Сетевое видеонаблюдение
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ни у кого не возникает сомнений в актуальности систем видеонаблюдения. Всё чаще можно увидеть как на улицах и в общественных местах камеры, которые неустанно следят за тем или иным объектом, будь то места массовых скоплений людей, или же супермаркет.
Как правило, большинство систем видеонаблюдения осуществляют охранную функцию, но это далеко не единственная сфера применения подобных систем. В наше время IР видеонаблюдение, как охранное, так и промышленное, является
жизненно необходимым, самым перспективным и удобным решением в сфере видеонаблюдения. Все крупные компании выбирают именно это решение, оставляя старые технологии аналогового видеонаблюдения в прошлом. В данном дипломном проекте будет рассмотрена разработка и реализация системы промышленного IP видеонаблюдения на предприятии ОАО «Комитекс». Доказывая актуальность выбранной темы дипломного проекта, можно привести
множество аргументов, вот лишь некоторые:
потребность предприятия
в разработке и внедрении промышленного виде
- новизна технологии: современные цифровые технологии видеонаблюдения, в
частности — использование ТСР/IР протокола для передачи данных с камер, - работа с современными протоколами передачи потокового видео — Н.264 (на
сегодняшний день 85% систем видеонаблюдения, использующих в
качестве передающей среды стек протокола ТСР/IР используют протокол
MotionJPEG) - работа со многими типами настольных ОС (Windows, GNU Linux, MacOSX) и
мобильных ОС (Android, iOS)
Целью работы является изучение сетевого видеонаблюдения в целом: IР камер, установки и настройки камер, настройка видеосервера в частности и подключение к нему хранилища данных.
Задачи:
описать технологию передачи видеоизображения
описать технологию записи и воспроизведения видеоизображения
описать устройство IР камер
подобрать оборудование (камеры, шкафы, сетевое оборудование, сервера)
подбор программного обеспечения для организации цикличной записи и
организации клиентских сессий для просмотра архива видеоизображения на ОС
Linux
рассчитать затраты на реализацию проекта
Объектом исследования выступает проект видеонаблюдения открытого акционерного общества «Комитекс».
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1.1 Описание стандартных
технологий передачи
В простейшем случае достаточно соединить видеокамеру с монитором, и готова система охранного телевидения. Однако нередко видеосигнал необходимо передать на значительные расстояния или по специфичным (существующим) кабельным сетям.
Усилители-корректоры позволяют передать дальше по обычным коаксиальным кабелям (или передать хотя бы на 200 метров по очень плохим кабелям). Пассивные или активные передатчики по витой паре позволяют использовать кабели серии ТПП или имеющуюся в здании структурированную кабельную сеть (активные с усилителем дополнительно увеличивают дальность передачи). Оптоволоконные передатчики защищают сигнал от помех и гарантируют передачу на многие километры. АТМ/SDH аппаратура предлагает объединить видео с магистральными каналами передачи общего назначения. IР-кодеры и декодеры позволяют (теоретически) передать видеосигнал через интернет на другой конец планеты.
В каких случаях и какие устройства более уместны? У каждого вполне определенное предназначение. Усилитель-корректор для коаксиального кабеля чаще используется не при проектировании, а при пуско-наладке. Если качество сигнала невысоко, то, чтобы исправить ситуацию, в последний момент добавляют усилитель. Нередко вместе с усилителем приходится ставить и устройство гальванической развязки, разрывающее «земляные петли». Конечно, и при проектировании иногда закладывают коаксиальные усилители, чтобы не увеличивать номенклатуру кабельной продукции, особенно если в проекте лишь несколько линий на грани допустимой дальности передачи.
Пассивные передатчики по витой паре (так называемые balloons) вошли в употребление, когда нормой оснащения любого офисного здания стала структурированная кабельная сеть, проектируемая со значительным запасом емкости. Существующая сеть используется для передачи аналоговых видеосигналов. В целом это решение не всегда срабатывает, ибо помехи от совместно проложенных цифровых линий на аналоговый видеосигнал могут оказаться неожиданно значительными.
