مبانی سيستـم های نظارتـی تحت شبکه

[quote arrow=’yes’]در مقاله قبل در باره پيکر بندي سيستم هاي نظارتي آنالوگ و شبکه آشنا شديم. بر آنيم تا در ابتدا مروري کلي بر سيستم هاي نظارتي تحت شبکه داشته باشيم و در ادامه ، براي آشنايي علاقه مندان به اين فن مباحث تخصصي بيشتري اشاره مينمائيم.[/quote]

NVR و IVS
در اين بخش به تعريف دستگاه هاي ذخيره کننده تحت شبکه ميپردازيم .

تفاوت هاي NVR و IVS

دستگاههاي ذخيره کنده تحت شبکه و نرم افزارهاي نظارت ويديويي دو بخش مهم و اساسي در ساختار دوربينهاي IP و رايانه هاي متصل به شبکه، در بخش امنيت فيزيکي سازمانها، ارگانها و ساختمانها به شمار ميآيد. دستگاه هاي ذخيره ساز موجود در بازار ، تنها تحت تاثير نيازهاي مشتريان قرار داشته و هيچ استاندارد مناسبي براي آن وضع نشده است. تنها موردي که اکنون وجود دارد توافقي است که بين توليد کنندگان دوربين و توليد کنندگان NVR وجود دارد، که تمامي اين توافقات بر اساس کشش بازار و فشار فناوري صورت پذيرفته است. اما ضعف عمده اين سيستمها، عدم وجود تعريف معين و مشخص است که سبب به وجود آمدن انشعابات و روش هاي مختلف در نرم افزار ها و دستگاه هاي توليدکنندگان شده است.
در سيستم هاي سنتي و آنالوگ دستگاه DVR استفاده ميشد. امروزه در سيستم هاي نظارتي تحت شبکه، NVR جايگزين آن شده است. دقت کنيد که NVR سخت افزار و کاربرد خاص خود را دارد و نمي تواند به جاي DVR به کار رود. بسياري از متخصصين اصرار بر نرم افزاري شدن بخش NVR دارند. نرم افزاري شدن اين بخش سبب باز بودن معماري سيستم و نيز سفارشي شدن بر اساس نياز مشتري خواهد شد. سفارشي شدن به اين معناست که کارفرما در صورت نياز به کار برد خاص نظير شمارش افراد يا ديوار مجازي مي تواند آن را در خواست کرده و روي نرم افزار افزوده گردد.
در اصطلاحاتي که بين کارشناسان نظارتي رواج يافته يک ايراد اساسي وجود دارد و آن اين است که NVR يک ماژول سخت افزاري- نرم افزاري است که عملکرد مانيتورينگ و ذخيره سازي در آن صورت ميگيرد. اما بعضي از کارشناسان به نرم افزارهاي نظارتي نيز NVR گويند!
براي آن که اين دو اصطلاح از هم ايزوله شوند مي توان کلمات زير را براي نرم افزارهاي نظارتي به کار برد:
IVM (IP Video Management)
IVS (IP Video Surveillance)
VMS (Video Management System)
را براي نرم افزارها به کار برد . سازندگان NVR و IVS براي محصولات خود نام هاي ديگري نيز انتخاب کرده اند، اما آنچه که مهم است فهم و درک اين دو و بررسي مزايا و معايب هر کدام از آن ها مي باشد. اين درک سبب به کارگيري صحيح و مناسب دستگاه هاي يا نرم افزارها در کاربردهاي خاص ميگردد.

