Цифровая система видеонаблюдения с использованием сети Ethernet

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Аннотация

Цель курсового проекта - исследование цифровых систем видеонаблюдения с использованием сети Ethernet для получения знаний в области их проектирования.

Исследование должно затрагивать следующие аспекты:

Аппаратная составляющая цифровых систем видеонаблюдения.

Изучение принципов работы отдельных компонентов цифровых систем видеонаблюдения

Программное обеспечение необходимое для создания цифровых систем видеонаблюдения.



Введение

Цифровые системы видеонаблюденияс использованием сети Ethetnet, которые часто называют IP-видеонаблюдением или сетевое видеонаблюдение, дают пользователям возможность вести наблюдение и записывать видео/звуковые потоки по IP-сетям (локальные, глобальные сети, Интернет). Сетевое видеонаблюдение можно использовать в самых разнообразных сферах применения, но наибольшее применение получило в системах охранного телевидения (СОТ) и удаленный мониторинг за труднодоступными технологическими процессами. Причины изучения основ сетевого видеонаблюдения:

* Цифровые технологии проникли практически во все сферы жизнедеятельности человека.

* Посредством Интернета мы получаем различного рода информацию, осуществляем денежные переводы, покупки, обмениваемся видео/ фото, пользуемся услугами IP- телефонии, общаемся по Skype и многое другое.

* В настоящее время ни одно предприятие (промышленные, банки, торговые предприятия, государственные учреждения и т.п.) не обходится без продуктов IP-технологии: компьютеры, программное обеспечение, сети. * Буквально в течение двадцати последних лет цифровая революция существенно затронула и индустрию безопасности.

Сетевое видеонаблюдение - это система видеонаблюдения, в которой видеопоток (видео + аудио) передается от сетевой в/камеры по IP-сети через сетевые коммутаторы и поступает на ПК / сервер с установленным на нем программным обеспечением для мониторинга и записи.

Преимущества сетевой сетевых систем цифрового видеонаблюдения перед аналоговыми:

1. Получение видео с более высоким разрешение, чем от аналоговых в/камер.

2. Качество изображения не зависит от дистанции передачи.

3. Контролировать обстановку на объекте удаленно по Internet с помощью ноутбука, I-Pad, Iphone, мобильного телефона из любой точки земного шара.

4. Один центральный пункт наблюдения на несколько объектов.

5. Позволяет удаленно конфигурировать сетевые телекамеры.

6. По одному кабелю («витая пара») можно передавать: видео, аудио, управлять поворотными IP-камерами, питание (PoE) -- экономия кабеля, материалов и на монтажных работах. Возможность беспроводной передачи данных.

7. Возможность видеоанализа. Цифровая обработка мегапиксельных изображений позволяет анализировать отдельные области кадра: например, распознавать номер автомобиля или лицо нарушителя и т.д.

8. Лучшая интеграция с другими системами безопасности: ОПС, СКУД и др.

Ethernet в свою очередь является средой, посредством которой, сетевые узлы обмениваются данными.

Название «Ethernet» (буквально «эфирная сеть») отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через коммутаторы (switch), так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) -- это повышает скорость работы и безопасность сети.



Компоненты сетевых систем видеонаблюдения

Система цифрового видеонаблюдения(ВН) состоит из следующих компонентов:

* Сетевые видеокамеры.

* Сервер с программным обеспечением видеонаблюдения.

* Устройства хранения информации.

* Сетевые видеосерверы.

* IP-сеть.

Рис.1.Структурная схема системы видеонаблюдения.

Здесь отметим очередной “плюс” сетевой системы ВН: сервер, устройство хранения информации и компоненты сети - это общедоступное стандартное компьютерное оборудование, т.е. имеем самое высокотехнологичные продукты IT-индустрии ( каждые 1,5 - 2 года удваивается производительность процессоров и объем устройств хранения данных). Что касается остальных составляющих: сетевые телекамеры, сетевые видеосерверы и программное обеспечение IP-видео - это специализированные продукты, присущие только сетевому видеонаблюдению. При рассмотрении основ аналогового ВН, мы выяснили, что передача информации от каждой телекамеры осуществляется по отдельным кабельным каналам на конкретный вход регистратора. В IP-системах цифровой видео/аудиопотоки передаются по проводным или беспроводным сетям, что позволяет снимать (мониторинг, запись) информацию в любом месте IP-сети. Кратко охарактеризуем каждый компонент, а в дальнейшем рассмотрим более подробно.

Сетевая телекамера - ключевой элемент системы, который и позволил совершить качественный скачок в сетевом видеонаблюдении. Наличие собственных вычислительных ресурсов у IP-камеры предполагает большие (в сравнении с аналоговыми в/к) функциональные возможности, например - реализация видеоанализа непосредственно на “борту” камеры и это не говоря о значительном превосходстве в качестве/ разрешении передаваемого изображения.

IP-камера не только формирует видеосигнал, но и оцифровывает его (устройство АЦП), сжимает с помощью кодеков (в MPEG-4, MJPEG, H.264) и передает по LAN/WAN через сетевой порт Ethernet (разъем RJ-45). Поскольку IP-камеры наблюдения имеют встроенный веб-сервер, изображение с них можно просматривать в окне стандартного веб-браузера (Internet Explorer, Mozilla и др.).

Сервер с программным обеспечением видеонаблюдения

В основном для этих целей используют стандартные компьютерные серверы с операционной системой Windows. Конфигурация сервера системы определяется в основном количеством сетевых в/камер и объемом передаваемой информации, так что для небольших систем до 15-20 телекамер можно использовать младшие модели двухядерных процессоров, а для систем с более 100 камер при максимальной скорости трансляции необходимо задействовать сервера на базе многоядерных процессоров.

