Απομακρυσμένη οπτική επιτήρηση μέσω τηλεπικοινωνιακών δικτύων

Η βελτίωση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών των ψηφιακών δικτύων και η αύξηση της χωρητικότητάς τους, τα καθιστούν ελκυστικά για τις ανάγκες της απομακρυσμένης οπτικής επιτήρησης χώρων.

Το αναλογικό σήμα video είναι μια αλληλουχία εικόνων, που διαδέχεται η μία την άλλη, με ρυθμό ανανέωσης 25 εικόνες το δευτερόλεπτο (τηλεοπτικό πρότυπο PAL). Σε κάθε περίπτωση που απαιτείται η μετάδοση του σήματος video, πρέπει να επιλεγεί το κατάλληλο μέσο μεταφοράς, ώστε να μην παραμορφώνει και αλλοιώνει τα χαρακτηριστικά του σήματος (χρειάζεται τουλάχιστον 4.5ΜΗz  εύρος ζώνης για μετάδοση έγχρωμης εικόνας).

Στις εφαρμογές, όπου τα σημεία τοποθέτησης των καμερών και ο χώρος παρακολούθησης βρίσκονται σε μια ακτίνα μερικών δεκάδων ή εκατοντάδων μέτρων, η μετάδοση του σήματος video μπορεί να επιτευχθεί με χρήση κατάλληλου καλωδίου (π.χ. ομοαξονικού ή UTP), οπτικής ίνας, ασύρματης ζεύξης κ.λπ.

Τι γίνεται όμως όταν απαιτείται η μετάδοση της εικόνας σε μια απομακρυσμένη γεωγραφική περιοχή, π.χ. από την Κρήτη στην Αθήνα; Στην περίπτωση αυτή πρέπει να μετατρέψουμε το αναλογικό σήμα video σε ψηφιακό και να κάνουμε χρήση των διαθέσιμων τηλεπικοινωνιακών δικτύων, όπως το αναλογικό και ψηφιακό τηλεφωνικό δίκτυο (PSTN. ISDN), δίκτυα κινητής τηλεφωνίας(GSM, GPRS, UMTS), μισθωμένες γραμμές (leased lines) μισθωμένα κυκλώματα και δημόσια δίκτυα δεδομένων.

Χαρακτηριστικά μετάδοσης
Το σήμα video εισέρχεται αρχικά στη μονάδα εκπομπής (transmitter) και μεταδίδεται μέσα από το επιλεγμένο τηλεπικοινωνιακό κανάλι, ενώ από τη μονάδα λήψης (receiver) λαμβάνεται η εικόνα. Η χρήση των μονάδων μετάδοσης και λήψης είναι απαραίτητη, γιατί οι απαιτήσεις σε εύρος ζώνης της μεταδιδόμενης εικόνας είναι πολύ μεγαλύτερες από τη διαθέσιμη χωρητικότητα που προσφέρουν τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Ας δούμε ένα παράδειγμα:
Στην Ελλάδα χρησιμοποιείται το τηλεοπτικό πρότυπο PAL και ο μέγιστος ρυθμός ανανέωσης των εικόνων είναι 25 εικόνες ανά δευτερόλεπτο (25 fps, όπου το fps είναι frame/sec και όχι field/sec) με αποτέλεσμα να δημιουργείται η ψευδαίσθηση της φυσικής κίνησης. Επιπλέον, το σήμα video καταλαμβάνει εύρος ζώνης (bandwidth) περίπου 5 MHz. Προκειμένου να μεταδώσουμε ένα σήμα video απαιτείται να μετατρέψουμε το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό. Αν χρησιμοποιήσουμε για την απόδοση του χρώματος της εικόνας 8 bits, τότε η χωρητικότητα του δικτύου που απαιτείται είναι 240Mbps!!! Οι απαιτήσεις σε χωρητικότητα αυξάνουν δραματικά αν απαιτείται η βελτίωση της ευκρίνειας της εικόνας, οπότε για κάθε δείγμα θα χρησιμοποιήσουμε 16 ή 24 bits. Η λύση για τη μείωση του όγκου της πληροφορίας που πρέπει να μεταδώσουμε, είναι η συμπίεση, η υλοποίηση της οποίας γίνεται στις συσκευές μετάδοσης και λήψης.

