Kamery panoramiczne

Wizyjne systemy dozorowe – kamery panoramiczne

Wizyjny nadzór nad rozległymi obiektami stanowi nie lada wyzwanie, szczególnie wtedy, gdy niedopuszczalne jest pozostawienie martwych pól nie objętych obserwacją lub korzystamy z funkcji śledzenia osób przebywających w miejscach publicznych, takich jak sklepy, centra handlowe, sale operacyjne w bankach. Przykładowo – jeśli uzyskanie informacji na temat zachowania osób przebywających w banku ma duży wpływ na bezpieczeństwo tego obiektu, dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie kamer panoramicznych. Każdy ruch może mieć znaczenie podczas śledztwa lub w trakcie ewentualnego procesu sądowego. Innym przykładem może być obserwacja rozległych terenów lub budynków często odwiedzanych przez turystów, takich jak słynne place miejskie czy budowle o znaczeniu historycznym. Często znajdują się tam pomniki i inne obiekty, które powinny być szczególnie strzeżone. W takich miejscach, zamiast dziesiątek kamer rozrzuconych na całym obszarze, wystarczy zastosować jedną, nie rzucającą się w oczy kamerę panoramiczną umieszczoną w centralnej części obserwowanego terenu.

Dwa rodzaje kamer panoramicznych – kamery z jednym lub z wieloma przetwornikami

Zasadniczo oferowane są dwa rodzaje kamer panoramicznych:

– z jednym przetwornikiem i obiektywem o polu widzenia równym 360°,

– z wieloma przetwornikami i obiektywami o węższym polu widzenia, przy czym obrazy wytwarzane przez poszczególne przetworniki są łączone przez oprogramowanie i tworzą jeden wspólny obraz panoramiczny. W drugim z omawianych przypadków stosowane są przeważnie trzy lub cztery zestawy przetwornik/obiektyw.

Obiektywy stosowane w kamerach panoramicznych.
W kamerach panoramicznych stosowane są obiektywy typu "rybie oko" i obiektywy panomorficzne. Obiektywy typu "rybie oko" wytwarzają obraz całej przestrzeni znajdującej się przed kamerą, który ma kształt koła, przez co nie wykorzystują w pełni całej powierzchni czynnej przetwornika. W takim przypadku znaczna część pikseli nie bierze udziału w tworzeniu obrazu. Gdy wysokość obrazu wytwarzanego przez obiektyw typu "rybie oko" jest równa wysokości przetwornika, mamy do czynienia z kamerą panoramiczną o polu widzenia równym 360°. Kąty widzenia takiego obiektywu w płaszczyźnie pionowej i w płaszczyźnie poziomej są sobie równe i wynoszą 180°. Umieszczenie takiej kamery panoramicznej na sufi cie jakiegoś pomieszczenia pozwala na obserwację całej przestrzeni znajdującej się pod kamerą. Jeżeli szerokość obrazu wytwarzanego przez obiektyw typu "rybie oko" jest równa szerokości przetwornika, mamy do czynienia z kamerą panoramiczną o polu widzenia równym 180°. Kąt widzenia takiego obiektywu w płaszczyźnie poziomej jest równy 180°, lecz w płaszczyźnie pionowej jest mniejszy niż 180°. Część obrazu wychodzi poza przetwornik i nie jest wykorzystywana do tworzenia strumienia wizyjnego. Umieszczenie takiej kamery panoramicznej na ścianie jakiegoś pomieszczenia pozwala na obserwację całej przestrzeni znajdującej się przed kamerą. W odróżnieniu od obiektywów typu "rybie oko" obiektywy panomorficzne wytwarzają obraz w kształcie elipsy, przez co lepiej wykorzystują powierzchnię czynną przetwornika. Pozostałe właściwości tych obiektywów są zbliżone do opisanych powyżej, to znaczy z wykorzystaniem obiektywów panomorficznych można budować kamery o polu widzenia równym 360° lub 180°.

