System telewizji dozoru w oparciu o platformę UltraView

Transkrypt

1 System telewizji dozoru w oparciu o platformę UltraView Dla budynków i obszarów przyległych przewiduje się budowę systemu telewizji dozorowej, dla którego medium komunikacyjnym będzie wydzielona sieć Ethernet. Proponowaną platformą sprzętową jest system UltraView. Architekturę systemu opisano poniżej. Siłą systemu jest możliwość wykorzystania kamer różnych technologii zaczynając od kamer zwanych analogowymi, poprzez dedykowane kamery systemowe wykorzystujące innowacyjny skalowalny kodek wideo H264-SVC, kończąc na kamerach megapikselowych. System UltraView nie ogranicza się do pracy z kamerami tylko jednego producenta. Technologia kompresji obrazu H264-SVC (Scalable Video Coding) H264-SVC jest skalowanym kodekiem opracowywanym jako rozwinięcie standardu H.264/MPEG-4 AVC. Skalowalność (scalability) jest jednym z najbardziej innowacyjnych osiągnięć w technikach kompresji obrazu. Skalowalność cyfrowego strumienia wideo oznacza, że ze strumienia reprezentującego obrazy można w dekoderze użyć tylko jego pewnej części i uzyskać z tej części prawidłowy obraz. Jeżeli obraz zrekonstruowany z części strumienia skompresowanych danych różni się od oryginału mniejszą rozdzielczością przestrzenną, to mówi się o skalowalności przestrzennej (spatial scalability). Analogicznie, jeżeli obraz ma mniejszą częstotliwość obrazów, to mówi się o skalowalności czasowej (temporal scalability). Jeżeli z części strumienia odzyskuje się obraz o pełnej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, to jego jakość jest odpowiednio mniejsza i wtedy mówi się o skalowalności jakości (SNR scalability). Standard H.264-SVC umożliwia całkowite zagnieżdżanie strumieni o różnych parametrach, to znaczy każdy strumień mniejszej prędkości transmisji (rozdzielczości) jest zawarty w strumieniu o większej prędkości transmisji. Zapewniane przez kodowanie skalowalne zagnieżdżanie strumieni nie zwiększa prędkości transmisji więcej niż o 10% w stosunku do prędkości uzyskiwanej w kodowaniu nieskalowalnym (H.264). Opracowany przez UTC Fire&Security standard H.264-SVC jest jednym z najefektywniejszych kodeków dostępnych na rynku. Kompresja H264-SVC oferuje: Najlepszą osiągalną jakość obrazu na rynku w stosunku do zajmowanego pasma Opóźnienie kodowania, przesyłania i wyświetlania sygnału wideo poniżej 200ms Uzyskanie symultanicznie z jednego kodeka nie mniej niż 5 strumieni wideo o maksymalnych parametrach jakościowych (pasmo 3Mbps dla każdego strumienia) i nawet do 17 strumieni o parametrach nieprzekraczających wynikowo pasma 1Mbps Poprawę możliwości sterowania i optymalizuje wykorzystanie sieci Zwielokrotnienie ilości strumieni, które mogą być pokazane na stacjach klienckich Optymalizację pasma sieciowego (Do odbiorcy wysyłane są tylko wymagane rozdzielczości / Efektywne wykorzystanie sieci ze zmienną przepływnością) Wysoką wydajność dekodera po stronie odbiorcy (Dekodujemy tylko to, co aktualnie wyświetlamy) Największą zaletą kodeka w stosunku do wcześniej stosowanych koderów H.264 / AVC jest skalowalność. Oznacza to, że do przesyłu sygnałów o różnej rozdzielczości z tego samego źródła potrzebujemy znacznie mniejszego pasma sieci IP. Oszczędności uzyskane w przepływności sieci wpływają jednoznacznie na wymagania dotyczące wydajności obsługującego system sprzętu. Jeden