Estabilização de imagem – Melhorando as condições de uso da câmera IP

Câmeras menos sensíveis a vibrações tornam a instalação mais flexível e permitem múltiplas opções de montagem. Como resultado, um número menor de dispositivos pode satisfazer as exigências do sistema de vigilância. Com a estabilização da imagem, a máscara de privacidade pode ser executada de forma mais precisa. Em uma câmera sem qualquer sistema de estabilização, os efeitos de possíveis vibrações terão que ser compensados pelo aumento da área com o mascaramento na imagem.

Axis Communications

Data: 26/11/2016

Edição: RTI Novembro 2016 - Ano XVI - N^o 198

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Fig. 1 - Imagem à esquerda, um close-up sem estabilização de imagem eletrônica, mostrando tanto o borrão de movimento horizontal quanto vertical. Imagem à direita, um instantâneo (“snapshot”) da câmera vibrando com estabilização de imagem eletrônica ativada. Imagens simuladas

As rajadas de ventos que atingem uma câmera de vigilância podem fazê-la sacudir ou vibrar o suficiente para que as imagens sejam reproduzidas como um borrão sem utilidade. Um caminhão pesado ou um trem passando nas proximidades pode ter consequências similares.

Diversas soluções técnicas têm sido desenvolvidas para lidar com esse tipo de problema, obtendo diferentes graus de sucesso. No entanto, a introdução de giroscópios eficientes em combinação com uma tecnologia avançada de programação de software acelerou o processo para melhoria da estabilização de imagens em tempo real.

Impacto da vibração na saída de vídeo

As melhorias na qualidade de vídeo tornaram o problema das imagens borradas mais aparente. O aumento na densidade de pixels, maior resolução e zooms mais potentes não apenas tornaram as câmeras mais sensíveis às vibrações, como também tornaram os espectadores mais suscetíveis e propensos a percebê-las.

Naturalmente, operadores e integradores estão cientes desses desafios e tentando solucioná-los. Como exemplo, a vibração pode ser reduzida por meio da escolha de suportes mais resistentes ou locais menos expostos para a instalação.

A estabilização da imagem torna o sistema completo de videovigilância mais versátil e eficiente por meio do uso mais adequado do potencial de cada câmera, como por exemplo, mantendo a qualidade da imagem de zooms quando, de outra maneira, as vibrações poderiam afetar a qualidade do vídeo.

Técnicas de estabilização da imagem

As técnicas de estabilização da imagem são utilizadas em dispositivos como câmeras fotográficas digitais e câmeras de vídeo. Hoje, existem dois métodos para atacar o problema: estabilização de imagem óptica e estabilização de imagem eletrônica.

Estabilização de imagem óptica

Um sistema de estabilização de imagem óptica geralmente depende de giroscópios ou acelerômetros para detectar e medir as vibrações da câmera. As leituras, normalmente limitadas aos movimentos horizontal e vertical (“pan” e “tilt”), são retransmitidas para atuadores que movem uma lente na cadeia óptica para compensar o movimento da câmera. Em alguns projetos, a solução preferível é, em vez disso, mover o sensor de imagem usando, por exemplo, pequenos motores lineares.

Qualquer um dos métodos é capaz de compensar o tremor da câmera e lente, de forma que a luz possa incidir sobre o sensor de imagem da mesma forma que seria se a câmera não estivesse vibrando. A estabilização de imagem óptica é particularmente útil quando da utilização de longas distâncias focais e também funciona adequadamente em condições de pouca luz.

A principal desvantagem de uma solução óptica é o preço.

Estabilização de imagem eletrônica

A estabilização de imagem eletrônica foi desenvolvida principalmente para câmeras de vídeo.

A estabilização de imagem eletrônica se baseia em diferentes algoritmos para modelagem do movimento da câmera, que são então usados para corrigir as imagens. Os pixels fora da margem da imagem visível são usados como um buffer para movimento e as informações desses pixels podem então ser usadas para deslocar a imagem eletrônica quadro a quadro, suficiente para contrabalançar o movimento e criar um fluxo de vídeo estável.

Embora a técnica seja eficiente e tenha um custo interessante, principalmente porque não há necessidade de partes móveis, ela tem uma deficiência que é sua dependência da entrada do sensor de imagem. Por exemplo, o sistema pode ter dificuldades em distinguir um movimento percebido provocado por um objeto passando rapidamente na frente da câmera de um movimento físico induzido por vibrações.

