SISTEME VIDEO IP – NETWORK VIDEO

6.1 Introducere

Sistemele video digitale aduc o flexibilitate marita in stocarea, transferul, monitorizarea si analiza a continutului video comparativ cu sistemele clasice analogice Din ce in ce mai mult aceste sisteme sunt folosite pentru functiile suplimentare asociate cu transmisia de informatie sub forma de date sinu sub forma de semnal video analogic. Dar beneficiile nu se opresc aici. Bazandu-se pe tehnologii recunoscute si testate de-a lungul timpului de catre industria IT sistemele video IP au profitat de aceste avantaje pentru a ajunge la o diversitate de facilitati care impun alegerea lor pentru aplicatii de tip « high security« sau aplicatii integrate de securitate. Gama de aplicatii a sistemelor video IP este una foarte diversa.

6.2 Tehnologii de retea

Pentru inceput sa clarificam cativa termeni des utilizati in sistemele IT, termeni ce sunt folositi si in sistemele video IP. Intreg conceptul de video IP se bazeaza pe structura de retea si pe suita de protocoale TCP/IP. Tipul de retea cel mai des utilizat este cel cu comutare de pachete. Intre « nodurile« retelei (server, routere, switch, NAT, calculatoare) se schimba pachete de date IP. Aceste pachete contin toata informatia necesara pentru a ajunge in siguranta de la sursa la destinatie. Reteau poate fi de mai multe tipuri : retele locale , retele metropolitane, retele larg distribuite, etc.

LAN (Local Area Network) – este cel mai raspandit mod de interconectare a calculatoarelor, in principiu sunt retele distribuite pe arii mici – o cladire, campus- care folosesc resurse comune gen servere de fisiere, imprimante, web server-e, ftp server-e, etc. si servesc scopurile unei organizatii bine definite. La randul lor LAN-urile se intreconecteaza prin intermediul unor medii de transmisie si echipamente diferite. In final pentru a comunica , toate aceste echipamente folosesc acelasi « limbaj« comun, care, in cazul retelelor, este suita de protocoale TCP/IP. Practic, aceste protocoale permit ca echipamente produse de diversi fabricanti sa poata fi integrate ca resurse hibride ce permit realizare unor functii general valabile. Pentru a putea functiona impreuna toate aceste echipamente trebuie sa se conformeze anumitor standarde. Tocmai aceste standarde, si respectarea lor, face ca echipamente diverse sa fie « transparente« utilizatorului final.

6.3 Standarde de retea

Sunt cateva tipuri de standarde Ethernet foarte des folosite :

  • 10 Mbit/s (10Mbps) Ethernet. Acest standard este din ce in ce mai putin folosit din cauza capacitatii scazute si a fost inlocuit de mai noul standard 100 Mbps Ethernet. Standardul se numea 10BASE-T si folosea 2 perechi torsadate (CAT3 sau CAT5).
  • Fast Ethernet (100 Mbps) suporta transfer de date de panala 100 Mbp/s si este cel mai raspandit standard in momentul actual. Principalul standard se numeste 100BASE-T, compatibil cu vechiul standard 10BASE-T, este impartit in doua categorii 100BASE-TX -foloseste cablarea cu perechea torsadata de cupru- si 100-BASE-FX – foloseste fibra optica.
  • Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s) – acest standard permite orata de transfer de 1000Mbit/secunda. acest standard se imparte in :

1000BASE-T : 1Gbit/s –foloseste cablu torsadat de cupru CAT% sau CAT6

1000BASE-SX 1Gbit/s folosind fibra optica multi-mode (pana la 550 m)

1000BASE-LX : 1Gbit/s folosind fibra optica multi-mode (pana la 550 m) sau pentru single-mode (pana la 10 Km)

1000BASE-LH : 1Gbit/s optimizata pentru distante lungi (10Km), foloseste fibra optica single-mode

  • 10 Gigabit Ethernet – este vazut ca o noua optiune pentru retele back-bone si intreconectarea servere-lor. Acest standard va fi incorporat in standardul IEEE802.3.

Power over Ethernet (PoE)– este un standard ce permite alimentarea si transportul de date pe acelasi cablu. In acest fel se elimina necesitatea pentru cablare suplimentara a echipamentelor de retea (camere IP, video servere, etc.). Standardul care reglementeaza aceasta tehnologie este IEEE 802.3af si este proiectat astfel incat sa nu afecteze performanta de comunicatie a unei retele. Este posibil sa se « mixeze » echipamente PoE si non-PoE in aceesi retea, deoarece standardul permite blocarea alimentarii echipamentelor non-PoE in mod automat. In generel aceasta tehnica este recomandata pentru echipamente de interior si nu pentru camere de exterior care necesita mai multa putere. Standardul IEEE802.3af asigura suport pentru asa numita « clasificare de putere« , ce permite o negociere a necesarului de putere intre switch-ul PoE si device-ul ce necesita alimentare.

