Система охранного видеонаблюдения

Оглавление Введение

1. Система охранного видеонаблюдения

1.1. Задачи охранного видеонаблюдения

1.2 Основные составляющие систем видеонаблюдения

1.3 Технологии сжатия и обработки цифровых видеоизображений Вывод

Введение

Системы видеонаблюдения служат для решения множества задач, основной из которых является обеспечение безопасности объектов и сохранности материальных и иных ценностей. Они позволяют наблюдателю следить за одним или несколькими объектами, находящимися порой на огромном расстоянии как от места наблюдения, так и от друг друга. В настоящее время системы видеонаблюдения не являются экзотикой. Они находят все более широкое применение в различных сферах человеческой жизни. Примером самой простой системы видеонаблюдения может послужить камера, подключенная к монитору или телевизору, которая позволит наблюдать за автомобилем возле дома или за ребенком в соседней комнате. Системы видеонаблюдения делят на аналоговые или цифровые в зависимости от используемого оборудования. Аналоговые системы видеонаблюдения используют для наблюдения за небольшими помещениями, где информацию с камер записывают на видеомагнитофон. Для обеспечения безопасности более больших и ответственных объектов используют цифровые системы видеонаблюдения, которые, обычно, переходят в комплексные системы безопасности. На сегодняшний день цифровые технологии видеонаблюдения постепенно «теснят» аналоговые по техническим характеристикам и функциональным, но по своей стоимости превосходят аналоговые.

Функции, комплектация и характеристики системы видеонаблюдения полностью зависят от требований, предъявляемых к безопасности объекта.

Функционально-технические требования:

Удаленный видеомониторинг охраняемых объектов через интернет Автоматическая запись видео при срабатывании датчика движения Предупреждение об аварийных ситуациях Оповещение владельца о критических событиях

Запись видео должна происходить в разрешении не менее 720×576

1. Система охранного видеонаблюдения

1.1 Задачи охранного видеонаблюдения В наше время видеонаблюдение стало одним из главных решением задач по обеспечению собственной безопасности и безопасности своего имущества.

Видеонаблюдение — процесс, осуществляемый с применением оптико-электронных устройств, предназначенных для визуального контроля или автоматического анализа изображений.

Система видеонаблюдения — это программно-аппаратный комплекс (видеокамеры, объективы, мониторы, регистраторы и др. оборудование), предназначенный для организации видеоконтроля как на локальных, так и на территориально-распределенных объектах. Локальная система — система, область действия и применения которой ограничена географически территорией здания, предприятия, организации и т. п. На промышленных предприятиях используются локальные системы видеонаблюдения за территорией.

Современные системы видеонаблюдения цифровые. В основе систем цифрового видеонаблюдения лежит процесс преобразования аналогового видеосигнала в цифровой для последующей обработки устройствами приема, хранения и анализа. Существует возможность передачи цифрового сигнала посредством кабеля, либо с использованием беспроводных технологий, что позволяет реализовывать сложные проекты, где имеются физические или технические ограничения по прокладке кабеля. Отличительными особенностями цифровых систем видеонаблюдения является высокое качество получаемого изображения, интегрируемость с охранными системами, системами контроля и управления доступом. Отдельно из цифровых систем видеонаблюдения выделяют IP видеонаблюдение.

Система должна предоставлять оператору обширный перечень функций:

Осуществление дистанционного наблюдения за подконтрольной территорией и передача данных в специализированные архивы.

Дистанционный контроль и мониторинг состояния системы и оборудования.

Круглосуточный визуальный контроль и мониторинг состояния объекта, своевременное информирование о неисправностях.

Возможность интеграции системы с другими системами.

Запись по тревоге других систем безопасности или детектора движения и формирование архива событий.

Системы IP видеонаблюдения (цифрового видеонаблюдения) в отличии от аналоговых оперируют с цифровых потоком данных. Оцифровка идёт прямо на камере видеонаблюдения. Цифровой сигнал в таких системах обычно поступает на видеосервер или видеорегистратор или напрямую в персональный компьютер, откуда идёт дальнейшая его обработка на сохранение или отображение к примеру.

