Basler Components. Videooptimierung bei Basler IP-Kameras APPLICATION NOTES

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1 DRAFT Basler Components Videooptimierung bei Basler IP-Kameras APPLICATION NOTES Dokumentnummer: AW Version: 02 Sprache: 001 (German) Erscheinungsdatum: 03 August 2010

2 Basler Support-Adressen Europa und Naher Osten: Basler AG Phone: An der Strusbek Fax: Ahrensburg Germany Amerika: Basler, Inc. Phone: Springdale Drive, Suite 203 Fax: Exton, PA U.S.A. Asien: Basler Asia Pte. Ltd Phone: Boon Lay Way Fax: # Tradehub 21 bc.support.ip.asia@baslerweb.com Singapore Änderungen an dieser Publikation ohne Vorankündigung jederzeit vorbehalten. Copyright Basler Vision Technologies.

3 1 Einleitung Wie ist die Basler IP-Kamera zu konfigurieren, um: die beste Bildqualität zu erreichen? Bewegungsunschärfe zu vermeiden? die höchste Bildrate zu erreichen? Wenn die Funktion einer Basler IP-Kamera (BIP), Videodaten zur Verfügung zu stellen, optimiert werden soll, muss zuerst über den Einsatzbereich der Kamera nachgedacht werden. Die wichtigsten gewünschten Eigenschaften des Videos für diesen Einsatzbereich sollten analysiert werden, beispielsweise: Es werden Bilder benötigt, die möglichst wenig Bewegungsunschärfe aufweisen. Es werden Bilder benötigt, die möglichst wenig Rauschen aufweisen. Es wird eine hohe Bildrate benötigt. usw. Es ist nicht immer möglich, alle genannten Wünsche gleichzeitig zu realisieren. Zum Beispiel brauchen Bilder mit sehr geringem Rauschen meist längere Belichtungszeiten. Allerdings können lange Belichtungszeiten Bewegungsunschärfen und niedrige Bildraten zur Folge haben. Um Bewegungsunschärfen zu vermeiden, sind kurze Belichtungszeiten nötig. Wenn kurze Belichtungszeiten in dunkler Umgebung genutzt werden, müssen die Bilder elektronisch verstärkt werden (elektronische Verstärkung = Gain ). Erhöhen des Gain verstärkt aber auch das immer in den Bildern vorhandene Rauschen. Die wichtigsten Parameter bezüglich der Bildqualität sind Gain, Belichtungszeit und die Blendeneinstellung des Objektivs. Besitzt das Objektiv eine elektronische DC-Blendensteuerung (DC-Iris), kann die Kamera jeden dieser Parameter automatisch steuern, um Bilder mit einer guten Durchschnittshelligkeit zu liefern. Weitere Parameter, die die Bildqualität beeinflussen, sind Schärfe, Bitrate oder die Qualitätseinstellungen des verwendeten Encoders. Application Notes 1

4 2 Anwendungsfälle Arbeitet eine Kamera mit ihren Standardeinstellungen, versucht diese automatisch, die besten Werte für Gain, Belichtungszeit und Blendenöffnung für ein "Standard"-Szenario einzustellen. "Standard" kann für verschiedene Situationen (in Bezug auf Helligkeit, Geschwindigkeit von sich bewegenden Objekten, usw.) als der beste Kompromiss angesehen werden. Aber bestimmt stellt dieser Kompromiss nicht für alle Situationen die beste Wahl dar. Der folgende Text beschreibt die Einstellungen, die sich für verschiedene Anwendungsfälle als am günstigsten erwiesen haben. 2.1 Anwendungsfall "Rauschen minimieren" Um auch bei geringer Lichtstärke den Rauschpegel in Bildern niedrig zu halten, sollte für den Exposure Mode der Kamera "Prioritize Quality" eingestellt werden. Dazu im Basler Surveillance Web Client das Menü Configuration öffnen und im Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen (siehe Abbildung rechts). Aus dem Exposure Mode Dropdown-Listenfeld Prioritize Quality wählen. Die Einstellung Prioritize Quality bewirkt, dass die automatischen Belichtungssteuerungen der Kamera (Auto-Belichtung, Auto-Gain und DC-Iris) den Gain gering halten. Dies verringert wiederum das Bildrauschen. Mit der Auswahl von Prioritize Quality erhalten die Belichtungssteuerungen die Helligkeit des Bildes hauptsächlich durch Anpassen der DC-Irisblendenöffnung und der Belichtungszeit. Bei geringer Lichtstärke führt diese Einstellung zu einer weit geöffneten Blende (und somit zu Bildern mit geringer Tiefenschärfe) und zu langen Belichtungszeiten (die unscharfe Bilder verursachen und die Bildrate verringern können). Wenn das Exposure Time Limit (siehe unten) erreicht ist, beginnt die Kamera den Gain zu erhöhen, um die Bildhelligkeit zu erhalten. 2 Application Notes

