Rejestratory DVR

Cyfrowe systemy obróbki i rejestracji sygnałów wizyjnych stają się coraz popularniejsze. Systemy takie oferują większe możliwości obróbki i zapisu obrazu niż tradycyjne systemy. Dlatego też wypierają z rynku w sposób wręcz rewolucyjny stosowane wcześniej multipleksery i magnetowidy.

1. Właściwości systemów cyfrowych DVR

Ważną cechą systemów cyfrowych jest możliwość jednoczesnego odtwarzania i nagrywania już po kilku minutach od czasu nagrania danej sceny. Systemy cyfrowe umożliwiają wyszukiwanie fragmentu nagrania według poszczególnych zdarzeń, np. wykrycie ruchu, naruszenie określonej strefy, zmiana oświetlenia. Można oczywiście dokonać zrzutu interesujących obrazów na drukarkę. Zapis może być realizowany w sposób ciągły, według określonego terminarza tygodniowego, w indywidualnie określonych przedziałach czasowych lub wyzwalany za pomocą czujników zewnętrznych oraz wbudowanego systemu detekcji ruchu. Dzięki graficznemu menu wyświetlanemu na ekranie monitora łatwe jest programowanie i obsługa systemu cyfrowego. Jest to realizowane za pomocą myszki komputerowej. Programowanie może być przeprowadzane w trakcie normalnej pracy systemu.

Parametry zapisu mogą zmieniać się w zależności od występujących zdarzeń. System cyfrowy może także współpracować z innymi systemami, np. zewnętrznym systemem alarmowym lub systemem kontroli dostępu. Rejestratory często mają tyle wejść alarmowych, ile wejść wizji. System po wykryciu ruchu potrafi automatycznie zwiększyć na określony czas prędkość rejestracji oraz przydzielić większą ilość zapisywanych klatek dla kamer skojarzonych z wykrytym ruchem. Możliwa jest również rejestracja obrazów tylko wtedy, gdy zostanie uaktywniony zewnętrzny detektor ruchu podłączony do wejść alarmowych. Przyłączone czujniki zewnętrzne mogą nie tylko zmieniać parametry zapisu, mogą również uaktywniać różne urządzenia zewnętrzne, np. sygnalizatory, szlabany lub włączać dodatkowe oświetlenie.

Także wbudowana funkcja cyfrowej analizy obrazu do detekcji ruchu jest zintegrowana z dynamicznym przydziałem prędkości zapisu. Istnieje możliwość definiowania różnych stref cyfrowej detekcji ruchu. W jednych strefach ludzie mogą się swobodnie poruszać, naruszenie zaś innych wywoła alarm i uruchomi rejestrację obrazu lub zmieni jej tryb. Wprowadzenie stref detekcji ruchu polega na zaznaczeniu ich myszką na ekranie monitora. W tym miejscu należy również wspomnieć o funkcji "pre alarmu" polegającej na szybszej i dokładniejszej rejestracji obrazów z krótkiego okresu przed wystąpieniem alarmu. System dynamicznego przydziału prędkości zapisu powoduje zatem, że zasoby rejestratora są efektywniej wykorzystywane. 

Bardzo ważną funkcją jest możliwość ukrywania obrazów pochodzących z wybranych kamer. Wówczas obsługa (operator) nie widzi obrazów ze wszystkich kamer, które są jednak rejestrowane.

System cyfrowy zapewnia wysoką jakość materiału rejestrowanego. Późniejsze kopiowanie materiału w postaci cyfrowej - w przeciwieństwie do systemów analogowych - także nie pogarsza jakości. Dodatkowo jest możliwe nawet 16-krotne cyfrowe powiększanie obrazu. I chociaż nie powoduje to zwiększenia rozdzielczości, to zastosowanie filtrów redukujących szum i wyostrzających obraz symuluje poprawę rozdzielczości. Większość urządzeń umożliwia wyjęcie dysku twardego i przeniesienie go do innego komputera, gdzie zapisane obrazy można przeglądać, dowolnie obrabiać (np. dodawać tekst) i drukować. Niezbędne jest do tego oczywiście odpowiednie oprogramowanie.