przesyłany sygnał wideo w tym standardzie może zawierać do 3 różnych rozdzielczości. Dla przykładu jedna z możliwości optymalizacji wykorzystującej standard H.264-SVC polega na tym, że ten sam strumień zakodowanego obrazu może posłużyć do obrazowania pełnoekranowego z rozdzielczością 4CIF lub typu quad z rozdzielczością CIF, czy też obraz z podziałem na 16 z rozdzielczością QCIF. Wystarczy do tego jeden strumień bez konieczności dodatkowych operacji kodowania/dekodowania, którego skutkiem są dodatkowe opóźnienia i potrzeba stosowanie sprzętu o większej wydajności. W danym czasie dekodowany jest strumień danych wideo o wymaganej rozdzielczości, zajętość pasma w sieci i obciążenie jednostki dekodującej jest adekwatne do strumienia danych wideo przetwarzanych w danym czasie Profity wynikające z zastosowania H264-SVC: znaczne zmniejszenie ilości przesyłanych danych w sieci IP znaczne zmniejszenie zapotrzebowania na wydajność urządzeń obsługujących system Kodek H264-SVC implementowany jest we wszystkich produktach UltraView pracujących w sieciach Ethernet i produkowanych przez UTC Fire&Security. 1/6

2 Architektura systemu UltraView SDK Client (VSC, GENav) Central Configuration Server Clients and Services VOS DVR HW and SW Devices Video Analytics Server VOS NVR Analog Cameras Encoder 10 HTTPS connection Encoder 10 Based IP camera IP Camera PSIA IP Camera IP Audio module 1. System nadzoru video UltraView (UV) składa się z siedmiu warstw funkcjonalnych. a. kodery/dekodery/rekordery wideo zaprojektowane do przechwytywania i przekierowywania strumieni wideo do stanowisk operatorskich oraz magazynów danych z kamer wizyjnych. b. Kamery IP z kodekiem skalowalnym (H264-SVC) certyfikowane z systemem nadzoru UltraView. c. Wsparcie dla różnych technologii kamer wizyjnych kamery IP o standardowej rozdzielczości (SD), kamery IP o rozdzielczościach megapikselowych (HD) oraz kamery analogowe d. Macierze dyskowe gromadzące dane z zadanymi parametrami i czasem przechowywania. Przestrzeń dyskowa może być zainstalowana zarówno w urządzeniach kodujących, jak i dedykowanych rejestratorach IP. Dyski pracują w standardzie RAID5 lub JBOD. Rozszerzenie pojemności odbywa się poprzez dołączenie kolejnych jednostek magazynujących bezpośrednio do koderów/dekoderów/rekorderów poprzez interfejs Serial Attached SCSI (SAS). e. Stacje klienckie (PC) zaprojektowane do podglądu materiału na żywo oraz zarejestrowanego, sterowania punktami kamerowymi. f. Serwisy centralnej bazy danych przechowujący konfiguracje poszczególnych urządzeń, odpowiedzialny za uaktualnianie ustawień łącznie z serwisem odpowiedzialnym za kopię zapasową bazy danych. g. Serwisy bazy danych do zarządzania zdarzeniami, odpowiedzialne za nadzorowanie wszystkimi alarmami/zdarzeniami pochodzącymi z systemu. Umożliwiają one w sposób elastyczny na przekierowania aktywacji pochodzących z wejść systemu na programowalne akcje systemu na dowolnym urządzeniu (koder/decoder/rekorder) lub nawet przekierowane do innego systemu h. Standardowe serwisy analizy wideo zawierające oprogramowanie uruchamiane w tle dla każdej kamery raportujące do managera zdarzeń zdarzenia typu: 1) Detekcja aktywności dla wybranych fragmentów obrazu z regulowaną czułością 2) Prześwietlenie i zasłonięcie kamery 3) Zmiana pozycji kamery (dla kamer stacjonarnych) 2. Wszystkie urządzenia takie jak, kodery/dekodery/rekordery, kamery IP, stacje klienckie, serwisy konfiguracyjne, serwisy zarządzania zdarzeniami, macierze oraz urządzenia analizy wideo pracują wspólnie pod jednym systemem operacyjnym wideo Video Operating System (VOS), który skontroluje komunikację 2/6

