Печать

Цифровые системы видеонаблюдения

Автор: Administrator вкл. . Опубликовано в Видеонаблюдение и Домофоны

Рейтинг:   / 2
ПлохоОтлично 

Системы телевизионного наблюдения появились во второй половине ХХ века, и их эволюция происходила под влиянием двух основных факторов. С одной стороны, это непрерывное развитие техники и технологии, позволяющее реализовывать новые функции и улучшать характеристики существующих систем. С другой стороны, это требования рынка в условиях конкурентной среды, которые в значительной степени формируются установщиками и потребителями систем безопасности. Одним из результатов такой эволюции можно считать современные цифровые системы ТВ-наблюдения. Предлагаемая вниманию статья может быть полезна с точки зрения лучшего понимания терминологии и возможных структур таких ТВ-систем, используемых в настоящее время.

Можно отметить следующие основные требования, предъявляемые к современным системам телевизионного наблюдения:

  • получение изображения высокого качества;
  • возможность использования высокоскоростных защищенных каналов передачи видеоизображения;
  • снижение затрат на установку и эксплуатацию системы;
  • увеличение продолжительности и качества записи видеоизображения и связанной с ним информации на существующие носители;
  • обеспечение высокого уровня безопасности системы для предотвращения несанкционированного доступа к информации при сохранении удобства работы с системой уполномоченными пользователями;
  • возможность дистанционного доступа к видеоизображению и связанной с ним информации с использованием различных каналов связи;
  • возможность автоматического интеллектуального анализа видеоизображения для выявления нештатных ситуаций или решения других задач, связанных с наблюдением;
  • возможность гибкого масштабирования системы, начиная от одной камеры и заканчивая сотнями камер, расположенных на территориально-разнесенных объектах;
  • возможности по интеграции ТВСН с другими подсистемами обеспечения безопасности и др.

Исторически системы телевизионного наблюдения строились на основе стандартов вещательного телевидения. Но развитие техники и технологии и рост сложности задач, решаемых ТВСН, привели к тому, что на определенном этапе эти стандарты стали ограничивать возможности развития ТВ-систем наблюдения. Это связано во многом со спецификой задач ТВ-наблюдения, во многих случаях значительно отличающихся от задач вещательного телевидения.

Поэтому естественным было попытаться использовать в ТВ-системах наблюдения:

  • хорошо известные преимущества цифровой обработки сигналов;
  • возможности достижения и использования более высокого разрешения телевизионных камер;
  • хорошо развитые и распространенные каналы связи компьютерных сетей;
  • возможности использования современных устройств отображения информации, в первую очередь компьютерных мониторов.

Конечно, это все должно делаться с учетом всей специфики ТВСН как одного из элементов системы безопасности.

Перечисленные выше особенности являются взаимосвязанными. Так, компьютерные сети требуют использования сигналов в цифровой форме. Видеосигнал, формируемый матрицей телекамеры, изначально является дискретноаналоговым — дискретный набор аналоговых отсчетов (сигналов от элементарных пикселов), которые нужно только подвергнуть квантованию для получения цифрового сигнала. Развитие технологии позволяет в настоящее время реализовать значительную часть обработки сигнала непосредственно в телекамере и даже в матрице.

Развитие систем телевизионного наблюдения происходило с постепенным переходом от полностью аналоговых систем к цифровым, в которых формирование, передача и запись изображения производится полностью в цифровом виде. Между полностью аналоговыми и цифровыми системами существует несколько промежуточных вариантов, которые включают в себя как аналоговые, так и цифровые компоненты. С этим связаны некоторые расхождения в трактовке термина «цифровые системы телевизионного наблюдения».

Известно, что во всех современных камерах источником видеосигнала являются матрицы с дискретными элементами, формирующими элементарные участки изображения. Они уже изначально предполагают представление видеосигнала в дискретном виде. То есть сигнала, представляющего собой двумерный массив аналоговых отсчетов в дискретные моменты времени. Количество отсчетов определяется параметрами матрицы (числом элементов по горизонтали и вертикали), а временной интервал между выборками — частотой считывания. Но в большинстве телекамер в процессе считывания видеосигнала или после его обработки осуществляется преобразование сигнала в аналоговую форму в соответствии со стандартами вещательного телевидения. И именно в ней происходит передача видеоизображения (например, по коаксиальному кабелю или витой паре). Поэтому, несмотря на наличие этапа с дискретной обработкой сигнала, такие камеры традиционно называют аналоговыми.

