Szukając odpowiedniego dla nas lub naszych klientów systemu cyfrowej rejestracji wykorzystującego komputerowe karty do przechwytywania obrazu, najczęściej kierujemy się podstawowymi informacjami o liczbie obsługiwanych kamer i ich rozdzielczościach, a także szybkości przechwytywania obrazu. Często wówczas ulegamy naturalnej pokusie sięgnięcia po karty charakteryzujące się najwyższymi parametrami. Ważne jest jednak, aby upewnić się, czy podawane przez producenta możliwości karty mogą mieć zastosowanie w warunkach, w jakich będzie pracował zbudowany na jej bazie rejestrator obrazu. Zazwyczaj bowiem okazuje się, że chociaż urządzenie faktycznie jest w stanie pracować zgodnie z podanymi w specyfikacji ustawieniami, to jego praca jest ograniczona możliwościami pozostałych podzespołów rejestratora.
Wyższa rozdzielczość
Wyższa rozdzielczość obrazu umożliwia zarejestrowanie większej liczby szczegółów, dokładniejsze odwzorowanie obserwowanego obiektu i zachodzących na jego terenie zdarzeń. Wysoka rozdzielczość pozwala na odczytanie numerów rejestracyjnych samochodów, dokładne rozpoznanie twarzy obserwowanych osób, zapewni też większą dokładność detekcji ruchu. Oczywisty zatem wydaje się wybór karty przechwytywania obrazu, która pracuje w jak najwyższych rozdzielczościach. Decydując się jednak na kartę pracującą w rozdzielczościach takich jak 640x480 lub 704x576 pikseli, należy koniecznie pamiętać o pewnych istotnych faktach.
Po pierwsze, chociaż karta pozwala na przechwytywanie obrazu z takimi parametrami, to najczęściej obraz ten nie spełni naszych oczekiwań, gdyż większość oferowanych na naszym rynku urządzeń uzyskuje takie rozdzielczości jedynie przy zastosowaniu tzw. przeplotu obrazu (ang. interlace). Technologia przeplotu pojawiła się wraz z pierwszymi odbiornikami telewizyjnymi w latach dwudziestych XX wieku. W skrócie polega ona na naprzemiennym wyświetlaniu linii parzystych i nieparzystych przechwytywanego obrazu w celu pozornego zwiększenia jego rozdzielczości. O ile mechanizm ten działa w miarę poprawnie w przypadku analogowych odbiorników, to po konwersji do postaci cyfrowej obraz staje się niemal całkowicie bezużyteczny. Półobrazy składające się na pojedynczą klatkę nie są bowiem tworzone w tym samym czasie, lecz część linii (np. parzystych) pochodzi z wcześniejszego przebiegu. Po „złożeniu" wszystkich linii widoczne jest przesunięcie poszczególnych elementów obrazu względem siebie, szczególnie łatwe do zaobserwowania w trakcie bardzo szybkiego ruchu. Efekt ten wpływa na rejestrowany obraz na tyle niekorzystnie, że niweluje niemal wszystkie zalety związane ze stosowaną wyższą rozdzielczością. Dobrym kompromisem wydaje się użycie przez producentów niektórych kart do cyfrowej rejestracji obrazu rozdzielczości „panoramicznych", takich jak 640x240 lub 704x288, w których klatki przechwytywane są w jednym przebiegu jako pełne obrazy. Podczas wyświetlania zarejestrowanego w ten sposób materiału, dołączone do karty oprogramowanie wyświetla podwójnie linie pionowe, dając w efekcie całkiem poprawny obraz w rozdzielczości 640x480 lub 704x576.
