eng
Выпуск #7/2014
В.Ефремов
Системы видеонаблюдения реального времени – современные решения
Системы видеонаблюдения реального времени – современные решения
Просмотры: 3226
О современных решениях для организации систем видеонаблюдения на основе гигабитного Ethernet (GigE), обеспечивающих необходимую им производительность и гибкость, рассказывается в статье.
Архитектура систем видеонаблюдения
Простейшая система передачи видео в режиме реального времени строится на основе архитектуры точка-точка: видеокамеры подклю-чаются непосредственно к блоку захвата изображения ПК (рис.1а). Когда необходимо обеспечить отображение видео на более чем одном дисплее или его программную обработку на нескольких ПК, требуются дополнительные линии связи точка-точка между ПК, контроллерами дисплеев и прочими составляющими системы. В таком случае организация сети в формате точка-точка может стоить дорого, а управлять ею будет сложно. Кроме того, при переходе на видеокамеры с высокими разрешением и частотой развертки, требующими широкого канала передачи данных, ресурсов сети с такой архитектурой может оказаться недостаточно для передачи видео в режиме реального времени.
Технология Ethernet обеспечивает превосходную гибкость при формировании практически любой сетевой конфигурации, включая форматы точка-точка, звезда и распределенная сеть (см. рис.1) на базе стандартных коммутаторов. Протокол Ethernet поддерживается большинством сетей как военного, так и гражданского назначения, а элементная база для его реализации обходится недорого. Наряду с этим Ethernet обеспечивает достаточно протяженную линию связи между узлами сети – примерно 100 м для витой пары категории 5/6 и еще больше при использовании оптоволокна. Благодаря таким свойствам Ethernet как хорошая масштабируемость и поддержка распределенной архитектуры сеть легко развивать, включая в нее дополнительные камеры, средства визуализации и хранения информации, модули управления и другие устройства. При этом модернизация сети возможна без прекращения ее функционирования.
Стандарт GigE Vision
Впервые возможности Ethernet для передачи больших объемов видеоданных были реализованы в системах машинного зрения более десяти лет назад, на этапе внедрения GigE. Популярность GigE в промышленных системах видеонаблюдения обеспечила создание в 2006 году стандарта GigE Vision, ставшего глобальной открытой платформой для передачи видеоданных и команд управления в сетях Ethernet.
GigE Vision представляет собой стандартизированную платформу для передачи сетевого видео на базе Ethernet-архитектуры. Сегодня интерфейсом GigE Vision оснащены практически все видеокамеры, используемые в сегменте машинного зрения. GigE Vision, состоящий из четырех основных компонентов (рис.2), обеспечивает поддержку более 20 протоколов, в том числе IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 1588 (синхронизация времени), IETF RFC2026 (jumbo-пакеты) и EMVA GenICam (XML-файл описания устройства). Версия 2.0 стандарта GigE Vision поддерживает передачу данных на скорости 10 Гбит/с.
Ключевые характеристики систем видеонаблюдения, работающих в реальном времени – задержка и джиттер сигнала. На заре развития Ethernet задержка в несколько секунд при передаче изображения признавалась нормой. Даже сегодня этот показатель, составляющий около двух секунд, считается приемлемым в системах безопасности, поскольку большая часть видеоданных сохраняется на накопителе для последующего просмотра. Но, например, в промышленных системах технического зрения задержка передачи изображения с видеосенсора на дисплей не должна превышать 100 мс.
В сетевых системах видеонаблюдения важными факторами, определяющими задержку, являются алгоритм формирования пакетов данных и протоколы их передачи. Стандарт GigE Vision ориентирован на оптимизацию этих алгоритмов со стороны передатчика и приемника. Тесты показывают, что в Ethernet-системах с применением программного обеспечения GigE Vision задержка видеосигналов составляет менее 100 мс, что допустимо для большинства систем машинного зрения.
Другой способ повышения производительности Ethernet-систем сетевого видео – применение jumbo-кадров – позволяет значительно снизить загрузку центрального процессорного устройства (ЦПУ). Jumbo-кадр содержит больший объем информации по сравнению со стандартным кадром – 9 тыс. байт против 1,5 тыс. байт. То есть, размер jumbo-кадра в шесть раз превышает размер стандартного кадра, при этом для его обработки задействуется 0,55% ресурсов ЦПУ, в то время как для обработки стандартного кадра – 4%. Благодаря этому по одному каналу GigE можно передать примерно 13,8 тыс. jumbo-кадров в секунду. Таким образом, jumbo-кадры позволяют не только увеличить объем передачи данных в единицу времени, но и оптимизировать загрузку ЦПУ. Драйверы, используемые в GigE Vision, повышают эффективность применения jumbo-кадров.
