Αποθήκευση video

Η αποθήκευση video στα συστήματα CCTV αποτελεί το σημαντικότερο ίσως παράγοντα της αποτελεσματικότητας μιας εγκατάστασης ασφαλείας, γι’ αυτό και απαιτείται μια καλή γνώση των διαθέσιμων επιλογών σήμερα, σε συνδυασμό με την πλήρη καταγραφή των αναγκών της κάθε εφαρμογής. 

Από τη στιγμή που εμφανίστηκαν τα πρώτα συστήματα CCTV έγινε επιτακτική η ανάγκη για την αποθήκευση και την καταγραφή των εικόνων. Η καταγραφή και αποθήκευση των εικόνων δεν βοηθά μόνο το προσωπικό που είναι επιφορτισμένο με την επιτήρηση μιας εγκατάστασης, αλλά  βελτιώνει και την αποτελεσματικότητα του συστήματος με την παροχή αποδεικτικών στοιχείων. Έτσι, η καλύτερη ποιότητα του αναπαραγόμενου σήματος video δημιουργεί πιο αξιόπιστα και πέρα από κάθε αμφισβήτηση αποδεικτικά στοιχεία.

Ιστορικό
Τη δεκαετία του 1970 εμφανίστηκαν οι πρώτες συσκευές τεχνολογίας VHS (Video Home System) που παρείχαν μαζί με την τεχνολογία time-lapse το πρώτο αξιόπιστο εργαλείο για την αποθήκευση και καταγραφή του σήματος video από τις κάμερες. Η αποθήκευση του video γίνονταν σε μια αφαιρούμενη κασέτα που διέθετε μια μαγνητική ταινία. Οι συσκευές αυτές ονομάστηκαν VCR (Video Cassette Recorder). Οι συνηθισμένες VCR συσκευές αναπαρήγαγαν video με ανάλυση 240-250 τηλεοπτικών γραμμών (ΤV lines) για έγχρωμες εικόνες και μεταξύ 300-350 τηλεοπτικών γραμμών (ΤV lines) για ασπρόμαυρες εικόνες. Για καλύτερη ανάλυση εικόνας δημιουργήθηκε το πρότυπο S-VHS (400 TV lines περίπου), όπου όμως οι συσκευές που το χρησιμοποιούσαν είχαν μεγαλύτερο κόστος από τις συσκευές με VCR.
Όσο μεγάλωνε το μέγεθος των εγκαταστάσεων με συστήματα CCTV και επιπλέον υπήρχαν μεγάλες απαιτήσεις συντήρησης των συσκευών VCR καθώς και δυσκολία στη διαχείριση των κασετών, άρχισε να γίνεται επιτακτική η ανάγκη για αποδοτικότερα και πιο φιλικά στο χρήστη συστήματα καταγραφής και αποθήκευσης video. Έτσι στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του 1990 άρχισαν να κάνουν την εμφάνισή τους τα συστήματα ψηφιακής καταγραφής DVR (Digital Video Recorder).
H εγγραφή των εικόνων γινόταν τώρα με ψηφιακό τρόπο σε ένα σκληρό δίσκο. Εντούτοις, για αρκετά χρόνια το μεγάλο μέγεθος των παραγόμενων αρχείων σε σχέση με τη χωρητικότητα του δίσκου αποθήκευσης και την ισχύ των μικροεπεξεργαστών, έδιναν μη ικανοποιητικά αποτελέσματα για εικόνα υψηλής ανάλυσης και ταυτόχρονα υψηλό ρυθμό ανανέωσης εικόνων (frame rate). Επιπλέον το κόστος των συσκευών ήταν σημαντικά υψηλό.

