Control de ganancia de video en aplicaciones de videovigilancia

En esta nota veremos la función de control de ganancia y su efecto en los sistemas de videovigilancia. A menudo, esta función se pasa por alto y solo es evidente cuando su aplicación se hace notoria, en especial en condiciones de muy baja iluminación. Para abordar este tema tendremos en cuenta estos puntos:

• ¿Qué es el control de ganancia?
  • El control de ganancia automático (AGC)
• Ajuste del control de ganancia 
• Ganancia en color y blanco y negro
• Efectos sobre el ancho de banda en cámaras IP
• Ganancia y rendimiento con muy poca luz 
• Relación entre ganancia y otras funciones de video
• Aplicaciones 
    

¿Qué es el control de ganancia?

El control de ganancia es una función que ajusta la sensibilidad del sensor (CCD) de la cámara. En términos simples, la ganancia amplifica la señal de video que proviene del sensor de imagen para compensar las condiciones de baja iluminación lo que ayuda a iluminar la escena cuando las condiciones de luz son insuficientes. Si bien, en términos generales, la función AGC representa una ventaja, en ocasiones este aumento en la sensibilidad puede llevar consigo un incremento en el nivel de 'ruido' de la imagen, lo cual puede afectar la calidad del video dado que se se genera un brillo o color que no corresponde con la realidad de la escena.

Fuente: cctvforum.com

Esto es crucial en el contexto de la videovigilancia para una mejor identificación de sujetos al poder capturar detalles, así como para observar y entender mejor lo que ocurrió durante un evento o incidente al revisar una grabación en investigaciones.

El control de ganancia automático (AGC)

Fuente: infinity-cctv.ir

Como su nombre lo indica, el control automático de ganancia se aplica automáticamente en casi todas las cámaras. En escenas nocturnas sin iluminación IR ni control de ganancia, el video para aplicaciones de videovigilancia sería muy oscuro y prácticamente inútil. Si bien el control de ganancia generalmente pasa desapercibido, su función es crítica. En condiciones de poca luz, intentar apagarlo o deshabilitarlo para eliminar el ruido solo resultará en una calidad de video mucho peor.

Ajuste del control de ganancia 

Fuente: wiki.setik.biz

El proceso de control de ganancia comienza con la detección automática de las condiciones de luz en el ambiente capturado por la cámara. Si la luz es baja, la ganancia se incrementa para hacer que la imagen sea más visible. Este ajuste es medido en decibelios (dB). Las cámaras más avanzadas permiten ajustes manuales de ganancia, mientras que otras ajustan automáticamente este parámetro en base a algoritmos predefinidos que buscan optimizar tanto la exposición como la calidad del video. Dado lo anterior la ganancia se controla típicamente de tres formas o enfoques:

Automático

Es la forma predeterminada. La mayoría de las cámaras ajustan automáticamente el nivel de ganancia requerido.

Fijo

Como alternativa, un usuario puede configurar la ganancia a un nivel específico, por ejemplo, siempre a 6 dB. Si se deja en un nivel demasiado bajo y la escena se oscurece moderadamente, la calidad de la imagen será bastante regular. Por otro lado, si se establece en un nivel alto y la escena se vuelve brillante, la imagen se distorsionará debido al ruido, generando un aspecto "lluvioso" en la imagen.

Con un umbral predefinido

Algunas cámaras permiten que en la configuración se limite la ganancia máxima que la cámara puede tomar. Esto le permite a la cámara la autonomía para fluctuar la ganancia, pero evita que sea demasiado alta. Puede ser útil para reducir algo de ruido con efecto visual y en cámaras IP y ayuda a reducir los picos de ancho de banda ocasionados por el ruido. 

En esta imagen vemos un ejemplo en el que se limita la ganancia a un máximo de 47 decibeles. En la imagen de la derecha, se muestra una simulación del efecto de amplificar la ganancia, donde en condiciones de baja iluminación el ruido en la imagen es notable. El ruido degrada la calidad de la imagen y generalmente aumenta el ancho de banda necesario para la transmisión de video. Es aquí donde entra en juego la función de reducción de ruido para mejorar la imagen y mitigar el impacto en el ancho de banda.