Нормы перекрестных помех для цифровых линий категории 5 составляют всего 3 дБ. Конечно, реальность обычно лучше, но гарантий никаких. Напомню, 3 дБ означает что помехи всего в 1,5 раза меньше сигнала. Даже для категории 6 нормативы (7 дБ) хуже, чем минимально допустимый сигнал/шум для видеосигнала. Конечно, испытания проводятся на частоте 100 МГц, а в видеосигнале нас интересует полоса до 15 МГц, конечно, испытания проводятся при условии подачи постороннего сигнала на все пары кроме испытываемой, в жизни все легче, и не все пары, даже занятые, постоянно несут цифровые сигналы, но надеяться на хорошее качество трудно. Реально такую технологию можно применять, только если вы уверены, что используемый вами канал проложен достаточно далеко от цифровых кабелей и не имеет участков в многопарных кабелях совместно с цифровыми сигналами.
Активные передатчики по витой паре применяются в качестве сознательного проектного решения для передачи на расстояния свыше нормативных для максимального кабеля 200-300 метров. В отличие от усилителей для коаксиального кабеля такие передатчики позволяют использовать относительно дешевую витую пару большого сечения (коаксиальный кабель с сечением центральной жилы 0,5 стоит заметно дороже и его можно гнуть только двумя руками, а иногда – только об колено). Пределы применимости аналоговых передатчиков по медному проводу зависят от ситуации и маркетинговой активности производителя. На мой взгляд, 500 метров – вполне реалистично, километр – только если у вас скромные требования к качеству передачи. Многие такие устройства имеют средства для настройки на конкретную позицию, конкретный экземпляр кабеля и при тщательной настройке на месте могут обеспечить вполне приличное качество. Производившийся Philips такой комплект имел пятиполосный эквалайзер, и в конструкции было написано, что подстройку с помощью генератора качающейся частоты и осциллографа надо производить не реже двух раз в год.
Следует отметить, что большинство как пассивных, так и активных передатчиков по витой паре обеспечивают гальваническую изоляцию «земли», что чрезвычайно важно для длинных линий, соединяющих оборудование, установленное в разных зданиях или на длинном периметре.
Оптоволоконные системы. Безусловно, наиболее помехоустойчивые устройства. Внутри себя оптоволоконные системы подразделяются на цифровые и аналоговые, а также на многомодовые и одномодовые. Одномодовые модификации стабильно работают на любое (в пределах разумного объекта) расстояние – до 20-30 км. Многомодовые (использующие дешевый светодиодный излучатель вместо лазера) работают на 500-5000 метров, нередко их поведение сильно зависит от ненормированных параметров кабеля. Все аналоговые системы в какой-то мере зависят от стабильности оптического контакта на всех соединениях, да и от стабильности состояния самого волокна. Не забывайте: обычный волоконный кабель применяется как чувствительный элемент вибрационных периметровых средств обнаружения. При передаче видеосигнала такая чувствительность - эффект нежелательный. Конечно, при наличии автоматической регулировки усиления влияние изменения погодных условий и старения кабеля может быть незаметно. Если учесть, что аналоговые устройства от цифровых отличаются примерно на порядок по цене, понятно, почему аналоговые до сих пор иногда еще используются.
Цифровые системы также бывают разные. Наиболее распространенные имеют 8 битное представление сигнала, что даже теоретически ограничивает сигнал/шум (точнее, отношение сигнала к искажениям, связанным с оцифровкой) значением 50 дБ. Это немало, но и немного.
