سیر تکامل سیستم های نظارت ویدئویی

صنعت نظارت ویدئوئی که بطور سنتی تحت عنوان CCTV(closed-circuit television) شناخته می شود، صنعتی است که بیش از 30 سال قدمت دارد و سهم خود را از تغییرات فناوری داشته است. همانند هر صنعت دیگری، خواسته های روزافزون کاربران نهائی در مورد محصولات و راه کارهای جدید، نیروی محرکه این تغییرات بوده اند و فناوریهای در حال تکامل نیز به پشتیبانی از آنها کمک می کنند. خواسته ها در بازار نظارت ویدئوئی عبارتند از:
- کیفیت تصویری بهتر
-نگهداری و نصب آسان
- فناوری قابل اعتماد و ایمن تر
- نگهداری ویدئوی ضبط شده برای مدت طولانی تر با حفظ کیفیت
-مقیاس پذیری و اندازه
- کاهش هزینه ها
- قابلیتهای نظارت از راه دور
-ادغام با سایر سیستم ها
- افزایش هوش داخلی سیستم
برای انطباق با این ملزومات، صنعت نظارت ویدئوئی، تاکنون گذار از چند نسل فناوری را تجربه کرده است. آخرین نمونه، انتقال از سیستم های CCTV آنالوگ به سیستمهای نظارت ویدئوئی کاملاً دیجیتال مبتنی بر شبکه بوده است.
سیستمهای نظارت ویدئوئی، کار خود را بعنوان سیستمهای 100 درصد آنالوگ آغاز کردند و به تدریج دیجیتال شده اند. سیستمهای امروزی که از دوربینهای تحت شبکه و PC سرورها، برای ضبط ویدئو در یک سیستم کاملاً دیجیتال استفاده می کنند، یک راه طولانی را از دوربینهای آنالوگ اولیه که به VCR(videacassette recorder) متصل می شدند، طی کرده اند.
در حد فاصل میان سیستمهای کاملاً آنالوگ و سیستمهای کاملاً دیجیتال، محصولات متعددی وجود دارند که نیمه دیجیتال هستند یا بعبارت ساده تر از هر دو گروه ابزارهای آنالوگ و دیجیتال استفاده می کنند. این موضوع باعث ایجاد یک سر در گمی در صنعت نظارت ویدئوئی امروزی شده است، زیرا عده ای درباره یک سیستم دیجیتال صحبت می کنند که در آن دوربینهای آنالوگ به یک DVR(digital video recorder) متصل می شوند، در حالیکه گروه دیگری از این اصطلاح برای تشریح یک سیستم ویدئوئی شبکه سازی شده با دوربین های مبتنی بر شبکه استفاده می نمایند. با وجود آنکه مؤلفه های دیجیتال در هر دو سیستم وجود دارند، اما وجوه تمایز بسیار مهمی مابین هریک از آنها به چشم می خورد.
ما در این مقاله به بررسی سیر تکامل سیستم های نظارت ویدئوئی خواهیم پرداخت. پیکربندی های مختلف سیستم، از کاملاً آنالوگ گرفته تا کاملاً دیجیتال و همچنین مزایای هریک از پیکربندی های مورد بحث، در این مقاله تشریح خواهند شد. سیستمهای بررسی شده در بخشهای 2 و 3 از سیستمهای ویدئوئی نیمه دیجیتال تشکیل شده اند. تنها سیستمهائی که در بخشهای 4 و 5 مورد بررسی قرار گرفته اند. سیستمهای ویدئوئی کاملاً مبتنی بر شبکه هستند که در آنها جریانهای ویدئوئی بطور پیوسته بر روی یک شبکه IP انتقال داده می شوند و انعطاف پذیری و مقیاس پذیری کامل را تأمین می کنند.