Программное обеспечение сетевого в/наблюдения обеспечивает необходимые сервисы для мониторинга, записи, управления и видеоанализа информации. В настоящее время на рынке представлено множество программных продуктов и от различных производителей как отечественных (Интеллект, VideoIQ7, Smart Video (производитель ITV), Видео Гарант, VideoInspector (производитель ISS), VideoNet (производитель Пентакон), Трассир, Эвклид, BEWARD, и др.), так и зарубежных монстров Axis, Sony, Bosch, Panasonic. Если необходимо просматривать информацию с одной - двух сетевых камер, то достаточно будет задействовать стандартный веб-браузер, установленный на самой камере. Одна из задач решаемых ПО IP-видео это интеграция с другими системами: система контроля доступом, охранно-пожарная, автоматическое управление инженерией зданий и др. Данное ПО обладает высоким уровнем масштабируемости, т.е. позволяет наращивать количество сетевых в/камер.

Устройства хранения информации

На практике в большинстве случаев устройства хранения и программное обеспечение сетевого в/наблюдения реализуются на базе одного стандартного сервера. С целью хранения информации используют обычный накопитель на жестких магнитных дисках (HDD).Это запоминающее устройство произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров. В HDD используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства.

Для хранения видеоинформации на жестком диске необходимо иметь четко организованную структуру, она может быть достаточно простой: дерево каталогов, в каталоги которого вложены файлы. Видеозаписи могут храниться в виде стандартных файлов: JPEG, MPEG, AVI и др. Для повышения надежности хранения информации применяют RAID-массивы. Если сетевая система состоит из сотен или даже тысяч IP-телекамер, то для хранения могут быть использованы технологии хранения NAS (сетевые устройства хранения) или SAN (сети хранения данных).

Сетевой видеосервер - это устройство, предназначенное для работы в составе аналогово- цифровой системы видеонаблюдения и преобразования аналогового видеосигнала в цифровой формат для последующей передачи его по IP- сети (Рис.2).

Рис.2

Из определения следует, что видеосерверы, как правило, применяют там, где уже имеется аналоговая система ВН и есть необходимость в передаче информации от нескольких аналоговых в/камер по сети, при этом не придется избавляться от существующего оборудования.

В сетевых видеосерверах имеется, чаще всего, один или четыре аналоговых видеовхода - для подключения аналоговых в/камер и один сетевой разъем для подключения к сети Ethernet. Для масштабных систем в/наблюдения ( с большим количеством аналоговых в/камер) разработаны в/серверы в стоичном исполнении на 48 и 84 аналоговых входов. Видеосервер имеет: аналого- цифровой преобразователь (АЦП), кодек сжатия, встроенный веб-сервер, операционную систему. Т.к. по всему миру установлено и работает не один миллион аналоговых телекамер, видеосерверы имеют и будут иметь большую востребованность.

IP-сеть

Как мы уже отмечали, в качестве сети для сетевого видеонаблюдения, используются стандартные проводные и беспроводные IP-сети. Они просты и экономичны в развертывании, но и во многих случаях уже проложены там, где планируется установить сетевое в/наблюдение.

Часто пользуемся аббревиатурой IP/TCP, думаю необходимо дать расшифровку этих терминов из Википедии:

Internet Protocol (IP) -- межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня семейства TCP/IP. Именно IP стал тем протоколом, который объединил отдельные подсети во всемирную сеть Интернет. Неотъемлемой частью протокола является адресация - IP-адрес. IP объединяет сегменты сети в единую сеть, обеспечивая доставку данных между любыми узлами сети. Он классифицируется как протокол третьего уровня по сетевой модели OSI. IP не гарантирует надёжной доставки пакета до адресата. В частности, пакеты могут прийти не в том порядке, в котором были отправлены, продублироваться (приходят две копии одного пакета), оказаться повреждёнными (обычно повреждённые пакеты уничтожаются) или не прийти вовсе. Гарантию безошибочной доставки пакетов дают некоторые протоколы более высокого уровня -- транспортного уровня сетевой модели OSI, -- например, TCP, которые используют IP в качестве транспорта.

Существуют различные по масштабу IP-сети, от небольших локальных сетей до крупных корпоративных сетей и глобальной сети Интернет.

Сетевые телекамеры

Под сетевой (IP-) камерой понимают цифровую видеокамеру, особенностью которой является передача видеопотока в цифровом формате по сети Ethernet, использующей протокол IP. Являясь сетевым устройством, каждая IP-камера в сети имеет свой IP-адрес. Это своего рода два в одном: телекамера и компьютер.

Большинство IP- камер имеют дополнительный функционал: детекторы движения, отправка сообщений по e-mail, подключение внешних датчиков и пр. Пользователи могут обращаться к камере посредством стандартного веб-браузера. В зависимости от настроек, доступ к информации от IP-камеры, может быть доступен всем пользователям сети или только авторизованным пользователям.

В отличие от аналоговых камер, после получения видеокадра с IP-камеры, изображение остаётся цифровым вплоть до отображения на мониторе; высокое качество изображения постоянно на всем трафике прохождения сигнала и не зависит от длины трафика.

Как правило, перед передачей, полученное с матрицы изображение сжимается с помощью покадровых (MJPG) и межкадровых (MPEG-4, H.264) методов видеосжатия. Существуют специализированные IP-камеры, осуществляющие передачу видео в несжатом виде.

Благодаря тому, что сетевым камерам не требуется передавать аналоговый сигнал в формате PAL или NTSC (разрешение ограничено стандартами CCIR/PAL - 720 х 576 и 720 х 480 в EIA/NTSC), в IP-камерах могут использоваться большие разрешения, включая мегапиксельные. Типовые значения разрешения для сетевых камер: 640x480 точек; мегапиксельные: 1280x1024, 1600x1200. Благодаря отказу от использования стандартов аналогового телевидения PAL и NTSC, IP-камеры могут передавать видеокадры с требуемой частотой. Существуют IP-камеры с частотой передачи больше 60 кадров в секунду.