Kamery konwencjonalne czy panoramiczne?
Kamery panoramiczne w wizyjnych systemach dozorowych mają pełnić rolę pomocniczą, tzn. wspomagać kamery konwencjonalne i wytwarzać obraz umożliwiający ogólną ocenę sytuacji na obserwowanym obszarze. Rolą kamer konwencjonalnych jest wytwarzanie bardziej szczegółowych obrazów wybranych fragmentów tego obszaru. Przykładowo – w banku, o którym była mowa we wstępie do tego artykułu, można zastosować kamerę panoramiczną do śledzenia ruchu klientów od momentu ich wejścia na salę operacyjną do momentu wyjścia z budynku. Kamery konwencjonalne mogą być zainstalowane w miejscach, z których można dokładnie obserwować czynności związane z przyjmowaniem i wydawaniem gotówki w okienkach kasowych.

Cechy użytkowe kamer panoramicznych:
– szerokie pole widzenia,
– brak stref martwych,
– możliwość śledzenia ruchu osób na całym obserwowanym
obszarze,
– niskie koszty instalacji, gdyż jedna kamera umożliwia
obserwację dużego obszaru.

Cechy kamer konwencjonalnych:
– możliwość koncentracji na wybranym obszarze z zachowaniem
pełnej rozdzielczości, na przykład podczas
obserwacji twarzy klientów przy okienkach kasowych,
– brak geometrycznych zniekształceń obrazu.
Jeśli porównać pracę kamery panoramicznej i kamery konwencjonalnej
z takim samym przetwornikiem, to ta druga wytwarza
obraz z wykorzystaniem znacznie większej liczby pikseli.

Kamery panoramiczne czy szybkoobrotowe PTZ?
Kamery panoramiczne mają elektronicznie realizowaną funkcję PTZ, dlatego mogą mieć podobne zastosowanie jak kamery szybkoobrotowe, a jednocześnie zachowują zdolność do obserwacji całego chronionego obszaru. Operator może obserwować powiększony wycinek obrazu panoramicznego bez utraty kontroli nad innymi jego fragmentami. Przewaga kamery panoramicznej nad szybkoobrotową kamerą PTZ polega na tym, że rejestracji podlega obraz z całego obserwowanego obszaru, a więc jednocześnie rejestrowane są wszystkie zachodzące tam wydarzenia, tymczasem kamera szybkoobrotowa PTZ wytwarza obraz tylko wybranego fragmentu tego obszaru.
Typowym scenariuszem jest wykorzystanie kamery panoramicznej o polu widzenia równym 360° do obserwacji całego obszaru oraz szybkoobrotowej kamery PTZ do obserwacji wybranych fragmentów tego obszaru, na których zachodzą wydarzenia interesujące operatora systemu. Różnica pomiędzy kamerą panoramiczną a szybkoobrotową kamerą PTZ polega na tym, że w wizyjnym systemie dozorowym kamera panoramiczna jest wykorzystywana do celów taktycznych, a kamera szybkoobrotowa do celów operacyjnych.

Pomiędzy tymi dwoma rodzajami kamer są następujące różnice:
1) Kamera panoramiczna jest znacznie lżejsza i mniejsza od szybkoobrotowej kamery PTZ.
2) Kamera panoramiczna pozwala na obserwację i zapis obrazu z całego obserwowanego obszaru, co oznacza, że na podstawie bieżącego lub archiwalnego materiału wizyjnego można kontrolować lub odtworzyć przebieg wydarzeń, które zaszły na całym tym obszarze. Z kolei kamera szybkoobrotowa PTZ umożliwia obserwację i rejestrację obrazu jedynie tej sceny, która znajduje się w jej polu widzenia.
3) Kamera panoramiczna pozwala na jednoczesną obserwację i rejestrację obrazów z wybranych, szczególnie interesujących regionów, tymczasem szybkoobrotowa kamera PTZ może w danej chwili obserwować tylko jeden taki region.
4) Szybkoobrotowa kamera PTZ jest zazwyczaj wyposażona w zmiennoogniskowy obiektyw o dużej krotności, co pozwala na powiększanie obrazu na drodze optycznej. W wielu przypadkach, na przykład podczas obserwacji jakiegoś terenu z dachu budynku, daje to znacznie lepsze efekty niż cyfrowe powiększanie obrazu, z jakim mamy do czynienia w kamerach panoramicznych.
5) Kamera panoramiczna ma estetyczny wygląd, co często bywa istotne. W odróżnieniu od ciężkiej i dużej kamery szybkoobrotowej PTZ, która bardziej zwraca na siebie uwagę, kamera panoramiczna może być łatwo zainstalowana w wyeksponowanych miejscach i wygląda dyskretnie.