1- سیستمهای CCTV آنالوگ مبتنی بر VCR
 

سیستم سنتی CCTV آنالوگ، با دوربین های آنالوگی سر و کار دارد که برای ضبط ویدئو، به یک VCR متصل شده اند( شکل [1]). این سیستم کاملاً آنالوگ بود. VCR از همان نوع کاست هائی استفاده می کرد که برای VCRهای خانگی به فروش می رسیدند. هر دوربین، به یک کابل کواکسیال اختصاصی نیاز داشت که باید در تمام مسیر مابین دوربین و VCR نصب می شد. ویدئو، فشرده سازی نمی شد و هنگام ضبط با نرخ فریم کامل، یک نوار حداکثر برای مدت 8 ساعت قابل استفاده بود. سرانجام، تکنیکی به نام Time Lapse در VCRها پیاده سازی گردید تا عمر کاربردی نوارها را افزایش دهد. ویژگی Time Lapse، امکان ضبط یک تصویر از هر دو، چهار، هشت و یا 16 فریم را بوجود می آورد. به این ترتیب بود که صنعت نظارت ویدئوئی به مشخصاتی نظیر 15 فریم در ثانیه، 7/5 فریم در ثانیه، 3/75 فریم در ثانیه و 1/875 فریم در ثانیه رسید زیرا اینها تنها نرخ فریم های ضبط امکانپذیر در سیستمهای آنالوگ بودند که از ضبط Time Lapse استفاده می کردند. اگر دوربینهای متعددی مورد استفاده قرار می گرفتند، Quadها به یک مؤلفه مهم دیگر در سیستم تبدیل می شدند. یک Quad به سادگی ورودی های 4 دوربین را دریافت نموده و یک خروجی سیگنال ویدئویی واحد را برای نمایش 4 تصویر متفاوت بر روی یک نمایشگر ایجاد می کرد( و به همین دلیل بود که نام Quad برای آن انتخاب شد). این ابتکار باعث شد که مقیاس پذیری سیستم اندکی افزایش یابد، اما با هزینه کاهش تفکیک پذیری تصویر.

در سیستم های بزرگتر، تسهیم کننده ها( Multiplexer)رواج پیدا کردند. یک Multiplexer، سیگنالهای ویدئوئی دوربینهای متعدد را در یک سیگنال ویدئوئی واحد ترکیب می کرد. این روش امکان ضبط تصویر تعداد بیشتری از دوربینها( غالباً 16 دوربین) را بر روی یک ابزار فراهم می نمود. Multiplexer در عین حال، امکان نگاشت تصویر دوربین های منتخب به نمایشگرهای نظارتی خاصی در یک اتاق کنترل را بوجود می آورد. با اینحال هنوز تمام تجهیزات و تمام سیگنالها آنالوگ بودند. برای نظارت بر ویدئو، نمایشگرهای آنالوگ به یک VCR، Quad و Multiplexer متصل می شدند. با وجود آنکه سیستم های آنالوگ بخوبی کار می کردند، اما با اشکالاتی نظیر محدودیت مقیاس پذیری، نیاز به نگهداری VCRها و تعویض دستی نوارها نیاز داشتند. بعلاوه، کیفیت ضبط در طول زمان، به شدت کاهش پیدا می کرد. دوربین ها نیز برای مدت طولانی، سیاه و سفید بودند. امروزه اکثر دوربینهای آنالوگ، از نوع رنگی هستند.

2- سیستمهای CCTV آنالوگ مبتنی بر DVR
 

تا اواسط دهه 1990 میلادی، صنعت نظارت ویدئوئی با معرفی DVR، شاهد اولین انقلاب دیجیتال بود. DVR با درایوهای دیسک سخت خود بعنوان رسانه ضبط، جایگزین VCR گردید( شکل [2]). ویدئو، دیجیتایز گردیده و به منظور ذخیره سازی در فیلم بیشترین روزهای ممکن، فشرده سازی می شد.
فضای دیسک سخت در DVRهای اولیه محدود بود، بنابراین مدت ضبط نیز محدود گردیده و یا بایستی از نرخ فریم پائین تری استفاده می شد. بخاطر محدودیت های موجود در فضای دیسک سخت، بسیاری از تولید کنندگان، اقدام به توسعه الگوریتم های فشرده سازی اختصاصی خود کردند. با وجود آنکه الگوریتم های مذکور، احتمالاً بخوبی وظیفه خود را انجام می دادند اما وقتی نوبت به پخش مجدد ویدئو می رسید، کاربران نهائی به ابزارهای یک تولید کننده خاص وابسته می شدند. با کاهش چشمگیر هزینه فضای دیسک سخت در طول سالها و همچنین معرفی و پذیرش گسترده الگوریتمهای فشرده سازی استانداردی نظیر MPEG-4، اکثر تولید کنندگان، الگوریتمهای فشرده سازی انحصاری خود را به نفع استانداردها( و همچنین به سود کاربران نهائی) کنار گذاشتند.
اکثر DVRها دارای ورودی های ویدئویی متعددی( معمولاً 4، 16 و یا 32 ورودی) بودند. بعبارت دیگر، آنها در عین حال عملکرد Quad و یا Multiplexer را نیز تأمین می کردند. بنابراین، DVRها علاوه بر VCR، جایگزین Multiplexer شدند و به این ترتیب تعداد مؤلفه های سیستم CCTV را کاهش دادند.
معرفی سیستم DVR، مزایای مهم زیر را به همراه داشت:
- حذف نوار و یا نیاز به تعویض نوارها
- کیفیت ثابت ضبط
-توانائی جستجوی سریع در طول ویدئوی ضبط شده
DVRهای اولیه از نمایشگرهای آنالوگی نظیر دستگاه های تلویزیون معمولی برای نمایش ویدئو استفاده می کردند. با اینحال، از آنجائیکه DVR ویدئوی دیجیتال در فواصل طولانی تر نیز وجود داشت. این عملکرد برای اولین بار با اتصال یک مودم تلفنی به یک درگاه سریال بر روی DVR مورد استفاده قرار گرفت. بعدها، مودم تلفنی بطور توکار در داخل خود DVR پیاده سازی گردید. با وجود آنکه توانائی نظارت بر ویدئو از راه دور و از طریق یک PC واقعاً یک مزیت عالی به حساب می آمد، اما عملکرد واقعی فوق العاده مفید نبود زیرا پهنای باند قابل دسترسی با مودم های تلفنی بیش از حد پائین بود و غالباً در دامنه 10 تا 50 کیلوبیت بر ثانیه محدود می شد. این پهنای باند به معنای نرخ های فریم بسیار پائین، کیفیت پائین و ویدئوی شدیداً فشرده سازی شده بود که باعث می گردید ویدئوی نهائی کم و بیش غیر قابل استفاده باشد.

