Một trong những thách thức lớn nhất khi thiết kế hệ thống giám sát an ninh CCTV là làm sao đảm bảo cân bằng giữa hiệu suất hệ thống và chất lượng hình ảnh, đáp ứng mọi yêu cầu của chủ đầu tư. Thực tế, có rất nhiều yếu tố dễ khiến chủ đầu tư thất vọng khi nghiệm thu hệ thống CCTV: Chất lượng hình ảnh từ camera quan sát không đúng như trong tài liệu thiết kế (độ phân giải Full HD, khả năng cân bằng ánh sáng, tầm quan sát xa 30 m…); hình ảnh thu được không giống với bản demo camera của hãng; chất lượng và độ sắc nét hình ảnh không được chân thật khi hiển thị trên màn hình... Một lý do nữa là chưa có thước đo chung để đánh giá hiệu suất và chất lượng hình ảnh hệ thống CCTV.
Người dùng thường quan tâm các thông số kỹ thuật như độ phân giải hình ảnh, tiêu cự ống kính, tỷ lệ khung hình… khi lựa chọn hệ thống camera quan sát. Tuy nhiên, các thông số trên không tác động trực tiếp đến hiệu suất của toàn hệ thống, mà sự tương tác giữa chúng với nhau mới là yếu tố quyết định chất lượng hình ảnh sau cùng. Điều này khiến người dùng khó dự đoán được kết quả cuối cùng nếu không có hình ảnh thực tế (bản vẽ mô phỏng thực tế trước khi triển khai).
Cách đánh giá truyền thống sử dụng phương pháp PPT (pixel per target – số lượng điểm ảnh trên đối tượng) để xác định chất lượng hình ảnh của hệ thống CCTV. Tuy nhiên, nếu chỉ dựa vào PPT ta sẽ không tính được cụ thể khoảng cách từ camera đến đối tượng, do đó không thể tổng hợp thông số để đưa ra chất lượng hình ảnh chính xác thu được. Để khắc phục vấn đề này, cần một đơn vị thước đo mới, đó là PPF. Thông số PPF là thước đo để tính toán chất lượng hình ảnh dựa vào khoảng cách từ camera đến đối tượng, góc quan sát, độ phân giải của camera.
Ví dụ: Camera có độ phân giải 3 megapixel và ống kính tiêu cự 6 mm sẽ cho ra hình ảnh có thông số PPF khác nhau tùy vào khoảng cách từ camera đến đối tượng cần quan sát. Ngược lại, khi khoảng cách giữa camera và đối tượng là cố định, nếu thay camera có độ phân giải khác nhau sẽ cho ra hình ảnh có thông số PPF khác nhau.
Hình 1: Một camera độ phân giải 3 megapixel với ống kính tiêu cự 2,8 mm, khoảng cách từ camera đến đối tượng khác nhau sẽ cho ra hình ảnh có thông số PPF khác nhau.
Hình 1.
Cân nhắc trên nhiều khía cạnh
Hình 2: Hình ảnh từ một camera quan sát với các khoảng cách từ camera đến đối tượng khác nhau.
Để minh họa khái niệm này rõ hơn, hình 2 cho thấy một loạt ảnh được chụp từ một camera quan sát với các khoảng cách từ camera đến đối tượng khác nhau, dẫn đến thông số PPF và chất lượng hình ảnh cũng khác nhau. Chỉ cần nhìn lướt qua, hình ảnh với thông số 120 PPF có độ nét hơn nhiều so với các hình ảnh khác, phù hợp cho bất kì hệ thống CCTV nào. Tuy nhiên, để đạt chất lượng hình ảnh như vậy trên một khu vực rộng, ta cần bố trí số lượng camera dày đặc, mỗi camera đặt cách nhau vài mét. Cách lắp đặt này phù hợp để triển khai ở những nơi có kiến trúc và ngân sách cho phép bố trí nhiều camera gần nhau như ở sòng bạc, nơi cần quan sát về tiền bạc và chi tiết từng hành động của nhiều đối tượng. Tuy nhiên, cách làm này vẫn chưa phù hợp với nhiều dự án có kiến trúc hoặc ngân sách giới hạn.
Gần đây, ngành công nghiệp giám sát an ninh được chia thành ba nhóm thông số PPF phù hợp với từng nhu cầu như sau:
• < 40 PPF quan sát hình ảnh chung toàn cảnh.
• > 40 PPF quan sát hình ảnh chi tiết để phục vụ cho việc điều tra sau này khi xảy ra sự cố.
• > 80 PPF quan sát hình ảnh độ chi tiết cao, có thể nhìn thấy rõ khuôn mặt.
Hiện nay, một số phần mềm tích hợp tính năng giám sát nhận diện khuôn mặt yêu cầu số lượng điểm ảnh trên đối tượng phải đạt tối thiểu 120 PPF, còn phần mềm nhận diện biển số xe chỉ yêu cầu từ 40 PPF trở lên. Để đáp ứng nhu cầu chủ đầu tư, cần có bản vẽ thiết kế bao gồm góc quan sát của từng camera, góc quan sát ngang và thước đo hiển thị thông số PPF để có thể đánh giá trước chất lượng hình ảnh. Việc quan sát đối tượng ở khoảng cách thước đo hiển thị 20 PPF là rất khó, vì hình ảnh rất mờ và vỡ nét. 80 PPF là giới hạn tối thiểu để quan sát hình ảnh rõ nét, chất lượng tốt.
Hình 2.
Tính toán PPF
Thông số PPF có công thức tính như sau:
PPF = M / (2 * D * tan (x/2))
Trong đó:
M: Số lượng điểm ảnh theo phương ngang (camera độ phân giải 2 megapixel có số điểm ảnh ngang là 1600 pixel)
D: Khoảng cách từ ống kính đến đối tượng (được tính bằng feet hoặc mét)
x: Góc quan sát của camera (với ống kính tiêu cự 2,8 mm, góc quan sát của camera là 89 độ)
Ví dụ: Camera có độ phân giải 3 megapixel, góc quan sát 72 độ, nằm cách đối tượng cần quan sát 10 m. Thông số PPF ở đây là: 2.048 / (2 * 10 * tan (72/2)) = 140,9 PPF.
Thông số PPF được tính toán dựa theo khoảng cách ngang. Các nhà sản xuất camera sử dụng chip cảm biến hình ảnh CCD hoặc CMOS đều tuân thủ tiêu chuẩn tỷ lệ giữa điểm ảnh ngang và điểm ảnh dọc, nên ta chỉ cần quan tâm đến thông số ngang. Nếu tính PPF dựa theo số lượng điểm ảnh dọc, tiêu cự, góc quan sát, khoảng cách đến đối tượng không đổi thì kết quả cũng sẽ giống thông số PPF tính theo số lượng điểm ảnh ngang. Tuy nhiên, nếu đánh giá chất lượng hình ảnh dựa vào số lượng điểm ảnh trên một đơn vị diện tích (inch vuông hoặc mét vuông), nhà thiết kế vẫn không hình dung được chất lượng hình ảnh mà camera thu được, vì chất lượng hình ảnh còn phụ thuộc vào khoảng cách đến mục tiêu xa hay gần.
Vậy điều gì xảy ra với góc quan sát dọc? Vì sao góc quan sát dọc gần như không được đề cập đến trong tài liệu kỹ thuật? Câu trả lời là vì không quan trọng. Khi lắp đặt camera ở những vị trí có chiều cao trần thông thường, camera sẽ bao quát toàn bộ góc quan sát dọc. Chỉ khi cần lắp camera ở những vị trí trần nhà rất cao, nhà thiết kế mới cần tính đến góc quan sát dọc để xác định độ bao quát của camera.
