Алгоритм сжатия MPEG4

Большинство существующих на сегодняшний день цифровых сетевых систем используют гибридные алгоритмы сжатия, такие как MPEG4, MPEG2, H.263, H.264. Данные алгоритмы обеспечивают более высокую степень компрессии изображения и соответственно меньшую загрузку сети, чем так называемые алгоритмы с внутрикадровым сжатием – JPEG, Wavelet.

В таблице приведены максимальные коэффициенты сжатия для существующих кодеков:

Коэффициент сжатия
MJPEG 10:1
Wavelet 13:1
MPEG2 30:1
MPEG4 50:1

Компания Pelco создала собственный алгоритм сжатия в рамках спецификаций MPEG4 (компания является официальным участников MPEG4Forum), гарантирующий высокое качество изображения и максимально низкий битрейт. Так, для потока 4CIF/25fps характерным значением битрейта является 2Mbit/s. Для других существующих на сегодняшний день систем, работающих с компрессией MPEG4, минимальным является значение 3Mbit/s.

5. Контроль компрессии CVBR.
Все существующие на сегодняшний день цифровые сетевые системы используют следующие, наиболее распространенные алгоритмы контроля компрессии – CBR (постоянный битрейт) и VBR (переменный битрейт). Первый гарантирует загрузку сети без превышения указанного значения исходящего трафика. Так если мы устанавливаем порог равный 2Mbit/s, качество исходящего потока будет варьироваться относительно этой планки. Это значит, изображение сцены насыщенной большим количеством мелких деталей, с высокой активностью или изображение с поворотной камеры, будет подвержено более высокой компрессии для регулирования трафика в установленном значении. При использовании CBR страдает качество изображения. Контроль с переменным битрейтом гарантирует высокое качество изображения. При этом исходящий поток ничем не ограничен. Как следствие расчет пропускной способности сети может быть выполнен только после проведения реального тестирования на реальном объекте.

Кодеры и IP-камеры ENDURA® используют третий существующий алгоритм, являющийся золотой серединой – CVBR (ограниченный переменный битрейт). Это алгоритм основан на ограничении исходящего трафика на уровне, который гарантирует получение наиболее высокого качества. При этом мы все-таки контролируем трафик по не превышению порога более чем на 10-15%.

В отличие от CBR (постоянный битрейт) CVBR обеспечивает высокое качество изображения. В отличие от VBR (переменный битрейт) CVBR обеспечивает контроль пропускной способности сети.

6. Технология трех потоков.
Классическая IP-камера осуществляет передачу изображения по цифровой сети на рабочую станцию, обеспечивавшую не только визуализацию, но и запись на жесткий диск. Декодирование изображения и его вывод на экран монитора загружает процессор рабочей станции достаточно сильно. Поэтому рабочая станция может записывать на диск большее количество входных потоков от IP-камер, чем воспроизвести их на мониторе. Большинство систем предлагают использовать отдельные серверы для визуализации видео и для записи видео. Но даже в этом случае мы сталкиваемся с существенными ограничениями на количество одновременно просматриваемых каналов, которое, в первую очередь, зависит от разрешения и скорости регенерации изображения. Так для современного компьютера (однопроцессорного) число одновременно отображаемых потоков 4CIF/25fps составляет от 4 до 8-ми (в зависимости от типа компрессии).

Логичным стало решение создать IP-устройства с двумя индивидуально настраиваемыми потоками данных. Видео поток для отображения можно настроить индивидуально, независимо от характеристик потока записи. Регулируя разрешение и скорость воспроизведения, можно увеличить число одновременно отображаемых камер. Действительно, в режиме мультиэкрана (9, 16 камер) изображение с разрешением CIF выглядит более чем удовлетворительным. Однако несостоятельность этого решения становится очевидной, когда оператор переходит в полноэкранный режим для детального анализа ситуации - кадр с разрешением 352х240 пк интерполируется на полный экран монитора с разрешением 1280х1024 пк.

