Tốc độ khung hình trong camera giám sát (Frame rate in CCTV)

Đây là bài viết hướng dẫn chuyên sâu về tốc độ khung hình trong camrea giám sát. Đầu tiên, bạn cần phải biết tốc độ của vật thể, thông thường là con người.

Tốc độ của con người

Người di chuyển càng nhanh, bạn càng có nhiều cơ hội bỏ lỡ hành động, Bạn biết “tốc độ” của Frame rate là 1 khung hình / giây (1 fps), 10 khung hình / giây (10 fps), 25 khung hình/ giây (25 fps)… nhưng bạn cần tốc độ bao nhiêu khung hình để ghi hình tin cậy nhất.

Đây là cách mọi người di chuyển:

Đối với một người đi bộ, tốc độ bình thường thì thường là ~4 feet/s (khoảng 1,2 mét / giây) . Đây là video ghi lại người đi bộ bình thường 6 mét trong khoảng 5 giây:

Đối với một người đang chạy, chúng ta có video di chuyển 6 mét trong khoảng 1,25 giây, tức là anh ấy di chuyển với ~5 mét trong 1 giây:

Ví du: Nếu bạn chỉ có 1 khung hình/ giây (1 fps), một người có thể di chuyển từ 1,2 mét tới 4.8 mét trong khoảng thời gian đó. Vì thế chúng ta cần lưu ý điều này khi đánh giá lựa chọn tốc độ khung hình.

Trong hướng dẫn này, tôi xin đề cập đến:

• Tốc độ mọi người di chuyển ra sao và làm thế nào để so sánh với tốc độ khung hình.
• Đi bộ: Bạn có những rủi ro nào khi bắt hình một người đang đi bộ ở tốc độ 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Chạy: Bạn đã nắm bắt được ai đang chạy ở tốc độ 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Xoay đầu (ngó nghiêng): Bạn nhận mặt mũi rõ ràng của một người như thế nào ở 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Chơi bài: Bạn không nắm bắt được thông tin gì về bài chơi ở mức 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Tốc độ màn trập so với tốc độ khung hình: Cả hai có sự liên quan như thế nào?
• Tỷ lệ băng thông so với khung: băng thông tăng với tăng tốc độ khung hình như thế nào?
• Tỷ lệ khung hình trung bình được sử dụng: Trung bình trong camera giám sát là bao nhiêu?

Ví dụ đi bộ.

Khi người mẫu đi xuyên qua góc nhìn camera, chúng ta xem anh ấy chuyển từ khung này tới khung khác như thế nào. Trong luồng video 30 fps và 10 fps, anh ấy không hoàn thành một bước đi đầy đủ. Tuy nhiên, trong ví dụ 1fps, anh ta đã tiến tới ~1,2 mét giữa các khung hình, và phù hợp với tốc độ đi bộ của chúng ta đo được ~1,2 mét / giây.

Ví dụ khi chạy.

Khi người mẫu chạy qua góc nhìn camera, luồng 30 fps vẫn bắt kịp anh ta, trong khi ở luồng 10 khung hình / giây, anh ấy đã đi ~0,3 mét giữa các khung. Trong ví dụ 1 fps, chỉ có một khung của đối tượng bị bắt, với góc nhìn của camera giữa các khung, chỉ với chân sau của người mẫu có thể nhìn thấy trong khung thứ hai.

Chụp khuôn mặt

Cố gắng để có được một khuôn mặt rõ ràng có thể khó khăn khi mọi người di chuyển bởi vì họ tự nhiên xoay đầu của họ thường xuyên. Trong video này, chúng ta có người mẫu vừa đi bộ ở hành lang vừa  lắc đầu với tốc độ khung hình khác nhau.
Hãy xem:

Chú ý, ở tốc độ 1 khung hình / giây, chỉ có một cú đánh đầu rõ ràng là bị bắt, nhưng ở tốc độ 10 khung hình / giây, bạn sẽ có nhiều hơn thế. Cuối cùng, ở tốc độ 30 khung hình / giây, bạn có thể nhận được một hoặc hai lần, nhưng không cải thiện nhiều.

Chơi bài

Trong bài kiểm tra này, chủ đề của chúng ta là xử lý một loạt các lá bài từ Át (ace) đến năm với máy ảnh được đặt thành tốc độ màn trập  (shutter) mặc định (1/30).

Trong các ví dụ 30 và 10 fps, chúng ta có thể thấy mỗi lá khi nó được lấy ra từ phía trên bộ bài và đặt trên bàn. Tuy nhiên, trong ví dụ 1 fps, chúng ta chỉ thấy các thẻ xuất hiện trên bàn, không phải là chuyển động của người chơi, vì tốc độ khung hình quá thấp.

