Praca na stanowisku operatora wizyjnego systemu dozorowego polega na obserwowaniu obrazu wytwarzanego przez kamery oraz zarządzaniu pracą urządzeń dostępnych w systemie, w szczególności kamer PTZ. Kamery PTZ mają możliwość zmiany kierunku i kąta widzenia, dzięki czemu umożliwiają dopasowanie wielkości obserwowanej strefy dozorowej do aktualnych wymagań użytkownika. Do zarządzania pracą kamer PTZ służą najczęściej specjalne manipulatory. Po odpowiednim skonfigurowaniu manipulatora i przystosowaniu go do pracy z danym urządzeniem możliwa jest zmiana ustawień kamer PTZ. Ograniczeniem wynikającym z takiego rozwiązania jest konieczność ciągłego realizowania procedur umożliwiających realizację poszczególnych funkcji oraz możliwość wysterowania w danym momencie tylko jednej kamery. Można wykorzystać narzędzia wirtualne jako dodatkowe elementy wizyjnego systemu dozorowego, usprawniające sterowanie kamerami PTZ i ułatwiające pracę operatora przez uwolnienie go od konieczności żmudnego konfigurowania systemu. Koncepcja wirtualizacji systemów sterowania i nadzoru, przedstawiona na przykładzie sterowania pracą kamer PTZ w systemach CCTV, umożliwia zapoznanie się z nowymi możliwościami i wykorzystanie dostępnych narzędzi programistycznych przy tworzeniu zindywidualizowanych, dopasowanych do potrzeb użytkownika systemów zarządzania pracą urządzeń.
1. Wstęp
Projektowanie wizyjnego systemu dozorowego od strony technicznej to określenie warunków użytkowych, w tym sprecyzowanie rodzaju zagrożeń, wyznaczenie obszarów, stref oraz celu stosowania systemu, określenie stopnia jego automatyzacji oraz sposobu sterowania i nadzorowania. Obsługa wizyjnego systemu dozorowego to nadzorowanie jego pracy, sterowanie i zarządzanie ustawieniami kamer, analiza rejestrowanego materiału wizyjnego oraz bieżącą kontrola prawidłowości pracy systemu. Administrowanie systemem to dopasowywanie sterowania do konkretnych wymagań w związku ze specyfiką obiektu, sprzętu i oprogramowania. Wszystkie przedstawione działania mają na celu opracowanie koncepcji, stworzenie i wdrożenie skutecznego systemu nadzoru umożliwiającego realizację założonych celów ochrony.
Rys. 1. Schemat instalacji systemu monitoringu wizyjnego CCTV
Jeśli system jest funkcjonalny i ergonomiczny, a operator doświadczony, można dostosowywać parametry rejestrowanego obrazu do aktualnie realizowanych zadań związanych z obserwacją danego obszaru. Dopasowanie układów sterowania pracą urządzeń zastosowanych w wizyjnym systemie dozorowym do indywidualnych potrzeb użytkownika umożliwia lepsze i skuteczniejsze wykorzystanie posiadanych środków oraz zasobów sprzętowych i ludzkich.
Istnieje możliwość stworzenia wirtualnego systemu nadzoru. Fizyczne urządzenia sterujące i obrazujące (manipulatory, centrale alarmowe) zastępuje się ich software’owymi odpowiednikami. System bazuje na sprzęcie mikrokomputerowym z odpowiednim oprogramowaniem. Do tworzenia takich wirtualnych narzędzi umożliwiających sterowanie ustawieniami kamer PTZ i nadzorowanie pracy systemu wykorzystano środowisko programistyczne LabView. Wybranie go nie było przypadkowe. LabView jest wiodącym środowiskiem programistycznym umożliwiającym tworzenie aplikacji mających związek z różnymi dziedzinami techniki i jest obecnie powszechnie stosowane przy tworzeniu aplikacji sterujących, nadzorujących i diagnostycznych w różnych dziedzinach nauki i techniki.
