Карты памяти для видеонаблюдения

Затраты на хранение данных зачастую становятся основным пунктом расходов при создании системы видеонаблюдения. Впрочем, они были бы несравнимо больше, если бы в мире не существовало алгоритмов, способных сжимать видеосигнал. О том, насколько эффективны современные кодеки, и какие принципы лежат в основе их работы, мы и поговорим в сегодняшнем материале.

Для большей наглядности начнем с цифр. Пускай видеозапись будет вестись непрерывно, в разрешении Full HD (сейчас это уже необходимый минимум, во всяком случае, если вы хотите полноценно использовать функции видеоаналитики) и в режиме реального времени (то есть, с фреймрейтом 25 кадров в секунду). Предположим также, что выбранное нами оборудование поддерживает аппаратное кодирование H.265. В этом случае при разных настройках качества изображения (высоком, среднем и низком) мы получим примерно следующие результаты.


Но если бы сжатия видео не существовало в принципе, мы бы увидели совсем иные цифры. Попробуем разобраться, почему. Видеопоток представляет собой не что иное, как последовательность статичных картинок (кадров) в определенном разрешении. Технически каждый кадр является двумерным массивом, содержащим информацию об элементарных единицах (пикселях), формирующих изображение. В системе TrueColor для кодирования каждого пикселя требуется 3 байта. Таким образом, в приведенном примере мы бы получили битрейт:

19201080253/1048576 = ~148 Мб/с

Учитывая, что в сутках 86400 секунд, цифры выходят поистине астрономические:

14886400/1024=12487 ГБ

Итак, если бы мы записывали видео без сжатия в максимальном качестве при заданных условиях, то для хранения данных, полученных с одной единственной видеокамеры в течение суток нам бы потребовалось 12 терабайт дискового пространства. Но даже система безопасности квартиры или малого офиса предполагает наличие, как минимум, двух устройств видеофиксации, тогда как сам архив необходимо сохранять в течение нескольких недель или даже месяцев, если того требует законодательство. То есть, для обслуживания любого объекта, даже весьма скромных размеров, потребовался бы целый дата-центр!

К счастью, современные алгоритмы сжатия видео помогают существенно экономить дисковое пространство: так, использование кодека H.265 позволяет сократить объем видео в 90 (!) раз. Добиться столь впечатляющих результатов удалось благодаря целому стеку разнообразных технологий, которые давно и успешно применяются не только в сфере видеонаблюдения, но и в гражданском секторе: в системах аналогового и цифрового телевидения, в любительской и профессиональной съемке, и многих других ситуациях.

Наиболее простой и наглядный пример цветовая субдискретизация. Так называют способ кодирования видео, при котором намеренно снижается цветовое разрешение кадров и частота выборки цветоразностных сигналов становится меньше частоты выборки яркостного сигнала. Такой метод сжатия видеоданных полностью оправдан как с позиции физиологии человека, так и с точки зрения практического применения в области видеофиксации. Наши глаза хорошо замечают разницу в яркости, однако гораздо менее чувствительны к перепадам цвета, именно поэтому выборкой цветоразностных сигналов можно пожертвовать, ведь большинство людей этого попросту не заметит. В то же время, сложно представить, как в розыск объявляют машину цвета паука, замышляющего преступление: в ориентировке будет написано темно-серый, и это правильно, ведь иначе прочитавший описание авто даже не поймет, о каком оттенке идет речь.

А вот со снижением детализации все оказывается уже совсем не так однозначно. Технически квантование (то есть, разбиение диапазона сигнала на некоторое число уровней с последующим их приведением к заданным значениям) работает великолепно: используя данный метод, размер видео можно многократно уменьшить. Но так мы можем упустить важные детали (например, номер проезжающего вдалеке автомобиля или черты лица злоумышленника): они окажутся смазаны и такая запись будет для нас бесполезной. Как же поступить в этой ситуации? Ответ прост, как и все гениальное: стоит взять за точку отсчета динамические объекты, как все тут же становится на свои места. Этот принцип успешно используется со времен появления кодека H.264 и отлично себя зарекомендовал, открыв ряд дополнительных возможностей для сжатия данных.

Это было предсказуемо: разбираемся, как H.264 сжимает видео

Вернемся к таблице, с которой мы начали. Как видите, помимо таких параметров, как разрешение, фреймрейт и качество картинки решающим фактором, определяющим конечный размер видео, оказывается уровень динамичности снимаемой сцены. Это объясняется особенностями работы современных видеокодеков вообще, и H.264 в частности: используемый в нем механизм предсказания кадров позволяет дополнительно сжимать видео, при этом практически не жертвуя качеством картинки. Давайте посмотрим, как это работает.

Кодек H.264 использует несколько типов кадров:

• I-кадры (от английского Intra-coded frames, их также принято называть опорными или ключевыми) содержат информацию о статичных объектах, не меняющихся на протяжении длительного времени.
• P-кадры (Predicted frames, предсказанные кадры, также именуемые разностными) несут в себе данные об участках сцены, претерпевших изменения по сравнению с предыдущим кадром, а также ссылки на соответствующие I-кадры.
• B-кадры (Bi-predicted frames, или двунаправленные предсказанные кадры) в отличие от P-кадров, могут ссылаться на I-, P- и даже другие B-кадры, причем как на предыдущие, так и на последующие.

Что это означает? В кодеке H.264 построение видеоизображения идет следующим образом: камера делает опорный кадр (I-кадр) и уже на его основе (поэтому он и называется опорным) производит вычитание из кадра неподвижных частей изображения. Таким образом создается P-кадр. Затем из этого второго кадра вычитается третий и также создается P-кадр с изменениями. Так формируется серия разностных кадров, которые содержат только изменения между двумя последовательными кадрами. В результате мы получаем такую цепочку:

[НАЧАЛО СЪЕМКИ] I-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P- ...

Поскольку в процессе вычитания возможны ошибки, приводящие к появлению графических артефактов, то через какое-то количество кадров схема повторяется: вновь формируется опорный кадр, а вслед за ним серия кадров с изменениями.