Применение оптоволоконных передатчиков. Во-первых, если расстояние превышает километр. При этом надеяться на передачу по медной витой паре не стоит. Во-вторых, когда на объекте есть развитая сеть волоконных кабелей, у монтажной и эксплуатирующей организации имеется опыт ремонта волоконных линий. В таком случае волокно следует использовать для любой линии длиннее 200 метров. Наконец при наличии мощных электромагнитных помех. Был случай, когда отрезки коаксиального кабеля в 100-200 метров пришлось заменять на оптоволоконные, поскольку они проходили мимо небольших (по меркам заказчика) рудных мельниц, -барабаны были высотой всего 12 метров.
Цифровые передатчики «со сжатием». Это передатчики по телефонной линии, по интернету, по Ethernet. В таком случае проблема дальности передачи отпадает (точнее, решается стандартными средствами из другой области - компьютерных сетей). Однако все такие системы обладают следующими основными недостатками, о которых следует помнить. Первый: цифровая компрессия ухудшает сигнал. Насколько - никаких стандартных способов описания таких искажений реально нет (точнее, они не применяются). Второй: компьютерная сеть должна обладать возможностями достаточно тонкой настройки QoS (или ограничений на трафик), чтобы изрядный поток данных, несущих видеосигнал, не конфликтовал с возможными иными данными в сети (да и сам с собой),
Это только самые распространенные системы. Есть еще системы с уплотнением на радиочастотных несущих (аналогичные сетям кабельного телевидения), микроволновые и иные радиопередатчики, но их применение весьма специфично. Модуляторы в телевизионные каналы используются, если на приемной стороне хочется применить обычный телевизор, наряду с вещательными программами показывающий и несколько «программ» охранного телевидения. Радиосистемы применяются для мобильных (быстроразворачиваемых) комплексов или в случае крайней дороговизны прокладки кабеля. Радиосистемы, как правило, влекут за собой проблемы сертификации, лицензирования, выделения каналов. В целом они применяются, только если нет других решений. Исключением является разве что использование стандартных IP-решений поверх стандартной (нелицензируемой) технологии Wi-Fi.
Помимо основных конструктивных особенностей все устройства для передачи видеосигнала могут обладать дополнительно еще несколькими полезными свойствами, которые, конечно же, большими буквами указаны в их рекламных описаниях.
Упомянутая выше
способность изолировать
Второе полезное свойство – способность защищать аппаратуру центрального поста. Защищать от грозовых разрядов и других импульсных помех высокой мощности. Для оптоволоконных линий этой проблемы не существует (на приемном конце) – по волокну импульсные помехи не распространяются. А для всех систем с медным кабелем (в том числе и для относительно коротких коаксиальных линий, для которых даже усилители вроде бы не требуются) защита от импульсных помех является реальной серьезной проблемой. Ведь на центральном посту нередко стоит весьма дорогое оборудование, и оно легко выйдет из строя, если хотя бы на одной из входящий линий наводка от ударившей неподалеку молнии превысит стойкость самого центральном устройства. Обратите внимание, что грозозащита передающего конца линии (со стороны видеокамеры) нужна и для оптоволоконных линий, если камера находится на существенном удалении от оптоволоконного передатчика.
Грозозащита декларируется в составе многих изделий, устройства грозозащиты можно приобрести отдельно, но, к сожаление, лишь очень редко для них указывается реальная способность выдерживать (и защищать стоящее за ним оборудование) конкретные амплитуды помехи. А ведь существует международный стандарт (и его буквальный русский перевод), описывающий способы испытаний и рекомендуемые классы оборудования для различных условий применения. Более того, отечественные ГОСТы на охранную технику явно указывают необходимый уровень защиты. Однако нередко даже весьма квалифицированные производители выпускают упрощенные(удешевленные) версии устройств, которые, конечно, несколько снижают вероятность повреждения оборудования от грозы, но их данные даже специалисту не позволяют выяснить, в каких случаях их применение допустимо, а в каких экономить не следует.
Но почему же некоторые устройства, казалось бы, одинаковые по технологии, отличаются по цене раз в 5,а то и в 10? Порой разница в цене обусловлена исключительно жадностью продавца, но нередко имеет реальное обоснование.