Οι επιλογές σήμερα
Όλα αυτά όμως άλλαξαν με την πρόοδο που επιτεύχθηκε στον τομέα των υπολογιστών, καθώς και στη βελτίωση των προτύπων συμπίεσης που χρησιμοποιούν οι συσκευές DVR. H αλματώδης ανάπτυξη στην ισχύ των μικροεπεξεργαστών, η αύξηση της χωρητικότητας των σκληρών δίσκων καθώς και οι αλγόριθμοι συμπίεσης που αναπτύχθηκαν και εφαρμόσθηκαν τόσο σε επίπεδο υλικού (hardware) όσο και σε επίπεδο λογισμικού (software), έδωσαν τη δυνατότητα για κατασκευή συσκευών DVR με βελτιωμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά, ευκολία στη χρήση και σχετικά χαμηλό κόστος αγοράς.
Με την ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιακών δικτύων και των δικτύων δεδομένων τα τελευταία χρόνια έκαναν δυναμικά την εμφάνισή τους οι εξειδικευμένοι δικτυακοί εξυπηρετητές video NVR (Network Video Recorder). Ανάλογα με την αρχιτεκτονική ενός συστήματος CCTV είναι και ο τρόπος καταγραφής και αποθήκευσης του σήματος video.
Ένα DVR είναι ένας εξειδικευμένος υπολογιστής που έχει σχεδιαστεί για να κάνει μια καθορισμένη εργασία, η οποία είναι να διαχειρίζεται αναλογικά και ψηφιακά σήματα video, να ψηφιοποιεί τα αναλογικά, να τα συμπιέζει και να τα αποθηκεύει στο σκληρό του δίσκο. Σημαντικό χαρακτηριστικό για κάθε DVR αποτελεί η αναλογική κάρτα video εισόδου που χρησιμοποιεί και η οποία έχει άμεση σχέση με την απόδοση του DVR, αφού έχει να κάνει με το ρυθμό ανανέωσης των πλαισίων της εικόνας και την ποιότητα της εικόνας. Έτσι, αν χρησιμοποιούνται αναλογικές κάμερες, τότε η καταγραφή και αποθήκευση του σήματος video γίνεται στο σκληρό δίσκο του DVR, που είναι άμεσα συνδεδεμένο με τις αναλογικές κάμερες. Είναι σημαντικό κατά την εκλογή του DVR να επιλέξουμε συσκευή που διαθέτει σκληρό (ή σκληρούς) δίσκο για την αποθήκευση του καταγεγραμμένου video και άλλον ξεχωριστό δίσκο στον οποίο έχει εγκατασταθεί το λειτουργικό σύστημα, οι οδηγοί των συσκευών κ.ά.
Τα σημερινά DVRs διαθέτουν επίσης ειδικές υποδοχές για CD, DVD και USB ώστε να μπορεί κάποιος άμεσα και γρήγορα να εξάγει video από συγκεκριμένες χρονικές περιόδους. Επίσης διαθέτουν κάρτα δικτύου με την οποία μπορούν να συνδεθούν σε ένα δίκτυο δεδομένων είτε για τον απομακρυσμένο προγραμματισμό τους είτε για αναζήτηση καταγεγραμμένου video και τη μεταφορά και αποθήκευσή του σε απομακρυσμένο H/Y δικτύου για περαιτέρω επεξεργασία και χρήση.
Για τη χρησιμοποίηση των εξαγομένων video ως αποδεικτικά στοιχεία και για να μην υπάρχει οποιαδήποτε αμφιβολία ότι έχουν υποστεί οποιαδήποτε ψηφιακή επεξεργασία που αλλοιώνει και παραποιεί το καταγεγραμμένο γεγονός, τα περισσότερα DVR διαθέτουν πιστοποιητικό αυθεντικότητας για την εξαγωγή του video από το DVR σε άλλα εξωτερικά μέσα αποθήκευσης.
H τεχνολογία σήμερα επιτρέπει και τη σύνδεση μιας αναλογικής κάρτας video (video capture card) σε έναν κοινό Η/Υ, ώστε με το κατάλληλο λογισμικό να μετατραπεί αυτός σε ένα DVR (PC-based DVR). Σε αυτήν την περίπτωση το λογισμικό (software) είναι αυτό που έχει τον κυρίαρχο λόγο και μαζί με την κάρτα που χρησιμοποιείται και την επεξεργαστική ισχύ του Η/Υ ορίζουν την απόδοση του συστήματος.
Αν έχουμε ένα ολοκληρωμένο ψηφιακό σύστημα CCTV, όπου χρησιμοποιείται ένα δίκτυο δεδομένων για τη μετάδοση του σήματος video από τις κάμερες (είτε χρησιμοποιούνται ΙΡ κάμερες είτε οι συμβατικές κάμερες με χρήση κατάλληλων συσκευών που ονομάζονται video server), η καταγραφή και αποθήκευση του stream video που παράγεται, γίνεται σε έναν εξειδικευμένο εξυπηρετητή του δικτύου, στον οποίο εγκαθίστανται το κατάλληλο λογισμικό για την αποθήκευση video και ο οποίος ονομάζεται NVR (Network Video Recorder). Βέβαια, ανάλογα με τη σχεδίαση του συστήματος και των δυνατοτήτων των ΙΡ καμερών (ή των video server) μπορεί η κάμερα να διαθέτει μία SD κάρτα που να αποθηκεύει κάποια κρίσιμα δεδομένα. Σε κάθε περίπτωση ο εξουσιοδοτημένος χρήστης από τον προσωπικό του υπολογιστή μπορεί να προσπελάσει δεδομένα από οποιαδήποτε κάμερα ή από τις συσκευές NVR.

