Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2010 №6

От аналога к цифре — обзор решений для систем видеонаблюдения и их особенности

Чепурин Илья  
Птицын Николай  

Как это не парадоксально, но в современном мире, к сожалению, становится все больше потенциальных угроз для безопасности как персонально людей и их собственности, так и разного рода предприятий. Поэтому развитию систем обеспечения безопасности уделяется очень большое внимание, причем в России этот рынок традиционно является довольно крупным и относительно хорошо развитым. Системы видеонаблюдения занимают на нем сравнительно крупный сегмент наряду с интегрированными системами контроля доступа и противопожарной безопасности. В статье мы проанализируем текущие тенденции на рынке видеонаблюдения и рассмотрим возможные варианты реализации камер видеонаблюдения с использованием современной элементной базы на примере компонентов Texas Instruments.

Введение

До недавнего времени системы видеонаблюдения ассоциировались именно с процессом наблюдения, то есть подразумевалось, что система представляет собой инструмент для передачи изображения от камеры на мониторы центрального пульта, где сидит оператор и находятся средства документирования (видеорекордеры). Минусы подобных систем давно известны и нет смысла их здесь перечислять. Гораздо важнее отметить тот факт, что по мере развития основное назначение систем видеонаблюдения начинает кардинально меняться: наряду с передачей изображения с камеры на монитор оператора они выполняют все больше дополнительных функций — начиная от автоматической коррекции изображения и заканчивая его аналитической обработкой и даже принятием решения на основе проведенного анализа. Тем самым система видеонаблюдения становится полноценным средством обеспечения безопасности в реальном режиме времени. И это неудивительно: по мере увеличения числа объектов, за которыми нужно следить, число камер наблюдения увеличивается в геометрической прогрессии, и человек уже просто не в состоянии понять, на какой участок объекта нужно обратить внимание. В итоге система может превратиться в огромный регистратор событий, никоим образом не способствующий реальному обеспечению безопасности, не говоря уже о стоимости установки и содержания такой системы.

Попробуем проанализировать основные тенденции в современных системах видеонаблюдения. Основным моментом здесь, конечно, является переход на цифровые технологии, поскольку все вышесказанное можно реализовать только с использованием компьютеризированных автоматических систем. На данном этапе развития рынка большинство систем строится по следующей схеме: изображение по-прежнему захватывается с помощью аналоговых камер и передается на центральный пункт, однако на смену мультиплексорам и видеомагнитофонам пришли цифровые видеорекордеры, которые в основной массе представляют собой обычный персональный компьютер, оснащенный платами видеозахвата. Это решение имеет значительно больше плюсов по сравнению с полностью аналоговой системой: оцифрованное видео сжимается с помощью кодеков и записывается на цифровые носители (можно хранить большие объемы информации). Здесь уже есть возможность для аналитической обработки изображения (система может сигнализировать оператору о потенциальной угрозе, детектировать различные объекты или реагировать на определенные сценарии). Немаловажным фактором является то, что можно практически полностью сохранить прежнюю аналоговую инфраструктуру, а значит, процесс модернизации не потребует больших капиталовложений. Однако и минусов здесь достаточно: система по-прежнему плохо масштабируется, изображение имеет низкое разрешение, и порой страдает качество. Да и аналитические возможности ограничены, особенно если система достаточно большая: нужно либо жертвовать аналитикой, либо строить компьютерные кластеры, способные обработать весь поток информации. В итоге получается, что большинство такого рода систем по-прежнему плохо масштабируются и работают в режиме наблюдения и фиксации событий.

Поэтому все большее внимание в настоящее время уделяется развитию таких функциональных возможностей, которые позволяют обеспечить превентивную реакцию и в конечном итоге не допустить возникновения опасной ситуации. Для этого система должна уметь грамотно квалифицировать те или иные события как потенциальную угрозу, дать сигнал оператору или соответствующей службе и обеспечить необходимое документирование ситуации. Для еще большей эффективности систему видеонаблюдения можно интегрировать с системой контроля доступа и противопожарной безопасности, что позволяет не только визуализировать опасность, но и в реальном режиме времени прогнозировать и анализировать развитие того или иного сценария развития событий.