-P-P-P-P-P-P-P-I-P-P-P-P-P-P-P ...

Полное изображение формируется путем наложения P-кадров на опорный кадр. При этом появляется возможность независимой обработки фона и движущиеся объектов, что позволяет дополнительно сэкономить дисковое пространство без риска упустить важные детали (черты лиц, автомобильные номера и т. д.). В случае же с объектами, совершающими однообразные движения (например, вращающимися колесами машин) можно многократно использовать одни и те же разностные кадры.


Независимая обработка статических и динамических объектов позволяет сэкономить дисковое пространство

Данный механизм носит название межкадрового сжатия. Предсказанные кадры формируются на основе анализа широкой выборки зафиксированных состояний сцены: алгоритм предвидит, куда будет двигаться тот или иной объект в поле зрения камеры, что позволяет существенно снизить объем записываемых данных при наблюдении за, например, проезжей частью.


Кодек формирует кадры, предсказывая, куда будет двигаться объект

В свою очередь, использование двунаправленных предсказанных кадров позволяет в несколько раз сократить время доступа к каждому кадру в потоке, поскольку для его получения будет достаточно распаковать только три кадра: B, содержащий ссылки, а также I и P, на которые он ссылается. В данном случае цепочку кадров можно изобразить следующим образом.

[НАЧАЛО СЪЕМКИ] I-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-B-P-

Такой подход позволяет существенно повысить скорость быстрой перемотки с показом и упростить работу с видеоархивом.

В чем разница между H.264 и H.265?

В H.265 используются все те же принципы сжатия, что и в H.264: фоновое изображение сохраняется единожды, а затем фиксируются лишь изменения, источником которых являются движущиеся объекты, что позволяет значительно снизить требования не только к объему хранилища, но и к пропускной способности сети. Однако в H.265 многие алгоритмы и методы прогнозирования движения претерпели значительные качественные изменения.

Так, обновленная версия кодека стала использовать макроблоки дерева кодирования (Coding Tree Unit, CTU) переменного размера с разрешением до 6464 пикселей, тогда как ранее максимальный размер такого блока составлял лишь 1616 пикселей. Это позволило существенно повысить точность выделения динамических блоков, а также эффективность обработки кадров в разрешении 4K и выше.

Кроме того, H.265 обзавелся улучшенным deblocking filter фильтром, отвечающим за сглаживание границ блоков, необходимым для устранения артефактов по линии их стыковки. Наконец, улучшенный алгоритм прогнозирования вектора движения (Motion Vector Predictor, MVP) помог заметно снизить объем видео за счет радикального повышения точности предсказаний при кодировании движущихся объектов, чего удалось достичь за счет увеличения количества отслеживаемых направлений: если ранее учитывалось лишь 8 векторов, то теперь 36.

Помимо всего перечисленного выше, в H.265 была улучшена поддержка многопоточных вычислений: квадратные области, на которые разбивается каждый кадр при кодировании, теперь могут обрабатываться независимо одна от другой. Появилась и поддержка волновой параллельной обработки данных (Wavefront Parallelel Processing, WPP), что также способствует повышению производительности сжатия. При активации режима WPP обработка CTU осуществляется построчно, слева направо, однако кодирование каждой последующей строки может начаться еще до завершения предыдущей в том случае, если данных, полученных из ранее обработанных CTU, для этого достаточно. Кодирование различных строк CTU с временной задержкой со сдвигом, наряду с поддержкой расширенного набора инструкций AVX/AVX2 позволяет дополнительно повысить скорость обработки видеопотока в многоядерных и многопроцессорных системах.

Флэш-карты для видеонаблюдения: когда значение имеет не только размер

И вновь вернемся к табличке, с которой мы начали сегодняшний разговор. Давайте подсчитаем, сколько дискового пространства нам понадобится в том случае, если мы хотим хранить видеоархив за последние 30 дней при максимальном качестве видеозаписи:

13830/1024 = 4

По нынешним меркам 4 терабайта для винчестера индустриального класса практически ничто: современные жесткие диски для видеонаблюдения имеют емкость до 14 терабайт и могут похвастаться рабочим ресурсом до 360 ТБ в год при MTBF до 1.5 миллионов часов. Что же касается карт памяти, то здесь все оказывается не так однозначно.

В IP-камерах флэш-карты играют роль резервных хранилищ: данные на них постоянно перезаписываются, чтобы в случае потери связи с видеосервером недостающий фрагмент видеозаписи можно было восстановить из локальной копии. Такой подход позволяет существенно повысить отказоустойчивость всей системы безопасности, однако при этом сами карты памяти испытывают колоссальные нагрузки.

Как видно из нашей таблицы, даже при низком качестве изображения и при условии минимальной активности в кадре, всего за сутки будет записано около 24 ГБ видео. А это значит, что 128-гигабайтная карточка будет полностью перезаписана менее чем за неделю. Если же нам требуется получать максимально качественную картинку, то все данные на таком носителе будут полностью обновляться раз в сутки! И это лишь при разрешении Full HD. А если нам понадобится картинка в 4K? В этом случае нагрузка вырастет практически в два раза (в заданных условиях видео в максимальном качестве потребует уже 250 ГБ).

При бытовом использовании подобное попросту невозможно, поэтому даже самая бюджетная карта памяти способна прослужить вам несколько лет к ряду без единого сбоя. А все благодаря алгоритмам выравнивания износа (wear leveling). Схематично их работу можно описать следующим образом. Пусть в нашем распоряжении есть новенькая флеш-карта, только что из магазина. Мы записали на нее несколько видеороликов, использовав 7 из 16 гигабайт. Через некоторое время мы удалили часть ненужных видео, освободив 3 гигабайта, и записали новые, объем которых составил 2 ГБ. Казалось бы, можно задействовать только что освободившееся место, однако механизм выравнивания износа выделит под новые данные ту часть памяти, которая ранее никогда не использовалась. Хотя современные контроллеры тасуют биты и байты куда более изощренно, общий принцип остается неизменным.