Συμπίεση
Στόχος της συμπίεσης είναι η σμίκρυνση του όγκου των δεδομένων, χωρίς να αλλοιώνεται η πληροφορία που περιέχεται σε αυτά. Η συμπίεση εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι τα ψηφιακά δεδομένα περιέχουν επαναλήψεις, οι οποίες μπορούν να αντικατασταθούν με κώδικα ή σύμβολα που καταλαμβάνουν πολύ λιγότερο χώρο. Διακρίνουμε κυρίως δύο τεχνικές συμπίεσης:

• Τις αντιστρεπτές τεχνικές συμπίεσης ή αλγόριθμους συμπίεσης, χωρίς απώλειες (lossless compression). Η διαδικασία της συμπίεσης δεν αλλοιώνει καθόλου την πληροφορία. Δηλαδή, μετά την αποσυμπίεση, η πληροφορία επανέρχεται στη μορφή που είχε πριν.
• Τις μη αντιστρεπτές τεχνικές συμπίεσης ή αλγόριθμους συμπίεσης, με απώλειες (lossy compression). Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι περιορίζουν μόνιμα τον όγκο των δεδομένων. Χρησιμοποιούνται κυρίως για μετάδοση video, όπου είναι αποδεκτή κάποια απώλεια ποιότητας.

Οι αλγόριθμοι συμπίεσης του σήματος video μπορούν να διαιρεθούν σε δύο κύριες κατηγορίες. Στη μία ανήκουν οι αλγόριθμοι εκείνοι, όπου η τεχνική της συμπίεσης εφαρμόζεται στην εικόνα, όπως οι JPEG, M-JPEG, WAVELET. Στην άλλη κατηγορία ανήκουν οι αλγόριθμοι εκείνοι, όπου η τεχνική της συμπίεσης εφαρμόζεται στο σήμα video, όπως οι MPEG(1,2,4) και Η.263.

Ταχύτητα μετάδοσης και ανάλυση εικόνας
Ας εξετάσουμε τώρα πόσος χρόνος απαιτείται για τη μετάδοση μιας εικόνας με ανάλυση 4CIF, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη άλλοι παράγοντες του δικτύου, που επηρεάζουν την ταχύτητα και την ποιότητα μετάδοσης.
Μια εικόνα με ανάλυση 4CIF διαθέτει 704×576 εικονοστοιχεία (pixels). Αν χρησιμοποιηθούν 16 bit (65536 χρώματα) για την ευκρίνεια της εικόνας, τότε ο συνολικός αριθμός των bits που πρέπει να μεταδοθούν, είναι 6488004. Για ένα modem με ταχύτητα 38,4Kbps θα χρειαστούν περίπου 3 λεπτά για τη μετάδοση της εικόνας. Παρατηρούμε, ότι ο ρυθμός μετάδοσης είναι πολύ χαμηλός (0.006 fps). Για να βελτιώσουμε το ρυθμό μετάδοσης, μειώνουμε την ανάλυση της εικόνας, καθώς και την ευκρίνεια. Πράγματι, αν μεταδώσουμε εικόνα με ανάλυση CIF (352×288 pixels) και με χρήση 8 bit για την ευκρίνειά της, τότε θα απαιτηθούν περίπου 42 sec για τη μετάδοση της εικόνας (ρυθμός μετάδοσης 0.02 fps).
Αν γινόταν χρήση του δικτύου ISDN στο βασικό ρυθμό μετάδοσης καναλιού, με συνδυασμό των δύο 64Κbps καναλιών για επίτευξη ενός καναλιού χωρητικότητας 128Kbps, τότε οι παραπάνω ρυθμοί μετάδοσης θα ήταν αντίστοιχα 0.02 fps και 0.08fps
Οι ρυθμοί μετάδοσης βελτιώνονται περισσότερο, με χρήση των τεχνικών συμπίεσης που αναφέρθηκαν παραπάνω.

Υλοποίηση με χρήση τ/φ δικτύων (PSTN, ISDN)
Όπως διακρίνουμε και στο σχήμα 2 σε μια εγκατάσταση με χρήση γραμμών PSTN/ISDN, τα σήματα video από τις κάμερες οδηγούνται σε πρώτη φάση στη μονάδα μετάδοσης, ενώ μετά ψηφιοποιούνται και κατόπιν συμπιέζονται. Στη συνέχεια, μέσω της κατάλληλης τερματικής συσκευής, δημιουργείται μια σύνδεση point to point, με διαδικασία dial-up κλήσης και οι εικόνες μεταφέρονται μέσα από το κανάλι.
Στην πλευρά της λήψης γίνεται αποσυμπίεση των εικόνων και απεικόνισή τους σε μια οθόνη. Συχνά, το ρόλο της μονάδας λήψης και της οθόνης αναλαμβάνει ένας Η/Υ με κατάλληλο λογισμικό, μειώνοντας έτσι το κόστος του εξοπλισμού. Η χρήση του δικτύου ISDN βελτιώνει τόσο την ταχύτητα σύνδεσης, όσο και την ταχύτητα επικοινωνίας, σε σχέση με το δίκτυο PSTN. Το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας GSM, είναι απελπιστικά αργό, προσφέροντας ταχύτητα 9.6Kbps. Αναμένεται βελτίωση της ταχύτητας μετάδοσης, με την ανάπτυξη των δικτύων 3ης γενιάς.