Переходя от концепций к конкретным примерам реализации, давайте рассмотрим, какими основными техническими характеристиками должны обладать современные камеры видеонаблюдения, и с решением каких задач придется столкнуться разработчикам при их создании.

Системы видеонаблюдения

Камеры — это «глаза» системы видеонаблюдения. И чем лучше зрение у этих «глаз», тем надежнее вся система. А оно зависит от сенсора — датчика изображения. В настоящее время в большинстве камер используются CCD-датчики. Они имеют достаточно высокую чувствительность и надежность, однако их разрешение, как правило, не превышает 720x576 (D1). Вместе с тем на рынке все более востребованными становятся камеры с разрешением 1 или 2 Мп и даже выше. Для их реализации обычно используются CMOS-датчики: благодаря современным технологиям они во многих случаях уже превосходят традиционные CCD-матрицы по техническим характеристикам.

Переход на более высокое разрешение сопровождается практически полным переходом на использование цифрового формата не только для обработки изображения, но и для его передачи. Это вызывает кардинальное изменение инфраструктуры системы: на смену телевизионным коаксиальным кабелям приходят сети передачи данных. Соответственно, все большую распространенность получают и IP-камеры.

Передача видео через IP-сеть связана с рядом нюансов, самый важный из которых — пропускная способность сети: при большом количестве камер может сложиться такая ситуация, что из-за многочисленных коллизий информация будет передаваться медленно и с искажениями, вызванными потерями пакетов. Решение этой проблемы лежит в двух плоскостях: увеличение полосы пропускания сети (с 10/100 Мбит/с до 1 Гбит/с) и уменьшение объема передаваемой информации. Во втором случае это может быть снижение частоты и разрешения кадров, а также использование более совершенных методов сжатия. Самым распространенным форматом сегодня является MJPEG, однако все шире начинают применяться MPEG4 и H.264, позволяющие значительно уменьшить объем передаваемой информации. Большой интерес на рынке вызывают решения, способные передавать видео в нескольких форматах одновременно, например, один поток MPEG4 в высоком разрешении для вывода на монитор оператора, а второй — в MJPEG для документирования.

Нужно отметить, что уменьшить объем передаваемых данных можно путем переноса функций по аналитической обработке изображения с видеосервера непосредственно в камеру. Это наиболее перспективное сейчас направление в развитии видеокамер, и ему уделяется большое внимание. Благодаря аналитическим возможностям можно не только динамически управлять потоком данных, транслируемых в сеть, но и передавать дополнительную служебную информацию — например, назначать кадрам определенные теги или метки. Данный метод позволяет превратить камеру из пассивного наблюдателя в интеллектуального ассистента оператора системы, способного в нужный момент привлечь внимание к потенциально опасной ситуации. При последующей работе с видеоархивом можно будет избавиться от многочасовых просмотров всего снятого материала, сразу переходя к нужным фрагментам.

Набор и возможности аналитических алгоритмов обработки изображений также постоянно развиваются. Если до недавнего времени основной задачей было детектирование разного рода действий или объектов, то сейчас одним из наиболее активно развивающихся направлений является поведенческий анализ объектов наряду с прогнозированием того или иного сценария. Кроме того, применение видеоаналитики уже выходит за рамки систем безопасности и может широко использоваться в рекламных технологиях, маркетинговых исследованиях и в игровом бизнесе.