Следующим логичным шагом обработки в большинстве современных телекамер является квантование отсчетов по амплитуде для получения цифрового сигнала и возможности реализации цифровой обработки сигналов. Это стало возможным в последние годы благодаря развитию технологии.

Поэтому цифровой будем называть телекамеру, в которой в цифровой форме происходит как формирование видеоизображения, так и его дальнейшая передача по каналам связи. То есть после квантования отсчетов с выхода матрицы изображение обрабатывается, передается и записывается в цифровом виде без промежуточных преобразований в аналоговый видеосигнал.

Для того чтобы лучше понять суть вопроса, рассмотрим обобщенную структурную схему системы телевизионного наблюдения (рис. 1).

Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы ТВ-наблюдения

Она состоит из следующих основных элементов:

  1. устройств формирования видеоизображения (УФВИ), таких как телевизионные камеры, тепловизоры, приборы ночного видения;
  2. каналов передачи видеосигнала от УФВИ и сигналов телеметрии к ним;
  3. устройств обработки и хранения видеосигналов (УОХВ);
  4. каналов передачи информации от УОХВ к устройствам отображения видеоинформации.

Любые варианты системы будут, по сути, отличаться только количественным составом и типом упомянутых выше элементов.

Вообще говоря, такая структура справедлива для любой системы безопасности, в которой должны присутствовать устройства сбора информации об объекте. Каналы передачи информации, устройства обработки, отображения и управления. Например, для СКУД это будут считыватели (1), каналы передачи информации (2), контроллеры (3) каналов передачи информации (4) и устройства управления доступом (5). В системе охранной сигнализации — охранные извещатели (1), каналы передачи информации (2), т.е. шлейфы, контрольные панели (3) каналов передачи информации (4) и индикации состояния (5).

Схема на рис. 1 позволяет разграничить упомянутые основные части системы по способу обработки сигналов — аналоговый или цифровой. Если во всех этих элементах обработка аналоговая — то и система аналоговая. Если везде цифровая — то и система цифровая. И очевидно, что может быть большое количество вариантов комбинированных систем, использующих на разных этапах как аналоговую, так и цифровую обработку.

Говоря о цифровых системах телевизионного наблюдения, можно условно выделить следующие основные элементы структуры, которые проходит видеосигнал:

  • формирование видеосигнала в цифровой форме в устройстве формирования видеоизображения, т.е. в телекамере;
  • цифровая обработка сигналов в телекамере;
  • передача видеоизображения в цифровой форме по каналам связи;
  • запись видеоизображения в цифровой форме на различные носители;
  • цифровая обработка при отображении информации.

Прежде чем перейти к рассмотрению различных структур систем телевизионного наблюдения, с точки зрения представления видеосигнала в аналоговой или цифровой форме в различных ее элементах, определим еще одно понятие, непосредственно связанное со структурой системы. А именно — системы замкнутого телевидения, английская аббревиатура CCTV, зачастую неправильно используемая.

Системы замкнутого телевидения

Системы замкнутого телевидения — это системы, имеющие круг пользователей, жестко ограниченный системой доступа к просмотру видеоизображений, программированию устройств и другим операциям и определяемый корпоративными правилами. В отличие от такой системы, к примеру, система кабельного телевидения позволяет получить доступ к видеоинформации любому пользователю при выполнении определенных доступных всем правил.

Понятие замкнутой системы телевизионного наблюдения применимо к ТВ-системам, использующим собственные каналы связи, употребляемые только для целей этой системы, например, коаксиальный кабель или витые пары. В таком случае число возможных санкционированных пользователей жестко ограничено организационно или программно, поскольку другие (несанкционированные) пользователи не имеют прямого доступа к самим каналам связи.

Однако в связи с развитием технологий передачи информации появилась возможность использовать общие (с другими информационными системами) каналы связи. В первую очередь это касается использования компьютерных сетей. Если в «традиционных системах» доступ к информации и, следовательно, к использованию каналов связи имели только санкционированные пользователи, то при задействовании общих каналов их используют (хотя и для других целей) и пользователи, не имеющие отношения к системе ТВ. Ясно, что в таких случаях применяются специальные средства защиты информации и разграничения доступа при использовании физически одних и тех же каналов связи. Однако, по крайней мере теоретически, появляется возможность попытаться получить несанкционированный доступ к ТВ-информации, используя возможность свободного доступа к самому каналу связи. Поэтому с этой точки зрения имеет смысл ввести классификацию ТВ-систем следующим образом:

  • Замкнутые системы, т.е. системы ограниченного доступа к информационным ресурсам, использующие собственные каналы связи.
  • Квазизамкнутые системы — системы ограниченного доступа к информационным ресурсам, но использующие общие с другими системами каналы связи.
  • Открытые — это системы с неограниченным доступом к информационным ресурсам.

