پهنای باند دوربین مداربسته

اتوبان تهران کرج را در نظر بگیرید، تعداد زیادی خودرو که در 4 باند، به موازات هم در حال حرکت هستند! روان بودن یا ترافیک در این اتوبان مهم‌ترین پدیده است. حال شما این اتوبان را یک پهنای باند در نظر بگیرید. خودروهای این مسیر، همان دیتاهایی هستند که قرار است از دوربین مداربسته به سمت دستگاه ضبط تصویر منتقل شوند. در این مقاله ما به‌صورت کامل و جامع به بررسی مبحث مهم پهنای باند در تجهیزات نظارت تصویری می‌پردازیم. با ما همراه باشید.

پهنای باند دوربین مداربسته چیست؟

پهنای باند یکی از اساسی‌ترین و پیچیده‌ترین ابعاد دوربین‌های نظارتی است که اغلب نادیده گرفته می‌شود. بسیاری از مردم فکر می‌کنند که پهنای باند به طور مستقیم تحت تاثیر رزولوشن دوربین مداربسته و فریم‌ریت frame rate است. این فرضیه تاثیر عوامل مهمی را نادیده می‌گیرد. عواملی که عدم در نظر گرفتن صحیح آنها می‌تواند منجر به اضافه بار شبکه یا کاهش فضای ذخیره‌سازی هارد دوربین مداربسته شود. واحد Bandwidth بر اساس بیت بر ثانیه و بیت ریت است که در ادامه به‌صورت کامل‌تر در مورد آن صحبت می‌کنیم. 

مشکلات ریشه‌ای پهنای باند

در جدول زیر به 5 مورد از مشکلات مرتبط با پهنای باند پرداخته‌ایم:

محاسبه پهنای باند دوربین مداربسته 

فرض کنید در یک پروژه شما تعدادی دوربین با رزولوشن های مختلف دارید. یکی از دغدغه‌ها، انتخاب مناسب‌ترین دستگاه‌های ضبط تصویر NVR با پهنای باند مناسب است. برای این کار پیشنهاد می‌کنیم به سادگی از نرم افزار محاسبه پهنای باند BDM استفاده کنید. 

مشکلات میدانی پهنای باند

در جدول زیر به 7 مورد از مشکلات مرتبط با پهنای باند پرداخته‌ایم: 

1- پیچیدگی صحنه

 یکی از ساده‌ترین عناصری که معمولا نادیده گرفته می‌شود، پیچیدگی صحنه است. نگاهی به عکس زیر بیاندازید که یک اتاق سرپوشیده ساده را با یک پارکینگ پیچیده مقایسه می‌کند.

در شرایطی که همه متغییر‌های موثر برابر باشند، یعنی وقتی از دوربینی یکسان با تنظیماتی یکسان استفاده کنیم، پارکینگ یا همان صحنه پیچیده معمولا به بیش از 300% پهنای باند نسبت به یک اتاق سرپوشیده یا همان صحنه ساده نیاز دارد. چراکه هم فعالیت و هم جزئیات در صحنه پیچیده بیشتر است. علاوه بر این عواملی چون زمان روز، فصل سال، آب و هوا و دیگر متغیر‌ها بر پیچیدگی صحنه تاثیر مستقیم گذاشته و شناسایی و ارزیابی صحنه را دشوارتر می‌کند.

2- رزولوشن

به طور معمول، یک رابطه مستقیم و خطی بین مقدار پیکسل (1مگاپیکسل، 2 مگاپیکسل و ... ) و پهنای باند وجود دارد. مثلا، اگر یک دوربین 1 مگاپیکسلی از 1 مگابیت بر ثانیه از پهنای باند استفاده کند، یک دوربین 2 مگاپیکسلی به طور متوسط ممکن است از 2 مگابیت بر ثانیه استفاده کند.

با این وجود، تغییراتی که تولیدکننندگان در محصولات و مدل های مختلف ایجاد می‌کنند، تاثیر قابل توجهی بر این مسئله می‌گذارد. در برخی از مدل‌ها، تاثیر مقدار پیکسل و پهنای باند خطی نیست. 

