет описания функций, отвечающих за работу с этим кодеком. Впрочем, таких функций совсем немного: помимо переключения в режим Н.264, в разделе Image Quality настроек камеры при работе с новым кодеком можно управлять величиной максимального потока. Этим и ограничиваются отличия в программном интерфейсе по сравнению со старой версией. Кстати сказать, интерфейс программы поддерживает несколько языков, среди которых присутствует и русский. Поскольку встречаются неточности перевода, чтобы не было путаницы, в данной статье мы будем приводить названия элементов конфигурационного меню в английском варианте.

Процесс сетевой идентификации новых камер осуществляется через программный комплекс AV100. Интерфейс вспомогательной программы (Camera Installer) дает доступ к функциям автоматической настройки камеры, ручного поиска и присвоения IP-адреса новым устройствам и удалению камер из списка доступных. Эта концепция конфигурирования сетевых устройств видеонаблюдения (камеры, видеосерверы) встречается у многих производителей. Ее можно считать уже типичной, поэтому более подробно на процедуре установки мы останавливаться не будем. Отметим только, что после успешной установки новой камеры создается специальный файл с параметрами устройства, который затем используется основной программой.

В камерах имеется встроенный веб-сервер, который позволяет получать доступ к изображениям через интерфейс веб-браузера. Для этого, как обычно, нужно ввести IP-адрес камеры. Впрочем, такой способ работы с камерой разумно использовать лишь для первичной настройки камеры, так как функциональность устройства существенно ограничена в веб-интерфейсе. В руководстве пользователя описан язык запросов для получения прямого доступа к отдельным кадрам, видеопотоку и настройкам камеры. Модель AV3105 поддерживает протокол RTSP, и только через него осуществляется передача видеопотока в формате Н.264.

Переходя к рассмотрению особенностей программного комплекса AV100, имеет смысл упомянуть, что, помимо программы для согласования работы новых устройств (AV Camera Installer) и основной программы для просмотра видеоизображений в режиме реального времени и архива (AV Video System), в этот комплекс также входит инструмент для преобразования данных видеоархива в формат AVI (AVI Maker), который используется для просмотра видеофрагментов вне программной оболочки AV100, т. е. для экспорта архивных записей на другой компьютер.

Что касается основной программы AV Video System, то работать с ней достаточно удобно. Большую часть рабочего пространства занимают получаемые от камер изображения. Остальные элементы интерфейса гибко настраиваются. Меню настроек, когда в нем нет необходимости, можно скрыть. Основные функции доступны по щелчку правой кнопки мыши. Все панели и окна просмотра в мультиэкранном режиме можно перемещать с помощью мыши. Для каждой камеры присутствует небольшая диаграмма, отражающая ее статус (скорость трансляции и использование сети).

Для открытия доступа к функциям архива и работы в мультиэкранном режиме необходимо установить ключ лицензии для каждой камеры отдельно. Этот ключ входит в комплект поставки камеры и предоставляется бесплатно. Запись в архив может осуществляться с заданным интервалом либо по срабатыванию видеодетектора движения. Для хранения файлов архива на диске создается дерево каталогов, где данные от каждой камеры сохраняются в отдельных папках (день, час и минута), вложенных друг в друга.

Видеодетектор движения может работать как на рабочей станции оператора, так и на самой камере, т. е. может быть реализован как программно, так и аппаратно. В первом случае доступно больше зон детектирования, но это одновременно увеличивает нагрузку на процессор. Второй вариант разгружает центральный процессор рабочей станции, но точность аппаратного видеодетектора движения будет ниже, чем у программного.

Панель управления настройками отображения позволяет изменять такие параметры, как скорость трансляции (Frame rate: 0...60), качество видеоизображения в полноэкранном и мульти экранном режимах, а также в архиве (Quality: 1...21), яркость (Brightness: -75..75), резкость (Sharpness: 0..4), насыщенность (Saturation: 0...125%), усиление в каналах красного (Red: -20...20) и синего (Blue: -20...20) цветов и степень контрастности (Gamma: 2.50...1.00). Изменение параметров вступает в силу либо мгновенно, либо через 5-20 секунд при этом перезагрузка не требуется.