Рассмотрим, как этот функционал может быть реализован в разного рода решениях на базе мультимедийных процессоров DaVinci компании Texas Instruments. Это семейство уже достаточно давно находится на рынке и широко применяется для построения большого спектра различных компонентов систем видеонаблюдения — видеосерверов, видеокамер, энкодеров и т. п. Самыми простыми и дешевыми в семействе DaVinci являются процессоры TMS320DM3xx, которые благодаря своей архитектуре практически идеально подходят для построения бюджетных решений для IP-камер и 1-4-канальных видеосерверов. Структура одного из таких процессоров (TMS320DM365) представлена на рис. 1. Здесь можно выделить несколько характерных функциональных узлов:

  • процессорное ядро ARM926 с тактовой частотой до 300 МГц;
  • аппаратный ускоритель для кодирования и декодирования видео в форматах H.264, MPEG4 и MJPEG с разрешением вплоть до Full HD (1920x1080);
  • многофункциональный видеопорт, отвечающий за захват и обработку изображения, а также его вывод на внешнее устройство отображения.

Внутренняя структура процессора TMS320DM365

Рис. 1. Внутренняя структура процессора TMS320DM365

Решение для реализации IP-камеры на этих процессорах можно функционально разбить на следующие этапы: видеопорт захватывает изображение, затем аппаратный ускоритель производит сжатие видео, а центральный процессор упаковывает видео в пакеты и передает по сети.

С процессорным ядром в принципе все понятно: это стандартное ARM-ядро, на нем, как правило, выполняется ОС верхнего уровня (например, Linux, WinCE или какая-либо RTOS). Гораздо интереснее посмотреть на аппаратный ускоритель и видеопорт.

Аппаратный ускоритель является практически полностью автономным вычислительным модулем, на котором происходит выполнение алгоритмов кодирования и декодирования (кодеков) видео, изображений, аудио и речевой информации в наиболее широко распространенных форматах. Важно подчеркнуть, что при этом нагрузка на центральный процессор очень мала, и сводится она в основном к передаче указателей на буферы в памяти, где находятся данные для обработки, а также к конфигурации и непосредственному запуску необходимого алгоритма. При этом аппаратный ускоритель позволяет параллельный запуск нескольких инстанций алгоритмов, что дает возможность одновременного кодирования видео в нескольких форматах в реальном режиме времени. Например, можно одновременно сжимать видео в форматах H.264 720p и MJPEG D1. Более производительный процессор TMS320DM368 обеспечивает кодирование в формате H.264 1080p со скоростью 30 кадров в секунду. Выбор алгоритма кодирования, разрешения и скорости кадров можно выполнять непосредственно в ходе работы приложения, а обращение к ним со стороны пользовательской программы осуществляется через стандартный интерфейс API. Полный набор кодеков Texas Instruments предоставляет бесплатно, он может быть загружен после регистрации с сайта компании.

Не менее важную функцию выполняет и видеопорт, хотя на первый взгляд в нем нет ничего особенного: многие современные процессоры имеют тот или иной интерфейс для подключения датчика изображения или какого-либо дисплея. Однако для получения хорошего качества «картинки» недостаточно просто захватить изображение, требуется произвести еще довольно много операций, прежде чем данные можно будет передать для дальнейшей обработки. Очень часто для этого используют внешние микросхемы программируемой логики, на которых производится коррекция изображения, но благодаря расширенным возможностям видеопорта в процессорах DaVinci можно получить полностью однокристальное решение. По своей сути видеопорт в процессорах DaVinci можно рассматривать как дополнительный конфигурируемый аппаратный ускоритель, способный автономно выполнять свои задачи и таким образом разгружать центральный процессор для выполнения других задач. Благодаря этому возможна более профессиональная обработка изображения непосредственно на кристалле без использования дополнительных внешних компонентов.

В модуле видеопорта можно выделить два блока: один отвечает за захват изображения, а другой — за его вывод. Поскольку мы рассматриваем варианты построения IP-камер, то вторую часть видеопорта подробно описывать не будем, отметим только, что она также благодаря своему функционалу позволяет свести использование внешних компонентов к минимуму, а то и вовсе от них отказаться. Что же касается первой части, то в ее состав входят два основных процессинговых модуля — ISIF и IPIPE, модуль сбора статистики H3A и интерфейсный блок IPIPEIF (рис. 2).