Wireless Networks : Chiar daca in majoritatea cazurilor exista o retea locala pe cupru (LAN-Local Area Network) ce poate fi folosita, se impune ca in anumite situatii sa se foloseasca solutia Wireless (De exemplu, pentru a conecta doua cladiri adiacente sau in cladiri unde nu este posibil sa se recableze o retea).

Sunt doua mari categorii de retele wireless :Wireless LAN (sau WLAN) si Wirelesss Bridge.

Wireless LAN este standardizata in felul urmator:

  • 802.11a : standard ce foloseste banda de 5GHz avand o latime de banda de 24Mbps in jur de 30 m la exterior. Latimea de banda teoretica este de 54 Mbps.
  • 802.11b : standard ce asigura pana la 5Mbps pentru aprox 100m la exterior, foloseste banda de 2.4MhHz, latimea de banda teoretica este de 11Mbps
  • 802.11g ; cel mai larg raspandit standard, ce foloseste banda de 2.4MHz si asigura pana la 24Mbps pe distante de 100m, in exterior, latimea de banda teoretica este de 54Mbps
  • 802.11n : va fi urmatorul standard cu o latime de banda de pana la 100Mbps.

Broadband wireless access

802.16-WIMAX – este o specificatie pentu retele wireless de banda larga (MAN-Metropolitan Area Netowrk), ce foloseste arhitectura point-to-multipoint (unul la mai multi). Acest standard suporta rate de transfer foarte mari atat pentru upload cat si pentru download, pentru distante foarte mari.

Wireless Bridge : pentru asigurarea unor distante mai mari si a unei rate de trasnfer crescuta se folosesc solutii de transferpe microunde sau legaturi laser. O conexiune cu microunde poate sa sigure o rata de transfer de pana la 1000Mbps pe o distanta de 80Km.

Protocolul IP – este protocolul de baza al retelelor ce permite adresarea si identificarea in mod unic a fiecarui participant la comunicatie. Pachetele IP contin informatii necesare pentru trasnmiterea mesajului propriu-zis. Pe langa mesajul propriu zis acesta contine si informatii despre : adresa sursei, adresa destinatarului, informatii de securitate. Protocolul IP este independent de conexiune, pachetele ajung de la sursa la destinatar fiind »comutate » de catre fiecare « nod »din retea conform cu adresa din pachet. Fiecare echipament are o adresa de retea care se numeste adresa IP si il identifica in mod unic in retea.

Protocoale de transfer date (TCP, UDP)

Protocolul de comunicatie care sta la baza transferului de date este TCP/IP. Acest protocol este cel mai raspandit protocol in retelele de comunicatii de astazi. Acest protocol este folosit indiferent de mediile de transmisie existente (cupru, fibra optica, radio). Protocolul TCP/IP este de fapt un protocol de nivel inferior peste care ruleaza diferite alte protocoale de nivel inalt: http, ftp, smtp, rtp, rtsp, etc. Fiecare din aceste protocoale are functii bine definite si se adreseaza unui anumit tip de aplicatii. De exemplu :

  • HTTP- folosit in afisare apaginilor Web
  • FTP-folosit pentru transferul de fisiere
  • SMTP- protocol pentru trimiterea de email-uri
  • RTP- Real time protocol-folosit pentru transmiterea de pachete audio sivideo, si pentru aplicatii de tip videoconferinta ori streaming media

Protocolul TCPasigura o conexiune sigura si stabila, este asa numitul « connection-based protocol » si se asigura ca volumele mari de date sunt transformate in pachete mai mici care pot fi trimise in retea si primite in mod sigur la destinatie.

Pe de alta parte UDP –este un protocol de transmisie de date care nu stabileste o conexiune sigura intre sursa si destinatie si astfel nu se poate garanta siguranta pachetelor, acest lucru este lasat pe seama aplicatiei de nivel inalt.

6.4 Metode de transmisie in retea

Unicast – Prin aceasta metoda emitatorul (sursa pachetelor IP) comunica cu destinatarul pe principiul punct-la-punct. Pachetele de date sunt trimise la un singur destinatar si acestea vor ajunge la un singur destinatar.

Multicast – Prin aceasta metoda un singur emitator comunica cu mai multi destinatari in acelasi timp. Aceasta metoda este folosita pentru a reduce volumul de date (traficul din retea) atunci cand aceeasi informatie trebuie trimisa la mai multi destinatari. Diferenta principala fata de unicast este ca acelasi stream de date este trimis o singura data si nu de mai multe ori

Broadcast –Aceasta metoda este folositapentru a trasmite informatia de la o sursa catre orice destinatar. Metoda nu este folosita de cat pe anumite segmente ale retelei si nu are utilitate practica pentru transmisia video IP.