Также можно выбрать формат кадра для отображения в полноэкранном режиме. Если говорить об отображении изображения, считываемого со всей матрицы, то доступны только два формата кадра. В этом случае мы можем работать либо с полноформатным изображением (2048x1536 пикселов), либо с изображением, уменьшенным в четыре раза (1024x768 пикселов). Все остальные доступные форматы (1920x1080, 1600x1200,1280x1024, 1280x720, 1024x768, 800x600, 704x576, 704x480, 640x480, 352x288,352x240,320x240 пикселов) и их уменьшенные в четыре раза производные используют частичное сканирование матрицы. С одной стороны это снижает нагрузку на пропускную способность сети, с другой - сокращает угол поля зрения. Частично компенсировать это сокращение можно с помощью электронных PTZ-функций.

Настройки экспозиции включают в себя такие параметры, как выбор освещения (Illumination: automatic, indoor, outdoor, mix), который управляет работой автоматического баланса белого, подстройка частоты под напряжения промышленной сети 50/60 Гц. Для работы камеры в условиях низкой освещенности присутствует несколько предустановок параметра Low Light Mode, которые задают пределы накопления следующим образом: High speed (от 1 мс до 80 мс), Speed (от 10 мс до 80 мс), Balanced (от 20 мс до 80 мс), Quality(oт 40 мс до 200 мс) и Moonlight (до 500 мс). Выбор определенного значения времени накопления и усиления из диапазона доступных по умолчанию происходит автоматически. Если необходимо зафиксировать конкретное значение, то можно отключить режим автоматического управления. Очевидно, что режимы с длинной выдержкой уменьшают шумы, но размывают движущиеся объекты. Так, при времени накопления 0.5 сек рассмотреть черты лица человека можно только, если он абсолютно неподвижен. Очевидно, что по мере увеличения выдержки падает максимальная скорость трансляции. Например, если для режима Balanced эта величина составляет 1/0.02=50 к/с, то для режима Moonlight с выдержкой 0.5 с максимальной будет скорость 2 к/с.

Все значения параметров с допустимыми диапазонами приводятся здесь для того, чтобы было понятно, почему те, а не иные параметры использовались при тестировании камер и как их значения влияют на конечный результат. Для измерения максимальной разрешающей способности камеры AV3105 были выбраны следующие параметры. Настройки изображения: Quality: 21, Brightness: 0, Sharpness: 2, Saturation: 100%, Red: 0, Blue: 0, Gamma: 1.00. Настройки экспозиции:  Illumination: automatic, Correction: no, Lighting: 50 Hz, Low light mode: balanced, Auto exposure: yes

Параметр резкости выбран таким образом, чтобы апертурная коррекция не вносила сильных искажений, проявляющихся в выбросах яркости на границе резких перепадов, а само изображение не выглядело размытым. Таким образом, на горизонтальной штриховой мире 1000 ТВЛ при лучшей фокусировке объектива мы получили глубину модуляции яркости 20%. Несмотря на упомянутый верхний порог разрешающей способности объектива, которая эквивалентна в данном случае 1500 ТВЛ, это очень неплохой результат. Измерения проводились при уровне освещенности 3000 лк. А если сравнивать рассматриваемые сетевые камеры с другими камерами, имеющими аналоговый видеовыход, то мы получим примерно четырехкратное преимущество по разрешению (учитывая и горизонтальное, и вертикальное разрешение). Таким образом, одна такая мегапиксельная камера вполне может заменить собой четыре аналоговые камеры, если создать соответствующие условия освещенности и подобрать качественную оптику.