یعنی مثلا با افزایش 100% مقدار پیکسل، پهنای باند تنها 30% افزایش پیدا می‌کند، یا با افزایش 100% مقدار پیکسل، پهنای باند 200% یا بیشتر افزایش پیدا می‌کند.

با ورود کدک‌های هوشمند(که در ادامه آنها را معرفی خواهیم کرد) این نسبت‌ها با ضرایب بیشتری تغییر می‌کنند؛ مثلا در یک صحنه ثابت، بیت‌ریت برخی از دوربین های 4k مشابه با دوربین‌های 1080 است.

3- فریم ریت

فریم ریت بر پهنای باند اثر می‌گذارد، البته برای کدک‌های اینتر فریم (inter-frame codecs) و مانند H.264 این مقدار خطی نیست.

در نتیجه، اگر فریم ریت را 10 برابر کنید، به احتمال زیاد افزایش پهنای باند بسیار کمتر خواهد بود. ضریب افزایش  پهنای باند احتمالا فقط 3 تا 5 برابر خواهد بود.

ما برای نشان دادن تغییرات بیت ریت، نرخ فریم های 30، 10 و 1 FPS را در یک محیط کنترل شده در اتاق کنفرانس اندازه‌گیری کرده‌ایم و بیت ریت به شرح زیر بوده است:

4- فشرده سازی

فشرده سازی یا به اصطلاح کوانتیزیشن Quantization، رابطه معکوسی با پهنای باند دارد. هر چه فشرده‌سازی بیشتر باشد، پهنای باند نیز کمتر خواهد بود.

به عنوان مثال، در نمودار زیر 4 برند معتبر را در کنار هم تست کرده‌ایم: برندهای اکسیز، پاناسونیک، داهوا و هایک ویژن. این نمودار تاثیر فشرده‌سازی را روی چهار دوربین مختلف نشان می‌دهد. (توجه: با H.264، کوانتیزاسیون/فشرده سازی در مقیاس استاندارد 0 تا 51 اندازه‌گیری می‌شود، هر چه بیشتر، فشرده‌سازی بیشتر و کیفیت کمتر)

کاهش کوانتیزاسیون از 34 (فشرده سازی بالا) به 28 (متوسط) منجر به افزایش حداقل 3 برابری در پهنای باند می‌شود. این در حالی است که کاهش بیشتر  این عدد به 22 (فشرده سازی بسیار کم) بسته به دوربین منجر به افزایش 5 تا 11 برابری پهنای باند می‌شود. 

علاوه بر این، تولید‌کنندگان از مقیاس‌ها و ا اصطلاحات مختلفی برای تعریف سطوح فشرده سازی و تراکم خود استفاده می‌کنند. بیشتر این اعداد و اصطلاحات سطوح تراکم متفاوتی نسبت به مقدار رسمی و منطقی سطح کوانتیزاسیون دارند.

برخی از سازنده‌ها ممکن است از مقیاس عددی 1-100 استفاده کنند، برخی دیگر از اسامی مانند «کم،زیاد، بهترین» استفاده می‌کنند. و برخی هم ممکن است از مقیاس واقعی 0-51 استفاده کنند. این نمودار مقیاس مورد استفاده برخی از برند‌های معروف را نشان می‌دهد. 

5- کدک‌ها

یک تمایز کلیدی بین کدک ها، در پشتیبانی از اینتر فریم (inter-frames) (مثلا: H.264، H.265) و اینترا فریم (intra-frame) وجود دارد. 

الف- کدک اینترفریم inter-frames

کدک های اینتر- فریم مثل H.264/265 نه تنها پیکسل‌های مشابه در یک صفحه را فشرده‌سازی می‌کنند بلکه با ارجاع به فریم‌های قبلی تنها تفاوت‌های فریم به فریم را منتقل می‌کنند. این امر به طور چشمگیری موجب صرفه جویی در پهنای باند می‌شود.

