15.12.2008. Современные виды цифровых видеосистем и их развитие

Сегодня на рынке охранных видеосистем существует множество цифровых видеорегистраторов (DVR), которые представлены десятками производителей из разных стран мира. Стоимость устройств может отличаться иногда в разы при относительном подобии заявленных технических параметров.

Потребителям и инсталляторам видеосистем достаточно сложно ориентироваться в этом многообразии и найти систему, отвечающую конкретным задачам.

Попытаемся разделить все многообразие цифровых видеосистем на группы в соответствии с конструктивными особенностями DVR, существующих на рынке в настоящее время. Это значительно упростит выбор вида DVR для конкретных задач и даст возможность компетентного сравнения оборудования каждой группы.

Для этих целей составим общую классификацию видов DVR с учетом их конструктивных особенностей.

1. Полностью аппаратные видеосистемы

Первая группа систем цифровой записи видеоизображения представляет собой развитие тандема мультиплексора и видеомагнитофона длительной записи.

Это самостоятельные аппаратные средства со встроенным микропрограммным обеспечением, где все компоненты, необходимые для осуществления записи, архивирования и поиска изображений размещены в едином автономном модуле.

Несмотря на то, что данные сохраняются в цифровом виде на жесткий диск, управление, как правило, осуществляется с кнопочной панели корпуса регистратора.

В основном, данные системы способны только записывать и отображать видеоданные. В таких устройствах отсутствуют дополнительные функции (например: интеллектуальная обработка видеосигнала, программирование реакций на события, распределенная сетевая функциональность, синхронизация баз данных в интегрированных системах безопасности и т.д.), которые иногда могут выполняться внешними системами.

В некоторых случаях аппараты этой группы могут соединяться с персональным компьютером (ПК) с помощью соответствующего программного обеспечения для дистанционного просмотра видеоизображений, а иногда и управления.

Отличительными особенностями этой группы систем, как правило, являются: невысокая стоимость и низкая скорость обработки мультиканальных видеосигналов, которая, обычно, ограничивается 50 полями в секунду суммарно на все устройство.

Основные преимущества полностью аппаратных видеосистем:

- Простота управления, сравнимая с обычным видеомагнитофоном

- Достаточно высокая стабильность выполнения основных функций

- Невысокая стоимость

Основные недостатки полностью аппаратных видеосистем:

- Невысокие скорости обработки в многоканальных системах

- Низкая способность к масштабированию и построению распределенных сетевых структур

- Низкая функциональность системы

- Неудобный интерфейс пользователя

Объем рынка видеорегистраторов этой группы довольно велик. Многим пользователям небольших объектов вполне достаточно функциональности так называемого «stand alone» моноблока, а его низкая стоимость компенсирует практически все рассмотренные недостатки.

2. Стандартные видеосистемы на базе ПК

Вторая группа – это системы, базирующиеся на архитектуре персонального компьютера (ПК) и работающая под операционной платформой, например, такой как Windows.

Цифровой видеорегистратор на базе ПК выглядит во многом схожим с любым офисным или домашним ПК, и разница, на первый взгляд, заключается только в емкости жесткого диска и в некоторых других компонентах.

Однако такой ПК выполняет специализированные функции системы безопасности, обрабатывает огромные потоки данных и работает 24 часа в сутки. Стабильность работы видеосистемы в целом, ее надежность и многие другие важнейшие параметры напрямую зависят от платформы персонального компьютера, его компонентов и комплектующих, проблемы которых мы рассмотри подробнее в конце этой статьи.

В общем случае в стандартных видеосистемах на ПК устанавливается: по крайней мере одна платы видеозахвата, программное обеспечение этой платы и интерфейсная оболочка для работы с системой.

После преобразования аналогового видеосигнала в цифровой поток данных, осуществляется компрессия этого потока установленным программным кодеком, т.е. вычислительными мощностями центрального процессора.