Примеры высокопроизводительных систем видеонаблюдения
Разработчики систем машинного зрения для медицинской, военной, промышленной и транспортной отраслей выбирают решения, позволяющие обеспечить надежную передачу видео с минимальной задержкой и обладающие хорошим соотношением цена/качество.
В частности, для достижения необходимой производительности системы машинного зрения, используемой при проведении хирургической операции, необходимо тщательно выбирать ее компоненты. Производители рентгеновской техники, детекторов с плоской панелью и других медицинских устройств накопили достаточный опыт интеграции сетевых интерфейсов GigE Vision в свое оборудование для передачи видео в режиме реального времени (рис.3). Применение GigE Vision наряду с высокой производительностью позволяет кардинально снизить стоимость всей системы за счет исключения из нее дорогостоящих устройств захвата кадров – их функции выполняет программное обеспечение GigE Vision.
В транспортной сфере видеонаблюдение широко используется на участках платных автомагистралей (рис.4). Ввиду больших дистанций для связи с сервером в таких системах применяются оптоволоконные линии, а данные с видеокамер, расположенных на расстоянии 100 м друг от друга, передаются по электрической линии. Стандарт GigE Vision адаптирован к подобной инфраструктуре, предлагается большой выбор оборудования с оптическими и электрическими портами для построения систем сетевого видео.
Промышленная автоматизация – также одна из областей применения систем машинного зрения. Ключевое требование к системам машинного зрения в этом сегменте – минимально возможная задержка видео, что обусловлено применением роботизированной техники в конвейерном производстве. Для логистических компаний важна также скорость реагирования при автоматизированной сортировке. Следует отметить, что одна из функций GigE Vision – повторной отправки данных – гарантирует качественную передачу видео даже в том случае, если при первичной отправке произошла потеря пакетов или их порча, вызванная, например, электромагнитными помехами на линии связи.
Рассмотрим структуру системы машинного зрения для автоматизированной линии сортировки (рис.5). Видео с камер линейного сканирования позволяет анализировать наличие или отсутствие видимых дефектов продукции, для этого используется несколько ПК, причем каждый реализует свой алгоритм выявления дефекта. Главный компьютер обрабатывает полученные результаты и формирует команды для маркировочного оборудования, имеющего порт GigE Vision.
Системы видеонаблюдения находят широкое применение и в наземной военной технике: видеокамеры фиксируют ситуацию вокруг машины, и система в режиме реального времени транслирует картинку на бортовые дисплеи для оперативного реагирования. Аналоговые камеры передают данные в бортовую сеть Ethernet посредством конвертеров аналогового видео в формат GigE Vision. Такое решение обеспечивает задержку не более 80 мс, сопоставимую с режимом реального времени, что достигается преимущественно за счет низкой частоты кадров аналогового видео NTSC (30 кадров в секунду / задержка кадра составляет 33 мс) и PAL (25 кадров в секунду / задержка кадра составляет 40 мс). Задержку передачи видео в подобных системах можно значительно уменьшить путем применения современных цифровых видеокамер с высокой частотой кадров и интегрированным модулем GigE Vision. Примером видеонаблюдения в военной технике может служить бортовая система управления БТР (рис.6), в которой используются аппаратные решения компании MOOG Protokraft (www.protokraft.com).
Еще одна область применения сетевых систем видеонаблюдения – авиационная техника, включая БПЛА. В качестве примера можно привести авиационную бортовую систему передачи и обработки данных, в том числе видео, также оснащенную устройствами компании MOOG Protokraft: оптоэлектронными трансиверами, Ethernet-коммутаторами, конвертерами интерфейсов (рис.7).
Рассмотрим продукцию компании MOOG Protokraft подробнее.
Аппаратные решения компании MOOG Protokraft
Компания MOOG Protokraft специализируется на проектировании и производстве оптоэлектронной элементной базы и модулей для построения высоконадежных сетей Ethernet для передачи данных в изделиях с высокими климатическими и механическими эксплуатационными нагрузками, в том числе для организации систем видеонаблюдения*.
