Schulung Video im Netzwerk Reinhard Löcher Mai 2009 Schulung Video im Netzwerk

Übersicht digital Video Was ist Netzwerk Video Entwicklung von analogem CCTV zur digitalen Welt Kompression Standards Übertragung Speicherung Verwaltung Zusammenfassung Vor- und Nachteile

Was ist Netzwerk Video Unter Netzwerk Video, auch IP Video genannt, versteht man die digitale Generierung, Übertragung und Speicherung von Videosignalen innerhalb von Computernetzwerken. Generierung: Das Bild wird mittels einer IP-Kamera oder einer analogen Kamera mit Nachgeschaltetem Encoder als „Stream“ generiert. Übertragung: Der Videostream wird über konventionelle IT-Netzwerke (LAN/WAN/Internet) übertragen. Speicherung: Die Speicherung erfolgt auf Computerhardware. Dies können PC Systeme oder auch dedizierte DVR Systeme sein.

Was ist Netzwerk Video Komponenten für Netzwerk Video IP-Kameras Encoder Decoder Rekorder Visualisierung Management

Was ist Netzwerk Video IP-Kamera Encoder Als IP-Kamera bezeichnet man Kameras, die die Bildinformation in digitaler Form bereit stellen. Achtung: nicht jede IP-Kamera ist auch für CCTV tauglich. Es werden sehr hohe Anforderungen an Bildqualität, Lichtempfindlichkeit, Funktionalität und nicht zuletzt auch die Zuverlässigkeit gestellt. Encoder Encoder wandeln das Videosignal einer herkömmlichen analogen Kamera in einen IP Videostram um. Meist bieten sie zusätzliche Schnittstellen für Audio und Steuersignale

Was ist Netzwerk Video Decoder Rekorder Decoder wandeln digitale Videostreams in Analoge Videosignale zur Darstellung auf herkömmlichen CCTV Monitoren (Anwendung selten und nur in Hybrid Systemen erforderlich) Rekorder Videorekorder in Netzwerken werden als NVR (Network Video Recorder) bezeichnet. Nicht zu verwechseln mit DVR (Digital Video Recorder) DVRs haben im allgemeinen analoge Eingänge und speichern nach AD-Wandlung und Komprimierung digital ab. NVR kann ein dedizierte Hardware speziell zur Speicherung von Videostreams in CCTV Systemen sein oder aber auch Standard PC Hardware mit entsprechender Software.

Was ist Netzwerk Video Visualisierung Decoder mit analogem Monitor Sehr limitierte Möglichkeiten, da ein Decoder im allgemeinen per Setup auf einen bestimmten Videostream eingestellt ist und somit ein „Umschalten“ auf eine andere Kamera problematisch ist. WEB Browser auf PC Die meisten Hersteller liefern Ihre Produkte (Kameras / Encoder) mit integrierten WEB Servern, so das man mit einem Browser auf das Video zugreifen kann (Passwortschutz!). Zusätzlich müssen sogenannte AddIns installiert werden. Die Funktion umfasst meist die Live Darstellung und Konfiguration des Gerätes. Remote Software auf PC Proprietäre Software, die installiert werden muss, dafür aber im allgemeinen einen erheblich größeren Funktionsumfang besitzt.

Was ist Netzwerk Video Management Übergeordnete Software, die alle bisher genannten Komponenten in ein System integriert und meist auch die Möglichkeit bietet andere Systeme wie zum Beispiel Einbruchmelde Anlagen anzubinden. Durch Management Software werden aus den einzelnen Komponenten erst Überwachungs Systeme mit vielfältigen an die Bedürfnisse anpassbaren Funktionen.

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Herkömmliche analoge Videoüberwachung Kleinanlage Analoge Kameras Mittels Koaxialkabel oder Zweidraht in Punkt zu Punkt Verbindung zu einem Multiplexer oder Quad verdrahtet Gegebenen Falls Aufzeichnung auf VHS oder Langzeit Rekorder Visualisierung auf analogem Monitor Steuerung der Dome und Multiplexer mittels Joystick Controller über RS422/485 Schnittstelle

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Videoüberwachung Hybrid mit DVR Kleinanlage Analoge Kameras Mittels Koaxialkabel oder Zweidraht in Punkt zu Punkt Verbindung zu einem DVR verdrahtet Visualisierung auf analogem Video- oder PC-Monitor Steuerung der Dome und des DVR mittels Joystick Controller über RS422/485 Schnittstelle Optional: Remote Arbeitsplatz über Netzwerk

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Videoüberwachung digital mit NVR Kleinanlage IP Kameras Analoge Kameras mit Encoder Mittels strukturierter Netzwerk Verkabelung verbunden. Visualisierung auf vernetzten Abfrageplätzen mit entsprechender Software Optional auf analogen Monitoren mittels Decoder Aufzeichnung auf NVR. Steuerung der Dome und des NVR über Softwareoberfläche des NVR

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Herkömmliche analoge Videoüberwachung Großsystem Analoge Kameras (fix und SNZ) sternförmig verkabelt zu einer Systemzentrale ggf. mit Unterzentralen. Modulare Videomatrix ggf. mit Subsystemen mit Ein- / Ausgängen und Schnittstellen zu anderen Systemen (ZK, EMA, BMA …) Analoge Videoaufzeichnung (Echtzeit, gemultiplext oder alarmgesteuert) Visualisierung auf analogen Videomonitoren (manuelle Auswahl und alarmgesteuert) Steuerung durch Video Management Software. Bedienung mit Videobediengeräten und/oder grafischen Bedieneroberflächen auf PC Basis

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Analoges Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Hybrid Videoüberwachung Großsystem Analoge Kameras (fix und SNZ) sternförmig verkabelt zu einer Systemzentrale ggf. mit Unterzentralen. Modulare Videomatrix ggf. mit Subsystemen mit Ein- / Ausgängen und Schnittstellen zu anderen Systemen (ZK, EMA, BMA …) Digitale Videoaufzeichnung (Echtzeit, gemultiplext oder alarmgesteuert) Visualisierung auf analogen Videomonitoren (manuelle Auswahl und alarmgesteuert) Visualisierung optional über PC Oberfläche (auch Remote über Netzwerk) Steuerung durch Video Management Software. Bedienung mit Videobediengeräten und/oder grafischen Bedieneroberflächen auf PC Basis

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt Hybrid Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung

Vom analogen CCTV zur digitalen Welt IP Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung

Kompression Standards JPEG: (Joint Photographic Experts Group) Einzelbild Kompression MJPEG: (Joint Photographic Experts Group) Einzelbild Kompression für Videoanwendungen Wavelet: Einzelbild Kompression. MPEG: (Moving Picture Experts Group) Kompressionsstandards für Bewegtbildanwendungen Proprietär: Herstellerabhängig Selbst entwickelte Verfahren

Kompression Standards MJPEG Motion JPEG Motion JPEG (MJPEG) ist ein Video-Codec, bei dem jedes Einzelbild separat als JPEG-Bild komprimiert wird. M-JPEG findet Anwendung bei IP-Kameras, also Netzwerkkameras. Dabei wird der Stream häufig über das Protokoll HTTP versendet. Damit der Client (meistens ein Webbrowser) die Daten korrekt darstellen kann, wird der spezielle MIME-Type multipart/x-mixed-replace;boundary= verwendet. Es folgt ein frei wählbarer String zur Trennung zwischen den einzelnen Bildern nach dem MIME-Type boundary=. Danach folgen die einzelnen JPEG-komprimierten Bilder, getrennt durch den im MIME-Type definierten String.

Kompression Standards MJPEG Die mit MJPEG-komprimierten Videos haben im Gegensatz zu den mit MPEG komprimierten eine von der Bewegung des Bildes unabhängige Qualität. Wegen der hohen Qualität (bei 3,125 MByte/s (25 MBit/s) etwa SVHS-Qualität) der Videos und der schon vorhandenen Encoder-Hardware wird dieser Standard oft verwendet. Durch die einzelne Kompression aller Einzelbilder ist es bei diesem Format möglich, einen Video-Clip ohne die Notwendigkeit des Recodierens bildgenau zu schneiden, was bei MPEG im allgemeinen nur bei Schlüsselbildern möglich ist. Es gibt zahlreiche Varianten des Formats, die zum Teil nicht zueinander kompatibel sind. Die Kompressionsrate liegt mit 1:5 bis 1:13 zwischen unkomprimierten Formaten wie RGB/8 (1:1) oder YCbCr/8 (1:1,5 oder 1:2) und der MPEG-2-Kompression (ca. 1:25 bis 1:100). Bei hoher Qualität entspricht das für PAL-Video in etwa 30 MBit/s.

Kompression Standards Wavelet Heute in der Video Kompression kaum noch verwendet Als erstes wird eine 2D-Wavelet-Transformation durchgeführt. Dadurch erhält man genau so viele Koeffizienten, wie das Bild Pixel enthält. Diese Koeffizienten sind leichter zu komprimieren, da sich der Großteil der wichtigen Informationen auf einige wenige Koeffizienten konzentriert. Dieses Prinzip heißt auch Transformationskodierung. Anschließend werden die Koeffizienten quantisiert und die quantisierten Werte entropiekodiert und/oder lauflängenkodiert. Die Kompressionsrate ist Ähnlich der von JPEG, wobei der Bildeindruck subjektiv meist als besser empfunden wird, da weniger Blockbildung erfolgt

Kompression Standards MPEG (Moving Picture Experts Group) - Übersicht der Normen Quelle: Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Moving_Picture_Experts_Group

Kompression Standards Proprietär Herstellerabhängig Selbst entwickelte Verfahren verschiedener Hersteller Eigene Hard- und/oder Software zur Komprimierung + Unabhängig von Fremdfirmen + Keine Lizenzgebühren + Keine Einengung durch Kompatibilitätszwang - effektiver + Schnelle Reaktion auf Erfordernisse des Marktes - Hohe Entwicklungskosten - Keine Kompatibilität zu Plattformübergreifenden Playern

Übertragung Analog Asymmetrisch über Koaxialkabel 1:1 Verbindung + Bewährte und einfache Technik + Hohe Bandbreite und Bildqualität Empfindlich gegen Störsignale und Gleichstromanteil Geringe Reichweite (100 – 300 Meter je nach Kabel) Hohe Verdrahtungskosten Symmetrisch über Zweidraht Kabel + Unempfindlich gegen Störsignale + geringere Verdrahtungskosten aber Zusatzkomponenten erforderlich + größere Reichweite (- 1500 Meter) - Geringere Bandbreite und Bildqualität (< 5MHz)

Übertragung Analog Glasfaser (Multi mode / Single mode) Funk Infrarot Digital (multiple Signale auf einer Faser) + Große Entfernungen (Single mode bis 70 km ohne Zwischenverstärker) + Störungsunempfindlich - Hohe Kosten Funk Infrarot Mikrowelle ….

Übertragung JPEG und Wavelet Systeme MJPEG Es werden Einzelbilder übertragen. Eigener Software Overhead erforderlich um bei Bewegtbildern die zeitliche Reihenfolge zu erhalten. Es wird eine sehr hohe Bandbreite benötigt, alle Bilder komplett übertragen werden müssen. MJPEG Es werden Einzelbilder übertragen. Der Stream wird als MIME-Type multipart/x-mixed-replace;boundary=… übertragen. Somit wird die einhaltung der Reihenfolge durch das Protokoll sichergestellt. Es wird eine sehr hohe Bandbreite benötigt, alle Bilder komplett übertragen werden müssen.

Übertragung MPEG Es werden nicht für alle Einzelbilder alle Informationen übertragen, sondern der Stream wird in sogenannte GOPs (Group of Pictures) aufgeteilt. Der genaue Algorithmus unterscheidet sich nun in der einzelnen Unternormen, aber Prinzipiell wird ein Referenz Bild erstellt und übertragen, und danach nur noch die Unterschiede. Die einzelnen Unterstandards von MPEG sind je nach Ziel der Anwendung unterschiedlich optimiert. Bildqualität, Bitrate(Bandbreite) bei den neueren auch Multimedia Funktionen (Spiele/Internet) Für CCTV setzen sich im Moment MPEG-4 und dessen Nachfolger/Erweiterung H.264 in den Vordergrund. + Standart

Übertragung MPEG Für CCTV setzen sich im Moment MPEG-4 und dessen Nachfolger/Erweiterung H.264 in den Vordergrund. + genormter Standard + schnelle Verfügbarkeit durch Standard Hard und Software + dadurch überschaubare Entwicklungskosten Lizenzrechte ??? Manipulierbarkeit ???

