Leitfaden zur Bildfrequenz für die Videoüberwachung

Die Wahl der richtigen Bildfrequenz für Ihre Anwendung ist wichtig, aber es kann unklar sein, wann Sie 10 oder 15 oder 20 oder 30 oder sogar 60 Bilder pro Sekunde verwenden sollten.

In diesem Leitfaden erklären wir:

• Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich Menschen und wie verhält sich das zu den Bildraten.
• Gehen: Welche Risiken bestehen bei der Aufnahme einer Person, die mit 1, 10 und 30 FPS geht?
• Laufen: Welche Risiken bestehen bei der Aufnahme einer laufenden Person mit 1, 10 und 30 FPS.
• Kopfdrehung: Wie viele klare Kopfschüsse erhalten Sie von einer Person bei 1, 10 und 30 FPS.
• Kartenspielen: Was verpassen Sie bei der Aufnahme von Karten, die mit 1, 10 und 30 FPS ausgeteilt werden?
• Verschlusszeit vs. Bildrate: Wie hängen diese beiden zusammen?
• Bandbreite vs. Bildrate: Wie stark steigt die Bandbreite mit zunehmender Bildrate?
• Durchschnittlich verwendete Bildraten: Was ist der Branchendurchschnitt?

Als Vorläufer muss man die Geschwindigkeit von Objekten kennen, vor allem von Menschen.

Geschwindigkeit von Menschen

Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto wahrscheinlicher ist es, dass man eine Aktion verpasst. Sie kennen die „Geschwindigkeit“ mit der Bildrate (1 Bild pro Sekunde, 10 Bilder pro Sekunde, 30 usw.), aber wie viele Bilder brauchen Sie für eine zuverlässige Aufnahme?

Eine Person, die in gemächlichem Tempo geht, legt ~4 Fuß pro Sekunde zurück und durchläuft dieses 20′ breite Sichtfeld in ~5 Sekunden:

Für eine Person, die läuft, durchläuft unser Objekt das 20′ breite Sichtfeld in ~1.5 Sekunden, was bedeutet, dass sie ~16′ in nur einer Sekunde zurücklegt:

Wenn Sie zum Beispiel nur 1 Bild pro Sekunde haben, kann sich eine Person in diesem Zeitrahmen leicht 4 bis 16 Fuß bewegen. Wir müssen dies bei der Auswahl der Bildrate berücksichtigen.

Beispiele für das Gehen

Während unsere Person durch das Sichtfeld geht, sehen wir, wie weit sie sich von einem Bild zum nächsten bewegt. Im 30-FPS-Stream macht er keinen vollständigen Schritt, sondern bewegt sich nur ein paar Zentimeter zwischen den Bildern.

Im 10-FPS-Stream hat er sich ein paar Zentimeter weiter bewegt, wird aber immer noch in demselben Schritt erfasst.

Im Beispiel mit 1 FPS hat er sich jedoch zwischen den Einzelbildern ~4′ fortbewegt, was mit unserer gemessenen Gehgeschwindigkeit von ~4′ pro Sekunde übereinstimmt.

Laufende Beispiele

Wenn unser Proband durch das FOV sprintet, erwischt ihn der 30 FPS Stream immer noch mitten im Schritt:

Während er im 10 FPS Stream ~2-3′ zwischen den Frames zurückgelegt hat.

Im Beispiel mit 1 FPS hingegen räumt die Person zwischen den Einzelbildern fast das gesamte Sichtfeld aus, wobei nur ein Teil ihres Körpers sichtbar ist, wenn sie auf der linken Seite eintritt, und ihr hinterer Fuß sichtbar ist, wenn sie austritt.

Im Beispiel mit 1 FPS wird nur ein Bild der Person aufgenommen, wobei sie den Rest des Sichtfelds zwischen den Bildern freigibt und nur ihr hinterer Fuß im zweiten Bild zu sehen ist.

Gesichterfassung

Der Versuch, eine klare Gesichtsaufnahme zu machen, kann schwierig sein, wenn sich Personen bewegen, da sie ihren Kopf häufig bewegen. In dieser Demonstration schüttelte die Person ihren Kopf hin und her, während sie einen Flur entlanglief, um die Auswirkungen verschiedener Bildraten zu zeigen. Sehen Sie sich das an:

Beachten Sie, dass bei 1 FPS nur 1-2 klare Kopfschüsse aufgenommen werden, aber bei 10 FPS erhalten Sie viel mehr. Bei 30 FPS schließlich erhalten Sie vielleicht ein oder zwei mehr, aber das ist keine große Verbesserung.

Kartenspielen

In diesem Test gab unsere Testperson eine Reihe von Spielkarten von Ass bis Fünf aus, wobei die Kamera auf die Standard-Verschlusszeit (1/30) eingestellt war.

In den Beispielen mit 30 und 10 FPS können wir jede Karte sehen, wie sie von der Oberseite des Stapels entfernt und auf den Tisch gelegt wird. Im Beispiel mit 1 FPS sieht man jedoch nur die Karten, die auf dem Tisch erscheinen, nicht aber die Bewegungen des Kartengebers, da die Bildrate zu niedrig ist.

