IP-видеонаблюдение: история и перспективы

«Запомните, молодой человек, чем меньше вы знаете, тем более ценна я как специалист».
Преподаватель вуза – ленивому студенту

Bash.org

Новые технологии неизбежно приходят в нашу жизнь, и если пару веков назад научно-технический прогресс буквально продвигался со скоростью улитки и для внедрения малейших изменений требовалось несколько поколений жизни людей, то сейчас ситуация обратная, и в течение жизни одного человека происходит смена нескольких технологических поколений. Это приводит нас к мысли, что необходимо постоянно учиться и осваивать новые технологии и методы, для того чтобы иметь конкурентоспособное и экономически эффективное предложение для своих клиентов.
Обратимся к кинематографу, само существование которого стало возможным благодаря развитию химии и техники, что позволило впервые записывать и воспроизводить происходящие события братьями Люмьер в 1895 г. Более привычные черты кинематограф приобрел к 1910-м гг. Вы только вдумайтесь: всего около 100 лет прошло с возникновения самого понятия видеозапись! Довольно долго киноиндустрия развивалась на базе пленки и химии и была самым что ни на есть аналоговым. Причем одним из первых полноценно цветных фильмов, появившимся в 1939 г., стали небезызвестные «Унесенные ветром». Постепенно развивались техника и технологии, и после войны появились стандарты телевещания, такие как PAL и NTSC. В 1976 г. компания JVC представила новую технологию VHS, смысл которой был в записи видео на магнитную ленту. В принципе, это можно считать началом охранного видеонаблюдения, современная история которого ведется с охранных видеомагнитофонов, замененных впоследствии цифровыми видеорегистраторами DVR. С видеорегистраторов можно отсчитывать появление цифрового видеонаблюдения, хотя цифровой тут была только запись и воспроизведение, а формирование сигнала и его передача осуществлялись также в аналоговом формате. Следующий технологический скачок произошел при переходе на полностью цифровой стандарт формирования, передачи, записи и воспроизведения, а именно IP-видеонаблюдение.
О нем и пойдет речь в цикле статей, посвященных элементам, из которых состоит система IP-видеонаблюдения. Надеюсь, что по прочтении этого цикла у читателя появится понимание применяемых технологий и возможность самостоятельно ориентироваться в спектре предлагаемого оборудования. Сразу оговорюсь, что про аналоговое видео рассуждать смысла не вижу, так как, с одной стороны, системы видеонаблюдения, которые изначально назвались аналоговыми, уже давно цифровые, начиная от самой камеры с DSP-процессором и светочувствительным элементом CMOS с прогрессивной разверткой, заканчивая цифровыми же DVR и платами видеозахвата. С другой стороны, они применяются все реже. Похожая ситуация происходит и со стандартом HD cctv и HD-sdi, который, вероятно, займет некоторую нишу, но полагаю – незначительную. Литературы про аналоговое видео написано уже более чем достаточно, например, очень хорошая книга австралийца Владо Дамьяновски «Библия охранного видеонаблюдения» позволит вам вполне сносно ориентироваться в люксах и фокусных расстояниях. Что же до аналогового видео, на мой взгляд, это своего рода технологический динозавр, который в силу своей величины будет умирать столь медленно и печально, сколь и неоспоримо.
Итак, обратим внимание на светлую сторону самого актуального тренда, который заметен невооруженным глазом уже давно, а именно на сам рынок IP-видеонаблюдения и то, что с ним связано. Про актуальность этого тренда никто не скажет лучше прогноза IMS Research, по заверениям которого в 2012 г. пройден рубеж, когда среди всех типов видеокамер, проданных в мире, более 50% продаж обеспечили сетевые видеокамеры.

В принципе, IP-видеонаблюдение можно рассматривать как один из специализированных сегментов IT-отрасли, в силу того что весь мир становится цифровым и IT-технологии проникают во все отрасли и сферы нашей жизни. Попробуем ввести поэлементную классификацию и разбить обзор на смежные сферы с точки зрения применяемых для построения систем IP-видеонаблюдения элементов. Итак, из чего состоит или чем отличается любая система IP-видеонаблюдения:
1. IP-видеокамеры.
2. Видеоаналитические алгоритмы и детекторы.
3. Сети питания, связи и передачи данных.
4. Компьютерное оборудование для обработки цифровых видеопотоков.
5. Архитектура построения систем.
6. Подсистема хранения данных.
7. Интегрированные подсистемы (СКУД, ОПС и т. д.).
8. Системы визуализации и отображения.
9. Удаленный доступ, мобильные технологии и прочие тренды.
Предлагаю кратко обозначить, о чем пойдет речь в каждом разделе:

IP-видеокамеры
На сегодня IP-видеокамера – это компьютер. В этом ракурсе мы рассмотрим основные параметры и характеристики, на которые необходимо обратить внимание, а именно: устройство IP-камеры, форм-фактор, объектив, процессор и связанные с ним технологии, такие как WDR, BLC и др., известные специалистам по аналоговым камерам. Также рассмотрим основные тенденции, существующие на этом рынке.

