Guía de velocidad de fotogramas para la videovigilancia

Elegir la velocidad de fotogramas adecuada para su aplicación es importante, pero entender cuándo debe utilizar 10 o 15 o 20 o 30 o incluso 60 fotogramas por segundo puede ser poco claro.

En esta guía, explicamos:

• A qué velocidad se mueven las personas y cómo se compara con la velocidad de fotogramas.
• Caminando: Qué riesgos tienes capturando a una persona caminando a 1, 10 y 30FPS.
• Correr: Qué riesgos tiene capturar a una persona corriendo a 1, 10 y 30FPS.
• Giro de cabeza: Qué tienes capturando una persona girando la cabeza a 1, 10 y 30FPS.
• Jugar a las cartas: Qué se echa de menos al capturar las cartas que se reparten a 1, 10 y 30FPS.
• Velocidad de obturación vs Velocidad de fotogramas: ¿Cómo se relacionan estas dos cosas?
• Ancho de banda vs Frame Rate: ¿Cuánto aumenta el ancho de banda con el aumento de la velocidad de fotogramas?
• Velocidad de fotogramas media utilizada: ¿Cuál es la media de la industria?

Como precursor, necesitas conocer la velocidad de los objetos, más típicamente de las personas.

Velocidad de las personas

Cuanto más rápido se mueva un objeto, más probable es que te pierdas una acción. Usted conoce la «velocidad» con la tasa de fotogramas (1 fotograma por segundo, 10 fotogramas por segundo, 30, etc.), pero ¿cuántos fotogramas necesita para una captura fiable?

Una persona que camina a un ritmo tranquilo cubre ~4 pies por segundo, caminando a través de este FoV de 20′ de ancho en ~5 segundos:

Para una persona corriendo, nuestro sujeto atraviesa el FOV de 20′ en ~1.5 segundos, lo que significa que cubre ~16′ en sólo un segundo:

Por ejemplo, si sólo tiene 1 fotograma por segundo, una persona puede moverse fácilmente entre 4 y 16 pies en ese periodo de tiempo. Tenemos que tener esto en cuenta al evaluar la selección de la velocidad de fotogramas.

Ejemplos de caminatas

Como nuestro sujeto camina a través del FOV, vemos lo lejos que se mueve de un fotograma a otro. En la secuencia de 30 FPS, no completa una zancada completa, moviéndose sólo unos pocos centímetros entre fotogramas.

En la secuencia de 10 FPS, se ha movido unos pocos centímetros más, pero sigue siendo capturado en la misma zancada.

Sin embargo, en el ejemplo de 1 FPS, ha progresado ~4′ entre fotogramas, lo que coincide con nuestra velocidad de marcha medida de ~4′ por segundo.

Ejemplos de carrera

Con nuestro sujeto corriendo a través del FOV, el flujo de 30 FPS todavía lo atrapa a mitad de camino:

Mientras que en el flujo de 10 FPS, ha viajado ~2-3′ entre cuadros.

Sin embargo, en el ejemplo de 1 FPS, el sujeto despeja casi todo el campo de visión entre fotogramas, siendo visible sólo parte de su cuerpo al entrar por la izquierda y su pie trasero al salir.

En el ejemplo de 1 FPS, sólo se captura un fotograma del sujeto, con él despejando el resto del campo de visión entre los fotogramas, con sólo su pie trasero visible en el segundo fotograma.

Capturar rostros

Tratar de obtener una toma clara de la cara puede ser difícil cuando las personas se mueven porque naturalmente mueven la cabeza con frecuencia. En esta demostración, hicimos que el sujeto moviera la cabeza de un lado a otro caminando por un pasillo para mostrar el impacto de las diferentes velocidades de fotogramas. Observa:

Nota que, a 1 FPS, sólo se capturan 1 ó 2 tomas claras de la cabeza, pero a 10 FPS, se obtienen muchas más. Por último, a 30 FPS, puede obtener una o dos más, pero no es una gran mejora.

Jugando a las cartas

En esta prueba, nuestro sujeto repartió una serie de cartas del as al cinco con la cámara ajustada a la velocidad de obturación predeterminada (1/30).

En los ejemplos de 30 y 10 FPS, podemos ver cada carta mientras se retira de la parte superior de la baraja y se coloca en la mesa. Sin embargo, en el ejemplo de 1 FPS, sólo vemos las cartas que aparecen en la mesa, no los movimientos del crupier, ya que la velocidad de fotogramas es demasiado baja.