Следующим шагом в цифровом видеонаблюдении можно назвать системы для работы через интернет. Камеры таких систем не требуют стационарного охранного поста или персонального компьютера для обработки информации. Такие камеры по проводным или беспроводным сетям подключаются к интернету и отправляют видео на сервер, где оно и хранится или обрабатывается в соответствии с настройками и тарифным планом. Переходным шагом к таким системам являются варианты, которые сейчас более популярны — в таких системах цифровые сетевые камеры отправляют свои данные на ПК с которого далее они отправляются на сервер в интернете и далее становятся доступны для просмотра через интернет из любой точки мира.

Такие системы имеют и свои недостатки в сравнении со стандартным цифровым видеонаблюдением, но все они малосущественны. Просто нужно понимать в каких случаях какие системы использовать. Так, для охраны крупного промышленного объекта не лучшим решением будет использование интернет IP видеонаблюдения в качестве основного защитного барьера. Пост охраны в этом случае должен располагаться на самом объекте для оперативного реагирования. А при наличии поста охраны на месте можно использовать стандартные системы видеонаблюдения. Следующий недостаток — большое количество промежуточного оборудования: канал связи от камеры до интернет-сервера (который может идти ещё и через компьютер), сам интернет сервер, канал связи от сервера до вашего устройства отображения (компьютера, смартфона и т. д.). Не стоит забывать про отказ оборудования — случайный или спровоцированный. Интернет, хакеры, глушители сигнала и т. п. И последний момент — за использование подобных систем снимается абонентская плата ежемесячно.

1.2 Основные составляющие систем видеонаблюдения В видеонаблюдении на базе IP-технологий подключение устройств осуществляется на базе стандартной сетевой архитектуры — локальной сети Ethernet. При срабатывании детектора движения IP-камеры по протоколу TCP/IP сигналы поступают через сетевые коммутаторы на сервер видеоархива и через Wi-Fi маршрутизатор по созданной сети ретрансляционной антенны на ПК охраны.

Цифровая система видеонаблюдения включает в себя:

Локальная сеть. Скорость на участках локальной сети от IP-камер до сетевых коммутаторов, от сетевых коммутаторов до серверов видеоархива и до ПК рабочего места оператора зависит от количества IP-камер и степени сжатия видеопотока.

IP-видеокамеры. Количество камер зависит от размеров охраняемого объекта.

Сетевые коммутаторы. Количество коммутаторов зависит от количества IP-камер.

Серверы видеоархива (laptop). Глубина видеоархива (объем жестких дисков) зависит от разрешения изображения, частоты кадров, степени сжатия видеопотока и количества IP-камер.

Маршрутизатор (роутер) со встроенным межсетевым экраном (файерволом) для соединения системы с сетью Internet.

ПК оператора. Количество мониторов зависит от количества видеокамер. на ПК оператора устанавливается специализированное программное обеспечение (ПО) для просмотра и управления IP-камерами.

Главный сервер. Объем жесткого диска зависит от разрешения изображения, срока хранения архивированных данных.

Ретрансляционная антенна. Зависит от нужного размера зоны покрытия сетью.

Web сервер.

Видеокамеры.

Камеры являются основным элементом любой системы видеонаблюдения, потому что именно они формируют изображение. В большинстве случаев камеры выбирают путем анализа требований, которые предъявляются к системе.

Под IP-камерой понимают цифровую видеокамеру, особенностью которой является передача видеопотока в цифровом формате по сети Ethernet, использующей протокол IP. Являясь сетевым устройством, каждая IP-камера в сети имеет свой IP-адрес. В отличие от аналоговых камер, при использовании IP-камер, после получения видеокадра с камеры, изображение остаётся цифровым вплоть до отображения на мониторе.

IP-видеокамеры — это компьютеры в миниатюре, с процессором, оперативной памятью, операционной системой и встроенным ПО. Питание на камеры подается по технологии PoE (Power over Ethernet), которая позволяет передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными, через стандартную витую пару в сети Ethernet. Минимальное разрешение камер составляет 640×480 точек, но многие камеры поддерживают 1280×720, 1920×1080 и выше. Чаще всего скорость смены кадров составляет 25 к/с или 30 к/с, но могут поддерживать 60 к/с и выше. Как правило, перед передачей, полученное с матрицы изображение сжимается с помощью покадровых (MJPG) или потоковых (MPEG-4, H.264) методов видеосжатия. Существуют специализированные IP-камеры, осуществляющие передачу видео в несжатом виде.

Сетевой коммутатор.

Сетевой коммутатор (switch) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов (Узлами могут быть компьютеры, мобильные устройства, IP-камеры, маршрутизаторы, коммутаторы, концентраторы и т. д.) компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети.

Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как многопортовые мосты (Сетевой мост — это устройство, предназначенное для объединения сегментов компьютерной сети в единую сеть).

Сервер видеоархива (laptop).

Сервер видеоархива — это компьютер, предназначенный для управления видеоданными без непосредственного участия человека.

Серверы обладают повышенной устойчивостью к сбоям и возможностью «горячей» замены жестких дисков в составе массива RAID. RAID (избыточный массив независимых жёстких дисков) — массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации.

При выборе HDD для сервера видеоархива нужно учитывать качество передаваемого видео потока.

Маршрутизатор.

Маршрутизатор — специализированный сетевой компьютер, имеющий два или более сетевых интерфейса и пересылающий пакеты данных между различными сегментами сети. Маршрутизатор может связывать разнородные сети различных архитектур. Для принятия решений о пересылке пакетов используется информация о топологии сети и определённые правила, заданные администратором. Маршрутизатор используется для обеспечения доступа из локальной сети в глобальную сеть Internet, осуществляя функции трансляции адресов (преобразования IP-адресов) и межсетевого экрана. Межсетевой экран (файервол) — комплекс аппаратных или программных средств, осуществляющий контроль и фильтрацию проходящих через него сетевых пакетов в соответствии с заданными правилами. Основной задачей сетевого экрана является защита компьютерных сетей или отдельных узлов от несанкционированного доступа.

Главный сервер.

Главный сервер — это компьютер, задачами которого является управление всей системой и хранение данных.

Главный сервер должен обладать повышенной устойчивостью к сбоям и готовностью к отказу жесткого диска. Для того, чтобы не потерять данные при отказе HDD мы используем RAID 01. Массив RAID 10 формируется как двухуровневая иерархия различных типов RAID. Нижний слой составляют зеркальные пары RAID 1, которые в свою очередь объединяются в массив RAID 0. Результат — комбинированный уровень RAID 1+0 или RAID 10. Каждый жесткий диск массива RAID 10 входит в одну из зеркальных пар (их количество — от двух до восьми — обозначим как M), поэтому общее количество жестких дисков массива N = 2 • M всегда четное.

Отметим самые характерные особенности RАID 10. Этот уровень не требует каких-либо математических вычислений контрольных сумм на любой стадии его построения или работы. По этой причине ему не свойственна существенная деградация производительности, проявляющаяся в RAID 5 при отказе одного из дисков.

RAID 10 предполагает, что если диск в любом задействованном зеркальном комплекте откажет, то его содержимое может быть получено с оставшегося диска зеркальной пары. Таким образом, если массив RAID 10 подвергнется максимальному количеству отказов дисков, которое он может перенести, он преобразится в массив RAID 0 из M дисков, не имеющий надежности, но зато очень быстрый.

Массив RAID 10 в нормальном режиме работы позволяет повысить производительность операций чтения за счет параллельного доступа к множественным дискам. По этому показателю он становится равен скорости уровня RAID 0 из N дисков! Например, массив из четырех дисков позволяет считывать последовательность четырех блоков записанных данных одновременно со всех четырех дисков — по одному блоку с каждого диска.

RAID 10 обычно применяется там, где требуется высокий уровень избыточности. Способность обеспечивать сохранность данных в случаях множественных отказов жестких дисков — фундаментальное качество RAID 10. охранное видеонаблюдение коммутатор маршрутизатор

Web-сайт Веб-сайт или просто сайт — в компьютерной сети объединённая под одним адресом (доменным именем или IP-адресом) совокупность документов частного лица или организации. По умолчанию подразумевается, что сайт располагается в сети Интернет. Все веб-сайты в совокупности составляют Всемирную паутину. Для прямого доступа клиентов к веб-сайтам на серверах был специально разработан протокол HTTP.

Раньше каждый сайт хранился на своём собственном сервере, но с ростом Интернета технологическим улучшением серверов на одном компьютере стало возможно размещение множества сайтов (виртуальный хостинг). Сейчас сервера для хранения только одного сайта называются выделенными.

Один и тот же сайт может быть доступен по разным адресам и хранится на разных серверах. Копия оригинального сайта в таком случае называется зеркалом. Существует так же понятие оффлайновая версия сайта — это копия сайта, которая может быть просмотрена на любом компьютере без подключения к компьютерной сети и использования серверного программного обеспечения (ПО).

Страницы сайтов — это файлы с текстом, размеченным на языке HTML. Эти файлы, будучи загруженными посетителем на его компьютер, обрабатываются браузером и выводятся на его средство отображения (монитор, экран КПК, принтер или синтезатор речи). Язык HTML позволяет форматировать текст, различать в нём функциональные элементы, создавать гипертекстовые ссылки (гиперссылки) и вставлять в отображаемую страницу изображения, звукозаписи и другие элементы. Отображение страницы можно изменить добавлением в неё таблицы стилей на языке CSS или сценариев на языке JavaScript.

Страницы сайтов могут быть простым статичным набором файлов или создаваться специальной компьютерной программой на сервере — так называемым движком сайта. Движок может быть либо сделан на заказ для отдельного сайта, либо быть готовым продуктом, рассчитанным на некоторый класс сайтов. Некоторые из движков могут обеспечить владельцу сайта возможность гибкой настройки структурирования и вывода информации на веб-сайте. Такие движки называются системами управления содержимым.

Существует множество сайтов, которые являются значимыми ресурсами. На этих ресурсах могут располагаться персональные данные пользователей (например, личная переписка, адреса, телефоны) или финансовая информация (например, банковские сайты). Взлом таких ресурсов может повлечь как прямые денежные убытки так и косвенные, связанные с распространением конфиденциальной информации или просто злоумышленник может испортить содержимое сайта. Для многих сайтов важно обеспечить некоторый уровень безопасности. Требуемый уровень безопасности во многом зависит от располагающейся на сайте информации.

Наиболее распространённые последствия атаки на сайт:

несанкционированное изменение злоумышленниками

подделка сайта (дизайн и содержимое сайта может быть скопировано и у пользователя такого сайта могут украсть пароли)

1.3 Технологии сжатия и обработки цифровых видеоизображений Цифровое сжатие — гибкая технология, поскольку используемые уровни сложности кодирования и степень компрессии могут варьироваться применительно к приложению. Основным принципом цифрового сжатия является использование так называемой избыточности звукового или видеосигнала. Избыточность объясняется тем, что звук и видео содержат области, обладающие сходными характеристиками. Таким образом, весь поток информации можно условно разделить на предсказуемую часть (иначе говоря — избыточность) и новую, непредсказуемую часть (известную в теории информации как энтропия). Сумма этих двух величин и дает нам поток данных, уменьшение которого будет зависеть от того, насколько хорошо мы можем осуществить «предсказание». Теоретически можно полностью устранить избыточность и оставить только энтропию, но для этого понадобился бы идеальный алгоритм сжатия, который был бы чрезвычайно сложным и работал бы неоправданно долго. Если же степень сжатия настолько велика, что результирующая скорость потока данных становится меньше энтропии, то информация теряется.

На практике коэффициент сжатия выбирается меньше идеального, чтобы обеспечить некоторый запас надежности. Это дает возможность пользоваться более простыми алгоритмами и производить повторное восстановление/сжатие без ощутимых потерь качества.

Когда мы смотрим на двумерное изображение какой-либо трехмерной сцены (экран монитора) нам кажется, что там непосредственно присутствуют все те предметы, которые мы могли бы увидеть, если бы непосредственно наблюдали ту же сцену в жизни. Между тем, все, что нам на самом деле дано в двумерном изображении, это видимое поле, представляющее собой лишь некоторую функцию распределения яркости или цвета на двумерной плоскости: f (x, y), где x и y — декартовы координаты, описывающие плоскость изображения.

Более того, если приблизиться вплотную к экрану компьютерного монитора, можно увидеть, что изображение на экране на самом деле не гладкое и непрерывное, а представляет собой дискретную «мозаику», состоящую из отдельных цветных прямоугольников, расположенных в виде регулярной прямоугольной матрицы. Это и есть цифровое изображение. С математической точки зрения цифровое изображение представляет собой двумерную матрицу Im[x, y] размера DimXЧDimY, где x — целое число от 0 до DimX, описывающее номер элемента в строке матрицы, y — целое число от 0 до DimY, описывающее номер строки матрицы, в которой расположен данный элемент. При этом сам элемент цифрового изображения (ячейка прямоугольной матрицы) носит название пиксел (pixel, picture element). В простейшем случае каждый пиксел Im[x, y] имеет скалярное целочисленное значение, пропорциональное значению функции распределения яркости f (x, y) в данной точке плоскости.

Характеристики цифрового изображения:

Разрешение — количество пикселей по высоте и ширине.

Глубина цвета (количество используемых цветов) — объём памяти в количестве бит, используемых для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики. Количество цветов, где — глубина цвета.

Цветовое пространство. Представляет собой модель представления цвета, основанную на использовании цветовых координат. Цветовое пространство строится таким образом, чтобы любой цвет был представлен точкой, имеющей определённые координаты. Чаще всего, одному набору координат будет соответствовать один цвет, но для некоторых случаев это не так (например, для модели CMYK, или, например, когда кодируется цветовой тон — данные по тону «закольцованы», и максимальное и минимальное значения совпадают).

Обрабатывают чаще всего следующие типы изображений:

Бинарные изображения. 0 — пиксель «фона», 1 — пиксель «объекта». В качестве промежуточных и окончательных результатов обработки изображения такого типа широко используются в задачах обнаружения объектов, системах считывания текста и штриховых кодов и т. д.;

Полутоновые изображения (монохромные изображения). Чаще всего кодируется 8 битами (диапазон значений [0…255] - 256 градаций серого);

Цветные изображения — изображение, цвет каждого пикселя которого задаётся в специальной таблице — палитре. Палитра — это ограниченный набор цветов, который позволяет отобразить графическую систему. Цветные изображения формируются комбинацией нескольких монохромных изображений. Каждый канал кодируется 8 битами. Например, в цветовой системе RGB цветное изображение строится из трех отдельных монохромных компонент (красной, зеленой и синей). По этой причине многие методы и технологии, разработанные для монохромных изображений, могут быть распространены на цветные изображения путем последовательной обработки трех монохромных компонент.

Обработка видеоизображений — обработка информации, где входными данные представлены видеокадрами. Каждый пиксиль цифрового изображения характеризуется тремя независимыми величинами {x, у, I}, где (x, y) описывает геометрическое положение пикселя в плоскости изображения, а I — яркость (интенсивность) в данной точке. Яркостная составляющая изображения характеризуется массивом гистограммы. Гистограмма — это график статического распределения элементов цифрового изображения с различной яркостью, в котором по горизонтальной оси представлена яркость, а по вертикальной — относительное число пикселей с конкретным значением яркости. Гистограмма характеризует чистоту встречаемости на изображении пикселей одинаковой яркости.

Основные задачи цифровой обработки видеоизображений:

Фильтрация и улучшение визуального восприятия. Изображение может наблюдаться на фоне различных помех, которые требуется по возможности отфильтровать. Улучшение визуального восприятия требует сделать изображение более контрастным, выделить контуры и т. д.;

Обнаружение объектов и их распознавание. Требуется на фоне изображений найти заданные объекты. Если таких объектов несколько типов, тогда они классифицируются. Например, обнаружение движения, считывание номеров автомобилей, обнаружение и распознавание лиц, обнаружение пожаров и т. д. Иногда задача обнаружения ставится менее определенно — например найти отставленный предмет;

Сжатие изображений;

Восстановление изображений. Из-за сбоев при передаче изображений или особо сильных помех отдельные участки изображения могут отсутствовать. Задача заключается в их восстановлении;

Геометрические преобразования и оценка параметров изображений. Сюда относятся вращение и масштабирование изображений. К ооценке параметров относятся задачи измерения различных характеристик изображений или их отдельных элементов: вероятностные характеристики изображений, положение и размеры объектов и т. д.

Основные методы и технологии цифровой обработки видеоизображений:

Гистограммная обработка изображений (яркостные преобразования изображений). Например, инвертирование яркости — темные области изображения становятся светлыми и наоборот, гистограммная эквализация — выравнивание числа пикселей, имеющих различные значения яркости;

Бинаризация полутоновых изображений и сегментация изображений. Например, пороговая бинаризация — это разбиение изображения на 2 области, одна из которых содержит все пикселы со значением ниже некоторого порога, а другая содержит все пикселы со значениями выше этого порога. Сегментация — это процесс разделения цифрового изображения на несколько сегментов (сегмент — множество пикселей). Цель сегментации заключается в упрощении изображения, чтобы его было легче анализировать. Обычно используется для того, чтобы выделить объекты и границы на изображениях;

Фильтрация изображений. Под фильтрацией понимают помеховую фильтрацию или фильтрацию изображений от шума. При этом предполагается, что первоначально существовало исходное незашумленное изображение, из которого затем путем зашумления или искажения, было получено то реальное изображение, которое потом обрабатывается.

Морфологическая обработка изображений. В основе методов морфологического анализа лежит математическое понятие формы. Под формой изображения понимается максимальный инвариант преобразований изображения, которым оно подвергается при изменении условий наблюдения.

Выделение контуров и объектов.

Фильтрация изображений в частотной области применяется на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ) или дискретного вейвлет-преобразования (ДВП).

Алгоритмы сжатия видео изображения.

Для удобства хранения и передачи по сети видеоизображение подвергается сжатию. Если локальная сеть, с которой работает цифровая система видеонаблюдения, обеспечивает ограниченную полосу пропускания, то во избежании переполнения сетевого трафика целесообразно сократить объем передаваемой информации, посылая меньшее количество кадров в секунду или снизив разрешение кадров. Используемые в цифровых системах видеонаблюдения алгоритмы сжатия обеспечивают разумный компромисс между этими двумя решениями. Если локальная сеть, к которой подсоединена IP-камера, имеет ограниченную полосу пропускания, то во избежание переполнения сетевого трафика целесообразно сокращать объем передаваемой информации, снизив либо частоту передачи кадров по сети, либо разрешение кадров. Большинство форматов сжатия, которые используют IP-камеры, обеспечивают разумный компромисс между этими двумя способами решения проблемы передачи видео по сети. Для получения оцифрованного потока с нужной полосой пропускания применяются алгоритмы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании сигнала (JPEG, MJPEG, MPEG2, MPEG4, H.264), а также Wavelet и JPEG2000. Эти алгоритмы сжатия видео изображений служат для адаптации цифровых потоков к передаче по компьютерным сетям.

Практически все применяемые в видеонаблюдении алгоритмы сжатия базируются на технологии сжатия с потерями (алгоритм сжатия JPEG 2000 имеет защищенное патентами приложение, которое осуществляет сжатие без потерь), когда после декомпрессии получить изображение первоначального качества практически невозможно. Однако устройство человеческого зрения таково, что при невысокой степени сжатия искажения на полученной картинке не влияют или мало влияют на восприятие. Было установлено, что любое изображение содержит в себе избыточную информацию, не воспринимаемую человеческим глазом. Эта избыточность вызвана сильными корреляционными связями между элементами изображения — изменения от пикселя к пикселю в пределах некоторого участка кадра можно считать несущественными. Кроме того, известно, что человеческий глаз более чувствителен к яркости картинки, чем к цветности. Этот эффект на начальном этапе компрессии используют практически все алгоритмы сжатия, и объем информации на этой стадии сокращается до 2 раз без потери качества картинки.

Современные технологии видеосжатия позволяют в значительной степени уменьшить размер видеоматериала, без каких либо существенных потерь в качестве.

Существует множество различных стандартов видеосжатия, однако большинство разработчиков систем видеонаблюдения придерживаются стандартным, устоявшимся технологиям сжатия, дабы обеспечить наибольшую совместимость. Это становится особенно важно, когда необходимо воспроизвести видеоматериал спустя многие годы после его записи. Помимо этого использование неких стандартов позволяет строить системы видеонаблюдения выбирая различных производителей оборудования не останавливаясь на конкретном.

На сегодняшний день чаще всего в IP-камерах используются следующие форматы:

покадровое сжатие (Motion JPEG),

потоковое сжатие (MPEG-4),

новейшая технология сжатия — формат H.264.

Самый передовой из них это H.264 он наиболее эффективен и является самым современным из перечисленных.

Видеокодек.

Для более простой передачи по сети используются видеокодеки, которые сжимают видеофайлы. В ходе сжатия применяются специальные алгоритмы для того чтобы максимально уменьшить исходный видеофайл. Когда производится воспроизведение сжатого материала, происходит обратное действие, при этом применяется обратный алгоритм, который восстанавливает видеоматериал практически в исходное состояние. Время, затрачиваемое на сжатие, передачу и восстановление получило название времени ожидания. Чем более сложные, изощренные алгоритмы применяются для сжатия видеоматериала, тем выше время ожидания. Совместная работа этих двух алгоритмов представляет из себя видеокодек (кодер/декодер). Каждый видеокодек уникален и поэтому видеоданные сжатые одним кодеком никогда не смогут быть распакованы другим. Например, декодер M-JPEG не сможет распаковать материал, кодированный H.264, ведь один алгоритм не сможет декодировать результат созданный другим алгоритмом. Но это не преграда ведь можно оснастить программное и аппаратное обеспечение множеством разных кодеков, чтобы обеспечить максимальную совместимость, при использовании разных форматов.

Сжатие изображения и сжатие видеоизображения.

В разных стандартах применяются абсолютно различные методы уменьшения размера данных, и поэтому результаты значительно отличаются, прежде всего, по скорости передачи, качеству и времени ожидания. Можно выделить два основных алгоритма сжатия: сжатие видеоизображения и сжатие изображения. Когда происходит сжатие изображения, то используются технологии внутрикадрового кодирования, при этом сокращение избыточных данных достигаются методом удаления из кадра ненужной информации, незаметной для человека. Примерно на таком методе основывается стандарт Motion JPEG. Обычно кадры стандарта Motion JPEG это отдельные JPEG изображения, которые кодируются каждая отдельно.

В формате Motion JPEG три изображения в показанной выше последовательности кодируются и отправляются как отдельные уникальные изображения (I-кадры) без всяких зависимостей друг от друга.