Χαρακτηριστικά λειτουργίας και απόδοσης
Είναι σημαντικό να διερευνήσουμε ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά που επηρεάζουν την αποθήκευση video σε ένα σύστημα CCTV, ώστε ανάλογα και με την αρχιτεκτονική του συστήματος να γίνει η καταλληλότερη εκλογή του συστήματος ψηφιακής καταγραφής και αποθήκευσης, που να ανταποκρίνεται στις ανάγκες της εγκατάστασης.
Συνήθως ο χρήστης καθορίζει τη χρονική διάρκεια καταγραφής, η οποία έχει σχέση με τη χωρητικότητα του αποθηκευτικού μέσου. Μεγαλύτερη χωρητικότητα σημαίνει μεγαλύτερη χρονική διάρκεια καταγραφής. Όμως όσο αυξάνεται η χωρητικότητα αποθήκευσης, αυξάνεται και το κόστος αγοράς του συστήματος. Έτσι πρέπει να γίνει ένας συμβιβασμός όλων αυτών για να επιτευχθεί το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα.
Ακόμα όμως και όταν αυτό συμβεί, δεν σημαίνει ότι ο χρήστης θα έχει το επιθυμητό επίπεδο ποιότητας στην αναπαραγωγή των εικόνων. Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικός ο ρόλος των εταιρειών εγκατάστασης, ώστε να εξηγήσουν τις παραμέτρους που επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος.

Στο σημείο αυτό ας κάνουμε μια γρήγορη αναφορά στους βασικούς παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται στην αγορά ενός συστήματος ψηφιακής καταγραφής.

• Η τεχνολογία συμπίεσης που χρησιμοποιεί το σύστημα ψηφιακής καταγραφής αποτελεί ένα από τους βασικούς παράγοντες που πρέπει πάντα να λαμβάνονται σοβαρά υπόψη. Στόχος της συμπίεσης είναι η ελάττωση του όγκου των δεδομένων, χωρίς να αλλοιώνεται η πληροφορία που περιέχεται σε αυτά. Οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται και υλοποιούνται είναι αρκετοί, τόσο στο υλικό όσο και στο λογισμικό (π.χ. JPEG, MPEG-x, H.26x, κ.ά.). Ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής πρέπει να γίνει η εκτίμηση του πρότυπου συμπίεσης που θα χρησιμοποιηθεί, καθώς και η επιλογή του συστήματος ψηφιακής καταγραφής που την υλοποιεί καλύτερα. Αυτό χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή, γιατί ακόμα και για τους τυποποιημένους αλγόριθμους μπορεί να υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των εμπορικών εφαρμογών, επειδή τα πρότυπα προσφέρουν σημαντική ευελιξία στους κατασκευαστές.
• Εξίσου σημαντική παράμετρος είναι η ποιότητα του αποθηκευμένου (και κατά συνέπεια αναπαραγόμενου) video, που εξαρτάται από χαρακτηριστικά όπως η ανάλυση εικόνας και ο ρυθμός αποθήκευσης του video. Δύο παράγοντες, που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ταυτόχρονα.