Speicherung Analog Videorekorder Direkt Realtime Direkt Timelapse Über Video Matrix > Alarmaufzeichnung Über Multiplexer Über Multiplexer Timelapse + Preiswert Je Kamera ein Rekorder > Platzbedarf Gemultiplexed > Informationsverlust Verschleiß Bandwechsel Zur Wiedergabe muss das entsprechende Band physikalisch am Wiedergabeplatz sein

Speicherung Digital Hybrid Systeme (DVR) Im Allgemeinen wird dedizierte Hardware verwendet. Bei Proprietären Rekordern (auch embedded genannt) als geschlossenes System mit herstellerspezifischer Hard- und Software.. Bei PC Systemen mit marktüblichem Betriebssystemen. (MS-Windows™ oder Linux) Als Kompressionshardware werden frei im Markt verfügbare Karten oder auch Eigenentwicklungen eingesetzt. Die Oberfläche und Funktionalität wird dann durch eigene Software generiert . Es sind immer Hardware (Kompression) und Software als System zu sehen.

Speicherung Vorteile Nachteile + Mehrkanalsysteme 4, 8, 16 und 32 Kanäle in einem Gerät + Zusatzfunktionen wie Motion Detection zur Aufzeichnungs-und Wiedergabesteuerung + Durch Festplattenaufzeichnung wahlfreier Zugriff (kein Spulen) + Intelligente Suchfunktionen für schnelle Auswertung + Verknüfung mit externen Daten (POS) möglich + Wiedergabe und Auswertung auch über Netzwerk möglich Nachteile Die analogen Signale müssen wie bei analogen Systemen zum DVR verkabelt werden (Sternverkabelung) Unflexibel bei baulichen Veränderungen. Wiedergabe meist nur mit proprietären Playern möglich. Nach Export in „standard“ Formate meist nicht mehr manipulationsgeschützt Bei Ausfall eines Gerätes sind x Signale gestört. Bei „mittleren“ Systemen ohne Raid Funktionalität, sind bei einem HDD Defekt meist ALLE Daten zerstört

Speicherung Digital Netzwerk Recorder (NVR) Zur Speicherung kann standard Hardware aus der IT Technik verwendet werden. Diese ist innerhalb des Netzwerks fast Standortunabhängig Es wird keine Kompressionshardware benötigt, das die Signale schon digital komprimiert im Netztwerk verfügbar sind Die Bildqualität und das Datenaufkommen ist nur von der verwendeten Peripherie abhängig. Die gesamte Funktionalität wird durch die Software abgebildet Es können herstellerübergreifende Systeme realisiert werden

Speicherung Vorteile Nachteile + NVR ist meist Hardware unabhängig + Frei skalierbar + In Bezug auf Peripherie meist Hersteller unabhängig (Investitionsschutz) + Dezentraler Aufbau möglich + Bei Ausfall von Speicher Hardware kann Software gestützt auf Redundanzsysteme umgeschaltet werden ++ Alle Vorteile des DVR Nachteile Hohe Anforderungen an die Netzwerk Topologie. Extremer Bandbreitenbedarf im Vergleich zu „normalen“ IT Netzwerken. Bei Kupfer Verkabelung beträgt die maximale Entfernung ohne aktive Baugruppen 100 m. Keine Echtzeit (Latenz) wirkt sich vor allem bei der manuellen SN Steuerung störend aus. Datenschutz ????

Verwaltung Netzwerk Rekorder (NVR) Häufig handelt es sich bei NVRs um reine Software Lösungen, die Hersteller eigene Netzwerk- oder IP-Kameras in einem TCP/IP Netzwerk verwalten. Die Speicher Hardware wird meist vorgegeben, um eine Mindestleistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Software steuert hierbei entsprechend der Konfiguration und den Möglichkeiten der Netzwerktopologie die Aufzeichnung und den Live Zugriff auf die Bilddatenströme (Streams) der einzelnen Kameras und Speichersysteme. Zur Anbindung anderer Gewerke werden Software Anbindungen bevorzugt. „Fremde“ IP Kameras können nur angebunden/integriert werden, wenn Standard Kompressions- Algorithmen verwendet werden oder der Hersteller eine Software Schnittstelle (API) zur Verfügung stellt. (Investitionsschutz??)