Как следует из определения IP- телекамера - это, прежде всего телекамера, имеющая признаки аналоговой, но и имеющая свою специфику. Рассмотрим алгоритм работы и основные компоненты сетевой телекамеры

Упрощенный алгоритм работы сетевой телекамеры, (см. Рис.3):

* Отраженный от объекта световой поток попадает в зону объектива, фокусируется в нем, попутно проходит через ИК-фильтр и попадает на оптоэлектронный сенсор изображения. * Сенсор изображения преобразует сфокусированное изображение в электрический сигнал.

* После сигнал поступает в процессор изображения (обработки сигнала), где оптимизируется по параметрам: яркости, контрастности, цветности и т. п.).

* В модуле сжатия изображения осуществляется компрессия видеопотока.

* Центральный процессор, Флэш-память (Flash memory) и оперативная память (DRAM) являются "мозгами" или компьютерной частью камеры. Они созданы специально для поддержки сетевых приложений.

* Посредством Ethernet-интерфейса цифровой видеопоток уходит в IP-сеть.

Рис.3.Внутреннее строение цифровой видеокамеры

Компоненты

* Объектив - оптическое устройство, предназначенное для создания действительного оптического изображения. Обычно объектив состоит из набора линз, рассчитанных для взаимной компенсации аберраций (погрешности изображения) и собранных в единую систему внутри оправы. В конструкцию объектива могут входить вспомогательные элементы: диафрагма, для управления количеством проходящего света, система фокусировки.

* Сенсор изображения (оптико-электронная /фотоприемная матрица) - является основным элементом, самым технологически сложным и дорогим в денежном эквиваленте любой видеокамеры, именно матрица определяет основные технические характеристики камеры. Современные телекамеры строятся на 2-х типах матриц: o ПЗС (CCD) - аббревиатура «прибор с зарядовой связью» или CCD-матрица (ChargeCoupled Device). ПЗС-матрица-- специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС -- приборов с зарядовой связью. Основные размеры матриц: 1/3, 1/2 и 2/3 дюйма.

*КМОП (CMOS) - сокращение от «комплементарная логика на транзисторах металл-оксид- полупроводник», (CMOS) Complementary Metal-Oxide Semiconductor. КМОП-поненты матрица -- светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии. ажным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии, т.е. объединение на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части. Не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов, что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем. Примечание: Для уменьшения общей стоимости сетевой телекамеры, чаще используют более дешевые CMOS-матрицы, теряя при этом в качестве продукта.

* Процессор изображения или процессор обработки видеосигнала выполняет в камере следующие функции: управление экспозицией, регулировкой баланса белого цвета, контрасностью и другими компонентами качества изображения. Представим некоторые из функций: AGC- автоматическая регулировка усиления, DSS -электронное увеличение чувствительности, AWB - автоматическая регулировка баланса белого цвета , BLC - компенсация фоновой засветки, , DNR- цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) - расширенный динамический диапазон. * Теперь специфические компоненты сетевой телекамеры:

Модуль сжатия изображения

Основная функция компрессия видеопотока, выполнен на базе DSP- микросхемы, это процессор с памятью в которую загружены программы с алгоритмами сжатия. Основные алгоритмы сжатия: H.264 - межкадровый алгоритм сжатия, в настоящее время основной стандарт компрессии видеоданных, используется практически во всех типах IP-телекамер. Коэффициент сжатия у кодека H.264 достигает до 70 : 1. Кроме межкадрового сжатия, существует и стандарт MJPEG (Motion JPEG) -- покадровый метод видеосжатия, основной особенностью которого является сжатие каждого отдельного кадра видеопотока с помощью алгоритма сжатия изображений JPEG. Коэффициент сжатия у MJPEG достигает до 15 :1. Основным преимуществом видеосжатия Motion JPEG является простота реализации, что делает MJPEG подходящим для реализации в устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами.

Центральный процессор, флэш-память (Flash memory) и оперативная память (DRAM) - являются "мозгами" или компьютерной частью камеры с CPU, памятью и операционной системой, как правило Linux. Основные функции: общее управление телекамеры, выполнение различных алгоритмов видеоанализа. Перенос аналитики на борт телекамеры привносит два положительных момента: анализируется докомпрессионный качественный видеопоток и функционально частично разгружается в/регистратор. При использовании флеш-карты пользователь получает не только возможность мониторинга, но и возможность управлять режимами записи, просмотра, скачивания архива по IP-сети.

Веб-сервер, это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, как правило, вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными. Короче, прописывая у себя на компьютере в адресной строке веб-браузера IP-адрес телекамеры, веб-сервер IP-камеры высылает нам HTML-страницу с видеопотоком и другими данными.

Сетевой интерфейс/ адаптер

Функция: подключение сетевой телекамеры к IP-сетям. Могут поддерживать функцию PoE (Power over Ethernet), предоставляя камере получать по одному кабелю не только данные, но и питание.

Сетевые видеосерверы

Сетевой видеосервер- это устройство, предназначенное для работы в составе аналогово-цифровой системы видеонаблюдения и преобразования аналогового видеосигнала в цифровой формат для последующей передачи его по IP- сети Бывают одноканальные (Рис.4)., четырехканальные (наиболее распространенный вариант, Рис.5) и многоканальные (до 84-х входов) в стоечном исполнении. Рис.6.

Рис.4

Рис.5

В настоящее время аналоговое видеонаблюдение всё ещё доминирует на рынке систем охранного телевидения (СОТ), более 90% установленных телекамер - аналоговые, и продолжительность эксплуатации камеры примерно составляет 5-7 лет, а требования к системам в/наблюдения и их функциональности растут год от года (архивация большого объема видеоданных, быстрая передача видеопотоков на удаленные мониторы через сеть в том числе и удаленное управление телекамерами, интеграция с другими системами безопасности). В связи с этим перед производителями встала задача разработать переходное звено между аналоговым и сетевым видеонаблюдением. Этим звеном и стал сетевой видеосервер.

