Алгоритм Безапосности: издание для профессионалов
Санкт-Петербург:
тел./факс: (812) 331-12-60 office@algoritm.org
Москва:
тел./факс: (499) 641-05-26moscow@algoritm.org

Главная
Новости
О журнале
Архив
Свежий номер
Реклама
Подписка
Контакты
Сотрудничество
 

Если вы хотите стать распространителем нашего журнала

 
 
 
 
 

"Алгоритм Безопасности" № 4, 2016 год.

Содержание

Аналоговая и цифровая обработка как основной признак классификации камер и систем тв-наблюдения
В.В. Волхонский


АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА КАК ОСНОВНОЙ ПРИЗНАК КЛАССИФИКАЦИИ КАМЕР И СИСТЕМ ТВ-НАБЛЮДЕНИЯ

Волхонский Владимир Владимирович
Национальный исследовательский университет ИТМО

Переход от аналоговых устройств и систем телевизионных наблюдения к цифровым с развитием технологических возможностей в значительном числе случаев сопровождался и возникновением различных трактовок терминов «аналоговый» и «цифровой», по отношению, в первую очередь, к телевизионным камерам, а также и к телевизионным системам наблюдения (ТВСН) в целом. Появление новых типов устройств, новых форматов представления телевизионных сигналов и протоколов обмена привело к некоторой путанице и разночтению этих терминов применительно к различным элементам ТВСН, а также к их классификации.

Подобные проблемы могут приводить к не корректному сравнению и выбору устройств и их параметров. В настоящее время существуют различные варианты классификации устройств и систем ТВ-наблюдения, основанные на разных признаках (примерами могут служить стандарт [2] и работы [3, 4]), однако имеет смысл дать четкие определения основных понятий цифровых и аналоговых систем ТВ-наблюдения и телевизионных камер и их соответствующую классификацию.

Остановимся подробнее на таком аспекте вопроса, как способ обработки сигналов - аналоговый и цифровой. Это важно по той причине, что способ обработки существенно влияет на все важнейшие характеристики ТВСН, начиная с качества ТВ-сигнала (разрешающая способность, потери и искажения при передаче и т. п.) и заканчивая структурой системы в целом.

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ТВ-СИГНАЛОВ

Корректная классификация ТВ-устройств по способу обработки видеосигналов является весьма важной, поскольку от правильного понимания этого вопроса зависит в значительной степени корректность сравнения различных устройств и систем при оценке их эффективности и выбор необходимого оборудования при проектировании. А от этого зависят как функциональные возможности устройств и систем, так и ценовые показатели.

Рассмотрим классификацию ТВСН с точки зрения представления видеосигнала в аналоговой или цифровой форме в различных ее элементах, т. е. по способу обработки сигналов.

Исторически системы ТВ-наблюдения строились на основе стандартов вещательного телевидения. Но развитие техники и технологии, с одной стороны, и рост сложности задач, решаемых ТВСН, с другой, привели к тому, что на определенном этапе эти стандарты стали ограничивать возможности развития систем ТВ-наблюдения. Это было связано в значительной степени со спецификой задач ТВ-наблюдения, во многих случаях значительно отличающихся от задач вещательного телевидения [3]. Поэтому естественной была попытка применить в системах ТВ-наблюдения:

■ хорошо известные преимущества цифровой обработки сигналов;

■ возможности достижения и использования более высокого разрешения современных телевизионных камер;

■ хорошо развитые и распространенные каналы связи компьютерных сетей;

■ возможности современных устройств отображения информации. Очевидно, что все это должно делаться с учетом специфики ТВСН как одного из важнейших элементов системы безопасности.

Развитие ТВСН происходило с постепенным переходом от полностью аналоговых систем к цифровым, в которых формирование, передача и запись изображения производятся полностью в цифровом виде.

Между полностью аналоговыми и цифровыми системами существует несколько промежуточных вариантов, которые включают в себя как аналоговые, так и цифровые компоненты. С этим связаны некоторые расхождения в трактовке термина «цифровые» системы телевизионного наблюдения.

Известно, что во всех современных камерах источником видеосигнала являются матрицы с дискретными элементами, формирующими элементарные участки изображения (пиксели). Они уже изначально предполагают формирование видеосигнала в дискретно-аналоговом виде. То есть сигнала, представляющего собой двумерный массив аналоговых отсчетов (сигналов от элементарных пикселей) в дискретные моменты времени, которые необходимо либо преобразовать в аналоговый видеосигнал, соответствующий стандарту аналогового ТВ, либо подвергнуть квантованию для получения цифрового сигнала. Важно отметить и то, что уровень развития технологии позволяет в настоящее время реализовать значительную часть обработки сигнала непосредственно в телекамере и даже в матрице.

