Цифровые видеорегистраторы (DVR - Digital Video Recorder)

В статье приведено общее описание производимых нами видеорегистраторов, их основные характеристики, возможные области применения, приведена таблица расчета емкости жестких дисков и сетевого потока, а также дан пример расчета параметров видеорегистратора. На главную страницу

Обновление от 14.06.2009

• Краткая информация
• Область применения
• Основные характеристики
• Как рассчитать емкость жестких дисков и необходимый сетевой канал?

Краткая информация

Цифровые видеорегистраторы (англ. аббревиатура DVR - Digital Video Recorder) представляют собой завершенные устройства, используемые для построения современных систем замкнутого видеонаблюдения (CCTV).

Видеорегистратор может выполнять несколько функций:

• Функция видеонаблюдения - отображение видеоинформации поступающей от видеокамер на одном или нескольких мониторах, непосредственно подключенных к регистратору.
• Функция записи (наиболее важная функция) всей поступающей видеоинформации на встроенные в видеорегистратор жесткие диски. Запись может осуществляться непрерывно, по команде оператора, по внешнему сигналу, по детектору движения (только при обнаружении движения в кадре изображения), а также в автоматическом режиме по ранее составленному расписанию.
• Функция работы с архивом видеозаписей. Видеорегистратор позволяет в последующем воспроизводить всю записанную информацию на подключенном к нему мониторе, а также позволяет копировать на внешние носители информации (DVD-RW, FLASH) фрагменты видеозаписей, которые затем могут быть просмотрены и распечатаны на компьютере.
• Функция сетевого видеосервера (сетевой видеорегистратор). При построении сложных систем видеорегистратор может быть подключен в сети предприятия или к глобальной сети Интернет для организации сетевого видеонаблюдения. При этом пользователь, обладающий соответствующими правами доступа, может удаленно выполнять как текущий мониторинг, так и работать с архивом видеозаписей.
• Дополнительные функции. Кроме этого видеорегистраторы оборудованы входами и выходами, что позволяет объединять его с другими системами, содержит входы звука, записываемого синхронно с изображением, а также дополнительные входы для организации сквозного аудио канала для переговоров по сети в реальном времени.

Все указанные функции реализуются регистратором одновременно и независимо друг от друга. Поэтому даже при удаленной работе с архивом по сети, регистратор продолжает вести локальный мониторинг, детекцию движения и запись в случае обнаружения движения в кадре.

Области применения видеорегистраторов

Столь широкий набор функций, реализуемых видеорегистраторами, позволяет применять их в различных областях:

• частный дом и дача - благодаря записи по детектору движения возможна запись всех происшествий в отсутствии хозяев
• небольшой офис или предприятие - видеорегистрация процесса работы сотрудников и качества обслуживания клиентов, протоколирование нештатных ситуаций. При необходимости, наблюдение за некоторыми камерами в процесс работы на компьютере по локальной сети
• магазин - контроль посетителей, регистрация краж и действий персонала
• большое предприятие - использование сетевых функций позволяет на базе нескольких видеорегистраторов строить территориально распределенные видеосистемы, объединенные клиентским программным обеспечением в единый комплекс мониторинга и регистрации, обеспечивающий мгновенный доступ к архиву любой видеокамеры, не зависимо от места ее нахождения
• территориально распределенные компании с множеством филиалов - используя сеть Интернет и несколько сетевых видеорегистраторов, появляется возможность осуществлять удаленный мониторинг текущей ситуации, работу с архивом видеозаписей любого удаленного подразделения

В зависимости от сложности и цели создания видеосистемы мы предлагаем три серии видеорегистраторов:

• Серия HVB - системы начального уровня для использования дома и в небольшом офисе. Обеспечивают записи видеоинформации, ее просмотр на регистраторе, а также позволяют копировать фрагменты видеозаписей на FLASH-накопители с последующим просмотром их на персональном компьютере
• Серия HVXdvr - регистраторы этой серии имеют два независимых "мультиэкранных" входы, что позволяет при помощи одного видеорегистратора организовать два независимых поста наблюдения и работы с архивом, а возможность работы в сети делает ее наиболее популярной для использования в офисах, магазинах и на предприятиях
• Серия HVGdvr - сочетает в себе высокое качество локального мониторинга за счет встроенного SVGA контролера и развитые сетевые функции (в т.ч. и бипоточное кодирование видеоинформации характерное для сетевого видеорегистратора), что делает ее идеальной для построения распределенных систем любой сложности