Рис.6

Видеосерверы позволяют сохранить аналоговые видеокамеры и в то же время получить доступ к возможностям IP-видеонаблюдения. Через сетевой в/сервер можно осуществлять доступ и управление аналоговой камерой по сети, аналоговые в/регистраторы и аналоговые мониторы можно заменить на стандартные компьютерные мониторы и сервера.

Основные компоненты сетевого видеосервера напоминают “цифровые” составляющие сетевой телекамеры (Рис.7):



Рис.7. Структурная схема сетевого видеосервера

Система оцифровки сигнала представляет собой одну или несколько плат видеозахвата. Система принимает аналоговый сигнал и оцифровывает его для дальнейшей работы. Тип установленной платы определяет стандарт видеосервера PAL/NTSC. Количество плат оцифровки определяет потенциальное число подключаемых к видеосерверу телекамер.

Модуль сжатия изображения

Оцифрованный видеосигнал поступает в модуль сжатия видеосервера, где происходит преобразование видео в один из форматов сжатия H.264 - межкадровый алгоритм сжатия и MJPEG -- покадровый. Процесс сжатия может быть реализован аппаратно или программно. Видеосерверы с программным сжатием - дешевле, но в них обработка сигнала происходит с задержкой, которая обусловлена повышенной нагрузкой на центральный процессор. Где необходимо создание системы видеонаблюдения реального времени, лучше использовать видеосервер с аппаратной компрессией.

Центральный процессор, флэш-память и оперативная память являются "мозгами" сетевого видеосервера с CPU, памятью и операционной системой, как правило Linux. Основные функции: операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения в сеть, а также отвечающий за выполнение программ веб-браузера и встроенного программного обеспечения. В качестве процессора в видеосервере используют DSP-процессор или специализированную микросхему. Именно процессор определяет производительность сетевого в/сервера: максимальное количество кадров максимального разрешения в секунду. Как правило, лучшие представители передают изображение с разрешением D1 (720 х 576) со скоростью 25 кадров в секунду в PAL.

Флэш-память служит для хранения программного обеспечения, управляющего работой видеосервера: операционной системы, управляющих программ, различных приложений и пользовательских HTML-страниц. ОЗУ сетевого видеосервера служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении программ. В большинстве видеосерверов некоторая часть ОЗУ представляет собой так называемый видеобуфер. Видеобуфер - это часть ОЗУ, используемая для временного хранения текущей видеоинформации. Наличие видеобуфера предоставляет оператору возможность восстановления видеоинформации, связанной с сигналом тревоги. В процессе работы видеосервер записывает поступающую видеоинформацию в видеобуфер и постоянно ее обновляет. Если видеосервер получает сигнал тревоги от подключенных к нему охранных извещателей или с детектора движения, то им автоматически формируется и отсылается на заранее заданный адрес e-mail или FTP набор кадров, предшествующих, следующих и соответствующих сигналу тревоги.

Сетевой интерфейс/ адаптер

Система доступа к IP-сетb представляет собой, как правило, типовые интерфейсы локальных сетей Ethernet или 10BaseT/100BaseTX. Большинство моделей современных видеосерверов поддерживает стандартные сетевые протоколы TCP/IP, UDP, SMTP, IGMP, ARP, RAPP, FTP и т.д., что позволяет передавать видеосигнал как по локальным, так и по глобальным сетям.

Последовательные порты (R-232 и RS-485) позволяют управлять через видеосервер PTZ- функциями поворотных камер или подключить видеосервер к соответствующему интерфейсу видеозаписывающего устройства. Если необходимо установить удаленное соединение видеосервера с сетью Internet, то через последовательный порт можно также подключить модем.

Сетевой видеосервер посредством коаксиального кабеля подключается к аналоговой в/камере и преобразует аналоговый сигнал в сжатый цифровой видеопоток., который в дальнейшем передается по IP-сети. В типовом сетевом в/сервере реализованы следующие функциональные возможности:

*Управление телеметрией. Встроенный приемник телеметрии позволяет управлять поворотным устройством подключенной аналоговой видеокамеры и изменением фокусного расстояния объектива. Управление телеметрией дает возможность фокусировать видеокамеру на отдельных деталях и наблюдать за обширным пространством с разных ракурсов. Видеосерверы поддерживают множество различных протоколов телеметрии для видеокамер наиболее известных производителей.

* Видеодетектор движения - это программный или аппаратный модуль, основной задачей которого является обнаружение перемещающихся объектов в поле зрения видеокамеры. Детектор движения не только обнаруживает движение, но и определяет габариты объекта и скорость его движения.

* Обработка тревожных событий. Почти все видеосерверы имеют блок цифровых входов, которые служат для подключения к видеосерверу внешних охранных датчиков. Таким образом оператор может настроить видеосервер на срабатывание по внешнему событию. С помощью релейного выхода можно установить выполнение определенных действий, например, подачу питания на электромеханический замок двери. Если видеосервер имеет видеобуфер, то при поступлении сигнала тревоги он может посылать по сети набор кадров, поступивших на видеосервер до, после и в момент тревоги.

* Передача звука. Большинство видеосерверов оснащено аудиоканалом для однонаправленной или двунаправленной передачи звука по сети. Как правило, аудиосигнал, синхронизирован с видео.

* Поддержка функции PoE, запитывать по сети не только в/сервер, но и в/камеры.

