MegaPixel-Kameras benötigen hochwertige Objektive

Dirk Klages / August 2, 2012Oktober 6, 2017 / Grundlagen Video Optik

Fachartikel aus PROTECTOR 5/08, S. 36

Objektivqualität als entscheidender Faktor

Megapixel – Megabild?

Immer mehr Kameras werden mit Megapixel-Sensoren bestückt. Doch eine höhere Auflösung allein sorgt noch nicht für bessere Bilder. Wer „Megapixel“ sinnvoll nutzen will, braucht hochwertige Objektive.

Bildsensoren werden immer hochauflösender. Um das volle Potenzial auszuschöpfen, muss auch das Objektiv entsprechend hochwertig sein.
Bild: Pixelio/Klicker

Der Trend zu immer höheren Auflösungen schreitet auch in der Videoüberwachung weiter voran. Mehr Auflösung, mehr Pixel, mehr Daten, mehr Bildqualität, lautet die gängige Vorstellung – selbst wenn man oft nicht so genau weiß, wie man das gestiegene Datenvolumen über das Firmennetzwerk schaufelt, ohne dass der Administrator einen Wutanfall bekommt. Davon abgesehen kann die oben genannte Kette auch nur dann zufriedenstellend funktionieren, wenn alle Glieder zusammenpassen und jedes für sich eine hohe Qualität garantiert.
Ganz vorne in diesem System stehen die Kameras; und diese sind nur so gut, wie die angesetzte Optik. Denn der beste hochauflösende Sensor nutzt nichts, wenn davor ein schlechtes Objektiv sitzt, das als „schwächstes Glied in der Kette“ die Leistung des gesamten Systems herunter zieht. Um an Kameras mit Megapixel-Auflösung einen tatsächlichen Gewinn an Auflösung und Bildqualität zu erzielen, müssen an die Objektive demnach höhere Anforderungen gestellt werden als bei Pal-Auflösung. Der Anspruch wächst dabei mit der Zahl der Pixel.

Unliebsame Randerscheinungen

Besonders kritisch sind die sogenannten „Randstrahlen“. Sie treten am Rand der Linse durch die Optik und werden stärker gebrochen als die Strahlen in der Mitte. Hier zeigt sich die Qualität eines Objektivs. Denn die Korrektur der am Rand entstehenden Bildfehler und Qualitätseinbußen ist die wahre Kunst des Objektivbaus. Simpel konstruierte Optiken liefern zwar in der Bildmitte oftmals eine gute Qualität, lassen aber zum Rand hin stark nach. Digitale Bildsensoren, gerade die mit hoher Auflösung, verzeihen das nicht. Neben den durch die Optik verursachten Bildfehlern – seien es sphärische Aberrationen, Koma oder Unschärfen – kommt es bei schräg auf den Sensor treffenden Strahlen zu zusätzlichen Fehlern in Form von Vignettierung oder Farbverschiebungen. Diese Fehler zu korrigieren oder zumindest auf ein Mindestmaß zu reduzieren, ist die Herausforderung der Objektivhersteller. Der Anwender kann sich zusätzlich durch Abblenden (Schließen der Objektiviris) um ein bis zwei Blendenstufen behelfen. Hierbei werden die Randstrahlen abgeschnitten, so dass sie die Bildqualität nicht mehr verschlechtern können. Allerdings verringert sich durch das Schließen der Blende auch die Lichtmenge, die durch das Objektiv treten kann: Der Bildsensor muss mit weniger Licht auskommen. Anschließend versucht die Elektronik den Verlust mittels Signalverstärkung wieder auszugleichen.

Wer rauscht, verliert

Hier ist die Schnittstelle zum zweiten wichtigen Kriterium: der Lichtstärke oder Anfangsöffnung des Objektivs. Meist wird sie in der Form „F 1:1,4“, „F 1:1,8“ oder ähnlich angegeben. Je kleiner dabei die zweite Zahl ist, desto lichtstärker ist eine Optik. Dies kann gerade bei Megapixelkameras von großer Bedeutung sein. Ein Vergleich der Sensorgrößen und der Anzahl der Pixel veranschaulicht den Zusammenhang: Wenn ein Sensor eine gängige Größe von 1/4, 1/3 oder 1/2 Zoll besitzt, auf ihm aber viel mehr Pixel untergebracht sind als bei D1-Auflösung, müssen die Pixel dementsprechend kleiner sein. Durch Verkleinerung werden Pixel aber generell lichtunempfindlicher. Und weniger Licht versucht die Elektronik, wie bereits erwähnt, mit Signalverstärkung zu kompensieren. Das führt meist zu stärkerem Rauschen und einer Verschlechterung der Bildqualität. Daher sind besonders „lichtstarke“ Objektive notwendig – etwa mit F 1:1,0 –, um auch bei schlechtem Licht noch etwas erkennen zu können. Alternativ bieten diese Optiken auch genügend Spielraum für das qualitätsfördernde Abblenden um eine Blendenstufe.

Gute Bilder sind der Lohn

Mit dem sinnvollen Abstimmen von Kamera und Objektiv ist in Sachen Bildqualität sehr viel gewonnen. Und „Megapixel“ verkommt nicht zum reinen Marketingaspekt für Kameras. Zwar ist die Frage, wie man die hochaufgelösten und bandbreitenfressenden Videobilder übers Netzwerk überträgt, damit noch nicht beantwortet – sicher ist nun aber, dass sich das auch lohnt. Michael Gückel

Wichtige Begriffe aus der Videotechnik – verständlich erklärt:

Aberration, chromatische (Farbfehler)
Die Brechzahl einer Linse hängt von der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Diese auch Dispersion genannte Erscheinung verursacht die chromatische Aberration (vom griechischen Chroma für Farbe). Die verschiedenfarbigen Anteile des Lichts laufen in unterschiedlichen Brennpunkten zusammen, was vor allem an harten Kanten zu unerwünschten Farbsäumen führt.