Видеоаналитические алгоритмы и детекторы
Видеоаналитика – это очень обширный сегмент, где имеет место быть наибольшее количество мифов, легенд и заблуждений. Мы изучим, какие возможности на сегодня предоставляет видеоаналитика, какая она бывает и какие задачи можно решить с ее помощью и для чего она применяется. Сделаем обзор дальнейших путей развития видеоанализа в мире.
Причем перспективы видеоанализа и комбинации систем принятия решения и распознавания просто поражают. Например, в США успешно прошли испытания искусственного интеллекта от компании Google, способного в автоматическом режиме управлять движением полноценного автомобиля (первая система тестировалась на базе TOYOTA PRIUS). Более того, в штате Невада такие автомобили разрешено использовать в общем трафике. Комплекс из радаров и камер с распознаванием препятствий и окружающего пространства, а также плотная интеграция с навигационной системой Google Mapsи Google Streetview (российский аналог «Яндекс.Карты» и «Яндекс.Панорамы») позволяет точно определять местоположение автомобиля и выбирать маршруты с учетом загруженности трасс полностью автономно и без участия человека. Специалисты Google планируют расширить разрешение на использование их системы на всю территорию США.

Сети питания, связи и передачи данных
Пожалуй, о сетях мы будем говорить обзорно, так как литературы и статей на эту тему великое множество, так же как и технологий, применяемых для передачи информации. Тут и активно продвигаемый сейчас стандарт беспроводной передачи данных LTE (4G), или связь четвертого поколения, и новые высокоскоростные стандарты для проводных соединений, и стандарты питания по витой паре, или PoE, о котором не слышали, пожалуй, только ленивые. Различные среды передачи данных – свет, электричество, радиоволны, а также протоколы, применяемые для этого. Тема интересная и очень обширная.

Компьютерная техника
Вторая IT-тема, которую мы будем рассматривать через призму IP-видеонаблюдения и на которую вы легко можете найти огромное количество информации. Рассмотрим идею закона Мура и почему он перестает соблюдаться. Что заставляет производителей компьютерных систем искать пути дальнейшего развития в переходе, например, на квантовые компьютеры и многое другое.



Архитектура построения систем
С точки зрения архитектуры построения происходят существенные изменения. Если раньше выбор вариантов построения системы ограничивался всего двумя: централизованным расположением или территориально распределенным расположением серверов, и в обоих случаях оборудование и ПО приобреталось пользователем или организацией, то сейчас мы можем выбрать еще как минимум две дополнительные парадигмы построения систем безопасности. Во-первых, появилась возможность пользоваться SD-картой, встроенной в камеру, и фактически отказаться от использования сервера для обработки и хранения данных. Во вторых, мы находимся в самом начале развития облачных систем вычисления и хранения данных. Такие услуги становятся все более и более популярными, так как позволяют существенно снизить стоимость единовременных инвестиций в систему безопасности и фактически покупать видеонаблюдение как сервис.

Подсистема хранения данных
Компании, производящие диски, продолжают наращивать их объем. Также наблюдается постепенная замена HDD (стандартных жестких дисков) на SSD (твердотельные диски), что связано как с ограничениями, которые налагает физика (скорость записи и чтения зависит от скорости вращения диска, количества дисков на шпинделе и количества головок), так и с экономическими причинами. Существенным преимуществом твердотельной технологии является отсутствие движущихся частей, что, в свою очередь, существенно усиливает устойчивость SSD к тряске и заметно расширяет температурный диапазон использования. О технологии SSD и других применяемых для хранения видеомассивов мы поговорим в этом разделе.