Drugą bardzo ważną kwestię stanowią wymagania sprzętowe, które musi spełnić system pracujący w tak wysokich rozdzielczościach. Pojedyncza klatka obrazu przechwyconego w rozdzielczości 640x480 pikseli w 16-bitowej głębi kolorów (taki tryb stosują niemal wszystkie karty) zajmuje 600 kB. Dla przechwycenia obrazu z 16 kamer potrzebujemy zatem 9,6 MB wolnej pamięci RAM na karcie graficznej. Możemy dodać do tego blisko 14,4 MB, które wykorzystuje przeglądarka zapisanych zdarzeń (zapisane klatki zazwyczaj posiadają 24-bitową głębię koloru, dlatego pojedyncza klatka w rozdzielczości 640x480 zajmuje po zdekompresowaniu 900 kB, co w przypadku 16 kamer daje wynik 14,4 MB). Biorąc pod uwagę to, że zarówno system operacyjny, jak i inne działające w systemie aplikacje również korzystają z zasobów karty graficznej, minimum pamięci RAM, w jaką musi być wyposażona nasza karta graficzna, to 32 MB. Dla bezpieczeństwa warto jednak wybierać modele nawet 64 MB. A to przecież dopiero początek naszych obliczeń. Również rejestrator musi zostać wyposażony w dużą ilość pamięci operacyjnej RAM; przechwytywane klatki są bowiem gromadzone w systemie do różnych celów (np. detekcja ruchu, kompresja obrazu, transmisja przez sieć itp.). Stosowanie wysokiej rozdzielczości dla wszystkich kamer skutecznie zwiększa zapotrzebowanie oprogramowania na ilość pamięci. Praca w maksymalnych rozdzielczościach wymaga co najmniej 256 MB pamięci RAM, warto jednak wówczas umieścić w rejestratorze nawet 512 MB. Jeżeli chcemy podczas rejestracji obrazu pracować także z innymi aplikacjami, koniecznie musimy wziąć pod uwagę opisane powyżej kwestie związane z wymaganiami sprzętowymi. Może się okazać, że wystarczy obniżenie parametrów rejestracji, by system osiągnął pełną stabilność - bez konieczności dodatkowych inwestycji w nowe podzespoły komputera.
Większa szybkość przechwytywania obrazu
Duża prędkość przechwytywania obrazu także sprzyja rejestracji większej ilości szczegółów, pozwala na lepszą analizę zapisanego materiału oraz zwiększa komfort pracy osoby obsługującej rejestrator (np. sterowanie kamerami PTZ). W niektórych przypadkach stosowanie dużej prędkości rejestracji jest wręcz warunkiem jej użyteczności. Zapis wydarzeń na autostradzie wymaga stosowania minimum 12 klatek na sekundę dla każdej z kamer. W przypadku mniejszej liczby klatek na sekundę rejestracja nie byłaby możliwa, z powodu prędkości, z jaką poruszają się pojazdy. Dlatego nie wahamy się stosować urządzeń przechwytujących obraz z prędkością 200 i więcej klatek na sekundę. Poszukując jednak takiego rozwiązania, musimy koniecznie ustalić, czy przechwycony obraz jest poddawany kompresji sprzętowej (tzn. przez kartę do cyfrowej rejestracji wideo), czy też kompresji programowej przez dołączoną do karty aplikację. Ta druga opcja jest z prostej przyczyny mniej korzystna - obecnie żaden system stosujący programową kompresję obrazu nie jest w stanie zarejestrować dwustu klatek na sekundę w wysokiej rozdzielczości, np. 640x480 pikseli. Wynika to z przepustowości szyny PCI, która wynosi teoretycznie około 133 MB/s, w praktyce natomiast jej wielkość jest skutecznie ograniczona do około 60~70 MB/s. Z zasobów szyny korzystają bowiem także kontrolery dysków twardych oraz inne urządzenia w komputerze (np. karta dźwiękowa).
Przyjmując dane z poprzednich obliczeń: jedna klatka 640x480 pikseli zajmuje 600 kB, jest dwieście klatek, zatem daje to w sumie 120 MB danych, które muszą w ciągu sekundy zostać przetransferowane przez szynę PCI, której przepustowość waha się w granicach wspomnianych 60 MB! Efekt takich ustawień będzie oczywisty - niepoprawna rejestracja obrazu objawiająca się nakładaniem kilku obrazów na jedną klatkę, zakłóceniami w obrazie (zielone bądź purpurowe piksele), znikaniem obiektów z obrazu itp. Skutecznym remedium na powyższe objawy jest obniżenie rozdzielczości przechwytywanego obrazu do np. 320x240 pikseli, co pozwoli na przechwycenie obrazu ze wszystkich 16 kamer z prędkością łączną 200 klatek na sekundę. Otrzymana wielkość materiału będzie wynosić 30 MB, a z taką ilością danych szyna PCI już sobie poradzi. Jednak nawet w takim przypadku zastosowanie aktualnie najpopularniejszego formatu kompresji MPEG4 do wszystkich dwustu przechwyconych w ciągu sekundy klatek przewyższałoby możliwość obliczeniową wysokiej klasy komputerów PC. Szybkość przechwytywania obrazu jest bowiem nierozerwalnie związana z mocą obliczeniową tworzonego systemu.
Znając powyższe fakty możemy precyzyjnie ustalić, jakie wymagania należy postawić karcie przechwytywania obrazu. Jeśli prędkość rejestracji oraz wysoka rozdzielczość jest najważniejsza, musimy zdecydować się na droższe rozwiązania wykorzystujące sprzętową kompresję obrazu.
Dłuższy Czas Rejestracji
Rozdzielczość oraz liczba klatek na sekundę ma fundamentalne znaczenie dla jakości obserwowanego obrazu. Zalety wynikające z zastosowania wysokiej rozdzielczości oraz dużej prędkości rejestracji mogą jednak zostać zaprzepaszczone przez zastosowanie zbyt dużego poziomu kompresji. Wiele nowych kart charakteryzuje się wysokim współczynnikiem kompresji dzięki zastosowaniu algorytmu MPEG4, którego wyższość nad innymi algorytmami jest widoczna szczególnie podczas rejestracji z dużymi prędkościami, na co wpływ ma zastosowanie klatek kluczowych, pośrednich i prognozowanych. Podczas pracy z dużą liczbą kamer oraz przy wysokich rozdzielczościach zdarza się, że system nie nadąża z kompresją, niejako „gubiąc" niektóre z klatek. Sytuacja ta, wraz z dążeniem producentów kart do używania jak największej akceptowalnej kompresji, powoduje, że jakość zapisanego materiału jest bardzo słaba, a stosowanie wysokich rozdzielczości jest wówczas bezcelowe. Dlatego też warto sięgać po rozwiązania umożliwiające użytkownikowi kontrolę nad jakością rejestrowanego materiału.
Warto także wspomnieć o informacjach dotyczących długości czasu rejestracji, podawanych przez producentów kart. Zazwyczaj podawane są one dla najniższej rozdzielczości przy zastosowaniu najmniejszej możliwej prędkości przechwytywania. Dlatego też łatwo możemy wpaść w marketingową pułapkę, licząc na to, że system pozwoli nam np. na zapis zdarzeń do roku wstecz na niewielkich pojemnościowo dyskach. Musimy koniecznie uzyskać informację, jaka jest szacunkowa wielkość pojedynczej klatki w rozdzielczości, którą zamierzamy zastosować we własnym systemie, i na podstawie tej informacji ustalić, jaką pojemność dysków musimy zastosować.
Szukając nowych rozwiązań wśród oferowanych obecnie na rynku komputerowych kart do przechwytywania obrazu, należy pamiętać o opisanych powyżej ograniczeniach, których nie jest aktualnie w stanie pokonać żaden dostępny produkt. Oczywiście istnieją rozwiązania, które są tych ograniczeń pozbawione (poprzez zastosowanie kompresji sprzętowej czy też nowych przetworników obrazu), jednak są one wciąż relatywnie drogie w porównaniu do dostępnych na naszym rynku rozwiązań klasycznych (bazujących na obróbce obrazu w systemie komputerowym). Można wiązać pewne nadzieje z technologią PCI Express, która umożliwia transfer znacznie większej ilości danych niż standard PCI. Do czasu pojawienia się pierwszych rozwiązań wykonanych w nowej technologii musimy jednak bacznie zwracać uwagę na to, co zamierzamy kupić.
Marcin Gierszner
Zabezpieczenia 1/2006