16 октября 2002
Сравнение характеристик цифровых видеорегистраторов и кассетных видеорегистраторов с прерывистой записью сигнала. Часть 1.
Security World July/August 2002
С появлением аналоговых регистрирующих систем в начале 70-х, доверие к системам локального телевидения увеличивалось с каждым годом. Однако, до сих пор большинство пользователей еще полагается на ограниченную и неэффективную технологию.
- Цифровые видеорегистраторы и кассетные видеорегистраторы с прерывистой записью сигнала: история и текущее состояние вопроса.
- Все ли системы цифровой видеорегистрации одинаковы?
- Что внутри кассетного видеорегистратора?
- Мостик между цифровыми видеорегистраторами и кассетными видеорегистраторами с прерывистой записью сигнала.
О. Крутц
История кассетных видеорегистраторов с прерывистой записью сигнала
С самого зарождения фотографии, многие задавались вопросом, как запечатлеть "движущиеся картинки" вместо неподвижных изображений. В 1877г. Эдвард Муйбридж (Edward Muybridge) провел эксперимент: лошадь бежит по треку, а 24 неподвижных фотокамеры по очереди снимают ее. Когда все 24 изображения рассматривали в быстром темпе, казалось, что лошадь двигается.
Двадцатью годами позже, в 1889, был изобретен кинетоскоп. Этот прибор имел небольшое отверстие, для того, чтобы смотреть внутрь ящика. Внутри ящика было колесо с изображениями, вмонтированными в него. Колесо приводилось во вращение при помощи рукоятки. При вращении рукоятки создавалась иллюзия движущегося изображения. Вместе с изобретением целлулоидной пленки Ганнибалом Гудвином в 1889г. индустрия движущихся картинок стартовала и перешла в галоп.
Много лет, дополнившись звуком и цветом, целлулоидная пленка была стандартом киноиндустрии. И только в 1956 г. компания под названием "Ампекс" (Ampex) выкинула на рынок первый коммерчески жизнеспособный ленточный видеорегистратор (Video Tape Recorder, VTR) модели VR-1000.
VR-1000 имел четыре головки и записывал черно-белые изображения + две звуковые дорожки на широкой (2 дюйма) магнитной ленте. Конечно, эти машины использовались только для целей коммерческого телевидения, так как стоили очень дорого.
Только в 70-х ленточные видеорегистраторы стали достаточно недорогими и прочными, чтобы использоваться буквально кем угодно. С изобретением недорогих видеокамер и кассетных видеорегистраторов (Video Cassette Recorder, VCR) родилась и индустрия локального телевидения (CCTV industry) - в том виде, в котором она известна сейчас. Конечно, имелись противоречия, такие как два разных видеостандарта, разработанных для ТВ: PAL, в основном в Европе и Азии и NTSC для Северной Америки и Японии, а также различия в форматах между BETA и VHS.
Применение стандартных кассетных видеорегистраторов породило две основные проблемы для CCTV-индустрии: (1) на каждую видеокамеру требовался отдельный видеорегистратор и (2) при стандартной скорости записи пленки хватало только на два часа. Таким образом, для записи четырех камер в течении 24 часов потребовалось бы четыре видеорегистратора и 48 кассет + человек, обязанностью которого было бы менять кассеты. Но решения были найдены быстро и по обеим проблемам.
Чтобы производить регистрацию в течение длительного периода времени, производители изобрели лентопротяжный механизм, который мог работать в старт-стопном режиме и записывать, таким образом, изображения по отдельности. Подбирая количество стартов и остановок, стандартная двухчасовая лента могла быть использована для записи 12 часов, если регистрировать со скоростью 5 кадров/с вместо стандартных 30 (в NTSC формате).
Кроме того, так как каждое изображение или видеокадр состоит из двух полей, то, если записывать только одного поле вместо обычных двух, ленты будет хватать на 24 часа и ее надо будет менять только раз в сутки. Этот режим сегодня известен как стандартный 24-часовой режим с прерывистой записью сигнала (24-Hour time-lapse mode). Варьируя команды "старт" и "стоп" может быть достигнута длительность записи 72, 480 и даже 960 часов.
Другому вызову было адресовано разнообразное оборудование в течение ряда лет. Первым, конечно, был последовательный переключатель, который последовательно переключает камеры в предустановленном режиме. Чем больше камер, однако, тем больше временные пробелы между индивидуальными камерами.