* Программное обеспечение. Просмотр видеоизображения и управление видеокамерой при наличии видеосервера можно осуществлять с помощью стандартного веб-браузер. Тем не менее, многие производители поставляют вместе с видеосерверами собственное программное обеспечение, помогающее удаленно просматривать видеоинформацию, осуществлять настройку параметров камер. Как правило, такое программное обеспечение совместимо только с видеосерверами и другим сетевым оборудованием того же производителя и поставляется бесплатно.

Устройства записи и хранения информации

Устройства записи и хранения - это важнейшие компоненты в IP-видеонаблюдении, так как они используются для: мониторинга, записи, видеоанализа, управления и архивирования видеоинформации.

В сетевом видеонаблюдении, как уже частично упоминалось в первой части курса, возможны следующие способы видеозаписи:

* С помощью сервера видеозаписи.

* С помощью сетевого видеорегистратора (NVR).

* На базе гибридных в/регистраторов, работающих как с аналоговыми в/камерами, так и с IP- в/камерами.

* Организация архива на “борту” сетевой телекамеры с помощью флеш-карты.

* В настоящее время находят применение так называемые “облачные технологии”, все реализовано сторонней организацией (своего рода аутсорсинг) - видеозапись, хранение архива и пр., а Вам предоставлен удаленный доступ к информации без затрат на специализированное оборудование.

Сервер видеозаписи

Поскольку сетевые системы видеонаблюдения существенно разнятся по масштабу от нескольких единиц телекамер до нескольких сотен и даже тысяч, то и в качестве устройства записи можно использовать и стандартный персональный компьютер (ПК), и специализированный сервер. В чем между ними разница:

* Тип процессора. Как правило, производитель общий Intel или AMD. ПК в основном строятся на 2-х ядерных процессорах. Серверы комплектуются уже 4-х ядерными процессорами иногда и не одним.

* Объемом оперативной памяти (ОЗУ), до 4 Гбайт обычно у ПК и больше 4Гбайт у серверов.

* Объемом ПЗУ - постоянно-запоминающего устройства (HDD, RAID-массивы и др.).

* Поскольку данные устройства используются и для мониторинга, то будут отличия по производительности и в видеокартах.

* Несколько вариантов исполнения: системный блок типа “башня”, стоечный вариант.

Кроме аппаратных средств, для работы сервера необходима и операционная система (ОС). Какие операционные системы используются? Теоретически можно использовать любую, но на практике наиболее популярны: Windows и Linux.

Важным элементом так же является структура хранения данных. Видеозаписи могут храниться в виде стандартных файлов: JPEG, MPEG, AVI и т.д. Структура данных как правило это дерево каталогов, в каталогах хранятся файлы с видео от каждой камеры. Но существуют и более сложные базы данных с использованием многочисленных ссылок в другие базы.

Как мы уже отмечали, основные задачи, решаемые сервером это: мониторинг, запись, управление и видеоанализ. Каждая из этих задач использует различные ресурсы компьютера. Мощности центрального процессора ПК/ сервера задействованы в основном при мониторинге и видеоанализе, т.к. необходимо для этих целей декодировать видеопоток, а так же для непосредственного проведения самого видеоанализа. Цена сервера видеонаблюдения с видеоаналитикой существенно возрастает. Для уменьшения общей стоимости системы функции видеоанализа встраивают в сетевые телекамеры. Большинство современных IP-камер имеют встроенный детектор движения, а некоторые - и более сложные возможности анализа видео. При режиме записи - высокой производительности центрального процессора не требуется.

Одной из главных задач систем сетевого видеонаблюдения является запись архива. У компьютерных систем по сравнению со всеми остальными в этой области существуют самые широкие возможности, т.к. используется стандартное оборудование рынка информационных технологий.

Основой большинства современных систем хранения данных является жесткий диск (HDD, они же винчестеры). Рис.8. С момента создания первых жёстких дисков в результате непрерывного совершенствования технологии записи данных их максимально возможная ёмкость непрерывно увеличивается.

Рис.8

Ёмкость современных жёстких дисков (3,5 дюйма) достигает 4000 Гб (4 терабайт) и близится к 5 Тб. В отличие от принятой в информатике системы приставок, обозначающих кратную 1024 величину, производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются величины, кратные 1000. Так, ёмкость HDD, маркированного как «200 ГБ», составляет 186,2 Гбайт. Жесткие диски отличаются интерфейсом.

Различают несколько стандартов подключение диска к вашему компьютеру, а точнее к материнской плате или отдельному контроллеру. Это стандарт IDE, стандарт SATA-1, SATA-2 и самый новый и перспективный SATA-3.

Стандарт SATA1 - имеет скорость передачи до 150 Мбайт/c

Стандарт SATA2 - имеет скорость передачи до 300 Мбайт/c

Стандарт SATA3 - имеет скорость передачи до 600 Мбайт/c

Примечание: SATA (SerialATA) -- последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием параллельного интерфейса ATA (IDE).

RAID-массивы

RAID (redundant array of independent disks -- избыточный массив независимых дисков) -- массив из нескольких дисков (запоминающих устройств), управляемых контроллером, связанных между собой скоростными каналами передачи данных и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи. Раньше вместо independent употребляли inexpensive (недорогой), но со временем это определение потеряло актуальность: “недорогими” стали почти все дисковые накопители. За счет параллельного выполнения операций ввода-вывода обеспечивается высокое быстродействие системы, а повышенная надежность хранения информации достигается дублированием данных или вычислением контрольных сумм. Чтобы не снижать быстродействие системы, рекомендуется использовать аппаратные RAID-контроллеры, а не программные. Существует несколько уровней RAID-массивов с разной степенью избыточности. Сейчас наиболее распространены следующие уровни:

RAID-0 (striping -- «чередование») -- дисковый массив из двух или более жёстких дисков без резервирования (т.е., по сути RAID-массивом не является). Информация разбивается на блоки данных фиксированной длины и записывается на оба/несколько дисков одновременно. См. Рис.9.