3 sieciową danych audio/wideo/danych, komunikację pomiędzy poszczególnymi urządzeniami, ruch w sieci, zdarzenia i stany techniczne poszczególnych jednostek sytemu oraz dodatkowe serwisy plug-in (analiza wideo). VOS dodatkowo zarządza dystrybucją uaktualnień oprogramowania urządzeń. a. Kodery/dekodery/rekordery oraz kamery IP będą umożliwiać: 1) Centralną konfigurację wszystkich urządzeń wykorzystujących komunikację IP poprzez serwer centralny. 2) Dystrybucję ustawień urządzeń poprzez sieć IP. 3) Połączenie dwóch topologii zcentralizowanej oraz rozproszonej. 4) Specjalizowane macierze oraz kodery/dekodery wielokanałowe są skonstruowane w sposób odporny na awarie, czyli: - Posiadają kompaktową budowę PCI bazującą na przemysłowych rozwiązaniach (CPCI) - Urządzenia koncentrujące powyżej 24 kanałów analogowych oraz 24 kanałów IP będą wyposażone w redundantne hot-swap owe zasilacze. - Posiadają hot-swap owe dyski pracujące w standardzie SAS. - Posiadają hot-swap owe wentylatory. - Posiadają podwójny port Gigabit Ethernet. - Modularna konstrukcja zapewniająca swobodny dostęp do urządzeń montowanych w szafie typu rack bez konieczności ich demontażu. Wymagany jest dostęp do następujących komponentów: CPU, płyta kodeków wideo, moduły I/O, dyski, wentylatory, zasilacze. 3. System zapewnia skalowalność od 1 do ponad punktów kamerowych w oparciu o dedykowany sprzęt i oprogramowanie. 4. Platforma UltraView pracuje w oparciu o sieć w standardzie Ethernet. 5. System wspiera zarówno technologię kamer IP oraz kamer analogowych w zakresie nagrywania, odtwarzania, wyświetlania na żywo oraz obsługi funkcji PTZ. Z punktu widzenia operatora nie będzie różnicy pomiędzy obsługą poszczególnych typów kamer (analog / IP). 6. System bazuje na certyfikowanych urządzeniach IP działających w czasie rzeczywistym pod wspólnym systemem zarządzania. Urządzenia będą wykorzystywać mechanizmy systemów Windows WEPOS lub Linux, takie jak wsparcie poprawek oraz uaktualnień aplikacji. Ponadto urządzenia będą posiadać sprzętowy i programowy system samokontroli (watchdog) automatycznie restartujący urządzenie w przypadku błędów lub zawieszeń. 7. Wszystkie urządzenia UltraView (kodery, dekodery, rekordery oraz kamery IP) obsługują kompresję H.264- SVC umożliwiającą skalowanie czasowe oraz objętościowe: a. Kodek umożliwia skalowanie strumienia po czasie i objętości tak, aby można było zdekodować jednocześnie minimum sześć różnych podstrumieni różniących się jakością, szybkością i rozdzielczością. b. Kompresja H.264-SVC zapewnia możliwość zakodowania do 3 różnych rozdzielczości w jednym strumieniu danych wideo, a co za tym idzie dekodowania z jednego strumienia danych wideo obrazów o rozdzielczościach 4CIF/CIF/QCIF bez konieczności generowania dodatkowego pasma w sieci IP. c. Każdy strumień ma możliwość dostrojenia objętości w granicach od 50Kbps do 4Mbps dla urządzeń wielokanałowych, a 50Kbps 3Mbps dla urządzeń jednokanałowych 8. Kodery są tak zaprojektowane, aby umożliwić aktualizację oprogramowania wewnętrznego bez konieczności wymiany urządzenia. 