به عنوان مثال، اگر یک سوژه در یک راهروی خالی حرکت کند، بین هر فریم با فریم قبلی بر خلاف پس زمینه، تنها پیکسل‌هایی که او را نشان می‌دهند، تغییر کرده و منتقل می‌شوند.

ب- کدک اینترافریم Intra-frame

کدک‌های Intra-frame only هر فریم را جداگانه به عنوان یک تصویر رمزگذاری کرده و برای کاهش نرخ بیت فقط پیکسل‌های مشابه را فشرده می‌کنند. چون این کدک‌ها هر فریم را به طور جداگانه و فارغ از هرگونه حرکت در صحنه رمز گذاری می‌کنند و منجر به بالا رفتن پهنای باند می‌شوند. 

از چند سال گذشته تا به امروز، اکثر قریب به اتفاق دوربین های مورد استفاده، از کدک H.264 به دلیل پهنای باند بهتر نسبت به MPEG-4 و Motion JPEG بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین این کدک نسبت به H.265 استفاده از CPU/GPU را افزایش نمی‌دهد.

در آزمایش ما H.264 در همه صحنه‌ها پهنای باند بسیار کمتری نسبت به MJPEG مصرف کرد، می‌توانید این مسئله را در نمودار زیر مشاهده کنید.

فرمت فشرده سازی H.265 چطور؟

سالهاست که H.265 در بین کدک‌ها صاحب قدرت است و حتی ادعا می‌کند که نسبت به کدک‌های H.264 50% بیشتر صرفه جویی کرده است. به هرحال در تست‌های ما، فرمت H.265  مزایای محدودی به نسبت فرمت H.264 در صحنه مشابه، حدود 10 تا 15 درصد دارد. با کدک هوشمند دوربین‌ها (در جدول زیر)، در حالت کلی پهنای باند بیشتر ذخیره می‌شود. برای مثال، در تست Smart H.265 ما، H.265 حدود  15 تا 20 درصد بیت ریت کمتری به نسبت H.264 تولید می‌کند. به هرحال، در استفاده از اسمارت کدک با H.264، بیت ریت حداقل 40 درصد  و حداکثر 90درصد کاهش یافته است.

توجه داشته باشید که با وجود چندسال در دسترس بودن، فرمت H.265 هنوز در حال توسعه است و احتمالا در طول زمان کارآمدتر خواهد شد. یکی از بزرگترین مشکلات فرمت کدک H.265 همخوانی با پروتوکل Onvif آن است.

آی فریم در برابر پی فریم

در کدک اینترفریم، فریم‌ها با گرفتن میدان دید کامل بعنوان آی فریم شناخته می‌شود. درحالی که آنهایی که فقط تغییرات را ارسال می‌کنند، پی فریم هستند. به دلیل اینکه آنها تصویر کامل را کپچر می‌کنند، بیشتر آی فریم‌ها در استریم، پهنای باند بالاتری دارند. تا سال‌ها، دوربین‌ها فقط قادر به استفاده از آی فریم اینتروال ثابت هستند. در ثانیه اندازه‌گیری می‌شوند. ارسال بسیار کمی از آی فریم‌ها می‌تواند بر روی تصویر تاثیر منفی بگذارد و تعداد زیادی از آی فریم‌ها فایده چندانی ندارند. 

به هرحال، با معرفی اسمارت کدک‌ها در دو سال گذشته، دوربین‌ها بصورت داینامیکی آی فریم اینتروال را تنظیم می‌کند. به جای استفاده از یک مقدار ثابت. یک دوربین با 10 فریم در ثانیه، احتمالا 10 فریم در ثانیه برای هر ثانیه یک آی فریم ارسال شود. یک مدل اسمارت کدک فعال، می‌تواند این را زمانی که هیچ حرکتی در صحنه نیست، توسعه داد. در مثال زیر

تاثیر آی فریم اینتروال ثابت

اگرچه بسیاری از دوربین‌ها دارای کدک هوشمند هستند و از اینتروال آی فریم ثابت استفاده نمی‌کنند، بسیاری از مدل‌های قدیمی تر این کار را نمی‌کند و ممکن است کاربران ترجیح بدهند از آنها استفاده نکنند؛ بنابراین فهمیدن تأثیر آی فریم اینتروال روی پهنای باند بسیار مؤثر است. 

