DSP Chip-Satz Technologie für CCTV-Kameras

Dirk Klages / Februar 29, 2012Oktober 6, 2017 / CCTV neue Technologien

Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2010, S. 44 bis 46

Digitaler Turbolader

Insbesondere bei DSP-Chipsätzen, die das Bild digital weiterverarbeiten, ist es zu erheblichen Weiterentwicklungen gekommen. (Bild: Samsung Techwin)

Darüber hinaus kam es in diesem Bereich auch noch zu einer ganzen Reihe anderer technischer Neuentwicklungen, dank derer die Endanwender aus den Investitionen, die sie in ihre CCTV-Systeme getätigt haben, nun das Beste herausholen können.

In der Vergangenheit haben sich Betreiber von CCTV-Systemen vielleicht damit zufrieden gegeben, nur die allgemeine Beschreibung zu einem bestimmten Kameramodell zu lesen, um zu entscheiden, ob diese Kamera für ihr eigenes CCTV-Projekt geeignet war. Wenn der Beschreibung nach in der Kamera ein 1/2-Zoll- oder 1/3-Zoll-Chip von einem bekannten Hersteller integriert war, war das vielleicht schon ausreichend für die Entscheidung, diese Kamera in das eigene System zu integrieren.

In der Zwischenzeit ist es bei den Kameratechnologien jedoch zu erheblichen Weiterentwicklungen gekommen und obwohl heute Größe und Typ des Bildsensors einer Kamera weiterhin eine wichtige Rolle bei der Qualität des erzeugten Videobildes spielen, besonders bei Schwachlichtbedingungen, ist es doch der DSP-Chipsatz, der das Bild digital verarbeitet und bei dem in letzter Zeit die größten Fortschritte in Leistungsfähigkeit und Funktionalität von Kameras erzielt wurden. Im Folgenden werden nur einige der vielen neuen Einrichtungen und Funktionen von Kameras aufgeführt, die Betreibern von CCTV-Systemen nun zur Verfügung stehen.

Bildauflösung

Die neuesten DSP-Chipsätze sind so ausgelegt, dass sie zu einer größeren Bildstabilität und einer verbesserten Verarbeitung von beweglichen Bildern führen. Es werden nunmehr Farbbilder mit einer erstaunlich hohen Bildauflösung von 600 TV-Linien und Schwarz/Weiß-Bilder mit einer Auflösung von 700 TV-Linien möglich. Chipsätze der nächsten Generation werden noch bessere Auflösungen ermöglichen. Es stehen nun eine Vielzahl von Kameras zur Verfügung, die bei Aktivieren der Funktion „Sens-Up” noch bei 0,001 Lux ohne zusätzliche Ausleuchtung akzeptable Bilder produzieren können. Zum Vergleich: 0,001 Lux stellen fast vollkommene Dunkelheit dar. Mit der Entwicklung von Megapixel-DSP-Chipsätzen werden von nun an noch bessere Auflösungen und eine noch größere Funktionsvielfalt möglich werden.

Unterdrückung von Bildrauschen

Bildrauschen bei CCTV-Videobildern ist der häufigste Grund dafür, dass Videos als unzuverlässiges Beweismaterial angesehen werden. Dies ist insbesondere in Umgebungen mit schlechtem Licht der Fall. Dies gilt jedoch nicht immer, da Bildrauschen bei allen Lichtbedingungen erzeugt werden kann. Bildrauschen tritt auf, wenn die Funktion „AGC” („Automatic Gain Control” – Automatische Verstärkungsregelung) versucht, ein schwaches Videosignal auszugleichen. Normalerweise sind es jedoch die Effekte „Körnigkeit“ und „Schnee“, die ein Bild unbrauchbar machen, und erst in zweiter Linie die wirkliche Dunkelheit. Wenn dieses Bildrauschen also aus dem Bild eliminiert werden könnte, würde das Bild wieder brauchbar sein.

Steigerung der Bildqualität durch Rauschunterdrückung. (Bild: Samsung Techwin)

Dieser Gedanke lag der Entwicklung der Technologie zur Bildrauschunterdrückung zugrunde. Diese Technologie macht Kamerabilder durch Eliminierung von starkem Bildrauschen sauberer und schärfer, ohne aber gleichzeitig Geisterbilder oder verschwommene Bewegungen im Bild zu erzeugen. Unabhängig durchgeführte Tests haben nachgewiesen, dass mit Hilfe der Technologie zur Unterdrückung von Bildrauschen Farbbilder auch dann scharf und sauber bleiben, wenn Farbinformationen aufgrund von fehlendem Licht verloren gehen.

Diese Technologie zeigt beim Betrieb der Kamera im Schwarz/Weiß-Modus noch eindrucksvollere Ergebnisse. Wenn ein CCTV-System einen Bereich überwacht, wo bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen klare, saubere und detailreiche Bilder erforderlich sind, können Kameras, die die Technologie zur Bildrauschunterdrückung verwenden, viele Probleme lösen, bei denen herkömmliche Kameras wahrscheinlich versagen würden. Da bei der Signalverarbeitung der Rauschabstand vergrößert und sowohl zufällig erzeugte als auch vorhersagbare Rauschquellen einbezogen werden, kann auch eine durch sich bewegende Fahrzeuglichter erzeugte Streifenbildung eliminiert werden.