Узкими местами этого решения являются: ограниченная производительность центральной процессорной системы и пропускная способность PCI шины, которые не позволяют добиться высокой производительности в мультиканальных видеосистемах.

Основные преимущества стандартных видеосистем на базе ПК:

- Высокая гибкость и адаптивность

- Применение самых современных технологий

- Способность интегрироваться в комплексную систему безопасности

- Использование всех современных сетевых технологий передачи данных

Основные недостатки стандартных видеосистем на базе ПК:

- Невысокая стабильность работы присущая платформам на стандартной операционной системе

- Ограниченные возможности обработки центрального процессора

На сегодняшний день этот тип систем занимает более 80% рынка цифровых видеорегистраторов на базе ПК, что в первую очередь, обусловлено низкой их стоимостью.

Большинство продуктов на базе ПК позволяет более просто производить последующее расширение системы, чем в случае с аппаратами-моноблоками.

3. Видеосистемы на базе ПК с аппаратной DSP компрессией

Третья группа – это системы, базирующиеся на архитектуре персонального компьютера с дополнительными Цифровыми Сигнальными Процессорами (DSP) для аппаратной компрессии.

Для реализации этого решения на персональном компьютере установлено специализированное программное обеспечение и по крайней мере одна плата аппаратной DSP видеокомпрессии.

В отличие от стандартных видеосистем на базе ПК, описанных выше, процедура компрессии осуществляется Цифровыми Сигнальными Процессорами (DSP), которые имеют необходимую вычислительную мощность для сжатия в реальном масштабе времени поступающих видеопотоков мультиканальной видеосистемы.

Центральный процессор самого компьютера остается при этом незагруженным и может выполнять другие сервисные операции и функции управления.

Другим положительным фактором этого решения является передача уже сжатой информации по PCI шине, что значительно ее разгружает и позволяет создавать более мощные и многоканальные системы с записью до 32 каналов живого видеоизображения в реальном масштабе времени (800 кадр/сек).

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что цифровые видеорегистраторы на базе ПК с аппаратной DSP компрессией обладают массой преимуществ по сравнению со стандартными видеорегистраторами на базе ПК. Это действительно так, однако, необходимо упомянуть один существенный недостаток этих систем.

Современные алгоритмы и кодеки компрессии развиваются крайне быстро. Постоянно появляются новые возможности алгоритмов компрессии, новые инструменты в их спецификациях, которые позволяют добиваться все более высоких параметров сжатия при сохранении, а иногда и улучшении качества архивируемого видеоизображения.

В случае со стандартными видеосистемами на базе ПК все довольно просто. Потребитель всегда может обновить программное обеспечение, которое включает новые кодеки и новые алгоритмы управления, если производитель позаботился о совместимости.

Кодеки компрессии и алгоритмы обработки видеосигналов в системах с аппаратной DSP компрессией загружаются непосредственно в чипы памяти (например, EPROM) размещенные на этих платах. Эта операция производится, как правило, при серийном производстве этих плат. В этом случае замена или обновление программы управления и кодера является довольно трудоемкой, а зачастую и трудновыполнимой задачей.

Это сильно тормозит развитее видеосистем с DSP компрессией, поскольку производителям для применения современных технологий приходится постоянно обновлять платы DSP компрессии и потребитель, приобретая такую видеосистему, уже через несколько месяцев может стать обладателем устаревшей системы.

Выход из этой ситуации заключается в применении специальных технологий, базирующихся на применении FPGA (вентильной матрицы программирования) и позволяющих перепрограммировать плату непосредственно из программного обеспечения системы.

Пользователь цифровой видеосистемы с такими DSP платами может легко обновить систему путем простой установки обновления программного обеспечения содержащей драйверы, кодеки и алгоритмы последних версий для платы DSP компрессии.

Такое решение позволяет на порядки увеличить срок жизни плат аппаратной DSP видеокомпрессии и гарантировать их пользователям поддержание системы на уровне самых современных технологий в течение практически всего периода эксплуатации.