Рис.9

Преимущества:

* повышается производительность (от количества дисков зависит кратность увеличения производительности);

* простота реализации;

* низкая стоимость;

* максимальная эффективность использования дискового пространства -- 100%. Недостатки:

* не является настоящим RAID-массивом поскольку не поддерживает отказоустойчивость; * надёжность RAID-0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в отдельности и падает с увеличением количества входящих в RAID-0 дисков, т. к. отказ любого из дисков приводит к неработоспособности всего массива.

RAID-1 (mirroring -- «зеркалирование») -- массив из двух дисков, являющихся полными копиями друг друга. Информация, которая записывается на один HDD, дублируется ещё на одном или нескольких жестких дисках. Рис.10.

Рис.10

Преимущества:

* Имеет высокую надёжность -- работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве. Вероятность выхода из строя сразу двух дисков равна произведению вероятностей отказа каждого диска, т.е. значительно ниже вероятности выхода из строя отдельного диска. На практике при выходе из строя одного из дисков следует срочно принимать меры -- вновь восстанавливать избыточность.

Недостатки:

* По цене двух жестких дисков пользователь фактически получает лишь один.

На практике широкое применение получили RAID-5 c чередованием и контролем четности. Данные и контрольные суммы распределяются по трем и более жестким дискам, объем массива будет равен сумме емкости всех HDD минус емкость одного. И RAID-6, аналогичен RAID-5, но с двумя контрольными суммами. Требуется минимум четыре HDD, но при этом можем выдержать выход из строя сразу двух жестких дисков, объем массива будет равен сумме емкости всех HDD минус емкость двух жестких дисков. При реализации RAID-массива необходимо учесть, что диски должны быть одного объема, так как в противном случае часть объема большего носителя останется неиспользованной.

Другие способы хранения данных

видеонаблюдение ethernet сеть информация

Сетевые устройства хранения NAS

NAS (Network Attached Storage) - это сетевое устройство хранения, то есть хранилище данных, подключаемое непосредственно в сеть. При подключении NAS в IP-сеть пользователям для хранения информации становятся доступны дисковые ресурсы, представленные как сетевые папки. Передача данных осуществляется по файловым протоколам обмена. Технология NAS позволяет осуществлять доступ к каталогам пользователям различных операционных систем и имеет очень гибкую настройку по правам доступа. Системы NAS просты в установке и не требуют клиентских лицензий ПО на доступ к хранилищу. Последнее особенно важно при большом числе подключений.

Сети хранения данных SAN

SAN (StorageAreaNetwork) - высокоскоростная специализированная сеть, объединяющая устройства хранения. Пользователи могут обращаться к любому из этих устройств хранения через серверы, общий объем SAN может достигать нескольких сотен Терабайт. Концепция централизованного хранения упрощает администрирование и предоставляет гибкое и высокоскоростное решение для мультисерверных систем. Основное отличие SAN от NAS заключается в следующем: в NAS-устройствах файл целиком сохраняется на жестком диске, а в сетях SAN файл разбивается на блоки и записывается на нескольких HDD.

Сетевой интерфейс сервера

Видеопоток от сетевых телекамер по IP-сети поступает на сервер посредством сетевого интерфейса/ сетевой карты, сетевой адаптер, Ethernet-адаптер -- периферийное устройство, позволяющее серверу/ ПК взаимодействовать с другими устройствами сети. Основной параметр пропускная способность, наиболее применяемые: 100BASE-T - 100 Mбит/с, 1000BASE-T - 1000 Мбит/с.

Сетевой видеорегистратор

В отличии цифровых видеорегистраторов (DVR), которые работают с сигналами от аналоговых сигналов, сетевые видеорегистраторы NVR (Network Video Recorder) имеют дело с цифровым, сжатым видеопотоком от IP-телекамер. При этом NVR обладают тем же функционалом: мониторинг, запись, хранение данных и трансляция по сети изображения реального времени и видеоданных из архива. Сегодня производители предлагают большой спектр сетевых регистраторов как в области применения: в стационарных условиях, на транспорте, так и с различным набором опций, соответственно и по разным ценам - от эконом-варианта до “навороченных”. Поэтому потребитель легко может подобрать NVR с нужными характеристиками и по приемлемой стоимости.

Программное обеспечение сетевых систем видеонаблюдения

Для успешной и эффективной работы системы сетевого видеонаблюдения программное обеспечение (ПО) является неотъемлемой составляющей. ПО сетевого в/наблюдения обеспечивает необходимые сервисы для мониторинга, записи, управления и видеоанализа информации. Правильный выбор программной платформы требует учета многих факторов в зависимости от масштаба, гибкости и функциональности системы.

Если необходимо просматривать информацию с одной - двух сетевых камер, то достаточно будет задействовать стандартный веб-браузер ( Internet Explorer, Google Chrome, Mozilla Firefox и др.), установленный на самой камере или видеосервере. Если система видеонаблюдения состоит из более, чем нескольких в/камер, то рекомендуется использовать специализированное программное обеспечение. Существует два варианта поставки программных платформ для сетевого видео:

* Программное обеспечение, которое устанавливается на сервер/ ПК, Рис.11;

* на базе сетевого видеорегисратора (NVR). Рис.12.

Рис.11.Вариант системы видеонаблюдения на базе сервера

Решение на базе сервера/ ПК предполагает использование стандартных компьютерных составляющих, при этом всегда можно подобрать такую конфигурацию, которая Вас устроит. ПО, устанавливаемое на сервер работает под управлением операционной системы, как правило, Windows или Linuxs. При этом варианте можно легко увеличить доступное для архива дисковое пространство, установить дополнительные станции мониторинга, установить привычные программы: сетевой экран, антивирус. ПО может поставляться отдельно с его последующей установкой самим пользователем либо с “заводской” установкой. Системы на базе сервера полностью масштабированы. Т.е. система лицензирования ПО предусматривает, что для добавления IP-телекамер требуются лицензии, которые можно последовательно добавлять при подключении дополнительных камер.

