دستگاه ضبط دیجیتال در سیستم نظارت تصویری

مقدمه
بعد از آنکه دوربین فرکانس های تصویری را از طریق کابل یا بصورت بی سیم به اتاق کنترل فرستاد ما نیاز به دستگاهی داریم که بتواند این تصاویر را ذخیره کند. تهیه آرشیوی از تصاویر و اتفاقات از مهم ترین اهداف یک سیستم امنیتی نظارت تصویری است. اولین نمونه دستگاه هایی که برای ضبط تصاویر دوربین های مداربسته بکار رفت دستگاه  تایم لپس time lapse VCR recorder بود  تایم لپس ها همان دستگاه های ضبط آنالوگ روی کاست ویدیوئی VCR=videocassette recorder بودند. تنها مزیت آنها ضبط و آرشیو وقایع بود که در آن زمان تنها راه حل ضبط تصاویر استفاده از چنین دستگاه هایی بود و از جمله معایب اصلی آن ها این بود که تنها 3 ساعت می توانستند ریل تایم Real Time تصاویر را ضبط کنند البته معروف بود که این دستگاه ها می توانند 960 ساعت مداوم روی یک کاست ویدیوئی ضبط داشته باشند اما نمی گفتند که تصاویر ضبط شده تنها 1 الی 4 فریم در ثانیه است یعنی تصاویر بصورت عکس و ناپیوسته یا همان snapshot بودند. همه این معایب باعث شد تا با همه گیر شدن کارت های کپچر ویدیوئی Video Capture Card بر روی کامپیوترها از این کارت ها برای ضبط و آرشیو تصاویر دوربین های مداربسته استفاده گردد از مزایای اصلی آن می توان به عدم محدودیت در ضبط و نیز سهولت در یافتن تصاویر ضبط شده اشاره کرد. این کارت ها اولین نمونه دستگاه های ضبط تصاویر دیجیتالی بر پایه استفاده مستقیم از کامپیوتر PC based DVR بودند. بعد از آن نیز دستگاهی بدون نیاز به کامپیوتر Stand-alone DVR ساخته شد. این دستگاه ها قابلیت ضبط تصاویر بر روی هارد دیسک هایی با حجم های مختلف را داشته روز به روز بر قابلیت های جانبی آن ها افزود می شود.

 DVR چیست؟
Digital Video Recorder دستگاهی است که تصاویر را بصورت دیجیتال بر روی حافظه های دیجیتال، مانند  هارددیسک یا کارت های حافظه فلش  flash memory card ذخیره می‌کند که با افزایش ظرفیت و کاهش قیمت این نوع از حافظه ها، امروزه سیستم های DVR توانایی ضبط زمان بیشتری از تصاویر را در مقایسه با ضبط کننده ‌های آنالوگ (VCR) که امکان ذخیره تصاویر بر روی کاست‌های ویدئویی را داشتند، فراهم می آورند.

Pc Based DVR

سیستم فوق بصورت یک برد الکترونیکی قابل نصب بر روی پورت PCI  کامپیوتر می باشد این کارت ها عمل تبدیل تصاویر از آنالوگ به دیجیتال و با استفاده از نرم افزارهای مخصوصی Pc Based Dvr Software ذخیره و طبقه بندی تصاویر با فرمت های ویدئویی در کامپیوتر را بر عهده دارد. کارتهای فوق در بازار بسیار متنوع بوده و به نسبت گستردگی سیستم دوربین مداربسته از کارتهای متنوعی استفاده می گردد.

کارت های  DVR بصورت 4 کاناله 8 کاناله 16 کاناله و 32 کاناله در بازار موجود می باشد که منظور از کانال تعداد ورودی های تصویر می باشد که این کارت امکان دریافت n خط تصویر را از ورودی های خود دارا می باشد.

در کارتهای فوق کیفیت تصاویر ضبط شده و تعداد فریم هایی که از هر تصویر میتواند بگیرد دارای اهمیت می باشد.

نرم افزار های متنوعی در بازار موجود می باشد که میتوانند با انواع مختلف کارت های DVR  کار کنند و کلیه امکانات مورد انتظار از یک سیستم نظارت تصویری در داخل این نرم افزار ها تعبیه شده است از قبیل انتقال تصاویر از طریق شبکه یا خط تلفن - خروجی های دیجیتالی برای استفاده از سایر دستگاه های امنیتی - قابلیت ضبط بصورت (Motion Detection) - نقشه الکترونیکی و ...

در سیستم فوق وجود یک کامپیوتر با منابع ذخیره بالا و قدرت پردازنده بالا مورد نیاز می باشد.