Velocidad de obturación frente a la velocidad de fotogramas

La velocidad de fotogramas no causa desenfoque. Esto es un concepto erróneo. El control automático de la velocidad de obturación de la cámara sí lo hace.

Tratando de nuevo las tarjetas Ace a 5, subimos la velocidad mínima de obturación de la cámara a 1/4000 de segundo. La imagen siguiente compara el desenfoque de movimiento en la mano del repartidor y en la carta, con la carta 2 mucho más legible en el ejemplo de velocidad de obturación rápida.

La velocidad de obturación de 1/4000s eliminó por completo todo rastro de desenfoque de movimiento. Las velocidades de obturación de 1/1000 y 1/2000 segundos reducen significativamente el desenfoque, pero todavía se notaba alrededor de los dedos del repartidor y de los bordes de las tarjetas al mirar las grabaciones fotograma a fotograma.

Si tiene desenfoque, tiene un problema de configuración de la velocidad de obturación, no de la tasa de fotogramas.

Obturador lento y tasa de fotogramas

Por otro lado, a veces los usuarios quieren o los fabricantes de cámaras predeterminan su obturador máximo a una tasa más lenta que la tasa de fotogramas (por ejemplo, un obturador de 1/4s para una cámara de 1/30s). Esto no sólo provoca el desenfoque de los objetos en movimiento, sino que también se pierden fotogramas.

La velocidad de fotogramas por segundo nunca puede ser mayor que el número de exposiciones por segundo. Si tiene un obturador de 1/4s, el obturador / exposición sólo se abre y se cierra 4 veces por segundo (es decir, 1/4s + 1/4s + 1/4s + 1/4s = 1s). Como esto sólo ocurre 4 veces, sólo puedes tener 4 fotogramas en ese segundo.

Algunos fabricantes falsifican los fotogramas con el obturador lento, simplemente copiando el mismo fotograma una y otra vez. Por ejemplo, si tienes un obturador de 1/15s, sólo puedes tener 15 exposiciones y, por tanto, 15 fotogramas. Para que parezca que tienes 30 fotogramas, cada fotograma puede enviarse dos veces seguidas.

Ancho de banda frente a velocidad de fotogramas

La velocidad de fotogramas influye en el ancho de banda, pero para los códecs modernos, como H.264 y H.265, es menos que lineal. Así que si aumentas la velocidad de fotogramas en 10x (por ejemplo, de 1 a 10 FPS), el aumento del ancho de banda es probable que sea mucho menor, a menudo sólo 2-3 veces más ancho de banda. Esto es algo que vemos por error con regularidad en la industria.

La razón de esto es la compresión entre fotogramas, que reduce las necesidades de ancho de banda para las partes de las escenas que siguen siendo las mismas a lo largo de los fotogramas (para más información sobre la compresión entre e intrafotogramas, consulte nuestro tutorial de CODEC).

Para ilustrar aún más este punto, tomamos mediciones de 30, 10 y 1 FPS para demostrar el cambio en la tasa de bits en un entorno controlado en nuestra sala de conferencias. Las tasas de bits medias fueron las siguientes:

• 1 FPS fue de 0,179 Mb/s
• 10 FPS, con 10 veces más fotogramas, consumieron 4 veces más ancho de banda que 1 FPS (0,693 Mb/s)
• 30 FPS, con 3 veces más fotogramas, consumieron el doble de ancho de banda que 10FPS y, con 30 veces los fotogramas, 7 veces el ancho de banda de 1FPS (1.299 Mb/s)

Estas mediciones se realizaron con 1 fotograma I por segundo, la configuración más común en la videovigilancia profesional (para más información, véase: Prueba: H.264 I vs P Frame Impact).

Para más información sobre esto, consulte nuestros informes que prueban el ancho de banda frente a la velocidad de fotogramas y 30 vs 60 FPS.

Velocidades de fotogramas medias utilizadas

La velocidad de fotogramas media de la industria es de ~15 FPS, lo que refleja que este nivel proporciona suficientes fotogramas para capturar la mayoría de las acciones de forma granular, al tiempo que se minimizan los costes de almacenamiento.

Como se muestra en la sección anterior, pasar de 10FPS o 15 FPS a 30FPS puede aumentar notablemente los costes de almacenamiento, pero sólo mejora marginalmente los detalles capturados. Este promedio ha aumentado de 10 a 15 FPS en los últimos años con muchos citando mejoras en la compresión y un almacenamiento más asequible.