Parametry jakościowe obrazu
To, czy kamera panoramiczna jest dobra czy zła, zależy zarówno od rodzaju użytego przetwornika, jak i od algorytmów stosowanych podczas obróbki obrazu. Podczas oceny parametrów kamerynależy zwrócić uwagę na jej rozdzielczość, czułość, zakres dynamiki oraz sposób kodowania strumienia wizyjnego.

Rozdzielczość
O rozdzielczości obrazu decyduje liczba pikseli, z jakich jest on zbudowany. Jeśli ta liczba jest niska, nie ma możliwości dobrego odwzorowania szczegółów obrazu. Jeśli kamera panoramiczna ma niską rozdzielczość, to w miejscach, gdzie w wyniku korekcji zniekształceń geometrycznych obrazu powstałych na
skutek użycia obiektywu szerokokątnego konieczne jest rozciągnięcie fragmentów obrazu, wystąpią smużenia lub będą widoczne piksele, z których składa się obraz. Z drugiej strony, jeśli rozdzielczość kamery jest wysoka, do obróbki obrazu wymagane jest użycie procesora o dużej mocy obliczeniowej.
Wprowadzenie do wizyjnych systemów dozorowych kamer o bardzo wysokich rozdzielczościach przyczyniło się do poprawy jakości obrazów i miało duży wpływ na konstrukcję kamer panoramicznych. Obalone zostały argumenty przemawiające za stosowaniem kamer wieloprzetwornikowych, gdyż zarówno współczesne przetworniki, jak i obiektywy pozwalają na uzyskanie znakomitych efektów zastosowania konstrukcji jednoprzetwornikowej.
W odróżnieniu od konwencjonalnych kamer stosowanych w wizyjnych systemach dozorowych rozdzielczość przetwornika w przypadku kamer z obiektywem typu "rybie oko" nie jest w pełni wykorzystywana. Kamera panoramiczna z przetwornikiem o rozdzielczości 12 megapikseli nie wytwarza obrazu o rozdzielczości 12 megapikseli. Okrągły obraz rzutowany przez obiektyw na przetwornik nie pokrywa całej jego powierzchni i tym samym nie wszystkie aktywne piksele biorą udział w procesie tworzenia obrazu telewizyjnego. Na przykład w przypadku przetwornika o rozdzielczości 12 megapikseli i rozmiarach 6,20x4,65 mm, zawierającego 4000×3000 pikseli, okrągły obraz wytwarzany przez obiektyw o polu widzenia równym 360° ma średnicę 4,1 mm. Jest on wpisany w kwadratowy fragment matrycy zawierający 7 mln pikseli, zaś aktywny obszar, który faktycznie bierze udział w tworzeniu obrazu, zawiera jedynie 5,49 mln pikseli. Powyższe zależności bywają wykorzystywane do prowadzenia gry marketingowej, chętnie podejmowanej przez niektórych producentów kamer. Często nie wiadomo, czy oferowana kamera rzeczywiście wytwarza obraz o wyspecyfi kowanej rozdzielczości, czy też jest wyposażona w przetwornik o takiej rozdzielczości.

Czułość kamery i zakres dynamiki obrazu
Poza dobrym odwzorowaniem szczegółów obrazu od kamer stosowanych w wizyjnych systemach dozorowych oczekuje się zdolności do poprawnej pracy w złych warunkach oświetleniowych oraz wysokiej dynamiki obrazu. W przypadku kamer panoramicznych prawdopodobieństwo wystąpienia bardzo jasnych i bardzo ciemnych obszarów w obserwowanej scenie jest znacznie wyższe niż w przypadku kamer konwencjonalnych, dlatego wymagania dotyczące jakości przetworników stosowanych w tych kamerach są bardzo wysokie. Kamery Bosch z serii FLEXIDOME IP panoramic 7000 mają najwyższą dynamikę w tej klasie kamer. Stosowany jest w nich system rozszerzania dynamiki z pojedynczą ekspozycją, który zapewnia dobre odwzorowanie szczegółów zarówno w najjaśniejszych, jak i w najciemniejszych fragmentach obrazu.

