Гибридные системы CCTV.
Аналог и цифра
Специалисты по системам теленаблюдения уже давно сталкиваются в своей практике с понятием «гибридная система CCTV». Подсознательно считая, что это, без сомнения, очень хорошо, многие не вполне понимают, что же это такое, почему оно возникло и зачем, собственно, нужно.
Набрав в поисковике hybrid CCTV, любопытный индивид получит на удивление разнообразные толкования этого сочетания. Тут встречаются и многочисленные ссылки на устройства видеозаписи, работающие как с аналоговыми, так и с IP-телекамерами, и даже упоминаются системы с питанием от нетрадиционных источников энергии (ветряной генератор и солнечная батарея).
Пытаясь разобраться, где же истина, автор обратился к энциклопедиям за точным значением слова «гибрид».
Гибрид (от лат. hibrida, hybrida – помесь), потомство от скрещивания двух генотипически различающихся организмов. [БСЭ]
В отношении электронных устройств речь обычно идет о двух «генотипах» – аналоговом и цифровом.
В CCTV понятия «аналогового» и «цифрового» традиционно трактуются следующим не совсем обычным образом:
Под «аналоговыми» компонентами понимаются те из них, которые выдают и принимают изображение в виде аналогового видеосигнала, соответствующего известным стандартам EIA/NTSC и CCIR/PAL.
«Цифровые» компоненты имеют дело с изображением, передаваемым в виде пакетов информации по сетям передачи данных.
Такое разграничение отражает различия в структуре системы CCTV и имеет мало общего с классическим определением аналоговых и цифровых (дискретных) сигналов в электронике.
Снимаемая телекамерой сцена, равно как и итоговое изображение, видимое наблюдателем, – суть потока света с пространственно-различными интенсивностью и спектром, изменяющимися во времени. Они имеют аналоговую (непрерывную) природу.
Автор не откроет Америку, заметив, что со времен появления телевещания и до наших дней чисто аналоговой передачи изображения от сцены к наблюдателю не существует. Изображение разбивается на строки, что является пространственной дискретизацией, а строки формируют полукадры и кадры, передаваемые друг за другом в определенной последовательности – т. е. присутствует также и дискретизация временная. Применение ПЗС-матриц в качестве светочувствительного элемента добавило сюда разбиение строк на пиксели.
Таким образом, из всех параметров передаваемого изображения – геометрии, интенсивности, цветности и времени – только два были аналоговыми.
Помимо дискретных свойств видеосигнала есть еще причина считать вышеприведенное деление условным. Дело в том, что с конца 80-х гг. начали появляться аналоговые компоненты систем теленаблюдения, внутри которых сигнал проходил цифровую обработку.
Первый и самый распространенный образец такого рода устройства – квадратор. Наблюдение на одном экране четырех картинок одновременно требовало использования видеопамяти, куда записывались четыре исходных изображения в оцифрованном виде, а затем полная картинка преобразовывалась обратно в видеосигнал. Такое устройство еще не слишком нарушало классификационную стройность. Но дальше – больше.
Мультиплексоры уже не только умели делить экран на части, но и «нарезали» последовательность полукадров из нескольких входных сигналов, не синхронизированных между собой, для их записи на один магнитофон, и все это благодаря цифровой начинке.
В самих телекамерах (в первую очередь цветных) цифровая обработка сигнала (DSP) стала нормой. Многие функции современных телекамер (компенсация задней засветки, шумопонижение, медленный затвор и др.), ставшие привычными, без нее невозможны.
Даже видеорегистраторы с цифровой записью изображений на жесткий диск, сменившие ленточные спецвидеомагнитофоны, в нашей терминологии остаются аналоговыми до тех пор, пока ввод и вывод из них изображений осуществляется посредством видеосигнала.
Таким образом, устройства «насквозь» цифровые мы относим к разряду аналоговых! Деление компонентов систем CCTV на аналоговые и цифровые определяется только способом передачи изображения между ними и не зависит от того, что происходит внутри устройства.
