Η λεπτομέρεια κάνει τη διαφορά: High Definition CCTV

Έπειτα από τα συστήματα οικιακής ψυχαγωγίας, όπως η τηλεόραση, φαίνεται πως ήρθε η σειρά και των συστημάτων επιτήρησης για εφαρμογές ασφαλείας να υιοθετήσουν την τεχνολογία HD, επιφέροντας πολλαπλά οφέλη.  

Την τελευταία δεκαετία, η βιομηχανία των συστημάτων CCTV χρησιμοποιεί ολοένα και περισσότερο ψηφιακές τεχνικές προκειμένου να βελτιστοποιήσει τις λύσεις στις εφαρμογές επιτήρησης. Η μετατόπιση από τα αναλογικά στα ψηφιακά συστήματα, θα οδηγήσει τα επόμενα χρόνια τη βιομηχανία των CCTV σε ένα επιπλέον σημαντικό βήμα, όπως είναι η υιοθέτηση προϊόντων που παράγουν video υψηλής ευκρίνειας (High Definition). Η ενσωμάτωση HD στα συστήματα CCTV ακολουθεί τις αλλαγές που συντελούνται στο χώρο των εφαρμογών της οικιακής ψυχαγωγίας, όπως συμβαίνει με τις τηλεοράσεις υψηλής ευκρίνειας και τα ευρυζωνικά κανάλια που καταλαμβάνουν όλο και μεγαλύτερα ποσοστά στη συγκεκριμένη αγορά.

Πραγματικά, ο χώρος των εμπορικών ηλεκτρονικών έχει αγκαλιάσει την HD τεχνολογία και τα οφέλη των «ΜegaΡixels». Καθώς ο όγκος των προϊόντων αυξάνεται, μειώνεται διαρκώς το κόστος παραγωγής. Τι πραγματικά όμως συμβαίνει στον κόσμο των CCTV; Οι megapixels κάμερες (HD κάμερες) έχουν κάνει την εμφάνισή τους τα τελευταία χρόνια, καταλαμβάνοντας μέχρι στιγμής ένα μικρό ποσοστό της συνολικής αγοράς. Με άλλα λόγια, η συγκεκριμένη αγορά δεν απολαμβάνει ακόμα την ίδια υψηλή αποδοχή, όπως συμβαίνει στα καταναλωτικά ηλεκτρονικά.
Σε προηγούμενα άρθρα έχουμε εξετάσει επιμέρους τεχνολογίες που σχετίζονται με ένα σύστημα HD CCTV. Στο παρόν άρθρο θα εξετάσουμε συνολικά τις τεχνολογίες που απαιτούνται για τη δημιουργία ενός συστήματος HD CCTV και θα διερευνήσουμε τους λόγους που το καθιστούν πιο ελκυστικό από ένα αναλογικό ή ένα ψηφιακό (4CIF IP) συμβατικό σύστημα CCTV. Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται στις μονάδες που απαρτίζουν ένα σύστημα CCTV, όπως οι φακοί, οι φωτοευαίσθητοι αισθητήρες (sensors), οι μονάδες καταγραφής και τα συστήματα διαχείρισης, αποτελούν έναν κρίσιμο παράγοντα για την απόδοση του συστήματος, ώστε ο τελικός χρήστης να ωφεληθεί πραγματικά από την επένδυσή του.

Χαρακτηριστικά για απόδοση HD
Η επιλογή του φακού για να επιτευχθούν υψηλής ποιότητας HD εικόνες, είναι το πρώτο ίσως και το πιο σημαντικό βήμα για ένα HD CCTV σύστημα. Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι ο αριθμός των megapixels δεν είναι ο μοναδικός παράγοντας που ορίζει την ποιότητα της εικόνας. Ως χαρακτηριστικό παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε ότι η φωτογραφική μηχανή που υπάρχει ενσωματωμένη σε ένα κινητό τηλέφωνο, δεν μπορεί ποτέ να επιτύχει την ίδια ποιότητα εικόνας με μια HD κάμερα που χρησιμοποιεί τον ίδιο φωτοευαίσθητο αισθητήρα. Ο λόγος είναι ότι η κάμερα διαθέτει ένα φακό υψηλής ανάλυσης, ώστε να δημιουργεί πραγματικά πολύ ανώτερες σε ποιότητα εικόνες, σε σχέση με τους φθηνούς φακούς που υπάρχουν στις εμπορικά διαθέσιμες συσκευές για μη επαγγελματική χρήση.