Основные преимущества видеосистем на базе ПК с аппаратной DSP компрессией:

- Высокая скорость обработки и компрессии в мультиканальных системах

- Разгруженность центрального процессора

А также все преимущества стандартных систем на базе ПК:

- Высокая гибкость и адаптивность

- Применение самых современных технологий

- Способность интегрироваться в комплексную систему безопасности

- Использование всех современных сетевых технологий передачи данных

Основные недостатки видеосистем на базе ПК с аппаратной DSP компрессией:

- Трудности с обновлением алгоритмов и кодеров аппаратной компрессии при отсутствии FPGA технологии

- Невысокая стабильность работы, присущая платформам на стандартной операционной системе

- Высокая стоимость конечного продукта связанная с применением многопроцессорных плат

Объем рынка видеорегистраторов с аппаратной DSP компрессией не велик и составляет не более 20% от всего рынка видеосистем на базе ПК. Это обусловлено высокой стоимостью систем при наличии вышеупомянутых недостатков.

Следует однако отметить, что на сегодняшний день существуют определенные решения, позволяющие устранять практически все недостатки видеосистем на базе ПК, которые кратко отражены в таблице 1.

Пользователями таких систем становятся крупные объекты с большим количеством видеокамер, требованиями высокоскоростной и качественной записи, как правило, распределенной сетевой архитектурой и повышенными требованиями к стабильности функционирования.

Возможные потери при несанкционированных действиях или внештатных ситуациях таких объектов несоизмеримы с затратами на качественные системы безопасности, поэтому потребитель, как правило, не экономит и использует самые современные технологии.

В отличие от высокой первоначальной стоимости, эксплуатационные расходы на такие системы значительно ниже, что также является немаловажным фактором выбора крупной видеосистемы.

4. IP видеосистемы

Четвертую группу цифровых видеосистем представляют системы, базирующиеся на сетевой архитектуре, которые состоят: из IP камер и IP видеосерверов.

Основу этого решения составляют IP камеры. На сегодняшний день большое количество производителей начали выпуск таких камер, например Axis, Panasonic, JVC, GANZ и т.д.

IP камеры это интеллектуальные сетевые устройства, которые получают видеоизображение, оцифровывают его, производят компрессию и передают поток цифровых данных по сети. Некоторые модели камер имеют цифровой накопитель для буферизации видеоданных.

Запись и управление такой системой осуществляется персональным компьютером с установленным соответствующим программным обеспечением для получения уже сжатых видеоданных по сети, управлению системой и записи видеоархива.

Это решение завоевывает все большую популярность, однако оно не лишено недостатков. Основной недостаток – это ограниченные пропускные возможности локальных сетей. Даже современные локальные сети с пропускной способностью до 1 Гбит/сек не способны удовлетворить потребности крупной системы охранного видеонаблюдения при передачи и архивировании изображений высокого качества.

Основные преимущества IP видеосистем:

- Гибкая распределенная система, соединенная компьютерной сетью TCP/IP

- Простая наращиваемость существующей видеосистемы (в том числе существующей аналоговой) дополнительными удаленными камерами

- Распределенное архивирование и запись данных

Основные недостатки IP видеосистем:

- Ограничения, накладываемые пропускной способностью сетей

- Высокая стоимость качественных IP камер по сравнению с аналоговыми

- Невысокая степень сохранности информации и записи при отсутствии модуля буферизации и записи в самой камере

Высокая стоимость качественный IP камер также тормозит массовое применение IP решений.

Прогресс, однако, не стоит на месте, последовательно увеличиваются пропускные возможности сетей, возрастает степень компрессии видеоизображения и совсем в недалеком будущем IP технологии станут серьезным конкурентом аналоговым камерам.