Wiele urządzeń zapewnia możliwość blokowania dostępu do ustawień i zapisanych obrazów za pomocą haseł. Systemy cyfrowe są ponadto zabezpieczone przed zapisem danych pochodzących z innych źródeł. Oznacza to, że nie można umieszczać na twardym dysku systemu cyfrowego nagrań przetworzonych na innym komputerze. Nie ma zatem możliwości "podstawienia" obrazów, jak gdyby pochodziły z kamery pracującej w systemie. To zabezpieczenie sprawia, że tylko obrazy przychodzące z wejść wizyjnych są rejestrowane w pamięci systemu. Do każdego rejestrowanego obrazu system dodaje - w celu zwiększenia wiarygodności - czas i datę zapisu.

Do rejestracji obrazu zwykle są  wykorzystywane dyski twarde (nawet kilka po 1000GB). Porządny system zapewnia bardzo długi czas rejestracji obrazów, przy parametrach lepszych niż w przypadku magnetowidów analogowych. Do zapisu obrazu są wykorzystywane najczęściej 24 bity, co umożliwia uzyskanie prawie 17 milionów kolorów przy rozdzielczości 640 x 480 punktów. Zazwyczaj jest możliwa rejestracja od kilku do kilkudziesięciu  klatek na sekundę. W lepszych systemach jest już  możliwy zapis z prędkością nawet do kilkuset klatek/s sekundę dla wszystkich kamer. Oczywiście ilość zapisywanych klatek, stopień kompresji, rozdzielczość wpływają na szybkość zapełniania dysku. System dynamicznego przydziału prędkość zapisu i stopnia kompresji zapewnia lepsze gospodarowanie zasobami pamięci masowej. Zwykle tygodniowy zapis wymaga dysku o pojemności od 20GB do 100GB. Najczęściej są stosowane format kompresji MPEG-2 i Wavelet. Systemy cyfrowego zapisu obrazu pozwalają na zapis obrazu kolorowego bez względu na jego standard. Oczywiście w ustawieniach należy najpierw zadeklarować, jaki system przesyłania obrazu kolorowego jest wykorzystywany.

Cyfrowe systemy stwarzają możliwość w zasadzie pracy bezobsługowej. Możliwość stosowania kilku dysków twardych, coraz większe pojemności tych dysków, możliwość ponownego nagrywania na pierwszym dysku po zapełnieniu ostatniego sprawia, że użytkownik nie musi obsługiwać na bieżąco takiego systemu.

2. Rozdzielczości w systemach CCTV

Zapis sygnałów wizyjnych może być realizowany z różną rozdzielczością, różnymi parametrami kompresji i ilości klatek zapisywanych w czasie jednej sekundy. W rejestratorach stosuje się najczęściej rozdzielczości przedstawione w poniższej tabeli.

CIF- Common Intermediate Format

Do transmisji do telefonów komórkowych stosuje się mniejsze rozdzielczości przedstawione w  pierwszych trzech wierszach powyższej tabeli. Rejestratory cyfrowe DVR umożliwiają zapis z rozdzielczościami CIF, 2CIF oraz 4CIF i D1. Trzeba pamiętać, że obrazy z mniejszą rozdzielczością zajmują na dysku mniej miejsca i można ich zapisać więcej na tej samej powierzchni dyskowej.

Rozdzielczość CIF (Common Intermediate Format) to międzynarodowy format nagrywania wideokonferencji, zdjęć i obrazów w CCTV. Jest to format obecnie często stosowany w telefonii komórkowej. W przypadku rejestratorów DVR daje obraz słabej jakości.

Pełne wykorzystanie dobrej jakości kamer o rozdzielczości ponad 500 linii jest możliwe dopiero przy formacie zapisu D1. Jest to najodpowiedniejszy standard zapisu dla stosowanych obecnie kamer CCTV.

W ostatnich czasach pojawiły się kamery z rozdzielczością 700linii. Jednak ich stosowanie nie daje zauważalnych zmian jakości obrazu, gdyż standardowe rejestratory zapisują go w mniejszej rozdzielczości. Aby zapisać obraz w takiej rozdzielczości należy zastosować odpowiedni rejestrator. Najnowsze rejestratory są wyposażane w specjalne przetworniki o zwiększonym paśmie przetwarzania. Można je odróżnić od standardowych po dodatkowej opcji rozdzielczości oznaczanej jako 960H. Dalej to już chyba miejsce dla innych technologii; HD-SDI i IP.