Rys. 2. Schemat ideowy wizyjnego systemu dozorowego z wirtualnym układem umożliwiającym sterowanie pracą kamer PTZ za pomocą aplikacji komputerowej
2. Wizyjny system dozorowy
Wizyjny system dozorowy służy do obserwowania określonej strefy dozorowanej za pomocą odpowiedniego sprzętu. Dzięki obserwacji wiadomo, jaka jest sytuacja w danym miejscu – jaki jest stan tego miejsca. Obraz jest więc nośnikiem informacji. W skład wizyjnego systemu dozorowego (rys. 1) wchodzą elementy podstawowe służące do rejestracji obrazu (podsystem obserwacji), elementy służące do przesyłania sygnału wizyjnego (podsystem transmisji) oraz do jego wyświetlania (podsystem odbioru), a także układy (podsystemy) uzupełniające, które służą do archiwizacji rejestrowanego obrazu i do sterowania ustawieniami poszczególnych elementów systemu (kamer, obrotnic itp.) [1, 2, 3, 5].
Podstawowym elementem każdego wizyjnego systemu dozorowego jest kamera. Ze względu na funkcje, rolę w systemie oraz cenę można wyróżnić dwa typy kamer: kamery stacjonarne i kamery obrotowe. Zazwyczaj kamery stacjonarne są wykorzystywane do obserwacji stref dozoru ogólnego, natomiast kamery obrotowe – ze względu na więcej możliwości ustawień – do dozoru stref szczególnie istotnych (newralgicznych) w chronionym obiekcie. Poprzez zmianę parametrów układu optycznego kamery oraz jej ustawienia możliwe jest dopasowanie wielkości obserwowanej strefy dozorowej do aktualnych wymagań użytkownika. Zmiana parametrów PTZ (P – panorama – obrót, T – tilt – nachylenie, Z – zoom – zbliżenie) jest możliwa poprzez wykorzystanie układu sterowania.
Rys. 3. Schemat terenowy obiektu z zaznaczonymi strefami dozoru szczegółowego
Układ sterowania pracą kamer PTZ bazuje zarówno na sprzęcie, jak i na oprogramowaniu. Warstwa sprzętowa to infrastruktura techniczna umożliwiająca fizyczne przesyłanie sygnału sterującego. Najbardziej rozpowszechnionym systemem przesyłu sygnału sterującego jest system przewodowy dostosowany do pracy w standardzie RS485. Standard RS485 został wprowadzony jako rozwinięcie standardu RS422A. Składa się z różnicowego (symetrycznego) nadajnika, dwuprzewodowego toru transmisyjnego i różnicowego odbiornika. Standard RS485 dopuszcza łączenie wielu nadajników i odbiorników na jednej linii [5]. Warstwa programowa układu sterowania pracą kamer PTZ to wybrany system transmisji sygnału wykorzystujący identyczny standard protokołu sterującego, taki sam dla elementu sterującego (manipulator) i sterowanego (kamera). Wybrany standard przesyłu nie musi być jednakowy dla wszystkich elementów systemu. Ważne jest, aby w danym momencie istniała korelacja (zgodność protokołu) między urządzeniem sterującym a sterowanym. W praktyce wykorzystywanych jest wiele standardów przesyłu, jednak największą popularność zyskały otwarte protokoły PTZ: Pelco-D i Pelco-P [7, 8]. Zarządzanie pracą wizyjnych systemów dozorowych zależy od wyboru elementów umożliwiających sterowanie ustawieniami kamer obrotowych PTZ. Kamerami PTZ można sterować sprzętowo, za pomocą manipulatorów, lub programowo, za pomocą aplikacji sterujących.
3. Idea platformy programowej zarządzającej pracą kamer PTZ
Przedstawiony na rys. 1 klasyczny wizyjny system dozorowy jest systemem autonomicznym, zbudowanym z elementów przeznaczonych do pracy w wizyjnych systemach dozorowych. Wadą takich rozwiązań jest hermetyczność, zarówno pod względem sprzętowym, jak i funkcjonalnym. Zaproponowana modernizacja klasycznego wizyjnego systemu dozorowego (rys. 1) polega na zastosowaniu wirtualnego systemu zarządzania pracą kamer PTZ (rys. 2). Taki układ ma za zadanie zwiększenie funkcjonalności systemu oraz zintegrowanie w większym stopniu poszczególnych systemów sterowania i nadzoru zainstalowanych w chronionym obiekcie. Dodatkowo umożliwia dopasowanie procedur sterujących do indywidualnych potrzeb użytkownika.