В системе ENDURA® компания Pelco первая реализовала технологию трех видео потоков. Один поток на запись, один для визуализации в режиме 1 камера и 4 камеры на экране и один поток для визуализации в режиме мультиэкрана (16 камер). Каждый поток имеет индивидуальные настройки и следующие максимальные характеристики:

до 4CIF/25fps – поток для записи
до 4CIF/25fps – поток для воспроизведения одной или четырех камер
до СIF/12.5fps – поток для воспроизведения большего количества камер в режиме мультиэкрана

Таким образом, как и в методе двух видео потоков запись и визуализация – процессы независимые. Однако для визуализации вместо одного потока используется два. Если оператор смотрит изображение от 4-х камер одновременно, он может работать с максимальными параметрами – 4CIF/25fps, тоже справедливо и для полноэкранного режима. В режиме мультиэкран (более 4-х камер), рабочая станция автоматически переходит в режим работы с третьим потоком. При этом нагрузка на процессор рабочей станции не возрастает, т. к. третий поток имеет более низкие параметры, и качество изображения субъективно не падает, т. к. изображение занимает небольшой сегмент экрана. Выбор любой камеры для отображения во весь экран сопровождается автоматическим переключением на второй, более качественный поток. Технология адаптации изображения (переход от одного потока к другому) получила название EnduraViewТМ.

Низкая задержка передачи данных.
Система ENDURA® обладает одним из самых низких показателей задержки передачи данных (Reduced Latency) – менее 117 ms.

Поддержка VLAN.
В отличие от смелых, но, к сожалению, не обоснованных заявлений многих производителей IP-систем, об отсутствии ограничений по числу устройств и пользователей в системе а также жестких требований к сети передачи данных, компания Pelco придерживается совершенно другого подхода. Существует четкое описание требований, отраженное в специальном документе – «ENDURA® - Руководство по проектированию компьютерной сети». Виртуальные сети VLAN относятся к числу важнейших требуемых элементов топологии сети ENDURA®. Сети VLAN используются для регулирования и ограничения трафика в сети ENDURA®. Используя механизмы VLAN, Вы действительно можете построить систему с неограниченным числом каналов.

Поддержка протокола UPnP.
Устройства ENDURA®, выполняющие кодирование, запись, декодирование и управление системой поддерживают протокол UPnP (компания Pelco является официальным партнером UPnP Forum). Это означает, что устройство, присоединяется к сети, получает IP-адрес в динамическом режиме, по запросу сообщает о своих возможностях и собирает информацию о наличии и возможностях других устройств. Присутствие серверов DHCP и DNS необязательно; они могут использоваться только в случае, если будут доступны в сети. Более того, устройство может автоматически выйти из сети, и это не приведет к каким-либо нарушениям в ее работе. Как только кодеры, IP-камеры и NVR включены в сеть, процесс записи начинается автоматически с самыми высокими характеристиками 4CIF/25fps – нет необходимости программировать и настраивать устройства, Вы можете скорректировать параметры позже.

Три интерфейса для монитора
Все устройства, обеспечивающие визуализацию изображения в системе ENDURA® – декодеры, рабочие станции, цифровые матрицы, позволяют использовать любой из трех мониторов – с композитным входом, с S-Video входом, с VGA-входом. Все три интерфейса присутствуют в указанных устройствах.

Цифровая матрица
В состав системы ENDURA® входят не только кодеры, IP-камеры, DVR, NVR и рабочие станции, но и цифровые матрицы – VCD5000. Рабочая станция системы ENDURA® – WS5050, как и рабочие станции других сетевых систем, существующих в данный момент на рынке, обеспечивает управление системой, программирование и настройку, работу с планами объекта (v 1.6), отображение мультиэкранного изображения группы камер, полноэкранного изображения, воспроизведение, поиск записи, копирование и т. д. В том числе, рабочая станция WS5050 позволяет управлять выводом изображений (живых и записанных) на декодеры, к которым подключаются мониторы. Таким образом, оператор может работать не только с монитором рабочей станции, но и с мониторами декодеров, обеспечивая вывод изображений на них.
Однако настоящей цифровой матрицей является VCD5000. Это устройство, работающее под управлением Linux OS и обеспечивающее вывод изображений от 64-х камер (живое и запись) на 4-е монитора. Формально таких устройств может быть сколь угодно много. (Реальное число определяется расчетом сети ENDURA®) Управление ими осуществляется с помощью одной или нескольких клавиатур KBD5000. Оператор, работающий с такой цифровой матрицей, контролирует все IP-кодеры, IP-камеры, NVR, DVR в сети ENDURA®. Это эксклюзивное устройство отсутствует в системах конкурентов.

Многофункциональная клавиатура KBD5000

Специально разработанная для устройств ENDURA®, клавиатура KBD5000 имеет USB-интерфейс и может быть подключена к регистратору DVR5100, рабочей станции WS5050, цифровой матрице VCD5000. Клавиатура имеет встроенный трехосевой джойстик для управления телеметрией и две круговых тастатуры для выбора камер и мониторов, а также запуска скриптов, активизации реле и ряда других функций. Джойстик и тастатуры могут быть поменяны местами для удобства оператора. Клавиатура имеет отдельный USB-порт для копирования данных из архива NVR.

