حذف لرزش تصویر با استفاده از قابلیت های دوربین

1. مقدمه

2. تاثیر لرزش بر خروجی ویدئو

3. تکنیک های حذف لرزش تصویر

    3.1 حذف لرزش به شیوه ی اپتیکی

    3.2 حذف لرزش به شیوه ی الکترونیکی

    3.3 اعوجاج در شاتر رولینگ

4. یک ترکیب بی نظیر

5. مزایا و کاربردها در ویدئوهای نظارتی

6. نتیجه گیری

1- دوربین های نظارتی نصب شده در فضای باز در اثر وزیدن ناگهانی باد آنقدر تکان و لرزش متحمل می شوند که نتیجه، تصاویر مبهم، نامشخص و غیرقابل استفاده است. نصب این دوربین ها در نزدیکی محل عبور و مرور وسایل نقلیه ی سنگین یا قطار نیز عواقب مشابهی را پدید می آورد.

برای حل این مشکل تکنیک های متفاوتی ارائه شده که هر کدام مزایای خاص خود را دارا می باشد. در هر حال معرفی ترکیب ژیروسکوپ های(گردش نما) کاربردی و نرم افزارهای کاتیج(حذف اضافات) به تولید تصاویر قابل استفاده و بدون لرزش کمک شایانی نموده است

2. تاثیر لرزش بر خروجی ویدئو

امروزه افزایش کیفیت تصویر باعث شده تا نقص تصاویر مبهم و تار بیشتر دیده شود. افزایش تراکم پیکسل، رزولوشن بالاتر و پدید آمدن قدرت های بزرگنمایی تصویر، همگی باعث شده اند تا دوربین ها به لرزش حساس تر شوند

طبیعتا مصرف کننده ها و تولیدکننده ها از این چالش آگاه هستند و در تلاشند تا آن را حل کنند، برای مثال لرزش را می توان با انتخاب پایه های سنگین تر و یا انتخاب محلی با حفاظت بالا کاهش داد. لرزش گیری تصویر با استفاده از پتانسیل های موجود در هر دوربین باعث پایداری و صرفه اقتصادی در کل سیستم نظارتی می شود. برای مثال حفظ کیفیت تصویر در نماهای بسته یا زوم شده حتی هنگامی که لرزش، کیفیت تصویر را تحت تاثیر قرار داده

3. تکنیک های حذف لرزش تصویر

تکنیک های لرزش گیری تصویر در محصولات تولیدی مانند دوربین های عکاسی دیجیتالی و دروبین های تصویربرداری استفاده می شود. امروزه دو روش برای مهار این مشکل وجود دارد. لرزش گیری اپتیکی تصویر و لرزش گیری الکترونیکی تصویر

• حذف لرزش به شیوه ی اپتیکی

سیستم لرزش گیری اپتیکی تصویر عموما بر اساس ژیروسکوپ ها(جهت نما) یا اکسلرومتر(شتاب سنج) برای بررسی و اندازه گیری لرزش های دوربین کار می کند. این اطلاعات- که عموما حرکت پن(حرکت افقی) و تیلت(حرکت عمودی) دروبین را شامل می شود- به عملگری که وظیفه ی آن حذف تکان های دوربین توسط سلسله حرکات اپتیکی در لنز است، منتقل می شود. در بعضی طراحی ها، راه حل مورد استفاده، حرکت سنسور تصویر است که در آن از موتور های خطی کوچکی برای این کار استفاده می شود. هر دو روش قابلیت جبران تکان ها ی دوربین و لنز را دارا می باشد بنابراین نور به سنسور می تابد و تصویری بدون لرزش تولید می شود. لرزش گیری اپتیکی تصویر در فاصله های کانونی بلند و همچنین در شرایط کم نور عملکرد خوبی دارد

عیب اصلی این شیوه هزینه ی آن می باشد

• حذف لرزش به شیوه ی الکترونیکی

لرزش گیری الکترونیکی تصویر که به عنوان لرزش گیری دیجیتالی تصویر نیز شناخته  می شود، نخستین بار برای دوربین های ضبط ویدئو معرفی شد

لرزش گیری الکترونیکی تصویر بر اساس الگوریتم های متفاوتی کار می کند که این الگوریتم ها تکان های دوربین را مدل می کنند تا بعدا در تصحیح تصاویر به کار رود

پیکسل های موجود در بیرون  مرز تصویر به عنوامن حافظه ی موقتی برای تکان ها استفاده می شوند. اطلاعات موجود در روی این پیکسل ها می تواند برای تغییر تصویر الکترونیکی به صورت فریم به فریم استفاده شود. این تغییرات برای موازنه ی تکان ها کافی است و باعث ایجاد یک رشته تصاویر با ثبات می شود. هم چنین این تکنیک مقرون به صرفه است و علت اصلی، این است که در این شیوه نیازی به قطعات متحرک نیست. تنها یک نقص در آن وجود دارد و آن وابستگی به ورودی اولیه به سنسور تصویر است. برای مثال این سیتم در قابلیت تشخیص تکانی که توسط عبور سریع یک شی از روبروی دوربین ایجاد شده با تکان ناشی از لرزش فیزیکی دوربین دچار اشکال می شود

شکل1. تصویر سمت چپ، نمای بسته ای از یک تصویر بدون لرزش گیری الکترونیک که شامل لرزش در دو جهت عمودی و افقی است. تصویر سمت راست، یک عکس سریع از دوربینی لرزش دار با لرزش گیر الکترونیکی