Количество отсчетов видеосигнала определяется параметрами матрицы (числом элементов по горизонтали и вертикали), а временной интервал между отсчетами - частотой считывания. Но в аналоговых телекамерах в процессе считывания и обработки видеосигнала осуществляется преобразование сигнала в аналоговую форму в соответствии со стандартами вещательного телевидения. И именно в аналоговой форме происходит передача видеоизображения (например, по коаксиальному кабелю или витой паре). Поэтому, несмотря на наличие этапа с дискретной обработкой сигнала, такие камеры являются по сути аналоговыми.

Следующим логичным шагом совершенствования процесса обработки видеосигналов в большинстве современных телекамер является квантование отсчетов по амплитуде для получения цифрового сигнала и, как следствие, возможности реализации цифровой обработки сигналов на различных этапах передачи и преобразования видеосигналов. Это стало возможным в последние годы благодаря развитию технологии.

ЦИФРОВЫЕ И АНАЛОГОВЫЕ ТВ-СИСТЕМЫ

В настоящее время используются два основных типа ТВСН по способу формирования, передачи и обработки видеосигналов - аналоговые и цифровые, а также их комбинации.

Понятия «аналоговый» и «цифровой» можно относить к таким основным действиям, как формирование видеосигнала, его передача по каналам связи, запись (регистрация) и отображение для восприятия человеком. Все это может выполняться как в аналоговой, так и цифровой форме.

Заметим, что такая задача, как отображение видеосигнала имеет определенную специфику аналогичную задаче формирования видеосигнала в телекамере (только обратную) - обычно используемые в настоящее время мониторы имеют набор элементарных пикселей (элементов, формирующих видеоизображение), принимающих дискретный ряд значений яркости того или иного цвета, т. е. формирующих цифровой цветной оптический сигнал. Однако специфика человеческого зрения (прежде всего инерционность и ограниченная разрешающая способность) приводит к усреднению элементарных отсчетов, что, по сути, соответствует цифро-аналоговому преобразованию цифрового оптического сигнала в аналоговое видеоизображение, воспринимаемое человеком. Это справедливо при определенном соотношении размеров пикселей монитора и разрешающей способности глаза -при слишком большом угловом размере пикселей будет проявляться дискретность видеоизображения (например, построчная или по пикселям).

При этом надо четко понимать, что в настоящее время цифровая обработка может использоваться и используется и в аналоговых системах. Это относится, в первую очередь, к цифровым видеорегистраторам (ЦВР). ЦВР заменили на определенном этапе аналоговые видеомагнитофоны и стали в настоящее время практически неотъемлемым элементом ТВСН. В ряде случаев используются и телекамеры с цифровой обработкой сигналов, но с аналоговым интерфейсом для передачи видеосигнала. То есть реально в настоящее время практически все аналоговые системы являются комбинированными, по крайней мере, если говорить об этапе записи видеосигналов.

В дальнейшем будем исходить из следующих положений.

Если во всех этих элементах обработка и передача видеосигнала аналоговая, то и система аналоговая. Если везде цифровая, то и система цифровая. И, очевидно, что может быть большое количество вариантов комбинированных систем, использующих на разных этапах как аналоговую, так и цифровую обработку.

В свою очередь цифровые системы бывают двух основных типов - высокой четкости и сетевые. Заметим, что формально есть и другие типы цифровых ТВ-систем, например, с цифровым интерфейсом стандартного разрешения (SD SDI). Однако будем рассматривать в дальнейшем только наиболее широко используемые именно в ТВ-системах наблюдения.

Таким образом, будем далее использовать следующие понятия.

Аналоговой будем называть телекамеру, имеющую аналоговый интерфейс для подключения к каналу связи. Обработка сигнала внутри телекамеры при этом может быть цифровой.

Цифровой будем называть телекамеру, в которой в цифровой форме происходит как формирование видеоизображения и его предварительная обработка, так и дальнейшая передача по каналам связи (т. е. имеется цифровой интерфейс).