При этом под ограничением доступа будем понимать невозможность получить дос т уп пу тем выполнения дос т упных всем ограничений. В качестве примера можно привести систему кабельного телевидения. При выполнении общедоступных требований (подключения и оплаты услуг) любой пользователь получает доступ к информационным ресурсам системы. Этого нет в замкнутых или квазизамкнутых телевизионных системах.

Здесь мы не учитывали возможность несанкционированного доступа к каналам связи, например, прямого подключения к кабелю или витой паре. Но это тема относится к вопросам защиты информации.

Аналоговые системы

В аналоговой системе формирование, передача, обработка и отображение видеосигнала осуществляются на всех этапах в аналоговой форме (рис. 2). Аналоговый видеорегистратор (специализированный магнитофон) имеет один канал ввода информации, поэтому при необходимости записи видеосигналов от нескольких телекамер используется мультиплексор [1]. В настоящее время такие системы, практически, уже не используются.

Рис.2. Аналоговая система

Рис.3. Комбинированная система с аналоговым монитором и цифровой записью

Рис.4. Комбинированная система с цифровой записью на базе

Используемые каналы передачи аналоговых видеосигналов — обычно коаксиальный кабель и витые пары, определяющие дальность передачи видеоинформации расстоянием от нескольких сот метров (кабель) до приблизительно тысячи (витая пара) без использования промежуточных усилителей.

Комбинированные системы с аналоговыми телекамерами и цифровой видеорегистрацией

 

Считается, что первый патент на видеорегистратор получил в 1985 году сотрудник компании Honeywell Дэвид Рафнер (David J Rafner). В патенте [2] он предложил устройство многоканальной записи на оптический диск с мультиплексированием и произвольным доступом к каналам, являющееся прообразом современных цифровых видеорегистраторов.

 

Приблизительно в начале 90-х годов появились первые, серийно выпускаемые цифровые видеорегистраторы (ЦВР) — устройства, позволяющие вести запись видеоизображения на компьютерный жесткий диск. Благодаря ряду технических преимуществ, а также непрерывному снижению стоимости дискового пространства, ЦВР быстро полностью вытеснили с рынка устройства аналоговой записи на магнитной ленте. Такие видеорегистраторы осуществляют аналого-цифровое преобразование телевизионного сигнала от аналоговых телекамер. Дальнейшая обработка сигнала (в первую очередь запись) осуществляется в цифровом виде.

Структура системы с цифровым видеорегистратором представлена на рис. 3. Для просмотра изображения используется либо специализированный аналоговый, либо компьютерный монитор. Для подключения аналогового монитора в ЦВР должно осуществляться обратное преобразование видеосигнала — цифро-аналоговое.

Расширенные возможности цифровых видеорегистраторов позволили реализовать в них функции мультиплексоров, связанные с мультиэкранным отображением. То есть во многих случаях исключить последние из состава системы.

Модификацией схемы на рис. 3 является структура на рис. 4. Здесь используется ЦВР на базе персонального компьютера с платой видеоввода, т.е. аналого-цифровым преобразователем видеосигнала. А также с соответствующим программным обеспечением.

Отметим, что принципиальных различий между этими структурами нет. А есть только конструктивно-технологические. Каналы передачи аналоговых сигналов те же самые, а цифровых — определяются используемой структурированной кабельной системой (СКС, англ. SCS — Structured Cabling System). То есть совокупностью кабельных элементов, представляющих собой среду передачи электрических или оптических сигналов. Соответственно, дальность передачи видеосигналов либо ограничивается локальной сетью, либо практически не ограничена.