NVR و IVS بايد اکثر دوربين هاي تحت شبکه را سرويس دهي نمايند. يک NVR خوب بايد دوربين هاي کارخانه هاي مختلف را پشتيباني نموده و همواره مطابق با بازار و ورود دوربين هاي مدل جديد تر نرم افزار آن بروز رساني شده تا دوربين هاي جديد نيز پشتيباني شوند. NVR يا IVS در صنعت نظارت تصويري تحت شبکه عمدتاً به دو صورت عرضه شده است گروهي از آن ها تمام مدل هاي دوربين هاي موجود در بازار را پشتيباني مي نمايد و گروه ديگر فقط دوربين هاي توليدي خود را سرويس دهي ميکند.
IVS ها نرم افزارهاي کاربردي هستند که روي رايانه قدرتمند يا سرور نصب ميگردند و انتخاب نوع سرور بايد به تناسب تعداد دوربين و رزولوشن آن ها و چندين پارامتر ديگر معين شود. عدم انتخاب سرور مناسب سبب ميشود که در صفحه نمايشگر تصوير منقطع نمايش داده شود.
مزيت IVS نسبت به NVR آن است که نياز به سخت افزار مجزا نداريم و روي همان رايانه نياز ما مرتفع خواهد شد. ياد آوري مي کنيم که با استفاده از NVR يا IVS مي توان تصاوير دوربين هاي مختلف را توسط ساير رايانه هاي متصل به شبکه نظارت نمود به شرطي که دسترسي کاربري فرد تعريف شده باشد. IVS ها نسبت به NVR انعطاف پذيرتر هستند و مي توان کاربري هاي بيشتري را توسط نرم افزار براي آن تعريف نمود اما از سويي ديگر امنيت ذخيره سازي NVR بالاتر از IVS است . در مقالات آينده در باره اصول نفود و هک سيستم هاي امنيتي بحث خواهيم کرد.
NVR همانطور که گفته شد، مجموعهاي از سخت افزار و نرم افزار است و هر دو در کنار هم وجود دارد، اين نرم افزار و سخت افزار توسط يک کارخانه فراهم شده و نميتوان سخت افزار يک کارخانه را براي نرم افزار کارخانه ديگر استفاده کرد. اين دستگاه تعداد مشخص و معيني از دوربين ها را پشتيباني کرده و تعداد دوربين هاي پشتيباني شده محدود است چون پردازشگر تنها قدرت پردازش تعداد معيني از دوربين ها را دارد.

HVR و DVR چيست ؟

در شماره پيش به اين نکته اشاره گرديد که DVR فقط دوربين هاي آنالوگ را سرويس مي دهد و براي بکارگيري دوربين IP و اتصال آن به DVR نياز به ديکدر است و از سويي ديگر براي به کار گيري دوربين هاي آنالوگ در بستر شبکه بايد از اينکدر استفاده نمود.
بعضي از کارخانه ها دستگاهي به نام HVR توليد کرده اند که اين دستگاه ترکيبي از DVR و NVR است. اين دستگاه مي تواند دوربين هاي آنالوگ و دوربين هاي تحت شبکه را پشتيباني نمايد .

بايد ها و نبايد ها در NVR

براي بررسي مزايا و معايب يک دستگاه NVR مناسب بايد توابع اصلي آن بررسي گردند ، پارامتر هاي اين توابع عبارتند از :
اصول ذخيره سازي تصاوير ويديويي
نحوه نمايش تصوير زنده
جستجو تصاوير ذخيره شده
بازپخش تصوير ذخيره شده
دسترسي از راه دور توسط بستر اينترنت
به طور کلي سيستم ذخيره ساز بايد پارامتر هاي فوق را به نحو احسنت انجام دهند. همچنين داراي نرخ ارسال فريم مناسب و بالايي باشد.
اما براي بهينه تر کردن کاربري و تخصصي تر شدن محصول، بعضي از کاربري ها نظير شمارشگر افراد، تشخيص چهره، ايجاد ديوار مجازي ، جلوگيري از سرقت اشيا و … مي تواند به اين سيستم اضافه گردد. شايان ذکر است بکارگيري هر کدام از بخش هاي فوق نيازمند خريد لايسنس مربوطه است .
به طور خلاصه مي توان گفت که ، به کارگيري NVR و IVS مناسب در پروژه نياز به مشاوره با کارشناسان خبره دارد و يک متخصص بايد بدون اصرار بر برند خاص براي پروژه IVS يا NVR مناسب انتخاب نمايد تا نياز کارفرما به طور کامل اغنا گردد.

اصول فشرده سازي تصاوير ويديويي و کُدِک ها

سيستم هاي نظارت تصويري تحت شبکه اصولاً براي انتقال تصاوير خود از فايل هاي خام و غير فشرده استفاده نمي نمايند. چرا که استفاده از اطلاعات فشرده نشده حجم بالايي از اطلاعات را در هارد ديسک و پهناي باند موجود اشغال مي نمايد.
استفاده از روش هاي مختلف فشرده سازي موجب صرفهجويي در پهناي باند و فضاي ذخيره سازي خواهد شد. انتخاب روش فشرده سازي مناسب ، بخش بسيار مهمي در طراحي، انتخاب و استفاده سيستم هاي نظارت تصويري دارد. در مجموع مي توان گفت که ، پروتکل فشرده سازي مناسب کاهش هزينههاي جانبي را همراه خواهد داشت.

