Автор:
Подсистемы визуализации и отображения
«Не стоит менять картинку ни внутри, ни снаружи себя; менять нужно то, как ты смотришь». Тадеуш Голас Новые технологии неизбежно приходят в нашу жизнь, и если пару веков назад научно-технический прогресс продвигался буквально со скоростью улитки и для внедрения малейших изменений требовалось несколько поколений жизни людей, то сейчас ситуация обратная и в течение жизни одного человека происходит смена нескольких технологических поколений. Это приводит нас к мысли, что необходимо постоянно учиться и осваивать новые технологии и методы для того, чтобы иметь конкурентоспособное и экономически эффективное предложение для своих клиентов. В целом IP-видеонаблюдение можно рассматривать как один из специализированных сегментов IT-отрасли в силу того, что весь мир становится цифровым и IT-технологии проникают во все отрасли и сферы нашей жизни. Попробуем ввести поэлементную классификацию и разбить обзор на смежные сферы с точки зрения применяемых для построения систем IP-видеонаблюдения элементов. Итак, из чего состоит или чем отличается любая система IP видеонаблюдения: 1. IP-видеокамеры. 2. Видеоаналитические алгоритмы и детекторы. 3. Сети питания, связи и передачи данных. 4. Компьютерное оборудование для обработки цифровых видеопотоков. 5. Архитектура построения систем. 6. Подсистема хранения данных. 7. Интегрированные подсистемы (СКУД, ОПС и т. д.). 8. Системы визуализации и отображения. 9. Удаленный доступ, мобильные технологии и прочие тренды. Мы рассмотрели уже несколько пунктов из этого списка, сегодня дошла очередь до подсистемы визуализации и отображения. Первая система визуализации – телевизор. С механической разверткой передавал видео с разрешением 30 на 40 с частотой кадров 12,5 к/с и являлся приставкой к обычному радиоприемнику. Довольно быстро технологии шагнули вперед, но первый массовый телевизор у нас был именно таким (выпущено их было около 3000 штук).
Рис. 1 Советская телеприставка Б-2 с механической разверткой С той самой поры, как в 1923 г. Владимир Козьмич Зворыкин построил свой первый дальноскоп для отображения ранее записанного изображения, фактически и началась массовая электронная эра воспроизведения цветных изображений. Для воспроизведения видеоизображений, например, в кино, неподвижные картинки сменяют друг друга со скоростью 24 кадра в секунду, тем самым создавая в мозгу человека иллюзию движущихся объектов. Итак, после изобретения нашим соотечественником кинескопа или электронной лучевой трубки массово начали внедряться системы телевещания, в том числе и в СССР, что и задало основу для будущего развития видеонаблюдения. Таким образом, все системы визуализации можно разделить на два принципа: 1. С пассивным экраном – это всевозможные проекторы и, например, киноаппараты. 2. С активным экраном – это всевозможные телевизоры и мониторы. Проектор – оптический прибор, предназначенный для создания действительного изображения плоского предмета небольшого размера на большом экране. Появление проекционных аппаратов обусловило возникновение кинематографа, относящегося к проекционному искусству. Системы визуализации с пассивным экраном представляют собой источник света, подсистему формирования изображения путем добавления в него информации о том, что нужно отобразить, и некий экран, куда проектируется свет с добавленной в него информацией для визуализации. До появления электронно-цифровых проекторов использовались CRT-проекторы – три основных цвета проецировались на экран с помощью трех объективов. Понять принцип легко, вспомнив последний поход в кино. Конечно, сейчас и киноаппараты гораздо более продвинутые, и часто можно встретить цифровые проекторы, но принцип их работы такой же, как и был. Лампа создает поток белого света, который проходит сквозь киноленту с изображением (негативом) кадра из фильма. Затем свет, уже несущий информацию о цвете и контурах объекта, попадает на экран (обычно белая ровная поверхность), и вы имеете возможность видеть изображение. Благодаря тому, что кинолента движется со скоростью 24 к/с, изображение на экране сменяется с такой же скоростью, что позволяет вашему мозгу считать, что вы видите движущееся изображение или кино. В цифровых проекторах проецирование изображения происходит путем поворота миниатюрных зеркал в DLP-матрице. В тот момент, когда матрица передает изображение в объектив, происходит отображение этой точки на экране. В тот момент, когда зеркало повернуто в сторону, свет отражается в специальном светопоглощающем радиаторе. Детализация зависит от количества зеркал на матрице, каждое зеркало – это один пиксел на экране. Путем быстрой смены положения каждого зеркала и формируется изображение. В цветном DLP-проекторе луч света перед попаданием на матрицу проходит через вращающийся диск с 3 основными цветами, что вместе с последовательным переключением матрицы позволяет последовательно выводить на экран 3 цвета, создавая иллюзию для зрителя, что изображение цветное. Как правило, за 1 кадр диск успевает совершить 1 или 2 оборота.
