Nowe technologie mamy zwyczaj określać wieloma nazwami roboczymi do czasu, kiedy jedną z nich przyjmiemy za standard. Tak samo jest w przypadku nowoczesnych kamer do telewizji przemysłowej, które nazywamy obecnie kamerami megapikselowymi i kamerami HD. Oba te określenia odnoszą się do kamer sieciowych (kamer IP), które oferują rozdzielczość obrazu 1,3 Mpix lub wyższą. Dlatego nazwy te można stosować zamiennie – zarówno w stosunku do urządzeń telewizji komercyjnej, jak i przemysłowej. Gdybyśmy przyjęli tylko jedno z tych określeń, byłoby prościej.
Rozdzielczość kamer HD odpowiada bezpośrednio rozdzielczości kamer przemysłowych. Zależnie od formatu obrazu, rozdzielczość 1,3 Mpix w kamerze megapikselowej może oznaczać 1280×960 lub 1280×1024. Są to rozdzielczości zbliżone do 1280×720, którą zwykle przyjmuje się za standard HD Ready 720p. Natomiast rozdzielczość Full HD 1080p (1920×1080) jest zbliżona do 2 Mpix. Dlaczego więc nie ujednolicić nazewnictwa?
Zwiększenie rozdzielczości obrazu do poziomu HD, oprócz oczywistych korzyści, powoduje także pewne problemy związane z przetwarzaniem dużo większej ilości danych. Problemy te dotyczą archiwizacji, szybkości zapisu i transmisji obrazów. Przekłada się to m.in. na konieczność zakupu kosztownych macierzy dyskowych i budowania szybkich sieci, co w oczywisty sposób decyduje o zwycięstwie lub porażce w przetargu.
Rys. 1. Zestawienie typowych rozdzielczości obrazu
Na szczęście nowoczesna kompresja H.264 pozwoliła uciec od tych problemów dzięki kilkukrotnemu zredukowaniu ilości danych w stosunku do kompresji MJPEG przy zachowaniu porównywalnej jakości obrazu. Z praktyki wynika, że różnica w rozmiarze strumienia danych typowo wynosi od kilkunastu Mbit/s do kilku Mbit/s.
W oparciu o własne doświadczenia, w tabeli nr 1 zgromadziłem szacunkowe rozmiary strumieni wideo z typowych kamer HD. Aby uzyskać te same wartości w megabajtach na sekundę (MB/s), wystarczy podzielić poniższe wartości przez 8.
Trzeba pamiętać, że unowocześnienie metod kompresji musi dotyczyć nie tylko kamer IP, ale również rejestratorów, stacji monitorowania i oprogramowania, które jest w nich zainstalowane. Niezbędny jest kompletny system monitoringu działający zgodnie z nowymi standardami.
Warto jeszcze zwrócić uwagę, że wykorzystanie wysokiej rozdzielczości kamer HD w podglądzie na żywo jest niepełne nawet przy zastosowaniu monitorów Full HD (1920×1080). Jest to spowodowane faktem, że już podstawowy podział ekranu na cztery części wydzieli dla jednej takiej kamery 25% powierzchni monitora, czyli pole o rozdzielczości 960×540. Ta powierzchnia jest znacznie mniejsza niż obraz o rozdzielczości 1,3 Mpix (1280×960 lub 1280×1024). W takich warunkach operator systemu nie wykorzysta podczas podglądu wszystkich szczegółów oferowanych nawet przez podstawową kamerę HD, nie mówiąc już o kamerach o wyższej rozdzielczości. Dopiero włączenie funkcji cyfrowego zoomu (powiększenia fragmentów obrazu) pozwoli operatorowi w pełni wykorzystać rozdzielczość HD. Rejestrator musi jednak udostępniać tego rodzaju cyfrowe funkcje, np. Picture-in-Picture (PiP) czy Picture-and-Picture (P&P).
Tab. 1. Szacunkowe rozmiary strumieni wizyjnych z typowych stacjonarnych kamer HD
Dlatego w oparciu o kilkuletnie doświadczenia z rejestracją obrazu z kamer HD certyfikowaliśmy dwa modele rejestratorów sieciowych dla kamer HD: RANVR (wersja podstawowa) i RPNVR (wersja profesjonalna).
