Videoüberwachung: Was muss eine Kamera wirklich können?

Ganz offensichtlich hat sich der CCTV- bzw. Überwachungsmarkt in den letzten Jahren drastisch ­verändert. Dies wird besonders deutlich, wenn man die immer ­rasanter werdenden Entwicklungen im Bereich der IP CCTV-Kameras ­betrachtet. Nicht nur, dass deren Leistungsfähigkeit, Effizienz und Ausstattung stetig verbessert ­werden, sie sollen auch immer mehr Aufgaben übernehmen, die man von einer klassischen Kamera zunächst nicht erwartet.

War es noch vor einigen Jahren das Ziel, eine auf H.264 basierende IP CCTV-Kamera in D1 oder sogar 720p Auflösung zu entwickeln, ist die Kamera von heute nicht nur eine Kamera, sondern darüberhinaus ein hocheffizienter Kleincomputer, von dem auch Videoanalyse erwartet wird. Darüber hinaus ist im Kameraspeicher (bzw. der SDHC-Karte) Videomanagement-Software untergebracht, die auch noch die Funktion des Servers übernimmt. Die klassische Denke, eine CCTV-Kamera muss lediglich eine gute Kamera sein, ordentliche Bilder bei Tag und Nacht liefern und dabei völlig „befreit" von „Server Aufgaben" agieren, wird durch den Trend zur „All-in-One"- bzw. „Alleskönner"-Kamera abgelöst.

Das Problem: Schwache Bilder bei schwachem Licht
Dennoch ist es wichtig, von Zeit zu Zeit über Sinn oder Unsinn solcher Entwicklungen nachzudenken und ggf. Korrekturen zu initiieren oder neue Wege aufzuzeigen. Die Schlüsselfrage lautet: „Was muss eine Kamera wirklich können?" Hört man auf die Anwender und analysiert deren Anforderungen, sollte eine gute CCTV-Kameras „alles" können, vor allem aber in jeder Situation scharfe und helle Bilder machen, mit denen die dazugehörige VMS auch etwas anfangen kann - und zwar bei Tag und Nacht, bei Dunst und Nebel, bei Regen und Schnee. Kurz, in jeder Situation.
Die meisten der modernen 1080p Kameras liefern bei Tag tatsächlich detailreiche und helle Bilder, während die Nachtbilder qualitativ oft unzureichend und für eine verwertbare Analyse per VMS kaum brauchbar sind. Der Grund dafür ist, dass die beiden wichtigsten Parameter - Auflösung und Lichtempfindlichkeit - voneinander abhängig sind und sich gegensätzlich beeinflussen.

Bei Bildsensoren gleicher Größe, liefert ein Chip mit mehr, d. h. kleineren Pixeln eine höhere Auflösung, verfügt jedoch über die geringere Lichtempfindlichkeit, da weniger Licht auf ein einzelnes Pixel trifft. Ein Chip mit weniger, d. h. größeren Pixeln besitzt eine geringere Auflösung, weist jedoch die höhere Lichtempfindlichkeit auf, da mehr Licht auf ein einzelnes Pixel trifft. Wie erwähnt, spielt dies bei ausreichender Beleuchtung der Szene kaum eine Rolle, bei schwachem Licht jedoch stellt diese Wechselwirkung ein erhebliches Problem dar. Es muss also ein praxisgerechter Kompromiss zwischen Auflösung und Lichtempfindlichkeit gefunden werden, zumal die Verstärkung eines zwar hochauflösenden aber schwachen Signals nur ein erhöhtes Rauschen zur Folge hätte. Geht man von einer sinnvollen Auflösung wie 1080p aus, bleibt nur, die Beleuchtung oder die Lichtempfindlichkeit zu erhöhen.

Lösungsansatz 1: Beleuchtungssituation verbessern
Um „Licht ins Dunkel zu bringen", haben sich IR-Strahler und direkt in den Kameras integrierte IR-Dioden bewährt. Während viele Kameraprofis einen guten IR-Strahler als die einzig richtige Lösung für Nachtaufnahmen ansehen, bevorzugen andere Anwender wegen des Installationsaufwandes und aus Kostengründen 1080P Kameras mit integrierten IR-LEDs. Hiermit erreicht man zwar eine schnelle und kostengünstige Installation, muss aber einige Nachteile, wie Überstrahlungen im Nahbereich (z. B. bei Gesichtern), eine relativ geringe Reichweite, Nebeneffekte bei Regen, Insektenbefall etc. in Kauf nehmen. Auch wenn die neuen, sog. „Smart IR Dioden" einige dieser unangenehmen Effekte etwas abmildern, verursachen beide IR-Lösungen trotz „suboptimaler" Ergebnisse relativ hohe Installations- und Folgekosten (Stromverbrauch!).