Внутренняя структура видеопорта DM365

Рис. 2. Внутренняя структура видеопорта DM365

Название модуля ISIF (Image Sensor Interface) говорит само за себя: его задача — обслуживание интерфейса с источником входного видеосигнала. Это может быть датчик изображения, внешний видеоэнкодер или же какое-либо устройство с параллельным выходом. Разрядность видеопорта составляет 16 бит, соответственно, процессор может воспринимать 8-, 10-, 12- и 16-разрядные данные в различных форматах — как стандартных (RAW, BT.656/1120 и YCbCr), так и частных. ISIF может генерировать все необходимые сигналы развертки самостоятельно или же воспринимать их извне, обеспечивая необходимую гибкость при использовании нестандартных форматов, при этом максимальная тактовая частота порта составляет 120 МГц. Полученные модулем данные через канал DMA складываются в указанный буфер в памяти с заданным форматированием или же передаются для последующей обработки в IPIPE. Если необходимо сэкономить место в памяти, то ISIF может осуществлять компандирование данных.

Дополнительно ISIF обеспечивает пока-нальное усиление каждого цвета (R, G и B), преобразование цветового пространства в RGB, прореживание кадра по заданному шаблону, фильтрацию шумов, детектирование дефектных пикселей и усиление контраста контуров.

Основная задача модуля IPIPE заключается в преобразовании пространства RGB в пространство YCbCr с заданным форматированием 4:2:2 или 4:2:0. Для этого сначала выполняется коррекция дефектных пикселей, затем путем управления коэффициентом усиления или смещением в отдельных цветовых каналах настраивается баланс белого, выполняется демозаика с последующей коррекцией и потом производится поканальная коррекция гамма-кривой по заданным коэффициентам. Полученный результат преобразуется в формат YCbCr и прореживается в соответствии с выбранным выходным форматом и промежуточным усилением контурного контраста. Здесь же рассчитывается общая и поканальная гистограммы.

Модуль IPIPEIF является своего рода «переключателем» потоков данных внутри входной части видеопорта. Благодаря этому каждый из модулей видеопорта может работать с данными, поступающими с выхода другого модуля, или же с данными, хранящимися в памяти. При этом нет никаких ограничений на количество обращений, то есть мы, например, можем многократно масштабировать изображение, осуществлять работу с данными, поступающими из других источников нежели видеопорт, и т. д. Также здесь можно автоматически вырезать «черные» кадры (полученные при закрытом затворе) или «шумные» пиксели (по заданному шаблону). Кроме того, поскольку модуль IPIPE может работать только с кадрами, содержащими 2176 пикселей в линии горизонтальной развертки, то IPIPEIF производит децимацию кадров, поступающих в IPIPE.

Модуль сбора статистики H3A вырабатывает метрики для автоматической установки баланса белого, фокусировки и экспозиции по заданным участкам изображения (пикселям). На базе этих метрик осуществляется автоматическая фокусировка или коррекция изображения.

Суммировать все сказанное по поводу видеопорта можно с помощью рис. 3: на нем видно, что практически все наиболее часто встречающиеся задачи по обработке изображения можно действительно реализовать на базе этого многофункционального модуля. Прибавим сюда аппаратное сжатие, поддержку операционной системы со стеком сетевых протоколов — в результате получаем практически полное решение для IP-камеры на одном кристалле. При этом важно отметить, что DM365 и DM368 имеют встроенный Ethernet-контроллер и аудиокодек, что позволяет снизить стоимость полного решения за счет уменьшения числа внешних компонентов (рис. 4).

Возможности видеопорта DM3xx по обработке изображений

Рис. 3. Возможности видеопорта DM3xx по обработке изображений

Пример построения IP-камеры на базе процессора TMS320DM365

Рис. 4. Пример построения IP-камеры на базе процессора TMS320DM365

Для того чтобы разработчики могли максимально быстро провести разработку устройства, компания Texas Instruments предоставляет целую линейку референсных решений, включающих в себя всю необходимую документацию на аппаратное обеспечение и исходные тексты программ. Они представляют собой полностью рабочие макеты различных IP-камер, на базе которых можно при необходимости доработать программное обеспечение и затем полностью его протестировать (рис. 5).