Aberration, sphärische (Öffnungsfehler)
Die sphärische Aberration bewirkt, dass achsparallel einfallende Lichtstrahlen nach dem Durchgang durch das optische System nicht im gleichen Punkt zusammenlaufen. Es entstehen Unschärfen. Je weiter außen der Strahl verläuft, desto stärker ist im Allgemeinen die Abweichung.

Achromat/Apochromat
Achromaten und Apochromaten sind spezielle, mehrschichtige Linsen, die die Farbfehler eines optischen Systems korrigieren.

Anfangsöffnung/Lichtstärke
Die maximale Blendenöffnung eines Objektivs bezeichnet man auch als Anfangsöffnung; sie ist ein Maß für die Lichtstärke. Je kleiner der Wert, desto mehr Licht kann durch die Linsen treten.

Asphärische Linsen
Asphärische Ojektive verfügen über mindestens eine brechende Linsenoberfläche, die von der Kugelform abweicht. Eine solche asphärische (nicht kugelförmige) Fläche ermöglicht die Korrektur der sphärischen Aberration. Die Fertigung einer Asphäre ist in der Regel teurer als die einer sphärischen Linse.

Auflösung, absolute
Anzahl der Linienpaare pro Bildhöhe (Lp) beziehungsweise traditionell aus der Videotechnik die Frequenz in Megahertz (MHz). Gute Kameras sollten bei 1.000 und bei 100 Lx mindestens 230 Lp darstellen können.

Auflösung, relative
Praxisgerechtes Maß für die Wiedergabe feiner Details. Der Wert wird aus der interpolierten Auflösungskurve berechnet mit erhöhter Gewichtung höherer Frequenzen. 100% entsprächen einer geraden Auflösungskurve von 0,5 bis 5,0 MHz auf der 0 dB-Linie. Abweichungen von der 0 dB-Linie (positiv wie negativ) führen zu Abzug. Als gut können Werte ab etwa 70% angesehen werden.

Blende
Die Blende reduziert die durch das Objektiv fallende Lichtmenge durch Beschneiden des Strahlengangs vom Rand her. Dadurch werden gleichzeitig bestimmte Linsenfehler verringert und die Schärfentiefe erhöht. Die Größe der Blende gibt man in Blendenwerten (k) an, die sich aus dem Verhältnis Brennweite (f) durch effektive Eintrittspupille (D) berechnen lässt (k = f/D). Von einer Blendenstufe zur nächsten halbiert sich die durchgelassene Lichtmenge (etwa beim Schließen der Blende von 4 auf 5,6), bei Verdoppelung der Blendenzahl (etwa von 8 auf 16) reduziert sich die Lichtmenge auf ein Viertel.

C-Mount/CS-Mount
C-Mount und das davon abgeleitete CS-Mount sind genormte Anschlussgewinde für Kameraobjektive. Bei beiden beträgt der Durchmesser ein Zoll und die Gewindesteigung 1/32 Zoll. Das Auflagenmaß, also der Abstand zwischen dem Flansch des Objektivgewindes und dem Sensor, beträgt bei C-Mount 17,52 und bei CS-Mount 12,52 Millimeter. Mit einem fünf Millimeter starken Zwischenring können C-Mount-Objektive auch an Kameras mit CS-Mount angeschlossen werden.

DAS
Direct Attached Storage (s. NAS)

DC-Blende
Objektive mit DC-geregelter Blende (DC steht für Gleichstrom) werden von einem in die Kamera integrierten Verstärker gesteuert. Die Spannungsversorgung erfolgt über eine an der Kamera angebrachte vierpolige Buchse.

DVR
Ein DVR ist ein Digitaler Videorecorder, der Video und Audio digital auf eine Festplatte aufzeichnet. DVRs sind so genannte Stand-alone-Geräte, an die Kameras direkt angeschlossen werden können und die ohne weitere Komponenten oder Netzwerkverbindung eigenständig Videodaten aufzeichnen und wiedergeben können. Viele heute angebotene DVR verfügen über einen Netzwerkanschluss, wodurch sie einerseits aus der Ferne gewartet und konfiguriert werden können, andererseits auch auf die gespeicherten Daten von extern zugegriffen werden kann.

Farbwiedergabe
Farbsättigung und Farbabweichungen dienen zur Ermittlung dieses Wertes, der eine sehr gute Korrelation zu subjektiven Beurteilungen der Farbwiedergabe und Farbreinheit aufweist. Werte ab etwa 70% sind gut.

LAN
Local Area Network (s. SAN)

NAS
Network Attached Storage (NAS) bezeichnet einfach zu verwaltende Dateiserver, die eingesetzt werden, um ohne hohen Aufwand unabhängige Speicherkapazität in einem Rechnernetz bereitzustellen. Ein NAS stellt mehr Funktionen bereit, als nur einem Computer Speicher über das Netz zuzuweisen und ist deshalb im Unterschied zu Direct Attached Storage (DAS) immer entweder ein eigenständiger Computer (Host) oder ein Virtueller Computer (Virtual Storage Appliance, VSA) mit eigenem Betriebssystem. Viele Systeme beherrschen auch RAID-Funktionen, um Datenverlusten vorzubeugen.

NVR
Network Video Recorder (NVR) dienen zur Aufzeichnung von Videosignalen im IP-Netzwerk. Anders als DVRs, sind NVRs keine Stand-alone-Geräte, die direkt mit den Kameras verbunden sind, sie bleiben dank Netzwerkanbindung standortunabhängig. NVR sind meist leistungsfähige PCs mit großen Festplattenkapazitäten, auf die über das lokale Netz und das Internet zugegriffen werden kann. Häufig werden sie in einem redundant aufgebauten Cluster zusammengeschaltet, so dass einerseits Daten gespiegelt werden können und andererseits beim Ausfall eines NVRs ein anderer die Aufzeichnung übernehmen kann.

S/N Chrominanz
Bildrauschen (S/N: signal to noise), das sich als Schwankung der Farbsättigung äußert. Gemessen werden diese Schwankungen in einer roten Fläche des Testbildes, die Standardabweichung der Messwerte führt zum angegebenen Signal-Rauschabstand in dB. Gut sind Werte ab 35 dB.