Интегрированные подсистемы (СКУД, ОПС и т. д.)
Как вы знаете, просто просматривание видео с камер без его предварительного анализа – слишком трудоемкое занятие. Огромные перспективы в этом плане открывает возможность интеграции, например, со сторонними производителями систем ОПС и СКУД, а также применение сторонних аналитических модулей. Это позволяет сделать вывод, что интеграция систем безопасности и систем видеонаблюдения с бизнес-процессами значительно повышает удобство и эффективность как системы видеонаблюдения, так и самого бизнес-процесса. В этом плане мы уже сейчас наблюдаем усиление тренда на открытую архитектуру. Можно с уверенностью утверждать, что конвергенция или взаимопроникновение систем – это основной тренд на средне- и долгосрочную перспективу.

Системы визуализации и отображения
На сегодня самым распространенным разрешением является именно стандарт Full HD, который становится стандартным разрешением и в мире видеонаблюдения. И действительно, купить компьютерный монитор или телевизор другого разрешения довольно сложно. Хотя на рынке существуют и системы для построения аппаратных и программных видеостен, а также решения, позволяющие воспроизводить 3D или стереоизображение. Мы рассмотрим, какие решения существуют на сегодняшний день и какие могут появиться в ближайшем будущем.

Удаленный доступ, мобильные технологии и прочие тренды
Сотовая связь и рынок мобильных устройств на сегодня одни из самых динамично развивающихся. По данным Cyber Security, проникновение сотовой связи за 2011 г. выросло на 11% и на конец 2012 г. составило более 6 млрд подписчиков, т. е. 86 абонентов на каждые 100 жителей Земли. При этом более половины пользователей интернета входит в сеть с помощью смартфона или планшета. Увеличиваются мобильность населения и время, проводимое в дороге, что также делает мобильные гаджеты все более универсальными и многофункциональными. Социальные сети пронизывают нашу жизнь, и сейчас сложно найти человека, не имеющего аккаунта в «Одноклассниках», «В контакте» или на «Фейсбуке».

IP-видеокамера: состав и структура
Начать следует с того, что IP-видеокамера – это специализированный компьютер на базе Linux. То есть каждая IP-видеокамера имеет составляющие части компьютера: центральный процессор, оперативную память, батарею, разъем питания и сетевой порт для обмена информацией с другими устройствами в сети. Конечно, IP-камера как специализированный компьютер содержит и ряд специальных конструктивных и технологических особенностей. Современные недорогие камеры отличаются меньшим количеством плат и чипов, так как современные разработки от TI (Texas Instruments) позволяют осуществлять обработку видеопотока, сжатие и применение видеоанализа в одном чипе. Однако именно эта структура наиболее показательна с точки зрения входящих в состав IP-камеры элементов.

Светочувствительный элемент, или КМОП против ПЗС
Обратите внимание на светочувствительный элемент. Действительно, в первых IP-видеокамерах применялся CCD- или ПЗС-сенсор, который отличался технологией формирования изображения и требовал отдельного чипа. Сейчас промышленность все чаще выбирает CMOS или КМОП как более экономичные и более технологические, принципиальное отличие которых состоит в том, что сигнал с каждой ячейки сенсора снимается независимо и в цифровом формате, т. е. не требует отдельного чипа для обработки. Длительное время некоторые параметры КМОП-сенсоров уступали ПЗС, например, такие как чувствительность, но развитие технологий позволило значительно улучшить характеристики и при этом сняло ограничение на размер формируемого изображения, что привело к гонке за мегапикселями.

Форм-фактор
Количество корпусов для IP-видеокамер очень разнообразно, постараемся классифицировать их:
1. Кубическая – форм-фактор для самых недорогих моделей, как правило, с фиксирвоанным объективом.
2. Стандартная (параллелепипед) – наиболее распространенная форма корпуса, имеет спереди резьбу для накручивания объектива, снизу или сверху корпуса отверстия для крепления на штативе или кронштейне, на задней панели, как правило, находятся разъемы для подключения локальной сети, питания, звука и карт памяти.
3. Купольная – представляет собой полусферу с плоским основанием, часто в этом форм-факторе выполняются антивандальные IP-видеокамеры.
4. Буллет или цилиндрический форм-фактор – в нем, как правило, реализуются IP-видеокамеры, предназначенные для установки на улице. Зачастую оснащаются встроенной ИК-подсветкой.
5. Специальное исполнение – например, с вынесенным видеомодулем, что позволяет разметить объектив со светочувствительным элементом в неблагоприятной среде, а сам блок обработки видео разместить в труднодоступном месте. Или со специальным материалом корпуса, например, выполненным во взрывозащищенном исполнении или из нержавеющей стали для использования в агрессивных средах. Также применяется для поворотных камер, которые чаще выполняются в купольном форм-факторе или на поворотной платформе, при втором варианте, как правило, есть возможность монтажа дополнительных ИК-прожекторов или телевизионной камеры.