Сетевые системы

Сетевые комбинированные системы с аналоговыми телекамерами и гибридными видеорегистраторами

 

Развитие функциональных возможностей цифровых видеорегистраторов привело к появлению моделей с аналоговыми входами и интерфейсом для подключения к компьютерной сети. Такие устройства, называемые также гибридными, позволяют вести просмотр изображения как локально (используя монитор, подключенный непосредственно к видеорегистратору), так и дистанционно (рис. 5). Для просмотра используется либо специализированное программное обеспечение, устанавливаемое на сетевой рабочей станции оператора, либо стандартная программа просмотра Web (например, Microsoft Internet Explorer). Таких рабочих станций может быть несколько, при этом с любой из них можно получить доступ к изображению от любой ТВ-камеры.

Рис.5. Комбинированная сетевая система на базе гибридного видеорегистратора

 

Системы этого типа являются одними из наиболее распространенных в настоящее время, поскольку позволяют существенно расширить возможности по просмотру видеоинформации с различных постов наблюдения. Кроме того, в значительной мере снимают ограничения по созданию территориально-распределенных систем телевизионного наблюдения.

Сетевые комбинированные системы с аналоговыми телекамерами и сетевыми видеосерверами

В системах этого типа сетевой видеосервер (часто называемый видеокодером) выполняет преобразование аналогового видеосигнала от телекамеры в цифровую форму и сжатие видеоизображения для передачи его по компьютерной сети. Видеосервер обычно устанавливается рядом с аналоговой телекамерой. На приемной стороне используется компьютер для просмотра и/или записи видеоизображения. В системах такого типа происходит разделение функций: аналого-цифровое преобразование и сжатие видеоизображения осуществляется на стороне телекамеры (в видеосервере), а отображение/запись — на приемной стороне (компьютере).

Системы этого типа могут иметь следующие преимущества по сравнению с предыдущими вариантами:

  • использование стандартного аппаратного обеспечения сетевого персонального компьютера для просмотра и записи видеоизображения (вместо использования специализированного видеорегистратора со входами для аналогового видеосигнала);
  • возможность одновременного использования аналоговых и сетевых камер;
  • возможность размещения устройств формирования и записи видеоизображения практически на любом расстоянии друг от друга благодаря использованию компьютерной сети в качестве канала связи;
  • хорошая масштабируемость системы — нет необходимости ориентироваться на стандартное число видеовходов видеорегистратора (обычно кратное степени два) и можно добавлять камеры по одной.

 

Комбинированные системы с сетевыми
телекамерами и гибридными видеорегистраторами

 

 

Гибридные видеорегистраторы позволяют записывать видеосигналы как от телекамер с аналоговым выходом, так и от сетевых видеосерверов и телекамер. Видеорегистратор этого типа имеет несколько входов для подключения аналоговых источников видеосигнала (обычно с помощью коаксиального кабеля) и сетевой интерфейс для приема и трансляции видеоизображения по сети. Такой вариант обеспечивает дополнительную гибкость, поскольку позволяет работать с различными типами камер и видеосерверов.

Производители подобных устройств обычно предлагают возможность работы с сетевыми камерами и видеосерверами в качестве отдельной лицензируемой опции.

Очевидно, что могут использоваться (рис. 8) и комбинации структур на рис. 6–7.

Рис.6. Сетевая комбинированная система с сетевым видеосервером

Рис.7. Сетевая система с гибридным видеорегистратором

 

Рис.8. Сетевая система с гибридным видеорегистратором и сервером

Системы с сетевыми телекамерами и видеорегистраторами

 

При использовании сетевых ТВ-камер (рис. 9), преобразование видеоизображения в цифровую форму, его сжатие и преобразование в форму для передачи по сети осуществляются непосредственно в телекамере. На приемной стороне используется компьютер для просмотра и/или записи видеоизображения. Очевидным преимуществом систем подобного типа является отсутствие дополнительных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразований сигнала, ухудшающих качество изображения. Кроме того, исключаются возможные искажения сигнала при передаче его в аналоговом виде по каналу связи. Компьютерная сеть (например, Интернет) представляет собой относительно дешевый канал связи для передачи видеоизображения, в том числе на большие расстояния. Появляется возможность передачи не только видеоизображения, но и звука, дополнительных команд, а также питания для телекамеры по одному кабелю. Помимо этого, для передачи видеоизображения от нескольких сетевых камер на один сетевой видеорегистратор требуется всего один физический кабель. Хорошая масштабируемость, присущая компьютерным сетям, позволяет создавать эффективные системы, содержащие сотни и тысячи камер. Сетевая камера может содержать встроенное устройство записи (диск или карту памяти) для локального хранения видеоизображений в случае пропадания связи по сети или для балансировки нагрузки на сеть.