Применение продукции MOOG Protokraft для построения сетевой системы видеонаблюдения рассмотрим на примере ботовой сети БТР (см. рис.6). Для включения в сеть Ethernet аналоговых видеокамер используется конвертер серии Eagle (рис.8), который преобразует аналоговый сигнал Camera Link или RS-170 в формат GigE Vision. Конвертер имеет прочный корпус из алюминия с коррозионно-стойким покрытием, низкое энергопотребление (4,5 Вт) и может быть оснащен электрическим или оптическим интерфейсом на выбор. Тем самым обеспечивается гибкость системы в плане дистанции трансляции видео и стойкости к электромагнитным помехам. Протяженность линии связи по витой паре достигает 100 м, по оптоволоконному кабелю – 500 м. Конвертер серии Eagle совместим с видеокамерами с форматами видео NTSC/PAL, CCIR, RS-170 и Camera Link, поддерживает 8-битное монохромное видео и формат YUV4:2:2 (только для RS-170). Устройство может работать с протоколами IEEE 802.3 (Ethernet), IP, IGMP, UDP и ICMP (ping).
В качестве Ethernet-коммутатора в системе используется устройство серии Viking (рис.9), оснащенное десятью электрическими портами GigE для подключения абонентов сети и двумя оптическими портами GigE (скорость передачи данных до 10 Гбит/с) для каскадного подключения нескольких коммутаторов Viking. Протяженность связи по витой паре достигает 100 м, по оптоволокну – 300 м. К преимуществам изделия относятся сверхмалые габариты и энергопотребление; наличие драйвера 10-гигабитного Ethernet, что определяет высокую производительность; интегрированный источник питания от бортовой сети. Устройство выполнено в корпусе с коррозионно-устойчивым кадмиевым покрытием.
Конвертер Eagle и Ethernet-коммутатор Viking подходят для применения в диапазоне температур от –60 до 85°C, устойчивы к механическим и климатическим внешним воздействиям в соответствии с MIL-STD-810.
В заключение следует отметить, что GigE Vision как эффективное решение для построения систем видеонаблюдения реального времени в среднесрочной перспективе может стать доминирующим стандартом передачи видеоданных. ⦁
* Ефремов В.В. Обзор оптоэлектронных преобразователей компании Protokraft. – Электронные компоненты, 2012, № 6, с. 69.
Простейшая система передачи видео в режиме реального времени строится на основе архитектуры точка-точка: видеокамеры подклю-чаются непосредственно к блоку захвата изображения ПК (рис.1а). Когда необходимо обеспечить отображение видео на более чем одном дисплее или его программную обработку на нескольких ПК, требуются дополнительные линии связи точка-точка между ПК, контроллерами дисплеев и прочими составляющими системы. В таком случае организация сети в формате точка-точка может стоить дорого, а управлять ею будет сложно. Кроме того, при переходе на видеокамеры с высокими разрешением и частотой развертки, требующими широкого канала передачи данных, ресурсов сети с такой архитектурой может оказаться недостаточно для передачи видео в режиме реального времени.
Технология Ethernet обеспечивает превосходную гибкость при формировании практически любой сетевой конфигурации, включая форматы точка-точка, звезда и распределенная сеть (см. рис.1) на базе стандартных коммутаторов. Протокол Ethernet поддерживается большинством сетей как военного, так и гражданского назначения, а элементная база для его реализации обходится недорого. Наряду с этим Ethernet обеспечивает достаточно протяженную линию связи между узлами сети – примерно 100 м для витой пары категории 5/6 и еще больше при использовании оптоволокна. Благодаря таким свойствам Ethernet как хорошая масштабируемость и поддержка распределенной архитектуры сеть легко развивать, включая в нее дополнительные камеры, средства визуализации и хранения информации, модули управления и другие устройства. При этом модернизация сети возможна без прекращения ее функционирования.
Стандарт GigE Vision
Впервые возможности Ethernet для передачи больших объемов видеоданных были реализованы в системах машинного зрения более десяти лет назад, на этапе внедрения GigE. Популярность GigE в промышленных системах видеонаблюдения обеспечила создание в 2006 году стандарта GigE Vision, ставшего глобальной открытой платформой для передачи видеоданных и команд управления в сетях Ethernet.