Основые характеристики видеорегистраторов

Независимо от функций, реализуемых той или иной моделью видеорегистратора и области его применения, все они характеризуются следующими основными параметрами:

Разрешающая способность ("разрешение" записи или "размер кадра")...

Определяется количеством пикселей при оцифровывании изображения (по горизонтали и вертикали соответственно). Наиболее часто используются следующие разрешения записи и их условные обозначения:

• D1 - "полный" кадр, размер изображения 704х576 - позволяет получить максимальное качество изображения при использовании аналоговой камеры высокого разрешения (540 ТВЛ и более) и дает возможность различать в видеозаписи наименьшие детали. Однако хранение записей с таким разрешением требует большего объема дискового пространства, и поэтому разрешение D1 используется в ответственных местах видеорегистрации - контроль операции и процессов (кассы – контроль купюр и материальных ценностей, места пропуска людей – регистрация лиц посетителей, транспорт – регистрация номерных знаков).
• DCIF - "расширенный" кадр, размер изображения 528х384. По сравнению с D1 характеризуется 30% потерей исходной информации, но позволяет получить высокое качество, как по вертикали, так и по горизонтали. Может применяться в менее ответственных местах, где не требуется регистрация мелких деталей.
• 2CIF - "длинный" кадр, размер изображения 704х288 - используется одно поле изображения, но с максимальным разрешением по горизонтали. Характеризуется хорошим горизонтальным разрешением и позволяет почти в 2 раза уменьшить объем создаваемого архива по сравнению с D1. Однако низкое вертикальное разрешение, не позволяет вести видеорегистрацию в узких зонах наблюдения (наблюдение вдоль коридора). Используется в основном при панорамном обзоре.
• CIF - "четверть" кадр, размер изображения 352х288 - усеченное поле. Обычно используется только при наблюдении по сети при ограниченной пропускной способностью канала, а также регистрации общей ситуации при малых зонах обзора (от 3 до 5 м). При этом малый объем видеопотока позволяет резко увеличить продолжительность архива и снизить нагрузку на сетевой канал передачи видеоинформации.
• QCIF - размер изображения 176х144 - используется только при сетевом мониторинге по низкоскоростным каналам связи с потоком до 56-128 Кбит/с. О качестве изображения можно сказать только то, что "видно какое то движения", и более ничего.

Скорость записи

Скорость записи видеорегистратора определяется количество кадров, записываемых в секунды. Стандартный видеосигнал в системе PAL (CCIR) формируемый аналоговыми видеокамерами, используемыми в Европе и Украине, несет 25 кадров/с. Поэтому запись со скорость 25 кадр/с называют "живим" видео. Уменьшение количества записываемых кадров приводит к потере видеоинформации, и при скорости 4 кадр/с видеозапись представляет собой набор кадров с резко выраженными изменениями между ними.

Как привило, в видеорегистраторах используются следующие скорости видеозаписи:

• 6 кадр/с – для наблюдения за периметром и объемами помещений
• 9-12 кадр/с – для фиксации действий персонала, посетителей и технологических процессов
• 15-25 кадр/с – для регистрации быстро изменяющихся процессов

Компрессия видеоинформации...

Для уменьшения объема хранимой видеоинформации в видеорегистраторах применяются различные алгоритмы ее компрессии. В сетевых видеорегистраторах серий HVGdvr и HVXdvr используются алгоритм H.264, в то время как автономных HVB – алгоритм MJPEG.

