Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
4.3. цифровая регистрация видеосигналовРазвитие цифровых и коммуникационных технологий привело к появлению целого ряда устройств, которые значительно расширяют возможности телевизионной аппаратуры. Системы видеозаписи, основанные на цифровом кодировании видеоинформации, в настоящее время находят всё большее применение в тех областях, где цена пропуска или задержки реакции на сигнал тревоги слишком высока. По сравнению с аналоговыми системами видеозаписи, цифровые системы обладают следующими преимуществами:
Цифровое кодирование сигналов изображения Исходный телевизионный сигнал требует большой ёмкости памяти для его запоминания – одна секунда записи цветного сигнала стандарта CCIR требует примерно 25 Мбайт. Целью цифрового кодирования при видеозаписи является сокращение требуемой ёмкости памяти путём сокращения пространственной, временной и спектральной избыточности сигнала изображения. Устранение избыточности производится линейной фильтрацией, уменьшающей коррелированность отсчётов видеосигнала. Первый этап сокращения избыточности осуществляется в телекамере в ходе операций накопления по площади элемента разложения, времени кадра и длине волны фотонного изображения . Второй этап сокращения избыточности, также характеризующийся необратимыми потерями информации, производится в ходе аналого-цифрового преобразования. Цифровой видеосигнал может быть подвергнут как обратимой (с нулевой ошибкой восстановления), так и необратимой компрессии. В системах цифровой видеозаписи используется, как правило, необратимое сжатие цифрового потока, сопровождающееся возникновением некоторой дополнительной по отношению к содержащейся в исходном видеосигнале ошибки передачи видеоинформации. В соответствии с фундаментальным учением В. К. Зворыкина численное значение допустимой ошибки передачи изображений определяется свойствами зрения человека. Это положение можно распространить и на кодирование при записи – восстановленное изображение субъективно не должно отличаться от исходного. В системах цифровой видеорегистрации производится так называемое кодирование с преобразованием, когда обработке подвергаются не отсчёты исходного изображения, а отсчёты его коэффициентов разложения в ряды по различным базисам. Главными операциями по сокращению избыточности являются усечение числа членов ряда, адаптивное квантование оставленных коэффициентов разложения и статистическое кодирование. Коэффициент сжатия при заданной ошибке воспроизведения зависит от выбранного базиса, который может выбираться одинаковым для всех изображений или быть адаптивным к характеристикам изображения. Например, при преобразовании Фурье, не зависящем от кодируемого сигнала, изображение представляется в виде суммы синусоидальных и косинусоидальных функций с кратными частотами. Энергия пространственного спектра большинства изображений сосредоточена в низкочастотной области, поэтому при кодировании обычно производится усечение коэффициентов ряда, соответствующих высокочастотным компонентам изображения. Определённое уменьшение ошибки воспроизведения при заданном коэффициенте сжатия может быть осуществлено путём учёта свойств типовых изображений без адаптации базиса. Например, большинство изображений характеризуется скорее чётной симметрией, чем нечётной. Это позволяет исключить из разложения Фурье синусоидальные базисные функции и перейти к дискретному косинусному преобразованию, лежащему в основе множества алгоритмов компрессии изображений. Технология сжатия изображений на основе дискретного косинусного преобразования первоначально была разработана применительно к задаче хранения фотографических изображений в памяти компьютера. Стандарт, разработанный Объединённой группой экспертов по фотографии (Joint Photographic Experts Group) Международной организации по стандартизации (ISO) получил название JPEG . Несмотря на то, что алгоритм JPEG разработан для сжатия неподвижных изображений, он применяется и в системах цифровой видеозаписи; коэффициент сжатия этого алгоритма при пренебрежимой ошибке восстановления достигает При большей степени сжатия ошибка воспроизведения становится заметной и проявляется в виде паразитных узоров, потерь деталей изображения – так называемых артефактов. Специально для кодирования подвижных изображений Группой экспертов по вопросам кинотехники (Motion Picture Experts Group) был разработан ряд стандартов для компрессии и обработки изображения, звука и их комбинации (MPEG) . В настоящее время Международной организацией по стандартизации утверждены три стандарта MPEG-1 (кодирование изображения при скорости передачи данных до 1.5 Мбит/с), MPEG-2 (обобщённое кодирование изображения и звука при скорости передачи данных от 1.5 до 50 Мбит/с), MPEG-4 (кодирование аудио-визуальных объектов). В соответствии с используемыми методами дифференциального кодирования стандарт MPEG включает в себя три типа изображений:
Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображениях типа I и достигается на уровне блоков размером 8 8 элементов. Набор операций такого кодирования – дискретное косинусное преобразование, взвешенное квантование и энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования. При кодировании типов P и B изображений используется межкадровое кодирование, устраняющее и пространственную и временную избыточность изображений. После компрессии объём изображений типа Р для типичных сюжетов составляет примерно 35% объема изображения типа I, а В-изображения – 25%.Таким образом, примерно в три раза уменьшается скорость потока данных при такой же заметности искажений компрессии. В результате может быть достигнута степень сжатия до 100. Стандарт MPEG-2 используется при записи видеоинформации на цифровой видеодиск (DVD) и позволяет произвести видеозапись продолжительностью 90 мин с качеством VHS на стандартный CD-ROM ёмкостью 650 Мбайт . К сожалению, у форматов сжатия MPEG имеются существенные недостатки. Во-первых, большая степень сжатия достигается только при статических изображениях, поэтому для динамических изображений на практике коэффициент сжатия не превышает 1 Во-вторых, алгоритм MPEG не применим при регистрации сигналов от нескольких камер с временным мультиплексированием, поскольку временная корреляция соседних кадров на выходе мультиплексора отсутствует. Кроме того, реализация этих алгоритмов использует операции с плавающей запятой и неизбежно сопровождается появлением ошибок округления результатов вычислений коэффициентов разложения изображения по базисным функциям . Кодирование на основе вейвлет-преобразования Недостатки методов сжатия изображений на основе косинусного преобразования заставили разработчиков искать новые наборы базисных функций. В настоящее время всё более широкое распространение получает кодирование сигналов с разложением по базисным функциям, получившее название вейвлет-функций (wavelet) . Такие базисные функции отличаются от набора гармонических колебаний, используемых в стандартном преобразовании Фурье. Во-первых, форма базисных функций содержит не одну частоту, а целый спектр, и задаётся на небольшом интервале; во-вторых, масштаб аргумента с ростом номера базисной функции определяется как целочисленная степень числа Это исключает ошибки округления в цифровом процессоре и позволяет использовать для вейвлет-преобразования ограниченный набор октавных спектральных фильтров. В результате по мере увеличения коэффициента сжатия ошибка воспроизведения увеличивается не так быстро, как при базисных функциях с постоянной частотой. Аналогично другим способам кодирования, для небольших значений коэффициента сжатия в силу наличия корреляций в изображении возможно безошибочное восстановление сигнала, формируемого телекамерой. Но, начиная с некоторого критического коэффициента сжатия, ошибка восстановления неизбежно возрастает (рис. 4.1 . Вейвлет-компрессия при коэффициенте сжатия 25:1 (25 Кбайт/поле) и темпе записи 25 полей/с обеспечивает запись в течение 25 мин с качеством VHS на диск ёмкостью 1 Гбайт. Дальнейшим развитием технологии вейвлет-кодирования является создание стандарта JPEG-2000 (см., напр., http://www.wavelet-technology.com). Принятие этого стандарта стало результатом совместных усилий научных работников и инженеров компаний Motorola, Codak, Canon, Texas Instruments, Hewlett Packard, Sharp, Sony, Nokia и Ericsson. Совместная работа этих фирм над проблемой сжатия неподвижных изображений (полутоновых, цветных, двухградационных) наглядно иллюстрирует интеграцию телевидения, связи и вычислительной техники. При кодировании изображений в стандарте JPEG-2000 изображение так же, как и в предыдущих версиях JPEG, разбивается на прямоугольные блоки, однако дискретное косинусное преобразование заменяется на вейвлет-преобразование. Особенностью структуры цифрового потока в стандарте JPEG-2000 является возможность независимого доступа к блокам без полного декодирования изображения. Восстановление различных пространственных областей изображения с различным качеством соответствует компьютерной реализации метода переменной по полю чёткости и позволяет увеличить коэффициент сжатия введением различного уровня допустимой ошибки при передаче наблюдаемых объекта и фона.  