Структура
Определившись с классификацией «генотипов», перейдем к «скрещиванию».
Система CCTV состоит из телекамер (устройств, формирующих изображение), оборудования обработки изображений (коммутации, хранения, видеоанализа и т. п.) и средств отображения. Эти компоненты соединены между собой линиями связи и, как мы договорились, могут быть аналоговыми или цифровыми.
Рассмотрим эволюцию системы теленаблюдения, принадлежащей к средней или высокой ценовой категории.
На рис. 1 показана типовая структура системы CCTV, использовавшаяся на ранних этапах. В ней не было компонентов с цифровой обработкой видеосигнала, поэтому отсутствовало мультиэкранное отображение, а запись производилась выборочно (как правило, при поступлении сигнала тревоги соответствующая телекамера переключалась на вход видеомагнитофона). Линии связи – коаксиальный кабель. Для протяженных линий использовались усилители. Выбор камер на мониторах происходил с помощью аналогового матричного коммутатора. Простая структура и минимум преобразований видеосигнала обеспечивали его высокое качество. Системы такого типа применяются кое-где и по сей день, например в казино, где качество и скорость ставятся во главу угла.
Система на рис. 2 – более современная, она содержит компоненты с цифровой обработкой сигнала (телекамеры с DSP, мультиплексоры, видеодетекторы движения). Линии передачи более разнообразны – наряду с коаксиалом применялись витая пара и оптоволокно (оптоволоконные каналы также часто использовали передачу в оцифрованном виде, но на входе и выходе канала присутствовал видеосигнал). Такие системы распространились повсеместно во второй половине 90-х гг. прошлого века. Возможность мультиэкранного отображения, круглосуточная запись всех телекамер стали общепринятыми требованиями, предъявляемыми к аналоговым CCTV, хотя эти функции, как мы знаем, невозможны без «цифры».
На рис. 3 – прямой предшественник гибридной системы. Отличие от предыдущей схемы заключается в цифровых видеорегистраторах. Выполняя практически те же функции, что и замененные ими мультиплексоры и видеомагнитофоны, они вместе с тем знаменовали важное отличие. В них изображения хранились в виде информационных файлов, потенциально пригодных для дальнейшей передачи и использования в цифровом виде (при экспорте на сменный носитель такая передача фактически и происходила). Небольшая модификация – добавление в видеорегистратор сетевого интерфейса – превратила эту систему в гибрид (рис. 4).
Системы, подобные изображенной на рис. 4, дали пользователю прямой доступ к содержащейся в видеорегистраторе информации посредством цифровой сети. Для этого служили сетевые рабочие станции (компьютеры). Роль коммутатора играло программное обеспечение, устанавливая связь с нужным регистратором и видеоканалом.
Таким образом, в системе появилось два независимых канала – аналоговый (через матричный коммутатор и видеомониторы) и цифровой (через сеть и рабочую станцию). Каждый из них мог быть самостоятельно использован для решения задач теленаблюдения, но у каждого на том этапе были свои недостатки. Аналоговый канал давал наилучшее качество и реальное время, но не предоставлял доступа к видеозаписи. Напротив, цифровой канал позволял воспроизвести видеозапись, но возможности наблюдения в реальном времени ограничивались сравнительно невысоким качеством и большими задержками.
Со временем новое поколение видеорегистраторов, работающих в режиме реального времени, доказало, что и качество, и скорость передачи, и задержки могут быть улучшены настолько, что необходимость в отдельном аналоговом канале отпадает. Более того, цифровые компоненты могут обеспечивать характеристики, недостижимые в аналоговых системах (например, в случае с IP-камерами мегапиксельного разрешения).
Программное обеспечение, совершенствуясь, превратилось в универсальное средство доступа к живой и архивной видеоинформации, с развитыми средствами поиска, видеоанализа и различными сервисными функциями.
Все большее количество систем начинает строиться в соответствии с моделью на рис. 5. Видеорегистратор остается гибридным компонентом, обеспечивающим связь аналоговых телекамер и цифровых средств отображения. А с появлением IP-телекамер гибридная система превращается полностью в цифровую.