Οι φακοί που χρησιμοποιούν οι HD κάμερες παρουσιάζουν ελάχιστη παραμόρφωση και υψηλά επίπεδα αντίθεσης. Επιπλέον, διαθέτουν μια οπτική ακρίβεια που δεν συναντάται στους φακούς των παραδοσιακών καμερών. Οι φακοί αυτοί είναι ακόμα αρκετά ακριβοί. Εντούτοις, καθώς αυξάνεται ο όγκος των πωλήσεών τους, αναμένεται ότι θα μειωθεί το κόστος παραγωγής.
Το δεύτερο σημαντικό στοιχείο είναι η HD κάμερα, η οποία έχει την ικανότητα να προσφέρει πολύ υψηλότερης ανάλυσης εικόνες από ότι οι συμβατικές κάμερες. Μια συμβατική υψηλής ανάλυσης 4CIF (704×576) IP κάμερα, παρέχει εικόνα με 400.000 περίπου pixels (0.4 megapixels). Oι HD κάμερες διαθέτουν ανάλυση από 1.2 έως 5 megapixels (MP), που για κάποιες εξειδικευμένες εφαρμογές μπορούν να φθάσουν έως και 21 ΜΡ. Η επιπλέον ανάλυση μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για να επιτηρήσουμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια την υπό εξέταση περιοχή είτε για να λάβουμε μεγαλύτερο πεδίο θέασης (με χρήση βέβαια ισοδύναμου φακού) με το ίδιο επίπεδο λεπτομέρειας με μια συμβατική κάμερα. Έτσι, μια κάμερα με ανάλυση 2 ΜΡ έχει πολύ μεγαλύτερη λεπτομέρεια στην εικόνα. Με σωστή επιλογή φακού που προσφέρει ένα ισοδύναμο πεδίο θέασης και κατάλληλη τοποθέτηση, μια HD κάμερα μπορεί να αντικαταστήσει δύο ή περισσότερες συμβατικές κάμερες. (SecurityManager, τεύχος 11 « Κάμερες Υψηλής Ανάλυσης»). Στο σημείο αυτό πρέπει να επισημάνουμε το γεγονός ότι οι HD κάμερες χρησιμοποιούν τους ίδιους CMOS φωτοευαίσθητους ανιχνευτές που χρησιμοποιούν οι φωτογραφικές μηχανές, ενώ οι αναλογικές κάμερες χρησιμοποιούν CCD ανιχνευτές. Τα τελευταία χρόνια έχει αρχίσει να γίνεται χρήση φωτοευαίσθητων ανιχνευτών, που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία της HDTV (High Definition TV). Βέβαια, καθώς αυξάνεται η πυκνότητα των εικονοστοιχείων (pixels) χωρίς να μεταβάλλονται οι διαστάσεις του φωτοευαίσθητου ανιχνευτή, διατίθεται λιγότερο φως σε κάθε εικονοστοιχείο. Επομένως, κάθε εικονοστοιχείο διαθέτει μικρότερη ευαισθησία και άρα χρειάζεται περισσότερο φως, ενώ αυξάνεται ο θόρυβος του φωτοευαίσθητου ανιχνευτή, με αποτέλεσμα τη μείωση της ποιότητας του σήματος που παράγεται. Για τους λόγους αυτούς, η πρώτη γενιά των φωτοευαίσθητων ανιχνευτών που χρησιμοποιούσαν οι ΙΡ και HD κάμερες, εμφάνιζε περιορισμούς και χειρότερα ποιοτικά χαρακτηριστικά από ότι οι αναλογικές κάμερες, κυρίως στην απόδοσή τους στο χαμηλό φωτισμό και στο εύρος της δυναμικής περιοχής. Σήμερα, η τεχνολογία των φωτοευαίσθητων ανιχνευτών βελτιώνεται με γοργούς ρυθμούς και σημαντικά εργαστήρια R&D έχουν εστιάσει σε αυτήν την περιοχή.

Εφαρμογές και οφέλη
Οι HD κάμερες είναι κατάλληλες για εφαρμογές σε τράπεζες, καζίνο, επιχειρήσεις, χώρους στάθμευσης αυτοκινήτων κ.ά., όπου η λεπτομέρεια στην εικόνα είναι κρίσιμος παράγοντας (για την ταυτοποίηση ατόμων, αναγνώριση πινακίδων κ.λπ.). Έτσι, αν απαιτηθεί η εικόνα να χρησιμοποιηθεί ως αποδεικτικό στοιχείο που δεν επιδέχεται αμφισβήτηση, θα βοηθήσει στη δικαστική τεκμηρίωση. Βέβαια, μια HD κάμερα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλους τομείς, όπως για παράδειγμα ως πολύτιμο εργαλείο στη σύγχρονη ιατρική, είτε σε εφαρμογές τηλεϊατρικής είτε για εκπαιδευτικούς σκοπούς.
Είναι χρήσιμο να αναφερθούμε στα οφέλη που αποκομίζονται από τη χρήση PTZ καμερών. Με μια αναλογική ΡΤΖ κάμερα, μας δίνεται η δυνατότητα να ρυθμίσουμε κατάλληλα την οπτική μεγέθυνση (οπτικό zoom) του φακού, ώστε να δούμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια μία συγκεκριμένη περιοχή του χώρου επιτήρησης. Με τον τρόπο αυτό όμως, περιορίζουμε το πεδίο θέασης της κάμερας για όσο χρόνο εστιάζουμε στη συγκεκριμένη περιοχή, τόσο σε πραγματικό χρόνο όσο και κατά την καταγραφή (αφού ό,τι παρατηρούμε καταγράφεται). Με χρήση μιας HD κάμερας, ο χρήστης κάνει ψηφιακή μεγέθυνση (ψηφιακό zoom), επιλέγοντας να εμφανίσει μόνο ένα μικρό τμήμα της εικόνας. Αυτό είναι χρήσιμο πρακτικά, γιατί η κάμερα επιτηρεί ολόκληρο το χώρο, ενώ εστιάζεται η περιοχή που θέλουμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Έχουμε όμως πάντα τη δυνατότητα να ανατρέξουμε και να αναπαράγουμε ολόκληρη την εικόνα ( ή οποιαδήποτε λεπτομέρεια βρίσκεται μέσα σε αυτή).
Πολλά συστήματα που χρησιμοποιούν παραδοσιακές κάμερες, δεν παρέχουν επαρκή ανάλυση ή ποιότητα στην εικόνα, που απαιτούν συγκεκριμένες εφαρμογές. Με χρήση HD καμερών επιτυγχάνεται η απαραίτητη ποιότητα και ανάλυση στην εικόνα και είναι ένας τρόπος για να σταματήσει η αρνητική δημοσιότητα για τα συστήματα CCTV, που υπάρχει εξαιτίας της μη επαρκούς ανάλυσης που προσφέρουν οι συμβατικές κάμερες, από τους διαχειριστές συστημάτων ασφαλείας ή την αστυνομία, όταν πρόκειται για ταυτοποίηση ενόχων.

Μετάδοση και αποθήκευση HD
Το επόμενο κρίσιμο στοιχείο στη δομή ενός HD CCTV συστήματος είναι η μετάδοση του σήματος που παράγεται από μια HD κάμερα. Είναι σημαντικό για τους σχεδιαστές του συστήματος αλλά και για τους τελικούς χρήστες, να γνωρίζουν τους ρυθμούς μετάδοσης των δεδομένων και τις απαιτήσεις της αποθήκευσης.
Όπως σε κάθε νέα τεχνολογία, υπάρχουν κάποια προβλήματα τα οποία οι τεχνικοί εγκατάστασης και οι τελικοί χρήστες καλούνται να υπερβούν. Στη συγκεκριμένη περίπτωση της HD επιτήρησης, τα προβλήματα εστιάζονται στην εμφάνιση, καταγραφή και αποθήκευση των σημάτων video, που έχουν πολύ μεγαλύτερο μέγεθος από εκείνα που διαχειριζόμαστε με τις συμβατικές τεχνολογίες (αναλογική και ψηφιακή). Το ερώτημα που εγείρεται αβίαστα είναι αν το διαθέσιμο bandwidth αποτελεί περιοριστικό παράγοντα. Επίσης, συχνά δεν αναφέρεται στα φυλλάδια των κατασκευαστών ο αληθινός ρυθμός δεδομένων που απαιτείται για τη μετάδοση. Π.χ., σε μια HD κάμερα 1.3 ΜΡ, ο κατασκευαστής αναφέρει ρυθμό ανανέωσης έως 25fps. Εντούτοις, πουθενά δεν αναφέρεται ο τυπικός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων και το μέγεθος του αποθηκευτικού χώρου που απαιτείται για την καταγραφή μιας ροής δεδομένων από την κάμερα. Κάποιοι ισχυρίζονται ότι αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα, καθώς μπορεί να γίνει χρήση ενός δικτύου ΙΡ ειδικά για να μεταφέρει μόνο την εικόνα από τις HD κάμερες (όπως ένα αναλογικό σύστημα χρησιμοποιεί αποκλειστικά ομοαξονικά καλώδια). Αυτό βέβαια είναι σωστό, αλλά πάντα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και οι παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος μιας επένδυσης, ώστε ο τελικός χρήστης πραγματικά να ωφεληθεί από την επένδυσή του.
Μια προσέγγιση είναι να δημιουργήσουμε ένα κλειστό σύστημα καταγραφής, του οποίου ο μοναδικός ρόλος είναι η τοπική αποθήκευση των εικόνων που έρχονται απευθείας από τις HD κάμερες. Αυτή τη λύση προτείνουν ορισμένοι κατασκευαστές, επειδή τα προϊόντα τους δεν μπορούν να μεταδώσουν σε πραγματικό χρόνο ροές δεδομένων, χωρίς να χρησιμοποιήσουν μεγάλο ποσοστό του διαθέσιμου bandwidth. Με τον τρόπο αυτό όμως, ακυρώνονται τα οφέλη που απορρέουν από τη χρήση του ΙΡ δικτύου. Μια άλλη επιλογή είναι να συνδέσουμε τις HD κάμερες μέσω ΙΡ δικτύου, σε ένα NVR (Network Video Recorder) που βρίσκεται τοποθετημένο σε ένα κατάλληλο σημείο του δικτύου. Εδώ πρέπει να προσέξουμε ιδιαίτερα, ότι κατά τη μετάδοση των εικόνων δεν θα υπερφορτωθεί το δίκτυο.
Έχουν προταθεί επίσης κάποιες λύσεις που συνδυάζουν την τοπική καταγραφή και τη διασύνδεση σε ένα δίκτυο ΙΡ, με την υιοθέτηση ψηφιακών καταγραφικών video που μπορούν να αποθηκεύουν υψηλής ανάλυσης εικόνες, όπως έρχονται από τις HD κάμερες, αλλά ταυτόχρονα έχουν την ικανότητα να ελαττώνουν το μέγεθος των εικόνων για να βελτιστοποιούν τη μετάδοση μέσα από το ΙΡ δίκτυο. Σε αυτή την περίπτωση, το πλεονέκτημα είναι ότι ένας απομακρυσμένος χρήστης μπορεί να επιτηρεί σε πραγματικό χρόνο χωρίς να υπερφορτώνει το δίκτυο και ταυτόχρονα να είναι σίγουρος ότι τα δεδομένα καταγράφονται τοπικά με HD ανάλυση, ώστε να χρησιμοποιηθούν ως αδιαμφισβήτητα αποδεικτικά στοιχεία αν χρειασθεί.

Η τεχνολογία που ελέγχει το ποσό των δεδομένων, είναι το σύστημα συμπίεσης video που βρίσκεται ενσωματωμένο μέσα στην κάμερα. Το σύστημα συμπίεσης μετατρέπει το σήμα video σε ροές δεδομένων, ώστε να μεταδοθεί αποδοτικά μέσα από ένα ΙΡ δίκτυο και να αποθηκευτεί σε μια μονάδα NVR.
Σήμερα χρησιμοποιούνται κυρίως τα πρότυπα συμπίεσης MJPEG, MPEG-4 και Η.264 στις HD κάμερες. Το σήμα video συμπιέζεται, χρησιμοποιώντας δύο τύπους πλαισίων: το Ι-πλαίσιο, το οποίο περιέχει την πληροφορία από ολόκληρη την εικόνα και το Ρ-πλαίσιο, που περιέχει την πληροφορία που προκύπτει συγκρίνοντας τις διαφορές με το προηγούμενο πλαίσιο. Το πρότυπο MJPEG χρησιμοποιεί μόνο τα Ι-πλαίσια, ενώ το MPEG-4 και το Η.264 κάνουν ένα συνδυασμό των Ι, Ρ πλαισίων και με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουν χαμηλότερο bandwidth. Επιπλέον, το Η.264 απαιτεί μικρότερο bandwidth από το MPEG-4 για να μεταφέρει την ίδια ποιότητα εικόνας.
Το πρότυπο Η.264 καθορίζει ένα σύνολο εργαλείων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συμπίεση video. Ένας συμβατός αποκωδικοποιητής (decoder) πρέπει να χρησιμοποιεί όλα τα εργαλεία του προτύπου, ενώ ένας συμβατός κωδικοποιητής (encoder) μπορεί να επιλέξει οποιοδήποτε εργαλείο θέλει. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει μια μεγάλη διαφορά των κωδικοποιητών από διαφορετικούς κατασκευαστές. Η αλματώδης αύξηση των εμπορικών ηλεκτρονικών και η απαίτηση των καταναλωτών για υψηλότερης ποιότητας εικόνες στα κινητά τηλέφωνα και στις βιντεοκάμερες, έχουν οδηγήσει στην κατασκευή ημιαγωγών με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος, που υλοποιούν το πρότυπο Η.264 για συμπίεση στα 2 ΜΡ περίπου. Αυτός είναι ένας επιπλέον λόγος που οι κατασκευαστές HD CCTV στρέφονται προς το πρότυπο Η.264.
Βέβαια, η απόδοση της HD επιτήρησης δεν στηρίζεται μόνο στις HD κάμερες, αλλά επίσης στο λογισμικό και στις υποδομές που υπάρχουν για να τις υποστηρίξουν. Η υιοθέτηση της HD τεχνολογίας σήμερα γίνεται ευκολότερη, γιατί οι ΙΡ υποδομές είναι ένα παγκόσμιο πρότυπο για δικτύωση. Έτσι, είναι ευκαιρία για τη βιομηχανία των CTTV να χρησιμοποιήσει αυτές τις υποδομές και να ωφεληθεί από την επένδυση των επιχειρήσεων σε αυτόν τον τομέα.
Τα οφέλη που προκύπτουν από το συνδυασμό των τεχνολογιών που στηρίζονται στην HD επιτήρηση και την ΙΡ δικτύωση, είναι πολλαπλά, όπως: ανάλυση κατάστασης σε πραγματικό χρόνο, μετάδοση σήματος σε ολόκληρο το δίκτυο, κεντρική καταγραφή, διαχείριση πολλαπλών περιοχών ταυτόχρονα για αυτόματη ανίχνευση εισβολέων με άμεση επαλήθευση, πολύ υψηλή ανάλυση καταγεγραμμένων συμβάντων και αποτελεσματική αξιοποίησή τους.
Η σωστή χρήση των τεχνολογιών αυτών είναι ευθύνη των κατασκευαστών, των εταιρειών πώλησης και διανομής και των τεχνικών εταιρειών εγκατάστασης, ώστε να παραμείνει ο κλάδος σε ανοδική τροχιά σε αυτήν τη δύσκολη οικονομική περίοδο και ο τελικός χρήστης να αισθάνεται ότι αφενός μεν απολαμβάνει τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από την αποδοχή της προηγμένης τεχνολογίας, αφετέρου δε ότι έχει μεγιστοποιήσει το όφελος από την επένδυσή του.

Βελντές Γιώργος
Φυσικός – Ραδιοηλεκτρολόγος