6.5 Securitatea retelelor

Sunt multe metode de a asigura securitatea retelelor, fie ele retele fixe sau retele wireless, cat si intre retele si clienti. Totul poate fi controlat incepand de la sursa de date pana la modul de folosire a datelor si accesul la ele.

Procesul de comunicare este impartit din punctul de vedere al securitatii in trei etape :

  1. Autentificare : fiecare echipament/user se identifica in retea
  2. Autorizare : se accepta autentificare si i se acorda permisiunile
  3. Criptare : se folosesc tehnici de protejare a informatiei. Sunt mai multe metodede a proteja informatia :
  • VPN-se creeaza un « tunel« securizat intre diferite puncte in retea, doar clientii cu « cheia » corecta vor putea sa intre in aceasta retea.
  • SSL/TTS – sau HTTPS – este metoda prin care se aplica procesul de criptare la nivelul datelor, in acest caz nu exista un « tunel « securizat ca la VPN ci doar datele sunt securizate.

Quality of Service QoS- Calitatea serviciului- Acest termen se refera la posibilitatea ca un numar divers de aplicatii sa coexiste in aceeasi reteadar garantandu-se un anumit nivel al calitatii serviciilorin retea. Aceste calitati pot fi : latimea de banda, latenta mica, faptul ca nu se pierd pachete, etc.

Principalele beneficii ale retelelor cu QoS sunt :

·Capacitatea de a prioritizatraficul, astfel incat flux-urile de date mai importante sa fie servite inaintea celor mai putin importante

·O mai mare fiabilitate a retelei, datorita controlului care exista asupra latimii de banda si asupra aplicatiilor care au acces la acea latime de banda

Pentru ca o retea sa fie QoS compatibila trebuie ca toate elementele componente ale retelei sa fie QoS.

6.6 Procese si termeni in sisteme video IP

Procese intr-un sistem video IP

Intr-un sistem video IP avem urmatoarele procese :

  • Codare–digitizare si compresie
  • Comunicatie
  • Decodare
  • Inregistrare/ Arhivare
  • Afisare
  • Analiza continutului video

Se observa ca, spre deosebire de sistemele analogice, unde procesul de codare (digitizare si compresie) are loc la nivelul DVR-ului, intr-un sistem video IP acest proces are loc la nivelul camerei, inainte de transmiterea, ca pachete de date, catre echipamentul de inregistrare si/sau afisare. In acest fel s-a realizat distributia proceselor catre elementele de baza si s-a eliminat necesitatea de procesare centralizata a informatiei. Pe de alta parte se observa ca procesul de transmisie nu este unidirectional, ca la camerele video, ci bidirectional, camera/video encoder-ul putand fi accesate de care software-ul de gestiune.

Termeni folositi in sistemele video IP

Frame :

Un frame esteo imagine video completa. Un frame este compus din 2 field-uri separate, intretesute la o frecventa de 50 Hz astfel incat formeaza un frame complet la 25 Hz. Acest termen este larg folosit pentru exprimarea diverselor carcteristici ale echipamentelor: rata de inregistrare, rata de achizitie, rata de prelucrare, in general este folosit pentru a descrie frecventa de updatare/transmisie/stocare a unei secvente de imagini.

Rezolutie

Dacain sistemele analogice vorbeam de rezolutie in termeni de linii TV, pentru sistemele digitale rezolutia este exprimata in pixeli. In urma procesului de digitizare se ajunge ca imaginea rezultata sa aiba anumite dimensiuni ca de exemplu :

PALNTSC

D1720X576720X480

4CIF704X576704X480

2CIF704X288704X240

CIF352X288352X240

QCIF176X144176X/120

Un alt tip de rezolutie , folosita in general pentru monitoare este cea tip VGA: 640X480 si submultiplul ei QVGA (SIF) 320X240.

Pentru camerele Megapixel, rezolutia se masoara in numar de pixeli efectivi. Exista camerecu rezolutii de : 1,2,3,4,6 MegaPixeli.

Pentru fiecare tip de aplicatie trebuie gasita rezolutia potrivita, care sa raspunda cerintelor de calitate a imginii si de latime de banda.

Bitrate (Rata de transfer)

Numarul de biti transferati sau procesati in unitatea de timp. In aplicatiile multimedia bitrate este numarul de biti/unitatea de timp folositi pentru a reprezenta/stoca o secventa video sau audio. Pentru sistemele video cateva valori uzuale pentru bitrate sunt:

  • 16 kbit/s — videotelefone
  • 128 – 384 kbit/s — sisteme de video conferinta
  • 1 Mbit/s — calitate VHS
  • 5 Mbit/s — calitate DVD
  • 15 Mbit/s — calitate HDTV

Acest parametru este foarte important in momentul proiectarii unei retele. Suma tuturor bitrate-uri aferente echipamentelor de pe acel segment de retea nu trebuie sa depaseasca latimea de banda a acelui segment de retea.