Напомним, что кодирование битов информации происходит путем изменения заряда в ячейках памяти за счет квантового туннелирования электронов сквозь слой диэлектрика, что вызывает постепенный износ диэлектрических слоев с последующей утечкой заряда. И чем чаще меняется заряд в конкретной ячейке, тем раньше она выйдет из строя. Выравнивание износа как раз направлено на то, чтобы каждая из доступных ячеек перезаписывалась примерно одинаковое количество раз и, таким образом, способствует увеличению срока службы карты памяти.

Нетрудно догадаться, что wear leveling перестает играть хоть сколько-нибудь значимую роль в том случае, если флэш-карта постоянно перезаписывается целиком: здесь на первый план уже выходит выносливость самих чипов. Наиболее объективным критерием оценки последней является максимальное количество циклов программирования/стирания (program/erase cycle), или, сокращенно, циклов P/E, которое способно выдержать флеш-память. Также достаточно точным и в данном случае наглядным (так как мы можем заранее рассчитать объемы перезаписи) показателем является коэффициент TBW (Terabytes Written). Если в технических характеристиках указан лишь один из перечисленных показателей, то вычислить другой не составит особого труда. Достаточно воспользоваться следующей формулой:

TBW = (Емкость Количество циклов P/E)/1000

Так, например, TBW флеш-карты емкостью 128 гигабайт, ресурс которой составляет 200 P/E, будет равен: (128 200)/1000 = 25,6 TBW.

Давайте считать дальше. Выносливость карт памяти потребительского уровня составляет 100300 P/E, и 300 это в самом лучшем случае. Опираясь на эти цифры, мы можем с достаточно высокой точностью оценить срок их службы. Воспользуемся формулой и заполним новую таблицу для карты памяти емкостью 128 ГБ. Возьмем за ориентир максимальное качество картинки в Full HD, то есть в сутки камера будет записывать 138 ГБ видео, как мы выяснили ранее.


Хотите использовать карты на 64 ГБ или писать видео в 4K? Смело делите рассчитанные сроки на два: в среднем потребительские карты памяти придется менять раз в полгода, причем в каждой камере. То есть каждые 6 месяцев вам придется закупать новую партию флеш-карт, нести дополнительные расходы на сервисное обслуживание и, конечно же, подвергать опасности охраняемый объект, так как камеры придется выводить из эксплуатации на время замены.

Наконец, еще один момент, на который следует обратить пристальное внимание при выборе карты памяти, ее скоростные характеристики. В описании практически всех современных флеш-карт можно встретить запись вида: Производительность: до 100 МБ/с при чтении, до 90 МБ/с при записи; запись видео: C10, U1, V10. Здесь C10 и U1 означают не что иное, как класс скорости записи видео, причем если заглянуть в справочные материалы, то классам C10, U1 и V10 соответствует 10 МБ/с. Откуда разница в 9 раз и почему маркировка тройная? На самом деле все достаточно просто.

В рассмотренном примере 100 и 90 МБ/с это номинальная скорость, то есть максимально достижимая производительность карты в операциях последовательного чтения и записи при условии использования с совместимым оборудованием, которое само по себе обладает достаточной производительностью. А показатели C10, U1 и V1 (10 МБ/с) это минимальная устойчивая скорость передачи данных в наихудших условиях тестирования. Данный параметр необходимо учитывать при выборе карт для камер видеонаблюдения по той простой причине, что если он окажется ниже битрейта видеопотока, то это чревато появлением на записи графических артефактов и даже выпадением целых кадров. Очевидно, что в случае с охранными системами подобное недопустимо: любые дефекты картинки чреваты потерей критически важных данных например, улик, которые могли бы помочь при поимке злоумышленника.

Что же касается наличия сразу трех маркировок, то причины этого сугубо исторические. C10 относится к самой первой из созданных SD Card Association классификаций, которая была составлена еще в 2006 году, получив простое и незамысловатое название Speed Class. Появление классификации UHS Speed Class, на которую указывает маркировка U1, связано с созданием интерфейса Ultra High Speed, который сегодня используется в подавляющем большинстве флеш-карт. Наконец, последняя классификация, Video Speed Class (V1), была разработана SD Card Association в 2016-м в связи с распространением устройств, поддерживающих запись видео сверхвысоких разрешений (4K, 8K и 3D).

Поскольку перечисленные классификации частично пересекаются, мы подготовили для вас сравнительную таблицу, в которой скоростные характеристики флеш-карт сопоставлены между собой и соотнесены с видео различного разрешения.


Следует учитывать, что приведенные в таблице соответствия актуальны для любительских, полупрофессиональных и профессиональных видеокамер. В отрасли видеонаблюдения, где запись в реальном времени ведется с максимальной частотой 25 кадров в секунду, а для сжатия видеопотока применяются высокоэффективные кодеки H.264 и H.265, задействующие кодирование с предсказанием, в подавляющем большинстве случаев будет достаточно карт памяти, соответствующих классу U1/V10, так как битрейт в таких условиях практически никогда не превышает порог в 10 МБ/с.

Карты памяти WD Purple microSD для систем видеонаблюдения

С учетом всех перечисленных особенностей компания Western Digital разработала специализированную серию карт памяти WD Purple microSD, которая на данный момент включает в себя две продуктовые линейки: WD Purple QD102 и WD Purple SC QD312 Extreme Endurance. В первую вошли четыре накопителя объемом от 32 до 512 ГБ, во вторую три модели, на 64, 128 и 256 ГБ. По сравнению с потребительскими решениями, WD Purple были специально адаптированы под современные цифровые системы видеонаблюдения за счет внедрения ряда важных усовершенствований.