Далее пришли системы картинка в картинке и квадро. Эти системы электронным способом захватывают два или четыре изображения и создают единый видеопоток, который и регистрируется. По такой технологии все камеры регистрируются в одно и тоже время, но так как каждая является только частью реального видеоизображения, качество оставляет желать лучшего.
В середине 1980-го пришел самый последний прибор - мультиплексор. В то время как последовательный переключатель не мог переключать быстрее, чем раз в секунду, мультиплексор мог переключать до 20 раз в секунду, делая возможным регистрацию 16 различных камер в пределах одной секунды.
Требование к кассетным видеорегистраторам записывать со скоростью 20 изобр./с привело к рождению 24-часового режима реального времени - но не за счет старт-стопного режима, а за счет уменьшения скорости движения ленты по сравнению со стандартной.
Через всю историю CCTV проходит требование регистрации все большего и большего количества изображений, чтобы сохранить столько доказательств, сколько возможно. Но в конце концов, с введением в практику работы мультиплексора, оказалось, что проблема не в том, чтобы зарегистрировать как можно больше изображений, а в том, чтобы найти требуемое изображение.
Шаг к цифровой регистрации
С начала 90-х годов компании воспользовались преимуществами, которые давали выросшая производительность чипсетов и общее движение к цифровой записи изображений. В то время как аналоговое изображение непосредственно записывалось на кассетный видеорегистратор, для записи изображения в цифровом виде его вначале необходимо конвертировать из аналогового в цифровое.
Как можно видеть, изображение размером 640х480 содержит в четыре раза больше информации (или пикселей), чем 320x240. Это означает, что цифровой размер изображения 640х480 в четыре раза больше, чем цифровой размер изображения 320х240. Если изображение 320х240 имело размер 7 Мб, то 480х240 будет иметь 28 Мб.
Цифровое изображение
Во-первых, в зависимости от используемого чипсета, цифровое изображение имеет различное число пикселей, которые взяты из аналогового видеосигнала. Наиболее распространенные размеры изображения - 640х480 или 320х240.
Важно помнить, что аналоговое изображение состоит из двух полей. Так как каждое поле в среднем аналоговом изображении состоит из примерно 262-1/2 линий, легко видеть, как можно поле конвертировать в 320х240: просто путем выборки каждого второго пикселя по горизонтали и каждой линии по вертикали для каждого поля. Так как второе поле передается на 1/60 с позже, два цифровых изображения должны быть "расплетены" (de-interlaced), чтобы избежать артефактов в конечном изображении.
Степень сжатия и качество изображения
В то время как 30-дневная емкость архива при применении time-laps VCR легко достигается использованием 30 лент и 24-часового режима, регистрирующие средства для цифровых видеорегистраторов во-первых, значительно более дорогие, а во-вторых, использовать их как сменные более затруднительно. По этой причине, цифровые видеорегистраторы требуют сжатия (компрессии) изображений для их хранения, но чтобы при этом визуальные потери были бы минимальные.
Хотя методы сжатия могут быть разными, одна черта является общей для всех алгоритмов видеокомпрессии: с определенного уровня компрессии видеоизображение начинает деградировать быстро. Степень сжатия и размер изображения (в пикселях) следует варьировать в зависимости от количества изображений, которые необходимо сохранить на жестком диске. Кроме того, большинство цифровых видеорегистраторов на сегодняшний момент регистрируют только единичное поле, для того чтобы избежать проблем с чересстрочной разверткой и чтобы вдвое обрезать количество информации, которую необходимо сжать - с изображения размером 640х480 до 640х240. В то время как изображение 320х240 может воспроизводиться с качеством VHS, для получения изображения с SVHS-качеством требуется разрешение 640х240 или 640х480. Обычное ошибка заключается в предположении, что изображение в формате 640х480 всегда имеет лучшее качество, чем в формате 320х240.
Предположим, что изображение 320х240 сжато с соотношением 1000:1, при этом размер результирующего изображения уменьшится с 7 Мб до 7 кб. Для достижения того же размера в 7 кб, изображение в 640х480 пикселов должно быть сжато с фактором 4000:1. При таких крайне высоких степенях компрессии потери качества из-за сжатия могут в действительности привести к худшему изображению при 640х480 пикселей, чем при 320х240.
