В последнее время мы наблюдаем огромное количество письменных, рекламных материалов и коммерческих предложений, которые посвящены IP–камерам стандарта «Ethernet 100». Кажется, что столбовой путь развития охранного телевидения определен. Так ли это? Не хочется в сотый раз досконально перечислять достоинства и недостатки IP–камер. Материалов по данной тематике предостаточно. С нашей точки зрения, самым существенным достоинством IP–камеры интерфейса «Ethernet 100» является то, что она представляет собой функционально–законченное IP–устройство, работающее по самому распространенному интерфейсу. Нельзя не упомянуть и финансовую доступность данных устройств, причем с устойчивой тенденцией к снижению стоимости. Однако в технике практически ничто не бывает однозначным, поскольку за одни технические характеристики приходится расплачиваться другими возможностями устройства. Вот об этом почему–то настойчиво стараются не говорить.
Рассмотрим, что как минимум должна делать IP–камера интерфейса «Ethernet 100»:
Иметь меню ручного управления параметрами камеры;
Вырабатывать синхронизирующие импульсы для корректного считывания информации с матрицы камеры;
Оцифровывать видеосигнал;
На основе полученной информации управлять электронным затвором и при наличии автоматической регулировки диафрагмы (АРД);
Осуществлять компрессию (обычно H.264, MJPEG,). Причем необходимо иметь возможность формировать как алгоритм с межкадровой компрессией, так и без неё;
Осуществлять наложение текстовой информации на видео;
Работать по сети «Ethernet» с несколькими пользователями;
Передавать метаданные;
Записывать видеоинформацию в буфер.
Для повышения коммерческой привлекательности обычно осуществляют: Цифровое шумоподавление (2D,3D, DNR (Digital Noise Reduction); Увеличение динамического диапазона (WDR) (Wide Dynamic Range), что требует за период экспозиции кадра несколько раз осуществить его считывание и обработку; Цифровую стабилизацию изображения (DIS (Digital Image Stabilization); Формирование двух потоков с различной степенью компрессии (высокого и низкого разрешения); Автофокусировку; Переход из дневного режима работы в ночной; Простейшую видеоаналитику (типа пересечения линии, детекции движения, сопровождения движущегося объекта, выделения области интересов и т.д.); Управление яркостью ИК–подсветки во избежание пересвечивания объекта наблюдения; Запись видеоинформации на SD–карту памяти. Вы и сами без труда можете продолжить этот список. Первая мысль, которая приходит в голову после прочтения далеко неполного списка задач IP–камеры: не слишком ли много функций мы возложили на одно устройство? Сможет ли оно их хорошо выполнять с учетом бюджетных ограничений? Ответ очевиден. Для примера рассмотрим типовые характеристики достаточно качественных IP–камер.
Таблица 1. Типовые характеристики мегапиксельных IP – камер.
Примечание. Здесь и далее выделенным шрифтом обозначены наиболее интересные характеристики видеокамер. Fps «frames per second» – количество кадров за одну секунду. Иногда в аналоговом телевидении под fps понимают количество полукадров в секунду
Отразим эти закономерности на графиках.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Таким образом, с ростом количества выдаваемых потребителю пикселей в матрице, почти пропорционально падает fps (см. рис 1 – 2). Можно отметить, что (см. рис.3) размерность матрицы увеличилась в 7.7 раз, а произведение количества пикселей на fps по максимальному значению увеличилось только в 1.28 раза. У матриц больше 2 Мп для некоторых форматов вывода информации, например 1280х1024 пикселей, этот график с ростом размерности матрицы может и снижаться. С уменьшением размера пикселей в матрице пропорционально уменьшается чувствительность матрицы (зависимость приведена для CMOS–матрицы).
Подведем промежуточные итоги.
