Guida al frame rate per la videosorveglianza

Scegliere il giusto frame rate per la tua applicazione è importante ma capire quando dovresti usare 10 o 15 o 20 o 30 o anche 60 fotogrammi al secondo può essere poco chiaro.

In questa guida, spieghiamo:

• A quale velocità si muovono le persone e come si confrontano con i frame rate.
• Camminare: Che rischi avete catturando una persona che cammina a 1, 10 e 30FPS.
• Correre: Che cosa avete catturando una persona che corre a 1, 10 e 30FPS.
• Capovolgimento: Quanti colpi di testa più chiari si ottengono di una persona a 1, 10 e 30FPS.
• Giocare a carte: Cosa ti manca per catturare le carte che vengono distribuite a 1, 10 e 30FPS.
• Velocità dell’otturatore vs Frame Rate: Come sono legati questi due?
• Larghezza di banda vs Frame Rate: Quanto aumenta la larghezza di banda con l’aumento del frame rate?
• Frame rate medio utilizzato: Qual è la media del settore?

Come precursore, è necessario conoscere la velocità degli oggetti, più tipicamente delle persone.

Velocità delle persone

Più velocemente si muove un oggetto, più è probabile che si perda un’azione. Si conosce la ‘velocità’ con il frame rate (1 fotogramma al secondo, 10 fotogrammi al secondo, 30, ecc.), ma di quanti fotogrammi si ha bisogno per una cattura affidabile?

Una persona che cammina a passo tranquillo copre ~4 piedi al secondo, camminando attraverso questo 20′ wide FoV in ~5 secondi:

Per una persona che corre, il nostro soggetto attraversa il 20′ FOV in ~1.5 secondi, il che significa che copre ~16′ in un solo secondo:

Per esempio, se hai solo 1 frame al secondo, una persona può facilmente muoversi da 4 a 16 piedi in quel lasso di tempo. Dobbiamo tenerlo a mente quando valutiamo la scelta del frame rate.

Esempi di camminata

Come il nostro soggetto cammina attraverso il FOV, vediamo quanto si muove da un fotogramma all’altro. Nel flusso a 30 FPS, non completa una falcata completa, muovendosi solo di pochi centimetri tra un fotogramma e l’altro.

Nel flusso a 10 FPS, si è spostato di qualche centimetro in più, ma è ancora catturato nella stessa falcata.

Nell’esempio a 1 FPS, invece, ha progredito di ~4′ tra un fotogramma e l’altro, il che corrisponde alla nostra velocità di camminata misurata di ~4′ al secondo.

Esempi di corsa

Con il nostro soggetto che sprinta attraverso il FOV, il flusso a 30 FPS lo cattura ancora a metà passo:

Mentre nel flusso a 10 FPS, ha percorso ~2-3′ tra i fotogrammi.

Invece, nell’esempio a 1 FPS, il soggetto si libera di quasi tutto il campo visivo tra i fotogrammi, con solo parte del suo corpo visibile quando entra a sinistra e il suo piede posteriore visibile quando esce.

Nell’esempio a 1 FPS, viene catturato solo un fotogramma del soggetto, con lui che libera il resto del FOV tra i fotogrammi, con solo il piede posteriore visibile nel secondo fotogramma.

Cattura dei volti

Tentare di ottenere una chiara ripresa del volto può essere difficile quando le persone si muovono perché naturalmente spostano spesso la testa. In questa dimostrazione, abbiamo chiesto al soggetto di scuotere la testa avanti e indietro camminando lungo un corridoio per mostrare l’impatto dei diversi frame rate. Date un’occhiata:

Nota, a 1 FPS, vengono catturati solo 1-2 colpi di testa chiari, ma a 10 FPS, se ne ottengono molti di più. Infine, a 30 FPS, si possono ottenere uno o due in più, ma non è un gran miglioramento.

Giocare a carte

In questo test, il nostro soggetto ha distribuito una serie di carte da gioco dall’asso al cinque con la fotocamera impostata sul tempo di posa predefinito (1/30).

Negli esempi a 30 e 10 FPS, possiamo vedere ogni carta mentre viene rimossa dalla cima del mazzo e messa sul tavolo. Tuttavia, nell’esempio a 1 FPS, vediamo solo le carte che appaiono sul tavolo, non i movimenti del mazziere, perché il frame rate è troppo basso.