Bandwidth (Latimea de banda)

Este unul din cei mai importanti parametrii care sunt folositi in descrierea performantelor unui sistem. Acest parametru descrie capacitatea de transmisie a canalului de comunicatie, sau mai exact, numarul de biti care pot fi transferati in unitatea de timp pe acel canal. Acetst parametru descrie de fapt limitarea la care este supus un sistem, din punctul de vedere al transmisiei de date. Practic, a proiecta un sistem video IP in mod eficient, revine la a calcula latimea de banda necesara pentru transferul de date, deoarece aceasta este resursa limitativa, cea care induce costuri marite pentru asigurarea calitatii imaginii transmise.

Latenta

In cazul sistemelor de transmisie video digitale este timpul total necesar pentru encodare, transmisie si decodare. In general, pentru transmisii de date, este timpul de raspuns la o cerere adresata unui sistem. Acest parametru are importanta mai ales pentru aplicatiile care presupun transmisia real-time, unde nu se accepta intarzieri mari.

Streaming media

Este un proces caracteristic unui echipament de transmisie in care datele -media video, audio- sunt « serializate« si transferat catre destinatar unde sunt receptionate pentru vizualizare si/sau stocare. Streaming-ul media poate fi :

Video streaming – Unicast – acelasi stream de date se transmite tuturor clientilor, dezavantajul este ca se consuma resurse de retea din cauza multiplicarii datelor

Video streaming – Multicast – se transmite un singur stream de date intre doua puncte (de obicei routere), se reduce cantitatea de date transferata, dar trebuie ca routere-le sa permita acest lucru.

Peer-2-Peer – tip de transfer bidirectional intre doi clienti. Avantaj:nu se mai incarca server-ul.

Alte tipuri de video streaming :

  • Video Broadcast
  • Video on Demand (VOD)
  • Videoconferinta

6.7 Standarde de compresie

Cand semnalul video analog este digitizat, in concordanta cu standardul ITU-R BT.601 (CCIR 601), este necesara o rata de transfer de 116Mbit/s. Aceasta valoare nefiind practic de folosit in retelele de date, acestui stream video i se aplica diverse tehnici de compresie, astfel incat, in urma acestui proces sa rezulte o valoare a ratei de transfer care sa poata fi folosita in mod rezonabil pentru transmisia si stocarea datelor.

Aceste tehnici de compresie pot fi impartite in doua clase:

  • Compresia de imagine
  • Compresia video

Compresia de imagine sau cea video poate fi facuta in doua moduri : cu pierdere de informatie sau fara pierdere de informatie. In compresia fara pierderi, dupa decompresie se obtine o imagine identica cu cea initiala, pretul platit consta in rata de compresie foarte mica, adica compresia este destul de mica. Acest lucru inseamna valori mari de transmis si stocat. Un format cunoscut de compresie fara pierderi este GIF. Compresia cu pierderi functioneaza pe principiul eliminarii din imagine a elementelor invizibile ochiului uman. Prin aceasta metoda se creste rata de compresie foarte mult, astfel incat se obtin informatii ce pot fi transferate si stocate in conditii optime.

Un parametru important folosit in toate tehnicile de compresie este rata de compresie.

Rata de compresie este definita ca fiind :

Raportul dintre dimensiunea imaginii inainte de compresie si dimensiunea imaginii dupa compresie. Cu cat rata de compresie este mai mare cu atat imaginea este mai comprimata (dimensiuni mici) dar si calitatea este mai scazuta. In cazul transmisiei o rata de compresie mai mare inseamna o latime de banda mai redusa, daca se pastreaza aceeasi rata de transfer, sau, daca latimea de banda se pastreaza se poate creste rata de transfer.

Compresia de imagine

Aceasta tehnica de compresie se aplica unei singure imagini la un moment dat. Principiul de functionare consta in utilizarea de similaritati in reprezentarea imaginii – pixeli apropiati ,de nuante diferite ale aceleeasi culori, sunt “comasati”la o valoare medie comuna. Aceast valoare este folosita la decompresie unde imaginea rezultat va avea pixeli de aceeasi nuanta.Cea mai folosita metoda este metoda JPEG.

Compresia JPEG. Este o metoda de compresie de imagine care poate fi facuta folosind diverse nivele de compresie selectate de utilizatori. Nivelul de compresie selectat are relatie directa cu calitatea imaginii rezultate. In afara de nivelul de compresie selectat un impact major asupra ratei de compresie este dat de continutul imaginii.

O scena in care avem, de exemplu, un zid alb ce ocupa mare parte din imagine va avea o rata de compresie multmai mare, si un fisier rezultat de dimensiuni mai mici decat o scena in care avem o multime de culori si forme geometrice complicate.

Acest tip de compresie se bazeaza pe Transformata Cosinus Discreta (DCT).

