Sieciowe systemy monitoringu wizyjnego (CCTV IP)

Monitoring CCTV na bazie sieci LAN i protokołu IP.

Pod pojęciem „CCTV IP” kryje się system monitoringu, którego podstawą jest sieć LAN pracująca w oparciu o powszechnie stosowany w sieciach komputerowych protokół IP. Zasadniczą cechą takiego rozwiązania dającą istotną przewagę nad tradycyjnymi lub hybrydowymi systemami monitorującymi jest prostota oraz niski koszt rozbudowy. Doskonałym przykładem możliwości jest system nadzoru zaprojektowany i zastosowany w firmie Cisco, obejmujący swym zasięgiem ponad 296 monitorowanych obiektów w ponad 60 różnych krajach. Na dzień dzisiejszy system ten obsługuje ponad 2600 kamer, a możliwości dalszej rozbudowy są praktycznie nieograniczone. Systemy  pracujące w oparciu o sygnał analogowy pozornie są tańsze w instalacji, jednak różnica ta zanika w momencie, kiedy pojawia się konieczność rozbudowy o nowe funkcje lub kolejne kamery. Systemy analogowe oparte o rejestrator cyfrowy mają ograniczenie liczby obsługiwanych kamer, przy przekroczeniu tej liczby konieczny staje się zakup kolejnego rejestratora oraz najprawdopodobniej kolejnego monitora CCTV wraz z w pełni wyposażonym stanowiskiem operatorskim.

System CCTV IP w najprostszej postaci składa się z kamery IP oraz jednostki centralnej, którą z reguły jest komputer PC wyposażony w dedykowane oprogramowanie (np. GV-NVR firmy GeoVision, NUUO NVR firmy NUUO i in.). Komunikację pomiędzy urządzeniami zapewnia sieć LAN zbudowana w oparciu o tradycyjną technologię przewodową (Ethernet) lub bezprzewodową (WiFi). Praktycznie rzecz biorąc nie istnieje żadne ograniczenie związane z rozbudową systemu CCTV IP – system taki może składać się z dowolnej liczby kamer oraz dowolnej liczby komputerów lub dedykowanych macierzy dyskowych zapisujących rejestrowany obraz. Elementem krytycznym dla poprawnego funkcjonowania całego systemu monitorującego jest przemyślany i prawidłowo zrealizowany projekt sieci LAN zapewniający odpowiednio wysoką przepustowość. Dla zobrazowania wagi tego problemu należy wykonać kilka prostych obliczeń, a następnie przedstawić garść danych:

• Założeniem jest zastosowanie kamery cyfrowej przekazującej 25 klatek na sekundę kolorowego obrazu w formacie PAL.  Format ten jest powszechnie stosowany w analogowych systemach monitorujących, dlatego też będzie doskonałym kryterium porównawczym.
• Pojedyncza klatka nieskompresowanego obrazu zajmuje 9953280 bitów, czyli 1215 KB.
• W ciągu sekundy kamera zarejestruje więc 30 375 KB danych, czyli blisko 30 MB!

Oczywiście zastosowanie kilku takich urządzeń jest zupełnie nierealne, ale na szczęście  kamery dysponują funkcjami kompresji rejestrowanego obrazu. Do najpopularniejszych algorytmów kompresji należą:

• Motion JPEG (MJPEG) – najbardziej rozpowszechniony algorytm. Działa na zasadzie kompresowania pojedynczych klatek, a następnie scalania ich w ciągły strumień video. Zaletą algorytmu MJPEG jest wysoka jakość sygnału video, istotną wadą natomiast stosunkowo niski stopień kompresji wynoszący w optymalnych warunkach do 1:20, a realnie 1:5.
• MPEG – cała rodzina algorytmów kompresji MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, popularnych we wszystkich zastosowaniach, w których występuje konieczność kompresji sygnału video, w tym również CCTV IP.
• H.264 – najnowszy dostępny algorytm wywodzący się od MPEG-4, który cechuje się bardzo wysokim stopniem kompresji danych przy jednoczesnym zachowaniu stosunkowo wysokiej jakości wynikowego sygnału video.