3- سیستمهای CCTV آنالوگ مبتنی بر DVR شبکه سازی شده
 

DVRها سرانجام به یک درگاه اترنت مجهز شدند تا امکان اتصال به شبکه را بدست آورند. این ویژگی، DVRهای شبکه را به بازار معرفی کرد و امکان نظارت ویدئو از راه دور با استفاده از PCها را فراهم نمود( شکل [3]).

بعضی از سیستمهای DVR شبکه ای که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، امکان نظارت بر هر دو نوع ویدئوی زنده و ضبط شده را فراهم می کنند. در حالیکه بعضی از این ابزارها تنها امکان نظارت بر ویدئوی ضبط شده را در اختیار شما می گذارند. بعلاوه، بعضی از سیستم ها برای نظارت بر ویدئو به یک کلاینت ویندوز اختصاصی نیاز دارند، در حالیکه سایرین از یک مرورگر وب استاندارد استفاده می کنند که باعث می شود کار نظارت از راه دور بسیار انعطاف پذیرتر باشد./> سیستم DVR شبکه، مزایای زیر را به همراه داشت:
- نظارت از راه دور بر روی ویدئو، با استفاده از یک PC
- کنترل عملکرد سیستم از راه دور
با وجود آنکه DVRها پیشرفتهای فوق العاده ای را نسبت به VCها فراهم می کردند، اما در عین حال دارای بعضی اشکالات ذاتی بودند. DVR مسئولیت انجام وظایف بسیار زیادی نظیر دیجیتایز نمودن ویدئوی تمام دوربین ها، فشرده سازی ویدئو، ضبط و شبکه سازی را بر عهده داشت. بعلاوه، DVR یک محصول « Black Box» به حساب می آمد، یعنی یک سخت افزار انحصاری با نرم افزار از پیش بارگذاری شده که غالباً کاربر نهائی را مجبور می کرد قطعات یدکی را از یک تولید کننده واحد تهیه نماید، موضوعی که کار نگهداری و ارتقاء سیستم را بسیار پر هزینه می کرد. پیاده سازی محافظت در برابر ویروس نیز دشوار بود. با وجود آنکه DVR غالباً یک ماشین مبتنی بر ویندوز بود، اما اینترفیس اختصاصی آن امکان محافظت در برابر ویروس را فراهم نمی کرد. بعلاوه، DVRها مقیاس پذیری محدودی را ارائه می کردند. اکثر DVRها 16 یا 32 ورودی را در اختیار کاربر می گذاشتند که باعث می شد پیاده سازی مقرون به صرفه سیستمهائی که مضربی از 16 نبودند( مثلاً سیستمهائی با 10 یا 35 دوربین)، بسیار دشوار گردد.

4- سیستمهای ویدئویی شبکه سازی شده مبتنی بر Video Encoder
 

اولین گام در مسیر یک سیستم ویدئویی تحت شبکه و مبتنی بر یک سکوی باز، با معرفی Video Encoder برداشته شد که غالباً تحت عنوان یک سرور ویدئویی نیز شناخته می شد.