3. Karty komputerowe

Coraz rzadziej w praktyce cyfrowych systemów obróbki i rejestracji sygnałów wizyjnych stosuje się karty komputerowe do przechwytywania wideo. Oferują one wiele możliwości przy stosunkowo niskiej cenie. Główną zaletą karty jest prostota instalacji i obsługi systemu. Wiele kart komputerowych stwarza możliwość łatwej rozbudowy systemu przez dołożenie dodatkowych kart w celu zwiększenia ilości wejść lub prędkości zapisu i odtwarzania. 

Problemem jest jednak właściwy dobór sprzętu, oprogramowania i zabezpieczenie systemu przed niepożądaną modyfikacją przez osoby lub wirusy. Bardzo ważnym zagadnieniem w przypadku takich systemów jest konieczność zapewnienia stabilnej i niezawodnej pracy. To zaś w znacznym stopniu zależy od wzajemnej współpracy składowych elementów standardowego komputera PC z dodatkowymi kartami. Przed zakupem systemu warto sprawdzić, czy posiadany komputer spełnia wymagania sprzętowe, jakie stawia producent karty. Podobnie rzecz się ma w przypadku systemu operacyjnego i programów do obsługi kart komputerowych.

Pomimo tych trudności stosowanie kart komputerowych może być korzystne zwłaszcza w przypadku małych instalacji. Budowa kilku rozproszonych systemów CCTV w różnych miejscach i zdalne zarządzanie nimi z jednego miejsca może być dobrym przykładem zastosowania kart komputerowych. Za pomocą kart można zrealizować znacznie więcej funkcji, niż jest to możliwe w przypadku prostych rejestratorów. Oprogramowanie kart umożliwia zazwyczaj zdalny podgląd z dowolnego miejsca za pomocą standardowych przeglądarek internetowych lub dodatkowych programów klienta zdalnego.

Karty komputerowe często oferują powiadomienie akustyczne po wystąpieniu określonych zdarzeń (np. po detekcji ruchu lub odłączeniu kamery). W takim przypadku operator może zajmować się innymi zadaniami i nie musi śledzić obrazów z poszczególnych kamer.

4. Rejestratory autonomiczne DVR

Autonomiczny rejestrator cyfrowy ("stand alone") jest nowoczesnym urządzeniem zastępującym stosowane dotychczas powszechnie w systemach telewizji dozorowej multipleksery i magnetowidy oraz wizyjne detektory ruchu. Ze względu na łatwość obsługi i prostotę instalacji rejestratory autonomiczne stają się coraz popularniejsze. Rejestratory oferują prosty montaż, łatwą obsługę - porównywalną z urządzeniami powszechnego użytku. Są to jednak systemy trudne rozbudowy i modyfikacji. W najprostszych rejestratorach odtwarzanie archiwum jest możliwe wyłącznie na urządzeniu rejestrującym. Jednak wiele urządzeń umożliwia wyjęcie dysku i podłączenie go do komputera, na którym użytkownik może odtwarzać pliki archiwalne.

Rejestratory wizyjne DVR autonomiczne

Rejestratory autonomiczne mają własny system operacyjny, co zapewnia dużą stabilność pracy systemu. Ponadto użytkownik nie możliwości ingerencji w system a zatem i możliwości uszkodzenia systemu.

Rejestratory cyfrowe są urządzeniami zapewniającymi wykonywanie wielu czynności równocześnie. Umożliwiają na przykład podgląd zarejestrowanych obrazów bez przerywania nagrywania. Urządzenie wyświetla obraz na pełnym ekranie lub w trybie podział ekranu. Zarówno przy wyświetlaniu obrazu z jednej kamery, jak i ze wszystkich kamer jednocześnie (podział) obraz dla każdego kanału jest wyświetlany w czasie rzeczywistym ("real-time"). Funkcja "real-time", gwarantująca płynne wyświetlanie obrazu, wraz z wysoką rozdzielczością stwarza możliwość efektywnej obserwacji dozorowanych obiektów.

