Tìm Hiểu Tốc độ Khung Hình Trong Camera Giám Sát (Frame Rate In ...

FRAME RATE LÀ GÌ ?

Frame rate được hiểu ngắn gọn là tốc độ khung hình. Đó là tần số xuất hiện các khung hình riêng lẻ mà máy ảnh của bạn chụp trong một giây.

Tưởng tượng bạn vẽ hình chú chó ra tờ note, giờ hãy vẽ thật nhiều tờ note khác miêu tả sự di chuyển rất nhỏ sang bên trái, để khi bạn gộp lại và lật nhanh sẽ nhìn thấy chú chó đang chạy trước mắt mình, những tờ note riêng biệt đó được gọi là khung hình.

Đơn vị đếm các frame trong video là FPS ( viết tắt của từ Frames – per – second ). Ví dụ video của bạn hiển thị 24 khung hình mỗi giây, vậy video của bạn là 24 fps.

Đây là bài viết hướng dẫn chuyên sâu về tốc độ khung hình trong camrea giám sát. Đầu tiên, bạn cần phải biết tốc độ của vật thể, thông thường là con người.

Tốc độ của con người

Người di chuyển càng nhanh, bạn càng có nhiều cơ hội bỏ lỡ hành động, Bạn biết “tốc độ” của Frame rate là 1 khung hình / giây (1 fps), 10 khung hình / giây (10 fps), 25 khung hình/ giây (25 fps)… nhưng bạn cần tốc độ bao nhiêu khung hình để ghi hình tin cậy nhất.

Đây là cách mọi người di chuyển:

Đối với một người đi bộ, tốc độ bình thường thì thường là ~4 feet/s (khoảng 1,2 mét / giây) . Đây là video ghi lại người đi bộ bình thường 6 mét trong khoảng 5 giây:

Đối với một người đang chạy, chúng ta có video di chuyển 6 mét trong khoảng 1,25 giây, tức là anh ấy di chuyển với ~5 mét trong 1 giây:

Ví du: Nếu bạn chỉ có 1 khung hình/ giây (1 fps), một người có thể di chuyển từ 1,2 mét tới 4.8 mét trong khoảng thời gian đó. Vì thế chúng ta cần lưu ý điều này khi đánh giá lựa chọn tốc độ khung hình.

Trong hướng dẫn này, tôi xin đề cập đến:

• Tốc độ mọi người di chuyển ra sao và làm thế nào để so sánh với tốc độ khung hình.
• Đi bộ: Bạn có những rủi ro nào khi bắt hình một người đang đi bộ ở tốc độ 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Chạy: Bạn đã nắm bắt được ai đang chạy ở tốc độ 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Xoay đầu (ngó nghiêng): Bạn nhận mặt mũi rõ ràng của một người như thế nào ở 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Chơi bài: Bạn không nắm bắt được thông tin gì về bài chơi ở mức 1, 10 và 30 khung hình / giây.
• Tốc độ màn trập so với tốc độ khung hình: Cả hai có sự liên quan như thế nào?
• Tỷ lệ băng thông so với khung: băng thông tăng với tăng tốc độ khung hình như thế nào?
• Tỷ lệ khung hình trung bình được sử dụng: Trung bình trong camera giám sát là bao nhiêu?

Ví dụ đi bộ.

Khi người mẫu đi xuyên qua góc nhìn camera, chúng ta xem anh ấy chuyển từ khung này tới khung khác như thế nào. Trong luồng video 30 fps và 10 fps, anh ấy không hoàn thành một bước đi đầy đủ. Tuy nhiên, trong ví dụ 1fps, anh ta đã tiến tới ~1,2 mét giữa các khung hình, và phù hợp với tốc độ đi bộ của chúng ta đo được ~1,2 mét / giây.

Ví dụ khi chạy.

Khi người mẫu chạy qua góc nhìn camera, luồng 30 fps vẫn bắt kịp anh ta, trong khi ở luồng 10 khung hình / giây, anh ấy đã đi ~0,3 mét giữa các khung. Trong ví dụ 1 fps, chỉ có một khung của đối tượng bị bắt, với góc nhìn của camera giữa các khung, chỉ với chân sau của người mẫu có thể nhìn thấy trong khung thứ hai.