Матрица IP–камеры размером в 10 Мп по своей информативности ненамного превосходит 2 Мп матрицу IP–камеры. Данный факт объясняется тем, что увеличение размерности (Мп) матрицы автоматически приводит к снижению количества кадр/с, поскольку в настоящее время специализированные процессоры или ПЛИС не успевают в реальном времени обрабатывать такие объемы информации. Особенно это становится критичным при использовании режимов WDR. По чувствительности 10 Мп матрица проигрывает 2 Мп матрице в 4 раза. На данный момент речь идет о матрицах одной структуры (CMOS–матрицы). Примечание. Проигрыш по чувствительности CMOS–матрицы матрицам структуры CCD будет еще большим. Дело в том, что чем меньше размер пикселя, тем меньше света на него попадает и соответственно меньше отклик по напряжению на это воздействие. Многие разработчики это понимают и не идут на поводу у маркетологов в погоне за количеством Мп. Так, фирма HTC в смартфоне «HTC One X» вернулась к матрице с шагом пикселей в 2.0 мк, с целью улучшения качества изображения. Ещё одним побочным эффектом малого размера пикселя является низкое значение соотношения сигнал/шум. Редко где можно встретить это соотношение для широкоформатных мегапиксельных матриц структуры CMOS более 48 дБ, а иногда оно не превышает 44 Дб. У высококачественных видеокамер соотношение сигнал/шум должно находиться в пределах 50 – 52 дБ. Так нужно ли нам разрешение в 10 Мп, если соотноше¬ние сигнал/шум при этом будет 44 Дб? Примечание. В данной статье мы не обсуждаем методики замеров чувствительности в люксах (измерять чувствительность в люксах неправильно даже с точки зрения методологии) и соотношение сигнал/шум. Здесь мы оперируем данными производителя. Однако можно с уверенностью сказать, что если производитель написал соотношение сигнал/шум 44 дБ, то лучшее значение этого параметра Вам получить не удастся. Стандартные IP – камеры используют стек протоколов TCP/IP. Обычно работают или с протоколами TCP или UDP. Примечание. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства — Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP). TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) — один из основных протоколов передачи данных Интернета, предназначенный для управления передачей данных в сетях и подсетях TCP/IP. UDP (User Datagram Protocol — протокол поль¬зовательских датаграмм) — один из ключевых элементов TCP/IP. С UDP компьютерные приложения могут посылать сообщения (в данном случае называемые датаграммами) другим хостам по IP–сети без необходимости пред¬варительного сообщения для установки специальных каналов передачи данных. UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление либо не нужны, либо должны исполняться в приложении. TCP – это транспортный механизм, предоставляющий поток данных с предварительной установкой соединения, за счёт этого дающий уверенность в достоверности передачи. В отличие от UDP, TCP гарантирует целостность передаваемых данных и уведомление отправителя о результатах передачи. Работа по протоколу UDP подразумевает возможность потери информации, что для серьезных охранных приложений недопустимо, а использование протокола TCP приводит к временным задержкам при передаче информации, а при больших нагрузках на сеть – к «подвисанию» системы. Дело в том, что при создании протоколов TCP/IP не ставилась задача оптимизировать их для передачи видеосигнала. Обращение нескольких пользователей по сети (количество у разных изделий находится в диапазоне 3 – 10 пользователей) гарантировано «подвешивает» процессор IP–камеры. Поэтому для многопользовательских приложений IP–камеры должны подключаться через IP–видеорегистраторы (NVR) или иные коммутирующие IP–устройства, что сильно искажает идеологию IP–видеокамеры как самостоятельного функционально законченного устройства. Не забудьте через каждые 100 м поставить свитчер, роутер, хаб или иное IP–устройство, выполняющее роль усилителя/повторителя. Сделать это на периметре охраняемого объекта задача непростая, поскольку данные типовые устройства обычно рассчитаны на работу в плюсовых температурах. Ну и последняя ложка дегтя в бочке меда. Сложность настройки и работы сетевых IP–устройств, несовместимость (или неполная совместимость) протоколов и программного обеспечения приводит к тому, что человек часто перестает понимать, что у него происходит с системой. Недаром для успешной работы рекомендуется выдавать системным администраторам бубен и список шаманских заклинаний (шутка). А как решать вопрос «вирусного» заражения в системе? Стандартные «антивирусники» непредсказуемо «тормозят» работу сетевых устройств, а если не ставить данное программное обеспечение, то можно смело ожидать месяца через три полного краха ваших надежд. Примечание. Единственным реальным решением проблемы вирусного заражения, которое встречалось авторам, являлась реализация операционной системы на базе максимально урезанной ОС «Linux» с размещением этой ОС на специализированной флэш – карте IDE–формата. Читатель может подумать, что авторы собираются вбить последний гвоздь в крышку гроба стандартных IP–камер. Конечно, нет. Данные устройства уверенно занимают свое место на рынке видеонаблюдения, и об их достоинствах и успехах вы прочтете на «каждом углу». Вот о недостатках почему–то предпочитают умолчать. А ведь пользователь должен ясно представлять, что ему предлагают, и делать свой выбор осознано.
