CCTV και Bandwidth

Το εύρος ζώνης που απαιτείται σε μία εγκατάσταση κλειστού κυκλώματος τηλεόρασης με IP κάμερες, αποτελεί ίσως ένα από τα πιο κρίσιμα στάδια του σχεδιασμού, παρόμοιο με αυτό της τοποθέτησης των καμερών. Χωρίς προσεκτικό σχεδιασμό και ανάλυση δεδομένων, το ίδιο το σύστημα παρακολούθησης…

Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν το εύρος ζώνης;

Το εύρος ζώνης που απαιτείται σε μία εγκατάσταση κλειστού κυκλώματος τηλεόρασης με IP κάμερες, αποτελεί ίσως ένα από τα πιο κρίσιμα στάδια του σχεδιασμού, παρόμοιο με αυτό της τοποθέτησης των καμερών. Χωρίς προσεκτικό σχεδιασμό και ανάλυση δεδομένων, το ίδιο το σύστημα παρακολούθησης μπορεί να αποτελέσει δυστυχώς ένα εμπόδιο, προκαλώντας απώλεια πακέτων, καθυστέρηση, υποβαθμίζοντας ταυτόχρονα την ποιότητα βίντεο.

Γράφει ο Αποστολόπουλος Παναγιώτης

Τα περισσότερα συστήματα παρακολούθησης σήμερα μεταδίδουν δεδομένα μέσω δικτύων IP και καθώς οι κατασκευαστές συνεχίζουν να βελτιώνουν τις δυνατότητες του εξοπλισμού βιντεοεπιτήρησης, ο όγκος της κίνησης που ταξιδεύει σε ένα δίκτυο γίνεται όλο και μεγαλύτερος. Η κατανόηση του εύρους ζώνης σε μία εγκατάσταση CCTV δεν είναι απλή υπόθεση, καθώς δεν είναι μόνο η ποιότητα του βίντεο που επηρεάζεται άμεσα. Το εύρος ζώνης καθορίζει επίσης τις απαιτήσεις αποθήκευσης και την συνολική χωρητικότητα εγγραφής που χρειαζόμαστε.

Τα σύγχρονα συστήματα CCTV χρησιμοποιούν ολοένα και περισσότερο δίκτυα IP για την αποστολή βίντεο από το ένα σημείο στο άλλο. Τα δίκτυα IP είναι ένα ελκυστικό μέσο για τη μεταφορά βίντεο, επειδή εξυπηρετούν έναν πολύ-λειτουργικό σκοπό. Το καλώδιο Ethernet μπορεί να μεταφέρει βίντεο, αμφίδρομο ήχο, σήματα συναγερμού, εντολές PTZ, σειριακά δεδομένα, κ.λπ. Με το PoE, το καλώδιο μπορεί ακόμη και να μεταφέρει ισχύ στην κάμερα. Αυτό απλοποιεί κατά πολύ το πλήθος των καλωδίων που συνήθως απαιτούνται σε μία εγκατάσταση. Ωστόσο, το δίκτυο περιορίζεται από το ποσό της κίνησης που μπορεί να μεταφέρει – γνωστό ως εύρος ζώνης, το οποίο μετράται σε bits ανά δευτερόλεπτο (bps). Τρία γνωστά είδη δικτύων Ethernet που χρησιμοποιούνται σήμερα, είναι το 10Base-T, γνωστό και ως Standard Ethernet (10 Mbps), το 100Base-T, γνωστό και ως fast Ethernet (100 Mbps) και το 1000Base-T, γνωστό ως Gigabit Ethernet (1.000 Mbps ή 1 Gbps).