5 Maximale Belichtungszeit begrenzen Wenn Exposure Mode auf Prioritize Quality eingestellt ist, erhalten die automatischen Belichtungssteuerungen der Kamera die Bildhelligkeit hauptsächlich durch die Steuerung der Blendenöffnung und der Belichtungszeit aufrecht. Bei geringer Lichtstärke ergeben sich lange Belichtungszeiten und dies kann zu Bewegungsunschärfe oder zu einer Reduzierung der Bildrate führen. Aus diesem Grund gibt es die Möglichkeit, die maximale Belichtungszeit der automatischen Belichtungssteuerung zu begrenzen. Der Parameter Exposure Time Limit ermöglicht die Festlegung der maximalen Belichtungszeit, die von den automatischen Belichtungssteuerungen genutzt werden kann. Um die maximal verfügbare Belichtungszeit einzustellen, Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen und den Parameter Exposure Time Limit wie rechts gezeigt einstellen. Maximalen Gain begrenzen Auch die Einstellungen des maximalen Gain, der für die automatischen Belichtungssteuerungen zur Verfügung stehen soll, können begrenzt werden. Natürlich kann dies bei geringer Lichtstärke zu dunklen Bildern führen, weil der verfügbare Gain nicht ausreichend ist, um helle Bilder zu liefern. Um den maximal verfügbaren Gain einzustellen, im Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen und den Parameter Gain Limit wie rechts gezeigt einstellen. Application Notes 3

6 Schärfe Zusätzlich zum Belichtungsmodus und den Begrenzungseinstellungen kann die Bildqualität durch den Parameter Sharpness (Schärfe) beeinflusst werden. Wenn Sharpness auf einen Wert größer Null eingestellt wird, erfolgt eine elektronische Nachschärfung des Bildes durch Betonung der Bildkanten. Für das menschliche Auge wirkt das Bild dadurch schärfer. Allerdings führt diese Nachschärfung der Bildkanten auch zu einer Betonung des Rauschens. Reduzieren der Schärfe reduziert dagegen auch das Rauschen, aber das Bild erscheint dem menschlichen Auge dadurch weicher. Um die Schärfe einzustellen, im Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Appearance wählen und den Parameter Sharpness wie rechts gezeigt einstellen. Kompression Schließlich ist die Bildqualität in hohem Maße abhängig vom Kompressionsgrad des Bildes. Aus einem hohen Kompressionsgrad resultieren kleine Bilder (die weniger Bandbreite für die Übertragung über das Netzwerk benötigen), ABER es erscheinen im Bild auch mehr Kompressionsartefakte, die folglich die Bildqualität mindern. Um den Kompressionsgrad für einen Bilddatenstrom einzustellen, im Gruppenfenster Streaming Registerkarte des Streams wählen, mit dem gearbeitet werden soll (z.b. Stream 0) und Parameter Quality wie rechts gezeigt einstellen. Je höher die Einstellung für Quality, umso niedriger fällt der Kompressionsgrad aus. Es ist zu beachten, dass die Qualitätseinstellung nur auf den Bilddatenstrom angewendet wird, wenn auch der Parameter Encoder Mode auf VBR (Variable Bitrate) eingestellt ist. Die Bildqualität kann auch indirekt eingestellt werden, indem der Parameter Bitrate genutzt wird, um die maximale Netzwerklast der Kamera festzulegen. Der Parameter Bitrate wird nur auf den Bilddatenstrom angewendet, wenn auch der Parameter Encoder Mode auf CBR (konstante Bitrate) eingestellt ist. In diesem Fall versucht die Kamera, die somit eingestellte maximale Netzwerklast nicht zu überschreiten und gibt immer Bilder derselben Größe (bezüglich der Bitrate) aus. Da die Größe des komprimierten Bildes (gleichgültig, ob es JPEG, MPEG4 oder H.264 ist) nicht nur in hohem Maße vom Kompressionsgrad, sondern auch vom Inhalt des Bildes abhängig ist, muss eine Kamera, die auf CBR eingestellt ist, den Kompressionsgrad für jedes einzelne Bild variieren, 4 Application Notes