9. System operacyjny wideo VOS jest niezależny od kodeka w taki sposób, aby po zmianach lub dodaniu wsparcia dla nowego kodeka nie utracić kompatybilności systemu. Kompatybilność rozumiana, jako zachowanie wszystkich funkcji i parametrów użytkowych. System operacyjny dzięki swojej niezależności od stosowanego standardu kodowania będzie obsługiwać kamery IP wspierające MPEG4-ASP, MPEG4-AVC, H.264, MJPEG, H.264-SVC w taki sam sposób jak kamery analogowe poprzez kodery jedno/wielokanałowe, rekordery oraz serwery analizy wideo. 10. System operacyjny wideo VOS zawiera zgodność z warstwą standardu PSIA na poziomie umożliwiającym wsparcie dla dowolnego dostawcy kamer zgodnych ze standardem PSIA w ramach poniższych funkcjonalności: a. Obsługa strumienia wideo (Video streaming) b. Konfiguracja strumienia wideo c. Nagrywanie strumienia wideo d. Sterowanie funkcjami PTZ e. Synchronizacja czasu NTP 11. System operacyjny VOS posiada zdodność z szeregemi protokołów sterujących dla kamer PTZ, zarówno analogowych jak i IP. Umożliwia to konfigurację poleceń sterujących (protokołu transmisji) z poziomu aplikacji i wirtualnego sterownika PTZ jak również podłączenie do stacji klienckiej lub kodera/rekordera sprzętowej 3/6

4 klawiatury PTZ poprzez złącze danych RS232 po stronie nadawczej. Analogicznie po stronie odbiorczej możemy wykorzystać wyjście danych RS422/RS485 w koderach/rekorderach do połączenia sterowania kamer analogowych PTZ lub bezpośrednio wysyłać komendy sterujące do obrotowych kamer IP. Dodatkowo system umożliwia translację protokołów (inny standard komend protokołu PTZ na wejściu i wyjściu). 12. Kodery z kompresją H264-SVC będą obsługiwać mechanizm multistreamingu (niezależne strumienie wideo z jednego kodera) z minimum sześcioma różnymi i niezależnymi kombinacjami rozdzielczości i szybkości odświeżania obrazu dostępne w tym samym czasie. Multistreaming będzie dostępny jednocześnie dla wszystkich kanałów wideo występujących w systemie. Ponadto umożliwiać będą: a. Wsparcie wielu strumieni Unicast UDP oraz Multicast UDP Ethernet IP dla każdej kombinacji częstotliwości odświeżania i rozdzielczości b. Obsługę częstotliwości odświeżania od 1fps do 25fps (frame per second) dla standardu PAL c. Skalowalnie czasowe zapewniające dla każdego strumienia H.264-SVC jednocześnie minimum 1 strumień 4CIF/25fps plus 4 strumienie o szybkościach 12.5, 6.5, 3, 1.5, 1, 0.5 fps z konfigurowalną wielkością strumienia bez konieczności stosowania dodatkowych koderów. d. Skalowanie objętościowe zapewniające wyodrębnienie z każdego strumienia H.264-SVC jednocześnie minimum 1 strumienia 4CIF oraz 2 strumienie dodatkowe o rozdzielczościach CIF i QCIF. e. Jednoczesne połączenie możliwości skalowania czasowego i objętościowego, które może odbywać się w dowolnych koniunkcjach. Poniżej podano przykłady praktycznego wykorzystania możliwości kodeka skalowalnego: 1) Rejestracja normalna: 6.5fps, 4CIF 2) Rejestracja alarmów/zdarzeń: 25fps, 4CIF 3) Rejestracja materiału przechowywana w archiwach długoterminowych: 3fps, CIF 4) Strumień podglądu live: 25fps, 4CIF 5) Strumień dla urządzeń mobilnych: 1fps, CIF 6) Strumień na potrzeby zaawansowanej analizy obrazu: 6.5fps, CIF f. Obsługę rozdzielczości QCIF, CIF, 2CIF, 4CIF, VGA, SVGA, HD720p, XVGA, UXGA. Każdy strumień zdefiniowany rozdzielczością i szybkością ma możliwość konfiguracji pasma. Przykładowo, jeżeli 4CIF ustawimy jako 