S/N Luminanz
Bildrauschen (S/N: signal to noise), das sich als Helligkeitsschwankung äußert. Gemessen werden die Helligkeitsschwankungen in einer weißen Fläche (80% weiß) des Testbildes. Die Standardabweichung der Messwerte führt zum angegebenen Signal-Rauschabstand in dB. Werte ab 35 dB sind gut.

SAN
Als Storage Area Network (SAN) bezeichnet man im Bereich der Datenverarbeitung ein Speichernetzwerk zur Anbindung von Festplattensubsystemen an Server-Systeme. Storage Area Networks sind für serielle, kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsübertragung großer Datenmengen konzipiert worden. Sie basieren heute für hochverfügbare, hocheffiziente Installationen auf der Implementierung des Fibre-Channel-Standards, bei kleineren Anlagen aus Kostenüberlegungen auch auf IP. Strukturell ist ein SAN aufgebaut wie ein Local Area Network (LAN): Es beinhaltet Hubs, Switches und Router.

Vergütung
Eine hochwertige Vergütung (Entspiegelung) vermindert Streulicht in der Optik und beugt unerwünschten Reflexionen vor. Vor allem bei sehr hellem Licht oder Gegenlicht kann es ohne Vergütung zu Spiegelungen oder nebelartigen Geisterbildern kommen.

Verzeichnung/Distorsion
Unter Verzeichnung versteht man die Eigenschaft von Objektiven, Gegenstände zum Bildrand hin immer stärker zu verzerren. In der Nähe des Bildrandes werden gerade Linien nach außen (tonnenförmige Verzeichnung) oder innen (kissenförmige Verzeichnung) gewölbt.

Vignettierung
Mit Vignettierung bezeichnet man den Helligkeitsabfall in den Bildecken, der durch mechanische Verengung oder durch physikalische (natürliche) Effekte entsteht. Sie tritt hauptsächlich bei Weitwinkelobjektiven auf. Durch Abblenden des Objektives kann die Vignettierung verringert werden.

VSA
Virtual Storage Appliance (s. NAS)

Weißwert
Wert der hellsten weiße Stelle im Testbild. Idealerweise beträgt der Messwert 100%, in der Praxis können Werte ab 90% als gut bezeichnet werden.

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Hochauflösende Videotechnik

Dirk Klages / März 7, 2012Oktober 6, 2017 / IP-Video HD Mega-Pixel

Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2011, S. 42 bis 45

Megapixel im Mainstream

Videos mit höherer Bildauflösung machen IP-basierte Überwachungssysteme noch besser. Das Marktwachstum spiegelt die Vorteile der Megapixel-Videotechnik für jedes Einsatzgebiet bei der Videoüberwachung wider.

Durch den Einsatz von Megapixellösungen ergeben sich oft wirtschaftliche Vorteile gegenüber Standardsystemen. Es werden nicht nur weniger Kameras gebraucht, auch die verbundenen Kosten für Zubehör, Lizenzgebühren, Verdrahtung, Installation und Wartung sind geringer. (Bild: Arecont)

Wir alle wissen, dass ein Bild mehr als tausend Worte sagt. Aber in der Welt der Megapixel-Videotechnik sagt ein einziges Bild einfach alles. Eine Kombination aus verschiedenen Marktfaktoren hat ein Umfeld geschaffen, das eine schnelle Einführung der Megapixel-Videotechnologien in fast alle Anwendungsgebiete der Videoüberwachung vorantreibt.

Viele Faktoren

Ein maßgeblicher Faktor ist die Umstellung auf IP-basierte Videosysteme. Die Tatsache, dass immer mehr Benutzer sich von analogen Systemen abwenden, hat bereits den Markt verändert und beschleunigt die Entwicklung von höher auflösenden Kameras. Ein weiterer wichtiger Marktfaktor ist das hohe Tempo der Produktentwicklung. Wir erleben eine schnelle Entwicklung von höher auflösenden Kameras, die für eine immer größere Anzahl von Anwendungsbereichen ausgelegt sind. Der wohl größte Vorteil für den Endkunden ist, dass die Preise erschwinglich sind.

Der dritte Aspekt ist die Entwicklung von hoch effizienter Videokomprimierung, insbesondere H.264. Diese Komprimierungsnorm verringert die Anforderungen an die Netzwerkbandbreite und die Speicherkapazitäten erheblich. Ein vierter Faktor, der den Markt immer weiter vorantreibt, ist die technologische Zusammenarbeit von Anbietern von Megapixelkameras und Anbietern von Videomanagement-Systemen, um höher auflösende Videotechnologie in neue Systeme zu integrieren.

Und auch die Vorteile, die die Leistungsfähigkeit, Funktionalität und das Preis/Leistungsverhältnis von Megapixel-Videotechnik bieten, sind perfekt auf den Wunsch der Kunden nach Investitionsrentabilität und die Notwendigkeit für Unternehmen, Ausgaben anhand einer Ergebnisverbesserung rechtfertigen zu können, abgestimmt.

Großes Wachstum

Marktforscher sagen für den Megapixel-Video- und den Überwachungsmarkt ein großes Wachstum über die nächsten drei Jahre voraus. So hat zum Beispiel das Marktforschungsunternehmen IMS Research vorausgesagt, dass mehr als die Hälfte aller Netzwerkkameras, die bis 2014 versandt werden, über High-Definition (HD)- oder Megapixelauflösung verfügen werden. Technologische Fortschritte in verbesserter und schnellerer Bildverarbeitung und H.264-basierte Komprimierung machen Megapixelkameras sowohl leistungsfähiger als auch anpassungsfähiger für eine größere Anzahl von Einsatzgebieten.

Der Einsatz von Megapixelkameras muss nicht länger auf Nischen-Anwendungsgebiete beschränkt sein. Komplette Installationen können heute von der besseren Bildqualität von Megapixel-Videotechnik profitieren. Megapixel-Videotechnik kann jedes Sicherheitssystem verbessern und Integratoren, Endkunden und Technologieanbieter spielen alle eine Rolle bei der Realisierung dieses Potentials. Werfen wir mal einen Blick auf die Rollen, die sie spielen.