Главным преимуществом пурпурной серии является существенно больший по сравнению с бытовыми устройствами рабочий ресурс: карты линейки QD102 способны выдержать 1000 циклов программирования/стирания, тогда как QD312 уже 3000 циклов P/E, что позволяет многократно продлить срок их службы даже в режиме круглосуточной записи, и делает данные карточки идеально подходящими для эксплуатации на особо охраняемых объектах, где запись ведется в режиме 24/7. В свою очередь, соответствие классам скорости UHS Speed Class 1 и Video Speed Class 10 позволяет использовать карты WD Purple в камерах высокого разрешения, в том числе для записи в режиме реального времени.

Помимо этого, карты памяти WD Purple имеют и ряд других важных особенностей, о которых необходимо упомянуть:

• влагостойкость (изделие способно выдержать погружение на глубину до 1 метра в пресную или соленую воду) и расширенный диапазон рабочих температур (от -25C до +85C) позволяют одинаково эффективно использовать карты WD Purple для оснащения как внутридомовых, так и уличных устройств видеофиксации независимо от погодных и климатических условий;
• защита от воздействия статических магнитных полей с индукцией до 5000 Гс и устойчивость к сильной вибрации и ударам вплоть до 500 g полностью исключают вероятность утраты критически важных данных даже в случае повреждения видеокамеры;
• функция удаленного мониторинга помогает оперативно отслеживать состояние каждой карты и эффективнее планировать проведение сервисных работ, а значит, дополнительно повысить надежность охранной инфраструктуры.

Для большей наглядности мы подготовили для вас сравнительную таблицу, в которой приведены основные характеристики карт памяти WD Purple.

Функции современных систем наблюдения давно вышли за рамки видеофиксации как таковой. Определение движения в зоне интереса, подсчет и идентификация людей и транспортных средств, ведение объекта в потоке сегодня на все это способны даже не самые дорогие IP-камеры. При наличии же достаточно производительного сервера и необходимого ПО возможности охранной инфраструктуры становятся практически безграничны. А ведь когда-то подобные системы не умели даже записывать видео.

От пантелеграфа до механического телевизора

Первые попытки передачи изображения на расстояние предпринимались еще во второй половине XIX века. В 1862 году флорентийский аббат Джованни Казелли создал устройство, способное не только передавать, но и принимать изображение по электрическим проводам пантелеграф. Вот только назвать этот агрегат механическим телевизором можно было лишь с очень большой натяжкой: фактически итальянский изобретатель создал прототип факсимильного аппарата.


Пантелеграф Джованни Казелли

Электрохимический телеграф Казелли функционировал следующим образом. Передаваемое изображение сперва конвертировали в подходящий формат, перерисовывая токонепроводящими чернилами на пластине станиоля (оловянной фольги), а затем фиксируя зажимами на изогнутой медной подложке. В роли считывающей головки выступала золотая игла, построчно сканирующая металлический лист с шагом 0,5 мм. Когда игла оказывалась над участком с непроводящими чернилами, цепь заземления размыкалась и ток подавался на провода, связывающие передающий пантелеграф с принимающим. В это же время игла приемника перемещалась над листом плотной бумаги, пропитанной смесью желатина и гексацианоферрата калия. Под действием электрического тока соединение темнело, за счет чего и формировалось изображение.

Такой аппарат обладал массой недостатков, среди которых необходимо выделить низкую производительность, потребность в синхронизации приемника и передатчика, от точности которой зависело качество итогового изображения, а также трудоемкость и дороговизну обслуживания, вследствие чего век пантелеграфа оказался чрезвычайно короток. Так, например, аппараты Казелли, использовавшиеся на телеграфной линии Москва Санкт-Петербург, проработали немногим более 1 года: будучи введенными в эксплуатацию 17 апреля 1866 года, в день открытия телеграфного сообщения между двумя столицами, пантелеграфы были демонтированы уже в начале 1868 года.

Куда более практичным оказался бильдтелеграф, созданный в 1902 году Артуром Корном на основе первого фотоэлемента, придуманного русским физиком Александром Столетовым. Устройство получило мировую известность 17 марта 1908 года: в этот день с помощью бильдтелеграфа из полицейского участка Парижа в Лондон была передана фотография преступника, благодаря которой полисменам впоследствии удалось вычислить и задержать злоумышленника.


Артур Корн и его бильдтелеграф

Подобный агрегат обеспечивал неплохую детализацию фотографического изображения и уже не требовал его специальной подготовки, однако для передачи картинки в реальном времени все еще не годился: на обработку одной фотографии уходило около 1015 минут. Зато бильдтелеграф неплохо прижился в криминалистике (его успешно использовала полиция для передачи снимков, фотороботов и отпечатков пальцев между отделениями и даже странами), а также в новостной журналистике.

Настоящий прорыв в данной сфере состоялся в 1909 году: именно тогда Жоржу Рину удалось добиться передачи изображения с частотой обновления 1 кадр в секунду. Поскольку телефотографический аппарат имел сенсор, представленный мозаикой из селеновых фотоэлементов, а его разрешающая способность составляла всего 8 8 пикселей, он так и не вышел за пределы лабораторных стен. Однако сам факт его появления заложил необходимую базу для дальнейших изысканий в сфере трансляции изображения.

По-настоящему преуспел на данном поприще шотландский инженер Джон Бэрд, который и вошел в историю, как первый человек, которому удалось осуществить передачу изображения на расстояние в режиме реального времени, поэтому именно его и принято считать отцом механического телевидения (да и телевидения в целом). Учитывая, что Бэрд едва не лишился жизни во время своих экспериментов, получив удар током в 2000 вольт во время замены фотоэлектрического элемента в созданной им камере, такое звание абсолютно заслуженно.


Джон Бэрд, изобретатель телевидения

В творении Бэрда использовался специальный диск, изобретенный немецким техником Паулем Нипковом еще в 1884 году. Диск Нипкова из непрозрачного материала с рядом отверстий равного диаметра, расположенных по спирали в один оборот от центра диска на равном угловом расстоянии друг от друга, применялся как для сканирования изображения, так и для его формирования на принимающем аппарате.