Bei der neuesten Technologie zur Rauschunterdrückung wird ein „Pattern Matching“ (Musterabgleich) genannter Prozess angewandt. Dieser unterdrückt gleichzeitig das Bildrauschen und erhält in statischen und Bewegtbildern die Ränder von Objekten. Nach der Unterdrückung des Rauschens wird ein Abgleichsystem mit einer sehr kleinen Matrix (drei mal drei Felder) angewendet, das sicher stellt, dass das von der Kamera erzeugte Bild dem Originalbild so nahe wie möglich kommt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser erstaunlichen Technologie ist, dass dabei auf einem Digitalvideorecorder bis zu 70 Prozent an Speicherplatz eingespart und beim Ansehen der Videobilder über ein Netzwerk die Bandbreitennutzung maximiert werden können.

Koaxialsteuerung

Auf mehrsprachigen Bildschirmmenüs kann jetzt über Koaxialsteuerkabel entweder von einer lokal gelegenen oder bequem von einer abgesetzten Steuerkonsole aus zugegriffen werden. Bei der Koaxialsteuerung können sowohl Videodaten als auch Telemetriedaten über das Koaxialkabel gesendet werden. Damit wird ein voller Zugriff auf alle Funktionen für die Einrichtung der Kamera und alle PTZ-Funktionen der Kamera möglich. Die neue Technologie führt potentiell zu echten Kosteneinsparungen, da sich dabei der Umfang der Verkabelungsstruktur verringert und gleichzeitig genügend Flexibilität besteht, um bestehende Systeme durch schnell und leicht nachzurüsten.

Während des letzten Jahres wurde im Bereich Chipsatz-Technologie eine beträchtliche Anzahl neuer technischer Entwicklungen am Markt vorgestellt. (Bild: Samsung Techwin)

Diese hoch entwickelte Chipsatz-Technologie bietet auch fortschrittliche Einrichtungen wie Tag/Nacht-Betrieb und die „Frame-Integration“-Funktion zur Verbesserung der Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen sowie acht programmierbare „Smart“-Bewegungserkennungszonen und nicht weniger als zwölf maskierbare Privatzonen. Mit der stetig zunehmenden Zahl von Überwachungskameras in unserem täglichen Leben entsteht gleichzeitig auch ein zunehmender Bedarf für den Schutz von privaten und empfindlichen Daten.

Mit Hilfe der in den neuesten Kameras nun zur Verfügung stehenden Funktion „Privacy Masking“ (Maskierung von Privatzonen) können zum Beispiel Bildschirme von Geldautomaten oder die Fenster von Privatwohnungen im angezeigten Videobild „maskiert“ (das heißt verschleiert) werden. Da auf den Kameras die Möglichkeit besteht, zwölf voneinander unabhängige Privatzonen zu maskieren, wird ein Ausgleich zwischen der Notwendigkeit der Überwachung und den Anforderungen zum Schutz der Privatsphäre erreicht. Es muss also nicht immer ein ganzes Gebäude, sondern es können auch nur einzelne Fenster und Türen dieses Gebäudes maskiert werden.

Mehr erkennen

Mit der Funktion Super Dynamic Range (SSDR) werden dunklere Bereiche in einer Aufnahmeszene aufgehellt und gleichzeitig die Ausleuchtung von helleren Bereichen auf dem gleichen Niveau gehalten. Damit werden dunklere Bereiche nun sichtbarer gemacht und der Beobachter kann jetzt auch Objekte erkennen, die zuvor im Schatten geblieben wären.

„Highlight Compensation“ identifiziert Bereiche im Bild mit übergroßen Weißanteilen, das heißt übermäßig helle Bereiche, und neutralisiert diese, indem sie diese Bereiche in Schwarz/Grau umwandelt. Damit kann die Kamera gewissermaßen „an diesen Bereichen vorbeischauen“ und der Kamerabediener kann zuvor versteckte Details erkennen. „Digital Image Stabilisation“ wiederum gleicht die durch starken Wind oder Vibrationen auf die Kamera ausgeübten Wirkungen aus.

Die für Forschung und Entwicklung aufgewendeten erheblichen Investitionen haben sich gelohnt, da damit bemerkenswerte Verbesserungen in der Bildqualität und in der Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen erzielt und zusätzliche Funktionen integriert werden konnten. Vor nur drei Jahren herrschte allgemein die Meinung, dass innovative technische Einrichtungen, wie „Digital Image Stabilisation“ (digitale Bildstabilisierung), „Highlight Compensation“ (Spitzlichtkompensation) und „Dynamic Backlight Compensation“ (Dynamische Gegenlichtkompensation) nur in den teuersten CCTV-Kameras zur Verfügung stehen. Mittlerweile stehen diese Einrichtungen auch in gewerblich genutzten und preisgünstigen Kameras zur Verfügung.