При таком же уровне освещенности (3000 лк) были проведены измерения и максимального значения отношения сигнал/шум на обеих сетевых камерах. Для модели AV3105 среднеквадратичное отклонение (СКО) яркости было рассчитано как среднее арифметическое от СКО на 21 градации яркости (от черного к белому), что составило 1.1495 единиц яркости в системе цветовых координат RGB с диапазоном значений от 0 до 255. Исходя из этого, измеренное отношение сигнал/шум для этого цифрового изображения будет эквивалентно 55 дБ. Это намного выше заявленного разработчиками значения 45 дБ. Аналогичным образом для камеры AV3100M было получено значение 51 дБ, что также на 10 дБ выше заявленного. Это говорит о том, что значения, указанные разработчиками, скорее всего, были рассчитаны теоретически и оказались не максимальными, а средними. Приятно, что официально заявленные значения оказались ниже того, что мы получили в результате тестирования. Обычно все происходит наоборот.

Для оценки работы автоматического баланса белого мы измерили индекс цветопередачи камер. Были выбраны следующие параметры. Настройки изображения: Quality: 21, Brightness: 40, Sharpness: 0, Saturation: 100%, Red: 0, Blue: 0, Gamma: 1.00. Настройки экспозиции: Illumination: automatic, Correction: no, Lighting: 50 Hz, Low light mode: balanced, Auto exposure: yes. Именно такое значение яркости было выбрано для этого этапа тестирования исходя из оптимального значения спектральных составляющих белого и черного цветов. Этот параметр аналогичен опорному уровню сигнала в аналоговых камерах. Его регулировка позволяет избежать потери информации в ярких и темных участках изображения. Параметр резкости для этого теста был выбран равным нулю, чтобы уменьшить влияние цветовых шумов и получить усредненные значения цветовых координат.

Прежде чем оценивать цветопередачу, мы провели измерения степени гамма-коррекции для обеих камер. Для этого мы использовали ступенчатые переходы яркости на тестовой таблице ИТ-1У. Степень гамма-коррекции в протестированных камерах оказалась равна 1, т. е. гамма-коррекция в данном случае была отключена.

Результаты измерения индекса цветопередачи для камеры AV3100M и камеры AV3105, работающей в режиме Н .264, приведены в таблицах. Отдельные измерения индекса цветопередачи для стандарта сжатия Н .264, были проведены потому, что спецификация этого кодека допускает преобразование (оптимизацию) цветовых координат. Как видно из нашего теста, таких преобразований в кодеке, установленном на камере AV3105, не происходит: получены практически одинаковые результаты. Хотя значения индекса цветопередачи оказались низкими, тем не менее, этого и следовало ожидать от сетевой камеры с мозаичным RGB-фильтром на КМОП-матрице. Так, при источнике освещения с цветовой температурой 3200К, в красных, желтых и зеленых цветах оттенок совпал, но очень сильно упал уровень насыщенности. При переходе к цветовой температуре 5600 К происходит повышение уровня насыщенности, но искажается цветовой оттенок для всех цветов нашей испытательной таблицы.

Цветопередача AV3100 при наблюдении таблицы ИТ-2У (sRCB)

Цветопередача AV3105 при наблюдении таблицы ИТ-2У (sRCB)

Впрочем, точность цветопередачи нас интересовала значительно меньше, чем качество кодека Н.264. Измерения эффективности работы стандарта сжатия Н.264 были проведены в зависимости от следующих двух параметров. Первый параметр - это степень сжатия, который в данной камере обозначен как качество изображения. Логично предположить, что по мере уменьшения степени сжатия объем передаваемой информации при использовании кодека Н.264 будет стремиться к соответствующему объему при использовании M-JPEG. Для этого теста были выбраны такие настройки изо-бражения: Quality: 0/5/10/15/21, Brightness: 0, Sharpness: 2, Saturation: 100%, Red: 0, Blue: 0, Gamma: 1.00. Настройки экспозиции были установлены следующим образом: Illumination: automatic, Correction: no, Lighting: 50 Hz, Low light mode: balanced, Auto exposure: yes. Для того чтобы все остальные условия были равными, мы использовали статичную сцену с освещенностью 3000 лк (диафрагма полностью открыта, АРУ отключена, следовательно, шумы минимальны). Значения скорости трансляции приводятся для формата кадра 2048x1536 пикселов.

Как можно заметить, выигрыш от использования кодека Н.264 действительно внушительный и может составлять 3000%, если сравнивать по размеру условного кадра в архиве. Видеопоток, передаваемый по сети при использовании кодека Н.264, в 10 раз меньше соответствующего видеопотока при использовании кодека M-JPEG. Это полностью подтверждает заявленные представителями компанией Arecont Vision характеристики. Тем не менее, в действительности видеонаблюдение не всегда ведется при достаточном уровне освещенности, не говоря уже о том, что статичная сцена далеко не всегда наблюдается в поле зрения камеры. Поэтому мы провели и вторую серию экс-периментов для оценки эффективности работы кодека Н.264 в различных условиях освещенности. Были выбраны следующие параметры. Настройки изображения: Quality: 15, Brightness: 0, Sharpness: 2, Saturation: 100%, Red: 0, Blue: 0, Gamma: 1.00. Настройки экспозиции: Illumination: automatic, Correction: no, Lighting: 50 Hz, Low light mode: Balanced/moonlight, Auto exposure: yes. Качество изображения установлено на уровне 15, так как при этом уровне степень сжатия видеопотока и видеоархива в сравнении с M-JPEG практически совпадают. В качестве опорных точек было выбрано пять различных условий работы камеры. Первая точка - это значение освещенности, при котором глубина модуляции яркости составляет 60%, АРУ отключена. Вторая точка - это значение освещенности, при котором АРУ не может поддерживать глубину модуляции яркости выше 60%. В этом режиме шумы максимальны. Третья точка - это значение освещенности, при котором АРУ формирует изображение с глубиной модуляции яркости около 10%. На таком изображении все еще можно различить некоторые детали. Глубина модуляции яркости на горизонтальной штриховой мире 200 ТВЛ в этом режиме составила 7%. Четвертая точка - это та же освещенность, но при включенном режиме накопления с временем накопления 0.5 секунды (Moonlight mode). Последняя, пятая точка - это заявленный разработчиками уровень минимальной освещенности 0.2 лк.

Трансляция видеопотоков при максимальном разрешении

Работа при различных уровнях освещенности с максимальным разрешением

Как видно из таблицы, приведенной в конце статьи, при понижении уровня освещенности разрыв между кодеками Н.264 и M-JPEG резко сокращается и наблюдается прямая зависимость эффективности сжатия Н.264 от количества шума на изображении.

В заключение хочется обратить внимание наших читателей на то, что использование в видео наблюдении прогрессивных алгоритмов сжатия стандарта Н.264 выглядит очень перспективным, и камера AV3105 смогла это продемонстрировать. Остальные производители сетевых камер пока еще только переходят или планируют перейти на этот стандарт сжатия. Кроме того, лидеры сетевого видео наблюдения по ряду причина остановились на разрешении 1.3 мегапиксела, тогда как Arecont Vision смело экспериментирует и с более высоким разрешением. К сожалению, переход на новый кодек бывает гладким только на бумаге, а на практике разработчикам приходится параллельно решать множество проблем, многие из которых определяются недостатками имеющейся элементной базы. На наш взгляд уровень, на котором сжатие Н.264 реализовано в сетевой камере AV3105, не позволяет утверждать, что ее предшественница - модель AV3100M - уже сейчас подлежит обязательной замене. Обе модели AV3100M и AV3105, подтвердили свою репутацию качественных сетевых камер действительно хорошего уровня исполнения со сверхвысокой разрешающей способностью при высокой скорости трансляции. Последнее обстоятельство для многих заказчиков является решающим фактором при выборе сетевой камеры мегапиксельного разрешения. И по этому параметру Arecont Vision является безусловным лидером на рынке сетевого видеонаблюдения. При максимальном формате кадра (2048x1536 пикселов) обе камеры передают поток со скоростью до 15 к/с.

Оборудование для тестирования было предоставлено эксклюзивным представительством в России компании Arecont Vision.