Рис.12.Вариант системы видеонаблюдения на базе NVR

Вариант на базе сетевого видеорегистратора представляет собой законченное аппаратное решение с установленным программным обеспечением. NVR предназначен строго для определенных задач: записи, мониторинга и анализа видео. На сетевые регистраторы нельзя установить другие программы. Аппаратная конфигурация строго привязана к его программному обеспечению. Аппаратная составляющая NVR чаще всего имеет специализированный характер. Сетевой видеорегистратор рассчитан на работу с определенным количеством IP-телекамер, т.е. менее гибкий вариант. Данное решение как правило проще в установке и настройке и используется в системах сетевого видеонаблюдения, в которых количество телекамер не превышает максимум входов NVR и не предполагается наращивание.

Собственные программные платформы имеются и у производителей IP-телекамер и у производителей сетевых видеосерверов. Как правило, такие производители поддерживают только собственные продукты. Существуют открытые программные платформы, которые поддерживают устройства различных производителей, в большинстве случаев открытые платформы обеспечивают максимальную гибкость для пользователя при проектировании системы сетевого видеонаблюдения.

Сетевые телекамеры/ видеосерверы имеют встроенный веб-сервер с IP-адресом, поэтому просмотр и конфигурацию можно осуществлять в обычном веб-браузере после ввода в его адресной строке IP-адреса устройства. Подключившись т.о. к сетевому устройству на мониторе компьютера Вы увидите его стартовую страницу с окном просмотра изображения и ссылки на страницы конфигурирования. Запись видео и получение отдельных снимков зачастую осуществляется нажатием правой кнопки мышки в окне просмотра. Конфигурирование и администрирование через его встроенный веб-сервер имеет смысл при незначительном количестве IP-устройств.

Большинство программных средств имеют собственный оконный интерфейс. Для крупномасштабных систем и когда требуется удаленная станция мониторинга, клиентское ПО для просмотра устанавливается на отдельный компьютер, а не на сервер записи, на котором установлено основное программное обеспечение системы видеонаблюдения. Клиентское приложение позволяет пользователю выполнять все те же функции, что и основное ПО установленное на сервере.

Программные платформы систем видеонаблюдения имеют следующие основные функции:

1. Запись видео. Имеется несколько режимов записи: постоянно, по детекции движения, по расписанию, по сигналу от тревожного входа. Предусмотрен выбор параметров качества записи: MJPEG, H.264. Выбор скорости записи.

2. Запись аудио. Реализуется за счет встроенных микрофонов в сетевую телекамеру. Важна синхронизация видео и аудио потоков.

3. Одновременный просмотр изображений от нескольких телекамер.

4. Управление тревожными событиями.

5. Администрирование и конфигурирование телекамер. Программное обеспечение предоставляет возможность добавлять новые в/камеры и конфигурировать их параметры, скорость трансляции, формат сжатия кадра.

6. Поиск в видеоархиве. Просмотр видео в архиве. Большинство программных платформ используют для хранения записей стандартную файловую систему Windows. Программные платформы позволяют хранить данные более чем на одном устройстве: на основном HDD, на локальные диски, сетевые диски и т.п. Можно задать время в течение, которого запись будет храниться. Многие программы обладают функцией синхронного просмотра видеозаписей с нескольких камер, это позволяет оператору получить детальную картину события.

7. Видиодетектор движения - стал стандартной функцией в программном обеспечении систем видеонаблюдения. Принцип действия основан на сравнении последовательности кадров и обнаружении в них изменений. Если в/детектор отсутствует в IP-телекамере, то его может предоставить ПО видеонаблюдения, т.е. сетевая телекамера посылает изображение на сервер, а программное обеспечение уже анализирует его. Видиодетектор движения существенно сокращает объем записываемой видеоинформации. Видиодетектор может анализировать как часть изображения, так и целиком. Программно пользователь может устанавливать различный уровень чувствительности для работы в условиях нормальной и низкой освещенности. При обнаружении движения ПО может: активизировать внешние устройства (включить свет, сирену), начать запись видео от выбранных телекамер, послать сообщение по электронной почте и т.п.

8. Разграничение прав пользователя. Ведение журнала системных событий. Программное обеспечение поддерживает следующие функции: авторизация пользователей, пароль, разграничение прав доступа: администратор, оператор, пользователь. Системный журнал необходим, если нужно установить, кто и когда имел доступ к системе и какие при этом совершались действия в системе сетевого видеонаблюдения.

Программные платформы IP-видеонаблюдения могут легко интегрированы с другими системами, которые используют протокол IP для передачи данных. Например интеграция: со СКУД, ОПС, контрольно-кассовыми системами. При такой интеграции информация полученная от других систем безопасности будет являться триггером для запуска режима записи, а пользователь получает один интерфейс для управления несколькими системами.

В настоящее время на рынке представлено множество программных продуктов и от различных производителей как отечественных (Интеллект, VideoIQ7, Smart Video (производитель ITV), Видео Гарант, VideoInspector (производитель ISS), VideoNet (производитель Пентакон), Трассир, Эвклид, BEWARD, и др.), так и зарубежных производителей: Axis, Sony, Bosch, Panasonic, Pelco, Samsung.

Проводные сети

Как мы уже отмечали, в качестве сети для сетевого видеонаблюдения, используются стандартные проводные и беспроводные IP-сети. Самым распространенным на сегодняшний день стандартом локальных сетей является - Ethernet. Общее количество сетей, работающих по протоколу Ethernet в настоящее время, оценивается в несколько десятков миллионов. Технология Ethernet была разработана в корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён в 1973 года, когда Роберт Меткалф составил докладную записку для главы PARC о потенциале технологии Ethernet. Но законное право на технологию было получено лишь в 1976 году.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0, или 10Base-5) в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель RG-8, RG-58. В настоящее время сети, построенные, на коаксиальном кабеле практически не применяются, а используют витую пару и оптический кабель.

