Сетевые видеосерверы: описание, архитектура, применение

 Применение видеосерверов
Видеосервер – это устройство, предназначенное для работы в составе аналогово-цифровой системы видеонаблюдения, где наряду с цифровыми используются аналоговые видеокамеры.
На вход видеосервера поступают аналоговые сигналы от одной или нескольких аналоговых видеокамер, оцифровываются и сжимаются (видеосерверы поддерживают такие форматы компрессии, как JPEG, Motion JPEG, Wavelet, MPEG-2/4, H-263) для последующей передачи по сети. В состав видеосервера входит встроенный веб-сервер, который позволяет передавать видеоизображение или последовательность кадров по сетям LAN/WAN/Internet.
 
При подключении аналоговых видеокамер к локальной сети через видеосервер пользователь получает все преимущества от использования цифровой системы видеонаблюдения:
- возможность дистанционного просмотра изображения с видеокамеры посредством IP-сети, что исключает необходимость в использовании мониторов для видеонаблюдения;
- простота интеграции с другими системами и приложениями;
- защита паролем от несанкционированного доступа;
- расширение функциональных возможностей – встроенный детектор движения;
- возможность быстрого восстановления видеоинформации, ассоциированной с сигналом тревоги;
- возможность подключения периферийного охранного оборудования.
 
Архитектура видеосервера
В видеосервере реализованы все необходимые для обработки и передачи видеоизображения компоненты. Видеосервер может передавать по сети, использующей стандарт Ethernet, видеоизображение со скоростью до 30 кадров в секунду в формате NTSC или 25 кадров в секунду в формате PAL.
Видеосервер – это комплексное устройство, которое включает в себя следующие блоки обработки/передачи изображения (рис.1): блок оцифровки изображения, блок компрессии, веб-сервер, интерфейсы для подключения к сети и последовательные порты.

Рисунок 1. Архитектура видеосервера

1. Изображение с аналоговой видеокамеры сначала поступает в блок оцифровки видеоизображения – на плату видеозахвата. Таких плат может быть несколько, и от этого зависит, сколько камер можно подключить к видеосерверу. Блок оцифровки преобразует аналоговый видеосигнал в цифровой формат.
2. Оцифрованный видеосигнал передается в блок компрессии, где происходит преобразование видео в один из форматов компрессии (чаще всего это JPEG или  MPEG). Например, видеосерверы компании AXIS Communications осуществляют оцифровку сигнала и компрессию видеоизображения с помощью специально разработанного процессора компрессии ARTPEC.
3. Вычислительным ядром видеосервера является центральный процессор, осуществляющий операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечающий за выполнение программ веб-браузера и встроенного программного обеспечения (например, драйверов для позиционеров Pan/Tilt/Zoom, осуществляющих управление поворотным устройством камеры и фокусным расстоянием объектива).
4. Прямое подключение видеосервера к локальной сети осуществляется через интерфейс для Ethernet.
5. Последовательные порты (R-232 и RS-485) позволяют управлять позиционерами Pan/Tilt/Zoom или подключать периферийное оборудование (например, видеомагнитофон длительной записи). Через последовательный порт можно также подключить модем.
6. Цифровые входы и релейный выход служат для подключения кабелей внешнего охранного оборудования (например, контактного/инфракрасного датчика или  концевых переключателей). Таким образом, можно настроить видеосервер на срабатывание по внешнему событию. С помощью релейного выхода можно установить выполнение определенных действий, например, открывание двери. Если видеосервер имеет циклический видеобуфер, то при поступлении сигнала тревоги видеосервер может посылать по сети набор кадров, поступивших до, после и в момент поступления сигнала.
7. Флэш-память содержит программное обеспечение, управляющее работой видеосервера: операционную систему, управляющие программы, различные приложения.
8. DRAM (динамическое ОЗУ) служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении программ. DRAM – это энергозависимая память, т.е. хранящиеся в ней данные при отключении питания не сохраняются.
Подключение к сети
Существует несколько способов подключения видеосерверов к сети:
· Подключение к LAN (локальной сети) через Ethernet-интерфейс осуществляется с использованием стандартов 10BaseT/100BaseTX;
· Подключение через цифровую телефонную линию с использованием технологии xDSL характеризуется переменной скоростью передачи данных;
· Подключение с использованием стандартного модема – ограниченная полоса пропускания;
· Беспроводной сетевой адаптер – передача высококачественного изображения без непосредственного подключения видеосервера к сети;
· Сотовый модем – характеризуется ограниченной полосой пропускания.
 
Передача и хранение видеоинформации
Суммарная скорость передачи данных зависит от нескольких факторов, таких как количество подключенных к видеосерверу камер, совокупная частота кадров и выбранный уровень качества видеоизображения. Существенное влияние на этот параметр может оказать используемый метод компрессии (см. ниже). Например, MPEG-4 за счет используемого алгоритма позволяет передавать высококачественное изображение даже по низкоскоростным сетям, тогда как JPEG предъявляет довольно высокие требования к полосе пропускания.
Оцифрованный и сжатый видеосигнал может храниться на жестких дисках и картах флэш-памяти, что значительно облегчает (по сравнению с записью на магнитной пленке) процесс поиска информации. При заполнении диска устаревшая видеоинформация может удаляться, освобождая место для новых кадров.
 