کاهش تعداد آی فریم‌ها (حرکت از 1 به 2 تا 4 ثانیه اینتروال) حداقل پهنای باند را کاهش می‌دهد. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید این کار تأثیر منفی شدید بر کیفیت تصویر دارد.

برعکس آن نیز ممکن است، افزایش تعداد آی فریم‌ها به بیش از یک در ثانیه، پهنای باند و همچنین کیفیت تصویر را افزایش می‌دهد. 

کدک‌های هوشمند

یکی از پیشرفت‌های اخیر، که تاثیر زیادی بر پهنای باند دارد، معرفی کدک‌های هوشمند است. این تکنولوژی‌ها بیت ریت را به دو روش کاهش می‌دهند:

الف- فشرده‌سازی داینامیک

ابتدا، بجای استفاده از سطح فشرده سازی تکی برای تمام صحنه‌ها، دوربین احتمالا فشرده سازی کمی برای تحرک سوژه‌ها فراهم می‌کند. با فشرده‌سازی بالا/کیفیت پایین روی نواحی بک گراند استاتیک، ما نیازی به جزییات تصویر نواحی صحنه نداریم. 

ب- آی فریم اینتروال داینامیک

دوما، بجای استفاده از یک آی فریم اینتروال، دوربین‌ها احتمالا فاصله بین آی فریم را موقعی که صحنه هنوز هست، با برخی از آنها به فواصل بسیار طولانی در تست‌های ما، در برخی موارد بیش از یک دقیقه گسترش می‌یابد. سپس، هنگامی که حرکت شروع می‌شود، دوربین بلافاصله یک آی فریم تولید می‌کند و فاصله را به سطوح قبلی کاهش می‌دهد. 

روش‌های دقیق مورد استفاده با هر کدک هوشمند و کارآیی آنها مشابه است. به هرحال، بیت ریت‌ها در صحنه‌ها بین 50 تا 75 درصد کاهش داشتند. در یک مثال، در زیپ استریم 2 ، بیت‌ریت‌ها در صحنه های ثابت با استفاده از فشرده سازی پویا، آی فریم و fps تا 99 درصد کاهش می یابد:

6- عمق میدان دید دوربین مداربسته 

تاثیر عمق میدان دید روی پهنای باند بسته به پارامترهای مختلفی بستگی دارد. اما بیشترین تاثیر روی پیچیدگی صحنه است. در صحنه با ناحیه بزرگ تحرک سوژه، مانند درختان یا سایرگیاهان، گسترش میدان دید احتمالا پهنای باند را نیز افزایش می‌دهد. در صحنه‌هایی با حرکت نسبتا کم اما بک گراند تکراری، مانند پارکینگ، سقف، فرش یا دیوارهای طرح دار و ... کم شدن میدان دید به دلیل قابل تشخیص بودن بیشتر این جزییات ظریف، پهنای باند را افزایش می‌دهد. 

برای مثال، در پارک زیر، افزایش نتایج عمق میدان دید در حدود 60 درصد افزایش در پهنای باند را به دلیل تحرکت شاخ و برگ درختان و سایه‌های صحنه نسبت به میدان دید باریکتر می‌شود. 

به هر حال، در یک تقاطع/پارکینگ شلوغ، پهنای باند کاهش یافته بوسیله‌ی بالای 50 درصد کاهش می‌یابد که میدان دید را افزایش می دهد. در Fov کمتر، جزییات بیشتری از ساختمان‌ها قابل مشاهده است و الگوی تکراری پارکینگ آسفالت نیز ممکن است دیده شود، که رمزگذاری صحنه را دشوارتر می‌کند.