Сетевая телевизионная камера - это телекамера, имеющая встроенный интерфейс для передачи видеосигналов по сети (обычно подразумевается компьютерной). В настоящее время в связи с широким распространением компьютерных сетей на базе протоколов TCP/IP их часто применяют в сетевых камерах. Поэтому для обозначения сетевых камер обычно используется термин IP-камера. Однако не стоит ограничивать общее определение сетевой камеры каким-либо конкретным сетевым протоколом или стандартом, поскольку они не являются единственными, а в будущем возможно появление и других протоколов.

В отличие от веб-камеры, которая подключается к компьютеру напрямую через стандартный интерфейс, сетевая телекамера не требует прямого подключения к ПК. Фактически веб-камера является видеокамерой и в общем случае не предназначена непосредственно для дистанционной передачи видеосигнала.

Соответственно для систем ТВ-наблюдения будем использовать следующую терминологию.

Аналоговой ТВ-системой будем называть систему с формированием видеосигнала аналоговыми телекамерами, обработкой и передачей видеосигналов по каналам связи в аналоговой форме.

Цифровой ТВ-системой будем называть систему с формированием видеосигнала цифровыми телекамерами, обработкой и передачей видеосигналов по каналам связи в цифровой форме.

Комбинированной ТВ-системой будем называть систему, использующую для формирования, обработки и передачи видеосигналов по каналам связи как аналоговую, так и цифровую форму.

Сетевые ТВ-системы - это системы, использующие в качестве каналов связи сетевые системы связи с соответствующими протоколами. Обычно сетевые ТВСН используют также сжатие передаваемого видеосигнала.

ТВ-системы высокой четкости (ТВЧ) с последовательным цифровым интерфейсом (HD SDI - High Definition Serial Digital Interface) без сжатия видеосигнала при его передаче. Стандарт HD обеспечивает разрешение 1280x720 и 1920x1080 (Full HD) пикселей при соотношении сторон экрана 16:9. А также два типа развертки (чересстрочная 1080i или прогрессивная1080р). Кроме высокого качества изображения стандарт цифрового ТВЧ предусматривает передачу многоканального звука.

ТВ-системы сверхвысокой четкости (UHD TV - Ultra High Definition Television). Было определено два уровня для UHD TV, которые называются UHD TV1, или другое обозначение 4K UHD TV (с количеством пикселей 3840x2160), и UHD TV2, или 8K UHD TV (7680x4320).

Поскольку телекамера - ключевой элемент ТВСН, то для лучшего понимания их основных признаков приведем рисунок, поясняющий функциональные особенности и возможную классификацию телевизионных камер в соответствии с данными выше определениями.

Чтобы не загромождать без необходимости рисунок, не будем учитывать многочисленные, но редко используемые в ТВСН цифровые интерфейсы, такие как SD-SDI, ED-SDI, Dual Link HD-SDI и другие. При необходимости их можно легко учесть в рассматриваемой диаграмме.

АНАЛОГОВЫЕ ФОРМАТЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Если говорить об аналоговых системах, то в настоящее время, несмотря на быстрое развитие цифровых систем, продолжаются исследования и разработки также и в направлении развития и совершенствования аналоговых систем. Ясно, что такие разработки основаны на использовании стандартов, отличающихся от используемых в вещательном телевидении. Существует несколько подходов.

Первый подход состоит в увеличении горизонтального разрешения аналоговых камер путем использования матриц более высокого разрешения по горизонтали, т. е. в увеличении длины строки. Существует несколько форматов матриц, позволяющих достичь этого. Наиболее известный - формат 960H матрицы ПЗС с количеством эффективных пикселей в горизонтальном направлении 960 [5]. Ясно, что такой подход лишь частично решает задачу увеличения разрешающей способности (достигается только по горизонтали).

Другое направление - разработка форматов аналогового телевидения, позволяющих использовать разрешение цифрового телевидения высокой четкости в аналоговых системах. В настоящее время существует несколько вариантов решения такой задачи. Основные отличия новых аналоговых форматов заключаются в измененной технологии формирования и передачи видеосигнала по линии связи - обычному коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом. К таким форматам можно отнести нижеследующие направления развития стандартов аналоговых систем.

HD CVI (High Definition Compose Video Interface), который можно считать новым форматом высокой четкости в области аналогового теленаблюдения. В отличие от стандарта PAL он позволяет формировать видеосигнал с количеством пикселей до 1920x1080 [6, 7]. То есть можно говорить об аналоговой версии цифрового стандарта высокой четкости HD SDI.

AHD (Analog High Definition) - аналоговые системы высокой четкости - технология, позволяющая получать, передавать и обрабатывать видеосигналы с количеством пикселей до 1920x1080 в несжатом формате по обычным коаксиальным кабелям [8].