Ralf Balzerowski, Account Manager Deutschland in der Konzerndivision professionelle Sicherheitssysteme von Samsung Techwin Europe Ltd.

Weitere Informationen erhalten Sie bei Ihrem SAMSUNG Vertriebspartner:
ViSiTec Video-Sicherheit-Technik GmbH

HDTV in der IP-basierten Videoüberwachung

Dirk Klages / Februar 29, 2012Oktober 6, 2017 / IP-Video HD Mega-Pixel

Fachartikel aus PROTECTOR Special Videoüberwachung 2010, S. 40 bis 43

Mehr als nur hochauflösend

HDTV ist heutzutage im Consumermarkt in aller Munde und gewinnt auch in der Welt der IP-basierenden Videoüberwachung zunehmend an Bedeutung. Erste HDTV-fähige Netzwerkkameras werden von verschiedenen Herstellern auf dem Markt angeboten, zudem gibt es auch immer mehr Videomanagement-Softwarelösungen, die HDTV-Bilder anzeigen und speichern können.

(Bild: Axis)

Doch was verbirgt sich genau hinter dem geläufigen Begriff HDTV und welche Vorteile ergeben sich durch HDTV in der IP-basierten Video- überwachung?

HDTV ist die Abkürzung für „High Definition Television“ und steht für ein hoch auflösendes Fernsehbild. Die HDTV-Nomenklatur setzt sich aus der Zeilenanzahl, dem Bildaufbauverfahren und der Bildrate zusammen. Als Zeilenanzahl kommen entweder 720 oder 1.080 Zeilen in Frage und als Bildaufbau- verfahren das Progressive Scan (p) oder Interlaced (i). HDTV bietet mögliche Bildraten von 24, 25, 30, 50 oder 60 Bildern/Sekunde. Gebräuchliche Varianten sind heute 720p, was einer Auflösung von 1.280 mal 720 Pixel entspricht oder 1080i beziehungsweise 1080p, die jeweils eine Auflösung von 1.920 mal 1.080 Pixel liefern. Alle drei Varianten werden heute in der Regel mit einer Bildrate von 25 oder 30 Bildern/Sekunde genutzt. 720p kommt im Consumermarkt für das Broadcasting von HDTV (TV @Home) zum Tragen und 1080i/p wird beispielsweise bei Blu-ray sowie Computer-Grafiken verwendet.

HDTV-Standards

Ein entscheidender Punkt in der HDTV-Technik sind die Standards der Society of Motion Picture and Television Engineers, abgekürzt SMPTE. Dieser Fachausschuss hat zwei wesentliche HDTV-Standards definiert: SMPTE 296M (entspricht der Definition von „720p”) und SMPTE 274M (für die Definition von „1080i” oder „1080p”). Diese Standards legen im Wesentlichen die Auflösung, das Seitenverhältnis, das Bildaufbau- verfahren, die Bildrate und den verwendeten Farbraum (Gamut) fest.

Wie zuvor beschrieben entspricht 720p einer Auflösung von 1.280 mal 720 Pixel und 1080i/p einer Auflösung von 1.920 mal 1.080 Pixel. Vergleicht man diese Auflösungen mit der 4CIF-Auflösung (704 mal 576 Pixel) nach dem im europäischen Raum verwendeten PAL-Verfahren, so entspricht 720p der 2,2-fachen Auflösung von 4CIF und 1080i/p der fünffachen Auflösung. Für die Videoüberwachung bietet die höhere Auflösung entweder die Möglichkeit, Bilder mit einer höheren Pixeldichte, also Detailhaltigkeit, abzurufen oder bei gleicher Pixeldichte mit einer Kamera einen größeren Bereich abzudecken.

Bildseitenverhältnis

Das Bildseitenverhältnis bei HDTV entspricht 16:9, anstelle des sonst genutzten Seitenverhältnis von 4:3. Letzteres ist historisch bedingt und wurde eingeführt, um die Produktionskosten von Bildröhren zu verringern, da man bei diesem Seitenverhältniss mit einer geringeren Materialdicke auskam. 4:3 entspricht nicht dem Sichtfeld des menschlichen Auges, was dazu führt, dass das menschliche Auge bei der Bildbetrachtung schneller ermüdet und wir dazu neigen, Details im unteren und oberen Bildbereich zu übersehen. Anders sieht es bei 16:9 aus: Dieses Seitenverhältnis entspricht mehr dem Sichtfeld des menschlichen Auges. Somit ist es für den Betrachter wesentlich angenehmer, und das Auge ermüdet weniger schnell bei der Bildbetrachtung. Gerade für Sicherheitsdienste, die oft lange Zeit vor den Überwachungsbildschirmen sitzen, ist das ein nicht zu unterschätzender Pluspunkt.

Als Bildaufbauverfahren kommt bei HDTV das Vollbildverfahren (Progressive Scan) zum Tragen oder das Zeilensprungverfahren (Interlaced). Letzteres kennt man von analogen Kameras. Es hat den Nachteil, dass bei Objekten, welche sich schnell an der Kamera vorbeibewegen, Kamm-Effekte (Interlaced-Problem) auftreten können. Diese werden durch den zeitlichen Versatz zwischen der Aufnahme der ungeraden Zeilen und der geraden Zeilen hervorgerufen. Für die Darstellung von bewegten Objekten sollte demnach bei HDTV auch vornehmlich das Vollbildverfahren zum Einsatz kommen. HDTV nutzt einen größeren Farbraum und bietet dadurch den Vorteil, dass HDTV- Aufnahmen sich durch eine bessere Farbdarstellung, beziehungsweise Farbtreue auszeichnen.

Bandbreitenbedarf

Stellt sich die Frage, wie sich die Vorteile von HDTV auf den Bandbreiten- und Speicherbedarf auswirken? 720p entspricht der 2,2-fachen Auflösung von 4CIF beziehungsweise der dreifachen Auflösung von VGA. 1080i/p entspricht der fünffachen Auflösung von 4CIF und der 6,75-fachen Auflösung von VGA. Für eine grobe Hochrechnung kann man den Faktor der Auflösungssteigerung nutzen, um den Bandbreiten- und Speicherbedarf von HDTV zu kalkulieren. Das bedeutet: Wenn man die fünffache Auflösung hat, dann benötigt man in etwa auch die fünffache Bandbreite und Speichervolumen. Messungen in der Praxis zeigen, dass eine Netzwerkkamera bei VGA-Auflösung mit 25 Bildern/Sekunde bei der Nutzung von Motion-JPEG (M-JPEG) eine durchschnittliche Bandbreite von 8,5 Megabit/Sekunde (MBit/s) benötigt, bei dem HDTV-Format 1080i 43,7 MBit/s. Arbeitet man mit MPEG-4 Part 2, so kommt man auf etwa vier MBit/s für Videos in VGA und zwölf MBit/s bei 1080i. Natürlich gehört MPEG-4 Part 2 zu den klassischen Videokompressionsverfahren, bei denen die resultierenden Bandbreiten in der Praxis immer von dem Anteil der Veränderungen im Bild abhängig sind. Diese Werte machen jedoch deutlich, dass der Durchbruch von HDTV nur in Verbindung mit effizienten Komprimierungsverfahren stehen kann.

Die Lösung des erhöhten Bandbreitenaufkommens liegt in der Verwendung von H.264 alias MPEG-4 Part 10 (auch als Advanced Video Coding, kurz AVC bezeichnet). H.264 zeichnet sich durch eine erhöhte Komprimierungseffizienz aus (siehe Tabelle 1), wodurch sich heute hochauflösende HDTV-Videos mit 25/30 Bildern/Sekunde bei Bandbreiten von durchschnittlich vier MBit/s übertragen lassen, die man bisher bei VGA- oder 4CIF-Videos unter MPEG-4 Part 2 kannte. Somit kann dank H.264 der erhöhte Bandbreitenbedarf von HDTV ausgeglichen werden.

	Motion JPEG	MPEG-4 P. 2*	H.264*
Ø Kompressions- effizienz	1 Bit/Pixel	0,5 Bit/Pixel	0,2 Bit/Pixel
VGA-Video @ 25 B/s	8,5 MBit/s (42 kByte/Bild)	4,25 MBit/s	1,7 MBit/s
720p-Video @ 25 B/s	26 MBit/s (130 kByte/Bild)	–	3,8 MBit/s
1080i-Video @ 25 B/s	43,7 MBit/s (218 kByte/Bild)	–	5,4 MBit/s

*Kompressionslevel 10 % und GOV-Länge 8 (bei H.264 und MPEG-4)
Tabelle 1: Kompressionseffizienz der verschiedenen Verfahren und Bandbreitenbedarf

Keine Kompromisse

Betrachtet man die Werte in Tabelle 1, so bietet H.264 im Vergleich zu MPEG-4 Part 2 bei einem Kompressionslevel von zehn Prozent etwa eine doppelt so hohe Kompressionseffizienz. Vergleicht man die Effizienz zu M-JPEG, macht der Unterschied bereits 80 Prozent aus. Die Werte aus der Praxis zeigen, dass man für eine VGA-Videosequenz mit 25 Bildern/Sekunde unter MPEG-4 Part 2 etwa 4,25 MBit/s benötigt und für ein HDTV-Video in 720p unter H.264 eine Bandbreite von 3,8 MBit/s (bei einem 1080i-Video mit 25 Bildern/Sekunde wären es 5,4 MBit/s). Somit bestätigt sich die Aussage, dass man dank H.264 für eine Videoübertragung in HDTV-Qualität in etwa dieselbe Bandbreite benötigt, wie bei einem VGA-Video unter MPEG-4 Part 2. Betrachtet man die Werte bei einem Kompressionslevel von 30 Prozent, so kommt man sogar für ein Video in 1080i in den Bereich der vier MBit/s. Diese Beispiele zeigen klar, dass man heute in der Lage ist, Videos in HDTV-Qualität zu übertragen und zu speichern, ohne dass man tatsächlich Kompromisse im Bandbreiten- oder Speicherbedarf eingehen muss.

Megapixel versus HDTV

Betrachtet man die HDTV-Auflösungen, so sind diese mit zwei Megapixel (1080i/p) und 0,9 Megapixel (720p) in die Liga der Megapixel-Auflösungen einzuordnen. Megapixelfähige Netzwerkkameras gibt es von verschiedenen Herstellern schon länger auf dem Markt und sind demnach nichts Neues. Betrachtet man jedoch diese Lösungen im Detail, so stellt man oft fest, dass teilweise die angebotenen Megapixel-Netzwerkkameras Videoströme mit Bildraten von gerade zwölf bis vier Bildern/Sekunde liefern können – im Vergleich zu den garantierten 25/30 Bildern/Sekunde bei HDTV-fähigen Netzwerkkameras. Der Begriff Megapixel entspricht keinem Standard und ist lediglich ein Synonym für die Anzahl der Pixel, die der Bildsensor beziehungsweise eine Netzwerkkamera liefert. Liegt die Pixelanzahl über der Schwelle von 1.000.000 Pixel, so spricht man von einer Megapixel-Auflösung.

Kamerahersteller neigen oft dazu, ihre Produkte mit dem Begriff „Megapixel“ zu schmücken, ohne auf die Kompromisse in der Bildrate hinzuweisen. Somit wird bei Megapixelkameras dem Käufer abverlangt, sich mit der tatsächlichen Performance der Kamera im Detail auseinanderzusetzen und die erzielbare Bildrate zu prüfen. Dasselbe gilt auch für das Prädikat HD, denn HD-fähige Netzwerkkameras versprechen lediglich die hochauflösende Bilddarstellung aber nicht die Bildrate von 25/30 Bildern/Sekunde. Man sollte also immer darauf achten, dass die Kameras auch die jeweiligen SMPTE-Standards unterstützen.

Vorteil HDTV

Geht man von den üblichen Kriterien für die Projektierung einer Videoüberwachungsanlage aus, die in der klassischen CCTV-Branche angewendet werden, so kann eine analoge Kamera mit einer Auflösung von 704 mal 576 Pixel lediglich eine Szene von 1,73 mal 1,41 Meter darstellen. Bei dieser Szene ergibt sich eine Pixeldichte von etwa vier Pixel pro Zentimeter, wobei dies der Anforderung für Personenidenti- fizierung entspricht, bei der eine Person mit 120 Prozent (1,4 Meter von einer 1,7 Meter großen Person) im Bild dargestellt wird. Verwendet man anstelle der analogen Kamera eine HDTV-fähige Netzwerkkamera mit 1080i/p, so kann man bei gleicher Pixeldichte einen Bereich von 4,71 mal 3,84 Metern abdecken.

HDTV bietet mehr Details durch höhere Aufl ösungen und das Seitenverhältnis von 16:9.

Erster Vorteil der ersichtlich ist, ist die Tatsache, dass die Person in der Höhe vollständig dargestellt werden kann. Des Weiteren lässt sich eine 2,7-fache Bildbreite darstellen, was zum Beispiel bei der Überwa- chung von einem Eingangsbereich eines Warenhauses vorteilhaft wäre. In diesem Fall lässt sich die Anzahl der benötigten Kameras reduzieren und ein wesentlich größerer Bereich abdecken.

Kritiker könnten natürlich fragen, warum man in einem Warenhaus die Szene mit einer Höhe von 3,84 Metern abdecken soll, wenn erwachsene Personen zwischen 1,60 und 1,95 Metern groß sind. Stellt man den Blickwinkel der HDTV-Netwzerkkamera so ein, dass dieser in der Höhe einen realistischen Bereich von 2,20 Metern abdeckt, ergibt sich bei dem Seitenverhältnis von 16:9 eine Breite von 3,91 Metern. Dies ergibt im Vergleich zur analogen Kamera mehr als die doppelte Breite und eine Pixeldichte von fünf Pixel pro Zentimeter, was einer Steigerung in der Detailhaltigkeit von mehr als 50 Prozent und in der Darstellungsbreite von 100 Prozent entspricht.

Es bietet sich natürlich auch an, die HDTV-Kameras so einzusetzen, dass die höhere Pixelanzahl ausschließlich für die Steigerung der Detailhaltigkeit genutzt wird. Dies wäre zum Beispiel in einem Spielcasino vorteilhaft, bei denen man so Manipulationsversuche besser dokumentieren kann. Hier ist zudem die garantierte Bildrate ein Vorteil, welche bei der Darstellung von Bewegungsabläufen wichtig ist. Des Weiteren ist die hohe Detailhaltigkeit bei Personenidentifizierungen entscheidend, welche auf biometrischen Softwarealgorithmen basieren.

HDTV bietet Vorteile bei Video- überwachungslösungen mit An- spruch auf hohe Detailhaltigkeit. (Bild: Axis)

PTZ-Dome-Netzwerkkameras

Immer mehr kommen PTZ-Dome-Netzwerkkameras auf den Markt, die ebenfalls Bilder in HDTV-Auflösung liefern. Diese Kameras überzeugen auf den ersten Blick schon alleine durch ihre brillante Bildqualität. Entscheidend ist hier allerdings auch der technische Vergleich zu den herkömmlichen PTZ-Dome-Kameras, welche mit der 4CIF-Auflösung arbeiten. Denn möchte man mit beiden Kameravarianten einen bestimmten Bereich aus der Ferne darstellen, so benötigt man bei der HDTV-fähigen Variante einen geringeren optischen Zoomfaktor als bei 4CIF. Das Öffnungsverhältnis (F-Zahl) eines Objektivs und die damit verbundene Lichtdurchlässigkeit ist immer von der Brennweite (Zoomfaktor) abhängig – je größer die Brennweite, desto geringer ist die Lichtdurchlässigkeit. Demnach bieten die HDTV-fähigen PTZ-Dome-Netzwerkkameras über den gesamten Zoombereich betrachtet eine bessere Lichtempfindlichkeit, was sich positiv in der Qualität der Bilddarstellung äußert.

HDTV in der Praxis

Natürlich besteht keine Notwendigkeit, einen Videostream von einer Kamera in HDTV-Auflösung abzurufen, um diesen im 5×5-Splittview mit 25 Live-Streams pro Monitor im Kleinbildformat auf den Bildschirm darzustellen. Jedoch ist es vorteilhaft, die Bildspeicherung im Hintergrund mit hochauflösenden HDTV-Bildern zu betreiben sowie im Alarmfall den vollen Bildschirm nutzen zu können und bei der Live-Bildbetrachtung auf die HDTV-Darstellung umschalten zu können. So sind für die spätere Auswertung im Bildspeicher Aufnahmen mit einer hohen Detailhaltigkeit verfügbar und ereignisabhängig auch für die Live-Bildbetrachtung. Für das Abrufen der Videostreams in unterschiedlichen Auflösungen und Bildraten bieten heutige Netzwerkkameras die so genannte Multi-Streaming-Funktionalität. Das heißt, die Videostreams können simultan in unterschiedlichen Auflösungen, Bildraten, Kompressionsraten und Komprimierungsverfah- ren von den Netzwerkkameras abgerufen werden.

Somit lassen sich Szenarien einrichten, bei denen beispielsweise die kontinuierliche Bildspeicherung von HDTV-Bildern via M-JPEG mit einem bis vier Bildern/Sekunde läuft und simultan für die Live-Bildbetrachtung im Splittview ein H.264-Video mit einer Auflösung von zum Beispiel 320 mal 180 Pixel mit 25 Bildern/Sekunde abgerufen wird. Für die Live-Bildbetrachtung wird dann unter H.264 ein HDTV-Stream abgerufen, sobald der Bediener auf eine größere Darstellung oder sogar auf den Vollbildmodus umschaltet. Das Abrufen des Videostreams in HDTV-Darstellung kann natürlich im Alarmfall auch automatisch über die Ereignissteuerung der Netzwerkkamera oder der Videomanagement-Software erfolgen. Auf diese Weise lassen sich IP-basierte Videoüberwachungseinrichtungen realisieren, die hochauflösende Videos zur Verfügung stellen und schonend in der Bandbreitenauslastung sind.

Vertretbare Bandbreiten

Betrachtet man den durchschnittlichen Bandbreitenbedarf anhand des zuvor genannten Beispiels im Detail (siehe Tabelle 2), so ergeben sich für einen Videokanal in Summe für den normalen Betriebsfall ein Bandbreitenbedarf von 3,95 MBit/s und im Alarmfall von 7,8 MBit/s. Diese Bandbreiten stellen in einer heutigen Netzwerk-Infrastruktur keine Herausforderung dar und sind für den praktischen Betrieb durchaus vertretbar. Kritiker neigen fälschlicherweise dazu, den Bandbreiten- bedarf zu hoch anzusetzen, indem sie die maximalen Bandbreiten auf die Anzahl der Videokanäle hochrechnen. Bei dem Beispiel ist jedoch zu berücksichtigen, dass man ja nicht gleichzeitig von der Live- Bildbetrachtung mehrerer Videokanäle ausgehen kann.

Tabelle 2: Beispielkalkulation für den Bandbreitenbedarf eines Videokanals mit hochauflösenden HDTV-Videos (Zum Vergrößern Lupe anklicken)

Heute gibt es bereits viele HDTV-fähige Netzwerkkameras auf dem Markt, die Videoströme in 720p, 1080i und/oder 1080p bei Bildraten von 25 oder 30 Bildern/Sekunde liefern können. Somit stehen heute im Vergleich zu einem 4CIF-Bild die 2,2-fache (720p) oder fünffache (1080i/p) Auflösung zur Verfügung, ohne dass Kompromisse in der Bildrate eingegangen werden müssen – vorausgesetzt, dass die verwendete Netzwerkkamera die jeweils relevanten SMPTE-Standards unterstützt und somit die Bildrate garantiert wird. Es ist zu erwarten, dass es zukünftig HDTV-fähige Netzwerkkameras geben wird, welche 1080p bei Bildraten von 50 oder 60 Bildern/Sekunde liefern, sodass voraussichtlich die nächste Qualitätssteigerung in der Reduzierung der Bewegungsunschärfe von sich schnell bewegenden Objekten liegen wird.

Jörg Rech, Technical Trainer & Consultant bei der Axis Communications GmbH

Weitere Informationen erhalten Sie bei Ihrem Axis Vertriebspartner:
ViSiTec Video-Sicherheit-Technik GmbH

Handbuch der Videoüberwachungstechnik

Dirk Klages / Februar 29, 2012Oktober 6, 2017 / Literatur Videoüberwachung

Handbuch der Videotechnik

Der Verband für Sicherheitstechnik e.V. (VfS) präsentiert auf 223 Seiten sein neues Handbuch der Videotechnik. Mehr als 20 Experten haben ihr Erfahrungswissen und ihre Kompetenz bei der Erstellung eines Sachbuches eingebracht, das den neuesten Stand der Technik wiedergibt, alle relevanten Richtlinien und Normen aufführt und übersichtlich strukturiert, gleichzeitig Nachschlagewerk und Planungshandbuch ist.

(Bild: VfS)

Der Inhalt wurde über einen langen Zeitraum sorgsam recherchiert. Ausgewogenheit und neutrale Qualität der Informationen sowie viele praktische Beispiele machen dieses Handbuch zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel für Sicherheitsverantwortliche, planende Ingenieure, Bauherren, Errichterfirmen und große Anwender. Viele praktische Beispiele und eine klare Sprache erleichtern das Verständnis.

Eine Leseprobe finden Sie hier: Handbuch Videotechnik

Verband für Sicherheitstechnik e.V. (VfS)

Full-HD Video via Koaxialkabel per HD-SDI

Dirk Klages / Februar 27, 2012Oktober 6, 2017 / CCTV neue Technologien, CCTV-Video HD-SDI via Koax, CCTV-Video Produkt News, Hersteller News Video-Security

Fachartikel aus PROTECTOR 11/2010, S. 26 bis 27

Videoübertragung auf SDI-Basis

Koax-Comeback

In vielen Videoanlagen werden heute noch herkömmliche Koaxialkabel eingesetzt, um die Bilder der Überwachungskameras zu übertragen – in der Regel rein analog und damit störanfällig. Als einzige Alternative bot sich bisher nur der komplette Umstieg auf IP-Netze mit Ethernetverkabelung an – samt aller Vor- und Nachteile. Nun ist zusätzlich eine hochwertige, digitale Lösung verfügbar, mit der die traditionelle Verkabelung weiter genutzt werden kann.

(Bild: Aasset)

Digitales Video in Full-HD mit 1080p, in Echtzeit, unkomprimiert und von höchster Qualität, übertragen über eine Standard-Koax-Verbindung – möglich wird dies dank der aus der Fernsehtechnik kommenden Schnittstelle SDI.

Auf Basis dieses „Serial Digital Interface“, das im Zuge der Umrüstung vieler Fernsehsender auf HD populär geworden ist, wurde ein HDcctv-Standard entwickelt, der nun auch in der Sicherheitstechnik Broadcast-Qualität verspricht.

Seriell und digital

Unter der Bezeichnung SDI gibt es mehrere von den TV-Gremien ITU-R und SMPTE verabschiedete Standards für die serielle Übertragung von unkomprimiertem Digitalvideo über Koaxialkabel.

Der SDI-Standard spezifiziert verschiedene Übertragungsraten für unterschiedliche Klassen: Gebräuchlich sind SD-SDI (Standard SD-TV), ED-Auflösung (EDH) und HD-SDI (HD-Auflösung). SD-SDI arbeitet mit einem Farb-Subsampling von 4:2:2 und hat eine Datenrate von 270 Megabit pro Sekunde.

HD-SDI eignet sich für hochauflösendes Fernsehen (HDTV) – der serielle Videostream hat hier eine Datenrate von 1,485 Gigabit pro Sekunde. Im Bereich des digitalen Kinos gibt es noch das DC-SDI (D-Cinema Serial Digital Interface). Diese Schnittstelle ist für unkomprimierte HDTV-Signale ohne Farb-Subsampling (4:4:4) und einer Digitalisierung von zwölf Bit ausgelegt.

Die resultierende Datenrate beträgt 2,97 Gigabit pro Sekunde. Die Übertragung von SDI-Signalen erfolgt über RG-59-Koaxialkabel mit BNC-Steckern und einer Impedanz von 75 Ohm. Die überbrückbare Entfernung liegt bei den Datenraten bis zu 270 Megabit bei 300 Metern, bei höheren Datenraten sind es 100 Meter.

Broadcast meets Security

Nun hält diese Schnittstelle in Form der HDcctv-Variante unter der Bezeichnung GDI (Grundig Digital Image) Einzug in die Überwachungstechnik und hilft hier, grundsätzliche Probleme zu lösen. Bisher mussten Videobilder, die qualitativ über den analogen PAL-Standard hinausgingen, digital über ein Netzwerk übertragen werden – trotz aller hierbei auftretenden Schwächen.

Bei der Verarbeitung von HD-Videosignalen in einem TV-Studio wären Phänomene wie Kompressionsartefakte, Latenz oder Bildraten von weniger als 25 Bildern pro Sekunde nicht zu tolerieren gewesen, weshalb hier eine Übertragung mittels IP-Netzwerk nicht als Option in Betracht kam. Davon können nun auch Anwender in der Sicherheitsbranche profitieren, wenn sie SDI in ihre bestehenden Koax-Infrastruktur implementieren.

Full-HD in Echtzeit

Das Videosignal in einem SDI-System basiert auf Komponenten-Video, hier werden die Helligkeit des Bildes und seine zwei Farbkomponenten separat codiert und seriell übertragen. Dies geschieht bei 1080p-Auflösung mit einer hohen Datenrate von bis zu 1,5 Gigabit pro Sekunde.

Das Bild liegt dabei im 16:9 Breitbildformat vor, so dass bei der Verwendung von hochauflösenden Full-HD-Monitoren in diesem Seitenverhältnis keine schwarzen Balken entstehen und keine bildverschlechternde Skalierung notwendig sind.

Dank der hohen Bandbreite ist außerdem noch Spielraum für zusätzliche digitale Daten: So können Signale für das Auslösen von Alarmen oder zur PTZ-Steuerung problemlos in Echtzeit im gleichen Kabel übertragen werden. Dadurch wird etwa Personentracking mit einem Full-HD-PTZ-Dome ohne lästige Latenz ermöglicht.

SDI/GDI eignet sich daher am besten für Anwendungen, in denen eine Live-Überwachung der Videos mit exzellenter Bildqualität gebraucht wird. Als Beispiel seien Massenveranstaltungen genannt, bei denen die Sicherheitskräfte unmittelbar eingreifen müssen. Auch für Fußballstadien, Casinos, Bahnhöfe und Flughäfen ist das System prädestiniert, da sich dank der hohen Qualität und der Echtzeitsteuerung Personen gezielt verfolgen und identifizieren lassen.

Ohne IT-Hürden

Einer der Vorteile der Technik ist, dass die HD-Videosignale nicht in TCP/IP-Container verschachtelt werden müssen. So ergibt sich keine Notwendigkeit, auf ein Netzwerksystem umzusteigen, um die Grenzen des PAL-Standards zu überwinden.

Errichter benötigen zudem keine IT-Kenntnisse, um ein SDI-System zu installieren – denn in der komplexen IT- und Server-Technik lag für viele immer noch ein Hinderungsgrund für den Umstieg auf IP-Systeme. Vielmehr ist SDI eine Punkt-zu-Punkt-Lösung, die sich durch einfachste Installation auszeichnet.

Damit kommt es der traditionellen Arbeitsweise von Errichtern sehr nahe: Sie tauschen einfach die existierenden CCTV-Kameras und Videorecorder gegen SDI-Geräte aus. Das bringt auch einen Gewinn in Sachen Sicherheit. Die Übertragung zwischen den Geräten kann nicht manipuliert werden; es gibt keine Anfälligkeiten für „Sniffing“, wie es bei der Netzwerkübertragung häufig der Fall ist.

Dennoch lässt sich – falls benötigt – eine Anbindung an ein Netzwerk herstellen. Am einfachsten geschieht das nach dem DVR, wo die Signalkompression und Bildbearbeitung stattfindet. Dies geschieht – anders als bei IP-Modellen – bewusst nicht in der Kamera, damit die SDI-Geräte längere Zeit installiert bleiben können ohne zu veralten.

Erfreulicherweise passt jede SDI-Kamera in jegliche SDI-Infrastruktur, so dass man sich wegen Kompatibilitätsproblemen nicht den Kopf zerbrechen muss – der SMTP-Standard garantiert die Zusammenarbeit. Dies kann letztlich nicht nur Zeit sondern auch Geld sparen.

Lebendige Entwicklung

Der HDcctv-Standard auf SDI-Basis ist nun in der Version V1.0 verfügbar, wird aber künftig noch weiterentwickelt und an die speziellen Bedürfnisse der Überwachungstechnik angepasst.

Dabei kooperiert die extra gegründete HDcctv-Alliance mit dem Broadcast-Gremium SMPTE. Zu den Anpassungen zählen bidirektionale Audioübertragung und die Verwendbarkeit von Kabeln über 300 Metern Länge. Für die Zukunft sind weitere Ergänzungen geplant. Darunter auch eine integrierte Spannungsversorgung über das Koaxialkabel, die den Installationsaufwand reduziert.

Informationen zu Preisen und Verfügbarkeit erhalten Sie bei Ihrem AASSET Vertriebspartner:
ViSiTec Video-Sicherheit-Technik GmbH