Устройство диска Нипкова

Объектив фокусировал изображение объекта съемки на поверхности вращающегося диска. Свет, проходя через отверстия, попадал на фотоэлемент, благодаря чему изображение конвертировалось в электрический сигнал. Поскольку отверстия были расположены по спирали, каждое из них фактически осуществляло построчное сканирование определенного участка изображения, сфокусированного объективом. Точно такой же диск присутствовал и в устройстве воспроизведения, однако позади него располагалась мощная электрическая лампа, воспринимающая колебания освещенности, а перед ним увеличительная линза или система линз, проецирующая изображение на экран.


Принцип работы механических телевизионных систем

Аппарат Бэрда использовал диск Нипкова с 30 отверстиями (как следствие, получаемое изображение имело развертку всего 30 линий по вертикали) и мог сканировать объекты с частотой 5 кадров в секунду. Первый успешный эксперимент по передаче черно-белого изображения состоялся 2 октября 1925 года: тогда инженеру удалось впервые транслировать с одного устройства на другое полутоновое изображение куклы чревовещателя.

Во время проведения эксперимента в дверь позвонил курьер, который должен был доставить важную корреспонденцию. Воодушевленный успехом Бэрд схватил обескураженного молодого человека за руку и провел в свою лабораторию: ему не терпелось оценить, как его детище справится с передачей изображения человеческого лица. Так 20-летний Вильям Эдвард Тэйнтон, оказавшись в нужное время в нужном месте, вошел в историю как первый человек, попавший в телевизор.

В 1927 году Бэрд провел первую телетрансляцию между Лондоном и Глазго (на расстояние 705 км) по телефонным проводам. А в 1928 году основанная инженером компания Baird Television Development Company Ltd успешно осуществила первую в мире трансатлантическую передачу телевизионного сигнала между Лондоном и Хартсдейлом (штат Нью-Йорк). Демонстрация возможностей 30-полосной системы Бэрда оказалась лучшей рекламой: уже в 1929 году ее взяла на вооружение BBC и успешно использовала в течение последующих 6 лет, вплоть до тех пор, пока ее не вытеснила более совершенная аппаратура на основе электронно-лучевых трубок.

Иконоскоп предвестник новой эры

Появлением электронно-лучевой трубки мир обязан нашему бывшему соотечественнику Владимиру Козьмичу Зворыкину. В годы Гражданской войны инженер принял сторону белого движения и бежал через Екатеринбург в Омск, где занимался оборудованием радиостанций. В 1919 году Зворыкин отправился в командировку в Нью-Йорк. Как раз в это время состоялась Омская операция (ноябрь 1919 года), итогом которой стало взятие города Красной армией практически без боя. Поскольку инженеру больше некуда было возвращаться, он остался в вынужденной эмиграции, став сотрудником компании Westinghouse Electric (в настоящее время CBS Corporation), уже тогда являвшейся одной из ведущих электротехнических корпораций США, где параллельно занимался изысканиями в сфере передачи изображения на расстояние.


Владимир Козьмич Зворыкин, создатель иконоскопа

К 1923 году инженеру удалось создать первое телевизионное устройство, в основу которого легла передающая электронная трубка с мозаичным фотокатодом. Однако новое начальство не воспринимало работы ученого всерьез, так что долгое время Зворыкину приходилось вести исследования самостоятельно, в условиях крайне ограниченных ресурсов. Возможность вернуться к полноценной исследовательской деятельности представилась Зворыкину лишь в 1928 году, когда ученый познакомился с другим эмигрантом из России Давидом Сарновым, занимавшим на тот момент пост вице-президента компании Radio Corporation of America (RCA). Найдя идеи изобретателя весьма перспективными, Сарнов назначил Зворыкина руководителем лаборатории электроники RCA, и дело сдвинулось с мертвой точки.

В 1929 году Владимир Козьмич представил рабочий прототип высоковакуумной телевизионной трубки (кинескопа), а в 1931 году завершил работу над принимающим устройством, названным им иконоскоп (от греч. eikon образ и skopeo смотреть). Иконоскоп представлял собой вакуумную стеклянную колбу, внутри которой были закреплены светочувствительная мишень и расположенная под углом к ней электронная пушка.


Принципиальная схема иконоскопа

Светочувствительная мишень размером 6 19 см была представлена тонкой пластиной изолятора (слюды), на одну сторону которой были нанесены микроскопические (размером в несколько десятков микрон каждая) серебряные капли в количестве около 1 200 000 штук, покрытые цезием, а на другую сплошное серебряное покрытие, с поверхности которого и снимался выходной сигнал. При освещении мишени под действием фотоэффекта капельки серебра приобретали положительный заряд, величина которого зависела от уровня освещенности.


Оригинальный иконоскоп в экспозиции Чешского национального музея техники

Иконоскоп лег в основу первых систем электронного телевидения. Его появление позволило значительно улучшить качество передаваемой картинки за счет многократного увеличения числа элементов в телевизионном изображении: с 300 400 точек в первых моделях до 1000 1000 точек в более совершенных. Хотя устройство не было лишено определенных недостатков, к числу которых необходимо отнести низкую чувствительность (для полноценной съемки требовалась освещенность не менее 10 тысяч люкс) и трапецеидальные искажения, вызванные несовпадением оптической оси с осью лучевой трубки, изобретение Зворыкина стало важной вехой в истории видеонаблюдения, во многом определив дальнейший вектор развития отрасли.

На пути от аналога к цифре

Как это часто бывает, развитию тех или иных технологий способствуют военные конфликты, и видеонаблюдение в данном случае не является исключением. В годы Второй мировой войны Третий рейх начал активную разработку баллистических ракет дальнего действия. Однако первые прототипы знаменитого оружия возмездия Фау-2 не отличались надежностью: ракеты частенько взрывались на старте или падали вскоре после взлета. Поскольку продвинутых систем телеметрии тогда еще в принципе не существовало, единственным способом определить причину неудач являлось визуальное наблюдение за процессом пуска, вот только дело это было крайне рискованным.