Воспроизведение записи через декодеры
Подавляющее большинство существующих на сегодняшний день цифровых сетевых систем позволяют воспроизводить запись с сетевых видеорегистраторов NVR только посредством рабочих станций, т. е. запрос видеопотока с NVR и декодирование (воспроизведение) осуществляет компьютер. Декодеры системы ENDURA® обеспечивают аппаратную декомпрессию на монитор не только живого (передаваемого кодером или IP-камерой) потока, но и записанного потока с NVR.

Технология EnduraStor&spanade;
Цифровые (DVR) и сетевые видеорегистраторы (NVR) ENDURA® используют специально разработанную запатентованную технологию записи и хранения данных EnduraStor&spanade;, обеспечивающую надежное и долгосрочное хранение наиболее важных записей, а также позволяющую повысить эффективность использования емкости накопителей. В основе этой технологии лежит алгоритм обработки информации, закодированной в формате MPEG. Структура потока состоит из I-кадров (опорных) и P-кадров (изменений), которые записываются отдельно в разные файлы. Пользователь устанавливает предел хранения данных (в сутках), после которого автоматически запускается процесс удаления P-кадров. Таким образом, основные изображения хранятся дольше, а в архиве высвобождается свободное место.

Накопители с интерфейсом iSCSI.
Большинство существующих на сегодняшний день цифровых сетевых систем используют морально и технически устаревшие накопители с интерфейсом SCSI. Недостатком таких устройств является ограничения интерфейса SCSI – длина кабеля не более 25м, число накопителей одновременно работающих с одним регистратором (в данном случае с NVR). В системе ENDURA® использовано новое решение - интерфейс iSCSI, которое заключается в инкапсуляции протокола SCSI в пакеты IP (SCSI over IP). Концепция iSCSI подразумевает использование одной и той же сетевой технологии и для LAN, и для сетей хранения данных. Для организации сетевых соединений iSCSI используются обычные IP маршрутизаторы и обычные Ethernet-коммутаторы.

Управление телеметрией поворотных камер по коаксиальному кабелю
В отличие от существующих систем, кодеры ENDURA® могут управлять PTZ-камерами не только через интерфейсы RS-232/422/485, но и по коаксиальному кабелю, по которому от камеры осуществляется передача видеосигнала. Таким образом, нет необходимости в прокладке дополнительных коммуникаций.

Интеграция с программируемыми матричными коммутаторами СМ9770/9780 Pelco
Большинство существующих на сегодняшний день цифровых сетевых систем не позволяют эффективно использовать аналоговые системы управления изображением, например, такие как мощные и функциональные программируемые матричные коммутаторы. Компания Pelco разработала специальный декодер CM9760-MDD, обеспечивающий интеграцию ENDURA® в систему коммутаторов СМ9770/9780. Оператор коммутатора имеет доступ не только к аналоговым, но и к цифровым камерам/кодерам, а также к архиву (NVR).

Дизайн от DELL
Разработка дизайна элементов системы осуществлялась совместно с компанией DELL. Кроме того, в системе ENDURA® используются элементы компьютерных систем DELL.

В настоящее время системы ENDURA® развернуты в значительном количестве казино Лас-Вегаса и Макао. Вот некоторые из них:
Казино San Manuel Indian Bingo and Casino - San Bernardino, CA
Казино Black Oak Casino - Tuolumne, CA
Казино Coushatta Casino - Kinder, LA
Казино Spirit Mountain Casino, Mohave Valley AZ
Казино Waldo Casino - Macau
Казино Grand Waldo Casino, Macau
Казино Rio Casino & Hotel, Macau
Казино Chuckhansi Casino - Coaiscguld, CA
Казино Sun Coast Casino - Las Vegas, NV
Казино President Casino - Macau

Кроме того, системой ENDURA® оборудованы такие объекты как,
Парламент Королевства Нидерланды
Музей Ван Гога в Амстердаме
Игналинская атомная станция и сеть подстанций в Литве
Аэропорт McCarran International, Las Vegas, США
Стадион BC Plays Ванкувер, Канада
Система видеоконтроля трафика городов Измир и Стамбул в Турции
Система безопасности столицы Катара – Доха
Система безопасности г. Монтерей (Мексика)
Система видеоконтроля трафика г. Вашингтон (США)
Система безопасности г. Фресно (США)