اعوجاج شاتر رولینگ

بسیاری از دوربین های تصویربرداری مخصوصا دوربین هایی با سنسور CMOS دارای شاتر رولینگ می باشند. برعکس شاتر گلوبال که به تمامی پیکسل ها در یک لحظه در یک تک شات نور می دهد، شاتر رولینگ تصور را با اسکن لایه به لایه فریم ثبت می کند. به معنای دیگر تمامی قسمت های تصویر در یک لحظه ثبت نمی شوند و هر لایه در طول تغییر زمان اندکی نوردهی می شود. بنابراین لرزش ها و تکان های دوربین باعث ایجاد تکان هایی در هر لایه نسبت به لایه ی بعدی می شود که در این صورت تصویری تار و لرزان شکل می گیرد. اشیا با سرعت زیاد در مقابل دوربین نیز به تغییر شکلی مشابه دچار می شوند. اعوجاج ناشی از تکان های دوربین هایی با شاترهای رولینگ را می توان با شیوه ی لرزش گیری اپتیکی که قابلیت دارد در لحظه تکان ها را جبران کند حل نمود. لرزش گیری الکترونیکی یک عیب کوچک در این مورد دارد. شاتر رولینگ اول باید حداقل یک لایه را پیش از شروع فرآیند دیجیتالی لرزش گیری اسکن کند. در غیر این صورت این روش عملکرد خوبی دارد و تکنولوژی با سرعتی بیش از آنچه شما فکر کنید در حال پیشروی است

شکل2. این شکل نحوه ی اعوجاج در شاتر گلوبال را نشان می دهد

4. یک ترکیب بی نظیر

دسترسی به ژیروسکوپ های مقرون به صرفه به همراه الگوریتم های کارآ برای مدل کردن تکان های دوربین ها، دسترسی به تکنیک های لرزش گیری را آسان تر نموده است

هم چنین منجر به پدید آمدن سیستم های ترکیبی ای شده که از اندازه گیری ژیروسکوپ استفاده می کند. در این سیستم لرزش گیری به وسیله ی تغییرات لنز نیست بلکه با دستور سیگنال های ژیروسکوپی فرآیند هایی دیجیتالی برو روی تصاویر انجام می گیرد. AXIS این شیوه ی تلفیقی را به علت پایداری آن شایان توجه می داند. این راه حل برای پوشش پهنه ی وسیعی از فرکانس ها مناسب است و هم چنین قابلیت مواجهه با دامنه ی بالایی از نوسانات را دارا می باشد. ژیروسکوپ های پیشرفته با الگوریتم های اصلاح شده، سیستم قوی و قابل اعتمادی ایجاد می کنند. حتی در محیط هایی با نور ضعیف این سیستم عملکرد قابل توجهی دارد زیرا بجای اتکا به محتوی ویدئو به اطلاعات ژیرسوکوپ برای محاسبه ی میزان تکانش اتکا می کند. به دلایلی مشابه این سیستم همواره می تواند بین تکان های ناشی از اشیا در حال حرکت و لرزش های ناشی از حرکت فیزیکی دوربین تفاوت و تشحیص قائل شود.

5. مزایا و کاربرد ها در ویدئوهای نظارتی

یک دروبین نظارتی که در مکانی بی حفاظ نصب شده مانند یکه میله ی مرتفع یا روی یکی از علائم راهنمایی رانندگی در نزدیکی خیابانی شلوغ، می تواند توسط عبور وسایل نقلیه یا باد تکان داده شود و این باعث تاری تصویر می شود. این اتفاق مخصوصا زمانی می افتد که زوم تلسکوپی قوی ای انجام شود. هنگام زوم بر روی یک شی در دوردست، زمینه ی تصویر باریک تر شده و هر تکان یا لرزشی در دوربین قوی تر به نظر می رسد و شدت تکان به نسبت میزان بزرگنمایی استفاده شده افزایش می یابد. بنابراین لرزش گیری تصویر در دوربین های با لنزهای زوم باید به عنوان یک پیشنیاز در نظر گرفته شود تا آنها بتوانند در هوای بادی یا شرایط نامطلوب بصورت بهینه کارایی داشته باشند. دروبین هایی که حساسیت کمتری به لرزش دارند امکان نصب را آسان تر کرده و اجازه می دهند که برای نصب انتخاب های بیشتر ی داشته باشیم. در نهایت دوربین های کمتری برای نظارت لازم خواهد بود. مزیتی که شاید کمتر به آن توجه شده، این است که لرزش گیری تصویر باعث می شود که پوشش امنیتی با دقت بیشتری انجام شود. در تصویر دوربینی بدون سیستم لرزش گیری، تاثیرات لرزش ها و تکان ها ناچارا با افزایش محدوده ی پوشش باید جبران شود. در نهایت تصاویر لرزش گیری شده در میزان استفاده از پهنای باند و فضای ذخیره صرفه جویی می کنند.

فرمت های فشرده شده ی پیشرفته ی ویدئویی مانند H.264  بر اساس جبران تکان ها به وجود آمده اند. به طور خلاصه این متد از عکس یک فریم به عنوان مبنا استفاده می کند و بعد فقط اطلاعات راجع به تغییرات تصویر مبنا را ذخیره می کند. یک تصویر که لرزش آن حذف شده به نسبت دارای حرکات کمتری است و بنابراین پهنای باند و حافظه ی ذخیره ی کمتری لازم دارد

6. نتیجه گیری

پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری، تکنیک های کاربردی لرزش گیری ویدئو را برای دامنه ی وسیعی از شبکه ی عظیم دوربین ها امکان پذیر ساخته. این فرآیند نه تنها روانی و راحتی نظارت بر ویدئو را در زمان واقعی ممکن ساخته بلکه افزایش کاربری تصویر، بهبود کاردکرد دوربین، انعطاف نصب و نهایتا صرفه جویی در هزینه های نهایی سیستم نظارتی را امکان پذیر ساخته است.