Υπάρχουν διεθνή πρότυπα για την ανάλυση της εικόνας των ψηφιακών συστημάτων καταγραφής, όπως φαίνονται και στον ακόλουθο πίνακα:

Από τα παραπάνω γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι επιλέγοντας αποθήκευση σε ανάλυση 4CIF ή D1, απαιτείται περίπου τετραπλάσιος αποθηκευτικός χώρος από ό,τι αν χρησιμοποιούνταν ανάλυση CIF. Όμως η ποιότητα της εικόνας δεν εξαρτάται μόνο από την ανάλυσή της αλλά και από το ρυθμό αποθήκευσης που επιτυγχάνεται. Ο ρυθμός αποθήκευσης είναι ένα μέγεθος που εξαρτάται από την ανάλυση της εικόνας (pixels), το βάθος χρώματος (bit), καθώς και το ρυθμό ανανέωσης των εικόνων (frame/s).

• Ο ρυθμός ανανέωσης εικόνων (frame/s) είναι κρίσιμος παράγοντας, γιατί επηρεάζει άμεσα τη διαθέσιμη χωρητικότητα του αποθηκευτικού μέσου. Για το σύστημα PAL ο μέγιστος ρυθμός είναι 25fps. Υπάρχουν εφαρμογές (π.χ. καζίνο) όπου για να υπάρχει αποτελεσματικότητα είναι απαραίτητο ο ρυθμός ανανέωσης εικόνας να είναι στα 25 fps. Όμως στις περισσότερες απαιτητικές εφαρμογές, ένας ρυθμός στα 8 fps παρέχει εξίσου πολύ καλά αποτελέσματα.
• Σημαντικός παράγοντας είναι επίσης η αρχική γνώση, αν η καταγραφή και αποθήκευση video για τις κάμερες (όλες ή για κάποιες) θα γίνεται σε εικοσιτετράωρη βάση για όλες τις ημέρες της εβδομάδας (24/7) ή θα χρησιμοποιείται κάποιος μηχανισμός ενεργοποίησης της καταγραφής (π.χ. ανίχνευση κίνησης, σήμα συναγερμού κ.ά.). Επιπλέον θα πρέπει να γίνεται κάποια πρόβλεψη για τις συνθήκες που επικρατούν στην υπό κάλυψη περιοχή. Ως παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε τις συνθήκες κίνησης σε ένα εμπορικό κέντρο, που είναι διαφορετικές από αυτές που επικρατούν σε ένα συνοικιακό εμπορικό κατάστημα ή τα δέντρα που υπάρχουν στο οπτικό πεδίο μιας κάμερας, που είναι πιθανό να παράγουν καταγραφές όταν φυσάει ο άνεμος.
• Το μέγεθος της εγκατάστασης και κατά κύριο λόγο ο αριθμός των καμερών παίζει σημαντικό ρόλο στη χρονική διάρκεια καταγραφής και αποθήκευσης video, αφού όσο μεγαλύτερος είναι αυτός, τόσο μειώνεται η διάρκεια της αποθήκευσης (εννοείται για συγκεκριμένη χωρητικότητα και την ίδια ποιότητα εικόνας).
• Σοβαρά υπόψη πρέπει επίσης να λαμβάνεται η προστασία και αδιάλειπτη λειτουργία του συστήματος σε περίπτωση βλάβης του σκληρού δίσκου (ο οποίος δουλεύει 24/7) του αποθηκευτικού μέσου. Στα μεγάλα συστήματα CCTV, συνήθως υπάρχει πρόνοια είτε με mirror συστήματα αποθήκευσης είτε χρησιμοποιώντας συστοιχίες δίσκων, ώστε να μην υπάρχει απώλεια στην καταγραφή των δεδομένων. Στις μικρότερες εφαρμογές μπορούμε να χρησιμοποιούμε είτε συστήματα με αποσπώμενο σκληρό δίσκο είτε να γίνεται backup σε κάποια εξωτερική συσκευή κάποιων σημαντικών γεγονότων.