Το βίντεο μέσω IP καταναλώνει μεγάλο εύρος ζώνης. Μία κάμερα μπορεί να καταναλώνει μεταξύ 100 kbps και 2 Mbps, σε σύγκριση π.χ. με τον ήχο, ο οποίος συνήθως καταναλώνει μόνο 80 kbps. Αυτό εξηγεί την άμεση επιτυχία του Voice over IP. Σε γενικές γραμμές, έξι παράγοντες θα επηρεάσουν το εύρος ζώνης. Αυτοί είναι η συμπίεση βίντεο, η ποιότητα της εικόνας, η πολυπλοκότητα μίας σκηνής,  η ανάλυση βίντεο, ο ρυθμός των καρέ ανά δευτερόλεπτο και ο αριθμός καμερών.

Bits και Bytes

Στην παρακολούθηση βίντεο, το εύρος ζώνης συνήθως μετράται σε bit αλλά μερικές φορές μετράται και σε byte, προκαλώντας σύγχυση. 8 bit είναι με 1 byte, οπότε είναι ακριβώς το ίδιο όταν κάποιος λέει 40 Megabits ανά δευτερόλεπτο και κάποιος άλλος 5 Megabytes ανά δευτερόλεπτο. Τα δυαδικά ψηφία και τα bytes χρησιμοποιούν το ίδιο γράμμα, η μόνη διαφορά είναι ότι τα bits χρησιμοποιούν πεζά γράμματα «b» και bytes χρησιμοποιούν κεφαλαία «B». Για παράδειγμα, 100KB/s είναι 8 φορές μεγαλύτερα από τα  100Kb/s. Καλό είναι να χρησιμοποιούμε bit κατά την περιγραφή του εύρους ζώνης παρακολούθησης βίντεο, παρόλο που ορισμένα άτομα, συχνά από την πλευρά του server αποθήκευσης, θα χρησιμοποιούν bytes.

Kilo, Mega και Giga

Χρειάζονται πολλά bits (ή bytes) για την αποστολή βίντεο. Στην πράξη, δεν θα έχετε ποτέ ροή βίντεο 500b/s ή ακόμη και 500B/s. Το βίντεο γενικά χρειάζεται τουλάχιστον χιλιάδες ή εκατομμύρια bit. Τα Kilobits, είναι χιλιάδες, π.χ., 500Kb/s είναι ίσα με 500.000b/s. Ένα βίντεο σε kilobits λοιπόν είναι χαμηλής ποιότητας κάτι που σημαίνει ότι είτε θα είναι χαμηλής ανάλυσης είτε υψηλής συμπίεσης, ή ακόμα και τα δύο μαζί. Τα megabits είναι εκατομμύρια, π.χ. 5Mb/s είναι ίσα με 5.000.000 b/s. Ένα βίντεο με πάνω από 10Mb/s αναφέρεται συνήθως σε κάμερες εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης (4K, 20MP, 30MP κ.λπ.). Ωστόσο, 100 κάμερες που μεταδίδουν ταυτόχρονα, απαιτούν συνήθως 200Mb/s ή 300Mb/s κ.λπ. Τα Gigabits είναι δισεκατομμύρια, π.χ. 5Gb/s είναι ίσα με 5.000.000.000 b/s. Σπάνια χρειάζεται κάποιος περισσότερο από ένα gigabit εύρους ζώνης για παρακολουθήσει βίντεο, εκτός εάν κάποιος έχει ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας παρακολούθησης που μεταφέρει όλα τα βίντεο σε έναν κεντρικό σταθμό.

Bit rate και συμπίεση

Οι ρυθμοί bit εκφράζονται πάντα ως δεδομένα (bits ή byte) για ένα δευτερόλεπτο. Δεν αναφέρονται ανά λεπτό ή ώρα, κυρίως επειδή ο εξοπλισμός δικτύωσης βαθμολογείται ως προς αυτό που μπορεί να χειριστεί η συσκευή ανά δευτερόλεπτο. Θα μπορούσαμε να πούμε για παράδειγμα ότι το εύρος ζώνης μιας κάμερας είναι 600Kb/s, δηλαδή, ότι 600 kilobits μεταδόθηκαν σε ένα δευτερόλεπτο.