Причины/ преимущества использования витой пары по сравнению с коаксиальным кабелем:

* возможность работы в дуплексном режиме;

* низкая стоимость кабеля «витой пары»;

* более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле (соединение точка-точка: обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля лишает связи весь сегмент);

* минимально допустимый радиус изгиба меньше;

* большая помехоустойчивость из-за использования дифференциального сигнала;

* возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов (стандарт Power over Ethernet, POE);

* гальваническая развязка трансформаторного типа. При использовании коаксиального кабеля в российских условиях, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт и иногда даже полным «выгоранием» системного блока.

Сетевые топологии

Существует следующие варианты построения сети:

- Шинная топология; в основном применялась на ранней стадии развития локальных сетей. Средой передачи служит коаксиальный кабель, к которому подключены все сетевые узлы, а на его концах заглушки-резисторы (терминаторы), для согласования волнового сопротивления кабеля ( для RG-58 - 50 Ом). Если терминаторы не устанавливать, отраженный от конца кабеля сигнал снова попадает в кабель - и будет являться помехой в сети. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети, низкой стоимости и в случае выхода из строя станции на работу сети это не влияет. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям - при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен, небольшая дальность передачи, нельзя использовать разный тип кабеля на разных участках сети.

- Звездообразная топология. При использовании топологии "звезда"(Рис.13), каждый сетевой узел подключается к специальному коммутатору/концентратору (хабу). В качестве кабеля используют: витую пару или оптоволокно.

Рис.13.Звездообразная топология организации сети видеонаблюдения

Преимуществом этой топологии является ее устойчивость к повреждениям кабеля - при обрыве перестает работать только один из узлов сети и поиск повреждения значительно упрощается. Недостатком является более высокая стоимость из-за наличия HUB. В случае выхода из строя центрального узла, вся сеть перестает работать.

Масштабные сети образуются множеством звездообразных конфигураций, которые подключаются иерархически. В локальных сетях имеет место вариант топологии “кольцо” - в основном применяемый в объединении ПК

Сетевые кабели

В проводных сетях все узлы должны быть коммутированы каким-нибудь типом кабеля. Мы уже упоминали, что применяются: коаксиальный кабель, витая пара и оптоволокно. Эти типы кабелей имеют различные варианты исполнения, рассмотрим их внимательнее:

* Коаксиальный кабель. RG-58 «тонкий Ethernet», 50 Ом. Стандарт 10BASE-2 - тонкий коаксиальный кабель, гибкий, диаметром около 3 мм, центральная медная жила может быть целиковой, либо из нескольких проводов, волновое сопротивление 50 Ом, с максимальной длиной сегмента 185 метров. Сетевые узлы коммутируются с помощью BNC-разъемов и Т- образного BNC-коннектора. Рис.14. Скорость передачи данных max 10 Мбит/с - ограничение для использования в сетевом видеонаблюдении.

Рис.14. BNC-коннектор

* Витая пара - значительно чаще используется в сетях Ethernet, чем остальные другие. Пример: Кабель UTP 4х2х0,5 кат 5е в ПВХ изоляции (Hyperline)-4 пары, 5 категория, D внеш = 6,2 мм, ПВХ изоляция, неэкранир. Рис.15. Максимальная длина кабеля обычно 100 метров. Скорость передачи данных: 10, 100,1000, 10 000 Мбит/с. Для физического соединения между узлами сети используют разъем RJ--45.Примечание: Термин «RJ-45» ошибочно употребляется для именования разъёма 8P8C«8 позиций (Р -- position)-- 8 контактов (С -- сontact)», используемого в компьютерных сетях. На самом деле настоящий RJ-45 физически несовместим с 8P8C, так как использует схему 8P2C с ключом. Ошибочное употребление термина «RJ-45» вызвано, вероятно, тем, что настоящий RJ-45 не получил широкого применения, но внешне похож на 8P8C.

Рис.15. Витая пара

В зависимости от наличия защиты -- электрически заземлённой медной оплётки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности данной технологии:

* неэкранированная витая пара (UTP -- Unshieldedtwistedpair) -- без защитного экрана;

* фольгированная витая пара (FTP -- Foiledtwistedpair) -- присутствует один общий внешний экран в виде фольги;

* экранированная витая пара (STP -- Shieldedtwistedpair) -- присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки.

Существует несколько категорий кабеля витая пара, которые нумеруются от CAT1 до CAT7 и определяют эффективный пропускаемый частотный диапазон. Приведем наиболее востребованные:

* CAT3 (полоса частот 16 МГц) -- 4-парный кабель, используется при построении телефонных и локальных сетей 10BASE-T и token ring, поддерживает скорость передачи данных до 10 Мбит/с или 100 Мбит/с по технологии 100BASE-T4 на расстоянии не дальше 100 метров, отвечает требованиям стандарта IEEE 802.3.

* CAT5 (полоса частот 100 МГц) -- 4-парный кабель, использовался при построении локальных сетей 100BASE-TX и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар.

* CAT5e (полоса частот 100 МГц) -- 4-парный кабель, усовершенствованная категория 5. Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двухпарный кабель категории 5e. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине.

* CAT6 (полоса частот 250 МГц) -- применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 55 м. Добавлен в стандарт в июне 2002 года.

Оптоволоконный кабель

Оптическое волокно -- нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения; для передачи данных используется излучение светодиода или специального лазера.Излучение светодиодов имеет длину волны 850нм, 1300 нм или 1550 нм. Существует оптоволокно:

* Одномодовое. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.