Аналогичная структура может использоваться со специализированным сетевым видеорегистратором (рис. 10).

Рис.9. Сетевая система

Рис.10. Сетевая система с сетевым видеорегистратором

 

Для обозначения сетевых видеорегистраторов сейчас широко используется термин сетевой видеорегистратор (СВР) (англ. NVR — Network Video Recorder). По умолчанию подразумевается, что это сетевой цифровой видеорегистратор, предназначенный для приема и передачи видеоинформации по компьютерным сетям, чаще всего поддерживающим протоколы TCP/IP. Хотя формально любой ЦВР, имеющий функции объединения в некоторую систему или специализированную сеть, к примеру, с использованием интерфейса RS-485, также является сетевым. Только способ организации сети другой. Но поскольку этот термин уже можно считать устоявшимся, имеет смысл его использовать именно применительно к ЦВР для компьютерных сетей и для работы с сетевыми камерами.

Заметим, что деление видеорегистраторов на «сетевые» и «цифровые» (т.е. DVR/NVR) достаточно условное. Современные ЦВР высокого класса имеют возможности по работе как с аналоговыми камерами, так и с сетевыми. Более того, деление на цифровые и сетевые некорректное, поскольку и те и другие видеорегистраторы используют цифровую видеозапись. А термин «сетевые» говорит только о канале связи с телекамерами и их типе, а не о способе обработки видеосигналов.

Перечислим потенциальные преимущества, которыми могут обладать системы на базе сетевых камер и видеорегистраторов по сравнению с другими решениями.

  • Возможность формирования более качественного изображения по сравнению с аналоговыми камерами благодаря использованию прогрессивной развертки и более высокой разрешающей способности.
  • Возможность передачи видеоизображения, звука, телеметрической и другой информации, а также питания камеры по одному сетевому кабелю.
  • Возможность снижения затрат на создание и эксплуатацию системы за счет уже имеющейся инфраструктуры компьютерной сети.
  • Возможность реализации в сетевой камере функций по интеллектуальному анализу видеоизображения (например, обнаружению движения в контролируемой области).

Хотя в настоящее время сетевая камера может стоить больше, чем эквивалентная ей по техническим характеристикам аналоговая, экономическая эффективность сетевых камер чаще всего проявляется при монтаже, наладке, эксплуатации, модернизации и расширении системы.

Состав сетевых систем ТВ–наблюдения

Из общей структурной схемы ТВ-системы наблюдения (рис. 1) видно, что одними из основных элементов ТВСН являются устройства формирования видеосигнала (т.е. телекамеры) и каналы связи с соответствующими интерфейсами. От типа телекамер и их характеристик и параметров в значительной степени зависят и характеристики всей ТВ-системы наблюдения. А тип и характеристики каналов связи в значительной мере определят структуру и ряд основных характеристик ТВ-системы.

С общей точки зрения схема на рис. 2 может быть легко трансформирована в сетевую систему. Для этого устройства формирования видеосигнала (телекамеры) должны либо непосредственно формировать цифровой сигнал, либо осуществлять его аналого-цифровое преобразование. Для совместимости с каналом связи (компьютерной сетью) телекамера должна иметь соответствующий сетевой интерфейс (встроенный или в виде самостоятельного устройства), являющийся передатчиком цифрового видеосигнала по каналу связи — по сети. Функции устройств отображения, анализа, регистрации и управления могут выполняться компьютером (специализированным или стандартным с соответствующим программным обеспечением). И имеющим приемник видеосигнала, т.е. в нашем случае сетевой интерфейс. Таким образом, рассматриваемая структурная схема в данном случае примет вид, изображенный на рис. 9.

Рассмотрим состав сетевой системы телевизионного наблюдения. Сетевая система ТВСН обычно включает в себя следующие компоненты:

  • сетевые камеры или видеосерверы (видеокодеры);
  • структурированная кабельная система как канал передачи видеосигналов;
  • сетевое устройство хранения данных;
  • программное обеспечение для записи видеоизображения по сети, а также программирования, мониторинга и управления системой;
  • программное обеспечение для анализа видеоизображения.