Реальные алгоритмы компрессии могут меняться в широких пределах от индустриальных стандартов (JPEG, MPEG) до "самоделок", но могут быть разделены на две основные группы: полнокадровые (full frame) и обновляемые по условию (conditional refresh).
Детекторы движения
Другое свойство, которое было введено вместе с мультиплексором - это детектор активности. Детектор активности позволяет мультиплексору менять частоту изображений, посылаемых на кассетный видеорегистратор. В результате изображения "с движением" будут регистрироваться с более высокой скоростью, чем "без движения".
Некоторые из ранних моделей мультиплексоров даже включали режим, при котором изображения посылались на видеорегистратор только в том случае, когда обнаруживалось движение в этих изображениях. Так как кассетный видеорегистратор двигал магнитную ленту с установленной скоростью, это приводило к пропускам на ленте. Хотя теоретически этот режим должен был облегчить просмотр ленты с записью изображений от 16 камер, так как показывались только изображения с наличием активности, этот режим распространения не получил.
Для цифровых видеорегистраторов этот режим обеспечивает значительно большую выгоду, так как он сохраняет пространство на жестком диске и может значительно расширить емкость памяти. До этого момента, однако, цифровые регистраторы - не более, чем продвинутая версия комбинации из мультиплексора и кассетного видеорегистратора.
Передача видео на расстояние
Имеется третье свойство, предлагаемое в большинстве цифровых видеорегистраторов, которое в аналоговый век требует приобретения дополнительного оборудования, а именно дистанционного видеотрансмиттера.
Как только модемы стали быстрее, чем 9600 бод, потребители стали выражать желание рассматривать натуру прямо со своего рабочего места. Передача видео на расстояние не только экономит время на доставке лент, но также позволяет пользователям переключаться с одного объекта наблюдения на другой, и даже позволяет наблюдать несколько объектов одновременно. В то время как объединение кассетного видеорегистратора, мультиплексора и видеотрансмиттера представляет серьезную задачу (особенно применительно к воспроизведению), большинство цифровых видеорегистраторов предлагает это как часть интегрированного, легкого в использовании пакета.
Различные цифровые видеорегистраторы на различных рынках
Рынок требует разных цифровых видеорегистраторов. Малые системы цифровой видеорегистрации могут использоваться в стандартной охранной схеме вместо системы с мультиплексором, если число камер ограничивается четырьмя или менее и если стоимость являлается основным фактором. Основная масса цифровых видеорегистраторов обычно предлагает все три основные преимущества, а также одновременные запись и воспроизведение, интеллектуальные алгоритмы поиска и другие продвинутые свойства. Большие системы цифровой видеорегистрации используют технологии, которые позволяют производить регистрацию по каждой камере в полнокадровом режиме и с полной скоростью, предлагают избыточную емкость для хранения информации, такую как RAID-подсистемы, и сетевую архитектуру, которая делает легким развертывание регистраторов в больших приложениях, таких как аэропорты и казино.
В дополнение к более традиционным цифровым видеорегистраторам, имеется также расширенное предложение умненьких DVR, которые являются интерфейсом в таких приложениях как банкоматы и системы контроля доступа. При регистрации данных от этих и других приборов вместе с видео, сортировка видео и поиск в нем может производится более умным и быстрым способом.
Для усиления выгоды от цифровой регистрации без ущемления пользователей, раннее инвестировавших в системы с мультиплексорами, многие сейчас ищут DVR, специально разработанные для интеграции в мультиплексор. Цель этих DVR - просто заменить CVR. Пока интеграция в мультиплексор является вызовом, некоторые из дополнительных выгод DVR могут быть получены при следовании этой дорогой. Некоторыми из этих выгод являются постоянно высокое качество изображения без деградации со временем, более быстрый поиск, одновременность записи и воспроизведения, малая стоимость профилактических работ и многие другие.
Многие запросы еще даже не сформулированы и цифровые регистраторы пока решают самые насущные требования конечного пользователя. Но при этих преимуществах, которыми обладают цифровые видеорегистраторы, нет ничего удивительного в том, что они являются самым быстрорастущим сегментом на рынке CCTV.
Об авторе: Olaf Kreutz, Product Manager Digital Video Systems, Pelco
Источник: Security World on-line