В настоящее время существует несколько альтернативных вариантов развития охранного телевидения:
аналоговые видеокамеры с матрицей повышенного разрешения;
видеокамеры стандарта HD–SDI;
видеокамеры «машинного зрения».
Аналоговые решения
Давайте рассмотрим альтернативу и вспомним, что у нас существуют прекрасные CCD матрицы класса EXview HAD CCD II, (например, на основе ICX673AKA см. таб. 2) с эффективным разрешением 976 х 582 пикселя и великолепной чувствительностью. Преимущество в чувствительности CCD–матрицы перед CMOS становится еще более выраженным, с учетом того, что ССD имеют более низкий уровень шума и однородности изображений при более высоких рабочих температурах.
Таблица 2.
Характеристики матрицы ICX673AKA Разрешение по вертикали для этой матрицы определяется стандартом PAL, а вот по горизонтали можно получить порядка 650 – 700 ТВЛ. Лучшие результаты дает использование матрицы с процессором «Effio–P». Примечание. Аббревиатура «Effio» (Enhanced Features and Fine Image) Processor обозначает – «Процессор с расширенными возможностями и прекрасным изображением».
- Особенности DSP Effio – P (CXD4129GG):
- поддержка ПЗС матриц формата 960H;
- камеры видеонаблюдения обеспечивают горизонтальное разрешение до 700 ТВЛ при матрице 960H;
- расширенный динамический диапазон — WDR (Wide Dynamic Range);
- улучшенное адаптивное воспроизведение цвета — ATR–EX (Adaptive Tone Reproduction) 2D и 3D шумоподавление (2D & 3D – NR / Noise Reduction);
- цифровая стабилизация изображения;
- детектор движения; приватные зоны;
- компенсация зон высокой яркости – HLC (High Light Compensation)
- ; медленный затвор – повышение чувствительности (Sense–UP);
- цифровое увеличение – E–Zoom;
- экранное меню – OSD;
- встроенный системный контроллер для управления камерой видеонаблюдения.
Таблица 3. Сравнение чувствительности CCD и CMOS матриц на примере матриц ICX673AKA и IMX138LQJ
Характеристики процессора FH8520 позволяют выдавать изображение в цифровом виде с разре¬шением 720P (1280х720 пикселей) и частотой до 60 кадров. К сожалению, в аналоговом виде формат вывода составляет 960 Н (976 х 582 пикселя), т.е. в аналоговом виде разрешение будет порядка 700 ТВЛ. Однако не будем забывать, что ещё совсем недавно для аналоговых камер разрешение в 450 – 500 ТВЛ считалось пределом совершенства.
Стандарт HD – SDI.
