Rozwój systemów telewizji dozorowej (od analogowych do cyfrowych)

Aby zrozumieć budowę i istotę działania współczesnych systemów telewizji przemysłowej (CCTV), konieczne jest nie tylko zapoznanie się z podstawową terminologią obowiązującą w tych instalacjach, ale także z przemianami w ich budowie, które nastąpiły na przestrzeni lat. Z tego też względu na początku chciałbym przestawić podstawowe definicje oraz przemiany w budowie systemów CCTV, jakie następowały od początku ich powstania po dzień dzisiejszy.

1.1. Podstawowa terminologia

• CCTV - (z ang. Closed-Circuit TeleVision - telewizja w układzie zamkniętym), inne nazwy to: telewizja dozorowa, telewizja przemysłowa, monitoring wizyjny, nadzór wideo. CCTV to system przekazywania obrazu (obecnie coraz częściej w połączeniu z przekazywaniem dźwięku) z określonych pomieszczeń lub obszarów w zamkniętym systemie odbiorczym, służący do nadzoru oraz zwiększenia bezpieczeństwa pomieszczeń lub przestrzeni, w obrębie których zostały zainstalowane kamery telewizji przemysłowej. Każdy system telewizji przemysłowej składa się z kilku niezbędnych elementów: kamer (analogowe lub cyfrowe), urządzenia rejestrującego obraz (np. rejestrator cyfrowy DVR, rejestrator sieciowy NVR), urządzenia wyświetlającego obraz (monitor lub telewizor), medium transmisyjnego (np. kabel koncentryczny, skrętka).
• Kamera przemysłowa – urządzenie wizyjne, odpowiednio przystosowane do pracy w systemach CCTV. Kamera przemysłowa składa się z: przetwornika (element odpowiedzialny za przetwarzanie obrazu obiektu na sygnał elektryczny), obiektywu, zestawu urządzeń elektronicznych, które dokonują obróbki sygnału elektrycznego oraz innych elementów, np. wbudowany serwer WWW i FTP (kamery IP).
• Obiektyw - układ optyczny służący do projekcji obrazu pożądanej sceny na powierzchnię światłoczułą przetwornika obrazu.
• Rejestrator cyfrowy DVR (z ang. Digital Video Recorder) - urządzenie nagrywające analogowy sygnał wideo w cyfrowym formacie na dysku twardym lub na innym medium. Ze względu na budowę i funkcje można wyróżnić cyfrowe rejestratory wideo na bazie komputera klasy PC (wykorzystuje tzw. karty DVR z oprogramowaniem) oraz urządzenia w specjalnej obudowie wyprodukowane tylko i wyłącznie do celów nagrywania wideo w systemie telewizji przemysłowej.
• Rejestrator sieciowy NVR (z ang. Network Video Recorder) – urządzenie nagrywające cyfrowy strumień wideo z kamer IP na dysku twardym lub na innym medium. Występuje w postaci samodzielnego urządzenia (z wyglądu jak rejestrator DVR) lub oprogramowania, które instaluje się na platformie komputera PC.
• Monitor - urządzenie pozwalające na zamianę sygnału elektrycznego na sygnał optyczny, odpowiedni dla zmysłów człowieka.
• Serwer wizyjny – urządzenie kodujące analogowy sygnał wideo z kamer telewizji przemysłowej do standardu cyfrowego (MJPEG, MPEG-4), tworząc z kamer analogowych kamery IP. Za pomocą serwerów wideo można zmodernizować analogową instalację telewizji przemysłowej do postaci cyfrowej (CCTV IP).
• Medium transmisyjne – nośnik informacji, używanym do transmisji sygnałów w telekomunikacji i jest podstawowym elementem systemów telekomunikacyjnych (w tym także systemów telewizji przemysłowej). Możliwości transmisji zależą od parametrów użytego medium. Wyróżnia się media przewodowe (np. kabel koncentryczny, skrętka komputerowa) i bezprzewodowe (np. łącza radiowe).

1.2. Rozwój systemów telewizji przemysłowej

Systemy telewizji przemysłowej istnieją już od blisko 30 lat. Pierwsze tego typu instalacje złożone były tylko i wyłącznie z urządzeń analogowych. Z czasem dzięki rozwojowi technologicznemu instalacje CCTV stopniowo zmieniały się w cyfrowe. Współczesne systemy telewizji przemysłowej przeszły bardzo długą drogę od wczesnych lamp analizujących podłączonych do magnetowidów, do instalacji sieciowych, bazujących na kamerach IP/serwerach wizyjnych i oprogramowaniu. Pomiędzy systemami analogowymi i cyfrowymi istniało wiele rozwiązań pośrednich, a niektóre z nich wykorzystywane są po dzień dzisiejszy.

1.2.1. Analogowe systemy CCTV wykorzystujące magnetowidy VCR

Pierwszym rozwiązaniem jest budowa całkowicie analogowych systemów telewizji przemysłowej. Najprostszy, analogowy system CCTV składa się z analogowej kamery przemysłowej, magnetowidu VCR, monitora analogowego oraz okablowania koncentrycznego.

Schemat 1.1. Analogowy system telewizji przemysłowej (CCTV) zbudowany w oparciu o magnetowid VCR

Tego typu system jest instalacją całkowicie analogową, w której obraz z kamer przemysłowych jest rejestrowany przez magnetowid na nośnikach typu VHS. Sygnał wideo z kamer nie jest poddawany kompresji, co sprawia że materiał wizyjny zajmuje bardzo dużo przestrzeni na wykorzystywanym nośniku (podczas zapisu w trybie pełnoklatkowym jedna kaseta VHS wystarcza jedynie na 8 godzin nagrania). W przypadku budowy większych analogowych systemów CCTV (np. składających się z 4 kamer) należy zastosować specjalny podzielnik obrazu quad lub multiplekser. Podzielnik obrazu pozwala na rejestrację materiału wideo z więcej niż jednej kamery analogowej. Wizja z kamer przemysłowych przedstawiana jest na zwykłym analogowym monitorze. Rozwój technologiczny sprawił, że całkowicie analogowe systemy CCTV wyszły z użytku.

1.2.2. Analogowe systemy CCTV wykorzystujące rejestratory cyfrowe (DVR – ang. Digital Video Recorder)

Drugi ze sposób budowy systemów telewizji przemysłowej, będący połączeniem techniki analogowej i cyfrowej. Systemy nadzoru wideo tego typu przeważnie bazują na cyfrowych rejestratorach wizji.

Schemat 1.2. Analogowy system telewizji przemysłowej (CCTV) zbudowany w oparciu o rejestrator cyfrowy (DVR)

Schemat 1.2. przedstawia analogowy system telewizji przemysłowej z rejestratorem cyfrowym, zapisujący dane wideo na wbudowanych dyskach twardych HDD. Zastąpienie kaset VHS dyskami HDD, pozwala na wielogodzinne, a nawet wielotygodniowe rejestrowanie obrazu bez konieczności wymiany nośnika. Ponadto, w tak zaprojektowanym systemie CCTV obraz jest poddawany kompresji, a także cyfrowej obróbce, co pozwala na zmniejszenie jego rozmiarów i kosztów archiwizacji danych. W przypadku budowy systemu CCTV w oparciu o rejestrator cyfrowy (DVR) nie ma potrzeby używania quad/multiplekserów, ponieważ rejestrator spełnia też funkcję quad (podzielnika obrazu) lub multipleksera. Najistotniejsze zalety rejestratorów DVR to: brak konieczności wymiany taśm, eliminacja quad/multiplekserów, stała jakość obrazu, stabilna praca, obsługa dużej liczby kamer CCTV.

1.2.3. Analogowe systemy CCTV rejestratory cyfrowe z wbudowanym interfejsem sieciowym Ethernet

Kolejny model analogowego systemu CCTV z rejestratorem cyfrowym, który dodatkowo rozbudowano o interfejs sieciowy Ethernet, pozwalający na pracę w sieci lokalnej LAN lub globalnej Internet (obecnie najczęściej spotykany model systemu telewizji przemysłowej).

Schemat 1.3. Analogowy system telewizji przemysłowej (CCTV) zbudowany w oparciu o rejestrator cyfrowy z wbudowanym interfejsem sieciowym Ethernet

W tak zaprojektowanym systemie CCTV analogowy sygnał wideo jest przekształcany w rejestratorze DVR do formy cyfrowej i kompresowany, a następnie przesyłany przez sieć komputerową i oglądany na ekranie komputera, który może znajdować się nawet w bardzo dużej odległości od miejsca pracy systemu. Niektóre tak zbudowane systemy telewizji przemysłowej wymagają specjalistycznego oprogramowania klienckiego, zaś innym do zdalnego monitorowania wystarcza jedynie systemowa przeglądarka internetowa (przeważnie Internet Explorer). Możliwość prowadzenia zdalnego monitoringu za pomocą przeglądarki internetowej sprawia, że jest to rozwiązanie bardziej funkcjonalne od modelu przedstawionego na schemacie 1.2. Najważniejsze cechy użytkowe analogowego systemu CCTV z rejestratorem cyfrowym, posiadającym interfejs sieciowy Ethernet: zdalna obsługa systemu, podgląd obrazu przy pomocy komputera PC, palmtopa, telefonu komórkowego z dowolnego miejsca na świecie (po zapewnieniu dostępu do sieci Internet).

1.2.4. Systemy CCTV wykorzystujące serwery wizyjne

Analogowo-cyfrowy model systemu wizyjnego, zbudowany w oparciu o serwer wizyjny, przełącznik sieciowy oraz komputer PC ze specjalnym oprogramowaniem zarządzającym.

Schemat 1.4. Analogowo-cyfrowy system CCTV, wykorzystujący serwer wizyjny

W tym modelu systemu CCTV kamera analogowa jest podłączona do serwera wizyjnego, który przekształca obraz do postaci cyfrowej i kompresuje go. Serwer wizyjny jest podłączony do sieci: przesyła obraz poprzez przełącznik sieciowy do komputera, gdzie następnie jest on zapisywany na jego dyskach twardych. Jest to swojego rodzaju rozwiązanie hybrydowe, ponieważ pozwala w jednym systemie na pracę zarówno kamer analogowych, jak i cyfrowych (kamery IP). Zalety tego typu instalacji wizyjnych to: możliwość zdalnego rejestrowania obrazu, wykorzystanie standardowej sieci IP, skalowalność, możliwość rozbudowy systemu o nowoczesne kamery IP.

1.2.5 Sieciowe systemy CCTV IP wykorzystujący kamery IP i oprogramowanie

Najnowszy z modeli współczesnych systemów telewizji przemysłowej, bazujący na kamerach IP (urządzenia cyfrowe z wbudowanym serwerem WWW i FTP) i specjalnym oprogramowaniu zarządzającym.

Schemat 1. 5. Sieciowy system telewizji przemysłowej (CCTV IP), wykorzystujący kamery IP i oprogramowanie

W takim układzie kamera samodzielnie przekształca obraz do postaci cyfrowej i kompresuje go, natomiast dzięki wbudowanemu serwerowi WWW i FTP może pracować w sieci LAN lub Internet. Obraz z kamery jest przesyłany przez sieć IP bezpośrednio do komputera PC, wyposażonego w specjalne oprogramowanie zarządzające. Tak skonstruowany system telewizji przemysłowej jest instalacją całkowicie cyfrową, nie posiadającą ani jednego elementu analogowego (stąd też nazwa sieciowy system telewizji przemysłowej CCTV IP). Podstawowe zalety użytkowe tego typu instalacji telewizji przemysłowej: stała jakość obrazu (brak strat jakości po przesłaniu go z kamery do obserwatora, niezależnie od miejsca w jakim się znajduje), możliwość stosowania nowoczesnych kamer IP (np. kamer megapikselowych), pełna uniwersalność oraz skalowalność. Obecnie systemy CCTV IP cieszą się coraz większą popularnością (ze względu na swoje możliwości), stąd też w niedalekiej przyszłości całkowicie zastąpią instalacje analogowe i analogowo-cyfrowe (hybrydowe).

Maciej Mijalski

CTR Partner

Zobacz również nasze inne artykuły