Nếu góc quan sát dọc của camera không được thể hiện, ta có thể tính toán dựa trên thông số góc quan sát ngang và tỷ lệ khung hình được chọn của camera như sau:
Vfov = 2 * arctan (M / (2 * D * AR))
Trong đó:
M: Số điểm ảnh theo phương ngang
D: Khoảng cách từ ống kính đến
đối tượng
AR: Tỷ lệ khung hình được chọn (ví dụ: 1,33 đối với tỷ lệ khung hình 4:3)
Tỷ lệ khung hình là tỉ lệ giữa điểm ảnh chiều ngang và điểm ảnh chiều cao được tính theo độ phân giải. Khung hình thường được sử dụng theo tỉ lệ 4:3 (1,33) hay 16:9 (1,77). Tất cả nhà sản xuất đều mặc định tỷ lệ khung hình cho camera là 4:3, nhưng thông số này có thể được điều chỉnh khi cần. Khi thay đổi tỷ lệ khung hình, các camera thường không ghi (hoặc bỏ qua) một số điểm ảnh ở ngoài cùng cho phù hợp với tỷ lệ khung hình mới.
Cân nhắc khoảng cách và góc quan sát
Khi tỷ lệ khung hình thay đổi, góc quan sát của camera cũng sẽ thay đổi ngay cả khi ta giữ nguyên ống kính và khoảng cách đến đối tượng. Đồng thời, góc quan sát còn thay đổi khi độ phân giải hình ảnh của camera được tùy chỉnh khác với độ phân giải thiết lập ban đầu. Ví dụ: Khi bạn điều chỉnh độ phân giải camera từ thiết lập 3 megapixel ban đầu xuống còn 1 megapixel, góc quan sát camera sẽ thay đổi. Lý do là các nhà sản xuất camera sử dụng thuật toán loại bỏ một số điểm ảnh ở các góc cạnh khung hình (còn gọi là phương pháp loại bỏ điểm ảnh) để thay đổi thiết lập độ phân giải của camera, dẫn đến thay đổi cả hai góc quan sát ngang và dọc. Một số nhà sản xuất khác sử dụng thuật toán mở rộng hoặc thu hẹp điểm ảnh theo một khung hình cố định để khi thay đổi độ phân giải sẽ không bị mất các điểm ảnh ở góc cạnh, giúp góc quan sát không thay đổi. Nhưng trên thực tế, cả những camera tốt nhất vẫn gặp hạn chế nhất định khi phóng to thu nhỏ. Vì vậy nhà sản xuất thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp nhằm đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt nhất.
Hiện nay, khi thiết kế hệ thống CCTV hoàn chỉnh cho một dự án, nhà tích hợp hệ thống có thể sử dụng các công cụ phần mềm thiết kế mô phỏng không gian ba chiều như BIM (Building Information Modeling), Floor Planner… cho phép bố trí camera giống như thực tế, thể hiện trực quan vị trí lắp đặt, cho phép điều chỉnh vị trí lắp đặt và góc quan sát của camera dễ dàng, tùy chỉnh khoảng cách từ camera đến đối tượng để tính toán thông số PPF chính xác nhằm đáp ứng chất lượng hình ảnh theo đúng yêu cầu của chủ đầu tư dự án. Những công cụ này rất hữu ích cho việc thiết kế hệ thống hiệu quả ngay từ đầu, đảm bảo vị trí lắp đặt camera, góc quan sát và chất lượng hình ảnh ở các khu vực cần quan sát đúng như mong muốn.
Kết luận
Thông số PPF đang được nhiều nhà thiết kế ứng dụng như là thước đo mới cho chất lượng hình ảnh khi thiết kế hệ thống CCTV nhằm đáp ứng kỳ vọng của chủ đầu tư dự án và các bên liên quan. Ngoài ra, sử dụng các phần mềm mô phỏng sẽ giúp người thiết kế dễ dàng tính toán chất lượng hình ảnh và điều chỉnh hợp lý theo yêu cầu trước khi triển khai thực tế. Giờ đây, chất lượng hình ảnh sau khi triển khai sẽ hoàn toàn giống những gì được thiết kế, đảm bảo chủ đầu tư không phải thất vọng khi nghiệm thu.