Трудноуловимое понятие «качество» имеет странное свойство. Чуть-чуть лучше стоит существенных денег. Например, переход от 8-битного к 10-битному цифровому представлению может привести к двукратному увеличению стоимости оборудования. Есть ли реальные критерии качества? Да, есть. Но все не просто.
Например, существует ГОСТ Р 50725-94 «Соединительные линии в каналах изображения». Этот ГОСТ напрямую предназначен для радиорелейных, волоконных и коаксиальных линий передачи. Однако его происхождение - вещательное телевидение. Накладываемые им требования избыточны для систем охранного телевидения. А оборудование, необходимое для проверки соответствия линии передачи этому ГОСТу стоит, начиная от 000 (самое простое отечественное). Вряд ли оно имеется у обычных потребителей (да и у большинства производителей).
Более распространенный способ - так называемый способ субъективной оценки качества, это не шутка, это ГОСТ 26320-Н4. К сожалению, применение этого ГОСТа нередко неоправданно завышает оценку качества. Для вещательного телевидения, если зритель доволен, задача решена. Для охранного надо, чтобы оператор был не просто доволен приятной картинкой, но и был способен обнаружить преступника.
Потому, применяя оценку качества по ГОСТ 26320, необходимо использовать не рекомендуемые в этом ГОСТе сюжеты, характерные для телепрограмм (футбол, путешествия, мультфильмы, голова крупным планом), а сюжеты, специфичные для охранных оперативных задач: обнаружение нарушителя в камуфляже, классификация действий (обычные/необычные). При этом помимо балльной субъективной оценки качества можно применять и объективный параметр «время реакции оператора» - время, за которое он выполняет заданную задачу (обнаружение нарушителя, подтверждение тревоги, принятие решения о допуске человека, поиск заданного лица среди лиц в кадре и т. д.). Впрочем, такие методики обеспечивают контроль качества не только линии передачи, но и всего сквозного тракта, от объектива до монитора, включая даже эффективность системы освещения.
1.2 Технологии записи и воспроизведения видеоизображения
Видеосервер - это устройство, предназначенное для работы в составе аналогово-цифровой системы видеонаблюдения и преобразования аналогового видеосигнала с камеры в цифровой формат для последующей передачи его по компьютерной сети или записи на жесткий диск или другой цифровой носитель информации. Видеосерверы применяются, как правило, там, где уже работает аналоговая система видеонаблюдения, но возникает необходимость в передаче по сети изображения с одной или нескольких аналоговых камер или записи его на жесткий диск. Например, видеосерверы используют в системах видеонаблюдения сети магазинов, аэропорта, вокзала, банка, крупного офисного помещения или детского сада. Оператор системы видеонаблюдения или ответственный сотрудник фирмы может просматривать поступающее с видеосервера изображение через корпоративную или глобальную сеть практически из любой точки, а также управлять по сети поворотным устройством и трансфокатором подключенной к видеосерверу камеры.
Рис. 1
Многие видеосерверы имеют устроенный детектор движения и входы для подключения внешних охранных датчиков, а также могут восстанавливать события, предшествующие сигналу тревоги и следующие за ним. На этой странице пойдет речь об устройстве и полезных функциях видео сервера, позволяющих ему значительно расширить возможности системы видеонаблюдения.
Архитектура и принцип работы видеосервера.
В сегодняшнем видеосервере реализованы все необходимые для обработки и передачи видеоизображения компоненты. В зависимости от разрешения картинки и пропускающей способности сети, видеосервера может передавать по сети Еthernet видеоизображение со скоростью до 25 кадров в секунду на канал формате РАL. На вход видеосервера поступают аналоговые сигналы от одной или нескольких аналоговых видеокамер (в зависимости числа входов), которые затем оцифровываются и сжимаются. В состав видеосервера входит веб-сервер, который позволяет передавать потоковое видео или последовательность кадров по сетям LAN/WAN/Internet.