Υλοποίηση με χρήση μισθωμένων γραμμών(leased lines)
Στις γραμμές αυτές δεν παρεμβάλλονται ενισχυτές, συσκευές πολύπλεξης ή άλλες διατάξεις μετάδοσης . Οι γραμμές δρομολογούνται από κέντρο σε κέντρο με διαδοχικές συνδέσεις, έως ότου καταλήξουν στους συνδρομητές. Χρησιμοποιώντας ευθείες βασικής ζώνης (baseband) μπορούν να επιτευχθούν ρυθμοί μετάδοσης έως και 64 Kbps, για αποστάσεις έως 10Km. Για μικρότερες αποστάσεις μπορούν να επιτευχθούν μεγαλύτερες ταχύτητες.

Υλοποίηση με χρήση LAN/WAN δικτύων
Οι συσκευές μετάδοσης και λήψης, διαθέτοντας τις κατάλληλες διεπαφές, μπορούν να μεταφέρουν τα σήματα video μέσα από το δίκτυο. Η πιο συνηθισμένη υλοποίηση είναι του δικτύου Ethernet .
Ο ρυθμός μετάδοσης πάνω σε ένα δίκτυο Ethernet, είναι της τάξης των 10 Mbps. Το δίκτυο κορμού των σημερινών δικτύων είναι τουλάχιστον 100 Mbps. Οποιοσδήποτε εξουσιοδοτημένος χρήστης έχει πρόσβαση, μπορεί με κατάλληλο λογισμικό να δέχεται την εικόνα στο τερματικό του. Βέβαια, ανάλογα με την κίνηση του δικτύου, ο διαχειριστής του συστήματος θα καθορίσει και το ρυθμό μετάδοσης του video, ώστε να μη δημιουργηθεί κατάρρευση του δικτύου. Για τη διασύνδεση δύο απομακρυσμένων δικτύων LAN χρησιμοποιούνται συνήθως μισθωμένα κυκλώματα, ταχύτητας 2Mbps.

Συσκευές μετάδοσης
Κατά την επιλογή ενός συστήματος απομακρυσμένης οπτικής επιτήρησης, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή:

• Στο μέγιστο ρυθμό μετάδοσης, που υποστηρίζουν στα τεχνικά φυλλάδιά τους οι εταιρίες κατασκευής. Για να αξιολογηθεί σωστά το βασικό αυτό χαρακτηριστικό πρέπει να αναφέρεται η ανάλυση και η ποιότητα της μεταδιδόμενης εικόνας, για την οποία επιτυγχάνεται ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, όλοι αυτοί οι παράγοντες μαζί – και όχι ο καθένας μόνος του –  καθορίζουν την αξιοπιστία και ποιότητα του συστήματος. Πολλές φορές, είναι προτιμότερο να επιλέξουμε ένα σύστημα που παρουσιάζει μέτριο ρυθμό μετάδοσης με μέτρια ανάλυση εικόνας (π.χ. 10 fps / 352×288 pixels), από ένα σύστημα που παρουσιάζει υψηλό ρυθμό μετάδοσης με χαμηλή ανάλυση εικόνας (π.χ. 20 fps / 176×144 pixels)
• Στο γεγονός ότι ο ρυθμός μετάδοσης, αναφέρεται στη μετάδοση μιας ροής δεδομένων video (stream). Στην περίπτωση που μεταδίδονται περισσότερα σήματα ταυτόχρονα, ο ρυθμός διαιρείται δια του αριθμού των καναλιών.
• Στη δυνατότητά του να μεταδίδει video με διαφορετικό ρυθμό, στην περίπτωση έκτακτων γεγονότων ή για καθορισμένες χρονικές στιγμές.
• Στις διεπαφές (interface) επικοινωνιών που διαθέτει. Αυτό έχει άμεση σχέση με την ικανότητα του συστήματος να συνδέεται σε διαφορετικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (π.χ. Ethernet, ISDN κ.λπ.)
• Στην ικανότητά του, να μεταδίδει ήχο και δεδομένα ταυτόχρονα με το video, να καταγράφει, να διαχειρίζεται σήματα συναγερμού και εντολές ελέγχου.
• Στην ευκολία διαχείρισης του συστήματος.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

• Jerry Whitaker ΄΄DTV Handbook The Revolution in Digital Video΄΄. McGraw-Hill 2001.
• Mike Constant and Philip Ridgeon ΄΄The Principles and Practice of CCTV΄΄ 3rd edition, Constant Consultans 2005.
• ¶ρης Αλεξόπουλος- Γιώργος Λαγογιάννης ΄΄Τηλεπικοινωνίες και Δίκτυα΄΄ 6η έκδοση, Αθήνα 2003.
• www.vision-fs.com