Гонка за мегапикселями
Первая серийная IP-видеокамера AXISNetEye™ 200, разработанная в 1996 г. в компании AXIS Communications, имела разрешение всего 352 на 288 и могла сформировать 1 кадр в секунду при минимальной освещенности в 10 люкс. С тех пор прошло почти 17 лет, и вы можете приобрести серийные модели видеокамер в 10, 29 и даже 200 мегапикселей. Другой вопрос в применимости такого разрешения, так как обработать картинку такого масштаба довольно затруднительно, да и средств отображения, способных отобразить такое разрешение, пока не существует. Поэтому пионер в области IP-видеонаблюдения, компания AXIS Communications, официально объявила о выходе из гонки за мегапикселями и переносе фокуса исследований и разработок в сторону улучшения качества изображения, установив новую планку и стандарт HDTV. В соответствии со стандартом HDTV изображение может быть в разрешении 1280:720 пикселей (стандарт 720p с прогрессивной разверткой с частотой кадров 50 или 60 кадров в секунду) или 1 мегапиксель, 1080i или HD ready стандарт с чересстрочной разверткой и Full HD или 1080p с полным разрешением 1920:1080 пикселей, что составляет примерно 2 мегапикселя.
Как показывает практика, 720p и 1080p в HD качестве вполне достаточно для решения подавляющего большинства задач. Самое интересное, что стоимость оборудования снижается с каждым годом довольно существенно, например, компания ACTi недавно анонсировала линейку 2-мегапискельных камер по цене ниже, чем существовавшая до этого одномегапиксельная линейка. И хотя часть вендоров последовала примеру AXIS Communications, гонка за мегапикселями будет продолжена, в этом сомнений нет.



Форматы изображения
Исторически в кинематографе, а потом и на вещательном телевидении для фильмов стандартного разрешения (PAL или 720 на 676 пикселей) применялось стандартное соотношение сторон 4:3. С появлением цифровых систем постепенно популярность завоевал HDTV-стандарт, или телевидение высокой четкости, где применялось соотношение сторон 16:9.
При выборе мегапиксельной IP-видеокамеры необходимо обратить внимание не только на количество мегапикселей, но и на формат изображения, формируемый в том или ином разрешении.
Например, IP-видеокамера от компании 3S Vision имеет в характеристиках разрешение 2 мегапикселя. Обратите внимание, что 2 мегапикселя в формате сторон 4:3 (1600:1200 пикселей). То есть, для того, чтобы увидеть все 2 мегапикселя, понадобится монитор с таким же соотношением сторон, а они сейчас мало где производятся. Вероятнее всего, вам придется наблюдать черные полоски по бокам от видеоизображения при использовании стандартного Full HD-монитора с соотношением сторон 16:9. К счастью, данная видеокамера поддерживает и более распространенный на сегодня формат HDTV и позволяет обрезать изображение до 1280:720, что обеспечивает видеоизображение в формате 720p и общим разрешением 1 мегапиксель. Утешением вам будет удвоенная скорость обновления картинки 30 кадров в секунду вместо 15 кадров в секунду при 2 мегапикселях.

Стандарты сжатия MJPEGи H.264
Основной стандарт сжатия, применяемый в видеонаблюдении, – это M-JPEG или Motion-JPEG. Стандарт относится к покадровому методу сжатия, т. е. это последовательность статических изображений, и сжатию подвергается каждый кадр по отдельности. Формат MJPEG является де-факто стандартным для всех IP-видеокамер и, как правило, поддерживается всеми производителями, что обеспечивает совместимость. Преимуществом данного стандарта является низкая загрузка процессора в камере и высокое качество стоп-кадра, а также минимальная задержка между реальным событием и его отображением на экране системы видеонаблюдения. Недостатками данного алгоритма сжатия является большой объем данных, которые приходится передавать для записи и отображения, что влечет за собой удорожание подсистемы хранения данных.
H.264 (MPEG-4 part 10) является представителем межкадрового метода сжатия, смысл которого состоит в том, что процессор в камере сравнивает два ближайших кадра и удаляет одинаковые участки изображения, передавая только разницу между ними. Что приводит к существенной экономии в потоке данных, транслируемых по сети, и экономии пространства для хранения данных, но при этом сильно загружает процессор как в самой камере (для осуществления вычитания), так и на стороне подсистемы отображения, так как компьютеру приходится складывать предыдущий кадр и изменения. В стандарте H.264 существуют 3 вида кадров: I-фрейм, аналогичный кадру в стандарте JPEG, P-фрейм, несущий разницу между двумя предыдущими кадрами, и B-фрейм, предсказывающий изменение в следующем кадре на основе анализа нескольких предыдущих.
Межкадровый метод сжатия представляет наибольший интерес, так как он позволяет существенно сократить поток передаваемой видеоинформации и тем самым экономя как трафик в сетях передачи данных, так и пространство на жестком диске сервера записи. График, показывающий зависимость количества передаваемых данных (поток) от количества кадров в секунду, вы можете видеть ниже.