Видеосервер - это комплексное устройство, которое включает в себя следующие блоки обработки/передачи изображения: блок оцифровки изображения, блок сжатия, веб-сервер, интерфейсы для подключения к сети и последовательные порты.
КОМПРЕССИЯ |
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР | |||
|
| |||
| ! | |||
| Флэш- ГТсМЯТЪ |
| Дин ОЗУ | |
Оцифровка аналогового видеосигнала
Изображение с аналоговой видеокамеры сначала поступает в блок оцифровки отображения - на интегрированную в видеосервер плату вндеозахвата, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Типом платы видеозахвата определяется такой параметр, как стандарт сигнала цветности (PAL\NSTC), с которым работает видесервер. Плат видеозахвата может быть несколько, и от этого зависит, сколько камер можно подключить к видеосерверу.
Сжатие видео изображения
Оцифрованный видеосигнал передается в блок компрессии видеосервера, где происходит преобразование видео в один из форматов сжатия. Процесс сжатия может реализован аппаратно или программно. Видеосерверы с программной реализацией сжатия дешевле, но в них обработка сигнала происходит с задержкой, обусловлена повышенной нагрузкой на центральный процессор. В приложениях, где необходимо создание системы видеонаблюдения реального времени, лучше использовать видеосервер с аппаратной реализацией компрессии.
Центральный процессор видеосервера
Вычислительным ядром вндеосервера является центральный процессор,
осуществляющий операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечающий за выполнение программ веб-браузера и встроенного программного обеспечения (например, драйверов для поддержки протоколов телеметрии поворотных камер сторонних производителей).
Подключение видеосервера к сети
Прямое подключение устройства к локальной сети осуществляется через интерфейс для Ethernet. Чаще всего видео серверы имеют интерфейс 11BaseT/100BaseTX для подключения к сети.
Управление поворотными устройствами видеокамер
Последовательные порты (К-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.
Обновление программного обеспечения видеосервера и хранение информации
Флэш-память служит для хранения программного обеспечения, управляющего работой видеосервера: операционной системы, управляющих программ, различных приложений и пользовательских НТМL-страниц.
ОЗУ видеосервера
ОЗУ служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнение программ. В большинстве видеосерверов некоторая часть ОЗУ (от 2 до 9 Мб) представляет собой так называемый видеобуфер, куда записываются текущие видеокадры.
Приведенная выше схема (рис.3) устройства видеосервсра условна. В серверах некоторых производителей отдельные блоки этой схемы могут интегрироваться. Например, сетевые видеосерверы компании АХIS осуществляют
объеме передаваемых данных. Например, все видеосерверы АХIS поддерживают параллельную передачу потоков МJРEG и МРEG-4, обеспечивая максимально использование канала.
Скорость передачи видеоизображения
Этот параметр зависит от разрешения передаваемых кадров, используемого алгоритма сжатия и количества подключенных к видеосерверу камер. В технических характеристиках на видеосерверы, как правило, приводится таблица соответствия разрешения кадра и скорости передачи видеоизображения. Например, кадры с разрешением 640x480 пикселей могут передаваться со скоростью 25 кадров в секунду, как скорость передачи видео с более высоким разрешением может не достигать предела.
Поддерживаемые сетевые протоколы
Видеосерверы поддерживают большинство стандартных интернет- протоколов TCP/IP, UDP, SMITP, IGMP, ARP, RAPP, FTP и другие. В некоторых видеосерверах реализованы дополнительные сетевые функции, такие как Auto-Negotiation, которая оптимизирует скорость передачи видеопотока по сети, а также функция многоадресной передачи.
Управление телеметрией
Встроенный приемник телеметрии позволяет управлять поворотным устройством подключенной 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.