Современные походы к реализации цифровых видеорегистраторов на базе ПК

На сегодняшний день цифровые видеосистемы на базе ПК имеют большее распространение и все активнее завоевывают рынок. Преимущества этих систем очевидны, однако недостатки, описанные выше сильно тормозят их развитие. Многие производители видеорегистраторов на базе ПК вступили в борьбу с этими недостатками и сегодня существуют способы устранения практически всех недостатков видеорегистраторов 2 и 3 группы, т.е. на базе персонального компьютера.

Рассмотрим недостатки цифровых видеорегистраторов на базе ПК и способы их устранения.

Сегодня существует два основных подхода производителей цифровых видеосистем на базе ПК к способу реализации видеосистемы:

В первом случае производитель осуществляет поставку плат видеозахвата или видеокомпресии и специализированного программного обеспечения. Потребитель или инсталлятор охранной видеосистемы сам покупает персональный компьютер, устанавливает необходимые платы и программное обеспечение, а также производит необходимые настройки системы.

Это решение имеет ряд недостатков:

- «Стандартные» комплектующие

Персональный компьютер, применяемый для создания такой цифровой видеосистемы, как правило, состоит из «стандартных» комплектующих. Основной недостаток «стандартных» ПК компонентов в том, что они не рассчитаны на постоянную круглосуточную работу. Использование таких компонентов приводит к сбоям в работе системы и сокращению срока их эксплуатации.

Зачастую выбор «стандартных» ПК компонентов обусловлен их более низкой стоимостью, однако необходимо отметить, что многие производители промышленных комплектующих (рассчитанных на работу 24 часа в день и 7 дней в неделю, маркировка 24х7) поставляют их непосредственно для промышленной сборки и такие компоненты невозможно купить в отрытой продаже. В качестве примера можно привести промышленные материнские платы Siemens Fujitsu, которые практически невозможно приобрести даже в представительстве этой компании.

- Совместимость

ПК компоненты для несерийной сборки цифровых видеосистем будут разными практически для каждой собираемой системы. Любой производитель не в состоянии проверить на совместимость все комплектующие, существующие и постоянно появляющиеся на рынке. Это зачастую приводит к частичной несовместимости компонентов и сбоям работы цифровой видеосистемы, которые могут проявляться порой не сразу, а в процессе функционирования системы.

- Температурный режим работы

При несерийной сборке цифровых видеосистем на базе ПК практически невозможно предугадать температурный режим работы компонентов системы. Это связано с многообразием корпусов для ПК. Стандартные корпуса для ПК, как правило, не имеют дополнительных возможностей для воздухообмена, необходимого для охлаждения плат видеозахвата, большого объема жестких дисков и в особенности плат DSP видеокомпрессии. Кроме того, в «стандартных» корпусах не предусмотрена фильтрация воздуха, что приводит к сильному запылению систем. Все вышесказанное не может не сказаться на стабильности и продолжительности безотказной работы цифровой видеосистемы в целом.

Следует однако отметить одно неоспоримое преимущество этого типа систем – это невысокая стоимость такого решения. Именно этот критерий обеспечивает высокую их популярность.

II. Видеорегистраторы серийной (промышленной) сборки.

В этом случае производитель поставляет полностью собранное и протестированное устройство цифровой видеосистемы на базе ПК. В условиях промышленной сборки существует возможность не только избавиться от всех перечисленных выше недостатков, но и проводить необходимые тестирование всех серийных устройств и нести гарантийные обязательства на системы в целом.

Серийная или промышленная сборка цифровых видеорегистраторов на базе ПК, кроме устранения вышеупомянутых недостатков, позволяет применять следующие решения, которые позволяют добиться дополнительных преимуществ этих систем:

- Промышленная операционная система

При серийной сборке видеорегистраторов на базе ПК существует возможность использования промышленной операционной системы (ОС), например Windows EP Embedded. Необходимо отметить, что Промышленная Операционная система отличается от обычной возможностью ее доработки и адаптации к аппаратным компонентам производимой цифровой видеосистемы. Глубина перестройки системы зависит от разработчика и производителя этой системы и, как правило, позволяет избавиться от многих недостатков обычной ОС и адаптировать ее к специфическим задачам видеообработки и записи.