7 um alle Bilder in derselben Größe ausgeben zu können. Generell gilt: Je niedriger die Einstellung für die Bitrate ist, desto höher ist der Kompressionsgrad. Wenn primär die Bildqualität wichtig ist, empfehlen wir, VBR zu nutzen. Wenn bevorzugt die Netzwerklast der Kamera von Bedeutung ist, sollte CBR bevorzugt werden. 2.2 Anwendungsfall "Bewegungsunschärfen vermeiden" Um Bewegungsunschärfe im Bild zu vermeiden, muss die Kamera auf die Nutzung kurzer Belichtungszeiten konfiguriert werden. Zuerst den Exposure Mode der Kamera auf Prioritize Framerate einstellen. Dazu im Basler Surveillance Web Client das Menü Configuration öffnen und im Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen (siehe Abbildung rechts). Aus dem Exposure Mode Dropdown-Listenfeld Prioritize Framerate wählen. Die Einstellung Prioritize Framerate bewirkt, dass die automatischen Belichtungssteuerungen der Kamera (Auto-Belichtung, Auto-Gain und DC-Iris) die Belichtungszeit kurz halten. Mit der Auswahl von Prioritize Framerate erhalten die Belichtungssteuerungen die Helligkeit des Bildes hauptsächlich durch Anpassen der DC-Irisblendenöffnung und Gain. Bei geringer Lichtstärke führt diese Einstellung zu einer weit geöffneten Blende (und somit zu Bildern mit geringer Tiefenschärfe) und zu einem hohen Gain (der zu verstärktem Rauschen im Bild führen kann). Wenn das Gain Limit (siehe unten) erreicht ist, beginnt die Kamera die Belichtungszeit zu erhöhen, um die Bildhelligkeit zu erhalten. Application Notes 5

8 Maximalen Gain begrenzen Wenn Exposure Mode auf Prioritize Framerate eingestellt ist, erhalten die automatischen Belichtungssteuerungen der Kamera die Bildhelligkeit hauptsächlich durch die Steuerung der Blendenöffnung und Gain aufrecht. Bei geringer Lichtstärke führt dies zu hohen Gain-Einstellungen und kann Bilder mit sehr hohem Rauschen verursachen. Aus diesem Grund gibt es die Möglichkeit, den der automatischen Belichtungssteuerung zur Verfügung stehenden Gain zu begrenzen. Der Parameter Gain Limit ermöglicht die Festlegung des maximalen Gain, der von den automatischen Belichtungssteuerungen genutzt werden kann. Um den maximal verfügbaren Gain einzustellen, Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen und den Parameter Gain Limit wie rechts gezeigt einstellen. Maximale Belichtungszeit begrenzen Wenn Exposure Mode auf Prioritize Framerate eingestellt ist, erhalten die automatischen Belichtungssteuerungen der Kamera die Bildhelligkeit hauptsächlich durch die Steuerung der Blendenöffnung und Gain aufrecht. Aber bei geringer Lichtstärke könnten die automatischen Belichtungssteuerungen den eingestellten Grenzwert erreichen, bis zu dem der Gain erhöht werden darf, und würden in diesem Fall beginnen, die Belichtungszeit zu erhöhen. Wenn die Belichtungszeit einen bestimmten Schwellwert nicht überschreiten soll (z.b. 1/60 Sekunden), kann eine maximal verfügbare Belichtungszeit eingestellt werden. Um die maximal verfügbare Belichtungszeit einzustellen, im Gruppenfenster Image Controls Registerkarte Exposure wählen und den Parameter Exposure Time Limit wie in der Abbildung rechts gezeigt einstellen. Natürlich kann dies bei geringer Lichtstärke zu dunklen Bildern führen, weil die verfügbare Belichtungszeit nicht ausreichend ist, um helle Bilder zu liefern. 6 Application Notes