Przy zastosowaniu kompresji sygnału video z poprzednio omawianej hipotetycznej kamery można uzyskać następujące rezultaty (szacunkowo):

• Sygnał nieskompresowany: ok. 30 MB/sek.
• Sygnał skompresowany algorytmem Motion JPEG: ok. 6-8 MB/sek.
• Sygnał skompresowany algorytmem MPEG-2: ok. 4 MB/sek.
• Sygnał skompresowany algorytmem MPEG-4: ok. 2 MB/sek.
• Sygnał skompresowany algorytmem H.264: ok. 0.5-1 MB/sek.

Dla porównania maksymalne teoretyczne przepustowości oferowane przez powszechnie stosowane technologie sieciowe wynoszą:

• Fast Ethernet 100Base-TX (popularna skrętka): 100 Mb/sek., czyli ok. 12 MB/sek.
• Gigabit Ethernet (kabel miedziany lub światłowodowy: 1000 Mb/sek., czyli ok. 125 MB/sek.
• WiFi 802.11a: 54 Mb/sek., czyli ok. 7 MB/sek.
• WiFi 802.11b: 11 Mb/sek., czyli ok. 1,5 MB/sek.
• WiFi 802.11g (najpopularniejszy obecnie standard): 54 Mb/sek., czyli ok. 7 MB/sek.

Po przeanalizowaniu powyższych danych można łatwo dojść do wniosku, że nieprzemyślane zastosowanie większej liczby kamer monitorujących może doprowadzić do szybkiego osiągnięcia limitów fizycznych możliwości zastosowanej technologii sieciowej. Aby uniknąć tych niedogodności stosuje się szereg rozwiązań mających na celu dodatkowe ograniczenie wielkości wymaganego pasma transmisyjnego:

• Zmniejszenie rozdzielczości obrazu, co pociąga za sobą znaczną redukcję wielkości pojedynczej klatki, ale również spadek jakości uzyskanego z kamery obrazu. Np. dla omawianego uprzednio przypadku hipotetycznej kamery pojedyncza klatka nieskompresowanego obrazu w rozdzielczości PAL czyli 720×576 pikseli zajmuje 9953280 bitów, czyli 1215 KB. Obniżenie rozdzielczości do 360×288 pikseli spowoduje, że pojedyncza klatka obrazu będzie miała wielkość 2211840 bitów, czyli około 270 KB – a więc czterokrotnie mniej.
• Obniżenie liczby rejestrowanych klatek na sekundę. W znacznym zakresie zastosowań systemów monitoringu nie ma konieczności przekazywania płynnego obrazu, w zupełności wystarcza rejestrowanie 5 lub 10 klatek na sekundę, co umożliwia nawet pięciokrotne obniżenie wymogów dotyczących przepustowości łącza.

Niezależnie jednak od liczby kamer rejestrujących obraz oraz ich parametrów użytkowych, zagadnieniem kluczowym dla sprawnego funkcjonowania całego systemu jest poprawnie opracowany projekt sieci LAN oraz późniejsza prawidłowa realizacja budowy infrastruktury telekomunikacyjnej. Sam projekt składa się z dwóch podstawowych elementów: warstwy fizycznej oraz warstwy logicznej. Warstwa fizyczna jest najkosztowniejszym elementem całego projektu , obejmuje całość zagadnień związanych z okablowaniem strukturalnym – projekt prowadzenia okablowania, dobór rodzaju i gatunku przewodów, dobór medium transmisyjnego (miedź, światłowód), umiejscowienie gniazd, dostosowanie do już istniejących systemów okablowania, wykonanie testów ekranowania, przygotowanie szczegółowej dokumentacji technicznej itp. Warstwa logiczna zawiera informację na temat modelu standardu komunikacyjnego, który zostanie zastosowany w gotowym okablowaniu strukturalnym, np. Ethernet wraz z odmianą np. 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT, 10GbaseT, itp. Prawidłowość wykonania dowolnej instalacji w budynku określona jest za pomocą oficjalnych norm.