Другим важнейшим путем развития охранного телевидения является совершенствование стандарта HD–SDI (High Definition Serial Digital Interface) – это название стандарта SMPTE292M, который представляет собой цифровой последовательный интерфейс для передачи сигнала высокого разрешения, обеспечивает передачу видеоданных со скоростью 1,485 Гбит/с. При указанном битрейте HD–SDI может поддерживать разрешения 720р, 1080i и 1080р. Примечание. Кроме того, существуют Dual Link HD–SDI – для ТВЧ с прогрессивной разверткой, позволяет передавать до 2,970 Гбит/с посредством двух физических соединений HD–SDI; 3G–SDI – для передачи ТВЧ с прогрессивной разверткой потоком до 2,970 Гбит/с посредством одного коаксиального кабеля и т.д. В стандарте HD – SDI камера не осуществляет компрессирование видеосигнала. Наконец – то камера занимается своим прямым назначением – трансляцией максимально возможной информации от сенсора к видеорегистратору, поэтому в сигнале отсутствует задержка и искажение, свойственные различным алгоритмам компрессии. Передача информации осуществляется в цифровом виде по коаксиальному кабелю, поскольку «витая пара» не позволяет передавать такой объем информации. При передаче используется канальное кодирование с модифицированным кодом без возвращения к нулю (БВНМ) в сочетании со скремблированием. Интерфейс является самосинхронизируемым. Кадровая синхронизация осуществляется специальным синхронизирующим пакетом данных, состоящим из последовательности идущих подряд 10 единиц и 20 нулей (20 единиц и 40 нулей для HD). Помимо видео, в поток SDI могут быть включены вложенный звук, субтитры, тайм – код и другие виды метаданных. Поскольку без компрессии и записи не обойтись, они осуществляются на видеорегистраторе. Возможности видеорегистратора по реализации более качественных профилей алгоритмов компрессии позволяют производить хранение и передачу далее в сеть более качественной видеоинформации (не говоря уже о прямом выводе информации на монитор оператора). Ещё одним достоинством стандарта HD–SDI является то, что различные алгоритмы видеоналитики имеют возможность работать с некомпрессированным видеосигналом. Подкупает и простота развертывания и подключения камер HD–SDI к видеорегистратору. Не обходится и без недостатков. Пока видеорегистраторы данного стандарта достаточно дороги и обладают меньшей емкостью по количеству подключаемых камер по сравнению с сетевым видеорегистратором (NVR). Однако если качество сигнала является приоритетным, то до сих пор стандарт HD – SDI является лучшим решением. Иногда высказываются мнения, что стандарт HD–хх является переходным звеном от аналогового сигнала к IP–камерам и вскоре он отомрет. С этим трудно согласиться, поскольку планируется дальнейшее развитие нового формата вещательного телевидения Ultra HD television или UHDTV. UHDTV включает в себя два формата: 4К UHD (2160p) или 3840х2160 (8,3 Мпкс) и 8К UHD (4320p) или 7680х4320 (33,2 Мпкс) (см. рис.6)
Рис.5. Наглядное представление возможностей по разрешению 1080 i/p по сравнению с 720p и стандартом PAL
Рис.6. Разрешение новых форматов вещательного телевидения
Видеокамеры машинного зрения.
Видеокамеры машинного зрения являются специализированными камерами, отличающимися от традиционных видеокамер повышенными параметрами (это может быть разрешение, количество кадр/сек, чувствительность и т.д.). Примечание. Видеокамеры машинного зрения требуют обстоятельного обсуждения и анализа, поскольку именно в этом классе видеокамер встречаются наиболее интересные технические решения. Ограниченный размер публикации не позволяет досконально на этом останавливаться, поэтому здесь данное направление только слегка обозначено. Различные производители камер машинного зрения предлагают на отечественном рынке свою продукцию. В настоящее время зарегистрировано около 200 групп и научных лабораторий, работающих над данной проблематикой, поэтому названия конкретных моделей следует рассматривать только как пример, который приведен для демонстрации технических возможностей видеокамер машинного зрения. Данные камеры отличаются своими интерфейсами. Основные интерфейсы камер машинного зрения приведены в табл. 4.
Таблица 4. Интерфейсы видеокамер машинного зрения * Для стандарта l IEEE 1394b
Таблица 5. Основные технические характеристики некоторых камер машинного зрения с интерфейсом «Gigabit Ethernet»
Таблица 6. Основные технические характеристики некоторых камер машинного зрения с интерфейсом «Camera Link»
Таблица 7. Основные технические характеристики некоторых камер машинного зрения с интерфейсом «USB 3.0»
Таблица 8. Основные технические характеристики некоторых камер машинного зрения с интерфейсом c линейным сканированием «Camera Link» (обратите внимание на частоту линейной развертки)
Таблица 9. Основные технические характеристики некоторых камер машинного зрения с матрицей CCD и интерфейсом «Camera Link».