Встроенный детектор движения
Детектор движения – это программный или аппаратный модуль, основновой задачей которого является обнаружение объектов, перемещающихся в поле зрения видеокамеры. Детектор движения не только обнаруживает движение в поле зрения, но и определяет габариты объекта и скорость его движения. В зависимости от задач видеонаблюдения, детектор движения настраивают на обнаружение движения объектов с предельной минимизацией ложных срабатываний
фильтрацией помех), задают гибкую логику обработки тревог (тревожная запись, интеграция с другим охранным оборудованием).
подключение к видеосерверу внешних охранных датчиков
Почти все видеосерверы ведущих производителей имеют блок цифровых выводов которые служат для подключения к видеосерверу внешних охранных датчиков например, контактного/инфракрасного датчика или концевых переключателей). 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
сервер имеет видеобуфер, то при поступлении сигнала тревоги он может посылать по сети набор кадров, поступивших на видеосервер до, после и в момент тревоги.
Сохранение текущей видеоинформ
Видеобуфер - это часть ОЗУ, используемая для временного хранении текущей видеоинформации. Наличие видеобуфера предоставляет оператору возможность восстановления видеоинформации, ассоциированной 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 датчиков или с детектора движения, то им автоматически информируется и отсылается на заранее заданный адрес е-mail или FТР набор кадров, предшествующих, следующих и соответствующих сигналу тревоги.
Программное обеспечение видеосервера
Просмотр видеоизображения и управлении видеокамерой при наличии видеосервера можно осуществлять с любого сетевого компьютера, на котором установлен стандартный веб-браузер. Тем не менее, многие фирмы-производители поставляют вместе с видеосерверами эксклюзивное программное обеспечение, помогающее удаленно просматривать видеоинформацию, осуществлять настройку личных параметров камер, а так же обновлять управляющее программное обеспечение с видеосерверами и другим сетевым оборудованием того же производителя. Например, видеосерверы и цифровые камеры Smartec комплектуются бесплатным русифицированным ПО NVR, которое обеспечивает просмотр, запись и воспроизведение до 64 видеоканалов. А компания AXIS Communication предлагает несколько вариантов ПО для управления системой видеонаблюдения на базе оборудования AXIS: AXIS Camera Explorer, AXIS Camera Station и AXIS Camera Manager. С помощью ПО компании Milestone можно построить систему видеонаблюдения, объединяющую видеосерверы и цифровые камеры AXIS и Smartec, и др. производителей
Возможность передачи аудиоинформации
Большинство видеосерверов оснащены аудиоканалом для однонаправленной или двунаправленной передачи звука по сети. Как правило, такие видеосерверы: одноканальные – AXIS 243SA и Smartec STS-IPT480 - передают по сети аудиосигнал, синхронизированный с видео.
1.3 IP видео, общие принципы работы, технология
1.3.1 IP камеры
Сетевые камеры представляют собой камеру и компьютер соединенные в единую интеллектуальную систему. Они снимают и передают “живое” видео прямо через IP сеть, позволяют пользователям видеть и\или управлять камерой посредством стандартного веб-браузера или программного приложения с любого локального компьютера или удаленно по сети. Всем авторизованным пользователям, находящимся в производственных местах, они позволяют получать изображения с одной и той же камеры одновременно.
Благодаря встроенному веб-серверу, сетевые камеры не требуют прямого подключения к ПК или иных аппаратных средств, таких как ПО для съемки и передачи видеоизображений. Они функционируют совершенно автономно, и нуждаются лишь в подключении к IP сети кабелем или беспроводным соединением. Изображения могут храниться либо на жестком диске, подключенном к ПК, либо на специально выделенном сервере-хранилище в сети.
Сетевые камеры оснащены цифровыми портами ввода/вывода (I/O). Цифровые вводы, подключенные к устройствам тревоги или к устройствам тревоги или датчикам, например, используется для запуска передачи изображений в заданные пункты назначения для записи, передачи изображения в заданные пункты назначения для записи, передачи сообщений по электронной почте или SMS на мобильный телефон.