Zapis odbywa się najczęściej na dyskach twardych (porządne rejestratory mają możliwość wbudowania nawet 4 HDD). Rejestracja na dysku twardym może być realizowana w sposób ciągły, zgodnie z terminarzem lub po detekcji ruchu. System powiadamia użytkownika o zapełnieniu dysków; może tez automatycznie stosować zapis w "pętli". Coraz częściej występuje możliwość wbudowania napędu CD-RW lub DVD do zgrywania potrzebnych sekwencji. Czasami rejestratory posiadają dodatkowo wbudowany czytnik multimedialnych kart CF, dzięki któremu istnieje możliwość przegrywania na karty multimedialne krótkich sekwencji zapisu. Zapis ten może być później odtwarzany na komputerze wyposażonym w podobny czytnik.

Nowoczesne rejestratory cyfrowe często posiadają dodatkowo wyjście Ethernet, które umożliwia zdalny podgląd obrazów z kamer oraz przeglądanie zapisanych danych przez standardową przeglądarkę internetową. Wbudowany serwer WEB przekazuje do sieci LAN lub internetu obraz z wyjścia monitora. Ponadto użytkownik zdalny może zmieniać dowolnie tryb wyświetlania na wyjściu głównym. Praca sieciowa może być wykorzystana do łączenia wielu urządzeń ze sobą w celu zdalnego podglądu sytuacji bieżącej na poszczególnych obiektach.

4. Metody kompresji stosowane w CCTV

Podstawowym problemem w przypadku cyfrowej archiwizacji obrazu to ogromne ilości danych. Jest to zbyt wiele do transmisji, archiwizacji oraz przetwarzania w czasie rzeczywistym. Dlatego też powszechnie stosuje się kompresję obrazu mającą na celu zmniejszenie danych do dalszej obróbki.

Obecnie jest stosowanych kilka metod kompresji obrazu. Jedną z nich jest kompresja DTC (Dyskretna Transformata Cosinusowa). Kompresja DTC opiera się na modelu matematycznym, który zakłada pewne fizjologiczne mechanizmy postrzegania obrazu przez człowieka. Technologia ta dzieli obraz wideo na kwadraty składające się na przykład z 64 punktów (8x8). Powstałe bloki są kompresowane indywidualnie. Jest to metoda polegająca na kodowaniu wewnątrzklatkowym, czyli usuwaniu z pojedynczej klatki informacji niewidocznej dla ludzkiego oka. Metoda ta nie analizuje tego, co faktycznie znajduje się na obrazie. Tę kompresję wykorzystują  standardy M-JPEG, MPEG-1 i MPEG-2. Niestety M-JPEG w przypadku bardzo złożonych obiektów kompresowanych daje nam bardzo duży rozmiar skompresowanych klatek. Problem klatek o różnych wielkościach daje o sobie znać podczas odtwarzania filmu. W takim przypadku można spotkać się z problemem braku ciągłej prędkości przy odtwarzaniu obrazu.

Bardziej efektywną kompresję umożliwiają algorytmy drugiej generacji. Algorytmy te dokonują pewnej analizy sceny przed realizacją właściwej procedury pakowania. Uwzględniają fakt, iż obraz można podzielić na fragmenty w sposób dużo bardziej efektywny. Obraz składający się z pikseli o takich samych cechach można połączyć w jedną grupę, a przez to znacznie poprawić efektywność procesu pakowania. Aby zrealizować taką procedurę analizy wykorzystano sposób postrzegania człowieka HVS (Human Vision System). Nowe podejście polega na powiązaniu zawartości danych z ich znaczeniem dla percepcji człowieka i wyodrębnieniu tzw. obiektów audiowizualnych AVO (Audio-Visual Objects). Kompresja Wavelet polega na tym, że cyfrowy strumień wideo jest najpierw oczyszczany z wysokich częstotliwości sygnału, które nie są widoczne dla ludzkiego oka. Obraz kompresowany jest przez filtrowanie sygnału wideo w 42 oddzielnych grupach częstotliwościowych. Każda z tych grup jest optymalizowana pod kątem częstotliwości widzianych ludzkim okiem. Metoda należy do metod stratnych, obrazy kompresowane tą metodą charakteryzują się zamazaniem brzegów i ogólnym wygładzeniem. Ta metoda kompresji charakteryzuje się wyższą efektywnością kompresji niż DTC, która powoduje zniekształcenia przedmiotów w obrazie. Tego typu kompresja jest wykorzystywana w standardzie kodowania MPEG-4.