صنعت نظارت ويدئوئي که بطور سنتي تحت عنوان CCTV(closed-circuit television) شناخته مي شود، صنعتي است که بيش از 30 سال قدمت دارد و سهم خود را از تغييرات فناوري داشته است. همانند هر صنعت ديگري، خواسته هاي روزافزون کاربران نهائي در مورد محصولات و راه کارهاي جديد، نيروي محرکه اين تغييرات بوده اند و فناوريهاي در حال تکامل نيز به پشتيباني از آنها کمک مي کنند. خواسته ها در بازار نظارت ويدئوئي عبارتند از:
- کيفيت تصويري بهتر
-نگهداري و نصب آسان
- فناوري قابل اعتماد و ايمن تر
- نگهداري ويدئوي ضبط شده براي مدت طولاني تر با حفظ کيفيت
-مقياس پذيري و اندازه
- کاهش هزينه ها
- قابليتهاي نظارت از راه دور
-ادغام با ساير سيستم ها
- افزايش هوش داخلي سيستم
براي انطباق با اين ملزومات، صنعت نظارت ويدئوئي، تاکنون گذار از چند نسل فناوري را تجربه کرده است. آخرين نمونه، انتقال از سيستم هاي CCTV آنالوگ به سيستمهاي نظارت ويدئوئي کاملاً ديجيتال مبتني بر شبکه بوده است.
سيستمهاي نظارت ويدئوئي، کار خود را بعنوان سيستمهاي 100 درصد آنالوگ آغاز کردند و به تدريج ديجيتال شده اند. سيستمهاي امروزي که از دوربينهاي تحت شبکه و PC سرورها، براي ضبط ويدئو در يک سيستم کاملاً ديجيتال استفاده مي کنند، يک راه طولاني را از دوربينهاي آنالوگ اوليه که به VCR(videacassette recorder) متصل مي شدند، طي کرده اند.
در حد فاصل ميان سيستمهاي کاملاً آنالوگ و سيستمهاي کاملاً ديجيتال، محصولات متعددي وجود دارند که نيمه ديجيتال هستند يا بعبارت ساده تر از هر دو گروه ابزارهاي آنالوگ و ديجيتال استفاده مي کنند. اين موضوع باعث ايجاد يک سر در گمي در صنعت نظارت ويدئوئي امروزي شده است، زيرا عده اي درباره يک سيستم ديجيتال صحبت مي کنند که در آن دوربينهاي آنالوگ به يک DVR(digital video recorder) متصل مي شوند، در حاليکه گروه ديگري از اين اصطلاح براي تشريح يک سيستم ويدئوئي شبکه سازي شده با دوربين هاي مبتني بر شبکه استفاده مي نمايند. با وجود آنکه مؤلفه هاي ديجيتال در هر دو سيستم وجود دارند، اما وجوه تمايز بسيار مهمي مابين هريک از آنها به چشم مي خورد.
ما در اين مقاله به بررسي سير تکامل سيستم هاي نظارت ويدئوئي خواهيم پرداخت. پيکربندي هاي مختلف سيستم، از کاملاً آنالوگ گرفته تا کاملاً ديجيتال و همچنين مزاياي هريک از پيکربندي هاي مورد بحث، در اين مقاله تشريح خواهند شد. سيستمهاي بررسي شده در بخشهاي 2 و 3 از سيستمهاي ويدئوئي نيمه ديجيتال تشکيل شده اند. تنها سيستمهائي که در بخشهاي 4 و 5 مورد بررسي قرار گرفته اند. سيستمهاي ويدئوئي کاملاً مبتني بر شبکه هستند که در آنها جريانهاي ويدئوئي بطور پيوسته بر روي يک شبکه IP انتقال داده مي شوند و انعطاف پذيري و مقياس پذيري کامل را تأمين مي کنند.