Подготовка к запуску баллистической ракеты Фау-2 на полигоне в Пенемюнде

Чтобы облегчить задачу разработчикам ракетного вооружения и не подвергать их жизни опасности, немецкий электротехник Вальтер Брух сконструировал так называемую CCTV-систему (Сlosed Circuit Television система телевидения замкнутого контура). Необходимое оборудование было установлено на полигоне в Пенемюнде. Творение немецкого электротехника позволило ученым наблюдать за ходом испытаний с безопасного расстояния в 2,5 километра, не опасаясь за собственные жизни.

При всех достоинствах система видеонаблюдения Бруха имела весьма существенный недостаток: в нем отсутствовало устройство видеофиксации, а значит, оператор не мог ни на секунду отлучиться со своего рабочего места. Серьезность данной проблемы позволяет оценить исследование, проведенное IMS Research уже в наше время. Согласно его результатам, физически здоровый, хорошо отдохнувший человек будет упускать из виду до 45% важных событий уже спустя 12 минут наблюдения, а через 22 минуты этот показатель достигнет отметки 95%. И если в сфере испытаний ракетного вооружения данный факт не играл особой роли, так как ученым не нужно было сидеть перед экранами несколько часов кряду, то применительно к охранным системам отсутствие возможности видеофиксации заметно сказывалось на их эффективности.

Так продолжалось вплоть до 1956 года, когда свет увидел первый видеомагнитофон Ampex VR 1000, созданный опять же нашим бывшим соотечественником Александром Матвеевичем Понятовым. Подобно Зворыкину, ученый принял сторону Белой армии, после поражения которой сперва эмигрировал в Китай, где на протяжении 7 лет проработал в одной из электроэнергетических компаний Шанхая, затем некоторое время жил во Франции, после чего в конце 1920-х годов переехал на постоянное жительство в США и получил в 1932 году американское гражданство.


Александр Матвеевич Понятов и прототип первого в мире видеомагнитофона Ampex VR 1000

В течение последующих 12 лет Понятов успел поработать в таких компаниях, как General Electric, Pacific Gas and Electric и Dalmo-Victor Westinghouse, однако в 1944 году принял решение основать собственное дело и зарегистрировал Ampex Electric and Manufacturing Company. Поначалу Ampex специализировалась на производстве высокоточных приводов для систем радиолокации, однако после войны деятельность компании была переориентирована на более перспективное направление производство устройств магнитной звукозаписи. В период с 1947 по 1953 год компания Понятова выпустила несколько весьма удачных моделей магнитофонов, нашедших применение в сфере профессиональной журналистики.

В 1951 году Понятов и его главные технические советники Чарльз Гинзбург, Вейтер Селстед и Мирон Столяров решили пойти дальше и разработать видеозаписывающее устройство. В том же году ими был создан прототип Ampex VR 1000B, использующий принцип поперечно-строчной записи информации вращающимися магнитными головками. Такая конструкция позволяла обеспечить необходимый уровень производительности для записи телевизионного сигнала с частотой несколько мегагерцев.


Схема поперечно-строчной записи видеосигнала

Первая коммерческая модель серии Apex VR 1000 увидела свет спустя 5 лет. На момент релиза устройство продавалось за 50 тысяч долларов, что по тем временам было огромной суммой. Для сравнения: вышедший в том же году Chevy Corvette предлагали всего за $ 3000, а этот автомобиль относился, на минуточку, к категории спорткаров.

Именно дороговизна оборудования в течение долгого времени оказывала сдерживающее влияние на развитие видеонаблюдения. Чтобы проиллюстрировать данный факт, достаточно сказать, что в ходе подготовки к визиту тайской королевской семьи в Лондон полиция установила на Трафальгарской площади лишь 2 видеокамеры (и это для обеспечения безопасности первых лиц государства), а по окончании всех мероприятий охранная система была демонтирована.


Королева Великобритании Елизавета II и принц Филипп, герцог Эдинбургский, встречают короля Таиланда Пхумипона и королеву Сирикит

Появление функций приближения, панорамирования и разворота по таймеру позволило оптимизировать расходы на построение охранных систем за счет сокращения количества устройств, необходимых для контроля территории, однако реализация подобных проектов все еще требовала немалых денежных вложений. Так, например, разработанная для города Олеан (штат Нью-Йорк) городская система видеонаблюдения, введенная в эксплуатацию в 1968 году, обошлась городским властям в 1,4 миллиона долларов, а на ее развертывание ушло 2 года, и это при том, что вся инфраструктура была представлена лишь 8 видеокамерами. И разумеется, ни о какой круглосуточной записи речи тогда не шло: видеомагнитофон включался лишь по команде оператора, ведь и пленка, и само оборудование были слишком дорогими, и об их эксплуатации в режиме 24/7 не могло быть и речи.

Все изменилось с распространением стандарта VHS, появлением которого мы обязаны японскому инженеру Сидзуо Такано, работавшему в компании JVC.


Сидзуо Такано, создатель формата VHS

Формат предполагал использование азимутальной записи, при которой задействуются сразу две видеоголовки. Каждая из них записывала одно телевизионное поле и имела рабочие зазоры, отклоненные от перпендикулярного направления на одинаковый угол 6 в противоположные стороны, что позволяло снизить перекрестные помехи между соседними видеодорожками и значительно уменьшить промежуток между ними, повысив плотность записи. Видеоголовки располагались на барабане диаметром 62 мм, вращающемся с частотой 1500 оборотов в минуту. Кроме наклонных дорожек видеозаписи, вдоль верхнего края магнитной ленты записывались две дорожки звукового сопровождения, разделенные защитным промежутком. Вдоль нижнего края ленты записывалась управляющая дорожка, содержащая кадровые синхроимпульсы.

При использовании формата VHS на кассету писался композитный видеосигнал, что позволяло обойтись единственным каналом связи и существенно упростить коммутацию между принимающим и передающим устройствами. Кроме того, в отличие от популярных в те годы форматов Betamax и U-matic, где использовался U-образный механизм заправки магнитной ленты с поворотной платформой, что было характерно и для всех предыдущих кассетных систем, формат VHS был основан на новом принципе так называемой М-заправки.


Схема М-заправки магнитной пленки в кассете VHS

Извлечение и заправка магнитной ленты осуществлялись при помощи двух направляющих вилок, каждая из которых состояла из вертикального ролика и наклонной цилиндрической стойки, определяющей точный угол захода ленты на барабан вращающихся головок, который обеспечивал наклон дорожки видеозаписи к базовому краю. Углы захода и схода ленты с барабана были равны углу наклона плоскости вращения барабана к основанию механизма, благодаря чему оба рулона кассеты находились в одной плоскости.

Механизм М-заправки оказался более надежным и помогал снизить механическую нагрузку на пленку. Отсутствие поворотной платформы упрощало изготовление как самих кассет, так и видеомагнитофонов, что благоприятно отражалось на их себестоимости. Во многом благодаря этому VHS одержал уверенную победу в войне форматов, сделав видеонаблюдение по-настоящему доступным.

Видеокамеры также не стояли на месте: на смену устройствам с электронно-лучевой трубкой пришли модели, выполненные на базе ПЗС-матриц. Появлением последних мир обязан Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту, работавшим в AT&T Bell Labs над полупроводниковыми накопителями данных. В ходе своих исследований физики обнаружили, что созданные ими интегральные микросхемы подвержены действию фотоэлектрического эффекта. Уже в 1970 году Бойл и Смит представили первые линейные фотоприемники (ПЗС-линейки).

В 1973 году серийный выпуск ПЗС-матриц разрешением 100 100 пикселей начала компания Fairchild, а в 1975 году Стив Сассон из компании Kodak создал на базе такой матрицы первый цифровой фотоаппарат. Однако им совершенно невозможно было пользоваться, поскольку процесс формирования изображения занимал 23 секунды, а его последующая запись на 8-миллиметровую кассету длилась в полтора раза дольше. К тому же в качестве источника питания для камеры использовались 16 никель-кадмиевых батарей, и весило все это добро 3,6 кг.


Стив Сассон и первый цифровой фотоаппарат Kodak в сравнении с современными мыльницами

Основной же вклад в развитие рынка цифровых камер внесла корпорация Sony и лично Кадзуо Ивама, возглавлявший в те годы Sony Corporation of America. Именно он настоял на инвестировании огромных средств в разработку собственных ПЗС-чипов, благодаря чему уже в 1980 году компания представила первую цветную ПЗС-видеокамеру XC-1. После смерти Кадзуо в 1982 году на его могиле была установлена надгробная плита с вмонтированной в нее ПЗС-матрицей.


Кадзуо Ивама, президент Sony Corporation of America в 70-х годах XX века

Ну а сентябрь 1996 года ознаменовался событием, которое по важности можно сравнить с изобретением иконоскопа. Именно тогда шведская компания Axis Communications представила первую в мире цифровую камеру с функциями веб-сервера NetEye 200.


Axis Neteye 200 первая в мире IP-камера

Даже на момент релиза NetEye 200 сложно было назвать видеокамерой в привычном смысле этого слова. Устройство уступало своим собратьям буквально по всем фронтам: его производительность варьировалась от 1 кадра в секунду в формате CIF (352 288, или 0,1 Мп) до 1 кадра за 17 секунд в 4CIF (704 576, 0,4 Мп), причем запись сохранялась даже не в отдельном файле, а в виде последовательности JPEG-изображений. Впрочем, главной фишкой детища Axis была вовсе не скорость съемки и не четкость картинки, а наличие собственного RISC-процессора ETRAX и встроенного Ethernet-порта 10Base-Т, что позволяло подключать камеру напрямую к роутеру или сетевой плате ПК как обычное сетевое устройство и управлять ею с помощью поставляемых в комплекте Java-приложений. Именно это ноу-хау заставило кардинально пересмотреть свои взгляды многих производителей систем видеонаблюдения и на долгие годы определило генеральный вектор развития индустрии.

Больше возможностей больше затраты

Несмотря на бурное развитие технологий, даже по прошествии стольких лет финансовая сторона вопроса остается одним из ключевых факторов при проектировании систем видеонаблюдения. Хотя НТП и поспособствовал значительному удешевлению оборудования, благодаря чему сегодня собрать систему, аналогичную той, что установили в конце 60-х в Олеане, можно буквально за пару сотен долларов и пару часов реального времени, подобная инфраструктура уже не способна удовлетворить многократно возросшие потребности современного бизнеса.

Во многом это объясняется смещением приоритетов. Если раньше видеонаблюдение использовалось лишь для обеспечения безопасности на охраняемой территории, то сегодня главным драйвером развития индустрии (по оценке Transparency Market Research) является ретейл, которому такие системы помогают решать разнообразные маркетинговые задачи. Типичный сценарий определение коэффициента конверсии на основе сведений о числе посетителей и количестве клиентов, прошедших через кассовые стойки. Если добавить сюда систему распознавания лиц, интегрировав ее с действующей программой лояльности, то получим возможность исследования поведения покупателей с привязкой к социально-демографическим факторам для последующего формирования персонализированных предложений (индивидуальных скидок, бандлов по выгодной цене и т. д.).

Проблема заключается в том, что внедрение подобной системы видеоаналитики чревато существенными капитальными и операционными затратами. Камнем преткновения здесь является распознавание лиц покупателей. Одно дело сканирование лица анфас на кассе при бесконтактной оплате, и совсем другое в потоке (в торговом зале), под разными углами и в разных условиях освещения. Здесь достаточную эффективность способно продемонстрировать лишь трехмерное моделирование лиц в реальном времени с использованием стереокамер и алгоритмов машинного обучения, что приведет к неизбежному росту нагрузки на всю инфраструктуру.

Учитывая это, компания Western Digital разработала концепцию Core to Edge storage for Surveillance, предложив клиентам исчерпывающий набор современных решений для систем видеорегистрации от камеры до сервера. Сочетание передовых технологий, надежности, емкости и производительности позволяет выстроить гармоничную экосистему, способную решить практически любую поставленную задачу, и оптимизировать затраты на ее развертывание и содержание.

Флагманской линейкой нашей компании является семейство специализированных винчестеров для систем видеонаблюдения WD Purple емкостью от 1 до 18 терабайт.


Накопители пурпурной серии были специально разработаны для круглосуточной эксплуатации в составе систем видеонаблюдения высокой четкости и вобрали в себя последние достижения Western Digital в сфере производства жестких дисков.

• Платформа HelioSeal

Старшие модели линейки WD Purple емкостью от 8 до 18 ТБ выполнены на основе платформы HelioSeal. Корпуса этих накопителей абсолютно герметичны, а гермоблок заполнен не воздухом, а разреженным гелием. Снижение силы сопротивления газовой среды и показателей турбулентности позволило уменьшить толщину магнитных пластин, а также добиться большей плотности записи методом CMR благодаря повышению точности позиционирования головки (с применением Advanced Format Technology). Как следствие, переход на WD Purple обеспечивает прирост емкости до 75% в тех же стойках, без необходимости масштабирования инфраструктуры. Помимо этого, накопители с гелием оказываются на 58% энергоэффективнее в сравнении с обычными HDD за счет снижения потребляемой мощности, необходимой для раскрутки и вращения шпинделя. Дополнительная экономия обеспечивается благодаря сокращению затрат на кондиционирование: при одинаковой нагрузке WD Purple оказывается холоднее аналогов в среднем на 5C.

• Технология AllFrame AI

Малейшие перебои во время записи могут привести к потере критически важных видеоданных, что сделает невозможным последующий анализ полученной информации. Чтобы это предотвратить, в прошивку дисков пурпурной серии была внедрена поддержка опционального раздела Streaming Feature Set протокола ATA. Среди его возможностей необходимо выделить оптимизацию использования кэша в зависимости от количества обрабатываемых видеопотоков и управление приоритетом исполнения команд чтения/записи, благодаря чему удается минимизировать вероятность пропуска кадров и появление артефактов изображения. В свою очередь, инновационный набор алгоритмов AllFrame AI обеспечивает возможность эксплуатации винчестеров в системах, обрабатывающих значительное число изохронных потоков: диски WD Purple поддерживают одновременную работу с 64 камерами высокой четкости и оптимизированы для высоконагруженных систем видеоаналитики и Deep Learning.

• Технология Time Limited Error Recovery

Одной из распространенных проблем при работе с высоконагруженными серверами является спонтанный распад RAID-массива, вызванный превышением допустимого времени исправления ошибок. Опция Time Limited Error Recovery помогает избежать отключения HDD в случае, если тайм-аут выходит за рамки 7 секунд: чтобы этого не случилось, накопитель подаст RAID-контроллеру соответствующий сигнал, после чего процедура коррекции будет отложена до момента простоя системы.

• Система мониторинга Western Digital Device Analytics

Ключевые задачи, которые приходится решать при проектировании систем видеонаблюдения, увеличение периода безотказного функционирования и сокращение времени простоя вследствие неисправности. С помощью инновационного программного комплекса Western Digital Device Analytics (WDDA) администратор получает доступ ко множеству параметрических, операционных и диагностических данных о состоянии накопителей, что позволяет оперативно выявлять любые проблемы в работе системы видеонаблюдения, заранее планировать техническое обслуживание и своевременно выявлять жесткие диски, подлежащие замене. Все перечисленное помогает существенно повысить отказоустойчивость охранной инфраструктуры и минимизировать вероятность утраты критически важных данных.

Специально для современных цифровых камер Western Digital разработала линейку высоконадежных карт памяти WD Purple. Расширенный ресурс перезаписи и стойкость к негативным воздействиям внешней среды позволяют использовать данные карточки для оборудования как внутренних, так и внешних камер видеонаблюдения, а также для эксплуатации в составе автономных охранных систем, в которых microSD-карты играют роль основных накопителей данных.


На данный момент серия карт памяти WD Purple включает в себя две продуктовые линейки: WD Purple QD102 и WD Purple SC QD312 Extreme Endurance. В первую вошли четыре модификации флеш-накопителей объемом от 32 до 256 ГБ. По сравнению с потребительскими решениям, WD Purple были специально адаптированы под современные цифровые системы видеонаблюдения за счет внедрения целого ряда важных усовершенствований:

• влагостойкость (изделие способно выдержать погружение на глубину до 1 метра в пресную или соленую воду) и расширенный диапазон рабочих температур (от -25 C до +85 C) позволяют одинаково эффективно использовать карты WD Purple для оснащения как внутридомовых, так и уличных устройств видеофиксации независимо от погодных и климатических условий;
• защита от воздействия статических магнитных полей с индукцией до 5000 Гс и устойчивость к сильной вибрации и ударам вплоть до 500 g полностью исключают вероятность утраты критически важных данных даже в случае повреждения видеокамеры;
• гарантированный ресурс в 1000 циклов программирования/стирания позволяет многократно продлить срок службы карт памяти даже в режиме круглосуточной записи и, таким образом, существенно сократить накладные расходы на обслуживание системы безопасности;
• функция удаленного мониторинга помогает оперативно отслеживать состояние каждой карты и эффективнее планировать проведение сервисных работ, а значит, дополнительно повысить надежность охранной инфраструктуры;
• соответствие классам скорости UHS Speed Class 3 и Video Speed Class 30 (для карт объемом от 128 ГБ) делает карты WD Purple пригодными для использования в камерах высокого разрешения, включая панорамные модели.

Линейка WD Purple SC QD312 Extreme Endurance включает в себя три модели: на 64, 128 и 256 гигабайт. В отличие от WD Purple QD102, эти карты памяти способны выдержать значительно большую нагрузку: их рабочий ресурс составляет 3000 циклов P/E, что делает данные флеш-накопители идеальным решением для эксплуатации на особо охраняемых объектах, где запись ведется в режиме 24/7.