Tab. 1. Zdefiniowane ustawienia kamer obrotowych PTZ – tabela powiązań
Podstawą działania wirtualnych systemów zarządzania pracą kamer PTZ jest aplikacja umożliwiająca sterowanie i kontrolowanie pracy wizyjnego systemu dozorowego przez mikrokomputerowy system nadzorujący stan chronionego obiektu. Aplikacja ta może zostać stworzona z wykorzystaniem dowolnego środowiska programistycznego. Ze względu na możliwości programowe, sprzętowe oraz uniwersalność zastosowań, a także dużą rozpoznawalność marki, tworzone aplikacje i wirtualne systemy sterujące mogą bazować na graficznym środowisku programistycznym LabView. LabView umożliwia realizację złożonych funkcji w procesach akwizycji i archiwizacji oraz podczas przetwarzania i analizy danych pomiarowych. Dodatkową zaletą aplikacji stworzonych w programie LabView jest ich indywidualność. Możliwe jest nie tylko wykorzystanie pewnych schematów, ale także wyposażenie programów w unikatowe rozwiązania proceduralne. Umożliwia to dopasowanie aplikacji do zmian zachodzących w zabezpieczanym obiekcie (np. do zmian architektonicznych, zmiany przeznaczenia poszczególnych pomieszczeń). LabView umożliwia swobodne kreowanie struktur programowych systemów pomiarowych i symulacyjnych, a walory środowiska LabView są często doceniane przez projektantów aplikacji wykorzystywanych w systemach sterowania nadzorujących przemysłowe procesy technologiczne, diagnostyczne oraz kontrolno-pomiarowe [4, 6].
4. Wirtualny system sterowania pracą kamer PTZ ułatwiający pracę operatora systemu
Dla realizacji zadań związanych z nadzorowaniem chronionego obiektu przez wirtualny wizyjny system dozorowy, stworzony z wykorzystaniem oprogramowania LabView, utworzono platformę programową w postaci aplikacji umożliwiającej jednoczesne sterowanie wieloma kamerami PTZ. Głównym zadaniem aplikacji jest generowanie sygnału przesyłanego do układu sterującego w postaci komunikatu (łańcucha kodów instrukcji), który umożliwia skierowanie kamer obrotowych ku wybranej strefie dozoru. Sterowanie kamerami PTZ polega na tym, że wybiera się jedno z wcześniej określonych ustawień. Z powodu braku interfejsu RS485 w standardowym komputerze PC konieczne jest wyposażenie układu w konwerter RS232/RS485 lub USB/RS485.
Rys. 4. Schemat terenowy obiektu z zaznaczonymi strefami dozoru ogólnego dla kamery PTZ2 i ze zdefiniowanymi ustawieniami tej kamery
Istotnym elementem etapu projektowania wirtualnego narzędzia wspomagającego proces sterowania ustawieniami kamer PTZ w wizyjnym systemie dozorowym jest określenie stref dozoru w obszarze chronionej infrastruktury, zarówno dozoru ogólnego (rys. 4), jak i szczegółowego (rys. 3). Obszary newralgiczne powinny być wskazane na podstawie oceny możliwości wystąpienia w nich zagrożenia lub możliwości kontrolowania przemieszczania się obiektów.
Ważnym elementem analizy indywidualnych możliwości systemu oraz tworzenia procedur sterowania (generowania instrukcji sterujących) jest określenie technicznych możliwości obserwowania danego obszaru przez poszczególne kamery. W tym celu konieczne jest wykonanie tabeli powiązań, indywidualnej dla każdego obiektu. Przykładową tabelę powiązań zdefiniowanych ustawień kamer PTZ, umożliwiających realizację celów obserwacji stref szczególnego dozoru (rys. 3), przedstawiono poniżej. Tabela taka przedstawia zależności między zdefiniowanymi ustawieniami poszczególnych kamer PTZ a obszarami szczególnego dozoru.
Przykładowy komunikat (łańcuch komend) zgodny ze standardem Pelco-P (kod heksadecymalny), generowany i przesyłany do układu sterującego (RS485) przez aplikację wspomagającą zarządzanie zdefiniowanymi ustawieniami kamer, umożliwiający ustawienie wszystkich dostępnych kamer tak, by obserwowały obszar szczególnego dozoru nr 4, ma postać:
A0 01 00 07 00 04 AF 0D;
A0 02 00 07 00 01 AF 0B;
A0 03 00 07 00 04 AF 0F.