Verschlusszeit im Vergleich zur Bildrate

Die Bildrate verursacht keine Unschärfe. Dies ist ein Irrglaube. Die automatische Verschlusszeitsteuerung der Kamera ist dafür verantwortlich.

Wir haben die Karten Ace bis 5 erneut behandelt und die minimale Verschlusszeit der Kamera auf 1/4000 Sekunde erhöht. Das folgende Bild vergleicht die Bewegungsunschärfe in der Hand des Kartengebers und der Karte, wobei die Karte 2 im Beispiel mit der kurzen Verschlusszeit viel besser lesbar ist.

1/4000s Verschlusszeit hat alle Spuren von Bewegungsunschärfe vollständig beseitigt. Bei Verschlusszeiten von 1/1000 und 1/2000 Sekunde wird die Unschärfe deutlich reduziert, aber sie war immer noch an den Fingern des Händlers und an den Rändern der Karten zu sehen, wenn man sich die Aufnahmen Bild für Bild ansah.

Wenn Sie Unschärfe haben, haben Sie ein Problem mit der Konfiguration der Verschlusszeit, nicht mit der Bildrate.

Slow Shutter und Bildrate

Auf der anderen Seite möchten manche Benutzer oder Kamerahersteller ihre maximale Verschlusszeit auf eine Rate einstellen, die langsamer ist als die Bildrate (z. B., ein 1/4s-Verschluss für eine 1/30s-Kamera). Dies führt nicht nur zu Unschärfen bei sich bewegenden Objekten, sondern auch zu Bildverlusten.

Die Bildrate pro Sekunde kann nie höher sein als die Anzahl der Belichtungen pro Sekunde. Bei einem 1/4s-Verschluss öffnet und schließt sich der Verschluss / die Belichtung nur 4 Mal pro Sekunde (d.h. 1/4s + 1/4s + 1/4s + 1/4s = 1s). Da dies nur 4 Mal geschieht, können Sie in dieser Sekunde nur 4 Bilder aufnehmen.

Einige Hersteller fälschen Bilder mit langen Verschlusszeiten, indem sie einfach das gleiche Bild immer wieder kopieren. Bei einer Verschlusszeit von 1/15s kann man zum Beispiel nur 15 Belichtungen und damit 15 Bilder machen. Um den Eindruck zu erwecken, dass Sie 30 Bilder haben, kann jedes Bild zweimal hintereinander gesendet werden.

Bandbreite im Vergleich zur Bildrate

Die Bildrate wirkt sich auf die Bandbreite aus, aber bei modernen Codecs wie H.264 und H.265 ist sie weniger als linear. Wenn Sie also die Bildrate um das 10-fache erhöhen (z.B. von 1 auf 10 FPS), ist der Anstieg der Bandbreite wahrscheinlich viel geringer, oft nur 2-3 mal so groß.

Der Grund dafür ist die Inter-Frame-Kompression, die den Bandbreitenbedarf für Teile von Szenen reduziert, die über mehrere Frames hinweg gleich bleiben (weitere Informationen zur Inter- und Intra-Frame-Kompression finden Sie in unserem CODEC-Tutorial).

Um diesen Punkt weiter zu verdeutlichen, haben wir Messungen mit 30, 10 und 1 FPS durchgeführt, um die Veränderung der Bitrate in einer kontrollierten Umgebung in unserem Konferenzraum zu demonstrieren. Die durchschnittlichen Bitraten waren wie folgt:

• 1 FPS betrug 0,179 Mb/s
• 10 FPS, mit 10x mehr Frames, verbrauchten 4x mehr Bandbreite als 1 FPS (0,693 Mb/s)
• 30 FPS, mit 3x mehr Frames, verbrauchten die doppelte Bandbreite von 10FPS und, mit 30x mehr Frames, 7x die Bandbreite von 1FPS (1.299 Mb/s)

Diese Messungen wurden mit 1 I Frame pro Sekunde durchgeführt, der gängigsten Einstellung in der professionellen Videoüberwachung (mehr dazu unter: Test: H.264 I vs. P Frame Impact).

Weitere Informationen hierzu finden Sie in unseren Berichten zum Testen von Bandbreite vs. Bildrate und 30 vs. 60 FPS.

Durchschnittlich verwendete Bildraten

Die durchschnittliche Bildrate in der Industrie liegt bei ~15 FPS, was zeigt, dass dieses Niveau genügend Bilder bietet, um die meisten Aktionen granular zu erfassen und gleichzeitig die Speicherkosten zu minimieren.

Wie im vorigen Abschnitt gezeigt, kann ein Wechsel von 10 oder 15 FPS auf 30 FPS die Speicherkosten deutlich erhöhen, aber die erfassten Details nur geringfügig verbessern. Dieser Durchschnittswert ist in den letzten Jahren von 10 – 15 FPS gestiegen, was vielfach mit Verbesserungen bei der Komprimierung und günstigerem Speicherplatz begründet wird.