Velocità dell’otturatore vs Frame Rate

Il frame rate non causa sfocatura. Questo è un malinteso. Lo fa il controllo automatico della velocità dell’otturatore della fotocamera.

Per quanto riguarda le schede da Ace a 5, abbiamo aumentato la velocità minima dell’otturatore della fotocamera a 1/4000 di secondo. L’immagine qui sotto confronta il mosso nella mano e nella carta del mazziere, con la carta 2 molto più leggibile nell’esempio di velocità dell’otturatore veloce.

1/4000s di velocità dell’otturatore ha eliminato completamente ogni traccia di mosso. Le velocità dell’otturatore di 1/1000 e 1/2000 di secondo riducono significativamente la sfocatura, ma era ancora evidente intorno alle dita del commerciante e ai bordi delle carte quando si guardavano le registrazioni fotogramma per fotogramma.

Se hai la sfocatura, hai un problema di configurazione della velocità dell’otturatore, non di frame rate.

Slow Shutter e Frame Rate

D’altra parte, a volte gli utenti vogliono o i produttori di fotocamere impostano il loro otturatore massimo su una velocità inferiore al frame rate (es, un otturatore da 1/4s per una fotocamera da 1/30s). Questo non solo causa la sfocatura degli oggetti in movimento, ma si perdono anche dei fotogrammi.

Il frame rate al secondo non può mai essere superiore al numero di esposizioni al secondo. Se hai un otturatore 1/4s, l’otturatore / esposizione si apre e chiude solo 4 volte al secondo (cioè, 1/4s + 1/4s + 1/4s + 1/4s = 1s). Poiché questo avviene solo 4 volte, puoi avere solo 4 fotogrammi in quel secondo.

Alcuni produttori falsificano i fotogrammi con l’otturatore lento, semplicemente copiando lo stesso fotogramma più e più volte. Per esempio, se hai un otturatore da 1/15s, puoi avere solo 15 esposizioni e, quindi, 15 fotogrammi. Per far sembrare che tu abbia 30 fotogrammi, ogni fotogramma può essere inviato due volte di seguito.

Bandwidth vs Frame Rate

Il frame rate ha un impatto sulla banda, ma per i codec moderni, come H.264 e H.265, è meno che lineare. Quindi se si aumenta il frame rate di 10 volte (ad esempio da 1 a 10 FPS), l’aumento della larghezza di banda sarà probabilmente molto inferiore, spesso solo 2-3 volte di più. Questo è qualcosa che vediamo sbagliare regolarmente nell’industria.

La ragione di questo è la compressione inter-frame, che riduce le esigenze di larghezza di banda per le parti di scene che rimangono le stesse attraverso i fotogrammi (per maggiori informazioni sulla compressione inter e intra frame, vedi il nostro tutorial CODEC).

Illustrando ulteriormente questo punto, abbiamo preso misure a 30, 10 e 1 FPS per dimostrare il cambiamento di bit rate in un ambiente controllato nella nostra sala conferenze. I bitrate medi erano i seguenti:

• 1 FPS era 0,179 Mb/s
• 10 FPS, con 10 volte più fotogrammi, consumava 4 volte più banda di 1 FPS (0,693 Mb/s)
• 30 FPS, con 3 volte più fotogrammi, consumava il doppio della banda di 10FPS e, con 30 volte i fotogrammi, 7 volte la banda di 1FPS (1.299 Mb/s)

Queste misurazioni sono state fatte con 1 I frame al secondo, l’impostazione più comune nella videosorveglianza professionale (per saperne di più, vedi: Test: H.264 I vs P Frame Impact).

Per saperne di più, vedi i nostri report che testano la larghezza di banda rispetto al frame rate e 30 vs 60 FPS.

Frame Rate medi utilizzati

Il frame rate medio del settore è di ~15 FPS, riflettendo che questo livello fornisce abbastanza fotogrammi per catturare la maggior parte delle azioni in modo granulare minimizzando i costi di archiviazione.

Come mostrato nella sezione precedente, passare da 10FPS o 15 FPS a 30FPS può aumentare notevolmente i costi di archiviazione ma migliorare solo marginalmente i dettagli catturati. Questa media è aumentata da 10 – 15 FPS negli ultimi anni con molti che citano i miglioramenti nella compressione e l’archiviazione più conveniente.