Compresia JPEG2000 A fost dezvoltata de acelasi grup care a dezvoltat si standardul JPEG.La rate de compresie mici calitatea imaginii este similara cu cea JPEG, dar cand sunt rate mari de compresie calitatea este mai buna decat a celei JPEG. Totusi acest standard nu a avut foarte mare succes. S-a bazat deasemenea pe functii tip Wavelet.

Compresia Wavelet a fost un tip de compresie care s-a bazat pe transformari Wavelet nu DCT. Acest tip de compresie are un raport de compresie ceva mai bun la aceeasi calitate a imaginii, totusi nu este foarte raspandit fiind mai complex de implementat.

Compresia video

Compresia vide se aplica unei secvente de imagini si nu doar unei singure imagini.

Cele mai utilizate tehnici de compresie de imagini sunt : MJPEG, MPEG, H.264

Compresia Motion JPEG – MJPEG

Aceasta tehnica de compresie se aplica pentru secvente video ca succesiuni de imagini independente compresate JPEG. Fiecare imagine este compresata independent de celelalte. Are avantajul ca fiecare imagine din secventa are aceeasi calitate a imaginii.

Practic aceasta tehnica este o tehnica de compresie de imagini aplicat succesiv unui sir de imagini.

O alta abordare o constituie tehnica MPEG. Spre deosebire de compresia de imagine care face uz de similaritati in imagine, compresia video MPEG face uz de similaritati in succesiunea de imagini.

Compresia MPEG

Prinicpiul de baza al acestei tehnici de compresie este de a compara doua imagini succesive ce urmeaza a fi transmise/inregistrate si, folosind prima imagine ca imagine de referinta (I-frame), se transmit din a doua imagine doar diferentele fata de imaginea de referinta (B-frame sau P-frame). La destinatie, pentru vizualizare, se vor reface imaginile bazandu-se pe “imaginea de referinta” si pe diferentele din cadrele B sau P. Exista si alte functii mai complexe gen predictia miscarii intr-o scena sau identificarea unor obiecte.

Cu costul unui algoritm mai complex se transmit mai putine date decat in tehnica M-JPEG.

Standarde MPEG

MPEG-1

Aparut in 1993. Standard dezvoltat cu scopul de a stoca informatii video pe CD-uri.

Are ca obiectiv pastrarea unui bitrate relativ constant de 1.5Mbit/s la rezolutie CIF chiar daca imaginea are o calitate diferita (comparabila cu VHS). Frame rate-ul este fix de 25fps (PAL)

MPEG-2

Aparut in1994. Standard dezvoltat ca o imbunatatire a lui MPEG-1 destinat pentru stocare/transmisie de continut video pe DVD, digital high-definition TV, digital broadcast video si Cable TV. Extinde tehnica de compresie MPEG-1 pentru a asigura imagini mai mari si la o calitate mare cu pretul unei rate de compresii mai mici si cu bit-rate mai mare. Frame rate-ul este fix de 25fps (PAL)

MPEG-4

Aparut in 2000.MPEG-4 este un standard care aduce o dezovoltare majora fata de MPEG-2. Nu are o destinatie clara precum MPEG-1 sau MPEG-2, poate fi folosit pentru transmisii video de la aplicatii pentru telefoane celulare, aplicatii de securitate video, monitorizari video, pana la aplicatii de studio unde nu sunt limitari de spatiu si latime de banda. In acest set de standarde se introduc termeni noi precum:

Profile

Nivele

Short header si long header

Constant bit-rate (CBR) si Variable bit-rate (VBR)

Foarte important: Frame rate-ul nu mai este fixat la 25 fps

In aceasta tehnica de compresie se folosesc diverse tehnici (tool-uri) pentru a scadea bit-rate-ul astfel incat sa se pastreze aceeasi calitate a imaginii. Majoritatea acestor tehnici nu sunt insa aplicabile pentru transmisia in timp–real din cauza faptului ca necesita putere mare de procesare si deci o latenta mai mare. Majoritatea instrumentelor folosite in MPEG-4 pentru transmisia in timp-real sunt aceleasi ca pentru MPEG-1 si MPEG-2.

Profile si Nivele

Nu toate aceste functii sunt necesare in toate tipurile de aplicatii, acest lucru a dus la definierea de subset-uri de astfel de functii pentru diferite formate de imagini si diferite bitrate-uri. Fiecare Profile are mai multe nivele (Levels) care specifica rezolutiile suportate si bitrate-ul maxim.

Exemple:

Simple Profile : suporta frame –uri de tip Isi P, rezolutia maxima este CIF si max 384 kbit/s (L3)

Advanced Simple Profile : suporta frame-uri de tip I, P si B, rezolutia maxima este 4CIF iar max bitrate este 8000 kbit/s (L5)

Short header si Long header

Short header – compatibiiltate cu standard-ul H.263 à nu se foloseste de facilitatile MPEG-4 (H.263 standard pentru transmisii tip videoconferinta pe linii ISDN si LAN).