GigE Vision представляет собой стандартизированную платформу для передачи сетевого видео на базе Ethernet-архитектуры. Сегодня интерфейсом GigE Vision оснащены практически все видеокамеры, используемые в сегменте машинного зрения. GigE Vision, состоящий из четырех основных компонентов (рис.2), обеспечивает поддержку более 20 протоколов, в том числе IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 1588 (синхронизация времени), IETF RFC2026 (jumbo-пакеты) и EMVA GenICam (XML-файл описания устройства). Версия 2.0 стандарта GigE Vision поддерживает передачу данных на скорости 10 Гбит/с.
Ключевые характеристики систем видеонаблюдения, работающих в реальном времени – задержка и джиттер сигнала. На заре развития Ethernet задержка в несколько секунд при передаче изображения признавалась нормой. Даже сегодня этот показатель, составляющий около двух секунд, считается приемлемым в системах безопасности, поскольку большая часть видеоданных сохраняется на накопителе для последующего просмотра. Но, например, в промышленных системах технического зрения задержка передачи изображения с видеосенсора на дисплей не должна превышать 100 мс.
В сетевых системах видеонаблюдения важными факторами, определяющими задержку, являются алгоритм формирования пакетов данных и протоколы их передачи. Стандарт GigE Vision ориентирован на оптимизацию этих алгоритмов со стороны передатчика и приемника. Тесты показывают, что в Ethernet-системах с применением программного обеспечения GigE Vision задержка видеосигналов составляет менее 100 мс, что допустимо для большинства систем машинного зрения.
Другой способ повышения производительности Ethernet-систем сетевого видео – применение jumbo-кадров – позволяет значительно снизить загрузку центрального процессорного устройства (ЦПУ). Jumbo-кадр содержит больший объем информации по сравнению со стандартным кадром – 9 тыс. байт против 1,5 тыс. байт. То есть, размер jumbo-кадра в шесть раз превышает размер стандартного кадра, при этом для его обработки задействуется 0,55% ресурсов ЦПУ, в то время как для обработки стандартного кадра – 4%. Благодаря этому по одному каналу GigE можно передать примерно 13,8 тыс. jumbo-кадров в секунду. Таким образом, jumbo-кадры позволяют не только увеличить объем передачи данных в единицу времени, но и оптимизировать загрузку ЦПУ. Драйверы, используемые в GigE Vision, повышают эффективность применения jumbo-кадров.
Примеры высокопроизводительных систем видеонаблюдения
Разработчики систем машинного зрения для медицинской, военной, промышленной и транспортной отраслей выбирают решения, позволяющие обеспечить надежную передачу видео с минимальной задержкой и обладающие хорошим соотношением цена/качество.
В частности, для достижения необходимой производительности системы машинного зрения, используемой при проведении хирургической операции, необходимо тщательно выбирать ее компоненты. Производители рентгеновской техники, детекторов с плоской панелью и других медицинских устройств накопили достаточный опыт интеграции сетевых интерфейсов GigE Vision в свое оборудование для передачи видео в режиме реального времени (рис.3). Применение GigE Vision наряду с высокой производительностью позволяет кардинально снизить стоимость всей системы за счет исключения из нее дорогостоящих устройств захвата кадров – их функции выполняет программное обеспечение GigE Vision.
В транспортной сфере видеонаблюдение широко используется на участках платных автомагистралей (рис.4). Ввиду больших дистанций для связи с сервером в таких системах применяются оптоволоконные линии, а данные с видеокамер, расположенных на расстоянии 100 м друг от друга, передаются по электрической линии. Стандарт GigE Vision адаптирован к подобной инфраструктуре, предлагается большой выбор оборудования с оптическими и электрическими портами для построения систем сетевого видео.
Промышленная автоматизация – также одна из областей применения систем машинного зрения. Ключевое требование к системам машинного зрения в этом сегменте – минимально возможная задержка видео, что обусловлено применением роботизированной техники в конвейерном производстве. Для логистических компаний важна также скорость реагирования при автоматизированной сортировке. Следует отметить, что одна из функций GigE Vision – повторной отправки данных – гарантирует качественную передачу видео даже в том случае, если при первичной отправке произошла потеря пакетов или их порча, вызванная, например, электромагнитными помехами на линии связи.