2Mbps, strumień o rozdzielczości CIF może niezależnie być ustawiony jako 500Kbps oraz QCIF jako 100Kbps. Każdy definiowany strumień wideo w koderze może mieć niezależnie definiowane dodatkowe strumienie w ramach skalowania objętościowego (dotyczy koderów H.264-SVC) g. Możliwość indywidualnej konfiguracji pasma dla każdej kamery w warstwie kodeka H264-SVC adekwatną do zaprogramowanej szybkości odświeżania. Zgodnie z założeniem, że zdefiniowane pasmo dla strumienia wideo musi gwarantować pożądaną szybkość odświeżania. h. Kodowanie obrazu opierające się na regulowanych grupach obrazów (GOP) w celu zapewnienia optymalizacji strumienia oraz zwiększenia szybkości przełączania oraz polepszenia jakości i. Opóźnienia sygnałów audio/wideo/danych, od momentu zakodowania poprzez przesłanie, rozkodowanie i wyświetlenie na monitorze nie większe niż 200ms. Przy założeniu poprawnie działającej i odpowiednio wydajnej sieci IP. 13. Jakość obrazu zdefiniowana w wytycznych projektowych bierze się z kompromisu uzyskanego poprzez dobranie rozdzielczości i szybkości odświeżania do zajmowanego pasma. a. Dobra jakość obrazu powinna być zapewniona przy paśmie 1-1.5Mbps dla kamer stacjonarnych przy normalnej aktywności sceny i parametrach 4CIF, 25FPS. Dla kamer z kodekiem MPEG4-ASP spodziewana wielkość strumienia będzie o 25% większa niż dla kodeka H264-SVC b. Dobra jakość obrazu powinna być zapewniona przy paśmie 1.5-2Mbps dla kamer stacjonarnych przy dużej aktywności sceny oraz kamer PTZ, przy parametrach 4CIF, 25FPS. Dla kamer z kodekiem MPEG4-ASP spodziewana wielkość strumienia będzie o 25% większa niż dla kodeka H264-SVC 14. Przesył strumieni wideo wspiera protokoły RTP/RSTP 15. System zapewnia integralność i autentyczność strumienia wideo przesyłanego pomiędzy urządzeniami nadawczymi oraz stacjami klienckimi i rekorderami niezależnie od ilości transmisji w sieci lub wykonanych kopii. a. Autentykacja materiału archiwalnego gwarantuje: 1. że obrazy wideo nie były modyfikowane 2. że wszystkie znaczniki systemowe, takie jak znacznik urządzenia, opis kamery, zapisany znacznik czasu nie były modyfikowane. b. Metody zabezpieczenia autentyczności materiału archiwalnego: 7) Cyfrowy podpis bazujący na publicznych kluczach kryptograficznych wykorzystujący algorytmy DSA, EC-DSA, RSA lub SHA 8) Certyfikaty kompatybilne z X.509 4/6

5 9) Zastosowanie standardów DSS oraz ANSI 16. Zastosowanie metod zabezpieczenia autentyczności dotyczy wszystkich kamer IP oraz kamer łączonych poprzez kodery. a. Jeżeli zastosowana kamera nie wspiera w sposób natywny żadnej metody zabezpieczenia autentyczności obrazu, system UltraView zapewnia tą funkcjonalność od urządzenia, w którym kamera została zdefiniowana w systemie VOS. 17. Gama sprzętu systemu zawiera następujące jednostki (wszystkie wartości podawane są w odniesieniu do strumieni wideo kodowanych w standardzie H.264-SVC): a. Urządzenia kodujące sygnał analogowy (kodery) kanałowe kanałowe kanałowe b. Urządzenia dekodujące sygnał analogowy (dekodery) kanałowe kanałowe kanałowe c. Urządzenia rejestrujące strumienie IP (rekordery) kanałowe kanałowe kanałowe kanałowe 18. Jednostki dekoderów pełnią następujące zadania: a. Dekodują strumienie wideo i umożliwiają wyświetlanie obrazów na monitorach analogowych (jedynie dla H.264-SVC) b. Dekodowanie strumienia odbywa się w sposób sprzętowy bez użycia