Форматы сжатия
Для удобства хранения и передачи видеоизображения его подвергают компрессии. Если полоса пропускания ограничена, целесообразно сократить количество передаваемой информации, посылая меньшее количество кадров в секунду или снизив разрешение кадров. Большинство стандартов сжатия обеспечивает разумный компромисс между этими двумя способами решения проблемы передачи видеоизображения по сети. Для получения оцифрованного потока с полосой пропускания 64 Кб – 2 Мб (в такой полосе пропускания потоки видеоданных могут работать параллельно с существующими потоками данных в сформированных компьютерных сетях) применяются форматы сжатия, основанные на дискретном косинусном преобразовании сигнала (JPEG, MJPEG, MPEG-2/4, H.263), а также Wavelet. Задача таких форматов сжатия изображения – адаптация цифровых потоков к передаче по компьютерным сетям.

Основные технические характеристики и дополнительные возможности видеосерверов
· Количество подключаемых видеокамер может варьироваться для разных моделей от одной до четырех. Этот параметр зависит от числа интегрированных в видеосервер плат видеозахвата.
· Поддерживаемые сетевые протоколы. Видеосерверы поддерживают большинство стандартных интернет-протоколов – TCP, IP, UDP, ICMP, ARP, RAPP, FTP и другие. Некоторые видеосерверы работают с функцией auto-negotiation, которая оптимизирует скорость передачи видеопотока по сети.
· Стандарт компрессии, который использует видеосервер, определяет качество видеоизображения и влияет на скорость передачи видео по сети. Компрессия может быть реализована на видеосервере аппаратно (с помощью процессора компрессии, как в приведенном выше примере) или программно. Видеосерверы с программной реализацией компрессии дешевле, но в них компрессия происходит с задержкой, которая обусловлена повышенной нагрузкой на центральный процессор. В приложениях, где необходимо создание системы видеонаблюдения реального времени, лучше использовать видеосервер с аппаратной реализацией компрессии.
· Скорость передачи видеоизображения зависит от разрешения передаваемых кадров и от метода компрессии. В технических характеристиках на видеосерверы, как правило, приводится таблица соответствия разрешения кадра и скорости передачи видеоизображения. Например, кадры с разрешением 640х480 пикселей могут передаваться со скоростью 5 кадров в секунду, тогда как скорость передачи видео с более низким разрешением может достигать 30 кадров в секунду.
· Наличие циклического видеобуфера предоставляет пользователю возможность восстановления видеоинформации, ассоциированной с сигналом тревоги. В видеобуфер записывается видеоинформация. После получения сигнала тревоги видеосервер передает по e-mail или FTP набор кадров, предшествующих, следующих и соответствующих сигналу тревоги.
· Механизм поддержки позиционеров Pan/Tilt/Zoom позволяет осуществлять управление поворотным устройством подключенной аналоговой камеры и изменением фокусного расстояния объектива. Управление камерой при помощи устройств Pan/Tilt/Zoom позволяет фокусировать видеокамеру на отдельных деталях и наблюдать за обширным пространством под разными углами зрения. Видеосерверы (например, видеосерверы компании AXIS Communications) поддерживают множество различных позиционеров для видеокамер наиболее известных производителей.
· Встроенный детектор движения – это программный модуль, основной задачей которого является обнаружение перемещающихся в поле зрения видеокамеры объектов. Детектор движения не только обнаруживает движение в поле изображения, но и определяет габариты объекта и скорость его движения. В зависимости от задач видеоконтроля детектор движения настраивают на обнаружение движения объектов с предельной минимизацией ложных срабатываний (фильтрацией помех), задают гибкую логику обработки тревог (тревожная запись, интеграция с другим охранным оборудованием).
· Программное обеспечение. Просмотр видеоизображения и управление видеокамерой при наличии видеосервера можно осуществлять с любого сетевого компьютера, на котором установлен стандартный веб-браузер. Тем не менее, многие фирмы-производители поставляют вместе с видеосерверами эксклюзивное программное обеспечение, помогающее удаленно просматривать видеоинформацию, осуществлять настройку различных параметров камер, а также обновлять управляющее программное обеспечение. Иногда программное обеспечение от производителя выполняет и дополнительные функции. Например, компания JVC Professiоnal комплектует свой видео сервер VN-A1U программным обеспечением, которое отображает для администратора все сетевые устройства видеонаблюдения (видеосерверы, web-камера и цифровые видеокамеры), входящие в линию продуктов V.NETWORK для цифровых систем видеонаблюдения.
· Передача аудиоинформации по сети в большинстве случаев осуществляется посредством подключения аудио модуля, оснащенного разъемами для подключения приемников звукового сигнала. Такие аудио модули не всегда синхронизируют звук, а  иногда передают его с незначительной задержкой. В видеосервер AXIS 250S такой модуль интегрирован, что исключает необходимость подключения дополнительных устройств, а стереозвук, передающийся с помощью такого видеосервера, синхронизирован с видеоизображением.