Jedną z podstawowych zalet w odniesieniu do kamer HD jest to, że rejestratory te umożliwiają wykorzystanie od dwóch do ośmiu monitorów Full HD w trybach matryc wizyjnych, sekwencji matryc wizyjnych, okien alarmowych lub spotowych oraz map synoptycznych. Ponadto rejestratory udostępniają funkcje cyfrowego zoomu. Podczas podglądu na żywo na wielu monitorach operator może zatem w pełni wykorzystać wysoką rozdzielczość kamer HD.
Rejestratory RANVR i RPNVR bazują na zaawansowanym oprogramowaniu firmy GeoVision i systemie operacyjnym Windows XP w specjalizowanej wersji Embedded (wszystko w polskiej wersji językowej). Ze względu na wymaganą wysoką bezawaryjność urządzenia oprogramowanie jest instalowane w pamięci półprzewodnikowej. Poza standardowym nagrywaniem obrazu telewizyjnego rejestratory te oferują szereg zaawansowanych funkcji, które umożliwiają zwycięstwo nawet w najbardziej skomplikowanym przetargu. Pełną listę funkcji rejestratora RPNVR można znaleźć pod adresem: http://www.polvision.com.pl/products.asp?lang=pl&id=227.
Aktualna lista obsługiwanych kamer IP i wideoserwerów obejmuje urządzenia takich firm, jak ACTi, Arecont Vision, Axis Communications, Bosch, Canon, Geovision, Hikvision, IQinVision, JVC, Mobotix, Panasonic, Pelco, Sanyo, Sony, Vivotek, Verint. Dodatkowo, w ciągu najbliższych paru miesięcy, rejestratory te zostaną certyfikowane jako współpracujące z urządzeniami w nowym standardzie ONVIF.
Rys. 2. Rejestrator RPNVR
Doskonale wentylowane i filtrowane obudowy RACK 19" 4U mogą pomieścić od pięciu do ośmiu dysków (2 TB) w kieszeniach typu hot-swap. Uzyskana pojemność 16 TB pozwala na przechowanie nagrań z wielu miesięcy. Ponadto rejestratory RANVR i RPNVR współpracują z macierzami sieciowymi (np. iSCSI) – zarówno przy zapisie nagrań, jak i przy automatycznym tworzeniu kopii zapasowej nagrań, realizowanej zgodnie ze zdefiniowanym harmonogramem.
Nagrania są archiwizowane w popularnych formatach graficznych (AVI, JPG itd.), w łatwo dostępnej i schematycznej strukturze folderów. Logi zdarzeń (np. detekcji ruchu, utraty sygnału wizyjnego) są zapisywane w standardowych, łatwych do przetwarzania bazach MDB (standard aplikacji Microsoft Office – Access). Taka organizacja danych, otwarta architektura i dostępność pakietu SDK umożliwiają integrację z praktycznie dowolnymi aplikacjami/systemami (np. fiskalnymi, wagowymi, drogowymi).
Nadzwyczajną funkcją jest też możliwość zwielokrotniania strumieni IP generowanych przez rejestrator. Przydaje się to na przykład w takich aplikacjach, w których rejestrator wysyła jedną kopię strumieni przez wolne łącze do Internetu, a zainstalowane tam serwery dystrybucyjne na szybkich łączach duplikują strumienie i dostarczają je dużej grupie odbiorców.
W instalacjach bazujących na wielu rejestratorach wykorzystuje się niezwykle rozbudowany system uprawnień, który umożliwia przechowywanie kont użytkowników systemu w centralnej sieciowej bazie danych. Rejestratory automatycznie uzyskują informacje o uprawnieniach użytkowników, łącząc się przez sieć IP z bazą. Można sobie wyobrazić, jak bardzo upraszcza to operacje związane z przydzielaniem uprawnień i zmianą haseł w sieci rejestratorów. Równie istotnym ułatwieniem w pracy administratorów systemu jest zdalne sterowanie rejestratorami przez sieć IP (tzw. zdalny pulpit).
W przetargach coraz częściej pojawiają się też wymagania związane z inteligentną analizą obrazów. Nie bez znaczenia są zatem następujące funkcje dostępne w rejestratorach RANVR i RPNVR: wykrywanie intruzów, sabotażu kamer, kradzieży i pozostawienia obiektów, zliczanie obiektów i ludzi, automatyczne śledzenie ruchomych obiektów kamerami PTZ. Za dodatkową opłatą można doposażyć rejestratory w inne funkcje, m.in. łączenie widoków z wielu kamer, redukcję efektów mgły, dymu i opadów, stabilizację obrazu, wykrywanie tłumu.