Χρήσιμα συμπεράσματα
Συμπερασματικά, θα ήταν συνετό για κάποιον που χρειάζεται να εγκαταστήσει ένα σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης video να έχει κατά νου τα εξής:

• Η χωρητικότητα του μέσου αποθήκευσης – και κατά συνέπεια η χρονική διάρκεια της αποθήκευσης – εξαρτάται όχι μόνο από την ανάλυση της εικόνας αλλά και από την ποιότητα της εικόνας. Το τελευταίο χαρακτηριστικό, επειδή είναι μια δυναμική παράμετρος, δεν αναφέρεται πάντα με ευδιάκριτο τρόπο στα φυλλάδια των κατασκευαστών.
• Ο αριθμός των καμερών επηρεάζει τη χρονική διάρκεια αποθήκευσης για συγκεκριμένη χωρητικότητα του αποθηκευτικού μέσου. Π.χ., αν αρχικά έχουμε επιλέξει ένα ψηφιακό σύστημα με διάρκεια καταγραφής 7 ημέρες και απαιτηθεί να προσθέσουμε επιπλέον κάμερα (-ες), τότε πρέπει να ξέρουμε ότι είτε θα μειωθεί η διάρκεια καταγραφής είτε θα πρέπει να υποβαθμιστεί η ποιότητα της εικόνας.
• Σε περίπτωση που θα δημιουργηθεί ένα σύστημα CCTV με ΙΡ κάμερες πάνω σε ένα υπάρχον δίκτυο δεδομένων, πρέπει να γίνει σωστή μελέτη του διαθέσιμου bandwidth και των απαιτήσεων της εφαρμογής (τωρινές και μελλοντικές) για να μη δημιουργηθούν δυσάρεστα προβλήματα. Αν είναι εφικτό θα πρέπει να δημιουργείται ένα ξεχωριστό δίκτυο δεδομένων για το σύστημα CCTV.
• Αν έχει επιλεγεί ένα PC-based σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης, δεν θα πρέπει να χρησιμοποιούμε αυτόν τον υπολογιστή για άλλες ασχολίες προκειμένου να μειώσουμε το κόστος της επένδυσης.
• Ένα σύστημα καταγραφής και αποθήκευσης video που χρησιμοποιεί αποσπώμενους σκληρούς δίσκους, προσφέρει πολλαπλάσια χωρητικότητα χωρίς υποβάθμιση της ποιότητας της εικόνας, αλλά δημιουργεί προβλήματα διαχείρισης όμοια με αυτά που υπήρχαν στην περίπτωση των VCR που έκαναν χρήση των κασετών.

Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι διαφορετικές ανάγκες σε καταγραφή και αποθήκευση video έχει μια βιομηχανική εγκατάσταση ή ένα δημόσιο κτήριο, από ένα εμπορικό κατάστημα. Σε κάθε περίπτωση όμως, το σύστημα πρέπει να έχει επιλεγεί με τέτοιο τρόπο ώστε να ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις της εφαρμογής.

Του Γιώργου Βελντέ
Φυσικός -Ραδιοηλεκτρολόγος