Когда происходит сжатие видеоизображения (это кодеки MPEG-4 и H.264) используется метод межкадрового предсказания, которое позволяет значительно сократить объемы в последовательности кадров. При этом используются специальные технологии, такие как кодирование, по отличиям, когда текущий кадр сравнивается с неким опорным. Затем происходит анализ и кодирование только тех пикселей, которые изменились. Благодаря этому происходит сокращение количества пикселей для кодирования, а при просмотре такого кодированного ряда видео выглядит практически как в оригинале.

При кодировании по отличиям полностью кодируется только первое изображение (I-кадр). В двух последующих изображениях (P-кадрах) содержатся ссылки на статичные элементы первого изображения (например, дом). Тогда как движущиеся объекты (в данном случае бегущий человек) кодируются с помощью векторов движения. Таким образом, уменьшается объем данных, подлежащих дальнейшей пересылке и хранению.

Для еще более сильного сжатия данных могут применяться и другие технологии, в их число входит поблочная компенсация движения. Принцип работы данной технологии основывается на том, что содержимое последующих новых кадров может быть выявлено из предыдущих или в другом месте. Такой принцип построения делит полный кадр на несколько блоков из пикселей. Если обнаруживаются совпадения таких блоков с опорными кадрами, то можно сделать некое предсказание нового кадра. Если совпадения обнаружены кодер кодирует место расположения этого блока пикселей в опорном кадре. Тем саамы кодирование вектора движения требует значительно меньше битов, чем фактическое содержание блока пикселей.

Иллюстрация поблочной компенсации движения.

Если используется алгоритм межкадрового предсказания, то каждый из кадров получает свой тип. Бывает три типа кадров: I-кадр, P-кадр или B-кадр.

I-кадр (Intra frame — вводный кадр) — независимый кадр, кодируется индивидуально, без каких либо связей с другими кадрами. Самое первое видеоизображение это всегда I-кадр. Такие кадры используются, как начальные точки или для синхронизации, если видеопоток нарушен. I-кадры, в большинстве случаев, используются для перемотки видеоряда. Когда к видеопотоку подключаются новые пользователи, видеокодер автоматически вставляет I-кадры через определенные промежутки времени. Недостаток этих кадров это избыточное количество бит, однако это исключает искажения, появляющиеся при утере необходимых данных.

P-кадр (predictive inter frame) — промежуточный предсказуемый кадр. В таком кадре содержатся ссылки на части из предшествующих Iили P-кадров. Обычно P-кадры при кодировании требуют значительно меньше бит, но при этом они довольно чувствительны к ошибкам из-за сложной зависимости от предшествующих кадров.

B-кадр (bi-predictive inter frame) — промежуточный двунаправленный кадр. В таком кадре содержатся ссылки на предыдущие и последующие опорные кадры. Используется для растягивания времени ожидания.

Типовая последовательность I-, Bи P-кадров. P-кадр может ссылаться только на предшествующие Iили P-кадры, тогда как B-кадр может ссылаться и на предшествующие, и на последующие Iили P-кадры.

Когда видеодекодер восстанавливает видео из кодированного потока битов, процесс всегда стартует с I-кадра. Если существуют Pи B-кадры, то они кодируются совместно с опорными. Для того чтобы контролировать сколько P-кадров отправить перед очередным I-кадром, в сетевых устройствах видеонаблюдения существует параметр GOV (group of video). Увеличивая параметр GOV, уменьшается частота I-кадров и тем самым снижается скорость передачи. Если необходимо сократить время ожидания необходимо вовсе отказаться от использования B-кадров.

Помимо перечисленных способов кодирования информации существуют различные другие методы уменьшения объемов данных и увеличения качества видеоизображения. К примеру современный формат H.264 поддерживает передовую технологию предсказания I-кадра и усовершенствованную компенсацию движения, а также фильтр для сглаживания краев блоков (артефактов).

Вывод В ходе проделанной работы была разработана архитектура цифровой системы видеонаблюдения. Были рассмотрены основные составляющие архитектуры системы, а так же были рассмотрены основные методы сжатия и обработки цифровых изображений.