Die Rolle der Systemintegratoren

Integratoren verfügen über immer mehr Fachwissen und sind im Einsatz von Megapixelkameras besser geschult. Sie arbeiten daran, Missverständnisse über die Herausforderungen bei der Integration von Megapixelsystemen aus dem Weg zu räumen. Manche dieser Missverständnisse basieren auf einem Mangel an aktuellen Informationen über die technologischen Entwicklungen. Um ihre Kunden besser betreuen zu können, müssen Integratoren sich fortlaufend über die aktuell verfügbaren Produkte und Lösungen informieren.

Zusätzlich zur Technologie müssen sie auch bereit sein, Rechtfertigungen für die Kosten von Megapixel-Videosystemen auszuarbeiten und darzustellen. Das Preisniveau ist keine so große Hürde mehr wie noch vor einigen Jahren. Viele Megapixelkameras sind heute mit standardauflösenden Netzwerkkameras preislich vergleichbar. Und sie bieten einen zusätzlichen Mehrwert durch forensische Megapixelvideos. Statt den 300.000 bis 400.000 Pixel in Standardauflösung, bieten Megapixelkameras 1.000.000 bis 10.000.000 Pixel und mehr.

Ersetzt man analoge oder standardauflösende IP-Systeme durch Megapixellösungen, so stellen die dadurch anfallenden Gesamtkosten kein großes Problem dar. Es werden nicht nur weniger Kameras gebraucht, auch die verbundenen Kosten für Zubehör, Lizenzgebühren, Verdrahtung, Installation und Wartung sind geringer. Die Skalierbarkeitsvorteile von vernetzten Systemen, die forensischen Vorteile von Megapixel-Videotechnik und die erhöhte Funktionalität von Megapixellösungen sind Vorteile, die analoge Systeme nicht bieten können.

Kapitalrendite

Wenn sie mit ihren Kunden über Kapitalrendite sprechen, können Integratoren zum Beispiel auf den Vorteil verweisen, mit weniger Kameras größere Flächen überwachen zu können (dank Megapixelauflösung) und die funktionalen Vorteile zeigen, bestimmte Bereiche eines Bildes heranzoomen zu können, statt in Kameras investieren zu müssen, die physisch schwenken, neigen und zoomen können. Kurz gesagt, Kunden erkennen sofort die hohe Bildqualität, die Kosteneinsparungen, die Kapitalrendite und die funktionalen Vorteile von Megapixel-Videotechnik.

Zu guter Letzt müssen Integratoren in der Lage sein, die Megapixelsysteme zu planen, zu installieren und zu warten. Sie sollten ein Verständnis davon haben, wie die Megapixelfunktionalität genau eingesetzt wird. Sie müssen in der Lage sein, ihren Kunden die richtige Megapixelkamera zu empfehlen, die den Bedürfnissen ihrer Kunden am besten entspricht. Denn letztendlich erwarten Kunden ein gut funktionierendes, zuverlässiges System, das leistungsstark ist und sie bei ihrer Arbeit, dem Schutz ihrer Organisation, ihrer Anlagen, ihrer Mitarbeiter und ihrer Kunden, nicht behindert. Kunden wollen hochwertige Videos, die ihnen brauchbare und gerichtsfähige Informationen über ihre Anlagen und Kunden liefern. Und genau das bietet Megapixel-Videotechnik.

Die Rolle der Endkunden

Endkunden informieren sich immer schneller über die Kapitalrendite und die höhere Bildqualität von Megapixelkameras. Mit diesem Wissen können sie auch die Vorteile von Megapixel-Videotechnik und die Anwendungsmöglichkeiten der Technologie zur Verbesserung eines unternehmensweiten Sicherheitssystems besser verstehen. Dieses Wissen ermöglicht es den Endkunden auch, Integratoren und Anbieter für die Systeme, die sie planen, installieren und warten, verantwortlich zu machen.

Für jede Kundenanwendung die richtige Kamera: zum Beispiel Tag/Nacht- und Restlicht-Kameras, 180-Grad- und 360-Grad-Panoramakameras, Komplett-Dome-Kameras, Kameras mit hoher Bildrate und Kameras mit gutem Preis/Leistungsverhältnis. (Bild: Arecont)

Wenn sie die Vorteile kennen, sollten Endkunden einen langfristigen Plan entwickeln, um das vorhandene System ihres Unternehmens so umzustellen, dass es die Zielsetzung in Bezug auf Megapixel-Videotechnik erfüllt. Nur wenige Unternehmen werden sich dafür entscheiden, sofort ein komplettes, neues System zu installieren. Der Endkunde muss daher mit seinem Systemintegrator zusammenarbeiten, um einen Plan für den langfristigen Umstieg auf Megapixelvideo zu entwickeln, indem zunächst mit neuen Anlagen begonnen wird und Altsysteme durch neuere Technologie ersetzt werden.

Zusammenarbeit von Abteilungen

Nicht nur die Sicherheitsabteilung, sondern auch die IT-Verantwortlichen und die Geschäftsleitung eines Anwenders müssen über den Wert von Megapixel-Videotechnik informiert sein. Durch die Interoperabilität heutiger IP-basierter Sicherheitslösungen kann der Endkunde auf allen Ebenen Megapixel-Videosysteme auf Basis offener Architekturen sondieren. Neben der Kommunikation mit der Geschäftsführung über die Vorteile und die Bezahlbarkeit von Megapixel-Videotechnik, muss der Leiter der Sicherheitsabteilung effizient mit der IT-Abteilung des Unternehmens zusammenarbeiten. Ein guter Grund, die IT-Abteilung mit in den Prozess zu involvieren, ist es, sie in die Entscheidung über die Aufnahmeplattform, das Speichersystem und die Netzwerkinfrastruktur einzubeziehen und mitverantwortlich zu machen. Die Unterstützung der IT-Abteilung ist für die Implementierung von Megapixel-Videosystemen von äußerster Wichtigkeit.