В нижней части рис. 5 приведена линейка решений для создания относительно простых и недорогих IP-камер. Они построены на базе процессоров DM355, DM365 или 368 со встроенными аппаратными ускорителями для поддержки различных алгоритмов сжатия и используют два типа датчиков изображения: 5-Мп CMOS-матрица производства компании Aptina (бывшая Micron) и матрица с высокой чувствительностью компании Sony. Ключевая особенность последнего датчика — способность работы при малой освещенности.

Варианты IP-камер на базе процессоров Texas Instruments

Рис. 5. Варианты IP-камер на базе процессоров Texas Instruments

В верхней части рис. 5 представлены более интеллектуальные решения. Помимо упомянутых выше функций они обладают дополнительными возможностями по аналитической обработке изображения. Мы предлагаем несколько вариантов подобных систем: в самом простом случае к одному из базовых комплектов из нижней части рисунка добавляется отдельная плата, которая и занимается видеоаналитикой. В качестве процессора на этой плате используется также специализированный мультимедиапро-цессор семейства DaVinci TMS320DM643x. Достоинством данного решения является масштабируемость: заказчик может разработать недорогую IP-камеру на базе DM355 или DM365, а затем при необходимости просто добавить плату видеоаналитики. При этом благодаря широкому спектру совместимых по выводам процессоров DM643x с производительностью от 300 до 720 МГц можно не просто варьировать стоимость решения, но и масштабировать его аналитические возможности путем замены процессора и добавления необходимых программных модулей. Для поддержки разработчиков алгоритмов видеоаналитики Texas Instruments предлагает специальную библиотеку VLIB, содержащую большой набор наиболее часто используемых при аналитической обработке изображений функций. Таким образом, можно относительно просто, как из готовых «кирпичиков», реализовать требуемый алгоритм. Эта библиотека написана для процессора на базе ядра C64+ и может быть бесплатно загружена непосредственно с сайта компании [2].

Более интегрированную систему можно построить на базе процессора DM6467, самого мощного в семействе DaVinci. Он содержит процессор ARM9, цифровой сигнальный процессор с ядром C64+ и аппаратный ускоритель HDVICP для поддержки алгоритмов сжатия, способный работать с кадрами высокого разрешения 1920x1080 точек в режиме реального времени. В такой IP-камере функции сжатия видеопотока и видеоаналитики могут выполняться полностью внутри кристалла при помощи DSP и HDVICP.

В качестве примера реализации IP-камеры такого уровня можно привести решение ООО «Синезис» (Synesis). Платформа HW-6467-CORE разработана для различных периферийных устройств, связанных с обработкой сетевого видео, таких как камера высокой четкости, многоканальный видеоэн-кодер (или ip-видеосервер) и видеорегистратор (DVR). Аппаратной основой платформы является высокопроизводительный универсальный модуль (рис. 6, 7) на базе процессора TMS320DM6467 производства компании Texas Instruments. Система содержит ядро ARM9 с операционной системой Linux, сигнальный процессор C64x+ и сопроцессор HDVICP для цифровой обработки видео HD, а также широкий набор периферийных компонентов, включая подсистемы захвата аудио и видео, сетевой адаптер 10/100/1000 Мбит/с Ethernet, последовательный порт USB 2.0, интерфейс VLYNQ для подключения программируемой логики. Видеопроцессорный модуль выполнен в виде малогабаритной платы (80x55x14 мм), но позволяет максимально использовать все возможности процессора TMS320DM6467. Модуль устанавливается на плату расширения при помощи трех 80-пиновых разъемов (рис. 6).