HD TVI (High Definition Transport Video Interface) - формат, предусматривающий возможность формировать и передавать видеосигнал с разрешением 720p/1080p, а также сигналы телеметрии для управления поворотными камерами [7, 9].

Телевизионные системы наблюдения, построенные с использованием рассмотренных выше аналоговых форматов, близки по параметрам [7]. Они подходят как для создания новых, так и для модернизации уже существующих систем телевизионного наблюдения, построенных на аналоговых камерах. В рассматриваемой ситуации можно использовать уже имеющуюся кабельную структуру (если не было сэкономлено на качестве кабелей). Дальность передачи видеосигналов по коаксиальному кабелю составляет до 500 м. Также эти форматы позволяют использовать для передачи видеосигналов и витую пару.

Рис. 1. Функциональные особенности телевизионных камер

Кроме того, следует учитывать и то, что формирование структуры ТВ-системы и подключение элементов практически такое же, как и в классических аналоговых системах, и не требует специфических профессиональных знаний и умений по сравнению с IP-системами. Также полезно и то, что производители выпускают видеорегистраторы, совместимые не только с камерами соответствующих аналоговых форматов высокого разрешения, но также и с IP и классическими аналоговыми телекамерами.

Но надо понимать, что в рассмотренных аналоговых форматах происходит, во-первых, цифроаналоговое преобразование сформированного телекамерой видеосигнала и, во-вторых, передача аналогового видеосигнала по кабелю. И то, и другое приводит к потерям и искажениям. Поэтому, если говорить о качестве передачи видеоизображения, то в системах ТВЧ (HD SDI) таких искажений нет (передача «пиксель в пиксель»), а в аналоговых они присутствуют.

Подводя итог, можно отметить, что выбор в пользу той или иной системы надо делать с учетом, по возможности, не только упомянутых выше, но и других критериев (к примеру, параметров используемого кабеля) и различных ограничений (например, на стоимость оборудования).

В настоящее время работы в этом направлении активно ведутся, и можно ожидать как совершенствования упомянутых стандартов, так и создания новых. Так, существенный недостаток систем формата HD SDI, заключающийся в малом расстоянии, на которое возможна передача видеосигнала, в значительной степени исключается в новом формате [10]. Он основан на преобразовании видеопотока 1,5 Гбит/с в поток 270 Мбит/с без искажений (как заявляют разработчики). Телекамера может иметь соответствующий выход либо используется пара преобразователей (в зависимости от производителя EX-SDI HD-VLC (Visually Lossless Codec)), которые подключаются к выходу телекамеры и ко входу видеорегистратора. Дальность передачи видеосигнала в зависимости от типа кабеля (затухания) составляет до 400-500 м. Такое решение может существенно расширить возможности применения систем формата HD SDI.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волхонский В. В. Проблемы терминологии телевизионных систем наблюдения // Алгоритм безопасности. 2016. № 1.

2. ГОСТ Р 51558-2008. Средства и системы охранные телевизионные. Классификация. Общие технические требования. Методы испытаний. Введ. 2008-12-17. М.: Стандартинформ, 2009.

3. Алексеев С. А., Волхонский В. В., Суханов А. В. Телевизионные системы наблюдения. Основы проектирования. СПб: Университет ИТМО, 2015.

4. Волхонский В. В. Телевизионные системы наблюдения/2-е изд. доп. и перераб. СПб: Экополис и культура, 2005.

5. 960H Technology - the New Analog. Security Тоdау. March 20,2013. Retrieved 10 September 2013. http://videodom.su/pages/effio- global_standart_960h_700tvl (дата обращения: 31.10.2014).

6. Михайлов А. Аналоговое видеонаблюдение: стандарт HDCVI// Информохрана. 2014. № 6.

7. Чура Н. И. HD-SDI/CVI/TVI/AHD: некоторые особенности новых форматов // Системы безопасности. 2014. № 4.

8. AHD (Analog High Definition) http://sec.ru/words/rubrikatsiya/ sistemy- videonablyudeniya/ahd_analog_high_definition.html (дата обращения: 31.10.2014).

9. Плотников М. Стандарт HD-TVI: новое слово в аналоговом видеонаблюдении.

скачать
скачать

 

Rambler's Top100 Интернет портал. Каталог фирм. бжд. Охрана. Обеспечение безопасности. Безопасность предприятия. Оборудование. Видеонаблюдение.