Korekcja zniekształceń geometrycznych obrazu
Kamera wyposażona w obiektyw typu "rybie oko" lub obiektyw panomorfi czny wytwarza obraz w kształcie koła lub elipsy, odznaczający się dużymi zniekształceniami geometrycznymi obserwowanych obiektów. Do wytworzenia zoptymalizowanego, wolnego od zniekształceń, użytecznego obrazu konieczna jest korekcja tych zniekształceń. W tym celu stosowane są algorytmy zmieniające ułożenie pikseli, z których składa się obraz. Skorygowany obraz może być wyświetlany w różnych formatach, z których najpopularniejszymi są podwójna panorama i widok dookolny. Dostępna jest także funkcja PTZ realizowana na drodze elektronicznej, dzięki czemu operator systemu może wyznaczyć wiele obszarów szczególnego zainteresowania, których widoki mogą być wybierane podobnie jak w klasycznych kamerach PTZ, z użyciem funkcji preset.

Korekcja zniekształceń geometrycznych w kamerach
czy w komputerze?

Wraz ze wzrostem rozdzielczości obrazu rosną wymagania dotyczące mocy obliczeniowej procesorów wizyjnych kodujących strumienie wizyjne. Dotyczy to także mocy obliczeniowej wymaganej do korekcji zniekształceń geometrycznych obrazu w kamerach panoramicznych. Od dostępnej mocy obliczeniowej zależny jest czas potrzebny do przetwarzania kolejnych klatek obrazu, a także opóźnienie podczas transmisji strumienia wizyjnego. Korekcja zniekształceń geometrycznych może się odbywać w urządzeniach peryferyjnych, czyli w kamerach lub w komputerze z oprogramowaniem klienckim. Podczas doboru sprzętu i oprogramowania należy wziąć pod uwagę rozdzielczość obrazu, liczbę klatek na sekundę, jakość korekcji zniekształceń geometrycznych, dostępność wielu trybów wyświetlania obrazu. Dokonanie korekcji zniekształceń geometrycznych w urządzeniach peryferyjnych oznacza, że z kamer do jednostki centralnej wizyjnego systemu dozorowego przekazywane są skorygowane, gotowe do wykorzystania obrazy, przy czym użytkownik systemu ma możliwość wyboru trybu ich wyświetlania.
W innym przypadku, to znaczy wówczas, gdy korekcja zniekształceń geometrycznych w kamerach nie jest możliwa,
konieczne jest stosowanie specjalnego oprogramowania systemowego oraz komputerów o wysokiej mocy obliczeniowej, co znacznie zwiększa koszt instalacji systemu.

Argumenty przemawiające za dokonywaniem korekcji zniekształceń geometrycznych obrazu w urządzeniach peryferyjnych, czyli w kamerach, są następujące:
1) Korekcja zniekształceń geometrycznych w kamerach jest tańsza. Realizacja związanych z tym algorytmów wymaga
dużej mocy obliczeniowej. W przypadku konieczności jednoczesnej korekcji wielu obrazów z użyciem komputera jego zasoby sprzętowe muszą być znaczne, a to powoduje wzrost kosztów instalacji systemu.
2) W przypadku rozbudowy istniejącego systemu przez dodanie kamer panoramicznych nie zachodzi konieczność wymiany jednostki centralnej oraz stacji roboczych. Ten argument jest bardzo istotny dla właścicieli chronionych obiektów i może wpłynąć na akceptację zastosowania tych kamer.
3) Łatwiejsza integracja kamer z systemem. Do korekcji zniekształceń geometrycznych obrazu z użyciem komputera większość kamer panoramicznych wymaga specjalnego interfejsu programowego, dostosowanego do danego typu kamery. Jednostka centralna systemu musi obsługiwać ten interfejs, co zawęża asortyment kamer i utrudnia wykorzystanie oprogramowania systemowego różnych producentów. Taka sytuacja nie zachodzi w przypadku korekcji zniekształceń geometrycznych w kamerach, co ułatwia pracę projektantom i instalatorom systemów oraz poszerza zakres zastosowań kamer panoramicznych.
4) Możliwość tworzenia wirtualnych kamer. Korekcja zniekształceń geometrycznych obrazu w kamerach umożliwia jednoczesne wysyłanie wielu strumieni wizyjnych, w których zakodowany jest jedynie fragment obserwowanej sceny. W ten sposób wielu użytkowników może jednocześnie obserwować wybrane obszary chronionego obiektu, tak jakby posługiwali się oddzielnymi kamerami. To pozwala na znaczne ograniczenie wymagań dotyczących pasma sieciowego i czyni system bardziej elastycznym. Przykładowo – operator systemu może korzystać z wielu obrazów, przy czym jedna z wirtualnych kamer będzie obserwować wejście do obiektu i umożliwi identyfi kację wchodzących osób.