Сетевое оборудование и устройства хранения данных являются стандартными, используемыми в информационной инфраструктуре предприятия. Это значит, что в ряде случаев можно сократить затраты благодаря использованию оборудования, уже приобретенного заказчиком, и потому не нуждающегося во вводе в эксплуатацию и обучении персонала. ПО для анализа видеоизображения может размещаться как на приемной стороне, так и быть встроенным в сетевую камеру или видеосервер. Хотя оно может использоваться не во всех системах, однако это направление активно развивается в настоящее время.

Рассмотрим основные особенности элементов и структуры такой системы телевизионного наблюдения.

Сетевые камеры

Сетевая телевизионная камера — это телекамера, имеющая встроенный интерфейс для передачи видеоизображения по компьютерной сети. В настоящее время в связи с широким распространением компьютерных сетей на базе протоколов TCP/IP их используют практически все сетевые камеры. Поэтому для обозначения сетевых камер широко используется термин IP-камера. Однако не стоит ограничивать определение сетевой камеры каким-либо конкретным сетевым протоколом или стандартом, поскольку они не являются единственными, а в будущем возможно появление и других протоколов.

В отличие от Web-камеры, которая подключается к компьютеру напрямую (через порт USB или IEEE 1394), сетевая телекамера не требует прямого подключения к ПК. Фактически, Web-камера является видеокамерой и не предназначена в общем случае для дистанционной передачи видеосигнала.

Современные сетевые камеры поддерживают большое число сетевых протоколов, позволяют записывать изображения на встроенный носитель, передавать их по электронной почте, автоматически обнаруживать и анализировать движение в контролируемой области и выполнять другие функции. Помимо видеоизображения, сетевая камера может передавать и принимать по сети звук, телеметрическую информацию, сообщать о состоянии шлейфов сигнализации и принимать команды управления встроенными реле. Питание сетевой камеры осуществляется от отдельного источника питания или непосредственно по сети Ethernet [3]. Многие модели камер имеют также обычный аналоговый выход видеосигнала для непосредственного подключения к монитору, который используется при настройке.

Таким образом, сетевые телевизионные камеры могут служить хорошим примером распределения ресурсов (вычислительных, по обработке и хранению информации и других) в ТВ-системе.

Если в обычных телевизионных камерах разрешение используемой матрицы, фактически, ограничено параметрами стандартного телевизионного сигнала, то в сетевой оно может быть практически любым. Вопрос только в том, как передать, использовать и хранить полученный телевизионный сигнал.

Для работы с сетевыми камерами необходимы устройства, способные воспроизводить и/или записывать видеоизображение, передаваемое по сети. Для простых систем бывает достаточно функциональных возможностей самой сетевой камеры по предварительному преобразованию данных для записи на сетевой диск. Производители камер реализуют возможность записи изображения на жесткий диск сетевого компьютера, передачу видео по электронной почте или размещение видеоинформации на FTP-сервере. Для крупных систем необходимо специализированное программное обеспечение видеосервера или использование видеорегистраторов, способных записывать изображение от сетевых камер. И в дальнейшем позволяющим выполнить необходимую обработку видеоинформации (поиск по различным параметрам, автоматизированный анализ видеоизображений и т.п.).

На рис. 11 изображена типичная структурная схема сетевой телекамеры c объективом, в состав которой входят следующие основные элементы.

  • Объектив, фокусирующий изображения объекта на матрице. Объективы для сетевых камер стандартного разрешения по своим характеристикам и особенностям аналогичны моделям для аналоговых телекамер. Для мегапиксельных сетевых камер должны использоваться специальные объективы, имеющие высокую разрешающую способность.
  • Матрица, осуществляющая преобразование оптического изображения в электрический сигнал, и устройство считывания видеосигнала с матрицы.
  • Аналого-цифровой преобразователь отсчетов видеосигнала.
  • Процессор цифровой обработки видеоизображения. С его помощью, например, выполняются следующие операции:
    - компенсация фоновой засветки;
    - компенсация ярких точечных источников света;
    - автоматическое переключение цветных камер в черно-белый режим при уменьшении освещенности;
    - повышение чувствительности за счет накопления сигнала в течение нескольких тактов считывания или весового суммирования сигналов соседних ячеек чувствительного элемента;
    - автоматический цветовой баланс (баланс белого).
  • Процессор, обеспечивающий компрессию (сжатие) видеоизображения.
  • Оперативное запоминающее устройство.
  • Перепрограммируемое запоминающее устройство. В нем может храниться следующая информация:
    - операционная система камеры, обеспечивающая функционирование устройства;
    - Web-сервер, реализующий интерфейс пользователя и механизм обеспечения безопасности;
    - системные настройки параметров изображения и сетевые настройки;
    - программное обеспечение для анализа видеоизображения (в простейшем случае — видеодетектор движения).
  • Контроллер объектива, обеспечивающий управление диафрагмой;
  • Формирователь аналогового видеосигнала (опция).