Die Rolle der Anbieter

Anbieter von Megapixel-Videotechnologie bieten überragende Produkte basierend auf Fachkenntnis der Technologie und dem Wissen über die Bedürfnisse des Marktes. In Anbetracht der großen Anzahl von Anwendungen im Bereich von Sicherheitssystemen sollten Hersteller Auswahlmöglichkeiten anbieten, um sicherzustellen, dass für jede Kundenanwendung die richtige Kamera gefunden wird. Zum Beispiel Tag/Nacht- und Restlicht-Kameras, 180-Grad- und 360-Grad-Panoramakameras, Komplett-Dome-Kameras, Kameras mit hoher Bildrate und Kameras mit gutem Preis/Leistungsverhältnis. Mit einer sehr breiten Auswahl an Kameras kann ein Anbieter den verschiedenen Anforderungen für die marktüblichen Einsatzgebiete von Videoüberwachung nachkommen.

Anbieter haben außerdem die Möglichkeit, den Markt über die Vorteile von Megapixelvideo und technologischen Entwicklungen zu informieren. Sie können dabei helfen, Missverständnissen hinsichtlich Kosten und Netzwerkproblemen entgegen zu wirken. Dank der H.264-Komprimierung bieten heutige Kameras zum Beispiel eine bessere Komprimierungsleistung zur Behebung von Systemproblemen bezüglich Bandbreite und Speichervermögen. Heute gibt es Bildungsforen, Kurse, Seminare und Symposien, um Vertriebspartnern und Anwendern zu helfen, schnell auf Lösungen mit Megapixeltechnologie umzustellen.

Den Nutzen quantifizieren

Eine besonders gute Strategie für Anbieter, um die Verwendung von Megapixelvideo voranzubringen, ist es, den Wert von Megapixel-Videotechnik hinsichtlich einer Ergebnisverbesserung anhand von eigens erstellten Metriken aufzuzeigen. Anbieter kennen sich am Besten mit der Leistungsfähigkeit der Technologie aus und profitieren zudem von einem sehr guten Überblick über die Funktionen ihrer Kameras in verschiedenen Systemen. Zu den besten Strategien, die Kapitalrendite zu veranschaulichen, gehört darzulegen, wie man weniger Kameras für ein System verwenden kann (weniger Infrastruktur) und/oder die Vorteile von höher auflösender Videotechnik in einer bestimmten Anwendung und die Verringerung von Sicherheitspersonal für den effektiven Betrieb des neuen Systems zu quantifizieren.

Anbieter arbeiten häufig mit Integratoren und Endkunden zusammen, wenn es darum geht, einen Business Case aus dem Nutzen von High-Definition-Qualität und hochmoderner Komprimierung zu machen. Sie können dabei helfen zu zeigen, wie in aufgenommenen Bildern digital geschwenkt, geneigt und gezoomt werden kann und den Nutzen dieser Fähigkeit erläutern. Anbieter sind sehr sensibel, was die Preisgestaltung angeht und legen oftmals Preise aggressiv und strategisch fest, um ihre Produkte für den breiten Markt zu positionieren.

Sie müssen außerdem mit Videomanagement-Software- (VMS), Speicher-, Analytik- und Netzwerkanbietern zusammenarbeiten, um die Integration von Megapixel-Videosystemen zu vereinfachen. Kurz gesagt, müssen Anbieter nicht nur an die technische Leistungsfähigkeit denken, sondern auch die Vorteile dieser Leistungsfähigkeit für Integratoren und Anwender darlegen. Dadurch machen es Anbieter den Integratoren und Anwendern noch einfacher, Megapixel-Technologie zu nutzen. Sie können darüber hinaus vorkonfigurierte Dienstleistungen anbieten, die die Installationszeit verringern und Installationsfehler minimieren.

Fließender Übergang

Jetzt ist die richtige Zeit für die Hauptakteure der Sicherheitsindustrie – Integratoren, Anwender und Anbieter – daran zu arbeiten, einen fließenden Übergang zum Einsatz der Megapixel-Videotechnik einzuleiten. Hochauflösende Bilddarstellung sollte nicht mehr nur eine Systemfunktion sein, sondern eine systemweite Voraussetzung, um überzeugende Bildqualität und herausragenden Nutzen für das Unternehmen zu bieten.

Scott Schafer, Vizepräsident Vertrieb und Marketing von Arecont Vision LLC

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ViSiTec Video-Sicherheit-Technik GmbH

HDTV in der IP-basierten Videoüberwachung

Dirk Klages / Februar 29, 2012Oktober 6, 2017 / IP-Video HD Mega-Pixel

Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2010, S. 40 bis 43

Mehr als nur hochauflösend

HDTV ist heutzutage im Consumermarkt in aller Munde und gewinnt auch in der Welt der IP-basierenden Videoüberwachung zunehmend an Bedeutung. Erste HDTV-fähige Netzwerkkameras werden von verschiedenen Herstellern auf dem Markt angeboten, zudem gibt es auch immer mehr Videomanagement-Softwarelösungen, die HDTV-Bilder anzeigen und speichern können.

(Bild: Axis)

Doch was verbirgt sich genau hinter dem geläufigen Begriff HDTV und welche Vorteile ergeben sich durch HDTV in der IP-basierten Video- überwachung?

HDTV ist die Abkürzung für „High Definition Television“ und steht für ein hoch auflösendes Fernsehbild. Die HDTV-Nomenklatur setzt sich aus der Zeilenanzahl, dem Bildaufbauverfahren und der Bildrate zusammen. Als Zeilenanzahl kommen entweder 720 oder 1.080 Zeilen in Frage und als Bildaufbau- verfahren das Progressive Scan (p) oder Interlaced (i). HDTV bietet mögliche Bildraten von 24, 25, 30, 50 oder 60 Bildern/Sekunde. Gebräuchliche Varianten sind heute 720p, was einer Auflösung von 1.280 mal 720 Pixel entspricht oder 1080i beziehungsweise 1080p, die jeweils eine Auflösung von 1.920 mal 1.080 Pixel liefern. Alle drei Varianten werden heute in der Regel mit einer Bildrate von 25 oder 30 Bildern/Sekunde genutzt. 720p kommt im Consumermarkt für das Broadcasting von HDTV (TV @Home) zum Tragen und 1080i/p wird beispielsweise bei Blu-ray sowie Computer-Grafiken verwendet.