Дополнительным преимуществом стандарта JPEG-2000 стало использование кодов с самопроверкой и исправлением ошибок, что допускает передачу видеоинформации по беспроводным линиям с низкой помехоустойчивостью. Это позволяет улучшить системные показатели качества СФЗ при мониторинге удалённых объектов (см. формулы (В. , (1. ). Одноканальные цифровые видеорегистраторы предназначены для ведения постоянной и (или) тревожной видеозаписи в режиме Time Lapse; скорость записи может изменяться от 25 полей/с до 1 поля/16 с. Они являются аналогами S-VHS–видеомагнитофона с рядом дополнительных функций, которые стали возможными благодаря применению цифровой видеозаписи на жёсткий диск (HDD). По аналогии с обычными видеомагнитофонами регистраторы имеют различные режимы воспроизведения: непрерывное воспроизведение, стоп-кадр, обратное, замедленное и ускоренное воспроизведения, воспроизведение с ручным управлением (Shuttle), пошаговое воспроизведение (JOG). Общими для цифровых и аналоговых устройств являются встроенный генератор даты-времени, таймер, режим внешней синхронизации, порт RS-232C для подключения компьютера, и т. д. Особенности цифровых регистраторов – возможность записи событий, предшествующих тревогам, возможность прямого просмотра тревожных ситуаций через список тревог, а также возможность подключения внешних устройств для полного или частичного архивирования данных с жесткого диска. Емкость встроенного HDD составляет, как правило, 4 Гбайт; имеется возможность подключения до четырех внешних HDD с расширением суммарной емкости до 100 Гбайт. Время непрерывной записи на внутренний накопитель емкостью 4 Гбайт (режим записи – по полям) и достигаемая разрешающая способность приведены в табл. 4.3.  Регистраторы имеют входы и выходы как для композитного, так и для S-VHS–видеосигнала. При подаче сигнала на оба видеовхода S-VHS имеет приоритет; оба выхода могут работать одновременно. Исключительно важной функцией цифровых устройств записи является возможность записи с прерыванием по сигналу тревоги и последующим автоматическим переходом в режим циклического воспроизведения. Применение таких устройств в составе СФЗ позволяет анализировать тревожные ситуации в случае, когда время инцидента меньше времени реакции системы (включая оператора). При использовании такого режима записи задаётся максимальная длина последовательности запоминаемых кадров до и после сигнала тревоги (рис. 4.1 .Продолжительность этих интервалов выбирается с учётом ожидаемого распределения во времени длительностей и частоты возможных вторжений на защищаемый объект. Корректный выбор длительностей записи до и после сигналов тревоги обеспечивает повышение системной вероятности обнаружения вторжения (см. 1. .  Время записи по тревогам может изменяться от 15 с до 10 мин. Время записи событий, предшествующих тревогам, приведено в табл. 4.5.  К недостаткам цифровых видеорегистраторов можно отнести следующие:
Использование цифрового видеорегистратора целесообразно в случаях записи исключительно тревожных ситуаций или тревожных ситуаций на фоне постоянной (фоновой) записи видеоинформации с большими паузами. При этом следует учитывать данные табл. 4.5, из которых следует, что при установке стандартов LOW и LOWER качество изображения ухудшается настолько, что идентификация объектов становится затруднительной. В любом случае необходимо рассчитать требуемую емкость HDD и определить необходимость применения дополнительных внешних накопителей для архивации и экспорта видеоинформации. В качестве исходных данных для расчета следует задать:
В качестве примера для расчета используем следующие исходные данные:
Выберем градацию качества изображения STANDARD, как обеспечивающую приемлемое качество изображения при относительно бережном отношении к емкости устройств хранения информации. При этом объем одного изображения будет равен, примерно, 30 Кбайт, а количество тревожных кадров в день составит 19 92 Тогда объем тревожной информации в день составит 613 536 Кбайт/сут. Количество кадров фоновой записи в сутки составит 86 400 и потребует для хранения 2 661 120 Кбайт. Таким образом, общий объем суточной информации составит, примерно, 3.3 Гбайт и для непрерывной записи в течение недели необходим жесткий диск емкостью 23 Гбайт. Как правило, емкость собственного HDD регистратора меньше и необходима установка дополнительного жесткого диска. Поскольку объемы накопителей указываются приблизительно и происходит потеря части емкости HDD при его форматировании, желательно увеличить требуемую емкость устройства долговременного хранения на 10%. Читайте далее:  Мировые тенденции развития адресно - аналоговых систем пожарной сигнализации Дурная наследственность-ii Сетевые mpeg-4. кодеки видеосигнала – взгляд на качество или качество взгляда? Расстановка пожарных извещателей - теория и практика Автоматическая идентификация лица требования и возможности Автоматизация и безопасность объектов оао ржд Оценка эксплуатационной безопасности системных средств. анализ защищенности современных универсальны Двенадцать приемов литературной полемики или пособие по газетным дискуссиям Дурная наследственность-iii Защита взрывоопасных зон Вопросы комплексирования механизмов и средств защиты информации. системный подход к построению сзи о
|
