Questa la domanda che ci siamo posti: risponde il nuovo approfondimento del nostro Giacomo Bozzoni. Perché, quando la sicurezza è anche questione di dettagli, come quelli ripresi delle telecamere di videosorveglianza, la risoluzione assume un ruolo decisivo nella progettazione dell’impianto.
Dopo aver conquistato (ma non ancora monopolizzato) il broadcasting televisivo, lo streaming e il cinema, il 4K sta compiendo passi da gigante anche nell’ambito della videosorveglianza. La sua capacità di cogliere un maggior numero di dettagli, fino a 4 volte rispetto al Full HD, abbinata a ottiche grandangolari permette teoricamente di ridurre il numero di telecamere che sorvegliano aree particolarmente ampie come piazze, parcheggi, magazzini, stadi e aeroporti. Grazie a sofisticati sistemi di multi-tracking, ritaglio intelligente e zoom ottico/elettronico, una telecamera 4K può generare una singola inquadratura da 3840x2160 pixel oppure diverse in formato Full HD (1080p) o HD (720p). Un po’ come avere una telecamera PTZ per i primi piani e una telecamera grandangolare fissa in un unico prodotto.
Di norma, per poter identificare una persona, è necessario che il volto sia rappresentato digitalmente da almeno 80 pixel: disporre, in una singola immagine, di 100 mila blocchi potenzialmente capaci di riconoscere volti, targhe, colori e modelli degli automezzi rappresenta un grande vantaggio in termini di sicurezza e affidabilità. Senza contare, poi, la possibilità di catturare immagini a scopo probatorio alla massima risoluzione consentita dal sensore (anche 10-15 megapixel).
Sensibili e fedeli quasi come l’occhio umano
Nonostante i progressi della tecnologia, l’occhio umano risulta ancora più versatile e flessibile di qualsiasi dispositivo elettronico perché distingue anche quelle variazioni di luminosità e colore che un sensore CMOS non è in grado di cogliere. Le telecamere 4K più avanzate, grazie a tecnologie sofisticate e funzionalità avanzate, permettono comunque di ottenere una gamma cromatica più ampia rispetto alle Full HD, per rappresentare più accuratamente la realtà di una scena con tutti i suoi elementi (persone, oggetti e sfondo), sia in tempo reale che nella visione post-evento in caso di indagine.
Altro fattore chiave che incide sulla qualità e l’efficacia delle riprese è il numero di fotogrammi al secondo (fps) catturati dal sensore ed elaborati dall’elettronica della telecamera. L’occhio umano percepisce le immagini Full Motion a circa 15-16 fps ma la maggior parte delle telecamere di sicurezza è in grado di raggiungere i 30 fps (requisito minimo per lo standard HD). Grazie a un maggiore frame rate e alla migliore risoluzione di ogni singolo fotogramma, una telecamera 4K può catturare anche i movimenti più rapidi come un’auto che sfreccia ad alta velocità.
Meno banda grazie ai codec intelligenti H.265
Le dimensioni del flusso video crescono in modo proporzionale con la risoluzione ed il frame rate. Nel caso del 4K si raggiungono valori importanti che possono mettere in crisi un’infrastruttura di rete non progettata ad-hoc a meno di accontentarsi di una maggiore compressione (che riduce la qualità) o, peggio, della perdita di dati preziosi dovuti alla riduzione del frame rate.
Anche lo storage deve essere idoneo alla gestione dei video 4K visto che le registrazioni possono occupare fino a 4 volte lo spazio di un video Full HD. Per ovviare a questo problema, le videocamere 4K adottano sofisticate tecnologie e algoritmi proprietari basati sulla compressione H.265 che ha ormai affiancato la “vecchia” H.264 AVC.
L’H.265 rappresenta lo step più recente dell’evoluzione degli standard di compressione video in quanto è capace di raddoppiare il rapporto di compressione dati rispetto all’H.264 (50% di risparmio), migliorare la qualità video a parità di bitrate e supportare i formati ad altissima definizione fino all’8K. Per ottenere queste prestazioni sono stati compiuti diversi affinamenti sui vecchi algoritmi come l’incremento della densità di pixel del blocco di codifica (da 16x16 a 64x64 pixel) così da sfruttare meglio la correlazione tra pixel vicini con segnali Ultra HD, utilizzando partizioni complesse (per esempio, rettangolari e combinate) al posto dei precedenti macroblocchi, migliorando l’accuratezza delle tecniche di predizione tra i quadri nell’ambito dello stesso quadro, ottimizzando il sistema di trasmissione dei vettori in movimento all’interno del flusso video, parallelizzando il processo di compressione (intraframe e interframe).
I principali produttori di telecamere di videosorveglianza come Hikvision e Dahua si sono spinti ancora più avanti, ottimizzando ulteriormente l’occupazione di banda e storage grazie a tecniche di analisi intelligente delle riprese che si adattano perfettamente alle riprese H24, dove buona parte della scena rimane immutata per lunghi periodi di tempo e l’attenzione dell’osservatore è concentrata sugli oggetti in movimento.
I codec H.265 “smart” permettono di ridurre da un minimo del 40% a un massimo del 90% il bitrate medio a seconda della luce ambientale (giorno/notte - che influisce sul rumore) e della dinamicità delle riprese (interni/esterni) agendo sull’area di interesse dinamica (Dynamic ROI) e sul gruppo di immagini dinamico (Dynamic GOP).