Ganancia en color y blanco y negro

La forma en que el control de ganancia afecta las imágenes puede variar dependiendo de si la cámara es a color o en blanco y negro. El video en color, aunque la amplificación de la ganancia mejora la visibilidad, también puede afectar la fidelidad de los colores. En niveles altos de AGC, los colores pueden aparecer más saturados o incluso algo distorsionados, ya que el AGC intensifica toda la señal, lo que incluye tanto la luminancia (brillo) como las componentes de color.

En modo blanco y negro, donde las diferencias de luminancia generan imágenes claras, el AGC puede hacer que las áreas oscuras sean más visibles y resalten detalles ocultos por la oscuridad. Cuanta más ganancia aplique el AGC, mayor será el "ruido" o granulación en la imagen. Esto es especialmente notable en cámaras de seguridad en blanco y negro, donde el ruido puede hacer que la imagen parezca granulada. Sin embargo, dado que estas cámaras solo procesan señales de luminancia (y no de color), el ruido puede ser menos perceptible o más aceptable en comparación con las imágenes a color bajo el mismo nivel de ganancia.

En ambos tipos de formato de video, con demasiada ganancia, las imágenes pueden volverse extremadamente brillantes y ruidosas, mientras que con muy poca ganancia, las imágenes pueden resultar demasiado oscuras para ser útiles.

El AGC hace que las cámaras sean más sensibles a la luz, permitiéndoles operar en un rango más amplio de condiciones de iluminación. Sin embargo, en situaciones de mucha luz, el AGC reducirá la ganancia para evitar la sobreexposición de la imagen.

Fuente: getsafeandsound.com

Como muestra la comparación, con el color se necesita un nivel mayor de ganancia, incluso en niveles de luz más altos, donde se puede apreciar el efecto del ruido claramente visible en cada imagen.

Ganancia y ancho de banda en cámaras IP

El impacto de la ganancia en el ancho de banda es uno de los problemas más comunes en la vigilancia en red bajo condiciones de baja iluminación, donde se observa un mayor consumo de ancho de banda. Así, se deduce que existe una fuerte correlación entre los niveles de ganancia y el ancho de banda, independientemente del modo de la cámara o del nivel de luz de la escena.

A continuación se muestra un gráfico que representa esta relación. Los datos están basados en el modo blanco y negro con una iluminación de 0,5 lux.

Fuente: axis.com

El costo del aumento en el ancho de banda se vuelve más alto a medida que aumentan los niveles de ganancia. Es común que algunas cámaras con un alto nivel de ruido consuman mucho ancho de banda en condiciones de poca luz. Por esta razón, muchos fabricantes permiten ajustar el control de ganancia según el criterio del integrador o usuario, y no siempre está configurado de forma automática.

Basándose en esto, se recomienda verificar el consumo de ancho de banda en condiciones de poca luz. Si es considerablemente alto, se debe validar si hay un límite en el control de ganancia y considerar reducirlo para verificar el consumo. Al final, se trata de evaluar una relación costo/beneficio.

Otra opción es utilizar MBR (tasa de bits máxima). La siguiente imagen muestra los resultados de una prueba donde se ajustó la ganancia máxima y se limitó el ancho de banda a 1 Mb/s. La calidad general de la imagen prácticamente no cambia, pero se mejora el consumo de ancho de banda.

Ganancia y rendimiento con muy poca luz 

Varios fabricantes comercializan familias de productos con tecnologías de desarrollo propio para mejorar el rendimiento en condiciones de muy poca luz, como LightFinder (Axis), Stellar (Arecont Vision), DarkFighter (Hikvision), entre otros. Todos ellos emplean formas avanzadas de control de ganancia para mejorar la calidad de imagen en situaciones de baja iluminación.

Fuente: axis.com

Sin embargo, al igual que el control de ganancia tradicional, tienden a aumentar aún más el consumo de ancho de banda, aunque la cantidad varía según las técnicas de reducción de ruido que utilicen. 

Fuente: hikvision.com

No son todos iguales y no se pueden comparar de manera generalizada. En procesos de diseño y especificación para aplicaciones críticas, siempre será mejor poder hacer pruebas con equipos de los fabricantes y verificar el desempeño real. 