Najłatwiejszym zadaniem jest stworzenie systemu monitoringu dla nowego budynku. Taka sytuacja umożliwia zaprojektowanie dla urządzeń CCTV IP, wchodzących w skład systemu urządzeń sieciowych oraz komputerów odrębnej linii zasilania, odpornej na wszelkiego rodzaju awarie lub zakłócenia, których źródłem jest „normalna” sieć energetyczna budynku. Dodatkowo istnieje też możliwość stworzenia dedykowanej instalacji uziemiającej oraz zabezpieczenia elektromagnetycznego całego systemu monitoringu.

W budynku już użytkowanym należy liczyć się z koniecznością modyfikacji już istniejących instalacji, zarówno energetycznej, jak i telekomunikacyjnych. Mimo pozornej łatwości skorzystania z tych instalacji, należy mieć na uwadze potencjalne ryzyko współdzielenia łączy sieciowych oraz energetycznych wraz z urządzeniami funkcjonującymi w budynku, a niezwiązanymi z systemem monitoringu. Do istniejących zagrożeń należy wliczyć zarówno możliwe awarie sieci energetycznej, bądź telekomunikacyjnej, jak również możliwość nieświadomego lub co gorsza, świadomego zakłócania funkcjonowania systemów monitorujących poprzez sztuczne ograniczanie przepustowości łącza komunikacyjnego, bądź też włamywania się do warstwy oprogramowania samego systemu.

Przy projektowaniu samego systemu należy również mieć na uwadze zakres zadań oraz rozmiar obszaru, który ma zostać pokryty obrazem rejestrowanym przez kamery. Ciekawym zagadnieniem może być tutaj problem redukcji liczby kamer kosztem zwiększenia wykorzystania pasma sieciowego. Paradoksalnie zmniejszenie liczby zastosowanych kamer nie musi być równoznaczne z pogorszeniem jakości lub ograniczenia rozmiaru monitorowanego obszaru. Wiąże się to z możliwościami uzyskania obrazu o większej rozdzielczości, oferowanymi przez kamery IP. Zagadnienie to można łatwo prześledzić na następującym przykładzie: system monitorujący obejmuje parking przed budynkiem o długości 50 metrów. Konieczne jest uzyskanie sygnału wideo o jakości umożliwiającej bezproblemowe odczytanie tablic rejestracyjnych zaparkowanych samochodów. Podczas testów uzyskano wyniki, zgodnie z którymi na jeden metr budynku/parkingu musi przypadać 130 pikseli obrazu wideo. Na tej podstawie powstał projekt systemu, w skład którego wchodziło 9 kamer rejestrujących obraz w rozdzielczości PAL. Zastosowanie kamer 2Mpix rejestrujących obraz w rozdzielczości 1600×1200 pikseli umożliwiłoby ograniczenie liczby urządzeń do czterech, co pociąga za sobą znacznie uproszczenie procesu instalacji, konfiguracji oraz późniejszej konserwacji systemu. Dodatkowo, jako swoistego rodzaju skutek uboczny, tak przeprowadzona redukcja liczby urządzeń spowoduje, że każda z kamer będzie w stanie zarejestrować obraz o znacznie większym rozmiarze pionowym, co bezpośrednio wynika z większej rozdzielczości.

Podsumowując powyższe rozważania, można stwierdzić, że stały rozwój technologii IP pozwala na stosowanie nowoczesnych rozwiązań technologicznych w zakresie kompresji, przetwarzania i analizy obrazów. Ponadto, kamery IP oferują zdecydowanie lepszą jakość obrazów niż standardowe kamery analogowe. Warto również wspomnieć, że urządzenia i technologie IP cały czas tanieją, a przez to są dostępne dla coraz szerszego grona odbiorców. Jeżeli chcemy zbudować system telewizji przemysłowej, który ma nadążać za zmieniającymi się standardami CCTV oraz posiadać szerokie możliwość rozbudowy i implementacji nowoczesnych technologii to jedyną rozsądną propozycją jest monitoring CCTV IP.