TV przemysłowa / CCTV

Systemy alarmowe

Kontrola dostępu

Kamery sportowe

Partnerzy LC Security

Kamery online

Monitoring IP

Monitoring IP to obecnie zdecydowanie najczęściej wykorzystywane rozwiązanie w budowie systemów telewizji przemysłowej. Chcąc dobrze zrozumieć genezę powstawania nowoczesnych systemów monitoringu IP należy cofnąć się do przeszłości i zapoznać się z pierwszymi analogowymi systemami telewizji przemysłowej. To właśnie mniej więcej w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku dokonano istotnego przełomu w dziedzinie konstrukcji kamer przemysłowych, który zaważył o rozwoju sieciowych systemów dozorowych.

Największym przełomem umożliwiającym budowanie systemów monitoringu IP było zastąpienie lampy analizującej, elementem półprzewodnikowym – matrycą CCD. Zastosowanie technologii CCD pozwoliło nie tylko zdecydowanie zwiększyć jakość generowanych przez kamery przemysłowe obrazów ale także było pierwszym krokiem umożliwiającym w późniejszym czasie budowę instalacji monitoringu opartego na sieciach komputerowych IP. W elementach wykonanych w technologii CCD wszelkie informacje na temat jaskrawości oraz koloru obserwowanej sceny, uzyskiwane są na zasadzie pomiaru wielkości ładunku elektrycznego, który gromadzony jest w specjalnych obrazowych elementach przetwornika obrazu. Zasada uzyskiwania informacji w tym przypadku jest zgodna z zasadą analogową, jednakże obsługa elementu wykonanego w technologii CCD ma wszelkie cechy sterowania cyfrowego. Cecha ta dotyczy zarówno wszystkich zależności czasowych jak i elementów związanych z pracą kamery przemysłowej, w tym między innymi dynamicznego określania pozycji elementu obrazu. Pozycja ta jest tym samym co lokalizacja danego pikselu na matrycy CCD, co sprawia, że jest metodą cyfrową. W powyższych rozważań jednoznacznie wynika, że wprowadzenie technologii CCD w budowie przetworników było pierwszym krokiem w rozwoju sieciowych systemów telewizji przemysłowej.

Poza opisanymi powyżej zmianami w konstrukcji kamer przemysłowych, w latach osiemdziesiątych nie wydarzyło się już nic istotnego co miałoby wpływ na rozwój systemów monitoringu IP. Największą przeszkodą w rozwoju sieciowych instalacji monitoringu były głównie finanse, ponieważ szybkie na owe czasy przetworniki analogowo-cyfrowe były bardzo drogie, a odpowiedniki współczesnych procesorów sygnałowych w ogóle nie istniały. Z tego też powodu nie było mowy o masowym wykorzystywaniu technik cyfrowych w systemach telewizji przemysłowej.

W latach osiemdziesiątych typowy system telewizji przemysłowej zbudowany był z kilku łatwych do zdefiniowania warstw. Pierwszą warstwą ówczesnych systemów telewizji przemysłowej były kamery CCTV, drugą zaś okablowanie transmisyjne. W większości przypadków były to kable koncentryczne, rzadko stosowano inne rozwiązania. Główną przyczyną takiego stanu rzeczy była ogólnodostępność tego okablowania i jego powszechne wykorzystywanie w instalacjach antenowych telewizji publicznej i w telewizji kablowej. Kable koncentryczne nadal stosowane są w tego typu instalacjach, jednakże z każdym rokiem ustępują instalacjom światłowodowym. Z pozoru może się wydawać, że okablowanie koncentryczne jest doskonałym nośnikiem sygnału wizyjnego. Okablowanie koncentryczne sprawdza się jedynie w przypadku gdy sygnał wizyjny ma postać modulowanej fali radiowej o częstotliwości od kilkudziesięciu do kilkuset megaherców. W przypadku systemów telewizji przemysłowej sytuacja wygląda całkowicie inaczej, ponieważ zespolone widmo sygnału wizyjnego rozciąga się w bardzo szerokim paśmie częstotliwości od bardzo niskich rzędu kilkunastu Hz do wysokich rzędu kilku MHz. W tym też przedziale mieści się większość współczesnych zakłóceń przemysłowych, wynikających z zastosowania sieci energetycznych prądu przemiennego. Okablowanie koncentryczne ze względu na swoją asymetrię jest bardzo słabo odporne na różnego rodzaju pola zakłócające. Zjawisko występowania zakłóceń najbardziej widoczne jest w przypadku pracy w pobliżu pól magnetycznych, generowanych przez różnego rodzaju urządzenia elektryczne (silniki, transformatory, linie zasilające niewielkiej mocy). Zdecydowanie większą odpornością na tego typu zakłócenia cechują się symetryczne kable skrętne, które powszechnie wykorzystywane są w sieciach komputerowych oraz w telefonii. Odporność tego typu okablowania wynika głównie z symetrycznego toru transmisyjnego, a nie jakby mogło się wydawać z budowy samego kabla. Jaka jest przyczyna powszechnego stosowania okablowania koncentrycznego w systemach CCTV? Zdecydowanie najważniejsze czynniki tego stanu rzeczy to maskowa produkcja, niska cena kabli koncentrycznych oraz inercja, umożliwiająca odpowiednią kompatybilność starych i nowych urządzeń dozorowych. Stosowanie okablowania koncentrycznego niesie z sobą poważne konsekwencje, ponieważ ogranicza możliwości konstruktorów systemów CCTV.

Trzecią warstwą analogowych systemów monitoringu CCTV były krosownice, pełniące rolę podobną do centrali telefonicznej. We współczesnych systemach monitoringu warstwa ta zniknęła, ponieważ wszelkie zadania pełnione wcześniej przez krosownice przejęło specjalistyczne oprogramowanie.

W pierwszych analogowych systemach telewizji przemysłowej nie stosowano żadnych metod, pozwalających za zarejestrowanie i przechowanie materiału wizyjnego. Dostęp do materiałów z kamer przemysłowych miały jedynie osoby dozorujące dany obiekt i to tylko w trybie na żywo. Brak urządzeń do zapisu obrazów z kamer przemysłowych sprawiał, że ówczesne systemy dozorowe były bardzo mało skuteczne, ponieważ nikt nie jest wstanie skutecznie pracować przy wielu monitorach po 24 godziny na dobę.

W czwartej warstwie architektury analogowych systemów dozorowych znajdowały się multipleksery i magnetowidy. Urządzenia tego typu pojawiły się mnie więcej na początku lat dziewięćdziesiątych i w niezmienionej postaci przetrwały do XXI wieku. Podstawowym celem czwartej warstwy systemu CCTV był zapis obrazów ze wszystkich kamer przemysłowych na jednej kasecie magnetowidowej. Zapis wizji przy pomocy magnetowidów był bardzo problematyczny i nieekonomiczny, co sprawiało, że magnetowidy były najsłabszym ogniwem ówczesnych instalacji CCTV. Analizując konstrukcję pierwszych multiplekserów można stwierdzić, że miały one budowę opierającą się o układy cyfrowe, niemniej jednak ich sygnał wejściowy jak i wyjściowy był przekazywany w formie analogowej. Z biegiem czasu skuteczność i niezawodność analogowych systemów CCTV stale wzrastała, jednakże największą przeszkodą w dalszym rozwoju CCTV była ich niezmienna zasada działania. Czego nie potrafiły pierwsze systemy analogowe? Największą przeszkodą i ograniczeniem był całkowicie analogowy charakter przetwarzanych sygnałów wizyjnych. Sprawiało to, że każda próba transmisji, przetwarzania i zapisu sygnału wizyjnego wiązała się z dużym spadkiem jakości i pogorszeniem stosunku sygnału do szumu. Niezależnie od jakości systemy zawsze prowadziło to do tego samego, mianowicie pogorszenia obrazu. Im więcej było operacji przełączania, kodowania, transmisji i rejestracji tym bardziej wynikowy obraz odbiegał od swojego pierwowzoru. Efekt ten najbardziej widoczny był w rozległych instalacjach wykorzystujących dużą ilość kamer przemysłowych. W późniejszym okresie projektanci analogowych systemów CCTV wymyślali coraz to lepsze taśmy magnetowidowe, jednak nawet one nie zapewniały odpowiedniej jakości nagrań wideo. Sprawiło to, że dalszy rozwój analogowych systemów monitoringu nie był już dalej możliwy. Analogowe systemy CCTV w pewnym momencie osiągnęły swój szczyt możliwości i pomimo usilnych prób doskonalenia technologii ich główne parametry nie mogły ulec zmianie.

W taki sposób zakończyło się panowanie analogowych systemów monitoringu i nastała nowa era rozwiązań dozorowych opartych na technologiach cyfrowych. Największy wpływ na przejście z analogowej na cyfrową formę miał rozwój technologiczny, który niezmiernie przyczynił się do rozwoju tej dziedziny przemysłu. Początkowo wszelkie techniki cyfrowe związane z informatyką rozwijały się w całkowitej izolacji od innych dziedzin techniki. Pierwsze próby zastosowania komputerów do przetwarzania i rejestracji sygnałów wizyjnych w systemach CCTV pojawiły się już na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, lecz oferowane przez nie parametry techniczne były słabe a cena bardzo wysoka. Ograniczenia wynikające z możliwości sprzętowych nie były jedynym czynnikiem utrudniającym dalszy rowów cyfrowych systemów CCTV. Kolejne utrudnienia w rozwoju cyfrowych systemów telewizji przemysłowej wynikały także z niedostatków wiedzy teoretycznej, błędność pierwszych algorytmów służących do obróbki sygnałów wizyjnych oraz brak możliwości transmisji dużych strumieni danych.

Największy przełom w rozwoju cyfrowych systemów monitoringu nastąpił na początku lat 2000. Głównymi elementami, które przyczyniły się do szybkiego rozwoju cyfrowych systemów CCTV to rozwój komputerów, a przede wszystkim wzrost ich mocy obliczeniowej, która w porównaniu z latami osiemdziesiątymi wzrosła kilkaset razy. Ponadto, wzrosła także pojemność dysków twardych oraz ich szybkość zapisu, dzięki czemu można było wyeliminować zawodne i nieekonomiczne magnetowidy. W efekcie tych wszystkich czynników pojawiły się odpowiednie warunki budowy cyfrowych systemów telewizji przemysłowej. W wyniku powiązania wielu dziedzin biznesu, w tym głównie fonografii i kinematografii doprowadziło do pojawienia się specjalistycznych dziedzin informatyki. Mozolne prace nad wprowadzeniem wydajnej kompresji sygnału wizyjnego doprowadziły do pojawienia się na rynku płyt DVD, a co za tym idzie pojawiła się możliwość wykorzystywania tych technologii w systemach CCTV. Także w tych latach nastąpił silny rozwój sieci komputerowych, dzięki czemu powstały całkowicie nowe możliwości w transmisji sygnałów wizyjnych. Wszystkie te elementy sprawiły, że współczesne systemy telewizji przemysłowej są ściśle powiązane z informatyką. CCTV i informatyka są ze sobą powiązane ale to dwie różne dziedziny techniki. Dlatego należy pamiętać, że o końcowym kształcie systemów CCTV decydują osoby związane z elektronicznymi systemami bezpieczeństwa a nie informatycy.

Co sobą reprezentują współczesne cyfrowe systemy telewizji przemysłowej? Czym dokładnie różnią się od swoich analogowych poprzedników? Podstawowa różnica pomiędzy tymi dwoma architekturami CCTV wynika głównie z teorii informacji i dotyczy kalkulacji wartości stosunku sygnału do szumu. Stosując cyfrowe metody obróbki analogowych sygnałów wizyjnych wprowadza się do systemu dodatkowy szum (kwantyzacja). Wiele osób zapewne zastania się jak wprowadzając dodatkowy szum można osiągnąć lepszą jakość obrazów. Szum kwantyzacji cechuje się stabilnością i niezmiennością, dlatego w każdym punkcie systemu jest stały i nie zmienia swojej wartości. Co to oznacza w praktyce? W praktyce oznacza to, że transmisja sygnału cyfrowego na znaczne odległości oraz jego rejestrowanie nie wpływa na jakość uzyskiwanych obrazów i nie zmienia stosunku sygnału do szumu. Ponadto, odporność cyfrowych systemów wizyjnych jest zdecydowanie większa niż to miało miejsce w przypadku analogowych aplikacji dozorowych. To właśnie główne powody sprawiające, że cyfrowe systemy obróbki i rejestracji sygnału wizyjnego mają zdecydowaną przewagę nad metodami analogowymi. Każda kolejna operacja transmisji i rejestracji nie pogarsza obrazu tak jak to miało miejsce w systemach analogowych. Jest to najważniejsza różnica w stosunku do systemów analogowych.

Jak wygląda współczesny rynek CCTV? Współczesny rynek urządzeń CCTV jest wyraźnie podzielony na trzy grupy. W pierwszej grupie znajdują się kamery analogowe, cechujące się doskonałymi parametrami technicznymi, lecz posiadające wspomniane wyżej wady wynikające z przetwarzania i transmisji analogowego sygnału wizyjnego. Druga grupa to tak zwane urządzenia hybrydowe, pozwalające na łączenie analogowych i cyfrowych urządzeń CCTV. Typowym przykładem tego typu urządzeń są rejestratory, posiadające zarówno analogowe jak i cyfrowe porty transmisyjne. Rejestratory to urządzenia zacierające granice pomiędzy poszczególnymi warstwami systemów CCTV. Trzecią grupą narzędzi CCTV są całkowicie cyfrowe urządzenia wizyjne. Urządzenia tego typu w ogóle nie mają do czynienia z sygnałami analogowymi. Jest to najmniej liczna grupa, jednakże z każdym rokiem można zauważyć dynamiczny rozwój tego typu rozwiązań dozorowych. Urządzenia dozorowe z trzeciej grupy zdecydowanie bardziej przypominają elementy sieci komputerowej niż składniki tradycyjnych systemów CCTV. Do najbardziej typowych przedstawicieli tej grupy należą kamery IP, posiadające serwery wizyjne i rejestratory IP. Monitoring IP stworzył całkowicie nowe możliwości instalacji CCTV. Monitoring IP sprawił, że pojawiła się nowa warstwa cyfrowych systemów CCTV, którą są użytkownicy. Brzmi to nieco dziwnie, jednakże w rzeczywistości użytkownicy stanowią pewien rodzaj warstwy systemowej. Wynika to głównie z sensu i zasady działania wszystkich sieci komputerowych, w których dostęp do sygnału wizyjnego mają wszyscy użytkownicy posiadający odpowiedni poziom uprawnień. Właściwość ta nie ma swojego odpowiednika w analogowych systemach CCTV, ponieważ wszelkie operacje realizowane są poprzez warstwę sprzętową, a sam sygnał wizyjny transmitowany jest ściśle określoną drogą.

Nowoczesne rozwiązania technologiczne i zastosowanie sieci komputerowych sprawiło, że we współczesnych cyfrowych systemach telewizji przemysłowej położenie fizyczne kamery przemysłowej i użytkownika straciło znaczenie. W takim przypadku istotne jest jedynie to aby zarówno kamera i użytkownika znajdowali się w tej samej sieci komputerowej. Każda osoba posiadająca komputer PC może być użytkownikiem cyfrowego systemu dozorowego. Dzięki połączeniu sieciowemu lub Internetowi użytkownik może z dowolnego miejsca na świecie podglądać obraz z kamer przemysłowych oraz zarządzać całym systemem CCTV. Monitoring IP daje ogromne możliwości, które w czasach analogowych instalacji CCTV były całkowicie nieosiągalne. W dobie komputerów przenośnych takie rozwiązanie wydaje się bardzo proste, jednakże wiąże się z pewnymi niedogodnościami.

Jakie są przeszkody dalszego rozwoju cyfrowych systemów telewizji przemysłowej? Przede wszystkim pierwszą barierą hamującą rozwój cyfrowych systemów monitoringu jest stary sposób myślenia i przywiązanie do panujących od wielu lat zasad, wynikających z systemów analogowych. Sprawia to, że głównym segmentem współczesnego rynku CCTV są niedoskonałe systemy hybrydowe. Łączenie w jednym systemie rozwiązań analogowych i cyfrowych sprawia, że nie działa on poprawnie. W jaki sposób temu zapobiec? Jedynym sposobem jest całkowite odstawienie starych norm i zasad dotyczących standardów telewizyjnych. Jedynie takie podejście może spowodować dynamiczny skok jakościowy i postępowy w dziedzinie CCTV. Istnieje jeszcze jeden czynnik hamujący rozwój CCTV, którym jest brak standaryzacji produkowanych urządzeń dozorowych. W przeważającej większości przypadków urządzenia nie mogą ze sobą prawidłowo współpracować, ponieważ każdy z producentów kreuje własne standardy. Rynek CCTV jest wolny, jednakże brak ograniczeń formalnych obraca się przeciwko użytkownikom systemów CCTV. Jedyną radą na taki stan rzeczy jest cierpliwość i przeczekanie tego niesprzyjającego okresu przejściowego.

Obecnie najwięcej zależy od projektantów i instalatorów współczesnych instalacji CCTV. Tylko oferowanie użytkownikom końcowym rozwiązań opierających się na sieciach komputerowych i kamerach IP może doprowadzić do wykreowania nowych i ściśle określonych standardów, umożliwiających dalszy rozwój branży i technologii CCTV. Na dzień dzisiejszy najlepszym rozwiązaniem jest monitoring IP, ponieważ tylko on zapewnia odpowiednią kompatybilność urządzeń oraz stanowi pewien krok w nową erę systemów CCTV.