Наконец, в системе на рис. 6 все основные компоненты являются цифровыми, вся видеоинформация передается через сеть. Эта структура отличается тем, что функции управления, обработки и хранения видеоинформации разделены между разными устройствами: NVR – сетевой видеорегистратор (прием информации от IP-камер, обработка/видеоанализ, хранение, выдача пользователям); NAS – сетевое хранилище данных (хранение); Management server – управляющий сервер (управление передачей информации в сети, обеспечение безопасности, разграничение доступа).
Коммутация в системе осуществляется программно путем установления IP-соединений между соответствующими сетевыми устройствами.
Источники видеоинформации тоже, как правило, цифровые (IP-камеры). Для обеспечения совместимости с аналоговыми системами предусматриваются кодеры и декодеры, выполняющие преобразование аналогового видеосигнала в поток данных, передаваемый через IP-соединение, и наоборот. Эти последние дают нам некоторые основания назвать гибридной и такую систему, хотя, строго говоря, их присутствие не является обязательным.
Функции аналитики переносятся в основном на сторону источника изображения, в IP-камеру или кодер. Этому есть две причины: во-первых, там может быть получено несжатое изображение наивысшего качества и, во-вторых, мощность цифровых ресурсов телекамер и кодеров стала достаточна для видеоаналитики.
Перспективы
На рис. 7 показан процесс миграции компонентов CCTV от аналоговых к цифровым. Как мы видим, в настоящее время для каждого компонента существует цифровое воплощение. Тем не менее только для видеорегистраторов и видеодетекторов аналоговый вариант утратил актуальность. Для остальных компонентов оба варианта продолжают сосуществовать, определяя будущее гибридных систем CCTV.
Причина популярности аналоговых телекамер объясняется более широким их выбором на рынке оборудования и существенно меньшей ценой по сравнению с IP-камерами.
Аналоговые сигнальные линии на витой паре и коаксиале зачастую обходятся дешевле, чем построение новой сети передачи данных на эквивалентное расстояние.
Матричные коммутаторы и аналоговые мониторы популярны в системах, где упор сделан на наблюдение в реальном времени. Там они обеспечивают наилучшее качество при минимальной стоимости.
Сказанное в предыдущем разделе иллюстрирует, каким путем система CCTV преобразуется в гибрид. Гибридное строение не было специально выведено селекционерами-инженерами, а есть следствие стремления наиболее выгодно сочетать достижения технологии CCTV, и в ходе дальнейшего развития гибриды будут неизбежно вытеснены цифровыми системами, обладающими большим функциональным потенциалом. Но пока этому препятствуют следующие факторы:
Совместное использование аналоговых и цифровых компонентов имеет преимущества перед чисто аналоговой и чисто цифровой структурами в первую очередь благодаря широкому спектру оборудования по соотношению цена/качество.
Внедрение полностью цифровых систем сдерживается наличием внутренних проблем, а именно: недостаточный выбор IP-оборудования при высокой цене, несовместимость протоколов цифровой передачи разных производителей, несоответствие существующих сетей передачи требованиям цифровых систем CCTV.
Переход на полностью цифровые системы нельзя подтолкнуть, ускорить искусственно. Он произойдет, когда существующие аналоговые технологии превратятся в тормоз, сдерживающий внедрение новых продуктов и препятствующий получению производителями прибыли.
Статьи по теме:
Видеонаблюдение
Советы домовладельцам по обеспечению безопасности
Три критических вопроса при выборе видеоаналитики для видеонаблюдения
FCC запрещает авторизацию оборудования для китайских телекоммуникаций и оборудования для видеонаблюдения, которое считается угрозой национальной безопасности
Перенос локального видеонаблюдения в облако
Hanwha Techwin переименовывается в Hanwha Vision
Перспективы использования цифровых систем передачи изображения по радиоканалу
Датчики нейроморфного зрения в смартфонах
Ambarella добавляет новую SoC с поддержкой искусственного интеллекта для камер безопасности
