Digitale Videoüberwachung - Zusatznutzen der IT-Technik für die Videoüberwachung
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| Name des Autors : | René Frank |
| Titel der Arbeit: | "Digitale Videoüberwachung - Zusatznutzen der IT-Technik für die Videoüberwachung" |
| Hochschule und Studienort: | Fachhochschule für Ökonomie und Management Essen |
Inhaltsverzeichnis |
1 Abkürzungsverzeichnis
| Abkürzung | Bedeutung |
|---|---|
| AP | Access Point |
| CCTV | Closed Circuit Television |
| DFÜ | Datenfernübertragung |
| FPS | Frames per Second |
| FTP | File Transfer Protocol |
| GoP | Group of Pictures |
| JPEG | Joint Pictures Experts Group |
| MPEG | Motion Pictures Experts Group |
| NTSC | National Television Systems Committee |
| OPC | Object Linking and Embedding for Process Control |
| PAL | Phase Alternating Line |
| PDA | Personal Digital Assistent |
| PoE | Power over Ethernet |
| PTZ | Pan Tilt Zoom |
| SAN | Storage Area Network |
| SOAP | Simple Object Access Protocol |
| UMTS | Universal Mobile Telecommunications System |
| WLAN | Wireless Local Area Network |
2 Abbildungsverzeichnis
| Abb.-Nr. | Abbildung |
|---|---|
| 1 | Schematischer Aufbau einer Netzwerkkamera , Quelle: www.axis.com |
| 2 | MPEG4 Kompression, Quelle: urscom GmbH |
| 3 | GOP Struktur, Quelle: urscom GmbH |
| 4 | Kennzeichenerkennung, Quelle: urscom GmbH |
3 Einführung
Die Technik der Videoüberwachungsanlagen befindet sich im Umbruch. Eine Ablösung von klassischen analogen, meist properitären, Systemen durch digitale Systeme mit standardisierten Kommunikations- und Integrationsschnittstellen ist zu beobachten. Die Nutzung von klassischer Informationstechnologie für die Videoüberwachung stellt einen enormen Zuwachs an Funktionalität dar, so zum Beispiel durch den Zusammenschluss von ehemals eigenständigen properitären analogen Systemen, wie eine Brandmeldeanalge, Einbruchmeldeanlage und anderen Systemen.[1] Standardisierte Schnittstellen, wie OPC oder SOAP, ermöglichen das Einbinden dieser Systeme, beispielsweise Zutrittskontrollsysteme oder eine LKW-Waage auf einem Recyclinghof. Die Evolution zu komplett digitalen Systemen findet über die Zwischenstufe der hybriden Systeme statt, die noch über analoge Komponenten verfügen. In diesen hybriden Systemen werden die Videos analoger Kameras durch Video-Encoder digitalisiert oder die Digitalisierung findet erst auf Digitalvideorecordern statt.
4 Netzwerkkameras
"Digitale CCTV-Kameras sind Kameras, die Bewegtbilder in für CCTV-Zwecke geeigneter Form komprimieren und auf einer Netzwerkschnittstelle mittels IP-basierter Bildübertragungs-Protokolle zu Netzwerkempfängern übertragen."[2]
Netzwerkkameras verfügen über eine Ethernetschnittstelle (RJ45) und werden über eine IP-Adresse angesteuert. Sie sind eine eigenständige Netzwerkkomponente und sind keine Peripheriegeräte wie eine Webcam oder ein Drucker. Sie können über das Ethernet Video- und Audiodaten liefern sowie mit PTZ-Daten zur Steuerung versorgt werden, des Weiteren können ausgewählte Netzwerkkameras auch über das Ethernet mit der Betriebsspannung versorgt werden (PoE).