HDTV-Standards

Ein entscheidender Punkt in der HDTV-Technik sind die Standards der Society of Motion Picture and Television Engineers, abgekürzt SMPTE. Dieser Fachausschuss hat zwei wesentliche HDTV-Standards definiert: SMPTE 296M (entspricht der Definition von „720p”) und SMPTE 274M (für die Definition von „1080i” oder „1080p”). Diese Standards legen im Wesentlichen die Auflösung, das Seitenverhältnis, das Bildaufbau- verfahren, die Bildrate und den verwendeten Farbraum (Gamut) fest.

Wie zuvor beschrieben entspricht 720p einer Auflösung von 1.280 mal 720 Pixel und 1080i/p einer Auflösung von 1.920 mal 1.080 Pixel. Vergleicht man diese Auflösungen mit der 4CIF-Auflösung (704 mal 576 Pixel) nach dem im europäischen Raum verwendeten PAL-Verfahren, so entspricht 720p der 2,2-fachen Auflösung von 4CIF und 1080i/p der fünffachen Auflösung. Für die Videoüberwachung bietet die höhere Auflösung entweder die Möglichkeit, Bilder mit einer höheren Pixeldichte, also Detailhaltigkeit, abzurufen oder bei gleicher Pixeldichte mit einer Kamera einen größeren Bereich abzudecken.

Bildseitenverhältnis

Das Bildseitenverhältnis bei HDTV entspricht 16:9, anstelle des sonst genutzten Seitenverhältnis von 4:3. Letzteres ist historisch bedingt und wurde eingeführt, um die Produktionskosten von Bildröhren zu verringern, da man bei diesem Seitenverhältniss mit einer geringeren Materialdicke auskam. 4:3 entspricht nicht dem Sichtfeld des menschlichen Auges, was dazu führt, dass das menschliche Auge bei der Bildbetrachtung schneller ermüdet und wir dazu neigen, Details im unteren und oberen Bildbereich zu übersehen. Anders sieht es bei 16:9 aus: Dieses Seitenverhältnis entspricht mehr dem Sichtfeld des menschlichen Auges. Somit ist es für den Betrachter wesentlich angenehmer, und das Auge ermüdet weniger schnell bei der Bildbetrachtung. Gerade für Sicherheitsdienste, die oft lange Zeit vor den Überwachungsbildschirmen sitzen, ist das ein nicht zu unterschätzender Pluspunkt.

Als Bildaufbauverfahren kommt bei HDTV das Vollbildverfahren (Progressive Scan) zum Tragen oder das Zeilensprungverfahren (Interlaced). Letzteres kennt man von analogen Kameras. Es hat den Nachteil, dass bei Objekten, welche sich schnell an der Kamera vorbeibewegen, Kamm-Effekte (Interlaced-Problem) auftreten können. Diese werden durch den zeitlichen Versatz zwischen der Aufnahme der ungeraden Zeilen und der geraden Zeilen hervorgerufen. Für die Darstellung von bewegten Objekten sollte demnach bei HDTV auch vornehmlich das Vollbildverfahren zum Einsatz kommen. HDTV nutzt einen größeren Farbraum und bietet dadurch den Vorteil, dass HDTV- Aufnahmen sich durch eine bessere Farbdarstellung, beziehungsweise Farbtreue auszeichnen.

Bandbreitenbedarf

Stellt sich die Frage, wie sich die Vorteile von HDTV auf den Bandbreiten- und Speicherbedarf auswirken? 720p entspricht der 2,2-fachen Auflösung von 4CIF beziehungsweise der dreifachen Auflösung von VGA. 1080i/p entspricht der fünffachen Auflösung von 4CIF und der 6,75-fachen Auflösung von VGA. Für eine grobe Hochrechnung kann man den Faktor der Auflösungssteigerung nutzen, um den Bandbreiten- und Speicherbedarf von HDTV zu kalkulieren. Das bedeutet: Wenn man die fünffache Auflösung hat, dann benötigt man in etwa auch die fünffache Bandbreite und Speichervolumen. Messungen in der Praxis zeigen, dass eine Netzwerkkamera bei VGA-Auflösung mit 25 Bildern/Sekunde bei der Nutzung von Motion-JPEG (M-JPEG) eine durchschnittliche Bandbreite von 8,5 Megabit/Sekunde (MBit/s) benötigt, bei dem HDTV-Format 1080i 43,7 MBit/s. Arbeitet man mit MPEG-4 Part 2, so kommt man auf etwa vier MBit/s für Videos in VGA und zwölf MBit/s bei 1080i. Natürlich gehört MPEG-4 Part 2 zu den klassischen Videokompressionsverfahren, bei denen die resultierenden Bandbreiten in der Praxis immer von dem Anteil der Veränderungen im Bild abhängig sind. Diese Werte machen jedoch deutlich, dass der Durchbruch von HDTV nur in Verbindung mit effizienten Komprimierungsverfahren stehen kann.

Die Lösung des erhöhten Bandbreitenaufkommens liegt in der Verwendung von H.264 alias MPEG-4 Part 10 (auch als Advanced Video Coding, kurz AVC bezeichnet). H.264 zeichnet sich durch eine erhöhte Komprimierungseffizienz aus (siehe Tabelle 1), wodurch sich heute hochauflösende HDTV-Videos mit 25/30 Bildern/Sekunde bei Bandbreiten von durchschnittlich vier MBit/s übertragen lassen, die man bisher bei VGA- oder 4CIF-Videos unter MPEG-4 Part 2 kannte. Somit kann dank H.264 der erhöhte Bandbreitenbedarf von HDTV ausgeglichen werden.