اصول بنيادي فشرده سازي و کدک

فشرده سازي سبب سبک و سنگين کردن بين هزينه هاي مختلف ايجاد ميشود. اين هزينه ها شامل ميزان فضاي مورد نياز ذخيره سازي و اشغال پهناي باند در برابر استفاده از قدرت CPU براي پردازش سيگنال است.
به بيان ساده “ فشرده سازي فضاي ذخيره سازي مورد نياز و ميزان اشغال پهناي باند را کاهش و در عوض قدرت پردازش CPU را بالاتر مي برد.”
در آناليز بازار کامپيوتر و تحليل اقتصادي مي توان دريافت که CPU پيشرفته ارزان تر از خريد پهناي باند وسيع و هارد ديسک هاي با ظرفيت بالاتر خواهد شد.

مروري بر فرمت هاي فشرده سازي

عملکرد فشرده سازي تصوير مشابه عملکرد فشرده سازي فايل در رايانه است. در رايانه هاي شخصي براي فشرده کردن يک فايل از فرمت هايي نظير ZIP يا RAR استفاده ميشود. براي فشرده سازي، تصوير روش هاي مختلفي تعريف شده است که به ذکر آنها خواهيم پرداخت. تصوير زير بيانگر مراحل مختلف پروسه دوربين را نمايش مي دهد ، ملاحظه مي کنيد که پس از پردازش ديجيتالي سيگنال يا DSP ، فشرده سازي صورت ميگيرد.
همانطور که گفته شد در سيستم هاي نظارت تصويري تحت شبکه براي ارسال تصوير از دوربين، ابتدا سيگنال تصوير توسط دوربين بايد فشرده شده تا اين سيگنال به سيستم NVR يا IVS برسد. در NVR اين سيگنال غيرفشرده شده و براي نمايش آماده مي گردد.
تفاوت اساسي که بين فشرده سازي تصوير و فشرده سازي ديتا وجود دارد اين است که در فشرده سازي ديتا هيچ يک از بخش هاي ديتا حذف نمي گردد، در حالي که در فشرده سازي تصوير بعضي از اطلاعات حذف خواهند شد. يک تنظيم مناسب و کارشناسانه سبب مي شود که کاربر نتواند اين اتلاف را تشخيص دهد و آن را آشکار نمايد.

فشرده سازي تصوير به دو صورت انجام ميگيرد:

فشرده سازي تصوير به صورت مستقل
فشرده سازي مجموعه اي از تصاوير به صورت وابسته به هم .
به اين حالت فشرده سازي تک تصوير گويند، در اين روش هر فريم به صورت مجزا و بدون وابستگي به ساير فريم ها فشرده ميگردد. شما هنگامي که در نرم افزار Microsoft Paint نقاشي ميکنيد، تصوير را مي توانيد به صورت JPEG ذخيره نماييد.
در فشرده سازي تصاوير ويديويي مشابه اين پروسه صورت مي پذيرد. از آنجا که تصاوير ويديويي مجموعهاي پشت سرهم از تصاوير ثابت است، ، هر تصوير به صورت jpeg ذخيره شده و ارسال ميگردد به اين روش Mjpeg يا Motion jpeg گويند. شکل زير بيانگر مراحل مختلف ارسال در Mjpeg است.

