Руководство по частоте кадров для видеонаблюдения

Бегущий человек проходит через 6 метров поля обзора за ~ 1,5 секунды, то есть он покрывает ~ 4,9 метров всего за одну секунду:

Примеры ходьбы

Когда наш объект проходит в поле обзора, мы видим дальность его перемещений от кадра к кадру. В потоке, со скоростью 30 кадров в секунду, объект не делает даже полный шаг, перемещаясь между кадрами всего на несколько сантиметров.

В потоке со скоростью 10 кадров в секунду объект переместился еще на несколько сантиметров, но все-равно был захвачен примерно с таким же шагом.

Однако, в примере с 1 кадром в секунду объект продвинулся на ~ 1,5 метра между кадрами, что соответствует нашей измеренной скорости ходьбы ~ 1,5 метра в секунду.

Примеры бега

Когда наш объект бежит, поток 30 кадров в секунду все еще ловит его на половине шага:

Находясь в потоке со скоростью 10 кадров в секунду, он прошел примерно 60-90 сантиметров между кадрами.

Однако, в примере с 1 кадром в секунду, объект пролетает почти все поле зрения между кадрами, при этом видна только часть его тела, когда он входит слева, и его задняя ступня видна, когда он выходит.

Захват лица

Когда люди в кадре двигаются, получить четкое изображение лица достаточно трудно, потому что они, естественно, часто поворачивают голову. В этой демонстрации мы попросили испытуемых качать головой вправо и влево, идя по коридору, чтобы показать влияние разной частоты кадров. Смотрите сами:

Обратите внимание, что при 1 кадре в секунду получаются только 1-2 кадра с четким изображением лица, но при 10 кадрах в секунду вы получаете намного больше. Наконец, при 30 кадрах в секунду вы можете получить дополнительно еще пару кадров, где лицо четкое.

Игральные карты

В этом тесте наш испытуемый сдавал игральные карты от туза до пятерки на камеру, с выдержкой 1/30 сек.

В примерах, при 30 и 10 кадрах в секунду, мы можем видеть каждую карту, когда она снимается с верха колоды и кладется на стол. Однако, в примере с 1 кадром в секунду мы видим только карты, появляющиеся на столе, а не движения дилера, так как частота кадров слишком низкая.

Скорость затвора и частота кадров

Высокая частота кадров не вызывает размытости. Это заблуждение. Автоматическая регулировка выдержки камеры не допустит размытия.

Снова сдавая карты от туза до пятерки, мы увеличили минимальную выдержку камеры до 1/4000 секунды. На изображении ниже сравнивается размытость движения руки и карты дилера, причем 2 карты гораздо более разборчивы в примере с короткой выдержкой.

Выдержка 1/4000 с полностью устранила все следы размытия движения. Выдержка 1/1000 и 1/2000 секунды значительно снижает размытость, но она все еще была заметна вокруг пальцев дилера и по краям карточек при покадровом просмотре записей.

Если у вас есть размытие, то это проблема с настройкой скорости затвора, а не с частотой кадров.

Медленный затвор и частота кадров

С другой стороны, иногда пользователи хотят, либо производители камер по умолчанию устанавливают, максимальную выдержку, меньшую, чем частота кадров (например, выдержка 1/4 с для камеры 1/30 с). Это не только приводит к размытию движущихся объектов, но и к потере кадров.

Частота кадров в секунду не может превышать количество кадров в секунду. Если у вас затвор на 1/4 сек, то экспозиция открывается и закрывается только 4 раза в секунду (т.e. 1/4 с + 1/4 с + 1/4 с + 1/4 с = 1 с). Так как это происходит только 4 раза, то в эту секунду может быть только 4 кадра.

Некоторые производители подделывают кадры с медленным затвором, просто копируя один и тот же кадр снова и снова. Например, если у вас выдержка 1/15 с, у вас может быть только 15 экспозиций и, следовательно, 15 кадров. Чтобы казалось, что у вас 30 кадров, каждый кадр повторяется дважды.

Пропускная способность vs. частота кадров

Частота кадров влияет на пропускную способность, но для современных кодеков, таких как H.264 и H.265, эта зависимость менее линейна. Таким образом, если вы увеличите частоту кадров в 10 раз (например, с 1 до 10 кадров в секунду), увеличение пропускной способности, вероятно, будет намного меньше, часто только в 2-3 раза. Мы регулярно видим эту ошибку в ​​отрасли.

Причиной является межкадровое сжатие, которое уменьшает потребность в полосе пропускания для частей сцены, которые остаются неизменными во всех кадрах.

Чтобы проиллюстрировать этот момент, мы провели измерения 30, 10 и 1 кадров в секунду, чтобы продемонстрировать изменение скорости передачи данных в контролируемых условиях в нашем конференц-зале. Средние битрейты были следующие:

• 1 FPS было 0,179 Мбит / с
• 10 FPS, с 10-кратным увеличением количества кадров, потребляет в 4 раза больше полосы пропускания, чем 1 FPS (0,693 Мбит / с)
• 30 кадров в секунду, с 3-кратным увеличением количества кадров, потребляется удвоенная пропускная способность 10 кадров в секунду и, с 30-кратным увеличением количества кадров, в 7 раз больше пропускная способность 1 кадр / с (1,299 Мбит / с)

Эти измерения были выполнены с частотой 1 I кадр в секунду, что является наиболее распространенной настройкой в ​​профессиональном видеонаблюдении.

Средняя используемая частота кадров

Средняя отраслевая частота кадров составляет ~ 15 кадров в секунду, что свидетельствует о том, что этот уровень обеспечивает детальный захват большинства действий при минимальных затратах на хранение.

Как показано в предыдущем разделе, переход с 10 или 15 кадров в секунду на 30 кадров в секунду может заметно увеличить затраты на хранение, но лишь незначительно улучшить получаемые детали.