Το εύρος ζώνης που απαιτείται κάθε φορά, μετράται συνήθως ανά κάμερα και το εύρος ζώνης που χρειάζεται κάθε κάμερα μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Για να προσδιορίσουμε το συνολικό φορτίο ενός δικτύου, θα πρέπει να αθροίσουμε το σύνολο του εύρους ζώνης κάθε κάμερας σε ένα δίκτυο. Για παράδειγμα, εάν έχουμε 10 κάμερες σε ένα δίκτυο και 3 από αυτές χρησιμοποιούν 4Mb/s, 4 από αυτές χρησιμοποιούν 2Mb/s και 3 από 1Mb/s, τότε το συνολικό φορτίο του δικτύου για αυτές τις 10 κάμερες θα είναι 23Mb/s.

Το μέγεθος του εύρους ζώνης που χρειάζεται μια κάμερα για να διατηρήσει ένα συγκεκριμένο επίπεδο ποιότητας, ποικίλλει με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, μια κάμερα μπορεί να χρειαστεί 1Mb/s όταν καταγράφει έναν άδειο διάδρομο ενός σχολείου την Κυριακή το απόγευμα, αλλά μπορεί να χρειαστεί 4Mb/s για το ίδιο σημείο τη Δευτέρα το πρωί. Ανεξάρτητα από τη συμπίεση, πρέπει ακόμη να επιλέξουμε τον τρόπο με τον οποίο θα χειριστούμε αυτές τις αλλαγές σε μία «πολύπλοκη σκηνή». Υπάρχουν τρεις βασικές λειτουργίες, (CBR, VBR, MBR) οι οποίες επηρεάζουν δραστικά το εύρος ζώνης της κάμερας. O μεταβλητός ρυθμός bit (VBR- Variable bit rate), όπου αλλάζει ο ρυθμός bit για να διατηρηθεί η συμπίεση σε ένα καθορισμένο επίπεδο ανεξάρτητα από τη δραστηριότητα, ο σταθερός ρυθμός bit (CBR- Constant bit rates), όπου ο ρυθμός bit της κάμερας παραμένει ίδιος ακόμα κι αν η σκηνή αλλάξει και ο μέγιστος ρυθμός bit (MBR- Maximum bit rate), όπου ο ρυθμός bit αλλάζει αλλά όχι περισσότερο από αυτό που έχει καθορίσει ο χρήστης.

Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ποια λειτουργία ανταποκρίνεται καλύτερα στις ανάγκες μας, καθώς το εύρος ζώνης επηρεάζεται σημαντικά, όπως εξίσου σημαντικό είναι να γνωρίζουμε και ορισμένους ακόμα παράγοντες που επηρεάζουν το εύρος ζώνης. Μερικοί από αυτούς είναι:

Το πρότυπο συμπίεσης: Η συμπίεση δεδομένων, η μείωση του κόστους αποθήκευσης και παράλληλα η διατήρηση της ποιότητας μετάδοσης βίντεο ακόμα και σε χαμηλές ταχύτητες, εξαρτάται από την πρόοδο της τεχνολογίας συμπίεσης βίντεο. Αυτός ήταν και ο λόγος για τον οποίο οι 4Κ κάμερες δεν είχαν την αναμενόμενη απήχηση όταν πρωτοεμφανίστηκαν. 