مزيت اين روش استفاده از CPU کوچک با قدرت پايين است اما عيب عمده آن نياز به پهناي باند بالا و فضاي ذخيره سازي بيشتر نسبت به ساير روش ها است. هنگامي که تنها يک تصوير به صورت مجزا فشرده ميشود، تمام تغييرات مابين چندين تصوير ناديده گرفته ميشود و کل تصويرها ارسال ميگردد. واضح و روشن است که در بازه زماني مشخص تصاوير يکساني ارسال شده است.
به طور مثال دوربيني که نماي روبه روي آن يک ساختمان است ، و تردد در آن جا بسيار محدود ميباشد آيا به نظر شما نياز است که مدام تمامي تصويرها ارسال گردد و يا بهتر اين است که فقط تفاوت هاي تصاوير در بازه هاي زماني معين فرستاده شود ؟
براي بيان بهتر به يک مثال اشاره ميکنيم، فرض کنيد خواهان رفتن به سفر هستيد و در اين مدت نگهباني را استخدام کرده ايد که گزارش حادثه ها را به شما بدهد. به نظر شما اين نگهبان بهتر است هر 5 دقيقه يکبار با شما تماس بگيرد و بگويد که هيچ خبري نيست و يا بهتر است هنگامي که حادثه اي اتفاق افتاد با شما تماس گرفته و رويداد را براي شما گزارش دهد؟
براي ارسال فريم تصاوير نيز مي توان به نحوي مشابه اقدام نمود و فقط تغييراتي که در صحنه مقابل دوربين روي مي دهد را براي دستگاه ذخيره ساز ارسال کرد. بر طبق اين روش در بازه هاي زماني مناسب وکوتاه يک تصوير از صحنه مقابل گرفته مي شود. سپس در اين بازه کوتاه فقط تغييرات تصوير ارسال مي گردد، بنابراين حجم ذخيره سازي به شدت کاهش مييابد.
بر اساس آنچه گفته شد ميتوان فريم هاي تصوير را به دو بخش تقسيم کرد. دسته اول که فريم هاي مستقل هستند به آن I-frame و دسته دوم که فريم هاي وابسته هستند به آن P-frame گوييم.
در روش H.264 و MPEG4 يک فريم تصوير گرفته شده و سپس در بازه زماني معين فقط تغييرات تصوير فرستاده مي شود. همانطور که در شکل زير ملاحظه مي فرماييد فريم اول کل صحنه مقابل دوربين است و فريم هاي بعدي فقط تغييرات تصوير ذخيره و ارسال ميگردد. به فريم اول که کل تصوير را در بر دارد I-frame گويند. به فريم هايي که تغييرات در آن درج مي گردد، P-frame گوييم. به تعداد فريم هايي که بين I-frame ها قرار دارد ، GoP يا مجموعه اي از تصاوير گويند. کيفيت خوب تصوير به اين پارامتر در فشرده سازي بستگي دارد .

با نوجه به توضيحات فوق ميتوان دريافت که، H.264 و MPEG4 اطلاعات اضافي و تکراري را ارسال نمي کنند. اگر يک تصوير حجم 100KB داشته باشد در روش MJPEG بايد براي چهار فريم ، 400 کيلوبايت رادر نظر گرفت اما در روشي مانند MPEG4 تصوير اول که 100 کيلوبايت است فرستاده شده و براي ساير فريم ها تنها 30 کيلوبايت فضا نياز ميباشد. بر اساس محاسبات انجام شده اين نوع روش فشرده سازي صرفه جويي 50 تا 80 درصدي را به ارمغان خواهد آورد.
روش هاي MPEG4 و H.264 خالي از عيب نميباشند. عيب اين سيستم ها در پروسه و پردازش بالاي آن است. هنگامي که تصوير به يک فرمت پيچيده فشرده گردد، در گيرنده براي نمايش نياز است که اطلاعات تصوير غير فشرده شده و اين غير فشرده شدن نياز به پردازش بالاي اطلاعات دارد.
هر دو روش MPEG-4 و H.264 پهناي باند و فضاي ذخيره سازي را کاهش مي دهد اما بايد بدانيد روش H.264 داراي الگوريتم پيچيده تر و پيشرفته تر ميباشد و اين پيچيدگي سبب کاهش فضاي ذخيره سازي و پهناي باند خواهد شد بالطبع H.264 به پردازش گر قوي تر نياز دارد. در باره الگوريتم اين روش ها در مقالات آتي مفصلاً بحث خواهيم کرد. نمودار زير مقايسه روش هاي مختلف فشرده سازي در حجم سايز و مدت زمان ذخيره سازي را نشان ميدهد.