	Motion JPEG	MPEG-4 P. 2*	H.264*
Ø Kompressions- effizienz	1 Bit/Pixel	0,5 Bit/Pixel	0,2 Bit/Pixel
VGA-Video @ 25 B/s	8,5 MBit/s (42 kByte/Bild)	4,25 MBit/s	1,7 MBit/s
720p-Video @ 25 B/s	26 MBit/s (130 kByte/Bild)	–	3,8 MBit/s
1080i-Video @ 25 B/s	43,7 MBit/s (218 kByte/Bild)	–	5,4 MBit/s

*Kompressionslevel 10 % und GOV-Länge 8 (bei H.264 und MPEG-4)
Tabelle 1: Kompressionseffizienz der verschiedenen Verfahren und Bandbreitenbedarf

Keine Kompromisse

Betrachtet man die Werte in Tabelle 1, so bietet H.264 im Vergleich zu MPEG-4 Part 2 bei einem Kompressionslevel von zehn Prozent etwa eine doppelt so hohe Kompressionseffizienz. Vergleicht man die Effizienz zu M-JPEG, macht der Unterschied bereits 80 Prozent aus. Die Werte aus der Praxis zeigen, dass man für eine VGA-Videosequenz mit 25 Bildern/Sekunde unter MPEG-4 Part 2 etwa 4,25 MBit/s benötigt und für ein HDTV-Video in 720p unter H.264 eine Bandbreite von 3,8 MBit/s (bei einem 1080i-Video mit 25 Bildern/Sekunde wären es 5,4 MBit/s). Somit bestätigt sich die Aussage, dass man dank H.264 für eine Videoübertragung in HDTV-Qualität in etwa dieselbe Bandbreite benötigt, wie bei einem VGA-Video unter MPEG-4 Part 2. Betrachtet man die Werte bei einem Kompressionslevel von 30 Prozent, so kommt man sogar für ein Video in 1080i in den Bereich der vier MBit/s. Diese Beispiele zeigen klar, dass man heute in der Lage ist, Videos in HDTV-Qualität zu übertragen und zu speichern, ohne dass man tatsächlich Kompromisse im Bandbreiten- oder Speicherbedarf eingehen muss.

Megapixel versus HDTV

Betrachtet man die HDTV-Auflösungen, so sind diese mit zwei Megapixel (1080i/p) und 0,9 Megapixel (720p) in die Liga der Megapixel-Auflösungen einzuordnen. Megapixelfähige Netzwerkkameras gibt es von verschiedenen Herstellern schon länger auf dem Markt und sind demnach nichts Neues. Betrachtet man jedoch diese Lösungen im Detail, so stellt man oft fest, dass teilweise die angebotenen Megapixel-Netzwerkkameras Videoströme mit Bildraten von gerade zwölf bis vier Bildern/Sekunde liefern können – im Vergleich zu den garantierten 25/30 Bildern/Sekunde bei HDTV-fähigen Netzwerkkameras. Der Begriff Megapixel entspricht keinem Standard und ist lediglich ein Synonym für die Anzahl der Pixel, die der Bildsensor beziehungsweise eine Netzwerkkamera liefert. Liegt die Pixelanzahl über der Schwelle von 1.000.000 Pixel, so spricht man von einer Megapixel-Auflösung.

Kamerahersteller neigen oft dazu, ihre Produkte mit dem Begriff „Megapixel“ zu schmücken, ohne auf die Kompromisse in der Bildrate hinzuweisen. Somit wird bei Megapixelkameras dem Käufer abverlangt, sich mit der tatsächlichen Performance der Kamera im Detail auseinanderzusetzen und die erzielbare Bildrate zu prüfen. Dasselbe gilt auch für das Prädikat HD, denn HD-fähige Netzwerkkameras versprechen lediglich die hochauflösende Bilddarstellung aber nicht die Bildrate von 25/30 Bildern/Sekunde. Man sollte also immer darauf achten, dass die Kameras auch die jeweiligen SMPTE-Standards unterstützen.

Vorteil HDTV

Geht man von den üblichen Kriterien für die Projektierung einer Videoüberwachungsanlage aus, die in der klassischen CCTV-Branche angewendet werden, so kann eine analoge Kamera mit einer Auflösung von 704 mal 576 Pixel lediglich eine Szene von 1,73 mal 1,41 Meter darstellen. Bei dieser Szene ergibt sich eine Pixeldichte von etwa vier Pixel pro Zentimeter, wobei dies der Anforderung für Personenidenti- fizierung entspricht, bei der eine Person mit 120 Prozent (1,4 Meter von einer 1,7 Meter großen Person) im Bild dargestellt wird. Verwendet man anstelle der analogen Kamera eine HDTV-fähige Netzwerkkamera mit 1080i/p, so kann man bei gleicher Pixeldichte einen Bereich von 4,71 mal 3,84 Metern abdecken.

HDTV bietet mehr Details durch höhere Aufl ösungen und das Seitenverhältnis von 16:9.

Erster Vorteil der ersichtlich ist, ist die Tatsache, dass die Person in der Höhe vollständig dargestellt werden kann. Des Weiteren lässt sich eine 2,7-fache Bildbreite darstellen, was zum Beispiel bei der Überwa- chung von einem Eingangsbereich eines Warenhauses vorteilhaft wäre. In diesem Fall lässt sich die Anzahl der benötigten Kameras reduzieren und ein wesentlich größerer Bereich abdecken.

Kritiker könnten natürlich fragen, warum man in einem Warenhaus die Szene mit einer Höhe von 3,84 Metern abdecken soll, wenn erwachsene Personen zwischen 1,60 und 1,95 Metern groß sind. Stellt man den Blickwinkel der HDTV-Netwzerkkamera so ein, dass dieser in der Höhe einen realistischen Bereich von 2,20 Metern abdeckt, ergibt sich bei dem Seitenverhältnis von 16:9 eine Breite von 3,91 Metern. Dies ergibt im Vergleich zur analogen Kamera mehr als die doppelte Breite und eine Pixeldichte von fünf Pixel pro Zentimeter, was einer Steigerung in der Detailhaltigkeit von mehr als 50 Prozent und in der Darstellungsbreite von 100 Prozent entspricht.