Рис. 2 Вид на содержимое одночипового DLP-проектора Красной стрелкой показан путь луча света от лампы к матрице, через диск светофильтров, зеркало и линзу. Далее луч отражается либо в объектив (желтая стрелка), либо на радиатор (синяя стрелка). Таким образом построены все проекционные системы, в том числе и проекционные телевизоры, отличие которых в том, что источник света и проекционная система находятся внутри корпуса, т. е. вы видите не отраженный от экрана свет, а спроецированный с обратной стороны. То есть вы смотрите сквозь экран. Главное преимущество проекционных систем в том, что они могут формировать изображение любого размера, т. е. чем дальше от экрана вы разместили проектор, тем больше будет картинка. Недостаток заключается в относительно небольшом разрешении, хотя на сегодня существуют проекторы разрешением HDready и FullHD, а также 4К и 8К. Для получения хорошей картинки необходимо иметь довольно большое помещение и сильное затемнение, так как световой поток при проходе сквозь подсистему формировании кадра ослабляется, а при выводе изображения на большой экран рассеивается еще больше, что снижает яркость картинки. В итоге основное применение проекционной техники на сегодня это киноиндустрия и домашние кинотеатры, что вполне оправданно. Другая ситуация у систем с активным экраном, здесь наибольшее распространение получили компьютерные мониторы и телевизоры, у которых изображение формируется на встроенном экране с заранее ограниченными размерами и которые не требуют внешнего экрана для проекции изображения. Пропустив дисплеи с кинескопом или ЭЛТ, которые уже на сегодня ушли в прошлое, рассмотрим плазменный и жидкокристаллический дисплеи. Плазменная панель или газоразрядный экран – устройство отображения информации, монитор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе, иначе говоря, в плазме. Широкое распространение не получил, хотя и характеристики яркости и цветопередачи на высоте, очень низкая долговечность, всего 30 000 часов.
Рис. 3 Пиксел цветного ЖК-монитора Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами и двухполяризационных фильтров, плоскости поляризации которых перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, полностью блокировался бы вторым фильтром. Поверхность электродов специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает структуру. При этом при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растет число требуемых электродов. Помимо ЖК-технологий менялась и подсветка дисплея: лампы накаливания, галогеновые лампы и PED-лампы. На сегодня самые перспективные и популярные технологии для ЖК-матриц являются TN и IPS, а самой распространенной подсветкой – LED. Разрешение как проекторов, так и дисплеев поддерживает вещательные стандарты, например, HDready720 пикселей по горизонтали, 30 кадров до 24 кадров или FullHD: 1080 пикселей по горизонтали 60 полей, от 30 до 24 кадров. На сегодня самым распространенным разрешением является именно стандарт FullHD, который становится стандартным разрешением и в мире видеонаблюдения. Следующим пределом будет UHDTV 4К, которое по сравнению с FullHD несет в 4 раза больше информации, и UHDTV 8К, несущей информацию более чем в 16 раз больше стандартного fullHD.
Рис. 4 Сравнение разрешений SD, FullHD, 4K и 8K Хотя на рынке существуют системы для построения аппаратных и программных видеостен, а также решения, позволяющие воспроизводить 3D или стереоизображение, ЖК-мониторы будут популярны с среднесрочной перспективе. В частности, классическая видеостена может выглядеть так:
Рис. 5 Программная видеостена NUUO для управления процессами и охраной в CarCompany в Южной Африке В городских и территориальных ситуационных центрах все чаще применяются видеостены, состоящие из отдельных мониторов. Для построения видеостены, как правило, применяются специализированные мониторы с уменьшенной шириной рамки либо вовсе без нее. Однако с точки зрения управления видеостеной различают 2 системы: 1. Аппаратная видеостена – характеризуется наличием контроллера видеостены для управления выводом изображений на дисплеи. 2. Программная видеостена – характеризуется использованием стандартного компьютерного оборудования и специализированного ПО для управления выводом изображения на видеостену. Аппаратная видеостена, как правило, плохо масштабируется, является довольно дорогим решением, а также зачастую требует специализированных мониторов («кубов»), иногда той же компании производителя, что и контроллер видеостены. Несомненным преимуществом является возможность вывода изображения, поступившего на вход контроллера во весь экран (состоящего из мониторов, подключенных к одному контроллеру). Однако необходимо понимать, насколько данная функция принципиальна. В обычном случае, когда у вас камеры FullHD и монитор FullHD, расширение изображения более чем на 1 монитор не приведет к увеличению разрешения и общего качества картинки и является неоправданным. Программная видеостена состоит из нескольких серверов отображения и компьютера управления, который служит для управления всей системой и отправляет команды на переключения отображения на том или ином мониторе. Однако не позволяет отобразить одно видеоизображение более чем на одном мониторе, т. е. не может «растянуть изображение» на все доступные мониторы с целью формирования большего изображения. Программная видеостена может быть быстро масштабирована путем добавления бОльшего количества серверов отображения, которые представляют собой стандартные высокопроизводительные графические станции, что снижает затраты на внедрение, расширение и эксплуатацию такой видеостены. Предпринимаются попытки использования 3D отображения для слежения за наблюдаемой сценой, но на сегодняшний момент широкого применения эти технологии не нашли. Итак, подсистема отображения и визуализации может быть разной, основу составляют технологии, приходящие в видеонаблюдение из вещательного TV или из киноиндустрии. Единичные элементы, составляющие подсистему визуализации, могут быть разные, начиная от проектора и заканчивая LED ЖК-монитором, и подбираются каждый раз под задачу. Наибольшее распространение получили ЖК-мониторы благодаря экономичности и характеристикам, в частности, максимальному разрешению, которое на сегодня равно UHDTV 8K – это более 16 FullHD картинок. Для управления выводом изображений применяются две основные технологии: аппаратная и программная видеостены. Каждая из технологий имеет преимущества и недостатки. Как правило, условное разделение между ними такое: для мелких и средних объектов используется программная видеостена, а для крупных проектов, когда нет необходимости экономить бюджет, применяется аппаратная видеостена.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru