W niniejszym artykule omówiono tendencje w dziedzinie dozoru wizyjnego na rok 2015 i kolejne lata. Wzrasta wykorzystanie usługi Video surveillance-as-a-service (VSaaS) oraz chmury obliczeniowej do celów zarządzania i archiwizacji materiału wizyjnego uzyskanego z kamer dozorowych i zapisywanego w chmurze. Zakłada się uruchomienie technologii analizy w branży Security w celu pozyskania wartościowych informacji z ogromnej ilości zgromadzonych uporządkowanych i nieuporządkowanych danych (określanych również jako „big data“). Standardy kompresji obrazu w rodzaju H.264 i H.265 służą w całości do zmniejszania i usuwania nadmiarowych danych, dzięki czemu cyfrowy plik wizyjny można sprawnie przesłać przez sieć i zapisać na dyskach komputerów. Ostatecznie wyższa jakość obrazów i nagrań w rodzaju 4K musi być obsługiwana przez odpowiednie technologie celem uzyskania możliwie największej ilości informacji.
Dzięki pogłębieniu tematu Internetu przedmiotów (Internet of Things − IoT), jednego z ciekawszych w całym roku 2014 i dotyczącego wszystkich gałęzi techniki (czy to inteligentnych samochodów czy lodówek on-line) coraz więcej konsumentów i firm ma świadomość zalet łączności z internetem. Świadomość ta dotyczyć powinna również specjalistów w zakresie bezpieczeństwa oraz właścicieli starających się zapewnić ochronę swoim firmom.
Jak przewiduje wielu specjalistów z branży security, nowy standard HD – 4K Ultra HD będzie stosowany na coraz szerszą skalę jako kolejny naturalny krok w dążeniu do bardziej szczegółowego obrazu i pokrycia większego obszaru przez kamerę dozorową. W roku 2015 i kolejnych latach spodziewane jest pełne wprowadzenie standardu 4K w zastosowaniach dozorowych. Oczywiście głównym wyznacznikiem jest jakość obrazu, jednakże rzeczywiste wyzwanie stanowi optymalizacja jakości w danym zastosowaniu dozorowym, bez względu na to z jak złym oświetleniem czy warunkami otoczenia mamy do czynienia. Innowacje w tym zakresie − technologia zwiększająca jakość obrazu w zaawansowanych zastosowaniach wizyjnych − będą kluczowym czynnikiem rozwojowym w branży. Dążenie ku coraz wyższej jakości obrazu zwiększa jednak nacisk na zarządzanie zasobami wspierającymi tę jakość. Przykładowo, zakłada się znaczący wpływ na przepustowość sieci oraz wymagania dotyczące zapisu, co tworzy potrzebę opracowania coraz bardziej wydajnych metod kompresji.
Usługa Video surveillance-as-a-service (VSaaS) i chmura obliczeniowa
Usługa Video surveillance-as-a-service stosowana jest do zarządzania i archiwizacji w chmurze materiału wizyjnego uzyskanego z kamer dozorowych. Wizyjne systemy dozorowe stanowią wszechstronne narzędzie w zakresie zapobiegania wykroczeniom oraz przeprowadzania dochodzenia w przypadku przestępstw w takich lokalizacjach jak centra handlowe, parki, banki, lotniska czy środki transportu publicznego. Część z szybko rosnących wymagań dotyczących wizyjnych systemów dozorowych wynika ze stale rosnących potrzeb w zakresie bezpieczeństwa na całym świecie.
Zgodnie z przewidywaniami organizacji Transparency Market Research rynek dozoru wizyjnego oraz usług VSaaS osiągnie w roku 2019 wartość 42,81 mld dolarów, co oznacza wzrost CAGR (Compound Annual Growth Rate − Skumulowany roczny wskaźnik wzrostu o 19,1% od 2013 do 2019 r. Oczekiwany jest również szybki wzrost rynku sieciowego dozoru wizyjnego na poziomie 24,2% CAGR w okresie 2013–2019 r.
Rynek urządzeń został wyceniony w 2012 r. na 9,42 mld dolarów, a jego spodziewany wzrost to 17,3% CAGR w okresie 2013–2019 r. Rynek ten obejmuje sieciowe kamery dozorowe, rejestratory, pamięci masowe, kodery oraz monitory. Segment rejestratorów i pamięci masowych miał w roku 2012 największy udział na poziomie 37%, zaraz za nim znalazły się kamery z udziałem 32%. W nadchodzących latach spodziewany jest jednak spadek udziału głównego segmentu ze względu na rosnące zainteresowanie archiwizacją w chmurze (VSaaS). Jednocześnie do 2019 r. oczekuje się zwiększenia udziału segmentu kamer do ok. 46% ze względu na rosnącą popularność sieciowych kamer dozorowych zapewniających coraz wyższą jakość obrazu oraz posiadających wbudowane rejestratory.
W ostatnich latach chmura obliczeniowa była jednym z najmodniejszych określeń w kręgach informatycznych. Od pewnego czasu jest już zadomowiona również w branży security. Czy to w zastosowaniach publicznych, gdzie dzierżawa miejsca na serwerach jest współdzielona z innymi użytkownikami czy prywatnych, gdzie dane i aplikacje użytkownika są jedynymi w systemie, chmura obliczeniowa oferuje trzy zalety: nadmiarowość, skalowalność oraz przesunięcie kosztów z CAPEXu na OPEX. W zależności od tego czy chmura jest hostowana czy uruchomiona w ramach danej organizacji, możemy oczekiwać dodatkowej korzyści w postaci pozostawienia czynności w rodzaju aktualizacji, poprawek programowych czy ogólnie rutynowego utrzymania w gestii personelu obsługi chmury.
Gdy potrzebnych jest więcej kamer, skalowalność nie stanowi już problemu. Możliwy jest dostęp do większej mocy obliczeniowej i przestrzeni zapisu, gdy przykładowo wymagana jest wyższa rozdzielczość czy częstotliwość odświeżania. Jeżeli konieczna jest analiza zgromadzonych danych wizyjnych na przykład pod kątem zadanego schematu ruchu, w chmurze dostępna jest odpowiednia moc obliczeniowa, której koszty będą ponoszone tylko wtedy, gdy jest potrzebna.
W przypadku krytycznych zastosowań sprawdza się również skuteczniejsza analiza przeprowadzana w urządzeniu brzegowym. Dodatkową moc obliczeniową można by wykorzystać np. do zapisu pół miliona numerów tablic rejestracyjnych oraz przechwytywania numerów tablic z pojazdów jadących z prędkością ponad 40 km/godz.
Inną interesującą zaletą VSaaS jest możliwość wniesienia dodatkowych usług do standardowego dozoru wizyjnego w rodzaju działań strażników lub zdalnego monitorowania.
Analiza, narzędzia biznesowe i duże zbiory danych
W roku 2015 i latach następnych zakłada się również uruchomienie technologii analizy w branży security w celu pozyskiwania wartościowych informacji z ogromnej ilości zgromadzonych uporządkowanych i nieuporządkowanych danych (określanych również jako „big data“). Wraz z możliwością dostarczania przez kamery sieciowe obrazu w coraz wyższej rozdzielczości oraz połączenia z siecią praktycznie w każdym miejscu i przez całą dobę, działy zajmujące się bezpieczeństwem otrzymują coraz więcej informacji z coraz większej liczby źródeł. Aby wspomóc organizacje w przetwarzaniu tak ogromnych ilości informacji zawierających nieuporządkowane dane w postaci obrazów i nagrań, konieczne jest zastosowanie różnego rodzaju analiz. Do kategoryzacji i interpretacji informacji niezbędne są coraz bardziej inteligentne aplikacje.
Pojęcie „big data” opisywanie jest w modelu 3V: Volume – ilość danych, Velocity – różnorodność danych oraz Variety – zmienność danych. Takie podejście przyczynia się do uzyskania w sytuacji kryzysowej właściwej informacji we właściwym czasie. Rozpoczynając od informacji rzeczowych jakimi są dane: dozorowe, fizycznej kontroli dostępu, dotyczące aktywności w sieci czy też związane z zarządzaniem budynkiem, można zmniejszyć koszty dzięki wyszukiwaniu tylko najwłaściwszych informacji.
To właśnie tu zasadza się istota rewolucji cyfrowej zmieniającej w naszej branży kamerę dozorową z narzędzia do dostarczania materiału dowodowego na potrzeby wyjaśnienia incydentów w niezbędną część łańcucha działań proaktywnych. Obrazy z kamer w połączeniu z możliwościami wszechstronnej analizy wizyjnej mogą posłużyć do określenia trasy, jaką pokonuje klient w sklepie, czasu oglądania wystaw czy zapobiegania zatorom w newralgicznych miejscach. Zestawienie takich informacji z innymi źródłami uporządkowanych i nieuporządkowanych danych obejmujących przepływ harmonogramów, listy promocji, cenniki konkurencji czy media społecznościowe pozwala naukowcom biegłym w analizie danych wydobyć schematy zachowań oraz zależności, których nawet nie byliśmy świadomi. A to daje znaczącą przewagę nad konkurencją.
Kompresja obrazu i wykorzystanie przepustowości łączy
Standardy kompresji obrazu służą w całości do zmniejszania i usuwania nadmiarowych danych wizyjnych, dzięki czemu cyfrowy plik wizyjny może być sprawnie przesyłany przez sieć i zapisywany na dyskach komputerów. Dzięki wydajnym technikom kompresji można uzyskać znaczącą redukcję wielkości pliku bez zauważalnego wpływu na odbieraną jakość. Jakość obrazu będzie się jednak pogarszać w przypadku dalszego zmniejszania wielkości pliku poprzez podniesienie stopnia kompresji w danej technice kompresji.
Istnieje kilka standardów kompresji obrazu np. Motion JPEG, MPEG-4 cz. 2 (nazywany skrótowo MPEG-4) oraz H.264 − najnowsza i najbardziej wydajna metoda kompresji obrazu, będąca przyjętym standardem kompresji obrazu w zastosowaniach dozorowych oraz wielu innych branżach, np. przemyśle rozrywkowym.
Stałe ulepszenia parametrów kamer dotyczące przykładowo rozdzielczości obrazu czy czułości, jak również zwiększanie ilości danych z kamer podnoszą poprzeczkę w zakresie wydajności kompresji obrazu. Producenci wizyjnych systemów dozorowych oczekują korelacji pomiędzy wzrostem rozdzielczości a postępami również w algorytmach kompresji H.264 – po to, by koszty przepustowości sieci oraz przestrzeni zapisu nie rosły w sposób niekontrolowany. Aby osiągnąć najlepsze wyniki, wspólne prace nad metodami redukcji szumów oraz redukcji przepływności powinny być prowadzone równolegle z badaniami nad nowymi metodami kodowania obrazu.
Oprócz ulepszeń w istniejącym standardzie kompresji H.264 na uwagę zasługuje technologia przyszłości H.265, zyskująca wyjątkowe zainteresowanie w branży telewizyjnej. Standard H.265 może znacząco zmniejszyć wymagania dotyczące przepustowości i przestrzeni zapisu (nawet do 50%) w odpowiednich warunkach. Oczekuje się, że technologia ta będzie w najbliższych kilku latach wdrażana również w branży Security. Bardzo prawdopodobne jest, że jako pierwsza zostanie zastosowana w najwyższej klasy kamerach o wysokiej rozdzielczości, a standardy H.264 oraz H.265 będą przez długi czas współistniały w branży.
Fot. 1-3. Powyższe obrazy przedstawiają dostosowanie ekspozycji w kamerach ze zoptymalizowanym wbudowanym oświetleniem podczerwienią, gdy obiekt zbliża się do kamery
Przyszłość jakości obrazu nie rysuje się już w ciemnych barwach
Z oczywistych powodów jakość obrazu nie powinna być mylona z 4K lub HD w dziedzinie fotografii artystycznej czy rozrywce. Możliwość uzyskania czytelnych obrazów przy skrajnie złym oświetleniu ma kluczowe znaczenie np. przy dozorze miasta w nocy. W ubiegłym roku technologia redukcji szumów uległa ogromnemu ulepszeniu, co w połączeniu z czułością przetwornika obrazu zapewnia znakomitą jakość obrazu. Zaawansowane kamery sieciowe powinny obecnie umożliwiać reprodukcję detali i kolorów nawet w ciemności. Wyzwaniem jest tu utrzymanie kolorów w nocy bez potrzeby stosowania sztucznego oświetlenia, co dzięki najnowszym technologiom przetworników obrazu powinien zapewnić dobry sieciowy system dozorowy.
Kolejną ważną funkcją polepszającą jakość obrazu w kompletnej ciemności jest wbudowane oświetlenie podczerwienią (IR). W obszarze oświetlonym zbyt wąsko powstaną „wypłowienia lub odblaski“ w środkowej części sceny, a pewne miejsca nie będą prawidłowo doświetlone. Z drugiej jednak strony zbyt szeroko oświetlony obszar oznacza, że widoczne będą obiekty poza obszarem zainteresowania, przy czym zmniejszeniu ulegnie odległość obserwacji. W zależności od kamery oświetlenie podczerwienią może mieć zasięg ponad 40 m, przy zastosowaniu ekologicznego zasilania o niskim poborze mocy w standardzie Power over Ethernet. Jest to istotne dla organizacji dążących do zmniejszenia poboru mocy zarówno ze względów ekonomicznych, jak i ekologicznych.
Przykładowo, gdy regulowane jest pole widzenia w trakcie instalacji kamery wyposażonej w zdalny zoom i zoptymalizowane wbudowane oświetlenie podczerwienią, kąt oświetlenia dostosowuje się automatycznie do poziomu zoomu. Kąt oświetlenia podąża za ruchami zoomu kamery celem zapewnienia maksymalnego natężenia światła w obserwowanej scenie. Kolejnym sposobem polepszenia widoczności dostępnym dzięki najnowszej, zoptymalizowanej technologii podczerwieni jest prawidłowe wyświetlanie obiektu znajdującego się daleko od kamery przy oświetleniu całego obszaru. Dostosowanie ekspozycji następuje, gdy obiekt zbliża się do kamery. Obiekt znajdujący się blisko kamery jest prawidłowo oświetlony i nie występuje prześwietlenie obrazu.
Funkcja szerokiego zakresu dynamiki (SZD) radzi sobie z dużą zmiennością oświetlenia w scenie. W scenie zawierającej skrajnie jasne i ciemne obszary lub w przypadkach silnego oświetlenia tła gdy osoba stoi przed jasnym oknem, standardowa kamera pokaże obraz, na którym obiekty w ciemnych obszarach będą trudne do rozpoznania. Dzięki zastosowaniu różnych technik funkcja SZD zapewnia dobrą widoczność obiektów znajdujących się zarówno w ciemnych, jak i w jasnych obszarach sceny.
Możliwość uzyskiwania obrazu na potrzeby dowodowe dzięki funkcji SZD to jeden z kluczowych aspektów poprawy jakości obrazu przy złym oświetleniu, ponieważ optymalizuje ekspozycję poprzez uwidocznienie detali w silnie i słabo oświetlonych obszarach sceny. Opracowanie zaawansowanych algorytmów służących optymalizacji jakości obrazu, w tym możliwość płynnego przejścia pomiędzy szerokim zakresem dynamiki a trybem pracy przy złym oświetleniu jest wynikiem wielu lat badań i rozwoju w tej dziedziny wiedzy.
Wszystkie te algorytmy stanowiły w swoim czasie kamienie milowe na drodze ku znakomitej jakości obrazu osiąganej w największej nawet ciemności.
Fot. 4. Konwencjonalna kamera bez funkcji WDR – Wide Dynamic Range
Fot. 5. Kamera z włączoną funkcją WDR – Wide Dynamic Range
Podsumowanie
Wyższa jakość obrazów i nagrań w rodzaju 4K musi niezmiennie być obsługiwana przez odpowiednie technologie celem uzyskania możliwie największej ilości informacji z zebranych danych, które mogą następnie zostać przekształcone w użyteczny przekaz nie tylko na potrzeby dozorowe, ale również do celów podniesienia wydajności oraz zyskania przewagi nad konkurencją. Powinno mieć to kluczowe znaczenie dla każdego, kto oczekuje następnego przełomu w branży security.
Artykuł firmy Axis Communications
Johan Paulsson − CTO, Axis Communications