Пример конструктивной реализации сетевой телекамеры приведен на рис. 12. В целом принципиальной разницы в конструкции и основных элементах аналоговых и сетевых телекамер обычно нет. Как правило, отличие заключается в наличии сетевого разъема.

 

Рис.11. Структурная схема сетевой ТВ-камеры

 

Рис.12. Пример конструктивного исполнения сетевой ТВ-камеры

Особенности использования сетевых камер

В настоящее время ведущие разработчики и производители систем телевизионного наблюдения проводят активные рекламные кампании, призванные привлечь внимание пользователей и установщиков к сетевым камерам. Многие из них предсказывают полный переход на сетевые камеры из-за их безусловных преимуществ по сравнению с аналоговыми камерами. Однако стоит с осторожностью относиться к подобным заявлениям, помня, что их причина может состоять вовсе не в реальном техническом превосходстве «новой» технологии над «старой». Просто с точки зрения маркетинга некоторым компаниям выгодно позиционировать себя в качестве пионера некоторой технологии, продвигая свои решения как инновацию, дающую неоспоримые преимущества по сравнению с продукцией конкурентов. Очевидно, что подобный подход к продвижению своей продукции приносит таким фирмам неплохие результаты продаж и делает репутацию. Однако, прежде чем делать окончательные выводы, стоит разобраться в реальных преимуществах, которые может принести применение сетевых камер.

С точки зрения потребителя, главной задачей телевизионной системы является формирование видеоизображения контролируемых зон, пригодного для дальнейшей обработки и анализа. Эта задача может решаться как обычными аналоговыми, так и сетевыми камерами (поэтому говорить о полном переходе на сетевое оборудование несколько преждевременно).

Решение о применении сетевых камер может быть вызвано двумя факторами:

  • возможностью формирования более качественного изображения по сравнению с аналоговыми камерами;
  • потенциальной возможностью снижения затрат за счет уже имеющейся инфраструктуры для передачи информации — компьютерной сети.

 

Если говорить о способности сетевых камер формировать более качественное изображение, то это связано с потенциальной возможностью использования прогрессивной развертки и более высокой разрешающей способности. Действительно, разрешение сетевых камер не ограничено стандартами PAL/NTSC, поэтому такие камеры могут иметь существенно более высокое разрешение. При использовании прогрессивной развертки вместо чересстрочной можно получить выигрыш при наблюдении и анализе записанного изображения движущихся объектов. Однако большинство выпускаемых в настоящее время сетевых камер по-прежнему формируют изображение с чересстрочной разверткой и максимальным разрешением 720х576. В результате изображение от таких сетевых телекамер может оказаться не лучше, чем у аналоговых камер стандартного класса. Необходимо учитывать также снижение качества воспроизведения мелких деталей изображения за счет
сжатия видеопотока.

 

Другой аргумент, который обычно приводят сторонники сетевых камер, связан с возможностью использовать кабельную инфраструктуру предприятия (СКС), уже приобретенную заказчиком и используемую для организации компьютерной сети. Это удобно, поскольку подключение к сети доступно практически в любой точке здания. Использование существующей инфраструктуры действительно может дать экономию на продолжительном отрезке времени благодаря отсутствию необходимости платить за одно и то же дважды.

Однако на современном рынке представлено и другое оборудование, позволяющее использовать кабельную инфраструктуру для передачи аналоговых видеосигналов, телеметрических команд управления и питания для камер по одной витой паре. Речь идет об устройствах, осуществляющих передачу видеосигналов по витой паре. Такие устройства обладают следующими преимуществами по сравнению с использованием сетевых камер.