W sposób analogiczny do przedstawionego na rys. 4 tworzone są obszary powiązane ze zdefiniowanymi ustawieniami dla wszystkich kamer PTZ wchodzących w skład wizyjnego systemu dozorowego. Poszczególne obszary są obszarami polowymi i odpowiadają pewnym obszarom okna dialogowego programu wyświetlanego na ekranie monitora. Zatem każdemu przypisanemu pikselowi na mapie synoptycznej (schemacie terenowym) chronionego obiektu przypisane są zależności odwołujące się do procedur wykonawczych służących do wywołania ściśle określonych, zdefiniowanych ustawień wszystkich kamer wchodzących w skład wizyjnego systemu dozorowego.
Operator systemu nie musi zajmować się każdą z kamer z osobna, lecz może dokonać zmian w ustawieniach tych kamer przez wywołanie odpowiednich procedur. Jeżeli stanowisko operatora jest wyposażone w monitor dotykowy, przewaga wirtualnego systemu sterowania nad systemem tradycyjnym, „sprzętowym”, jest jeszcze bardziej widoczna.
Dodatkową opcją jest integracja wirtualnego systemu sterowania pracą kamer PTZ z innymi systemami zabezpieczeń. W takim przypadku zmiana ustawień kamer może nastąpić automatycznie, bez udziału operatora, po otrzymaniu i zinterpretowaniu sygnału informacyjnego pochodzącego z elementu detekcyjnego.
Operator dysponuje mapą synoptyczną chronionego obiektu wyświetlaną na ekranie monitora. Miejsca na mapie odpowiadają rzeczywistym fragmentom terenu.
5. Podsumowanie
Skuteczne działanie wizyjnego systemu dozorowego zależy od właściwego współdziałania operatora z systemem i prawidłowego wykorzystania dostępnego sprzętu. Warto zainwestować nie tylko w najlepszy sprzęt umożliwiający rejestrację i archiwizację materiału wizyjnego, ale także w wyposażenie dodatkowe, dzięki któremu operator nie będzie musiał wykonywać zbędnych, skomplikowanych lub czasochłonnych czynności.
Wyposażenie klasycznego wizyjnego systemu dozorowego w opisany w artykule układ usprawniający proces zarządzania i sterowania ustawieniami kamer PTZ umożliwia szybki podgląd wybranej newralgicznej strefy w chronionym obiekcie za pośrednictwem wszystkich dostępnych w systemie kamer. Zadaniem operatora jest wybór interesującego go obszaru na mapie synoptycznej obiektu. Zmiana aktualnych ustawień kamer na zdefiniowane ustawienia związane z podglądem wskazanego obszaru przebiega płynnie i bezobsługowo. Znacznie skraca to czas potrzebny na zmianę ustawień kamer w porównaniu z ręczną obsługą urządzeń sterujących oraz umożliwia jednoczesne skierowanie wielu kamer ku wybranemu obszarowi.
Dalsza integracja systemu sterowania ustawieniami kamer PTZ z innymi systemami zabezpieczającymi (systemami sygnalizacji włamania i napadu, systemami kontroli dostępu oraz systemami sygnalizacji pożarowej) umożliwia automatyczną zmianę ustawień kamer w celu podglądu danej strefy w momencie wystąpienia zagrożenia lub w czasie przebiegu założonej procedury.
dr inż. Marcin Buczaj
Politechnika Lubelska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Literatura
- PN-EN 50132-7:2003 Systemy alarmowe. Systemy dozorowe CCTV stosowane w zabezpieczeniach. Część 7: Wytyczne stosowania, Wydawnictwo PKN, Warszawa 2003.
- M. Buczaj, System jednoczesnego sterowania ustawieniami kamer obrotowych systemu CCTV do zastosowania w nadzorze infrastruktury logistycznej, Logistyka nr 3/2011, s. 215-222.
- M. Buczaj, Systemy sterowania i nadzoru szyte na miarę, Zabezpieczenia nr 6(88)/2012, s. 20–24.
- M. Chruściel, LabVIEW w praktyce, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2008.
- P. Kałużny, Telewizyjne systemy dozorowe, Wydawnictwo WKiŁ, Warszawa 2008.
- W. Tłaczała, Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo, WNT, Warszawa 2002.
- http://sklep.delta.poznan.pl/pdf/pelcop_sot.pdf – specyfikacja standardu Pelco-P
- http://videon.spb.ru/pelco-p.doc – specyfikacja standardu Pelco-P