„Hier wird allein schon die Kamera ein in sich geschlossenes Mini-CCTV-System bilden, welches einen großen Teil der Funktionalität der heutigen Zentraltechnik hybrider Systeme übernehmen wird.“[3]
Diese Aussage zeigt schon den Gewinn an Funktionalität durch Netzwerkkameras; welche durch einen eigenen Prozessor und implementierte Software bzw. Plug-Ins zusätzliche Aufgaben, wie eine Bewegungsdetektion durch entsprechende Algorithmen wahrnehmen können. Es gibt bereits Softwarehersteller die solche Plug-Ins für Netzwerkkameras vertreiben.[4] In analogen Systemen wurde diese Aufgabe durch eine dedizierte Hardware übernommen.
Mit den zusätzlichen Funktionen, die das Betriebssystem (Firmware) der Kameras zur Verfügung stellt, wie zeitgesteuertem Upload von Einzelbildern via FTP, bringen sie viel zusätzliche Funktionalität.
Derzeit sind schon Netzwerkkameras mit einer Auflösung von 16 Megapixel verfügbar.[5] Analoge CCTV-Kameras liefern ein Ausgabesignal gemäß der Videonorm PAL oder NTSC, wobei hier die maximale Auflösung nach der Digitalisierung maximal 0,4 Megapixel entspricht, beziehungsweise im CIF-Format verringert sich dies sogar um ein Viertel.[6]
5 Videokompression
Ohne effektive Komprimierung wäre die Übertragung von Bild- bzw. Videodaten über eine Netzwerk nicht möglich; schon bei relativ wenigen Kameras wäre die Bandbreite erschöpft. Daher müssen diese komprimiert werden. Im folgenden Abschnitt werden die gängigsten Komprimierungsverfahren kurz vorgestellt.
5.1 Motion-JPEG
JPEG ist eine durch die Joint Photographic Experts Group (JPEG) entwickelte Komprimierung von (Einzel-)Bildern. Mit dieser Komprimierung können bis zu 16,7 Millionen Farben dargestellt werden und ist daher besonders gut für Fotomaterial geeignet. Die Abspeicherung erfolgt in verschiedenen Kompressionsstufen. Motion-JPEG (M-JPEG) ist eine Bildfolge von JPEG-Bildern, wobei der Betrachter ab einer Bildrate von 16 fps (16 Bilder pro Sekunde) die Bildfolge als vollständig bewegte Bilder empfindet. Da jedes Bild ein vollständig komprimiertes Bild ist, ist die Qualität bei allen Bildern gleich. Die einzelnen Bilder einer Sequenz sind ohne Kenntnis ihrer Vorgänger bzw. ihrer Nachfolger nutzbar[7].
5.2 MPEG4
MPEG ist eines der bekanntesten Audio- und Videostromverfahren; es wurde durch die Motion Picture Experts Group entwickelt. Das Grundprinzip besteht im Vergleich einer Bildfolge, das erste Bild wird als Bezugsgröße (I-Frame) genutzt, wobei in den folgenden Bildern die Differenzen zum vorhergehenden Bild kodiert werden. Das Referenzbild, genannt I-Frame, ist vollkodiert und enthält alle Bildinformationen, das nächste Differenzbild, genannt P-Frame, kodiert die Änderungen zum I-Frame; das nächste P-Frame kodiert die Änderungen zu dem Vollbild, das entsteht, wenn ein Bild aus dem I-Frame und dem folgenden P-Frame berechnet ist. Durch diese komplexe Videokomprimierung wird das Datenaufkommen deutlich gegenüber MJPEG gesenkt. Die Organisation der I-, B- und P-Frames wird in Gruppen, sogenannten GOP’s (Group Of Pictures) vorgenommen. Dabei ist nicht vorgeschrieben, dass alle Bildtypen vorhanden sein müssen. So kann die Codierung nur aus I-Frames bestehen, was qualitativ zwar das beste Ergebnis liefert, aber auch den meisten Speicherplatz benötigt. Ein guter Kompromiss ist eine I-P-Frame Codierung, wobei die P-Frames so gesetzt werden müssen, dass deren Abstände ein Vielfaches der I-Frames betragen.
5.3 H.264
„H.264 ist das letzte Ergebnis des internationalen Standardisierungsprozesses im Bereich der Videokompression.“ [8]
H.264 wird sich gemäß den Erwartungen von Experten in den nächsten Jahren als Videostandard der ersten Wahl durchsetzen. H.264 bringt deutliche Einsparungen mit sich, da er die Speicherkosten reduziert und die Gesamteffizienz steigert. Ohne Einbußen bei der Bildqualität kann H.264 die Größe einer Videodatei im Vergleich zu Motion
JPEG um 80 % und im Vergleich zu MPEG-4 um bis zu 50% verringern. Weite Teile von H.264 sind aus den MPEG-Vorgängern übernommen worden.
6 Netzwerktechnik
6.1 Ethernet
Das Ethernet wird als „das ideale Arbeitspferd einer hochwertigen CCTV-Anlage“[9] angesehen.
Das Netzwerk ersetzt die Koaxialkabel (RG58) der analogen Übertragung. Zusätzlicher Nutzen besteht hier auch in der bidirektionalen Kommunikation, so können die Kameras von einem entfernten Standort aus konfiguriert und überwacht werden. Des Weiteren wird für die Steuerung von PTZ-Kameras (zum Beispiel Domekameras) keine weitere Verkabelung für die Übertragung der Steuersignale benötigt.
Auch größere Entfernungen zwischen Gebäudekomplexen oder Nebenstandorten lassen sich durch den Einsatz von Lichtwellenleitern problemlos realisieren. Glasfaserbasierte Verbindungen ermöglichen das Überbrücken mehrerer Kilometer.[10] Mit dem Standrad IEEE 802.3an besteht sogar die Möglichkeit 10GBit/s über ein TwistedPair-Kabel zu übertragen, damit ergibt sich eine günstigere Lösung zu den glasfaserbasierten Standards.[11] Dieser stetige Fortschritt in der Netzwerktechnik ist auch ein Antriebsmotor des Umbruchs hin zu digitalen CCTV-Systemen.
Des Weiteren ist die Versorgung von Netzwerkkameras mit der Betriebsspannung über das Netzwerk möglich. Mit Power-over-Ethernet (PoE) wird die Stromversorgung in eine Standard-LAN-Infrastruktur integriert. Sie ermöglicht die Stromversorgung eines Netzwerkgeräts, einer Netzwerk-Kamera, mit demselben Kabel, das für die Netzwerkverbindung verwendet wird. Sie macht Steckdosen an den Kamerastandorten überflüssig. Dieses vereinfacht eine ununterbrochene Stromversorgung zur Sicherstellung des Betriebs rund um die Uhr an jedem Tag der Woche durch Einsatz einer USV-Anlage in der Unterverteilung. Die PoE-Technologie wird durch den Standard IEEE 802.3af geregelt. Dieser stellt sicher, dass weder Übertragungsleistung noch Reichweite des Netzwerks beeinträchtigt werden.[12]
6.2 WLAN
Eine kabellose Übertragung via WLAN stellt eine praktische Alternative zur Anbindung der Netzwerkkameras an abgelegenen Orten oder in Gebäuden, die baulich nicht verändert werden dürfen, wie denkmalgeschützte Gebäude dar. Funknetze werden zukünftig die Grundlage für moderne CCTV-Konzepte bilden. Der zukünftige Standard 801.11n, derzeit Draft, stellt mit brutto 560MBit/s die Bandbreite für eine qualitativ hochwertig Videoübertragung. Des Weiteren lassen sich über ein flächendeckendes WLAN auch mobile Schnittstellen, wie PDAs, einbinden, die es dem Wachpersonal ermöglichen überall auf Ereignismeldungen oder Videostreams zuzugreifen. Im Logistikbereich werden schon solche Funknetzwerke verwendet um mobil die Sendungen über einen Barcodescanner zu erfassen. Diese Informationen lassen sich als Metadaten mit den Videostreams verbinden, um eine Sendungsverfolgung zu gewährleisten.
6.3 DFÜ
UMTS bildet mittlerweile eine adäquate Basis zur Anbindung temporärer Überwachungskameras, wie zum Beispiel der Überwachung einer Baustelle. Des Weiteren eignet es sich um Daten von mobilen CCTV-Systemen, wie sie zum Beispiel in Bussen und Bahnen eingesetzt werden, zu empfangen. Diese Anwendungsszenarien werden durch die gepalnten Erweiterungen, wie High Speed OFDM Packet Access mit einer steigenden Bandbreite stärker unterstützt.
7 Speicherung
„Trotz der nach wie vor enormen Datenlasten, die digitales Video verursacht, existieren heute bereits adäquate Datenspeicher , um die große Zahl von digitalen Videokanälen eines CCTV-Systems kostengünstig, schnell und flexibel verwalten zu können. Gerade beim Primärspeicher Festplatte sind die Kapazitätsfortschritte gewaltig.“[13]
Die Speicherung der Videostreams auf digitalen Systemen bringt alle der IT bekannten Vorteile mit sich. So kann zum Beispiel gleichzeitig aufgezeichnet werden und nach einem Ereignis im Archivmaterial recherchiert werden. Die Anforderungen an eine hohe Verfügbarkeit der Daten lassen sich über RAID-Systeme gewährleisten, so dass der Ausfall einer physikalischen Festplatte kein kritisches Szenario mehr darstellt und den vollständigen Verlust der Videodaten nach sich zieht. Die Anbindung an ein Storage Area Network (SAN) stellt weitere Methoden zur Datensicherheit und Datensicherung, wie das Klonen logischer Laufwerke oder die Replikation an ein räumlich entferntes System. Der verbreitete Einsatz von Wechselmedien, wie SD-Cards, erlaubt bei einer immer wieder steigenden Kapazität den flexiblen Transport von Videodaten.
8 Datenbanken
„Digitale CCTV-Systeme sind nicht zuletzt wegen einer effizienten Datenverwaltung in Videodatenbanken so erfolgreich.“ [14]
Relationale Datenbanken bilden das Herz eines leistungsstarken digitalen CCTV-Systems, da durch sie die reinen Videodaten mit Metadaten, die dem CCTV-System über offene Schnittstellen aus anderen Systemen zur Verfügung stehen, versehen und eine ereignisorientierte Recherche ermöglichen. Dem Bediener ist so möglich nicht nur über Zeit und Datum nach Videomaterial zu suchen.
SQL als Abfragesprache bildet eine standardisierte, "verallgemeinerbare Schnittstelle für den Zugriff auf die Bildinformationen einer CCTV-Video-Datenbank"[15] und verleiht dem CCTV-System weitere Interoperabilität.
„Die Recherchen werden erheblich komfortabler. Es können Querbezüge zwischen den Daten verschiedener Videokanäle hergestellt werden, die in analogen Systemen undenkbar waren.“ [16]
Neben der Recherche besteht die Hauptaufgabe der Datenbanken in digitalen CCTV-System, Daten über die aufgezeichneten Streams zu erfassen und nach Erfordernissen, wie der Speicherdauer oder der Kennzeichnung der ereignisrelevanten Videodaten, die nicht überschrieben werden dürfen zu organisieren, so das die verfügbaren Speichermedien als Ringspeicher eine kontinuierliche Aufzeichnung gewähren.[17]
9 Analyse
Heutzutage wird so viel Video aufgezeichnet, dass es nahezu unmöglich ist das gesamte Material zu sichten, deshalb werden verstärkt intelligente Systeme eingesetzt, die das Wachpersonal unterstützen sollen. Zu diesem Zweck werden vermehrt Algorithmen eingesetzt die den Videostream analysieren. Die Methoden fangen bei einer einfachen Bewegungserkennung an, detaillierter wird analysiert, in welche Richtung sich ein Objekt bewegt, oder ob es einen virtuellen Stolperdraht überschreitet und so ein Alarmereignis generiert. Solche Verfahren werden beispielsweise eingesetzt um an kritischen Autobahnabschnitten, wie Tunneln, alarmiert zu werden falls ein Fahrzeug liegen bleibt.
Ein weiteres Einsatzszenario ist die Überwachung eines Terminals an einem Flughafen. Hier ist eine Alarmierung vorgesehen, wenn Objekte zurückgelassen werden.
Neben Szenarien, die der Alarmierung dienen, gibt es noch Einsatzgebiete, die Mehrwerte beispielsweise für ein effektives Marketing schaffen. Personenzählalgorithmen können tageszeitliche Fluktuationen in einem Kaufhaus dokumentieren.
Andere Algorithmen erfassen Zeichen im Videostream. Eingesetzt werden sie in der Logistik zur automatisierten Erfassung von Brücken beim Verladen. Weiterhin werden diese Verfahren genutzt Kfz-Kennzeichnen zu erfassen. Dieses geschieht meist an einer Schranke in der Zufahrt zu einem Betriebshof. Das Öffnen der Schranke kann durch ein gelistetes Kennzeichen ausgelöst werden.
Auch zur Erkennung von biometrischen Kennzeichen werden solche Analysen genutzt.
10 Fazit
Der Wechsel zu digitalen CCTV-Systemen bringt einen enormen Zuwachs an Funktionalität mit sich, der sich über alle Komponenten des Systems erstreckt, angefangen bei den Netzwerkkameras mit ihren Möglichkeiten, weiter über das neu eingesetzte Medium Ethernet in allen Facetten, bis zur Speicherung auf digitalen Serversystemen.
Das digitale System wird so fast endlos skalierbar, da die Informationstechnologie einen ortsübergreifenden Einsatz erlaubt und auch weite Entfernungen überbrückbar werden. Ebenso wird durch die erweiterbare Systemarchitektur mit offenen Schnittstellen ein in seiner Funktion ausbaubares System ermöglicht.
Standardisierte Schnittstellen ermöglichen das Einbinden der verschiedensten Systeme in das CCTV-System und so deren zusätzliche Informationen zu Nutzen. Diese ermöglichen den herstellerübergreifenden Einsatz verschiedenster Produkte zu einem komplexen System.
So wird die Recherche im Archivmaterial viel effizienter, da nicht nur nach Datum und Zeit gesucht werden kann, sondern nach den verschiedensten Metadaten, die beispielsweise als Ereignis von einem eingebundenen Zutrittskontrollsystem stammen. Durch die eingesetzten genormten Protokolle ist eine unproblematische günstige Verknüpfung mit dem Leitstand eines Wachdienstes möglich, vorher musste dieser ebenfalls über die properitäre Technik, die der Kunde einsetzt, verfügen.
Selbst in dieser sehr konservativen Branche ist die Konvergenz der Dienste deutlich spürbar und es liegen noch ausreichend ungenutzte Potentiale vor.
11 Fußnoten
- ↑ Vgl. Döring, Matthias(2004), Seite 1
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 48
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004)
- ↑ Vgl. http://www.vas-gmbh.com/plugin/files/viasys_broschuere-de.pdf
- ↑ Vgl. http://www.avigilon.com/products/cameras-video/#hdip
- ↑ Vgl. http://www.axis.com/files/brochure/bc_techguide_31470_de_0803_lo.pdf
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 108
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004) Seite 139
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 184
- ↑ Vgl. Rech, Jörg (2008), Seite 292
- ↑ Vgl. Rech, Jörg (2008), Seite 172ff
- ↑ Vgl. Rech, Jörg (2008), Seite 208
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 259
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 261
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 291
- ↑ Vgl. Döring, Matthias (2004), Seite 291
- ↑ Döring, Matthias (2004), Seite 265f
12 Literaturverzeichnis
| Döring, Matthias (2004) | Döring, Matthias G.: Digitale CCTV-Systeme - Moderne Technik der Videoüberwachung, Economica Verlag, 2004 |
| Rech, Jörg (2008) | Rech, Jörg: Ethernet, 2.Auflage, Heise Zeitschriften Verlag, GmbH & Co. KG, 2008 |