  • Аналоговые передатчики/приемники видео по витой паре позволяют передавать видеосигнал в реальном масштабе времени без искажений, вызванных сжатием (компрессией) видеоизображения.
  • Дальность передачи видеосигналов и телеметрии по витой паре может составлять 1,6 км и более без необходимости использования каких-либо промежуточных устройств. Это особенно важно при оснащении территориально-распределенных объектов, где нет возможности размещения промежуточного сетевого коммутатора в корпусе, защищенном от погодных условий и вандализма. Напомним, что максимальная длина сегмента сети с архитектурой Ethernet 100Base-TX или 1000Base-TX составляет всего 100 м.
  • Передатчики/приемники используют только одну витую пару для передачи видеоизображения, питания и команд телеметрического управления в отличие от сетевых камер, где используются две или четыре пары. Это значит, что один сетевой кабель может использоваться для подключения четырех аналоговых камер вместо одной сетевой.

Многие производители аналоговых телекамер встраивают передатчики видео по витой паре в свои устройства. В качестве примера можно привести высокоскоростные поворотные камеры ACUIX (Honeywell), которые могут передавать видеосигнал как по коаксиальному кабелю, так и по витой паре. Стоимость аналоговой телекамеры с парой преобразователей витой пары (передатчик/приемник) обычно сопоставима со стоимостью сетевой камеры с аналогичными характеристиками.

Коммутация видеоизображения в ТВСН

При организации практически любой ТВСН возникает задача организации нескольких пунктов наблюдения, когда с любого пункта есть возможность просмотреть изображение от любой телекамеры, независимо от других пунктов. Такие задачи традиционно решались с помощью матричных коммутаторов, дающих возможность распределения аналоговых видеосигналов от телекамер на несколько пунктов наблюдения (рис. 13). Современные матричные коммутаторы, помимо видеоизображения, также позволяют коммутировать аудиосигналы.

Структура ТВ-системы на базе матричного коммутатора представляет собой пример сети с пространственной коммутацией каналов. В качестве источников используются видеосигналы от камер и аудиосигналы, а получателями являются мониторы и динамики на рабочих местах операторов. Пространственный коммутатор размера N*M представляет собой матрицу, в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов — к вертикальным (рис. 14).

 

Рис.13. ТВСН с матричным коммутатором

Рис.14. Матрица пространственного коммутатора

Рис.15. Сетевая многопользовательская система

В узлах матрицы имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Между каждым источником сигнала и получателем устанавливается выделенное сквозное соединение. Преимуществом матричных коммутаторов является гарантированная передача видеоизображения в реальном масштабе времени, поскольку для каждого канала в любой момент гарантируется представление полной полосы пропускания. В качестве другого наглядного примера устройства, осуществляющего коммутацию каналов, можно привести аналоговую автоматическую телефонную станцию (АТС), осуществляющую коммутацию абонентов.

В сетевой ТВСН функцию коммутации источников видеосигналов и звука выполняет компьютерная сеть. Компьютерные сети изначально разрабатывались с учетом того, что типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к сетевому файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в редакторе и эта операция может создать достаточно интенсивный трафик, особенно если файл содержит объемные графические изображения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Передача файлов требует высокой достоверности передачи информации по каналу связи, поскольку искажение даже нескольких бит файла может привести к его повреждению и невозможности дальнейшего использования. В то же время при передаче файлов вполне допускается некоторая задержка, которая в большинстве случаев будет незаметной для пользователя. Для эффективной передачи компьютерного трафика была разработана технология коммутации пакетов, учитывающая эти особенности.

При коммутации пакетов все передаваемые сообщения разбиваются на передающей стороне на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты могут иметь переменную длину, обычно в пределах от нескольких десятков байт до полутора килобайт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на компьютер назначения, а также номер пакета, который будет использоваться получателем для сборки сообщения. Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от устройств сети и на основании адресной информации передают их друг другу, а в итоге — компьютеру назначения.

Технология коммутации пакетов предоставляет возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика. Благодаря этому достигается высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика. Однако достоинства и недостатки любой технологии зачастую относительны. Наличие буферной памяти в коммутаторах пакетных сетей приводит к случайным задержкам в доставке пакетов, что является недостатком для трафика реального времени, которым является передача видеоизображения и звука.

Действительно, для источника и получателя видеоизображения наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в системах с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от источника к получателю (простои канала во время пауз передачи данных абонентов не интересуют). Сеть с коммутацией пакетов может замедлять процесс передачи видеоизображения, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по каналу передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Таким образом, можно сформулировать основные недостатки компьютерных сетей в плане передачи трафика реального времени.

  • Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.
  • Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.
  • Возможные потери данных из-за переполнения буферов.

В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные, как видео-, телефонный и компьютерный.