Основным преимуществом алгоритма H.264 является межкадровое сжатие, при котором для каждого следующего кадра определяются его отличия от предыдущего, и только эти отличия после компрессии сохраняются в архиве. При работе алгоритма периодически в архиве сохраняются опорные кадры (I-кадры), представляющие собой сжатое полное изображение, а затем на протяжении 25-100 кадров сохраняются только изменения, называемые промежуточными кадрами (P- и B-кадрами). Такой способ компрессии позволяет получить высокое качество изображения при малом объеме, но требует большего объема вычислений, чем компрессия в стандарте MJPEG.

При использовании алгоритма MJPEG компрессии подвергается каждый кадр не зависимо от наличия в нем отличий от предыдущего. Поэтому единственным способом уменьшения объема сохраняемых данных является увеличение компрессии и тем самым снижение качества записи. Такой способ используется только в простых автономных видеорегистраторах, не требующих длительного хранения информации.

Еще одним преимуществом алгоритма H.264 является его возможность работы в режим постоянного потока (CBR - constant bit rate) при котором степень компрессии видеоинформации изменяется динамически и таки образом, что четко фиксируется объем создаваемого архива за одну секунду. Такая особенность алгоритма позволяет однозначно определить максимальный объем архива за час непрерывной работы системы, а также необходимый сетевой трафик при удаленном доступе.

Ниже приведена таблица, отражающая соответствие между размером кадра и скоростью записи одной видеокамеры и объемом архива записываемого регистратором за 1 час (измеряется в Мбайт/ч) и сетевым трафиком передачи по сети (измеряется в Мбит/с). Реальные значения могут устанавливаться пользователем в указанных пределах самостоятельно, при этом меньшие значения соответствуют меньшему качеству изображения.

Таблица зависимости объема архива и сетевого трафика от разрешения и скорости записи

При реальной настройке видеорегистратора скорость потока (объем архива) сильно зависит и от информативности изображения. Так, если изображение содержит множество мелких деталей или движущихся (изменяющийся) предметов, то оно всегда требует большего сетевого потока (объема архива) чем статическое изображение без мелки деталей. Таким образом, при расчете емкости дисков видеорегистратора и требуемого сетевого трафика для подключения к нему рекомендуем использовать максимальные значения параметров, приведенных в таблице.

Бипоточное кодирование видеоинформации. Для чего это нужно?

Данный термин определяет способность сетевого видеорегистратора оптимально работать в сети передачи видеоинформации, независим от скорости используемого канала передачи.

В однопоточном видеорегистраторе по сети передается тот же поток информации, что и записывается в архив на его диски. Так, например, при записи со скоростью 6 кадр/с при разрешении D1 скорость потока может варьироваться от 720 до 1200 Кбит/с (см. таблицу). При этом если к такому регистратору попытаться подключиться по каналу 2 Мбит/с, то для просмотра будут доступны только 2 - 3 канала. Увеличение количества одновременно наблюдаемых каналов до 16 потребует снижения скорости потока каждого из них до 125 Кбит/с, чего в однопоточном видеорегистраторе можно достичь только снижением скорости записи до 1 кадр/с или уменьшением разрешения до CIF. Поэтому в однопоточном регистраторе при попытке работы по сети с низкой пропускной способностью канала необходимо соответствующим образом снижать и качество записи.

Для того чтобы при работе по сети не ухудшалось качество записи, используется бипоточное кодирование свойственное сетевому видеорегистратору. При этом для каждого канал видео сетевой видеорегистратор формирует два независимых потока: первый - локальный с максимальной скоростью и разрешением для записи в архив, и второй - сетевой, разрешение и скорость кадров которого адаптируются под пропускную способность используемого канала передачи данных.

Поэтому, в описанном выше примере, видеорегистратор с бипоточным кодированием для записи может использовать разрешение D1 по 6 кадр/с и объемом потока 1 Мбит/с, в то время как для работы по сети – разрешение CIF по 3 кадр/с и объемом потока 125 Кбит/с.

Как рассчитать емкость жестких дисков и необходимый сетевой канал?