Chụp khuôn mặt

Cố gắng để có được một khuôn mặt rõ ràng có thể khó khăn khi mọi người di chuyển bởi vì họ tự nhiên xoay đầu của họ thường xuyên. Trong video này, chúng ta có người mẫu vừa đi bộ ở hành lang vừa lắc đầu với tốc độ khung hình khác nhau. Hãy xem:

Chú ý, ở tốc độ 1 khung hình / giây, chỉ có một cú đánh đầu rõ ràng là bị bắt, nhưng ở tốc độ 10 khung hình / giây, bạn sẽ có nhiều hơn thế. Cuối cùng, ở tốc độ 30 khung hình / giây, bạn có thể nhận được một hoặc hai lần, nhưng không cải thiện nhiều.

Dưới đây là frame rates tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất trong mỗi trường hợp cụ thể :

1 – 16 FPS

Đặc điểm

- Người xem sẽ gần như không thể thấy hiệu ứng chuyển động.

- Hiếm khi sử dụng trong sản xuất phim và video hiện nay.

Ứng dụng

- Vẫn có thể sử dụng để tái hiện những bộ phim không tiếng ngày xưa.

24 FPS

Đặc điểm

- Frame rate tiêu chuẩn phổ biến nhất hiện nay.

- Mang lại giao diện điện ảnh, hiệu ứng giống với mắt người nhìn nhất cho video.

Ứng dụng

- Sử dụng cho các máy chiếu ở rạp chiếu phim trên toàn thế giới.

- Tiêu chuẩn lí tưởng cho phim truyện, ngành công nghiệp điện ảnh và trên TV.

30 FPS

Đặc điểm

- Giúp tăng chất lượng của các video cần sự chính xác trong điều kiện di chuyển nhanh và trực tiếp.

- Giúp ghi lại các chuyển động chạy hoặc nhảy trông thật và rõ nét hơn.

Ứng dụng

- Sử dụng phổ biến trên các kênh tin tức, quảng cáo, chương trình truyền hình, sự kiện thể thao hay bất cứ sự kiện nào phát sóng trực tiếp.

- Những tính năng live stream hay quay video trên điện thoại cho ứng dụng Instagram, Facebook…

60 FPS

Đặc điểm

- Mang lại những cảnh quay chuyển động chân thực và chi tiết.

- Thông thường những video sẽ được chỉnh sửa sang tốc độ này sau khi quay để mang lại hiệu ứng di chuyển chậm ( Slow – motion )

- Để tạo ra chuyển động chậm mượt mà và chân thực hơn, cameraman sẽ quay video ở tốc độ 60 FPS, sau đó sẽ giảm thành 24 FPS hoặc 30 FPS ở khâu hậu kì.

Ứng dụng

- Sử dụng quay video khi chơi game tốc độ cao như đua xe, chiến đấu

- Những cảnh quay slow- motion.

120 + FPS

Đặc điểm

- Mang lại tốc độ khung hình cao cho các hiệu ứng đặc biệt, làm chậm hoặc siêu chậm các di chuyển nhanh, tăng cảm xúc, sự thích thú cho người xem.

Ứng dụng

- Lí tưởng để quay lại các di chuyển nhanh trong sự kiện thể thao ( vận động viên chạy, chơi thể thao, trượt ván, lướt sóng … ), sự vật ( vụ nổ , pháo hoa, bão … ).

Tỷ lệ băng thông so với khung hình

Tỷ lệ khung ảnh hưởng đến băng thông, nhưng đối với các chuẩn nén hiện đại, như H.264, nó ít tỷ lệ thuận hơn. Vì vậy, nếu bạn tăng tốc độ khung hình lên 10x, băng thông tăng có thể sẽ thấp hơn nhiều, thường chỉ có từ 3 đến 5 lần băng thông. Đây là điều chúng tôi thấy thường xuyên bị nhầm lẫn trong ngành CCTV. Lý do của việc này là nén liên khung, làm giảm nhu cầu băng thông cho các phần của cảnh mà vẫn giữ nguyên trên các khung hình Minh họa thêm điểm này, chúng tôi đã đo 30, 10 và 1 fps để chứng minh sự thay đổi tốc độ bit trong một thiết lập kiểm soát trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Bitrate trung bình như sau:

• 1 fps là 0.179 Mb / s
• 10 khung hình / giây, với 10x khung hình, tiêu thụ băng thông 4x nhiều hơn 1 khung hình / giây (0.693 Mb / s)
• 30 khung hình / giây, với 3x khung hình, tiêu thụ gấp đôi băng thông 10 khung hình / giây và với 30x khung, 7x băng thông 1fps (1.299 Mb / s)

Các phép đo này được thực hiện với 1 I frame trên giây, thiết lập phổ biến nhất trong camera giám sát chuyên nghiệp

Tỷ lệ khung trung bình được sử dụng

Tỷ lệ khung hình ngành công nghiệp trung bình là ~ 10 khung hình / giây, phản ánh mức độ này cung cấp đủ khung để nắm bắt hầu hết các hành động một cách chi tiết đồng thời giảm thiểu chi phí lưu trữ.

Tốc độ khung hình 6-10fps được sử dụng phổ biến nhất. Tốc độ này đảm bảo những đoạn hình ảnh được ghi và phát lại với chất lượng khá mượt, đồng thời giảm thiểu chi phí trong việc lưu trữ.

Những hình ảnh chúng ta thường xem trên ti-vi được phát ở tốc độ khoảng 30 khung hình/giây (fps). Tốc độ khung hình này được gọi là tốc độ khung hình “trọn vẹn” (“full” frame rate– tốc độ khung hình chuẩn của truyền hình theo hệ NTSC, đảm bảo hình ảnh xuất hiện liên tục và trọn vẹn, không ngắt quãng). Trong lĩnh vực giám sát an ninh, các camera IP đạt tốc độ khung hình “trọn vẹn” cũng ngày càng trở nên phổ biến. Quả thật, hầu hết các camera IP cao cấp hiện nay đều được thiết kế để hỗ trợ tốc độ 30 fps.

Tuy nhiên trên thực tế, tốc độ khung hình nào đang được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực giám sát an ninh hiện nay? Và tại sao lại chọn tốc độ đó? Thông qua những phản hồi từ hơn 80 nhà tích hợp hệ thống đã từng triển khai khoảng 1000 hệ thống giám sát an ninh trên toàn thế giới, bài viết này sẽ giúp chúng ta tìm ra câu trả lời cho những thắc mắc trên.Trước tiên, hãy xem qua biểu đồ phân tích có được nhờ phản hồi từ các nhà tích hợp hệ thống (xem biểu đồ trên).Có thể thấy các hệ thống giám sát an ninh hiện tại đang sử dụng một tốc độ khung hình khá thấp trong việc ghi hình. Khoảng 70% hệ thống sử dụng tốc độ khung hình ở mức 10 fps hoặc thấp hơn. Tốc độ này thấp hơn mức tốc độ khung hình “trọn vẹn” đến 70%.

Xem các nhà tích hợp hệ thống trình bày ý kiến của họ:Ý kiến của các nhà tích hợp hệ thống sử dụng tốc độ khung hình trung bình thấp hơn 5 fps:

Các yêu cầu lưu trữ và mạng.

Tăng thêm thời gian lưu trữ trên ổ đĩa cứng.

Chi phí lưu trữ. Vì vậy, chẳng có gì đáng ngạc nhiên khi nguyên nhân chủ yếu thúc đẩy người dùng ở phân khúc này lựa chọn sử dụng tốc độ khung hình 5 fps chính là vì chi phí lưu trữ.

So sánh với phản hồi của các nhà tích hợp sử dụng tốc độ khung hình trung bình từ 6–10 fps: • Yêu cầu chất lượng hình ảnh trung bình và dung lượng lưu trữ nhỏ– một sự cân bằng tốt đẹp. • Tôi không có nhu cầu nào với tốc độ khung hình cao hơn 10 fps, trừ khi hệ thống của tôi còn quá nhiều dung lượng lưu trữ không dùng đến. • Một sự cân bằng giữa việc lưu trữ và khả năng quan sát được các sự kiện. • Tốc độ khung hình này hoàn toàn đủ để người dùng có được hình ảnh tốt. • Chúng tôi sử dụng tốc độ khung hình 8 fps để có được những đoạn hình ảnh liên tục, không bị giật khi phát lại.