Lösungsansatz 2: Lichtempfindlichkeit erhöhen
Obwohl die IR-Technik bei manchen Anwendungen durchaus seine Berechtigung zur Verbesserung der Beleuchtungssituation hat, beschreitet JVC Professional einen anderen Weg mit unzureichender Beleuchtung umzugehen. Nachdem in den letzten Jahren aus den o. a. Gründen viele Ressourcen in die Entwicklung komplexer „Allround-Kamerasysteme" geflossen sind, konzentrieren sich die JVC-Ingenieure nun wieder auf die Schlüssel-Parameter, die eine gute Kamera ausmachen, nämlich vor allem die Verbesserung der Lichtempfindlichkeit. Sie rücken wieder die Kamera und damit das Thema „Lichtempfindlichkeit" in den Mittelpunkt seiner Arbeit. Dabei spielt die Sensorik, d. h. die Entwicklung eines äußerst lichtempfindlichen Chips, der auch bei Dunst und Nebel gute Ergebnisse liefert, die wichtigste Rolle.

Ausgestattet mit den erforderlichen Mitteln, war es das ehrgeizige Ziel von JVC, eine Kamera zu entwickeln, die nur bei „echten" 0,0 Lux-Anwendungen die Unterstützung eines IR-Strahlers bzw. integrierter IR-LEDs zur Aufhellung benötigt. Entsprechende Laboruntersuchungen und Tests hatten ergeben, dass bisher kein Produkt oder Entwicklungsansatz auf dem Markt diese Anforderungen erfüllt.

Das Ergebnis: Ein neuer lichtempfindlicher CMOS-Sensor
Da herkömmliche Videosensoren nicht die geforderten Ergebnisse liefern konnten, wurden bei der Konzeption des neuen Sensors, dem Herzstück der neuen Kameras, Anleihen bei der industriellen Sensor-Entwicklung gemacht. JVC ist es gelungen, bei der Sockelstruktur seines neuen Sensors das Beste aus zwei Welten zu kombinieren: die Vorteile des Wiring-Layouts eines klassischen CCD-Sensors mit der Sockelstruktur eines modernen CMOS-Sensors. Dadurch wird der nutzbare (und damit für die Lichtempfindlichkeit entscheidende) Pixelbereich deutlich vergrößert, ohne jedoch die Anzahl der Pixel wegen des Wiring-Layouts verringern zu müssen. Das Ergebnis ist der „Super LoLux CMOS-Sensor". Ein weiterer Vorteil des neuen Sensors ist, dass er um die horizontale und vertikale Achse geschwenkt werden kann, wodurch sich die optische Schärfe optimieren lässt (Stichwort: „Backfocus" / „Auflagemaß") und nichts an Schärfe durch mechanische Fehlstellungen verloren geht. Zugegeben, der Ausflug in die Welt der industriellen Sensor-Entwicklung war gewagt, wurde aber schließlich mit deutlich sichtbarem Erfolg belohnt.

Neuer Sensor plus neue Technologien ergibt bessere Kameras
Dennoch, ein Sensor alleine macht noch lange keine leistungsfähige 1080p Kamera. Für die Entwicklung eines neuen, den Möglichkeiten des „Super LoLux CMOS-Sensors" angepassten Encoders, neuer Rauschunterdrückungs-Technologien und der innovativen C.L.V.I.-Technologie (Clear Logic Video Intelligence) hat JVC ebenfalls viel investiert und erheblichen Aufwand betrieben. Bei C.L.V.I. handelt es sich um eine neue Technik, die Licht und Detailausbeute bei Nebel und Dunst um rund 40 % verbessert - ein erheblicher Fortschritt, der den Unterschied zwischen einem nutzlosen und einem funktionierenden System „mit Durchblick" ausmachen kann. Die Messwerte sprechen für sich: In Kombination mit diesen neuen Techniken ermöglicht der „Super LoLux CMOS-Sensor", dass die aktuellen Kameras der Super LoLux HD-Reihe tatsächlich bei 0,3 Lux noch verwertbare Farbbilder und bei 0,03 Lux verwertbare s/w-Bilder in 1080p Auflösung liefern.

Imagepflege wörtlich ­genommen
Vielen Kunden und Marktkenner reagierten sehr positiv auf den Ansatz und lobten, dass „sich endlich jemand wieder um die Lichtempfindlichkeit von CCTV-Kameras kümmert". Die skeptische Frage ob sich alles nur um cleveres Marketing oder Imagepflege dreht, kann man so beantworten: Ein Marketing-Gag ist der Ansatz von JVCs sicher nicht, das beweisen schon die Messwerte. Imagepflege? Nun gut, wenn man „Imagepflege" wörtlich übersetzt trifft es zu. JVC hat sich um die Pflege, das heisst die Verbesserung der Bilder seiner CCTV-Kameras gekümmert.