یک Video Encoder به دوربین های آنالوگ متصل شده و ویدئوی آنها را دیجیتایز و فشرده سازی می کند. این ابزار سپس ویدئو را بر روی یک شبکه IP و از طریق یک سوئیچ شبکه به یک سرور PC می فرستد که نرم افزار مدیریت ویدئو را برای نظارت و ضبط اجرا می کند( شکل[4]). این یک سیستم ویدئوی تحت شبکه واقعی است. زیرا ویدئو دائماً بر روی یک شبکه IP ارسال می گردد. اساساً وظایفی که در گذشته توسط DVR ها انجام می شدند، حالا تقسیم شده بودند: دیجیتایز کردن و فشرده سازی ویدئو توسط Video Encoder انجام می شد ولی ضبط، بر عهده سرور PC بود که به این ترتیب میزان پذیری بهتری را تأمین می نمود.
یک سیستم ویدئوی تحت شبکه و مبتنی بر Video Encoder، دارای مزایای زیر است:
- استفاده از شبکه استاندارد و سخت افزار سرور PC برای ضبط و مدیریت ویدئو
-مقیاس پذیری با نسبت 1 دوربین در هر مرحله( نه الزاماً 16 یا 32 دوربین)
- امکان ضبط ویدئو در خارج از محل نظارت
- انطباق پذیری کامل با آینده، زیرا سیستم به آسانی با اضافه کردن دوربینهای شبکه، گسترش پیدا می کند.

NVRها و DVRهای دورگه یا هیبرید
 

با دسترس پذیری انواع مختلف NVRها ( Network Video Recorder) و DVRهای دورگه، راه حل های جایگزینی هم برای سکوی باز( بر اساس یک PC که نرم افزار مدیریت ویدئو بر روی آن نصب شده است) وجود دارند. یک NVR یا DVR دو رگه، یک جعبه سخت افزاری اختصاصی با نرم افزار مدیریت ویدئویی از پیش نصب شده برای مدیریت ورودیهای ویدئویی از دوربینهای شبکه یا Video Encoderها است. NVR تنها ورودیهای ویدئوی شبکه را اداره می کند، در حالیکه DVR دورگه قادر است هر دو نوع یعنی ویدئوی شبکه و همچنین ورودی آنالوگ را بطور موازی اداره نماید. مزیت استفاده از یک NVR یا DVR دورگه، سهولت نصب است زیرا عملکردهای مدیریت ویدئو و ضبط همگی در یک جعبه واحد( شبیه به یک DVR) قابل دسترسی خواهند بود. راه حل NVR یا DVR دورگه در سیستمهای کوچکتری با 4 تا 16 دوربین محبوبیت دارد. با اینحال، این روش بعضی از اشکالات DVR سنتی را نیز به همراه دارد. NVR ها و DVRهای دورگه از یک سکوی اختصاصی استفاده می کنند که خرید، نگهداری و ارتقاء آن گرانتر خواهد بود و غالباً نگهداری آن بر روی یک شبکه IT شرکتی نیز دشوارتر است.

5- سیستم های ویدئویی تحت و مبتنی بر دوربین های شبکه
 

یک دوربین شبکه که معمولاً تحت عنوان یک دوربین IP نیز شناخته می شود، همان طور که از نام آن استنباط می شود دوربینی با یک اتصال شبکه IP است. در یک سیستم ویدئویی تحت شبکه و مبتنی بر دوربین های شبکه، ویدئو از طریق سوئیچ های شبکه بر روی یک شبکه IP منتقل گردیده و بر روی یک PC سرور که نرم افزار مدیریت ویدئویی بر روی آن نصب شده است، ضبط می گردد( شکل [6]). این ترکیب بیانگر یک سیستم ویدئویی شبکه سازی شده واقعی است.