Tốc độ màn trập (Shutter) so với tốc độ khung hình (Frame rate)

Tốc độ khung hình không làm mờ hình ảnh. Đây là một quan niệm sai lầm. Điều khiển tốc độ màn trập tự động của camera.

Xử lý thẻ Át thông qua 5 lần nữa, chúng tôi tăng tốc độ màn trập tối thiểu của camera lên 1/4000 giây. Hình ảnh dưới đây so sánh hình ảnh mờ trong tay người chơi và lá bài, với 2 lá bài dễ dàng hơn nhiều trong ví dụ tốc độ màn trập nhanh.

1 / 4000s tốc độ màn trập hoàn toàn loại bỏ tất cả các dấu vết của mờ nhòa hình ảnh. 1/1000 và 1/2000 tốc độ màn trập lần thứ hai làm giảm đáng kể độ mờ, nhưng vẫn có thể thấy được xung quanh tay người chơi và các cạnh của lá bài khi xem khung ghi theo từng khung.
Nếu bạn bị mờ, bạn có vấn đề cấu hình tốc độ màn trập, chứ không phải tốc độ khung hình.

Tốc độ màn trập (Shutter) chậm và Tốc độ khung hình (Frame Rate)

Mặt khác, đôi khi người dùng muốn hoặc nhà sản xuất camera mặc định màn trập tối đa của họ với tốc độ chậm hơn tốc độ khung hình (ví dụ, màn trập 1/4 cho máy ảnh 1/30 giây). Không chỉ gây ra sự mờ của các đối tượng di chuyển , bạn sẽ mất khung hình.
Bài học chính: Tỷ lệ khung hình mỗi giây không bao giờ cao hơn số lần phơi sáng trên mỗi giây (tốc độ màn trập – Shutter). Nếu bạn có màn trập 1 / 4s, màn trập / phơi sáng chỉ mở và đóng 4 lần / giây (tức là 1 / 4s + 1 / 4s + 1 / 4s + 1 / 4s = 1s). Vì điều này chỉ xảy ra 4 lần, bạn chỉ có thể có 4 khung trong giây đó.
Một số nhà sản xuất làm giả khung hình với màn trập chậm, chỉ cần sao chép cùng một khung hình nhiều lần. Ví dụ: nếu bạn có màn trập 1/15, bạn chỉ có thể có 15 lần chụp, và do đó, 15 khung hình. Để làm cho nó có vẻ như bạn có 30 khung hình, mỗi khung có thể được gửi hai lần liên tiếp.
Hãy cẩn thận với màn trập chậm. Ngoài việc mờ, bạn có thể bị mất khung hoặc bộ nhớ bị rác.

Tỷ lệ băng thông so với khung hình

Tỷ lệ khung ảnh hưởng đến băng thông, nhưng đối với các chuẩn nén hiện đại, như H.264, nó ít tỷ lệ thuận hơn. Vì vậy, nếu bạn tăng tốc độ khung hình lên 10x, băng thông tăng có thể sẽ thấp hơn nhiều, thường chỉ có từ 3 đến 5 lần băng thông. Đây là điều chúng tôi thấy thường xuyên bị nhầm lẫn trong ngành CCTV.
Lý do của việc này là nén liên khung, làm giảm nhu cầu băng thông cho các phần của cảnh mà vẫn giữ nguyên trên các khung hình
Minh hoạ thêm điểm này, chúng tôi đã đo 30, 10 và 1 fps để chứng minh sự thay đổi tốc độ bit trong một thiết lập kiểm soát trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Bitrate trung bình như sau:

• 1 fps là 0.179 Mb / s
• 10 khung hình / giây, với 10x khung hình, tiêu thụ băng thông 4x nhiều hơn 1 khung hình / giây (0.693 Mb / s)
• 30 khung hình / giây, với 3x khung hình, tiêu thụ gấp đôi băng thông 10 khung hình / giây và với 30x khung, 7x băng thông 1fps (1.299 Mb / s)

Các phép đo này được thực hiện với 1 I frame trên giây, thiết lập phổ biến nhất trong camera giám sát chuyên nghiệp

Tỷ lệ khung trung bình được sử dụng

Tỷ lệ khung hình ngành công nghiệp trung bình là ~ 10 khung hình / giây, phản ánh mức độ này cung cấp đủ khung để nắm bắt hầu hết các hành động một cách chi tiết đồng thời giảm thiểu chi phí lưu trữ.

Như được hiển thị trong phần trước, đi từ 10fps đến 30fps có thể tăng gấp đôi chi phí lưu trữ nhưng chỉ cải thiện được ít chi tiết.