komputerów PC c. Dekodowane sygnały mogą pochodzić bezpośrednio z koderów lub z archiwum zapisanego na dyskach rekorderów 19. Występujące w systemie kodery i dekodery umożliwiają programowe przypisanie dowolnego wejścia wideo w systemie do wyjścia w zależności od zaprogramowanej sekwencji zdarzeń 20. Urządzenia systemowe UltraView wspierają oprócz funkcji kodowania, dekodowania i zapisu sygnałów wideo sprzętową obsługę sygnałów: a. Audio (ilość zależna od urządzenia) b. Sterujących RS422/RS485 oraz RS232 (ilość zależna od urządzenia) c. Wejścia/wyjścia I/O (ilość zależna od urządzenia) 21. System UltraView wspiera kodery audio firm trzecich, zapewniając konwersję analogowych sygnałów audio do standardowych strumieni audio w postaci cyfrowej. Kodery audio mogą przesyłać sygnały do wielu odbiorników (rekorderów). Cyfrowe sygnały audio mogą być synchronizowane ze strumieniami wideo i zapisywane jako niezależne dane w rekorderach 22. System operacyjny VOS umożliwia zastosowanie dodatkowych serwisów (plug-in ów) firm trzecich służących do integracji z innymi platformami lub zaawansowanej analizy obrazu. Stosowanie (konfiguracja strumienia wideo, aktywacja i ustawienia) takich rozszerzeń systemu odbywa się centralnie z poziomu centralnej bazy. Umożliwia to łatwą i elastyczną aktualizację, niezależną od samych kamer, a co się z tym wiąże niezależną także standardów kodowania używanych przez kamery. Same serwisy odpowiedzialne za analizę obrazów mogą być uruchamiane na koderach lub rekorderach w przypadku wolnych zasobów lub niezależnych dedykowanych serwerach. Zwrotnie z takich serwisów wysyłane są zdarzenia lub MStream (grafika wektorowa), które mogą posłużyć do sterowania zachowaniem całego systemu. 23. W standardzie system UltraView daje wsparcie sprzętowe w koderach dla dwóch algorytmów analizy wideo: a. Activity Detection (AD) zaawansowana detekcja ruchu b. Camera Maintenance Agent (CMA) Wykrywanie sabotażu kamery Oba plug-in y są dostępne również jako biblioteki DLL stworzone w oparciu o PDK (Plugin Development Kit), co umożliwia niezależne przypisanie ich do dowolnej kamery IP w systemie, przy zapewnieniu wolnych zasobów w koderach lub rekorderach systemowych. 5/6

6 Urządzenia systemu UltraView (kodery/dekodery/rekordery) UVE-1001 /UVX-101 Jednokanałowy Koder(UVE) / Dekoder (UVX) sygnału wizyjnego z zaimplementowanym skalowalnym kodekiem H264-SVC UltraView Rekorder 40 Rekordem z funkcjonalnością kodera / dekodera wielokanałowego, wyposażony w dyski do 2 TB (JBOD), pracujący z kamerami analogowymi do 12 szt. I do 12 kamer IP. UltraView Rekorder 60 Rekorder sieciowy z funkcjonalnością kodera wyposażony w hot-swap ową macierz dysków do 8 TB (SAS), z możliwością rozszerzenia do 96TB, obsługujący do 24 kamer analogowych i 24 kamer IP, lub do 48 kamer IP. TruVision Rekorder 40 Rejestrator sieciowy wyposażony w dyski 2 lub 4 TB (JBOD), obsługujący do 24 kamer IP. UltraView Rekorder 80 Rekorder sieciowy wyposażony w hot-swap ową macierz dysków do 24 TB (SAS), z możliwością rozszerzenia do 120TB, obsługujący do 120 kamer IP (H.264-SVC), lub do 64 dowolnych kamer IP. Karta sieciowa Dual gigabit Ethernet; Redundantny zasilacz hotswap owy, system VOS w pamieci typu Flash. UltraView UVS-80 Hotswap owa macierz dyskowa 12/24/48 TB (SAS) służąca do zwiększenia pojemności dysków rekorderów z serii UVN-80 i UVN-60. 6/6