Distorção do obturador “rolling shutter”

Muitas câmeras de vídeo, especialmente as câmeras com sensores CMOS, vêm com um obturador “rolling shutter”. Ao contrário de um obturador “global shutter”, que expõe todos os pixels ao mesmo tempo em um único instantâneo, o rolling shutter captura a imagem por meio de uma varredura de todo o quadro, linha por linha. Em outras palavras, todas as partes da imagem não são capturadas ao mesmo tempo, mas cada linha é exposta durante uma janela de tempo ligeiramente diferente. Tremores ou vibrações da câmera vão, portanto, resultar em cada linha exposta sendo ligeiramente movida em relação às outras linhas, causando uma imagem distorcida ou tremida. Objetos em rápido movimento também podem parecer distorcidos de forma similar.

Fig. 2 - Princípio de distorção do global shutter

A distorção do rolling shutter induzida por vibrações pode ser evitada com estabilização óptica, que instantaneamente compensa o movimento. Os métodos de estabilização eletrônica têm uma ligeira desvantagem neste caso. O rolling shutter precisa primeiro escanear pelo menos uma linha antes que o processamento digital possa ser iniciado para estabilizar a imagem. Contudo, esse método funciona muito bem e a tecnologia está melhorando rapidamente.

Uma excepcional combinação

O desenvolvimento de giroscópios acessíveis, juntamente com algoritmos mais eficientes para modelagem do movimento da câmera, tornou as técnicas de estabilização mais disponíveis.

Adicionalmente, isso também permitiu a criação de sistemas híbridos que usam medições do giroscópio, não para mover a lente, mas para processar as imagens digitalmente, de acordo com os sinais daquele giroscópio. A solução é projetada para cobrir uma ampla faixa de frequências, bem como para atender às amplitudes altas e baixas. Giroscópios avançados, juntamente com algoritmos otimizados, tornam o sistema robusto e confiável. Mesmo em ambientes de pouca iluminação, o sistema tem um desempenho bastante adequado, uma vez que depende de informações do giroscópio em vez do conteúdo de vídeo para cálculos de movimento. Pela mesma razão, o sistema pode sempre distinguir entre o movimento percebido provocado pela passagem de objetos e vibrações induzidas fisicamente.

Benefícios e aplicações na videovigilância

Uma câmera de vigilância montada em um local exposto, tal como em um poste alto ou semáforo próximo de uma rodovia movimentada, pode ser sacudida por ventos ou tráfego de passagem, que irão borrar o vídeo. Isto é especialmente verdadeiro se for usado um zoom telescópico potente. Ao dar um zoom em um objeto distante, o campo de visão se torna mais estreito e qualquer sacudida ou tremor vai ser amplificado na câmera – e a amplitude da sacudida aumentará proporcionalmente à quantidade de zoom utilizado.

Portanto, a estabilização de imagem deve ser considerada um pré-requisito para câmeras com lentes zoom, de forma que possam ser perfeitamente usadas em climas com ventanias ou outras circunstâncias desfavoráveis.

Câmeras menos sensíveis a vibrações também tornam a instalação mais flexível e permitem múltiplas opções de montagem. Como resultado, um número menor de dispositivos pode satisfazer as exigências do sistema de vigilância.

Uma vantagem da estabilização de imagem, talvez menos óbvia, é que a máscara de privacidade pode ser executada de forma mais precisa. Em uma câmera sem qualquer sistema de estabilização, os efeitos de possíveis tremores e vibrações terão que ser compensados pelo aumento da área com mascaramento na imagem.

Finalmente, as imagens estabilizadas vão economizar o uso de largura de banda e espaço de armazenamento. Formatos avançados de compressão de vídeo, como H.264, baseiam-se na compensação de movimento. Em resumo, esse método usa a imagem de um único quadro como uma referência e, em seguida, apenas salva as informações sobre as alterações na imagem. Uma imagem bem estabilizada vai conter comparativamente menos movimento e, portanto, exigir menor largura de banda e espaço de armazenamento.

Conclusão

O desenvolvimento de hardware e software está tornando as técnicas eficientes de estabilização de vídeo acessíveis para uma faixa cada vez maior de câmeras de rede. Esse progresso não apenas garante um monitoramento de vídeo regular e confortável em tempo real, como também melhora as condições de uso da imagem e a operabilidade da câmera, tornando a instalação mais flexível e, finalmente, otimiza o fator de custo- eficiência global de um sistema de vigilância por meio de câmeras de rede.