Long header – modul in care sunt folosite toate functiile MPEG-4

Constant Bit Rate si Variable Bit Rate CBR si VBR

Intr-un sistem MPEG este posibil de ales intre constant bit-rate sau variable bit-rate.

Alegerea depinde de tipul de aplicatie si de reteaua de transmisie. Daca se alege CBR – se garanteaza un anumit bit-rate dar calitatea imaginii nu este constanta. Calitatea imaginii este relativ mare daca nu este miscare in cadru si scade odata cu cresterea miscarii in cadru. Aceasta setare este recomandabila cand exista o latime de banda mica disponibila. Daca se alege VBR – se va pastra aceeasi calitate a imaginii indiferent daca este sau nu miscare in cadru, pretul este cresterea bit-rate-ului si, deci, a necesarului de latime de banda. Acest mod este necesar in aplicatii de supraveghere unde se doreste o identificare chiar in conditiile unei mari miscari in cadru.

H.264 (MPEG-4 Part 10 – Advanced Video Coding)

Aceasta metoda de compresie este o dezvoltare a standardului MPEG, prin adaugarea de functii si tool-uri noi si mai sofisticate care duc, in final, la o compresie mai buna, in conditii de pastrare a calitatii imagini. Aceste tool-uri sunt implementate folosind notiunea de profil. In acelasi profil sunt implementate functii specifice unui tip de aplicatie.

Exista 4 tipuri de profile :

Profilul de baza- pentru aplicatii cu latenta mica gen videoconferinta sau aplicatii pentru telefonia mobila

Profilul extins – pentru aplicatii gen video streaming mobil

Profilul principal – pentru aplicatii tip supraveghere video si video broadcast

Profilul « high« – pentru aplicatii tip televiziune de inalta definitie

Acest tip de codare este relativ nou aparut pe piata sistemelor de supravehgere, dar are deja multi producatori care-l implementeaza in produsele lor.

Avantaje si dezavantaje in tehnicile de compresie video M-JPEG, MPEG2, MPEG4

M-JPEG

Avantaje:

  • Standard de compresie/decompresie disponibil pe orice PC.
  • Complexitate scazuta: costuri scazute pentru codare/decodare. Cautare si procesare rapida si simpla a imaginilor.
  • Nu consuma mari resursede procesare: se pot decoda si afisa multe canale simultan
  • Calitatea imaginii este constanta. Daca latimea de banda scade calitatea ramane fixa dar scade fps-ul.
  • Aceeasi calitate a imaginii indiferent de complexitatea scenei
  • Latenta scazuta:este bun pentru transmisii live
  • Rezilienta: in cazul pierderii pachetelor de date se poate face o recuperare rapida

Dezavantaje:

  • Consuma latime de banda pentru frame rate >5 fps
  • Necesita spatiu de stocare pentru frame rate >5 fps

MPEG-2 si MPEG-4

Avantaje:

  • Pentru Constant Frame Rate : daca latimea de banda disponibila scade, frame rate-ul este mentinut cu costul scaderii calitatii imaginii. Acesta este un beneficiu pentru aplicatiile de monitorizare dar nu pentru aplicatiile de supraveghere /inregistrare.
  • Compresie mare: necesita latime de banda mica pentru aplicatii unde frame rate> 5fps
  • Cerinte mici pentru spatiul de stocarela frame rate>5fps
  • CBR : simplifica proiectarea retelei si necesarul de latime de banda

Dezavantaje:

  • Pentru MPEG-2 frame rate fix 25 fps
  • Compresie complexa: necesita resurse de procesare relativ mari pentru decompresie
  • Robustete scazuta: daca latimea de banda scade sub un anumit prag atunci tot stream-ul video este pierdut
  • Latenta mare
  • Proiectat pentruvizualizare in timp real nu pentru inregistrare si analiza
  • Rezilienta scazuta la pierderea pachetelor: frame-urile I, P, B necesitare-sincronizare si se pierd datele.
  • In modul CBR calitatea imaginii este foarte slaba cand apar congestii in retea sau miscare in cadru.
  • Necesita licenta.

Concluzii :

Nicio tehnica de compresie nu raspunde la toate cerintele unui sistem video digital.

Cea mai potrivita tehnica de compresie se poate alege doar printr-un compromis intre cerintele pentru: frame rate, calitatea imaginii, latenta, robustete si latime de banda consumata.

Daca se doreste : frame rate<5 fps majoritatea timpului, sistem robust si flexibil, latenta scazuta, calitatea imaginii este mai importanta decat frame rate sau latimea de banda, procesarea de imaginii à solutia este M-JPEG.