7- نور کم

در مقایسه تصویر در روز، بیت ریت ها در نور کم و حداقل نور مورد نیاز میانگین نزدیک به 150 درصد بیشتر، اگرچه رنج دوربین‌های تکی از 26درصد تا 400درصد از طریق تعداد فاکتورها، همانند کیفیت IR، فشرده‌سازی مؤثر، حساسیت تصویر و ...

دو مورد کلیدی در بهبود پهنای باند دوربین های مداربسته IP، در زمان شب عبارت اند از:

نگاهی به زمین ورزشی روباز زیر بکنید. در این مثال، دوربین مورداستفاده در برخی نواحی تصویر، مثل درخت‌ها و جایگاه تماشاگران در مرکز و سمت چپ تصویر، کنتراست اندکی افزایش پیدا می‌کند. به دلیل اینکه این نواحی کنتراست و رنگ مشابهی دارند، فشرده‌سازی آنها آسان‌تر بوده و بیت ریت را کاهش می‌دهند.

توجه داشته باشید که در دوربین‌های مختلف شرایط و نتایج متفاوت است. این تفاوت ممکن است از اختلاف روشنایی و تاریکی محیط، درک دوربین از نور و روشن بودن و یا نبودن WDR  و کنترل کنتراست و موارد دیگر نشات بگیرد.

8- میزان وضوح تصویر | شارپنس

وضوح تأثیر زیادی بر میزان مصرف پهنای باند دارد. اما حتی نصاب‌های باتجربه در مراحل پیکربندی ونصب ممکن است این مورد را نادیده بگیرند. البته که تیز کردن بیش از حد پیکسل‌های تصویر، می‌تواند جزئیات دقیق‌تری به نمایش بگذارد؛ اما به‌ندرت عملی مفید است. مثلاً تیز کردن پیکسل طرح فرش، پارچه، لبه برگ درختان، چمن و ... با به نمایش گذاشتن جزئیات بیشتر، پهنای باند افزایش پیدا می‌کند که در بسیاری موارد غیرضروری است. 

برای مثال به میدان دید زیر که نتیجه یکی از تست پهنای باند دوربین‌های ما است، نگاه کنید. نرخ بیت در دوربین B، با افزایش شارپنس از حداقل به حداکثر، نزدیک به 600 افزایش پیدا می‌کند. اما همین شرایط در دوربین A، نرخ بیت را فقط 300 افزایش می‌دهد. 

9- رنگی یا سیاه سفید 

در شرایط غیر تئوری، بدون در نظر رفتن اشباع زدایی یا اشباع بیش از حد، رنگ تأثیر حداقلی بر پهنای باند دارد. مثلاً در تصویر زیر، تغییر رنگ پیش‌فرض دوربین به حالت تک‌رنگ، پهنای باند را تا 20 کیلوبایت بر ثانیه کاهش می‌دهد که چیزی حدود 8% است.

اما اشباع بیش از حد عکس ممکن است منجر به بالارفتن غیرعادی پهنای باند شود. در مثال زیر، وقتی رنگ را از حالت پیش‌فرض به بالاترین حد ممکن افزایش می‌دهیم، پهنای باند بیش از 200% افزایش پیدا می‌کند. اشباع بیش از حد تصویر اثرات جانبی دیگری هم دارد. مثلاً همان‌طور که در عکس زیر می‌بینید، صندلی قرمز دچار پدیده color bleeding شده است. 

سخن آخر در مورد پهنای باند دوربین مداربسته

همان‌طور که در این مقاله گفته شد، محاسبات نظری ساده‌ای برای تخمین زدن پهنای باند وجود دارد. پارامترهای متعددی هم بر آن موثراند. برخی از این پارامترها تحت‌تأثیر عواملی کمتر شناخته شده در هر دوربین هستند. 

مهم است بدانید که چه عواملی بر پهنای باند مؤثرند و از این دانشتان برای ارزیابی و سنجش دوربین خود استفاده کنید. این محاسبات برآورد نسبتاً دقیقی از پهنای باند مورد نیازتان به شما می‌دهد.