یکی از بزرگترین مزایای یک دوربین شبکه این است که به محض آنکه تصاویر دریافت می شوند، در داخل دوربین دیجیتایز گردیده و وضعیت دیجیتال خود را نیز در سراسر سیستم حفظ می کنند که در نتیجه یک کیفیت تصویری بالا و ثابت را حفظ می نماید. این موضوع در مورد دوربینهای آنالوگ صادق نیست. با وجود آنکه اکثر دوربینهای آنالوگ امروزه با عنوان « دیجیتال» شناخته می شوند، اما دارای یک ورودی آنالوگ هستند. دوربینهای آنالوگ، دیجیتایز نمودن تصاویر ضبط شده را برای تأمین توابع ارتقاء تصویری انجام می دهند. با اینحال، این تصاویر سپس مجدداً به ویدئوی آنالوگ تبدیل می شوند. آگاهی از این نکته بسیار مهم است که هر تبدیل از آنالوگ به دیجیتال و یا از دیجیتال به آنالوگ با مقداری افت در کیفیت ویدئو همراه خواهد بود. بعلاوه، سیگنالهای آنالوگ در هنگام انتقال بر روی کابلهای طولانی و در طول زمان( در صورت ذخیره سازی بر روی نوار) دچار افت می شوند. بنابراین، ویدئو بصورت ایده آل باید یکبار دیجیتایز گردیده و در سراسر سیستم بصورت دیجیتال باقی بماند.
مزیت استفاده از یک شبکه مبتنی بر IP این است که می توان از شبکه برای کاربردهائی فراتر از انتقال ویدئویی صرف، بهره گرفت. شبکه های IP، امکان به اشتراک گذاری یک کابل فیزیکی را برای چند دوربین شبکه فراهم می کنند. بعلاوه، شبکه می تواند تغذیه برق را به دوربین های شبکه و اطلاعات را از/ به اتصالات خروجی و ورودی دوربین ها انتقال دهد. شبکه در عین حال قادر است صدای دو طرفه و همچنین فرامین Tilt، Pan و Zoom( در صورتیکه دوربین دارای چنین توابعی باشد) را حمل نماید. بعلاوه، یک شبکه IP امکان پیکربندی دوربین ها از راه دور را فراهم کرده و به ویدئو و سایر داده ها اجازه می دهد تا بر روی شبکه به ( تقریباً ) هر محلی انتقال داده شوند، بدون آنکه افتی در کیفیت آنها ایجاد گردد. در مجموع، شبکه یک رسانه فوق العاده انعطاف پذیر و مقرون به صرفه را برای تمام ارتباطات در داخل یک سیستم نظارت ویدئویی شبکه سازی شده فراهم می نماید. مقیاس پذیری ویدئوی شبکه سازی شده، فرصتهائی را برای ایجاد سیستمهای نظارت ویدئویی با صدها و یا حتی هزاران دوربین بوجود می آورد.
یک سیستم ویدئویی شبکه و مبتنی بر دوربین های شبکه، دارای مزایای زیر است:
- توانائی استفاده از دوربینهائی با تفکیک پذیری بالا( مگاپیکسلی)
- کیفیت ثابت تصویر، صرفنظر از فاصله انتقال آن
- توانائی استفاده از تغذیه برق بر روی اترنت و عملکرد بی سیم
- دسترسی کامل به عملکردهائی نظیر Tilt، Pan و Zoom؛ ورودی ها و خروجی های دیجیتال و صوتی بر روی IP، به همراه ویدئو
- پیکربندی سیستم و تنظیمات دوربین بر روی IP
- مقیاس پذیری و انعطاف پذیری کامل
با وجود آنکه یک دوربین شبکه را می توان با یک دوربین آنالوگ متصل به یک Video Encoder مقایسه کرد، اما یک دوربین شبکه قادر است عملکردهای بسیار بیشتری را ارائه نماید که بسیار فراتر از قابلیتهای یک سیستم متشکل از یک دوربین آنالوگ و یک Video Encoder خواهند بود. از آنجائیکه یک دوربین شبکه دارای قدرت پردازش داخلی است، امکان بهره گیری از هوش ویدئویی( که تحت عنوان تجزیه و تحلیل ویدئویی نیز شناخته می شود) را در حاشیه سیستم یعنی در داخل خود دوربین فراهم می کند. پیش بینی می شود که این قابلیت به گرایش بزرگ بعدی در صنعت نظارت ویدئویی تبدیل گردد، زیرا ضرورت و نیاز به مدیریت و آنالیز کارآمد ویدئو، خصوصاً در سیستم های بزرگ کاملاً به چشم می خورد.
دوربین شبکه، یک محرک کلیدی در سیر تکامل ویدئوی تحت شبکه است. دوربین های شبکه، کاملاً بر فناوری دوربین آنالوگ غلبه کرده اند و اکنون با همان مشخصات و ملزومات انطباق دارند. بعلاوه، دوربین های شبکه عملکرد دوربین های آنالوگ را در بسیاری از حوزه های مهم نظیر کیفیت تصویر، تفکیک پذیری و هوش داخلی، پشت سر گذاشته اند.
منبع: بزرگراه رایانه، شماره 129