1- سيستمهاي CCTV آنالوگ مبتني بر VCR
 

سيستم سنتي CCTV آنالوگ، با دوربين هاي آنالوگي سر و کار دارد که براي ضبط ويدئو، به يک VCR متصل شده اند( شکل [1]). اين سيستم کاملاً آنالوگ بود. VCR از همان نوع کاست هائي استفاده مي کرد که براي VCRهاي خانگي به فروش مي رسيدند. هر دوربين، به يک کابل کواکسيال اختصاصي نياز داشت که بايد در تمام مسير مابين دوربين و VCR نصب مي شد. ويدئو، فشرده سازي نمي شد و هنگام ضبط با نرخ فريم کامل، يک نوار حداکثر براي مدت 8 ساعت قابل استفاده بود. سرانجام، تکنيکي به نام Time Lapse در VCRها پياده سازي گرديد تا عمر کاربردي نوارها را افزايش دهد. ويژگي Time Lapse، امکان ضبط يک تصوير از هر دو، چهار، هشت و يا 16 فريم را بوجود مي آورد. به اين ترتيب بود که صنعت نظارت ويدئوئي به مشخصاتي نظير 15 فريم در ثانيه، 7/5 فريم در ثانيه، 3/75 فريم در ثانيه و 1/875 فريم در ثانيه رسيد زيرا اينها تنها نرخ فريم هاي ضبط امکانپذير در سيستمهاي آنالوگ بودند که از ضبط Time Lapse استفاده مي کردند. اگر دوربينهاي متعددي مورد استفاده قرار مي گرفتند، Quadها به يک مؤلفه مهم ديگر در سيستم تبديل مي شدند. يک Quad به سادگي ورودي هاي 4 دوربين را دريافت نموده و يک خروجي سيگنال ويدئويي واحد را براي نمايش 4 تصوير متفاوت بر روي يک نمايشگر ايجاد مي کرد( و به همين دليل بود که نام Quad براي آن انتخاب شد). اين ابتکار باعث شد که مقياس پذيري سيستم اندکي افزايش يابد، اما با هزينه کاهش تفکيک پذيري تصوير.

در سيستم هاي بزرگتر، تسهيم کننده ها( Multiplexer)رواج پيدا کردند. يک Multiplexer، سيگنالهاي ويدئوئي دوربينهاي متعدد را در يک سيگنال ويدئوئي واحد ترکيب مي کرد. اين روش امکان ضبط تصوير تعداد بيشتري از دوربينها( غالباً 16 دوربين) را بر روي يک ابزار فراهم مي نمود. Multiplexer در عين حال، امکان نگاشت تصوير دوربين هاي منتخب به نمايشگرهاي نظارتي خاصي در يک اتاق کنترل را بوجود مي آورد. با اينحال هنوز تمام تجهيزات و تمام سيگنالها آنالوگ بودند. براي نظارت بر ويدئو، نمايشگرهاي آنالوگ به يک VCR، Quad و Multiplexer متصل مي شدند. با وجود آنکه سيستم هاي آنالوگ بخوبي کار مي کردند، اما با اشکالاتي نظير محدوديت مقياس پذيري، نياز به نگهداري VCRها و تعويض دستي نوارها نياز داشتند. بعلاوه، کيفيت ضبط در طول زمان، به شدت کاهش پيدا مي کرد. دوربين ها نيز براي مدت طولاني، سياه و سفيد بودند. امروزه اکثر دوربينهاي آنالوگ، از نوع رنگي هستند.

2- سيستمهاي CCTV آنالوگ مبتني بر DVR
 

تا اواسط دهه 1990 ميلادي، صنعت نظارت ويدئوئي با معرفي DVR، شاهد اولين انقلاب ديجيتال بود. DVR با درايوهاي ديسک سخت خود بعنوان رسانه ضبط، جايگزين VCR گرديد( شکل [2]). ويدئو، ديجيتايز گرديده و به منظور ذخيره سازي در فيلم بيشترين روزهاي ممکن، فشرده سازي مي شد.
فضاي ديسک سخت در DVRهاي اوليه محدود بود، بنابراين مدت ضبط نيز محدود گرديده و يا بايستي از نرخ فريم پائين تري استفاده مي شد. بخاطر محدوديت هاي موجود در فضاي ديسک سخت، بسياري از توليد کنندگان، اقدام به توسعه الگوريتم هاي فشرده سازي اختصاصي خود کردند. با وجود آنکه الگوريتم هاي مذکور، احتمالاً بخوبي وظيفه خود را انجام مي دادند اما وقتي نوبت به پخش مجدد ويدئو مي رسيد، کاربران نهائي به ابزارهاي يک توليد کننده خاص وابسته مي شدند. با کاهش چشمگير هزينه فضاي ديسک سخت در طول سالها و همچنين معرفي و پذيرش گسترده الگوريتمهاي فشرده سازي استانداردي نظير MPEG-4، اکثر توليد کنندگان، الگوريتمهاي فشرده سازي انحصاري خود را به نفع استانداردها( و همچنين به سود کاربران نهائي) کنار گذاشتند.
اکثر DVRها داراي ورودي هاي ويدئويي متعددي( معمولاً 4، 16 و يا 32 ورودي) بودند. بعبارت ديگر، آنها در عين حال عملکرد Quad و يا Multiplexer را نيز تأمين مي کردند. بنابراين، DVRها علاوه بر VCR، جايگزين Multiplexer شدند و به اين ترتيب تعداد مؤلفه هاي سيستم CCTV را کاهش دادند.
معرفي سيستم DVR، مزاياي مهم زير را به همراه داشت:
- حذف نوار و يا نياز به تعويض نوارها
- کيفيت ثابت ضبط
-توانائي جستجوي سريع در طول ويدئوي ضبط شده
DVRهاي اوليه از نمايشگرهاي آنالوگي نظير دستگاه هاي تلويزيون معمولي براي نمايش ويدئو استفاده مي کردند. با اينحال، از آنجائيکه DVR ويدئوي ديجيتال در فواصل طولاني تر نيز وجود داشت. اين عملکرد براي اولين بار با اتصال يک مودم تلفني به يک درگاه سريال بر روي DVR مورد استفاده قرار گرفت. بعدها، مودم تلفني بطور توکار در داخل خود DVR پياده سازي گرديد. با وجود آنکه توانائي نظارت بر ويدئو از راه دور و از طريق يک PC واقعاً يک مزيت عالي به حساب مي آمد، اما عملکرد واقعي فوق العاده مفيد نبود زيرا پهناي باند قابل دسترسي با مودم هاي تلفني بيش از حد پائين بود و غالباً در دامنه 10 تا 50 کيلوبيت بر ثانيه محدود مي شد. اين پهناي باند به معناي نرخ هاي فريم بسيار پائين، کيفيت پائين و ويدئوي شديداً فشرده سازي شده بود که باعث مي گرديد ويدئوي نهائي کم و بيش غير قابل استفاده باشد.

3- سيستمهاي CCTV آنالوگ مبتني بر DVR شبکه سازي شده
 

DVRها سرانجام به يک درگاه اترنت مجهز شدند تا امکان اتصال به شبکه را بدست آورند. اين ويژگي، DVRهاي شبکه را به بازار معرفي کرد و امکان نظارت ويدئو از راه دور با استفاده از PCها را فراهم نمود( شکل [3]).

بعضي از سيستمهاي DVR شبکه اي که امروزه مورد استفاده قرار مي گيرند، امکان نظارت بر هر دو نوع ويدئوي زنده و ضبط شده را فراهم مي کنند. در حاليکه بعضي از اين ابزارها تنها امکان نظارت بر ويدئوي ضبط شده را در اختيار شما مي گذارند. بعلاوه، بعضي از سيستم ها براي نظارت بر ويدئو به يک کلاينت ويندوز اختصاصي نياز دارند، در حاليکه سايرين از يک مرورگر وب استاندارد استفاده مي کنند که باعث مي شود کار نظارت از راه دور بسيار انعطاف پذيرتر باشد./> سيستم DVR شبکه، مزاياي زير را به همراه داشت:
- نظارت از راه دور بر روي ويدئو، با استفاده از يک PC
- کنترل عملکرد سيستم از راه دور
با وجود آنکه DVRها پيشرفتهاي فوق العاده اي را نسبت به VCها فراهم مي کردند، اما در عين حال داراي بعضي اشکالات ذاتي بودند. DVR مسئوليت انجام وظايف بسيار زيادي نظير ديجيتايز نمودن ويدئوي تمام دوربين ها، فشرده سازي ويدئو، ضبط و شبکه سازي را بر عهده داشت. بعلاوه، DVR يک محصول « Black Box» به حساب مي آمد، يعني يک سخت افزار انحصاري با نرم افزار از پيش بارگذاري شده که غالباً کاربر نهائي را مجبور مي کرد قطعات يدکي را از يک توليد کننده واحد تهيه نمايد، موضوعي که کار نگهداري و ارتقاء سيستم را بسيار پر هزينه مي کرد. پياده سازي محافظت در برابر ويروس نيز دشوار بود. با وجود آنکه DVR غالباً يک ماشين مبتني بر ويندوز بود، اما اينترفيس اختصاصي آن امکان محافظت در برابر ويروس را فراهم نمي کرد. بعلاوه، DVRها مقياس پذيري محدودي را ارائه مي کردند. اکثر DVRها 16 يا 32 ورودي را در اختيار کاربر مي گذاشتند که باعث مي شد پياده سازي مقرون به صرفه سيستمهائي که مضربي از 16 نبودند( مثلاً سيستمهائي با 10 يا 35 دوربين)، بسيار دشوار گردد.

4- سيستمهاي ويدئويي شبکه سازي شده مبتني بر Video Encoder
 

اولين گام در مسير يک سيستم ويدئويي تحت شبکه و مبتني بر يک سکوي باز، با معرفي Video Encoder برداشته شد که غالباً تحت عنوان يک سرور ويدئويي نيز شناخته مي شد.

يک Video Encoder به دوربين هاي آنالوگ متصل شده و ويدئوي آنها را ديجيتايز و فشرده سازي مي کند. اين ابزار سپس ويدئو را بر روي يک شبکه IP و از طريق يک سوئيچ شبکه به يک سرور PC مي فرستد که نرم افزار مديريت ويدئو را براي نظارت و ضبط اجرا مي کند( شکل[4]). اين يک سيستم ويدئوي تحت شبکه واقعي است. زيرا ويدئو دائماً بر روي يک شبکه IP ارسال مي گردد. اساساً وظايفي که در گذشته توسط DVR ها انجام مي شدند، حالا تقسيم شده بودند: ديجيتايز کردن و فشرده سازي ويدئو توسط Video Encoder انجام مي شد ولي ضبط، بر عهده سرور PC بود که به اين ترتيب ميزان پذيري بهتري را تأمين مي نمود.
يک سيستم ويدئوي تحت شبکه و مبتني بر Video Encoder، داراي مزاياي زير است:
- استفاده از شبکه استاندارد و سخت افزار سرور PC براي ضبط و مديريت ويدئو
-مقياس پذيري با نسبت 1 دوربين در هر مرحله( نه الزاماً 16 يا 32 دوربين)
- امکان ضبط ويدئو در خارج از محل نظارت
- انطباق پذيري کامل با آينده، زيرا سيستم به آساني با اضافه کردن دوربينهاي شبکه، گسترش پيدا مي کند.

NVRها و DVRهاي دورگه يا هيبريد
 

با دسترس پذيري انواع مختلف NVRها ( Network Video Recorder) و DVRهاي دورگه، راه حل هاي جايگزيني هم براي سکوي باز( بر اساس يک PC که نرم افزار مديريت ويدئو بر روي آن نصب شده است) وجود دارند. يک NVR يا DVR دو رگه، يک جعبه سخت افزاري اختصاصي با نرم افزار مديريت ويدئويي از پيش نصب شده براي مديريت وروديهاي ويدئويي از دوربينهاي شبکه يا Video Encoderها است. NVR تنها وروديهاي ويدئوي شبکه را اداره مي کند، در حاليکه DVR دورگه قادر است هر دو نوع يعني ويدئوي شبکه و همچنين ورودي آنالوگ را بطور موازي اداره نمايد. مزيت استفاده از يک NVR يا DVR دورگه، سهولت نصب است زيرا عملکردهاي مديريت ويدئو و ضبط همگي در يک جعبه واحد( شبيه به يک DVR) قابل دسترسي خواهند بود. راه حل NVR يا DVR دورگه در سيستمهاي کوچکتري با 4 تا 16 دوربين محبوبيت دارد. با اينحال، اين روش بعضي از اشکالات DVR سنتي را نيز به همراه دارد. NVR ها و DVRهاي دورگه از يک سکوي اختصاصي استفاده مي کنند که خريد، نگهداري و ارتقاء آن گرانتر خواهد بود و غالباً نگهداري آن بر روي يک شبکه IT شرکتي نيز دشوارتر است.

5- سيستم هاي ويدئويي تحت و مبتني بر دوربين هاي شبکه
 

يک دوربين شبکه که معمولاً تحت عنوان يک دوربين IP نيز شناخته مي شود، همان طور که از نام آن استنباط مي شود دوربيني با يک اتصال شبکه IP است. در يک سيستم ويدئويي تحت شبکه و مبتني بر دوربين هاي شبکه، ويدئو از طريق سوئيچ هاي شبکه بر روي يک شبکه IP منتقل گرديده و بر روي يک PC سرور که نرم افزار مديريت ويدئويي بر روي آن نصب شده است، ضبط مي گردد( شکل [6]). اين ترکيب بيانگر يک سيستم ويدئويي شبکه سازي شده واقعي است.