Обратной стороной этого решения является невозможность инсталлировать такую операционную системы на обычный ПК, т.к. такая ОС настраивается под определенные аппаратные компоненты и ее образ «заливается» при серийном производстве.

- Размещение OC на Карте Памяти

Одним из слабых мест любой цифровой системы видеозаписи является жесткий диск. Существует возможность резервирования жестких дисков путем построения RAID массивов различного уровня, однако эти решения довольно дороги и применяются только в случае крайней необходимости. При выходе из строй жесткого диска, на котором установлена операционная система, любой видеорегистратор на базе ПК просто «умирает». Он даже не в состоянии подать какой-либо сигнал или оповещение по сети о неисправности. Этот довольно серьезный недостаток может быть устранен путем установки операционной системы на более надежный носитель (например, карты памяти Compact Flash (CF), который на несколько порядков более надежен в сравнении с жестким диском.

Необходимо отметить, что скорость чтения и записи карт памяти Compact Flash намного ниже скоростей жесткого диска. Установив обычную операционную систему на такую карту памяти, быстродействие системы упадет настолько, что система не сможет полноценно функционировать. Выход нашли инженеры немецкой компании videte IT на основе дополнительной переработке промышленной операционной системы и настройки ее только на чтений с карты памяти в момент загрузки системы, а также записи на карту памяти измененных настроек системы. В остальном, система работает с той же скоростью, что и система, установленная на жесткий диск, однако при поломке жесткого диска система продолжает функционировать, записывать и перераспределять архивы на рабочих дисках и выдавать сообщения о неисправностях в системе.

Видеосистемы на базе ПК: недостатки и способы их устранения

Решения, устраняющие эти недостатки:

- Невысокая стабильность работы присущая платформам на стандартной операционной системе

- Применение промышленных операционных систем (например Windows XP Embedded)

- Применение модулей программной и аппаратной автоматической диагностики Watchdog

- Применение только промышленных компонентов для построения систем

- Производство и тестирование законченных устройств, а не отдельных плат

- Нестабильность операционной системы из-за высоковероятного повреждения носителя - HDD

- Размещение ОС и ядра системы на стабильных картах памяти Compact Flash (только чтение)

- Ограниченные возможности обработки центрального процессора и пропускной способности PCI шины

- DSP платы аппаратной компрессии позволяющие оцифровывать и сжимать до 32 каналов живого видеоизображения

- Трудности обновления кодеров и алгоритмов в системах с аппаратной DSP компрессией

- Применение FPGA-EEPROM технологий позволяющих программную перепрошивку аппаратной DSP платы

В заключение хотелось бы отметить, что многие потребители цифровых видео систем вначале не задумываются о стабильности работы системы, в основном, обращая внимание на технические характеристики, такие как скорость записи, разрешение записываемого изображения и, в первую очередь, стоимость самой системы. Однако нестабильно работающая видеосистема способна доставить массу хлопот, особенно, если сбои происходят в момент совершения каких-либо противоправных действий, фиксирование которых и является основной задачей цифровой системы видеозаписи. Не случайно, существует такая должность, как IT администратор в любой крупной компании, в задачу которого непосредственно входит поддержание работоспособности всех ПК этой компании. Сервера же системы охранного видеонаблюдения относятся к категории систем безопасности, и стабильность их работы является одним из важнейших факторов выбора системы.

К сожалению, вопросы стабильности работы в основном встают перед клиентом при замене старой системы на новую. Остается надеяться, что с развитием систем видеонаблюдения и расширением круга их применения вопросы качества и стабильности работы станут более приоритетными при выбора цифровой видеосистемы.