Питание IP-камер
На сегодняшний день существует два варианта питания видеокамеры: с помощью отдельной линии питания, через разъем от блока питания с напряжением 5, 9, 12 или 24 вольта. Но наибольшей популярностью пользуется стандарт Power over Ethernet (PoE), позволяющий передавать питание на камеры с помощью специального сетевого коммутатора с поддержкой PoE. Технология описана стандартами IEEE 802.3af и IEEE 802.3at. Отличие стандартов состоит в том, что по IEEE 802.3af можно передавать питание по сетевому кабелю категории UTP5e и выше, используя свободные жилы и обеспечивая выходную мощность на расстоянии 100 м до 15.4 Вт, что достаточно для питания внутренней поворотной IP-видеокамеры или уличной стационарной видеокамеры без ИК-подсветки.
Стандарт IEEE 802.3at, также называемый PoE+ или PoE Plus, обеспечивает до 30 Вт выходной мощности на расстоянии 100 м, что достаточно для питания уличной поворотной камеры с обогревом или уличной стационарной IP-камеры с обогревом и ИК-подсветкой.
Стандарт PoE широко распространен и обеспечивает быстроту и простоту монтажа IP-видеокамер, что, в свою очередь, непосредственно влияет на экономическую эффективность проекта.

Открытые стандарты
До появления открытых стандартов каждый производитель IP-устройств разрабатывал свои собственные кодеки и стандарты передачи данных и взаимодействия IP-камер, энкодеров, видеорегистраторов и программ для управления видео. То есть каждая система была проприетарной, а именно работала только с устройствами от одного производителя. В какой-то момент наступило понимание, что необходимо разработать общий стандарт взаимодействия IP-видеоустройств между собой. И в 2008 г. был основан тремя лидерами рынка IP-видеокамер: AXISCommunications, Sony и BoschSecurity стандарт, названный ONVIF (Open Network VideoInterface Forum). На март 2013 г. в этом форуме состоят 473 компании.
Через несколько месяцев после основания международного форума ONVIF компания CISCO основала альянс PSIA (Physical Security Interoperability Alliance), членами которого на сегодня являются более 100 компаний.
Сильно вдаваться в различия, полагаю, не стоит, замечу лишь, что ONVIF на сегодня поддерживается бОльшим количеством компаний и устройств, и этот стандарт является более европейским, а PSIA более американским, если судить по компаниям, являющимися его членами, хотя оба имеют штаб-квартиры в США. Также можно заметить, что многие компании предпочли участвовать в обоих альянсах и поддерживают оба стандарта.

Дополнительные функции
Каждый производитель старается создать свои собственные технологии, которые отличали бы именно его IP-камеры. Поэтому сейчас многие камеры являют собой не только устройства для формирования изображения, но и оснащаются тревожными входами и релейными выходами, разъемами для SD-карт и E-SATA, для подключения жесткого диска напрямую к камере, встроенными микрофонами и разъемом для подключения динамика, что обеспечивает двустороннюю передачу звука.
Многие видеокамеры обладают сверхшироким динамическим диапазоном (WDR), функциями двойного сканирования матрицы, что позволяет создавать изображение с хорошей детализацией как в темных участках кадра, так и в светлых.
Многие камеры имеют на борту резервы процессорной мощности, что позволяет детектировать движение непосредственно в самой IP-видеокамере, а также применять дополнительные алгоритмы, такие как детектор саботажа (отворота, расфокусировки или закрашивания объектива камеры), и даже загружать в саму видеокамеру некоторые интеллектуальные алгоритмы, например, пересечения линии, оставленных предметов или счетчик объектов. Подробнее о видеоанализе в соответствующем разделе в следующих статьях.
Итак, в первой статье из серии я постарался обозначить элементы, из которых состоит IP-видеосистема, и подробно осветить состав и основные варианты исполнения и отличия IP-видеокамер.

Продолжение следует.

 

Источник: http://www.tzmagazine.ru/