Примечание. Иногда высказывается мнение, что не существуют широкоформатных Мп матриц структуры CCD, данная таблица показывает, что это неверно
Таблица 10. Основные технические характеристики камеры машинного зрения «avA2300 – 30kc» с матрицей CCD
Таблица 11. Основные технические характеристики камеры машинного зрения «raL12288 – 8gm» с линейной матрицей
Обратите внимание на видеокамеру raL12288 – 8gm с линейной матрицей в 12 Мп. (Рис.7).
Рис. 7 Камера машинного зрения raL12288 – 8gm
Кажется, что камеры машинного зрения плохо подходят для целей охранного телевидения, однако, не будем спешить с выводами. Научно-Исследовательский Институт Телевидения (НИИТ), г. Санкт–Петербург представил панорамную систему видеонаблюдения высокого разрешения «Сова» на базе 2 Мп линейки, что при механической горизонтальной развертке дает в сумме разрешение до 120 Мп (однако в таком варианте видеокамеры можно и 12 Мп линейку использовать).
Панорамная система видеонаблюдения «Сова».
Рис. 8. Панорамная система видеонаблюдения «Сова»
Технические характеристики:
Размер формируемого кадра – до 120 Mpix;
Вид движения – круговое невозвратное вращение;
Скорость поворота – регулируемая по горизонтали от 5 до 120 град/с.
Разрешение изображения:
– горизонтальное – до 64 000 точек (видимый угол – до 360°);
– вертикальное – до 2048 точек, видимый угол (30±5)°.
Изменение параметров зоны приоритетного об¬зора осуществляется оператором путем электронного масштабирования.
Скорость записи – до 6 – 30 изображений в минуту, в зависимости от выбранного угла обзора.
Рабочий диапазон освещенности на объекте – от 50 до 50 000 люкс.
Передача информации в компьютер осуществля¬ется по коаксиальному кабелю 75 Ом (типа 1694А) по протоколу DVB–ASI, Ethernet, а также PLC–модемом по двухпроводным линиям связи. Передача команд управления на оптикоэлектронный модуль осуществляется по протоколу Ethernet IEEE 802.3 (10/100BaseTX).
Функциональные возможности системы панорамного видеонаблюдения: Во всем диапазоне видеонаблюдения (до 360°), угол и зона просмотра которого устанавливаются оператором, осуществляется видеосъемка сверхвысокого разрешения. Это обеспечивает возможность ведения видеоархива, в котором уровень детализации выбирается произвольно в любой момент обращения.
Рис.9. Увеличенные кадры из панорамы кругового видеонаблюдения «Сова»
- Общий вывод: IP–камерам стандарта «Ethernet 100» присущи как достоинства, так и недостатки;
- У большинства IP–камер стандарта «Ethernet 100» произведение количества пикселей на fps для матриц 1.3 Мп, 2.07 Мп, 3 Мп, 5Мп, 10 Мп практически не изменяется;
- В настоящее время сдерживающим фактором повышения информативности видеокамер является не количество пикселей в матрице, а возможности по обработке данной информации «на борту» камеры;
- В последнее время аналоговые видеокамеры значительно улучшили свои технические характеристики. Наблюдается переход Мп матриц IP–видеокамер в аналоговые приложения;
- Бурно развивается и имеет большие перспективы стандарт видеонаблюдения HD–SDI;
- Использование камер машинного зрения может резко улучшить технические характеристики охранного телевидения;
- Сдерживающим фактором широкого внедрения видеокамер стандартов HD–SDI и камер машинного зрения, является их более высокая цена по сравнению со стандартными IP–камерами. Однако для специальных приложений охранного телевидения и при охране особо важных объектов использование данных камер выглядит достаточно обоснованно.