يکي از بزرگترين مزاياي يک دوربين شبکه اين است که به محض آنکه تصاوير دريافت مي شوند، در داخل دوربين ديجيتايز گرديده و وضعيت ديجيتال خود را نيز در سراسر سيستم حفظ مي کنند که در نتيجه يک کيفيت تصويري بالا و ثابت را حفظ مي نمايد. اين موضوع در مورد دوربينهاي آنالوگ صادق نيست. با وجود آنکه اکثر دوربينهاي آنالوگ امروزه با عنوان « ديجيتال» شناخته مي شوند، اما داراي يک ورودي آنالوگ هستند. دوربينهاي آنالوگ، ديجيتايز نمودن تصاوير ضبط شده را براي تأمين توابع ارتقاء تصويري انجام مي دهند. با اينحال، اين تصاوير سپس مجدداً به ويدئوي آنالوگ تبديل مي شوند. آگاهي از اين نکته بسيار مهم است که هر تبديل از آنالوگ به ديجيتال و يا از ديجيتال به آنالوگ با مقداري افت در کيفيت ويدئو همراه خواهد بود. بعلاوه، سيگنالهاي آنالوگ در هنگام انتقال بر روي کابلهاي طولاني و در طول زمان( در صورت ذخيره سازي بر روي نوار) دچار افت مي شوند. بنابراين، ويدئو بصورت ايده آل بايد يکبار ديجيتايز گرديده و در سراسر سيستم بصورت ديجيتال باقي بماند.
مزيت استفاده از يک شبکه مبتني بر IP اين است که مي توان از شبکه براي کاربردهائي فراتر از انتقال ويدئويي صرف، بهره گرفت. شبکه هاي IP، امکان به اشتراک گذاري يک کابل فيزيکي را براي چند دوربين شبکه فراهم مي کنند. بعلاوه، شبکه مي تواند تغذيه برق را به دوربين هاي شبکه و اطلاعات را از/ به اتصالات خروجي و ورودي دوربين ها انتقال دهد. شبکه در عين حال قادر است صداي دو طرفه و همچنين فرامين Tilt، Pan و Zoom( در صورتيکه دوربين داراي چنين توابعي باشد) را حمل نمايد. بعلاوه، يک شبکه IP امکان پيکربندي دوربين ها از راه دور را فراهم کرده و به ويدئو و ساير داده ها اجازه مي دهد تا بر روي شبکه به ( تقريباً ) هر محلي انتقال داده شوند، بدون آنکه افتي در کيفيت آنها ايجاد گردد. در مجموع، شبکه يک رسانه فوق العاده انعطاف پذير و مقرون به صرفه را براي تمام ارتباطات در داخل يک سيستم نظارت ويدئويي شبکه سازي شده فراهم مي نمايد. مقياس پذيري ويدئوي شبکه سازي شده، فرصتهائي را براي ايجاد سيستمهاي نظارت ويدئويي با صدها و يا حتي هزاران دوربين بوجود مي آورد.
يک سيستم ويدئويي شبکه و مبتني بر دوربين هاي شبکه، داراي مزاياي زير است:
- توانائي استفاده از دوربينهائي با تفکيک پذيري بالا( مگاپيکسلي)
- کيفيت ثابت تصوير، صرفنظر از فاصله انتقال آن
- توانائي استفاده از تغذيه برق بر روي اترنت و عملکرد بي سيم
- دسترسي کامل به عملکردهائي نظير Tilt، Pan و Zoom؛ ورودي ها و خروجي هاي ديجيتال و صوتي بر روي IP، به همراه ويدئو
- پيکربندي سيستم و تنظيمات دوربين بر روي IP
- مقياس پذيري و انعطاف پذيري کامل
با وجود آنکه يک دوربين شبکه را مي توان با يک دوربين آنالوگ متصل به يک Video Encoder مقايسه کرد، اما يک دوربين شبکه قادر است عملکردهاي بسيار بيشتري را ارائه نمايد که بسيار فراتر از قابليتهاي يک سيستم متشکل از يک دوربين آنالوگ و يک Video Encoder خواهند بود. از آنجائيکه يک دوربين شبکه داراي قدرت پردازش داخلي است، امکان بهره گيري از هوش ويدئويي( که تحت عنوان تجزيه و تحليل ويدئويي نيز شناخته مي شود) را در حاشيه سيستم يعني در داخل خود دوربين فراهم مي کند. پيش بيني مي شود که اين قابليت به گرايش بزرگ بعدي در صنعت نظارت ويدئويي تبديل گردد، زيرا ضرورت و نياز به مديريت و آناليز کارآمد ويدئو، خصوصاً در سيستم هاي بزرگ کاملاً به چشم مي خورد.
دوربين شبکه، يک محرک کليدي در سير تکامل ويدئوي تحت شبکه است. دوربين هاي شبکه، کاملاً بر فناوري دوربين آنالوگ غلبه کرده اند و اکنون با همان مشخصات و ملزومات انطباق دارند. بعلاوه، دوربين هاي شبکه عملکرد دوربين هاي آنالوگ را در بسياري از حوزه هاي مهم نظير کيفيت تصوير، تفکيک پذيري و هوش داخلي، پشت سر گذاشته اند.
منبع: بزرگراه رايانه، شماره 129