9 2.3 Anwendungsfall "Hohe Bildrate" Die effektive Bildrate (Anzahl Bilder pro Sekunde, die von der Kamera an das Netzwerk ausgeliefert werden) ist im Wesentlichen von zwei Faktoren abhängig: Der Anzahl der Bilder pro Sekunde, die aus dem Sensor der Kamera ausgelesen und auf die interne "CPU" (Digital Signal Processor (digitaler Signalprozessor) = DSP) der Kamera übertragen werden. Der Kompressionsgeschwindigkeit des DSP. Das schwächste Glied in dieser Kette bestimmt die Gesamtgeschwindigkeit. Wenn der Sensor mehr Bilder pro Sekunde an den DSP überträgt als dieser komprimieren kann, lässt der DSP die Bilder, die er nicht kodieren kann, einfach wegfallen. Dies führt zu einer niedrigeren effektiven Bildrate im Vergleich zur Sensor-Bildrate. Die Bildrate des Sensors hängt hauptsächlich davon ab, wie dieser konfiguriert wird. Um die Sensor-Bildrate einzustellen, im Basler Surveillance Web Client Menü Configuration öffnen und im Gruppenfenster Streaming Registerkarte Global wie rechts gezeigt wählen. Aus dem Dropdown-Listenfeld Frame Rate Mode die gewünschte Bildrate einstellen. Zudem sollte berücksichtigt werden, dass die Bildrate des Sensors auch von der Belichtungszeit abhängig sein kann. Wenn die Belichtungszeit beispielsweise auf 1/2 Sekunde eingestellt ist, kann der Sensor nur zwei Bilder pro Sekunde erfassen, ungeachtet dessen, worauf der Frame Rate Mode eingestellt ist. In allen Fällen gilt, dass wenn die Belichtungszeit länger wird als der Kehrwert der konfigurierten Bildrate, der Sensor nicht länger die konfigurierte Bildrate liefern wird. Dann sollte die Belichtungszeit reduziert werden, um eine höhere Bildrate zu erreichen (Informationen zur Reduzierung der Belichtungszeit, siehe Anwendungsfall "Bewegungsunschärfen vermeiden"). Die Kompressionsgeschwindigkeit des DSP ist abhängig von dessen Arbeitsauslastung. Je größer die Auslastung, desto weniger Bilder pro Sekunde können komprimiert werden. Die Auslastung ist das Ergebnis einer Anzahl verschiedener Faktoren: Der Codec. Die verschiedenen Codecs (auch Encoder ) verursachen unterschiedlich hohe Arbeitslasten im DSP. MJPEG benötigt die geringste Rechenleistung und ermöglicht somit die höchste Bildrate. MPEG-4 erfordert eine erheblich höhere Rechenleistung. H.264 benötigt die höchste Rechenleistung und erzielt somit die niedrigste Bildrate. Bildgröße. Mit höherer Bilddateneinspeisung steigt auch die Arbeitslast des DSP. Reduktion der Bildgröße ( Area of Interest (AOI) einrichten oder Output Scaling anwenden) führt zu höheren Bildraten. Application Notes 7

10 Anzahl gleichzeitiger Streams. Je mehr Video-Streams gleichzeitig codiert werden müssen, desto höher ist die Arbeitslast des DSP. Die höchste Bildrate wird mit nur einem aktiven Stream erzielt. Bewegungserkennung. Die Bewegungserkennungsfunktion der Kamera führt zu einer erheblich größeren Arbeitslast für den DSP. Um die höchsten Bildraten zu erzielen, sollte die Bewegungserkennung deaktiviert werden. Qualität. Je niedriger die Qualität (und je kleiner die Bilder, siehe oben), desto mehr Bilder kann der DSP pro Sekunde verarbeiten und an das Netzwerk ausliefern. Dies führt zu einer höheren Bildrate. Frame Rate Mode. Wenn wesentlich mehr Bilder pro Sekunde eingespeist werden als der DSP verarbeiten kann, sinkt die effektive Bildrate. Der Frame Rate Mode für einen Sensor sollte nur wenig größer konfiguriert werden als der Wert, der vom DSP wirklich verarbeitet werden kann. Schritte zur Einstellung: 1.Anzahl der Bilder ermitteln, die derzeit in den Stream eingespeist werden, mit dem gearbeitet wird: a.im Basler Surveillance Web Client Menü Configuration Gruppenfenster Streaming öffnen und Registerkarte für den gewünschten Videostream wählen, z.b. Stream 0 wie unten gezeigt. 8 Application Notes

11 Videooptimierung bei Basler IP-Kameras b.schaltfläche Text Overlay klicken und so das Fenster Configure Text Overlay Contents öffnen. Wie unten gezeigt den Ausdruck $fps$ zum eingeblendeten Text hinzufügen und Schaltfläche OK klicken. c. Gruppenfenster Streaming schließen. Die Registerkarte Live Stream zeigt nun (im Beispielbild Registerkarte Live Stream 0, weil mit Stream 0 gearbeitet wird), als eingeblendeten Text die aktuelle Anzahl Bilder pro Sekunde, die von der Kamera übertragen werden. Im Beispielbild unten ist die Bildrate im eingeblendeten Text rot eingekreist. 2.Die Bildrate des Sensors entsprechend abstimmen. Gibt die Kamera wie im Beispielbild nur circa 15,5 fps aus, hätte es keinen Sinn, den Sensor auf die Erfassung von 30 fps einzustellen. Eine Einstellung auf 20 fps wäre geeigneter. Im Gruppenfenster Streaming Registerkarte Global wählen und Frame Rate Mode auf 20 fps einstellen. Application Notes 9

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13 Änderungshistorie Änderungshistorie Dokumentnummer Datum Änderungen AW Okt 2009 Erste Version erstellt. AW Aug 2010 Kontaktadressen auf Deckblattrückseite angepasst und Screenshots aktualisiert. Application Notes 11

14 Änderungshistorie 12 Application Notes