Inteligentna analiza treści obrazu
Cenną zaletą kamer panoramicznych jest ich duża przydatność w systemach, w których wykorzystywana jest inteligentna analiza treści obrazu. Taka analiza pozwala na wykrywanie, śledzenie ruchu i badanie zachowania osób i innych ruchomych obiektów na całym obserwowanym obszarze. Zastosowanie pojedynczej kamery panoramicznej ma przewagę nad użyciem wielu kamer konwencjonalnych, gdyż nie zachodzi konieczność jednoczesnej obróbki wielu strumieni wizyjnych i logicznego powiązania obrazów z wielu kamer, co przedstawiono na rys. 1.
Inteligentna analiza treści obrazu z kamery panoramicznej umożliwia śledzenie przebiegu wydarzeń na całym obserwowanym obszarze, gdy tymczasem realizacja tej funkcji z wykorzystaniem klasycznych kamer PTZ powoduje utratę informacji na temat zdarzeń przebiegających poza aktualnym polem widzenia. W przypadku kamery panoramicznej operator określa swoje pole widzenia, gdy tymczasem kamera panoramiczna nadal obserwuje cały chroniony obszar. Funkcja inteligentnej analizy obrazu stanowi standardowy element oprogramowania kamery Bosch FLEXIDOME IP panoramic 7000.
Długotrwała obserwacja rozległego obszaru przez pojedynczą osobę prowadzi do braku koncentracji i jest mało skuteczna.
Stwierdzono, że po dwudziestu minutach pracy operator systemu może nie zauważyć 90% wydarzeń zachodzących w obserwowanej scenie. Funkcja inteligentnej analizy treści obrazu realizowana w czasie rzeczywistym pozwala operatorowi skupić się na wybranych obszarach. Generowane są sygnały ostrzegawcze sygnalizujące konieczność podjęcia określonych działań. Dobrym przykładem miejsca, w którym kamery panoramiczne mogą być szczególnie przydatne, jest port lotniczy. Kamery są tam rozmieszczone w strategicznych punktach, aby możliwa była obserwacja pasażerów wchodzących na teren hali odlotów i oczekujących na odprawę celną, a także stanowisk, przy których ta odprawa się odbywa. Mogą być utworzone wirtualne linie, oddzielające od siebie pewne obszary, których pasażerom przekraczać nie wolno. Każdorazowe przekroczenie tych linii powoduje wytwarzanie sygnałów ostrzegawczych w pomieszczeniu operatorów systemu. Możliwe jest śledzenie ruchu wybranych osób na całym obserwowanym obszarze – bez konieczności przełączania obrazów z wielu kamer i bez utraty informacji na temat wydarzeń poza aktualnym polem widzenia.
FLEXIDOME IP panoramic 7000 jest pierwszą dostępną na rynku kamerą z przetwornikiem o rozdzielczości 12 megapikseli, która w przypadku pola widzenia równego 180° wytwarza obraz o rozdzielczości 7,88 megapiksela z prędkością 15 klatek na sekundę, zaś w przypadku pola widzenia równego 360° – obraz o rozdzielczości 6,97 megapiksela z prędkością 15 klatek na sekundę. Zarówno rozdzielczość obrazu, jak i inne parametry tej kamery są bezprecedensowe w tej klasie produktów. W kamerze FLEXIDOME IP panoramic 7000 funkcja korekcji zniekształceń geometrycznych obrazu jest realizowana z wykorzystaniem jej własnego oprogramowania VSDK. Umożliwia to łatwą integrację kamery z oprogramowaniem systemowym VMS fi rmy Bosch i innych producentów.

Instalacja
Jeśli w kamerze panoramicznej jest zastosowany obiektyw o polu widzenia równym 180°, to to powinno się zainstalować ją na pionowej ścianie, a jeśli jest to obiektyw o polu widzenia 360°, to powinna ona być zainstalowana na suficie. Kamerę typu FLEXIDOME IP panoramic 7000 powinno się zainstalować zgodnie z sugestiami przedstawionymi na rysunku 2.