Stand-alone DVR

وجود کامپیوتر در استفاده از کارت های DVR چند عیب داشت اول اینکه استفاده از آن نیاز به اپراتور آموزش دیده داشت و امکان کار با آن برای همه فراهم نبود و دوم امکان هنگ کردن در هر لحظه برای کامپیوتر وجود داشت و سوم اصلا این همه امکاناتی که کامپیوتر به ما می دهد در این سیستم احتیاجی به آن نبود پس دستگاهی ساخته شد که با استفاده از سیستم عاملی مانند لینوکس بتواند تنها اعمال محدود به ضبط و طبقه بندی و سایر امکانات مربوط به یک سیستم ضبط مداربسته را انجام دهد. نکته جالب در پیشرفت و ارزان تر شدن این دستگاه ها استفاده از سیستم عامل کد باز لینوکس بوده زیرا شرکت های تولید کننده هزینه ای بابت استفاده از این سیستم عامل نپرداخته اند. این نوع دستگاه ها دارای قابلیت های زیادی هستند که در ادامه به آن اشاره خواهد شد.

فاکتورهای مهم در انتخاب DVR
بر اساس کاربرد در پروژه های مختلف فاکتور هایی که در انتخاب سیستم DVR موثر می باشند عبارتند از :
• تعداد دوربین‌های قابل پشتیبانی
• نرخ فریم در ثانیه (fps)
• فناوری فشرده‌سازی تصویر
• ظرفیت حافظه های مورد پشتیبانی
• قابلیت کنترل از راه دور
• قابلیت تشخیص حرکت
(motion detection)
• توانایی زمانبندی (scheduling)
• توانایی ضبط تصاویر روی CD یا DVD توسط CD/DVD Burner به عنوان نسخه‌های پشتیبان
• قابلیت اتصال حافظه‌های Flash
که در ادامه به بررسی برخی از فاکتور های فوق می پردازیم .

تعداد دوربین‌های قابل پشتیبانی

ورودی تعداد دوربین به دستگاه DVR را با تعداد کانال مشخص می کنند  تعداد ورودی های متفاوت برای دوربین‌ها وجود دارند که بطور متعارف نمونه‌هایی از 4 کانال تا 64 کانال تولید می شود .
 

نرخ فریم در ثانیه (fps)

فاکتور فریم در ثانیه، تعداد تصاویری است که DVR می‌تواند در هر ثانیه ضبط کند، این فاکتور که در اغلب موارد در پی فاکتور تعداد دوربین های مورد پشتیبانی بیان می گردد، در حقیقت کل تصاویری که قابل ذخیره توسط سیستم می باشد را عنوان می نماید که برای تعیین fps برای هر کانال دوربین،fps  کلی سیستم را بر تعداد دوربین‌ها تقسیم می کنیم .
 مثال: یـک DVR با fps برابر 120fps  و با هشت کانال 8ch دوربیـن ورودی را در نظر بگیرید، چنین سیستمی 15fps بـرای هـر دوربین را پشتیبانی خواهد نمود .
 نکته: در سیستم های PAL حداکثر 25 فریم در ثانیه و در سیستم های NTSC حداکثر 30 فریم در ثانیه قابل پشتیبانی میباشد، که با چنین نرخی، تصاویر بصورت کاملا متحرک یا Full Motion به نظر خواهند رسید.
بنابراین برای حفاظت از اماکن حساس که نیازمند ذخیره تمامی تصاویر دریافتی از سنسور CCD دوربین را دارند، سیستمی با نرخ فریمی برابر 25 در سیستم PAL و برابر 30 در سیستم  NTSC، مناسب خواهد بود، بدین ترتیب هیچ فریمی از دید ناظر سیستم، مخفی نخواهد ماند و این در حالی است که چنین سیستمی با عملکردی در حداکثر نرخ فریم و کیفیت تصویر، داده هایی با حجمی بالا را تولید نموده که در پی آن حافظه بسیار بزرگتری را برای ذخیره تصاویر نیازمند خواهد بود.
بنابراین در صورتی که 8 دوربین در نواحی بسیار حساس داشته باشیم، انتخاب یک DVR با قابلیت اتصال 8 دوربین به آن و با توانایی نرخ فریمی برابر با 200 در سیستم  PAL، انتخاب بسیار خوبی برای شرایط مذکور می باشد .
نکته دیگری که در خصوص انواع سیستم ها در کنار تفاوت کدگذاری رنگ در آنها، مهم به نظر می رسد تعداد خطوط تصاویر در هر سیستم می باشد، سیستم PAL با وجودی که حداکثر 25 فریم در ثانیه را پشتیبانی میکند اما در هر فریم امکان نمایش 625 خط را فراهم می آورد که در مقایسه با سیستم NTSC با حداکثر نرخ 30 فریم در ثانیه و 525 خط در هر فریم، سیستم  PAL تفکیک پذیری یا همان Resolution بیشتری را ارائه خواهد داد .
بنابراین در انتخاب نوع دوربین و DVR هماهنگ با آن از نقطه نظر نوع سیستم، باید دقت کافی را لحاظ نمود در غیر این صورت تصاویر یا قابل نمایش نبوده و یا با وجود استفاده از دوربین رنگی، تصاویر بصورت سیاه و سفید نمایش خواهند یافت .
 

ساختار های فشرده سازی در سیستم های  DVR
سیستم های DVR بسته به کاربرد، ساختارهای متفاوتی را پشتیبانی می نمایند که عبارتند از :
• Mjpeg
• Mpeg I
• Mpeg II
• Mpeg 4
• H.264

توالی تصاویر متحرک در ساختار MJPEG
ساختار Mjpeg که در آن رنگ های یک تصویر با توجه به شباهتی که در یک محدوده دارند، بر مبنای Tolerance داده شده، به یک رنگ تبدیل شده و در واقع با فرمت متداول JPEG کد می شوند و سپس با توجه به نرخ فریم تعیین شده ، تصاویر Jpeg  برای ایجاد تصاویر متحرک در کنار هم ذخیره و یا ارسال میگردند (شکل 1).
این ساختار به دلیل سادگی در کدگذاری و کدگشایی در دوربین ها و سیستم های نظارت از راه دور از طریق سایت های وب، بسیار متداول میباشد .
سیستم هایی که فقط از این ساختار پشتیبانی می کنند هزینه به مراتب پایین تری نسبت به دیگر سیستم ها خواهند داشت و اغلب چنین تجهیزاتی در کاربرد های تبلیغاتی مانند نمایش خیابان ها و دانشگاه ها از طریق اینترنت مورد استفاده قرار می گیرند .
اما از آنجا که در چنین سیستم هایی ، فشرده سازی ساده ای صورت می پذیرد، تصاویری با حجمی بالا برای ذخیره سازی ایجاد می گردند که سازندگان این سیستم ها برای غلبه بر این مشکل عموما نرخ فریم در ثانیه و یا کیفیت تصاویر را کاهش می دهند بنابراین استفاده از چنین سیستم هایی در کابرد های نظارتی و امنیتی پیشنهاد نمی گردد .
درساختار MpegI بعد از کد گذاری تصاویر با فرمتی مشابه Jpeg برای بدست آوردن تصاویر متحرک اولین تصویر در گروه تصاویر یا Group Of Pictures (GOP) را ذخیره نموده و در فریم های دیگر فقط تغییرات ذخیره می گردند.

توالی تصاویر متحرک در ساختار Mpeg
بنابراین نرخ فشرده سازی در این ساختار بسیار بیشتر از ساختار MJpeg خواهد بود .
ساختار  Mpeg II که شبیه ساختار Mpeg I میباشد به دلیل نیاز به کیفیتی بالاتر نسبت به Mpeg I بوجود آمد و اغلب کاربرد های تصویر برداری سینمایی و پزشکی دارد که با توجه به تفکیک پذیری بالای تصاویر دیجیتال شده، ابن ساختار توانایی بیشتری در خصوص بزرگ نمایی دیجیتال خواهد داشت ، اما نرخ پهنای باند بیشتری را نیز برای انتقال تصاویر به خود اختصاص خواهد داد .
رسانه متداول برای این ساختار به دلیل نرخ بالای اطلاعات کد شده،DVD  بوده که در نتیجه عموماً این ساختار در کاربرد های مخابره راه دور تصاویر و اینترنت توصیه نمی گردد .
ساختار Mpeg 4 بر مبنای اینکه دیدی شیئ گرا و متفاوت با آنچه گفته شد به تصاویر دارد، فشرده سازی بیشتری را به ارمغان آورده است .

H.264
H.264 از این فرمت فشرده سازی برای ضبط در دستگاه های جدید استفاده می شود این فرمت نمونه پیشرفته استاندارد های پیشین و با کیفیت بالاتر و bit rate پایین تر می باشد. در مقایسه با استاندارد Mpeg 4 حجم کمتری برای  ذخیره تصاویر اشغال می کند.

H.264 در رقابت با Mpeg 4

فرمت فشرده سازی جدید H.264 مزایایی دارد که باعث شده در برابر فرمت Mpeg 4 ترجیح داده شود.

این فرمت حدود 50% کمتر فضای هارد را اشغال می کند.

هزینه ذخیره سازی را کاهش داده.

کنترل تصاویر و مرور آنرا آسان ساخته.

سرعت بالایی در پخش روی اینترنت دارد.

H.264 Compression Vs MPEG4 

The new H.264 Video Compression is by far superior to the older MPEG4

Ideal CCTV highly recommends H.264 because:

• It saves almost 50 % of Hard Disk Space

• It reduces storage cost

• Greatly improves Remote Monitoring and View over the Web- Applications

• Faster internet streaming

ساختار فشرده سازی صدا در دستگاه های DVR معمولاً با دو فرمت MP3 یا AC3 می باشد.

اندازه تصویر قابل ضبط

استاندارد رزولوشن تصویر در این سیستم ها نیز اندازه های مختلفی دارد که در زیر به آن اشاره می شود.

از جمله استاندارهای سایز تصویری مورد استفاده در دستگاه های DVR  امروزی 2 استاندارد CIF و D1 می باشند .

 نکته: فقط کافی است بدانید که استاندارد D1 سایز تصویر full resolution  بحساب می آید و اینکه فرمت CIF، 1/4 (یک چهارم) سایز تصویر در استاندارد D1 می باشد.