Daca se doreste : calitate foarte mare a imaginii (intotdeauna 25 fps) iar latimea de banda disponibila foarte mare si garantata, in principal pentru vizualizare si inregistrare atunci solutia este à MPEG-2.

Daca se doreste : frame rate > 5 fps in majoritatea timpului, latenta mare nu este o problema dar latimea de banda este mica si garantata, in principal pentru vizualizare si inregistrare atunci solutia este à MPEG-4.

6.8 Elemente componente

Camera IP

Procesele dintr-o camere IP sunt similare celor dintr-o camera analogica dar, spre deosebire de o camera analogica, intr-o camera IP are loc procesul de compresie si transmitere a pachetelor IP. O camera IP are in dotare un procesor, memorie, placa de retea Ethernet, interfete diverse: USB, IEEE1394, intrari de alarma, iesiri de alarma, etc. In acealsi timp, din punct de vedere software, camera IP, este controlata de un “sistem de operare” tip real-time in care ruleaza aplicatii de tipul :

web server – permitefurnizarea de informatii, in mod securizat oricarui client care foloseste protocolul HTTPS

ftp server -camera poate realiza transfer de fisiere catre diverse destinatii

client de email – camera poate transmite email-uri in conditiile producerii unor alarme sau a altor evenimente

alarm management software – gestioneaza activitatile de monitorizare si supervizare a detectiei de miscare, intrari de alarma,etc.

modul de compresie –se ocupa de partea de compresie si de video streaming

Practic, pe langa functiile clasice ale camerei analogice o camera IP este de fapt un calculator. Acest lucru permite camerei sa comunice in mod bidirectional cu diverse echipamente si software de mangement video.

Multe camere IPsunt dotate cu ceea ce se numeste « inteligence on board«. Aceasta functie descrie capacitatile acelei camere de a procesa/analiza informatia video si sa ia decizii conform cu setarile programate. Daca procesul de analiza si decizie este adus chiar in camera acest lucru are influente asupra puterii de procesare inglobate in camera respectiva, dar si asupra software-ului de management video, care nu va mai fi « incarcat« cu sarcina de a procesa in mod centralizat evenimentele din sistem. Practic acesta este inca un pas in vederea distribuirii functiilor in sistemelor de supraveghere video.

Camere IP pot fi clasificate asetfel;

camere IP fixe

camere IP fixe de tip dome

camere de retea mobile tip PTZ

camere de retea mobile tip speed dome

camere PTZ-non mecanice – “miscarea” are loc la nivelul electronicii camerei

Acest tipuri de camere pot functiona in regim de camere : de interior, de exterior, day/nigth, anti-vandal, etc.

Encoder – video server.

Acest echipament are rolul de a prelua un semnal analogic de la o camera (sau mai multe) si sa « digitizeze« acest semnal in vederea inglobarii intr-un sistem IP. Practic este un echipament care permite o tranzitie de la un sistem analogic la unul digital in conditiile pastrarii camereleor analogice.

Din punct de vedere functional un encoder are aceleasi functii cu cele ale camerelor IP (exceptand partea de achizitie video). Pe langa acestea se adauga si functii de :

comunicatie seriala cu camere mobile folosind porturi dedicate RS-232/RS-485

interfatare cu elemente de inregistrare: hard-disk-uri USB, memory card-uri,

canale audio

intrari/iesiri digitale

Gama de astfel de echipamente este diversa, fiecare producator adaugand functii specifice.

De mentionat ca anumiti producatori permit fucntionarea acestor echipamente in regim « open standard«. Acest lucru insemnand ca echipamentele pot fi integrate in sisteme ale altor producatori, pe baza unor standarde.

6.9 Consideratii de sistem Video IP

A proiecta un sistem videoIP impune considerarea unor factori ce trebuie luati in calcul la stabilirea unor solutii performante.

Latimea de banda, este parametrul care influenteaza orice trasnmisise de date Acest parametru depinde de :

Rezolutia imaginii

Rata de compresie

Complexitatea scenei

Frame rate ; controlul frame rate-ului este o masura de optimizare a utilizarii latimii de banda. Se pot transmite stream-uri cu rezolutie si numar de frame/secunda diferite la destinatii diferite, tinandu-se cont de latimea de banda disponibila pentru fiecare destinatie.

Pentru managementul latimii de banda se pot folosi :

Switch-uri cu management de latime de banda

Retele tip Gigabit

Frame rate variabil dependent de eveniment (event driven)

Capacitatea de stocare, acest factor este dependendent de :

numarul de camere din sistem

timpul de inregistrare pentru fiecare camera

cat timp trebuie sa stocam inregistrarile

ce fel de inregistrare se doreste : continuu , la eveniment

este necesara redundanta

Inregistrarea informatie video se poate face in :

DAS- Direct Attached Server –hard-disk-uri instalate in acelasi sistem pe care ruleaza software-ul de management al sistemului video.Este o solutie acceptabila pentru sisteme mici si medii.