نگاهي به سيستم هاي نظارت تصويري کنوني
نگرش متخصصين در نظارت تصويري همواره بر ارتقا روش هاي فشرده سازي جهت کاهش پهناي باند و فضاي ذخيره سازي است. علت اين امر اين است که نرخ کاهش هزينه پردازشگر بيش از نرخ کاهش هزينه پهناي باند است و متخصصين در پي پيدا کردن روش هاي نوين تر براي بهينه تر شدن اين زمينه مي باشند. با توجه به پيشرفت صنعت دوربين و ظهور دوربين هاي مگاپيکسلي ، فشرده سازي امري مهم و حياتي است.
يکي از راهکارهايي که اکنون وجود دارد استفاده از روش Dual stream است، در اين روش دو رشته بيت از دوربين خارج ميگردد رشته اول داراي رزولوشن بالا با فشرده سازي پيچيده مانند H.264 است، اين رشته بيت براي ذخيره سازي به کار مي رود .
رشته بيت دوم ، تصاوير با رزولوشن پايين و فشرده سازي ساده مانند MJPEG را در بر دارد. اين رشته بيت مناسب براي نظارت زنده است، چرا که براي نظارت زنده نياز به پردازش گر قوي نخواهد داشت. شرکت هاي پيشرفته مانند ACTi اين فناوري را براي نسل جديد دوربين هاي خود فراهم نموده اند. شکل زير بيانگر عملکرد dual stream است.
مباني پهناي باند در سيستم هاي نظارت تصويري تحت شبکه
هنگام استفاده از دوربين هاي تحت شبکه ويا NVR ، محاسبه دقيق ميزان پهناي باند موجود در شبکه و نيز پهناي باند مورد نيز ، در طراحي ، پياده سازي و گسترش سيستم هاي نظارت تصويري تحت شبکه بسيار مهم و حياتي است. کارشناسان و يا مديراني که نياز به پياده سازي دوربين هاي مدار بسته در سازمان خود دارند، بايد با مفهوم پهناي باند در سيستم آشنا گردند. در اين بخش به معرفي و بحث در اين باره خواهيم پرداخت.
چه ميزان پهناي باند در دسترس و قابل استفاده است؟
براي محاسبه ميزان پهناي باند موجود در ابتدا لازم است مکان هايي که بايد دوربين قرار گيرند معلوم و مشخص شوند از سويي ديگر نقاط ذخيره ساز نيز در سازمان معين گردند. در اين دو گام، دوربين ها و يا ذخيره ساز ممکن است داخل خود يک ساختمان و يا در چند نقطه مجزا قرار گرفته باشد. عموماً در داخل يک ساختمان پهناي باند موجود با توجه به بستر کابلي آن بهتر از پهناي باند بين نقاط مختلف جغرافيايي است. براي ارتباط بين نقاط مختلف جغرافيايي بايد از روش هايي نظير سيستم انتقال راديويي ، اترنت يا MPLSاستفاده کرد که هرکدام مزايا و معايب خاص خود را دارد.
براي محاسبه ميزان پهناي باند مصرفي روش هاي متفاوتي وجود دارد. بهترين روش استفاده از نرم افزار هاي موجود براي محاسبه ميزان پهناي باند مصرفي است که با جستجو در اينترنت مي توان نمونه هايي از آن ها را پيدا کرد.
پهناي باند مصرفي در يک شبکه به پارامترهايي نظير رزولوشن ، نوع فشرده سازي ، نرخ فريم بر ثانيه بستگي دارد . يکي از نرم افزار هاي مناسب PROJECT PLANNER است که براي دوربين هاي ACTi ارائه شده است. توسط اين نرم افزار مي توان نوع دوربين را مشخص و با تعيين نوع پارامتر ها ، پهناي باند مورد نياز را محاسبه کرد.
براي اين کار مي توانيد به آدرس www.acti.com برويد .و گزينه bandwidth and storage را انتخاب نماييد. با توجه به گزينه هايي که در منوها وجود دارد مي توانيد نوع دوربين و نوع رزولوشن ، نرخ فريم و نرخ بيت را مشخص نماييد . سپس حالت ذخيره سازي را معين مي نماييد که چند ساعت در روز و چند روز در هفته خواهان ذخيره سازي هستيد و آيا با سيستم حساس به حرکت نياز داريد و يا خير . بر اساس اين پارمتر ها کل پهناي باند مورد نياز محاسبه مي گردد. جدول زير حالت هاي مختلف را نشان مي دهد که با رزولوشن و فشرده سازي مختلف ، پهناي باند اشغالي چقدر تغيير کرده است. با کمي مقايسه و دقت مي توان دريافت که فشرده سازي چه تاثير بسزايي در اشغال پهناي باند دارد . در مقاله شماره آينده به بحث و بررسي روش هاي ذخيره سازي و راهکارهاي موجود مي پردازيم .