Monitoring wizyjny miasta (cz. 3)Transmisja sygnałów

Sławomir Stańczyk
Sekret Serwis
Od centrum monitoringu wizyjnego miasta („Twierdza" 1-2/06), przechodzimy do kolejnego zagadnienia - transmisji sygnałów pomiędzy punktami wizyjnymi a stacją monitorującą. Obecnie inwestorzy mają do dyspozycji wiele wariantów takich rozwiązań. Nie znaczy to jednak, że łatwo wybrać rozwiązanie optymalne z punktu widzenia jakości transmisji, bezpieczeństwa i ceny. W niniejszym artykule postaram się przybliżyć wady i zalety poszczególnych rozwiązań transmisyjnych.
Podział na sposoby i rodzaje transmisji
1. Rodzaj transmisji
• transmisja analogowa - sygnał kompozytowy
• transmisja cyfrowa monitorngu - strumień IP
2. Droga transmisji
• transmisja przewodowa
• transmisja bezprzewodowa

3. Medium transmisyjne
• transmisja kablem koncentrycznym
• transmisja „po skrętce" (kabel parowany)
• transmisja kablem światłowodowym
• transmisja radiowa
• transmisja siecią TVK, internet

Zasady wyboru sposobu i rodzaju transmisji
Wybierając sposób i rodzaj transmisji pomiędzy kamerami a stacją monitorującą, należy odpowiedzieć na pytanie, jaką rolę ma pełnić przyszły system. Inaczej będzie to wyglądało, jeżeli planujemy budowę systemu profesjonalnego, wykorzystywanego przez policję czy straż miejską do zapewnienia bezpieczeństwa w obszarach miejskich, a inaczej, gdy przez inne służby, takie jak np. CBŚ czy ABW, do wspomagania ich działań operacyjnych. Natomiast jeśli w sytuacjach szczególnych nasz system miałby wspomagać pracę centrów antykryzysowych, system musi być oparty na rozwiązaniach zarówno sprzętowych, jak i transmisyjnych gwarantujących wysoki poziom bezpieczeństwa, niezawodności, jak również jakości pracy. Zastosowane w systemie media transmisyjne w sposób niejako automatyczny określają jego przydatność do tych zastosowań. Oczywiście, na wstępie trzeba zaznaczyć, że nie ma i rozwiązań w pełni doskonałych. No, chyba że dysponujemy nie ograniczonymi środkami. Ale będąc realistą, wiem, | że na tego typu inwestycje najczęściej patrzy się przez pryzmat finansów. Aby zatem wybrać optymalne rozwiązanie | pod względem zarówno technicznym, jak i kosztowym, czyli | osiągnąć stosowny kompromis, należy kierować się następującymi kryteriami.

) Bezpieczeństwo transmisji
Pojęcie to odnosi się zarówno do odporności na celowe lub przypadkowe uszkodzenie łącza, jak również do zabezpieczenia przed umyślnym przechwyceniem informacji transmitowanej tym łączem. Zaleca się stosowanie łączy bezpośrednich. W przypadku połączeń kablowych (skrętka, kabel koncentryczny, światłowód), kabel ten powinien być stosowany wyłącznie dla potrzeb monitoringu, najlepiej we własnej kanalizacji teletechnicznej. Oczywiście, własna kanalizacja teletechniczna jest zjawiskiem bardzo rzadkim i ma miejsce w kilku nowo powstałych osiedlach w Polsce. Tak więc istnieje konieczność skorzystania z kanalizacji dzierżawionej od lokalnych operatorów telekomunikacyjnych, np. od TP SA, Netii czy Telefonii Dialog. Jednak w ostatnich latach niektórzy operatorzy (w szczególności TP SA) nie praktykują dzierżawy kanalizacji, na rzecz dzierżawy konkretnych łączy (mogą to być również bezpośrednie łącza wydzielone). Zwykle są to kable nowe, często układane pod konkretne zapotrzebowanie dla monitoringu i przy }- zastosowaniu odpowiedniej diagnostyki łączy, gwarantują dość wysoki poziom niezawodności i bezpieczeństwa e transmisji. Do łączy kablowych zaliczyć można również łącza dzierżawione od lokalnych telewizji kablowych czy dostawców internetu. Szybki rozwój technologii informatycznych umożliwił dostawę usług internetowych przez sieci telewizji kablowych. Jednak wykorzystanie komercyjnej sieci i kablówki do transmisji cyfrowej lub analogowej sygnałów ł- systemu bezpieczeństwa miasta jest rozwiązaniem mocno nieprofesjonalnym. Jednym z argumentów przeciw nim i, jest fakt, że dostęp do urządzeń retransmisyjnych, wpływ 3- na pracę całej sieci, odrębnie w wielu punktach miasta, )- mają osoby trzecie. Ponadto sieci te nie są w szczególny ;o sposób zabezpieczone zarówno przed ingerencją z zewnątrz, jak też awaryjnością (np. zasilanie rezerwowe dla kalnych wzmacniaczy, przepięcia itp.). Innym typem łączy są łącza bezprzewodowe. Transmisja monitoringująca tutaj odbywa się w paśmie radiowym, a ponieważ „eter" rządzi się nieco innymi prawami, sytuacja wygląda nieco inaczej. Łączność radiowa dzieli się na dwa rodzaje:

• łączność na częstotliwościach licencjonowanych
• łączność w pasmach otwartych.
Pierwszy to profesjonalny rodzaj łączności, gwarantujący bezwzględną dostępność do kanałów transmisyjnych. Z reguły odbywa się to na wysokich częstotliwościach, trudnych do zakłócenia, a sygnały transmisyjne są kodowane cyfrowo. Zasadniczą zaletą jest fakt, że na wykupionej częstotliwości na danym terenie nie ma prawa pracować inny użytkownik. Również w przypadku pojawienia się zakłóceń na takim łączu, namierzenie ich źródła oraz usunięcie ma wymiar instytucjonalny.
Inaczej rzecz wygląda z pasmami otwartymi. Tutaj nadawać może każdy, kto spełni podstawowe wymagania co do parametrów i homologacji sprzętu nadawczo-odbiorczego. Nie są tutaj wymagane zezwolenia ani wykup częstotliwości. Lecz nie ma nic za darmo. Szerokość takiego pasma jest sztywna i mieści, mówiąc prostym językiem, określoną liczbę kanałów. Jeżeli na danym obszarze jest mało użytkowników, problemy nie występują. Jednak gdy liczba użytkowników przekroczy liczbę dostępnych kanałów, kto wtedy będzie miał pierwszeństwo w nadawaniu? Otóż nikt, ponieważ w paśmie tym może nadawać każdy i nie pomogą argumenty, że monitoring miasta jest ważniejszy. Kiedy taka wizja może mieć miejsce? W niedalekiej przyszłości, ponieważ pasmo otwarte zostało stworzone dla potrzeb lokalnej transmisji nieprofesjonalnej oraz np. bezprzewodowego internetu. Zważywszy na fakt, że ceny amatorskich urządzeń transmisyjnych w tym paśmie szybko spadają, liczba użytkowników zaczyna lawinowo rosnąć. W jednym z miast zwróciłem na ten fakt uwagę inwestorowi, który już w takie pasmo wszedł z monitoringiem. Odpowiedź, którą otrzymałem, mocno mnie zmroziła: Jak się zrobi ciasno, to z naszymi urządzeniami przejdziemy na częstotliwość licencjonowaną". Niestety, nie jest to takie proste, bo urządzenia nadawczo-odbiorcze są dostosowane wyłącznie do danego pasma i przejście na inne częstotliwości wiąże się z koniecznością zakupu nowego sprzętu.
Na tę sprawę można spojrzeć jeszcze inaczej. Otóż otwarte pasmo radiowe działa na takiej samej zasadzie jak inne, dobrze znane niegdyś pod nazwą pasma obywatelskiego - a chodzi tu o tzw. CB-Radio. Zadałem wówczas mojemu inwestorowi pytanie: „Czy zorganizowałby na paśmie CB-Radia łączność dla np. straży miejskiej? Przecież w tym paśmie też można cyfrowo kodować sygnały". Niestety odpowiedzi się nie doczekałem. Szkoda.

Jakość transmisji
(jakość odbieranego sygnału i funkcjonalność)
Większość ogólnie dostępnych sposobów transmisji w monitoringu miejskim zapewnia względnie przyzwoite parametry obrazu. Jednak w profesjonalnym systemie są wymagane:

• wysoka rozdzielczość obrazu w pełnym kolorze
• brak poklatkowości - obraz płynny (25 kl./s)
• brak opóźnień w sygnałach sterowania (telemetrii)
• możliwość eksponowania płynnych obrazów z kamer pełnoekranowo na indywidualnych monitorach.
Dokładnie analizując dostępne metody transmisji możemy wybrać, jeden z poniższych, optymalny dla nas pod względem jakości i funkcjonalności sposób.

Transmisja kablem koncentrycznym
Skuteczny, aczkolwiek już nieco archaiczny system transmisji wizji stosowany na małe odległości (maks. ok. 1 km). Stosowany obecnie dla kamer montowanych na tym samym budynku, co stacja monitorująca. Przy większych dystansach występują znaczne spadki poziomu sygnału, co pociąga konieczność stosowania specjalnych wzmacniaczy. Kable z reguły są układane w kanalizacji teletechnicznej. Takie rozwiązanie wymaga zastosowania dla każdej kamery dodatkowego kabla sterującego. Podnosi to nieco koszty instalacji. Jednak w pełni gwarantuje brak poklatkowości oraz brak opóźnień w telemetrii, a przy prawidłowym doborze urządzeń zapewnia wysoką rozdzielczość w pełnym kolorze. Sygnał wizyjny z kamer, zanim trafi do rejestratora, może być pełnoekranowo wyeksponowany na dowolnym monitorze indywidualnym lub przez zastosowanie krosownicy wizyjnej na zespole monitorów operacyjnych. Transmisja „po skrętce" (kabel parowany) Obecnie najczęściej stosowany system transmisji. Wymaga wprawdzie zastosowania specjalnych nadajników i odbiorników wizji po skrętce, ale przy ich niewielkiej cenie oraz możliwości przesyłania jednym kablem (wie-loparowym) większej ilości sygnałów wizyjnych, jak też telemetrycznych (bez dodatkowego osprzętu) jest systemem sprawnym, tanim, odpornym na zakłócenia. Kable te są układane z reguły w kanalizacji teletechnicznej - telekomunikacyjnej. Zasięgi na tym typie transmisji wynoszą do ok. 1,5 km bez wzmacniaczy, natomiast po zastosowaniu wzmacniaczy odległość ta może być zwiększona nawet do ok. 5 km. Opcją tego rozwiązania jest dzierżawa od lokalnego operatora telekomunikacyjnego wydzielonych łączy bezpośrednich, które dla potrzeb monitoringu miasta zostaną przez tego operatora zestawione i doprowadzone w wyznaczone przez inwestora miejsca. Zwykle jest to bardzo skuteczne i najtańsze rozwiązanie. Spełnia wszystkie cztery wcześniej postawione wymagania. Szczególnym rozwiązaniem transmisji „po skrętce" jest oferta dzierżawy od operatorów telekomunikacyjnych łączy cyfrowych (IP), jednak poważnym ograniczeniem jest tu przepustowość łącza, która przy zachowaniu ww. parametrów pozwala na transmisję z maksymalnie jednej, a czasem tylko sygnałów z dwóch kamer. Więcej na temat transmisji IP w dalszej części artykułu. rjc Transmisja kablem światłowodowym t§§ Jest to doskonały system transmisji. Jednym kablem światłowodowym można przesłać wielokrotnie więcej informacji niż po kablach miedzianych. Wymaga ułożenia w kanalizacji teletechnicznej (telekomunikacyjnej) po przystosowaniu jej przez zaciągnięcie specjalnych rur osłonowych, a następnie „wdmuchiwaniu" właściwego kabla światłowodowego. Rozwiązanie to wymaga również zastosowania specjalnych „interfejsów" (nadajników i odbiorników światłowodowych) do przemiany sygnałów elektrycznych na optyczne po stronie nadawczej i odwrotnie po stronie odbiorczej. Jest to bardzo dobre rozwiązanie, ale drogie w przypadku łączenia pojedynczych kamer na niewielkich odległościach. Rozwiązanie takie jest opłacalne przy transmisji jednym kablem większej liczby sygnałów z kamer na duże odległości. Zasięgi tak uzyskiwane bez najmniejszego problemu zapewniają dobrą transmisję na obszarze nawet bardzo dużych miast. Przy zastosowaniu indywidualnych nadajników i odbiorników dla poszczególnych kamer (dostępne są również urządzenia umożliwiające przesył jednym włóknem obrazu z kilku kamer oraz dwukierunkowo telemetrii) również spełnia wszystkie postawione wcześniej wymagania.
Możliwe jest wykorzystanie światłowodu do łączności IP (Eternet). Jednak w przypadku wykorzystania takiego łącza do transmisji IP, rzecz się nieco komplikuje. Otóż, uzyskanie wysokiej rozdzielczości obrazu, braku poklatkowości oraz braku opóźnień, przy zastosowaniu dobrej klasy urządzeń i oprogramowania, nie stanowi problemu. Problem w standardzie IP pojawia się przy konieczności wyeksponowania na indywidualnych monitorach obrazów z poszczególnych kamer. Normalnie strumienie cyfrowe ze wszystkich kamer w systemie trafiają do wideoserwe-ra (zwykle jest to wirtualny rejestrator cyfrowy stworzony na bazie komputera PC). Do tego komputera najczęściej jest podłączony jeden monitor, na którym jest możliwy podgląd wszystkich lub tylko kilku kamer w dowolnym podziale ekranu albo podgląd pojedynczej kamery pełnoekranowo. Niektóre systemy pozwalają podłączyć np. dwa monitory do głównego komputera, ale prawdziwy problem pojawia się, gdy w systemie jest kamer kilka czy kilkanaście i zachodzi konieczność podglądu pełnoekranowo np. sześciu lub ośmiu kamer monitorujących. Realizacja takiego zadania operacyjnego w popularnych systemach IP jest praktycznie niemożliwa, chyba że zastosowałoby się kilka lub w bardzo dużych systemach kilkanaście indywidualnych jednostek komputerowych obsługujących po kilka kamer każda. Ale ile można postawić komputerów PC w jednej stacji monitorującej? Rozwiązanie tego problemu wymagałoby zastosowania wirtualnej krosownicy wizyjnej, ale dostępność tej technologii jest jeszcze stosunkowo niewielka.
Drugim poważnym problemem w rozwiązaniach IP jest faktyczny rozmiar oglądanego obrazu. Jeżeli np. matryca kamery wynosi 752 x 582 piksele, to oryginalny format obrazu w pełnej jakości na monitorze naszego komputera wyniesie również 752 x 582 piksele. Przeciętnie wielkość plamki (piksela) na typowym monitorze komputerowym równa jest 0,24 mm. Po przemnożeniu, oryginalny rozmiar naszego obrazu w przybliżeniu wyniesie 182 x 140 mm. Jak widać, jest to zdecydowanie za mały rozmiar do operacyjnej obserwacji terenów miejskich. Jeszcze gorzej sytuacja się przedstawia, gdy chcemy zaoszczędzić na „wadze" naszego obrazu i jak we wszystkich tego typu systemach zastosujemy kompresję. I tak np. jeden ze znanych producentów systemów IP dla kompresji MPEG-4 przy 25 kl./s zapewnia rozdzielczość 320 x 240. Wymiar okna na naszym monitorze wyniesie wówczas w przybliżeniu 77 x 58 mm. Istnieje oczywiście możliwość powiększenia obrazu do rozmiaru znacznie większego, nawet pełnoekranowego, lecz dzieje się to kosztem jakości, ponieważ typowe powiększenie cyfrowe polega na powiększeniu plamki (piksela). Taki obraz wówczas składa się z tej samej liczby pikseli, tylko znacznie większych, a co za tym idzie - staje się mniej czytelny.
Technologia cyfrowa jest niewątpliwie przyszłością w tego typu rozwiązaniach systemowych, lecz planując jej wykorzystanie, należy dokładnie przeanalizować wszystkie wady i zalety. Transmisja IP doskonale sprawdza się przy przesyłaniu obrazów z wielu kamer na duże odległości, np. przy tworzeniu wyniesionych stanowisk obserwacyjnych monitoringu miejskiego. Kolejną zaletą rozwiązań IP jest praktycznie nieograniczony zasięg transmisji.
.. Transmisja radiowa
M Wymaga spełnienia warunku tzw. widoczności anten pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Warunek ten w przypadku wielu miast jest nie do spełnienia. Dodatkowo dla gwarantowanej skuteczności (niezakłócalności) wymaga zastosowania bardzo drogich urządzeń pracujących w wysokich pasmach częstotliwości, kodujących przesyłane sygnały cyfrowo. Ponadto rozwiązanie to wiąże się z koniecznością wykupienia pasma radiowego i ponoszenia rocznych opłat za jego eksploatację. Tańsze rozwiązania z reguły lokują się w pasmach ogólnie dostępnych i nie nadają się do pracy w systemach bezpieczeństwa miasta. Jeśli chodzi o specyfikę tego typu łączności, większość została przedstawiona w rozdziale „Bezpieczeństwo transmisji". Istnieją zasadniczo dwa sposoby wykorzystania łączy radiowych. Pierwszy, zdecydowanie rzadziej stosowany, to jak w przypadku światłowodów system polegający na zastosowaniu indywidualnych nadajników i odbiorników dla każdej kamery, a następnie dystrybucji sygnału kompozytowego na dowolny rejestrator cyfrowy, z wcześniejszą ekspozycją obrazów z kamer na indywidualnych monitorach lub krosownicy wizyjnej. Zasięgi uzyskiwane na takich łączach sięgają 2-3 km i przy zastosowaniu naprawdę dobrego sprzętu zapewniają przyzwoitą jakość obrazu oraz spełniają wszystkie postawione wcześniej wymagania. Natomiast drugi sposób wykorzystania łączy radiowych to transmisja IP. Temat ten został omówiony w poprzednim punkcie i ma generalnie te same wady i zalety, a różni się zasadniczo tym, że strumień IP na głównym odcinku jest transmitowany drogą radiową.

Transmisja siecią TVK, internet
M Jest to transmisja dość rzadko stosowana. Obecnie bazuje na rozwiązaniach IP, o których była mowa wcześniej. Zasadniczą różnicą jest tutaj przepustowość sieci. W większości przypadków operatorzy TVK czy internetu nie są w stanie zapewnić takich parametrów transmisji, by spełnić podstawowe wymagania techniczno-funkcjonalne systemu. Z tego powodu do monitoringu miasta praktycznie nie jest stosowana. Wyjątek może stanowić np. czasowe zestawienie łącza dla stanowiska podglądowego systemu monitoringu.
Cena
Bodaj najtrudniejszy punkt do analizy. Najczęściej słyszymy od inwestora wymóg „Ma być tanio i dobrze". Aż strach komentować. Ale spróbujmy. Ogólnie wiadomo, że nie ma tanio i dobrze. Jeżeli zakładamy, że nasz system ma spełniać wysokie standardy bezpieczeństwa (a przypomnę, że mówimy o bezpieczeństwie miejskim), musimy się liczyć z wyższymi nakładami. Chociaż dobrze przygotowana koncepcja systemu może nas uchronić przed niepotrzebnymi wydatkami. A często - jak obserwuję - dzieje się tak, że kupuje się naprawdę wysokiej klasy sprzęt rejestrujący, doskonałe kamery, a medium transmisyjne ogranicza funkcje i możliwości systemu do poziomu zgoła przeciętnego. Niestety, owe mankamenty wychodzą w trakcie eksploatacji, a wtedy niewiele można już zrobić. Dlatego przy budowie monitoringu należy skrupulatnie przeanalizować przyszłe potrzeby. Jeżeli budujemy wysokiej klasy system, musimy pamiętać, że będzie on tak dobry, jak najsłabsze jego ogniwo. Dlatego z punktu widzenia transmisji sygnałów należy wybrać łącza niezawodne, gwarantujące wysoką jakość pracy i bezpieczeństwa. Natomiast jeżeli budujemy system, który z założenia będzie pracował „sam dla siebie" (a takie zdanie już zdarzyło mi się usłyszeć od jednego przedstawiciela inwestora), można pokusić się o rozwiązania nieprofesjonalne, jak choćby transmisja radiowa w paśmie otwartym. Ale czy nie lepiej byłoby za te same pieniądze zakupić np. sprzęt dla policji lub straży miejskiej?
Podsumowując, przy wyborze rozwiązań należy kierować się nie tylko ceną, ale przede wszystkim jakością, funkcjonalnością i niezawodnością. Uwzględniwszy fakt, że w wielu miastach nie ma wielkiego wyboru mediów transmisyjnych, należy oprzeć się w ostatecznej decyzji na opiniach specjalistów, opracować dobrą koncepcję i jeżeli mamy mocno ograniczone środki, budować system etapami. A skoro o etapach mowa, to w następnym artykule zajmę się tematem punktów obserwacyjnych, czyli kamer.