Network Video Recorder – este un echipament de calcul – in general o structura de tip sever – pe care ruleaza software-ul de inregistrare video. Acest echipament este folosit pentru sisteme medii-mari in care, eventual exista mai multe centre de inregistrare (NVR-uri) si de monitorizare si afisare a informatiilor.

Redundanta sistemelor de inregistrare, este o metoda de protejare a inregistrarilor video in cazul pierderii unor medii de inregistrare. Cea mai obisnuita metoda de a asigura redundanta este metoda RAID (Redundant Array of Independent Disks).

Pe langa aceasta se mai pot folosi: Replicarea Datelor intre seevere, Tape Backup si Server Clustering.

Cele mai uzuale metode de tip RAID sunt :

  1. RAID-0- datele sunt impartite pe doua sau mai multe HDD-uri pentru acces mai usor dar nu asigura redundanta
  2. RAID-1 – sau disk mirroring. Aceeasi informatie este scrisa in acelasi timp pe cel putin doua HDD-uri diferite.
  3. RAID-5 – ruleaza cu 3-16 HDD –uri si asigura cea mai buna metoda de redundanta.

Securitatea datelor : In momentul transmiterii datelor sub forma pachetelor IP este posibil sa se foloseasca sisteme de criptare, deasemena se folosesc metode de autentificare a conexiunii pentru accesul la camera (imagini live, setari, etc.) prin emiterea de certificate de autentificare. Prin watermarking fiecare camera isi « semneaza« video stream-ul astfel incat orice modificare a imaginilor sa poata fi detectata.

Scalabilitatea sistemelor IP: Spre deosebire de sistemele analogice cu inregistrare pe digitala (DVR) unde problema scalabilitatii se pune in tremeni de numar de intrari video disponibile pe DVR, in sistemele IP aceasta problema se pune in privinta numarului de imagini pe secunda preluate/inregistrate de la o camera si in privinta specificatiilor sistemului de inregistrare.

6.10 Sisteme video inteligente (Intelligent Video)

Sistemele video inteligente fac posibile diverse functii care, in mod traditional, sunt executate cu alte tipuri de sisteme. Asa cum am aratat mai sunt functiile de analiza si decizie pot fi introduse la nivelul camerei dar ele pot fi prezente si la nivelul centralizat al aplicatiei de gestiune video.

Printre functiile din categoria « inteligent video« se pot enumera :

recunoasterea numerelor de inmatriculare

numarare persoane

alarmare la patrundere in permiteru

incalcarea benzilor de circulatie

mutarea obiectelor dintr-un perimetru

staionarea in perimetru

detectie de miscare

6.11 Proiectarea sistemelor video IP

Cand se proiecteazaun sistem video digitaltrebuie sa raspundem la cateva intrebari:

  1. Ce frame rate este necesar?
  2. Este acest frame –rate necesar tot timpul?
  3. Este necesar monitorizare/inregistrare tot timpul sau doar la miscare/eveniment?
  4. Pe ce durata trebuie stocate imaginile/video?
  5. Ce rezolutie este ceruta?
  6. Ce calitate a imaginii este ceruta?
  7. Ce nivel de latenta este cerut?
  8. Cat de robust trebuie sa fie sistemul?
  9. Care este latimea de banda disponibila?

Toate aceste intrebari trebuie sa duca la gasirea unor solutii optime din punct de vedere tehnic.

Prima etapa consta in definire conditiilor de instalare :

Scena : ce tip de scena va fi monitorizata ? Se va decide sensibilitateasi tipul de lentila

Conditiile de iluminat : conditii de interior sau de exterior. Se va decide daca alegem camere de tip day/night, cu lentile cu iris fix sau autoiris

Distanta fata de obiectul supravegheat : Se decide tipul camerei si al lentilei (wide format, tele, normal).

Unghiul de vizualizare : Se decide cat din scena va fi supravegheat, daca se folosesc camere fixe sau mobile.

Este sau nu mult trafic (miscare) in scena?

Urmatoare etapa consta in stabilirea specificatiilor pentru aplicatie :

aplicatia poate sa monitorizeze, inregistreze, transfere (export, arhiva, backup) catre alte medii

pentru vizualizare se stabilesc locatiile si permisiunile de acces, pentru clienti

se calculeaza cerintele privind inregistrarea : capcitatea NVR-ului, metoda de arhivare, frame rate/camera, calitatea imaginii pentru diverse tipuri de inregistrari (continuu, programata, la eveniment), se stabileste daca este necesar inregistrare redundanta

Se calculeaza necesarul de latime de banda. In functie de acesti parametri se pot calcula cerintele privind capcitate retelei si eventualele probleme(gatuire, lipsa unor echipamente, necesitatea maririi latimi de banda, marirea performantelor sistemului de gestiune, etc.)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: