Rozdzielczość w wideorejestratorach – czy 4K to zawsze najlepszy wybór?

Rozdzielczość to najczęściej podawany parametr wideorejestratora, ale też najczęściej niezrozumiany. Zanim porównamy 4K, 2K i Full HD, warto policzyć, co te liczby faktycznie oznaczają – i dlaczego im wyższa rozdzielczość, tym trudniejsze zadanie stoi przed procesorem obrazu w kamerze.

Czym jest rozdzielczość i jak się ją liczy?

Obraz cyfrowy składa się z pikseli – małych punktów ułożonych w siatkę. Rozdzielczość to liczba pikseli w poziomie pomnożona przez liczbę pikseli w pionie. Full HD to 1920×1080 pikseli, czyli 1920 × 1080 = 2 073 600 punktów – ok. 2,1 megapiksela (Mpx) na każdą klatkę. 4K UHD (3840×2160) to 3840 × 2160 = 8 294 400 punktów, czyli ok. 8,3 Mpx – cztery razy więcej danych niż w Full HD.

Sama nazwa „4K” jest zresztą marketingowym uproszczeniem – w kinie cyfrowym (standard DCI) 4K oznacza 4096×2160 pikseli, a w elektronice konsumenckiej (w tym w wideorejestratorach) „4K” to niemal zawsze UHD, czyli 3840×2160. Różnica jest niewielka, ale to pokazuje, że „K” to nazwa handlowa, a nie ścisła jednostka – licz się z liczbą pikseli, nie z etykietą.

Po co w ogóle wyższa rozdzielczość w kamerze samochodowej?

W kamerze samochodowej więcej pikseli na klatce oznacza więcej punktów przypadających na dany fragment sceny – np. na tablicę rejestracyjną auta jadącego kilkanaście metrów przed Tobą. Dzięki temu po zdarzeniu można cyfrowo powiększyć (wykadrować) fragment nagrania i wciąż odczytać numery, zamiast otrzymać rozmazaną plamę złożoną z zaledwie kilkunastu pikseli. To jedyna realna korzyść z wyższej rozdzielczości – więcej surowego materiału do pracy przy kadrowaniu i cyfrowym zbliżeniu.

Rozdzielczość działa jednak tylko w połączeniu z czterema innymi elementami – dopiero razem decydują, czy z nagrania faktycznie odczytasz tablicę rejestracyjną:

• Soczewki (optyka) – obiektyw musi bez zniekształceń i strat ostrości skupić na matrycy tyle światła, ile pozwala jej rozdzielczość. Słaba, tania soczewka rozmyje obraz, zanim ten w ogóle trafi na sensor – wysoka rozdzielczość niczego wtedy nie naprawi.
• Matryca (sensor) – zamienia światło padające przez obiektyw na sygnał cyfrowy. Mała lub mało czuła matryca przy 4K da w nocy głównie szum, nie detal.
• Rozdzielczość – liczba pikseli, którą matryca i optyka mają do dyspozycji na zapisanie sceny; opisana w poprzedniej sekcji.
• Procesor (układ SoC) – odbiera surowy sygnał z matrycy i musi zdążyć go przetworzyć w czasie rzeczywistym; im wyższa rozdzielczość, tym więcej danych na sekundę do obróbki (piszemy o tym w dalszej części artykułu).
• Oprogramowanie (m.in. HDR) – to firmware kamery decyduje, jak agresywnie redukować szumy i jak łączyć klatki w trybie HDR; ten sam procesor i sensor w dwóch różnych kamerach mogą dać różny efekt końcowy zależnie od tego, jak producent go „dostroił”.

Zabraknie jednego z tych pięciu elementów, a nawet 8,3 Mpx z 4K skończy jako rozmyta lub zaszumiona plama zamiast czytelnej tablicy rejestracyjnej.

Dlaczego wysoka rozdzielczość to duże obciążenie dla procesora?

Każdy piksel z każdej klatki trzeba w czasie rzeczywistym odebrać z sensora, przetworzyć i zapisać – a wideorejestrator robi to 30 lub 60 razy na sekundę, bez przerwy, non-stop, dopóki jest podłączony do zasilania. Policzmy, ile to danych.

Sensor obrazu w kamerach samochodowych dostarcza surowy sygnał (RAW, format Bayera) zwykle w 10–12-bitowej głębi koloru, co po zapakowaniu daje ok. 1,5 bajta na piksel. Dla 4K UHD przy 30 kl./s wygląda to tak:

• 8 294 400 pikseli × 30 klatek/s = ok. 249 mln pikseli na sekundę
• 249 mln pikseli × 1,5 bajta = ok. 373 MB/s surowego strumienia z samego sensora
• 373 MB/s × 60 s = ok. 22,4 GB – tyle zajęłaby 1 minuta takiego surowego materiału.

I to wciąż tylko surowy sygnał – zanim trafi na kartę pamięci jako gotowy plik wideo, trzeba go jeszcze rozłożyć na pełny obraz kolorowy (demozaikowanie), zredukować szumy, połączyć klatki o różnej ekspozycji w tryb HDR/WDR i skompresować kodekiem wideo, i to 30–60 razy na sekundę, bez najmniejszego opóźnienia. Wykonanie tego programowo, na procesorze ogólnego przeznaczenia, jest nierealne z praktycznego punktu widzenia nawet dla bardzo wydajnych jednostek – dlatego w każdej kamerze samochodowej tę pracę przejmuje osobny, wyspecjalizowany układ ISP (Image Signal Processor).

ISP – układ, który bierze na siebie ten ciężar

Różnica między ISP a zwykłym procesorem (CPU) jest fundamentalna. Procesor jest uniwersalny – wykonuje dowolny kod, jaki się na niego wgra. ISP działa inaczej: to układ typu ASIC, fizycznie zaprojektowany do wykonywania wyłącznie ściśle określonych operacji – demozaikowania, redukcji szumów, łączenia klatek HDR – zaszytych na stałe w krzemie już na etapie produkcji. Nie da się na niego niczego wgrać ani zmienić jego logiki: ISP odbiera surowe dane z sensora, wykonuje na nich zawsze te same, zaprojektowane fabrycznie operacje i odsyła gotowy, przetworzony obraz z powrotem do standardowego procesora. Dzięki takiej specjalizacji wykonuje te operacje przy ułamku poboru mocy, jaki wymagałby procesor ogólnego przeznaczenia, i robi to w czasie rzeczywistym, klatka po klatce, bez opóźnień.

Ile miejsca zajmuje 24h nagrania z wideorejestratora?

Ten sam wzrost obciążenia procesora przekłada się wprost na rozmiar pliku. Producenci dashcamów rzadko trzymają się teoretycznego minimum – priorytetem jest maksymalna czytelność obrazu, więc realny bitrate bywa znacznie wyższy, niż mogłoby sugerować samo przeliczenie rozdzielczości. Poniższa tabela pokazuje rzeczywisty bitrate H.264 i dobowe zapotrzebowanie na dane w kilku popularnych modelach.

Wszystkie trzy modele oferują rozdzielczość 4K, a mimo to strumień ich danych różni się niemal dwukrotnie. Garmin pracuje bardzo oszczędnie (ok. 194–238 GB/dobę), a BlackVue DR900X generuje ok. 270 GB danych na dobę. W przypadku Mikavi PQ8 sama przednia kamera potrzebuje ok. 400 GB, a po doliczeniu tylnego kanału (ok. 15 Mbps / 162 GB) cały zestaw generuje aż 562 GB danych w ciągu 24 godzin.

Co to oznacza w praktyce? Jeśli włożysz popularną kartę 128 GB do oszczędnego Garmina, nadpisze on nagrania po ok. 13–16 godzinach jazdy. W przypadku zaawansowanego zestawu Mikavi PQ8 ta sama karta zostanie zapełniona i zacznie nadpisywać najstarsze pliki już po nieco ponad 5 godzinach ciągłej trasy!

To kolejny dowód na to, że sama rozdzielczość nie mówi nic o zapotrzebowaniu na miejsce. Decyduje filozofia producenta: maksymalna jakość i wyrazistość detali kosztem przestrzeni na karcie, albo kompresja i kompromis na rzecz mniejszych plików – tu swoje robi też kodek: H.265 obniża te wartości o mniej więcej połowę przy tej samej jakości obrazu względem starszego H.264 (pełne porównanie w artykule o kodekach H.264 i H.265). Przy tak potężnych strumieniach danych kluczowy staje się dobór odpowiedniego nośnika pamięci – o tym, jak wybrać kartę, która wytrzyma setki cykli tak intensywnego zapisu w pętli, przeczytasz w naszym artykule o doborze karty pamięci do wideorejestratora.

Co z tego wynika przy wyborze kamery?

Zdecydowanie się na 4K oznacza, że karta pamięci musi wytrzymać znacznie więcej cykli zapisu w pętli niż przy niższych rozdzielczościach – stąd rekomendacja kart w klasie wytrzymałości (np. Endurance).

W praktyce oznacza to, że sama liczba „K” na pudełku niewiele mówi o realnej jakości nagrania. Dwie kamery z tą samą deklarowaną rozdzielczością mogą dawać zupełnie inny efekt, jeśli różni je klasa ISP i sensora – a to właśnie te dwa elementy decydują, czy 4K faktycznie wygląda jak 4K, czy jak przeskalowany, zaszumiony Full HD.

Podsumowanie

• Rozdzielczość to liczba pikseli (szerokość × wysokość) – więcej pikseli oznacza więcej detalu do wykadrowania, ale nic nie mówi o jakości optyki ani sensora.
• Wyższa rozdzielczość to wykładniczo większy strumień danych do przetworzenia w czasie rzeczywistym, dlatego wymaga mocniejszego ISP i enkodera wideo w SoC kamery.
• Słaby SoC przy 4K częściej gubi klatki, przegrzewa się lub wyłącza HDR.

Kamery takie jak Mikavi PQ8 łączą rozdzielczość 4K z procesorem i sensorem dobranymi tak, by ten cały łańcuch – sensor, ISP, enkoder – nadążał w czasie rzeczywistym bez przegrzewania i utraty klatek.