Для точного ответа на этот вопрос необходимо знать следующие параметры видеосистемы:

• количество видеокамер, подключаемых к видеорегистратору (существуют модели видеорегистраторов позволяющие подключить 4, 8 или 16 видеокамер)
• режим работы видеосистемы (круглосуточный, 12-часовой рабочий день, периодический, запись по детектору движения)
• желаемое разрешение и скорость записи видеоинформации в архив
• пропускную способность сетевого канала по которому будет осуществляться доступ к видеорегистратору
• поддержка видеорегистратором бипоточного кодирования (сетевой видеорегистратор или автономный)

Знание этих параметров позволит с высокой точностью определить объем требуемых жестких дисков.

Расчет выполним на примере системы построенной на базе видеорегистратора серии HVGdvr с алгоритмом компрессии H.264.

Пример. Рассчитать объем жестких дисков необходимых для хранения 30-и дневного видеоархива системы видеорегистрации торгового предприятия, оборудованного 7 внутренними и 4 уличными видеокамерами. Обеспечить запись с разрешением D1 и скоростью не менее 12 кадров в секунду на каждый канал. Запись осуществлять только по детектору движения. По возможности оптимизировать сетевой трафик, так чтобы нагрузка на сетевой канал при одновременном наблюдении всех (11) камер не превышала 2 Мбит/с.

Из таблицы определяем объем архива, создаваемого одной камерой при разрешении D1 и скорости записи 12 кадр/с. Используя для расчета максимальное значение 620 Мбайт/ч. Таким образом, для 1-часовой непрерывной записи всех 7 внутренних камер потребуется 7 * 620 Мбайт/ч = 4,3 Гбайт/ч, а для записи всех 4 уличных - 4 * 620 = 2,5 Гбайт/ч.

Так как запись ведется по детектору движения, то для офиса можно предположить, что внутренние камеры будут осуществлять запись не более 50% от общего времени, а значит для их хранения необходимо 4,3 Гбайт/ч * 50% = 2,0 Гбайт/ч. Камеры расположенные на улице сильнее подвержены сработкам детектора движения, поэтому для них оставляем расчетное значение объема 2,5 Гбайт/ч без изменений.

Теперь определим объем архива, создаваемого видеорегистратором за 1 сутки. Так как рабочий день длится порядка 10 часов, то для хранения записей внутренних камер необходимо 10 ч * 2,0 Гбайт/ч = 20 Гбайт. Уличные же камеры работают круглые сутки, поэтом для хранения их видеозаписей необходимо 24 ч * 2,5 = 60 Гбайт. Таким образом, за одни сутки видеорегистратор будет записывать 20 + 60 = 80 Гбайт информации. В итого получаем, что для хранения 30 суток необходимо порядка 80 Гбайт * 30 = 2400 Гбайт.

Получить такой объем дискового пространства можно при помощи 4 дисков емкостью 750 Гбайт (полезная емкость порядка 700 Гбайт). Учитывая, что во все видеорегистраторы можно устанавливать не менее 4 дисков емкостью 2 Тбайт каждый, то поставленная задача может быть реализована.

Следующая задача связана с необходимостью удаленного наблюдения за всеми видеокамерами, при этом создаваемая нагрузка на сетевой канал не должна превышать 2 Мбит/с при просмотре 11 камер.

Так как запись ведется в разрешении D1 со скоростью 12 кадр/с, то по таблице определяем сетевой поток одной камеры, который составит 1,4 Мбит/с, а соответственно для одновременного просмотра 11 камер потребуется трафик 15,4 Мбит/с.

Таким образом, для решения задачи одновременного просмотра всех камер по каналу 2 Мбит/с можно использовать только сетевой видеорегистратор, поддерживающий функцию бипоточного кодирования – например любую модель серий HVGdvr-800, HVGdvr-500, HVXdvr-800, HVXdvr-500.

При доступном канале 2 Мбит/с для каждой из 11 камер можно использовать порядка 2 Мбит/с / 11 камер = 180 Кбит/с сетевого трафика. Из таблицы видно, что при таком трафике все камеры могут передаваться с разрешением CIF при скорости 6 кадр/с, поэтому второй поток видеорегистратор настраиваем в указанные параметры, без какого-либо ухудшения качества и скорости записи.