Relación con otras funciones de calidad de video

El control de ganancia no es el único parámetro que afecta la calidad de las imágenes en sistemas de videovigilancia. Está intrínsecamente relacionado con otras funciones como la exposición, el balance de blancos y la reducción de ruido. El ajuste de la ganancia debe ser equilibrado con estos otros factores para evitar la degradación de la calidad del video.

Exposición

Mientras la ganancia aumenta la claridad en condiciones de poca luz, un ajuste adecuado de la exposición es vital para mantener un balance y evitar imágenes sobreexpuestas o subexpuestas.

Balance de blancos

Esta función asegura que los colores aparezcan de manera natural en diferentes tipos de iluminación, complementando así los ajustes realizados a través del control de ganancia.

Reducción de ruido

La reducción de ruido (NR) es esencial para minimizar el grano o "ruido" que a menudo acompaña los aumentos en señales de ganancia.

Las cámaras IP pueden emplear tecnología para reducir el ruido generado por valores de alta ganancia, conocida como Reducción Dinámica de Ruido (DNR).

Fuente: suresecure.co.uk

DNR tiene como objetivo reducir el ruido digital mediante el procesamiento de fotogramas individuales bidimensionales o a través de una serie de fotogramas tridimensionales para identificar los cambios de escena a fin de determinar qué es y qué no es ruido. Al reducir el ruido general de la imagen, también se reducen los requisitos de ancho de banda, y en muchas ocasiones de forma importante.

Escenarios o situaciones donde el control de ganancia en videovigilancia es útil y se debe aplicar

El manual de usuario de todas las cámaras de CCTV presenta un desglose detallado de las diversas funciones y características con las que está hecha la cámara. Junto con factores como resolución, tasa de cuadros, compresión, configuraciones de video, nitidez y configuraciones de cámara, es necesario tomar en consideración la función de Control Automático de Ganancia (AGC) de la cámara IP CCTV antes de comprarla.

El control de ganancia en videovigilancia es útil en diversos escenarios y situaciones, donde la visibilidad y claridad de la imagen son cruciales para la seguridad y el monitoreo efectivo. Algunos de los escenarios más relevantes son:

Condiciones de baja iluminación

En áreas donde la iluminación es insuficiente como los estacionamientos subterráneos, callejones oscuros o los edificios con iluminación deficiente durante la noche, el control de ganancia permite que las cámaras amplifiquen la señal de video para hacer visible lo que de otra manera sería una imagen muy oscura.

Condiciones de contraluz

El control de ganancia ayuda a ajustar la imagen para que los detalles puedan ser discernidos y evaluados adecuadamente en situaciones donde es necesario identificar sujetos o acciones frente a fuentes de luz intensa, como vehículos con sus faros encendidos o entradas iluminadas directamente por el sol al fondo.

Áreas con cambios rápidos de iluminación

En lugares donde las condiciones de iluminación pueden cambiar rápidamente, como áreas con intermitentes condiciones meteorológicas, por ejemplo, la entrada de un edificio durante un día parcialmente nublado, el control de ganancia dinámico asegura que las imágenes sean útiles y claras.

Entornos controlados con iluminación variable

En escenarios como eventos en estadios o teatros, donde la iluminación puede variar significativamente, el control de ganancia es necesario para adaptar la cámara a las diferentes condiciones de luminosidad para garantizar una captura de video consistente y de alta calidad.

Monitoreo de tráfico y transporte público

En la supervisión de tráfico, tanto nocturna como diurna, donde diversos niveles de luz y reflejos pueden afectar la visibilidad, el control de ganancia es esencial para ofrecer una visión clara de matrículas, accidentes y comportamientos de conducción bajo variadas condiciones de iluminación. En esta aplicaciones son muy usadas las cámaras multisensor con diferentes orientaciones y exposiciones a fuentes de luz. El control de ganancia individualizado permite armonizar la salida de video para una inspección y revisión más eficiente y coherente.

Conclusión

El control de ganancia es una herramienta esencial en los sistemas de videovigilancia. Permite a las cámaras adaptarse a variadas condiciones de iluminación, mejorando significativamente la utilidad de las imágenes capturadas para fines de seguridad. Al integrarse con funciones de video con base en IA se facilita la captura de videos de alta calidad, para la vigilancia efectiva y la toma de decisiones informadas en materia de seguridad.