In pratica il chipset della telecamera individua aree differenti ed applica a ciascuna un livello di compressione diverso, solitamente più alto per gli oggetti in movimento e più basso per lo sfondo e per gli altri elementi non importanti. Nel caso dei GOP dinamici vengono inseriti gli I-Frame aggiuntivi solo in presenza di modifiche sostanziali alla scena, così da adattare la lunghezza del GOP a seconda delle reali applicazioni della videosorveglianza, migliorando ulteriormente l’efficienza rispetto alla sola differenziazione del bitrate tra oggetto in movimento e sfondo.
Per quanto riguarda infine il rumore, i codec “smart” riescono a separare e distinguere l’area dove si verificano i movimenti da tutto il resto e applicando diversi livelli di filtraggio, aggiungendo in alcuni casi anche il controllo del bitrate a lungo termine per consentire all’encoder di adattarsi automaticamente alle condizioni ambientali e raggiungere il valore di compressione ottimale.
Ormai da anni si sta lavorando sul “next-step”, ovvero l’H.266 (FVC – Future Video Codec). Si vocifera che garantirà un risparmio di banda tra il 30% e il 50% rispetto all’H.265 “base” (non smart) anche grazie all’intelligenza artificiale che permetterà di analizzare i contenuti e le caratteristiche dei dispositivi utilizzati con una precisione molto elevata. Per la finalizzazione dello standard ed il lancio dei primi chipset e dispositivi compatibili bisognerà però attendere ancora uno o due anni.
L’importanza delle ottiche
Con le telecamere 4K, la qualità delle lenti degli obiettivi assume un rilievo ancora maggiore: al crescere del numero dei pixel e, soprattutto, della loro densità, per mantenere adeguata la luminosità, la messa a fuoco e la risposta cromatica su tutta l’area di ripresa sono necessari obiettivi progettati ad hoc e non semplicemente ereditati dai sistemi Full HD. Anche la maggiore profondità di campo, uno dei grandi vantaggi del 4K rispetto al Full HD, potrebbe risultare penalizzata con lenti inadeguate. Gli installatori che non conoscono ancora bene questo mercato dovrebbero fidarsi maggiormente delle aziende leader del mercato, soprattutto di quelle che hanno già maturato significative esperienze in ambito broadcasting, partecipando a seminari e road-show ma anche conducendo prove sul campo per valutare le prestazioni delle singole telecamere 4K e scoprire se i vantaggi ottenuti valgono la spesa aggiuntiva rispetto a una Full HD.
I principali limiti delle telecamere 4K
Se finora abbiamo celebrato i “plus” delle telecamere 4K, ora è arrivato il momento di analizzare i loro limiti e punti deboli, parzialmente mitigati (ma non ancora risolti) dell’evoluzione tecnologica. Il limite principale è la sensibilità alla luce dei sensori 4K. Di norma, la sensibilità alla luce è inversamente proporzionale alle dimensioni dei pixel: visto che un sensore 4K integra almeno 8 milioni di pixel (circa 4 volte il Full HD), a parità di dimensioni del sensore (1/1,7”, 1/2,3”, 1”, ecc.) la sua sensibilità sarà inferiore e richiederà quindi più luce. Anche la gamma dinamica, ovvero la capacità del sensore di catturare sia le aree chiare che quelle scure di un’inquadratura, è teoricamente più critica nelle telecamere 4K. Le aziende leader del mercato hanno tuttavia messo a punto diverse contromisure come la retroilluminazione dei sensori, l’aumento delle dimensioni del chip (fino a 35 mm) e di conseguenza dei singoli pixel, la tecnologia HDR che compensa i differenti livelli di luce della scena per evitare abbagliamenti o sotto-esposizioni che compromettono l’intelligibilità delle riprese.
L’altro limite importante delle telecamere 4K è il loro prezzo, inevitabilmente superiore (spesso di molto) rispetto alle Full HD proprio per tutto ciò che abbiamo analizzato finora: sensori ancora molto costosi, lenti e obiettivi ad hoc, mercato ancora di nicchia che non permette di sviluppare volumi di vendita adeguati e ripagare gli investimenti in ricerca e sviluppo fatti finora.
4K o Full HD, dunque?
Anche se i vantaggi delle telecamere 4K sono molteplici, tangibili e i pochi difetti sono in via di risoluzione grazie all’evoluzione tecnologica, non è automatico che possano portare benefici in tutti gli impianti di videosorveglianza e giustificare il probabile (ma non automatico) divario di costo rispetto a una soluzione Full HD. In determinate circostanze, come il monitoraggio di aree molto vaste, il 4K è senza dubbio una soluzione da tenere in considerazione se non addirittura quella più economica per via dei minori costi di installazione e manutenzione. A tal riguardo, secondo Sony e Panasonic, tra i principali produttori di telecamere 4K, si può arrivare addirittura a una riduzione dei costi fino al 50% con la stessa qualità delle immagini e copertura di quattro telecamere Full HD a una distanza doppia. Tanto per fare un esempio, in un parcheggio da 50 mila mq come quello di un aeroporto o centro commerciale potrebbero servire fino a 60-70 telecamere HD mentre ne basterebbero 20-25 in 4K per ottenere lo stesso risultato.
Negli impianti civili e commerciali di qualsiasi superficie e tipologia, si possono invece valutare principalmente soluzioni Full HD oppure miste Full HD + 4K se il budget e le variabili in gioco lo consentono oppure lo consigliano.