Es bietet sich natürlich auch an, die HDTV-Kameras so einzusetzen, dass die höhere Pixelanzahl ausschließlich für die Steigerung der Detailhaltigkeit genutzt wird. Dies wäre zum Beispiel in einem Spielcasino vorteilhaft, bei denen man so Manipulationsversuche besser dokumentieren kann. Hier ist zudem die garantierte Bildrate ein Vorteil, welche bei der Darstellung von Bewegungsabläufen wichtig ist. Des Weiteren ist die hohe Detailhaltigkeit bei Personenidentifizierungen entscheidend, welche auf biometrischen Softwarealgorithmen basieren.

HDTV bietet Vorteile bei Video- überwachungslösungen mit An- spruch auf hohe Detailhaltigkeit. (Bild: Axis)

PTZ-Dome-Netzwerkkameras

Immer mehr kommen PTZ-Dome-Netzwerkkameras auf den Markt, die ebenfalls Bilder in HDTV-Auflösung liefern. Diese Kameras überzeugen auf den ersten Blick schon alleine durch ihre brillante Bildqualität. Entscheidend ist hier allerdings auch der technische Vergleich zu den herkömmlichen PTZ-Dome-Kameras, welche mit der 4CIF-Auflösung arbeiten. Denn möchte man mit beiden Kameravarianten einen bestimmten Bereich aus der Ferne darstellen, so benötigt man bei der HDTV-fähigen Variante einen geringeren optischen Zoomfaktor als bei 4CIF. Das Öffnungsverhältnis (F-Zahl) eines Objektivs und die damit verbundene Lichtdurchlässigkeit ist immer von der Brennweite (Zoomfaktor) abhängig – je größer die Brennweite, desto geringer ist die Lichtdurchlässigkeit. Demnach bieten die HDTV-fähigen PTZ-Dome-Netzwerkkameras über den gesamten Zoombereich betrachtet eine bessere Lichtempfindlichkeit, was sich positiv in der Qualität der Bilddarstellung äußert.

HDTV in der Praxis

Natürlich besteht keine Notwendigkeit, einen Videostream von einer Kamera in HDTV-Auflösung abzurufen, um diesen im 5×5-Splittview mit 25 Live-Streams pro Monitor im Kleinbildformat auf den Bildschirm darzustellen. Jedoch ist es vorteilhaft, die Bildspeicherung im Hintergrund mit hochauflösenden HDTV-Bildern zu betreiben sowie im Alarmfall den vollen Bildschirm nutzen zu können und bei der Live-Bildbetrachtung auf die HDTV-Darstellung umschalten zu können. So sind für die spätere Auswertung im Bildspeicher Aufnahmen mit einer hohen Detailhaltigkeit verfügbar und ereignisabhängig auch für die Live-Bildbetrachtung. Für das Abrufen der Videostreams in unterschiedlichen Auflösungen und Bildraten bieten heutige Netzwerkkameras die so genannte Multi-Streaming-Funktionalität. Das heißt, die Videostreams können simultan in unterschiedlichen Auflösungen, Bildraten, Kompressionsraten und Komprimierungsverfah- ren von den Netzwerkkameras abgerufen werden.

Somit lassen sich Szenarien einrichten, bei denen beispielsweise die kontinuierliche Bildspeicherung von HDTV-Bildern via M-JPEG mit einem bis vier Bildern/Sekunde läuft und simultan für die Live-Bildbetrachtung im Splittview ein H.264-Video mit einer Auflösung von zum Beispiel 320 mal 180 Pixel mit 25 Bildern/Sekunde abgerufen wird. Für die Live-Bildbetrachtung wird dann unter H.264 ein HDTV-Stream abgerufen, sobald der Bediener auf eine größere Darstellung oder sogar auf den Vollbildmodus umschaltet. Das Abrufen des Videostreams in HDTV-Darstellung kann natürlich im Alarmfall auch automatisch über die Ereignissteuerung der Netzwerkkamera oder der Videomanagement-Software erfolgen. Auf diese Weise lassen sich IP-basierte Videoüberwachungseinrichtungen realisieren, die hochauflösende Videos zur Verfügung stellen und schonend in der Bandbreitenauslastung sind.

Vertretbare Bandbreiten

Betrachtet man den durchschnittlichen Bandbreitenbedarf anhand des zuvor genannten Beispiels im Detail (siehe Tabelle 2), so ergeben sich für einen Videokanal in Summe für den normalen Betriebsfall ein Bandbreitenbedarf von 3,95 MBit/s und im Alarmfall von 7,8 MBit/s. Diese Bandbreiten stellen in einer heutigen Netzwerk-Infrastruktur keine Herausforderung dar und sind für den praktischen Betrieb durchaus vertretbar. Kritiker neigen fälschlicherweise dazu, den Bandbreiten- bedarf zu hoch anzusetzen, indem sie die maximalen Bandbreiten auf die Anzahl der Videokanäle hochrechnen. Bei dem Beispiel ist jedoch zu berücksichtigen, dass man ja nicht gleichzeitig von der Live- Bildbetrachtung mehrerer Videokanäle ausgehen kann.

Tabelle 2: Beispielkalkulation für den Bandbreitenbedarf eines Videokanals mit hochauflösenden HDTV-Videos (Zum Vergrößern Lupe anklicken)

Heute gibt es bereits viele HDTV-fähige Netzwerkkameras auf dem Markt, die Videoströme in 720p, 1080i und/oder 1080p bei Bildraten von 25 oder 30 Bildern/Sekunde liefern können. Somit stehen heute im Vergleich zu einem 4CIF-Bild die 2,2-fache (720p) oder fünffache (1080i/p) Auflösung zur Verfügung, ohne dass Kompromisse in der Bildrate eingegangen werden müssen – vorausgesetzt, dass die verwendete Netzwerkkamera die jeweils relevanten SMPTE-Standards unterstützt und somit die Bildrate garantiert wird. Es ist zu erwarten, dass es zukünftig HDTV-fähige Netzwerkkameras geben wird, welche 1080p bei Bildraten von 50 oder 60 Bildern/Sekunde liefern, sodass voraussichtlich die nächste Qualitätssteigerung in der Reduzierung der Bewegungsunschärfe von sich schnell bewegenden Objekten liegen wird.

Jörg Rech, Technical Trainer & Consultant bei der Axis Communications GmbH

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