Λίγο πριν είσοδο της ανάλυσης 4Κ στις συσκευές των συστημάτων επιτήρησης, οι τύποι συμπίεσης Η264+ και Η.265, κατάφεραν να δώσουν λύση στο πρόβλημα που παρουσιάστηκε κατά τη διάρκεια της μετάδοσης Full HD βίντεο. Ωστόσο, με τον ερχομό του 4Κ οι απαιτήσεις όσο αφορά τη ποιότητα μετάδοσης και γενικότερα τη διαχείριση της πληροφορίας μεγάλωσαν. Τη λύση στο πρόβλημα έδωσαν και πάλι τα νέα πρότυπα συμπίεσης όπως το Η.265+, του οποίου η τεχνολογία κωδικοποίησης προέρχεται από το γνώριμο πρότυπο Η.265/HEVC (το οποίο αναπτύχθηκε από τον οργανισμό JCT-VC, συνεργασία δύο τεχνολογικών οργανισμών τυποποίησης, της Διεθνούς Ένωσης Τηλεπικοινωνιών (ITU) και του ομίλου MPEG). Το πρότυπο Η.265+ κατάφερε να μειώσει ριζικά το απαιτούμενο bitrate του βίντεο επιτήρησης UHD έως και 67% έναντι του H.265 και 80% έναντι του Η.264, μειώνοντας παράλληλα και το απαιτούμενο εύρος ζώνης και αποθήκευσης. Η μείωση του ρυθμού μετάδοσης σημαίνει μείωση του κόστους για τους καταναλωτές, και παράλληλα αυξημένη αποδοτικότητα, σταθερότητα και αξιοπιστία σε ένα σύστημα επιτήρησης.

Η πολυπλοκότητα σε μία σκηνή: Η πολυπλοκότητα μιας σκηνής επηρεάζει επίσης το εύρος ζώνης. Γενικά όσο πιο περίπλοκη είναι μία σκηνή, τόσο μεγαλύτερο εύρος ζώνης θα απαιτείται ώστε να επιτύχουμε μια συγκεκριμένη ποιότητα εικόνας. Για για παράδειγμα, σκηνές με φύλλα δέντρων, μία περίφραξη, άτομα που διασχίζουν ένα δρόμο, κ.λπ., θα αυξήσουν τις απαιτήσεις.

Η ανάλυση: Κάθε κάμερα διαθέτει έναν αισθητήρα. Τα διαθέσιμα pixels από αριστερά προς τα δεξιά παρέχουν την οριζόντια ανάλυση, ενώ τα pixel από πάνω προς τα κάτω παρέχουν την κατακόρυφη ανάλυση. Πολλαπλασιάζοντας αυτούς τους δύο αριθμούς και διαιρώντας τους στη συνέχεια με το 1.000.000, θα βρούμε τη ανάλυση του αισθητήρα σε Megapixel. Τι σχέση έχει όμως η ανάλυση με το εύρος ζώνης? Υποθέτοντας ότι για τις τιμές χρώματος RGB ενός pixel έχουμε 24 bit, τότε για το SD θα είναι: 640(H)x480(V) = 307,200 pixels = 0.3 MP x 24 bits = 7.2 Mbit/s και αντίστοιχα για το HD είναι: 1920(H)x1080(V) = 2,073,600 pixels = 2.0 MP x 24 bits = 48 Mbit/s. Επομένως, η ανάλυση 1920×1080 απαιτεί μεγαλύτερο εύρος ζώνης, δεδομένου ότι περιέχει περισσότερα pixel και άρα περισσότερες πληροφορίες.

Ο ρυθμός καρέ: Ο ρυθμός καρέ μετράται σε FPS, υποδηλώνοντας τον αριθμό των εικόνων που παράγονται ανά δευτερόλεπτο. Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός καρέ, τόσο πιο ομαλή φαίνεται και η κίνηση σε ένα βίντεο. Έτσι, αντιλαμβανόμαστε ότι σε ορισμένες εφαρμογές, όπως π.χ. σε ένα καζίνο, απαιτείται η χρήση καμερών με υψηλό ρυθμό καρέ. Σε ένα τέτοιο σενάριο οι απαιτήσεις του εύρους ζώνης θα είναι εξίσου υψηλές.

Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το bandwidth είναι ο φωτισμός, ο αριθμός των καμερών σε μία εγκατάσταση και οι ταυτόχρονοι χρήστες που παρακολουθούν μία ζωντανή ροή βίντεο.

{gallery}9526{/gallery}