Рассмотрим структуру системы машинного зрения для автоматизированной линии сортировки (рис.5). Видео с камер линейного сканирования позволяет анализировать наличие или отсутствие видимых дефектов продукции, для этого используется несколько ПК, причем каждый реализует свой алгоритм выявления дефекта. Главный компьютер обрабатывает полученные результаты и формирует команды для маркировочного оборудования, имеющего порт GigE Vision.
Системы видеонаблюдения находят широкое применение и в наземной военной технике: видеокамеры фиксируют ситуацию вокруг машины, и система в режиме реального времени транслирует картинку на бортовые дисплеи для оперативного реагирования. Аналоговые камеры передают данные в бортовую сеть Ethernet посредством конвертеров аналогового видео в формат GigE Vision. Такое решение обеспечивает задержку не более 80 мс, сопоставимую с режимом реального времени, что достигается преимущественно за счет низкой частоты кадров аналогового видео NTSC (30 кадров в секунду / задержка кадра составляет 33 мс) и PAL (25 кадров в секунду / задержка кадра составляет 40 мс). Задержку передачи видео в подобных системах можно значительно уменьшить путем применения современных цифровых видеокамер с высокой частотой кадров и интегрированным модулем GigE Vision. Примером видеонаблюдения в военной технике может служить бортовая система управления БТР (рис.6), в которой используются аппаратные решения компании MOOG Protokraft (www.protokraft.com).
Еще одна область применения сетевых систем видеонаблюдения – авиационная техника, включая БПЛА. В качестве примера можно привести авиационную бортовую систему передачи и обработки данных, в том числе видео, также оснащенную устройствами компании MOOG Protokraft: оптоэлектронными трансиверами, Ethernet-коммутаторами, конвертерами интерфейсов (рис.7).
Рассмотрим продукцию компании MOOG Protokraft подробнее.
Аппаратные решения компании MOOG Protokraft
Компания MOOG Protokraft специализируется на проектировании и производстве оптоэлектронной элементной базы и модулей для построения высоконадежных сетей Ethernet для передачи данных в изделиях с высокими климатическими и механическими эксплуатационными нагрузками, в том числе для организации систем видеонаблюдения*.
Применение продукции MOOG Protokraft для построения сетевой системы видеонаблюдения рассмотрим на примере ботовой сети БТР (см. рис.6). Для включения в сеть Ethernet аналоговых видеокамер используется конвертер серии Eagle (рис.8), который преобразует аналоговый сигнал Camera Link или RS-170 в формат GigE Vision. Конвертер имеет прочный корпус из алюминия с коррозионно-стойким покрытием, низкое энергопотребление (4,5 Вт) и может быть оснащен электрическим или оптическим интерфейсом на выбор. Тем самым обеспечивается гибкость системы в плане дистанции трансляции видео и стойкости к электромагнитным помехам. Протяженность линии связи по витой паре достигает 100 м, по оптоволоконному кабелю – 500 м. Конвертер серии Eagle совместим с видеокамерами с форматами видео NTSC/PAL, CCIR, RS-170 и Camera Link, поддерживает 8-битное монохромное видео и формат YUV4:2:2 (только для RS-170). Устройство может работать с протоколами IEEE 802.3 (Ethernet), IP, IGMP, UDP и ICMP (ping).
В качестве Ethernet-коммутатора в системе используется устройство серии Viking (рис.9), оснащенное десятью электрическими портами GigE для подключения абонентов сети и двумя оптическими портами GigE (скорость передачи данных до 10 Гбит/с) для каскадного подключения нескольких коммутаторов Viking. Протяженность связи по витой паре достигает 100 м, по оптоволокну – 300 м. К преимуществам изделия относятся сверхмалые габариты и энергопотребление; наличие драйвера 10-гигабитного Ethernet, что определяет высокую производительность; интегрированный источник питания от бортовой сети. Устройство выполнено в корпусе с коррозионно-устойчивым кадмиевым покрытием.
Конвертер Eagle и Ethernet-коммутатор Viking подходят для применения в диапазоне температур от –60 до 85°C, устойчивы к механическим и климатическим внешним воздействиям в соответствии с MIL-STD-810.
В заключение следует отметить, что GigE Vision как эффективное решение для построения систем видеонаблюдения реального времени в среднесрочной перспективе может стать доминирующим стандартом передачи видеоданных. ⦁
* Ефремов В.В. Обзор оптоэлектронных преобразователей компании Protokraft. – Электронные компоненты, 2012, № 6, с. 69.
Отзывы читателей