Podsumowując – profesjonalne nagrywanie obrazu z wielu sieciowych kamer HD wymaga posiadania specjalistycznego rejestratora sieciowego (NVR). W przeciwieństwie do ogromnej liczby kamer HD na rynku wciąż niewiele jest rejestratorów, które potrafią w zaawansowany sposób nagrywać obrazy z wielu kamer o wysokiej rozdzielczości. Tego rodzaju urządzenia wymagają zastosowania skomplikowanego oprogramowania i bardzo wydajnych podzespołów, tym bardziej jeśli oprócz nagrywania wideo mają realizować funkcje analizy obrazu i obsługiwać sieciowe stacje monitorowania.
Tomasz Polus
kierownik projektów w firmie POLVISION
tomek@polvision.pl
Komentarz redakcyjny
Zwracamy Państwa uwagę na dane zamieszczone w tabelce. Wynika z nich niemal liniowa zależność wielkości strumienia danych, generowanego przez kamery megapikselowe, od liczby klatek obrazowych wytwarzanych w ciągu sekundy. Niewątpliwie jest to prawdziwe w przypadku kompresji pełnoklatkowej, czyli stanowiącej pochodną metody JPEG, stosowanej do kompresji nieruchomych obrazów fotograficznych, tymczasem z tabelki wynika, że dotyczy to wszystkich metod kompresji, z różnicowymi włącznie.
Śpieszymy z wyjaśnieniem, że tego typu sytuacja jest możliwa jedynie w pewnych szczególnych warunkach, na przykład podczas obserwacji całkowicie statycznych obrazów, w których kolejne klatki są jednakowe lub niemal jednakowe. Trudno odmówić użyteczności temu sposobowi myślenia, gdyż bardzo wiele kamer pracujących w systemach monitoringu przez długie godziny obserwuje niezmiennie te same sceny, jednakże w przypadku kamer z opcją PTZ, a także podczas obserwacji ruchliwych obszarów takie myślenie całkowicie zawodzi.
We współczesnych kamerach sieciowych z kompresją różnicową można się spotkać z dwoma sposobami ustalania momentów generacji klatek różnicowych. Pierwszym z nich jest wykorzystanie parametru GOP (Group of Pictures), który określa, ile klatek różnicowych przypada na jedną klatkę referencyjną. Często parametr ten przyjmuje wartość 30, co oznacza, że w przypadku dziesięciu klatek na sekundę klatka referencyjna powtórzy się co trzy sekundy. W tym czasie w obserwowanym obrazie mogą zajść daleko posunięte zmiany (kamera PTZ może w tym czasie całkowicie zmienić pole widzenia), które spowodują, że różnice pomiędzy kolejnymi klatkami będą na tyle duże, że realizacja algorytmu kompresji różnicowej okaże się niemożliwa i kamera wygeneruje dodatkowe klatki o statusie klatek referencyjnych. Oznacza to, że wypadkowy strumień danych nie będzie tak niski, jak wynikałoby z zależności liniowej.
Drugą powszechnie stosowaną metodą jest arbitralne ustalanie, że klatka różnicowa musi być wygenerowana w określonym czasie, na przykład co sekundę. W tym przypadku proporcjonalna zależność między wielkością wyjściowego strumienia danych a liczbą klatek na sekundę w ogóle nie zachodzi, niezależnie od treści obserwowanego obrazu. Przy pewnej liczbie klatek na sekundę, w praktyce mieszczącej się w zakresie od 10 do 15, występuje zauważalne minimum. Dalsze zmniejszanie poklatkowości powoduje wzrost wielkości strumienia danych, tak więc zastosowanie zależności liniowej nie znajduje uzasadnienia.
We współczesnych kamerach sieciowych na ogół jest opcja o stałej wartości strumienia danych, w ramach której procesor zarządzający pracą kamery tak dostosowuje parametry kompresji, by w pełni wykorzystać limit dostępnego pasma sieciowego, co w praktyce oznacza, że liczba klatek transmitowanych w ciągu sekundy nie ma wpływu na wielkość generowanego strumienia danych.
Andrzej Walczyk
Redakcja
Zabezpieczenia 4/2010