Tốc độ khung hình từ 6 đến 10 fps vừa đủ để cung cấp toàn bộ các chi tiết trong một sự kiện có những hành động nhanh (ví dụ: một nghi phạm đang tháo chạy, hoặc một cuộc tấn công). Và các chi tiết này sẽ còn chính xác hơn nếu được ghi hình trong điều kiện ánh sáng được trang bị tốt. Tôi muốn khách hàng sử dụng tiền vào việc trang bị ánh sáng tốt và camera có tốc độ khung hình ở mức trung bình hơn là sở hữu một camera có tốc độ khung hình cao với ánh sáng kém.

Các nhà tích hợp hệ thống sử dụng tốc độ khung hình từ 6–10 fps được xếp vào nhóm “cân bằng”: Họ lựa chọn tốc độ khung hình vừa đủ để hiển thị hình ảnh một cách liên tục ở mức có thể chấp nhận được, đồng thời tiết kiệm chi phí lưu trữ.

Ý kiến phản hồi của nhóm chọn tốc độ khung hình 11–19 fps: • Yêu cầu của khách hàng. • Yêu cầu hình ảnh phải chi tiết và các thông tin rõ ràng. • Việc xem lại video diễn ra gần sát với thời gian thực là một lợi thế lớn. Đôi khi bạn có thể bỏ lỡ vài chi tiết nếu sử dụng tốc độ khung hình thấp hơn 10 fps. • Sử dụng tốc độ khung hình thấp hơn 11 fps khiến hình ảnh chuyển động thất thường và bị giật, nhưng hơn 15 fps lại tiêu thụ quá nhiều băng thông và dung lượng lưu trữ. • Tùy thuộc vào vị trí lắp đặt camera. Nếu vị trí camera đặt tại các khu vực quan trọng hoặc cần hình ảnh chi tiết rỏ nét, chúng tôi sử dụng tốc độ 15 fps. Còn ở các khu vực rộng lớn hoặc ít quan trọng, có thể dùng tốc độ 5 fps hoặc thấp hơn.

Tốc độ khung hình 11–19 fps đáp ứng được những đòi hỏi khắt khe và thường tùy thuộc theo yêu cầu của khách hàng. Một điểm cần đặc biệt lưu ý, đây là sự lựa chọn của nhóm các nhà tích hợp thường xuyên triển khai các hệ thống có số lượng camera lớn. Cuối cùng, chúng ta hãy nhìn vào ý kiến của nhóm nhỏ nhất– những người lựa chọn tốc độ cao hơn 20 fps: • Casino và các điểm thu tiền mặt. • Thật không may, mặc dù tốc độ khung hình thấp hơn 20 fps đã đủ để ghi lại tất cả các thông tin cần thiết, nhưng hầu hết khách hàng của chúng tôi lại đòi hỏi cao hơn. Họ muốn có những hình ảnh sống động và trọn vẹn. • Do khách hàng chỉ định. Như vậy chúng ta có thể thấy, tùy vào vị trí lắp đặt camera và tùy vào nhu cầu thực tế của khách hàng mà chúng ta chọn tốc độ khung hình như thế nào cho phù hợp để giảm thiểu chi phí cho khách hàng. Megapixel (MP) có tác động đến tốc độ khung hình không? Các nhà tích hợp hệ thống lựa chọn camera SD nhiều hơn camera MP thì thường sử dụng tốc độ khung hình cao hơn mức trung bình so với các nhà tích hợp hệ thống còn lại. Nhìn từ biểu đồ, khoảng 70% các nhà tích hợp hệ thống sử dụng tốc độ khung hình thấp hơn 10 fps và trong số đó chỉ có 50% nhà tích hợp lựa chọn camera SD. Thực tế, việc sử dụng camera MP có vai trò nhất định trong việc định ra giới hạn tốc độ khung hình nhưng sự ảnh hưởng đó cũng không quá lớn. Có thể thấy hầu hết các nhà tích hợp hệ thống đều lựa chọn tốc độ khung hình ở khoảng 7–8 fps, thậm chí đối với những nhà tích hợp sử dụng chủ yếu camera SD cũng chọn tốc độ khung hình chỉ ở mức 10 fps.