Рис. 6. Процессорный модуль компании Synesis

Архитектура встраиваемого ПО компании Synesis

Рис. 7. Архитектура встраиваемого ПО компании Synesis

Несмотря на компактность, видеопроцессорная плата содержит всего 8 слоев, а платы расширения могут быть еще проще. Такое инженерное решение позволяет существенно снизить затраты на разработку и адаптацию конечных продуктов без модификации видеопроцессорного модуля и базового программного обеспечения. Также достигается снижение стоимости конечного изделия за счет массового производства универсального модуля.

Основные и опциональные электронные компоненты видеопроцессорного модуля подобраны с учетом их совместимости по выводам, что позволяет выпускать модуль в различных модификациях на базе одной универсальной платы. Например, на этапе производства можно адаптировать модуль для стандартного или расширенного диапазонов температур, изменить частоту процессора, объем динамической памяти или флэш-памяти.

Видеопроцессорный модуль позволяет устанавливать кристалл TMS320DM6467 с частотой от 594 до 729 МГц, что предоставляет мощные вычислительные возможности под различные задачи. Так, платформа позволяет сжимать 1 поток высокой четкости Full HD (1080p) по стандарту H.264 или до 8 потоков стандартной четкости SD с разрешением D1, а также использовать сложные видеоаналитические алгоритмы одновременно с компрессией.

Преимуществами этой однокристальной архитектуры по сравнению с многокристальными являются более простая программная среда и гибкость в использовании аппаратных ресурсов. К недостаткам системы TMS320DM6467 можно отнести более высокое энергопотребление (и, соответственно, тепловыделение) и дороговизну аппаратной защиты программного обеспечения от несанкционированного копирования.

Решение, помимо аппаратной части, включает в себя полный пакет программного обеспечения, куда входит ОС Linux с драйверами устройств и загрузчиками, файловая система с необходимым набором утилит и модулей для реализации стеков различных сетевых протоколов, набор кодеков для DSP, а также промежуточное ПО, позволяющее производить интеграцию для создания таких вертикальных решений, как мониторинг автодорог, объектов топливно-энергетического комплекса и торговых точек. Программное обеспечение имеет модульную архитектуру, представленную на рис. 7, и обеспечивает следующую функциональность, в основе которой лежит стандарт ONVIF:

  • Обнаружение периферийных устройств в сети.
  • Мультикастовая передача «живого» видео в формате SD и HD.
  • Отложенная передача видео из видеобуфера (timeshift).
  • Управление сенсором, кодеками и встраиваемой видеоаналитикой.
  • Управление событиями и метаданными.
  • Управление правилами для рассылки сигнала тревоги.

За рамками стандарта ONVIF промежуточное ПО предоставляет следующие важные средства:

  • Удаленное отказоустойчивое обновление прошивки.
  • Удаленная калибровка видеоаналитики.
  • Управлением лицензиями и защита от копирования встраиваемого ПО.

Таким образом, аппаратная платформа HW-6467-CORE в сочетании с промежуточным ПО и открытой операционной системой Linux позволяет выпустить сложное сетевое устройство в минимальные сроки и существенно сократить риски системной интеграции. Аппаратное и программное обеспечение поставляется производителям оборудования как OEM-решение. При этом производители могут в существенной степени дифференцировать свои решения за счет добавления дополнительной функциональности в базовое ПО и/или разработки специальных плат расширения.

Заключение

Мы кратко рассмотрели современные тенденции на рынке систем видеонаблюдения и познакомились с примерами реализации различных IP-камер на элементной базе компании Texas Instruments. Следует отметить, что компания уделяет большое внимание рынку видеонаблюдения и развитию специализированных медиапро-цессоров. Их следующее поколение будет построено на базе процессорного ядра Cortex-A8, увеличится число аппаратных ускорителей, позволяющих распараллелить выполнение операций по обработке изображения и существенно повысить производительность системы. По мере выхода таких устройств на рынок мы будем стараться предоставить читателям более полную информацию.

В ближайшее время мы обратим внимание на другие компоненты систем видеонаблюдения, которые пока остались «за кадром»: многоканальные цифровые видеорегистраторы и видеосерверы.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке