Рассмотрены проблемы, возникающие при организации видеофиксации связанных событий, когда регистрация изображений выполняется в различных точках пространства различными IP-камерами.
Ключевые слова: IP-камера, видеоряд, синхронизация, регистрация события
Введение
При проведении научно-исследовательских работ возникают ситуации, требующие в процессе проведения эксперимента осуществлять видеофиксацию связанных между событий, причем регистрация должна проводится в различных точках пространства. В [1] предложен вариант построения такой системы регистрации с использованием нескольких широкодоступных типовых WEB-камер, подключаемых к управляющему ПК посредством интерфейса USB 2.0. К сожалению, проводное подключение всех регистрирующих камер напрямую к управляющему ПК не всегда представляется возможным — как из-за ограничений максимальной длины USB-соединителя, обусловленных требованиями стандарта USB 2.0 к временным задержкам в линии, так и в связи с возможными сложностями физической прокладки кабелей.
Средства формирования потоков видеоданных
Предлагается рассмотреть вариант построения системы синхронизированной фиксации нескольких видеопотоков в различных точках пространства с использованием IP-камер, осуществляющих передачу аудио- и видеоданных через локальную сеть посредством беспроводного (Wi-Fi) или проводного (Ethernet) подключения. Такая организация передачи данных позволяет снять ограничение на длину линии связи при проводном подключении. Заметим, что в настоящее время стоимость IP-камер сопоставима со стоимостью WEB-камер.
Современные IP-камеры общего назначения в большинстве своем ориентированы на использование внешних облачных хранилищ, предоставляемых производителем камеры, но на рынке присутствуют и модели, позволяющие транслировать аудио- и видеопотоки на локальный узел, используя специализированные протоколы, например, RTSP (Real Time Streaming Protocol) [2] или ONVIF ( Open Network Video Interface Forum ) [3]. Также поддерживается возможность записи на карту памяти формата microSD. Стандартный функционал IP-камер включает встроенные календарь и часы с возможностью синхронизации со службой точного времени по протоколу NTP [4], а также возможность вставки в передаваемый видеопоток буквенно-цифровой отметки о дате и времени съемки.
Средства регистрации потоков видеоданных
Особенностью процессов, для наблюдениями за которыми и формируется подобная система видеорегистрации, является неопределенность точного времени совершения интересующего события, причем временной интервал до этого события от начала процесса наблюдения может составлять от нескольких минут до нескольких часов, что предполагает необходимость либо долговременной регистрации и сохранения видеоданных, либо возможность регистрации видеоданных только во временном интервале, в котором интересующее событие свершилось. Во втором случае необходимо сформировать некоторые признаки, определяющие начало интересующего события и обеспечить их обнаружение в потоке видеоданных, что нередко представляет собой отдельную непростую задачу.
Схожие требования долговременной регистрации нескольких потоков видеоданных и/или выделение некоторых отдельных событий на них характерны для систем видеонаблюдения. Одним из критериев квазиоптимальности такой системы является минимизация использования уникального оборудования и отказ от разработки специализированных программно-аппаратных решений. Поэтому целесообразно рассмотреть возможность либо использования функции записи на карту памяти, либо применения программных решений, исполняемых на персональном компьютере (ПК) общего назначения.
Вариант использования карт памяти в зависимости от модели камеры может требовать регулярного физического доступа ко всем IP-камерам для получения доступа к записанному видеоряду, хранящемуся на карте памяти, однако он потенциально может обеспечить более высокую стабильность записи видеоданных на носитель.
Для оценки возможностей построения системы регистрации пространственно разнесенных событий использовались следующие IP-камеры:
— IP-камера TP-Link Tapo C100–2 шт.
— IP-камера TP-Link Tapo C110–1 шт.
Таблица 1
Характеристики используемых IP -камер [5, 6]
|
Разрешение видеопотока |
Формат сжатия видеоданных |
Сетевое соединение Wi-Fi |
|
|
TP-Link Tapo C100 |
1920x1080, 1280x720, 640x360 |
AVC/H.264 |
Частота 2,4 ГГц. 11 Мбит/с (802.11b), 54 Мбит/с (802.11g), 150 Мбит/с (802.11n) |
|
TP-Link Tapo C110 |
2304x1296, 1920x1080, 1280x720 |
AVC/H.264 |
Частота 2,4 ГГц. 11 Мбит/с (802.11b), 54 Мбит/с (802.11g), 72,2 Мбит/с (802.11n) |
Эти камеры, к сожалению, не обладают богатыми возможностями управления при записи на внутреннюю microSD карту. В частности, встроенный планировщик задач позволяет устанавливать запуск записи по расписанию только с шагом в 1 час, доступ к записям на внутренней карте памяти возможен только после выемки карты из камеры. Поэтому далее будем рассматривать только вариант использования специализированного программного обеспечения (ПО). В настоящее время доступны как платные, так и распространяемые для бесплатного или условно бесплатного использования программные системы видеонаблюдения. В рамках оценки возможности решения поставленной задачи предложено опробовать в тестовом режиме бесплатное для некоммерческого применения кроссплатформенное ПО Agent DVR [5]. Agent DVD поддерживает ОС семейств Windows, Linux и MacOS. Управление Agent DVD осуществляется посредством WEB-интерфейса с помощью любого из распространенных браузеров — Chrome, Firefox и т. п. Agent DVR допускает использование в пределах локальной сети без необходимости наличия интернет-соединения с сервером разработчика, а также поддерживает работу как с сетевыми источниками видеоданных (IP-камеры), так и с локальными, в том числе и с WEB-камерами.
Конфигурация управляющего ПК:
— центральный процессор — Intel Pentium J4205,
— оперативная память — 8Гб ОЗУ DDR3,
— система хранения — SSD 120Гб, HDD 3Тб,
— ОС — Windows 10;
В процессе эксперимента посредством Agent DVR на протяжении 1 часа осуществлялась одновременная запись находящегося в поле зрения всех 3 камер светодиодного индикатора, активируемого через каждые 5 с. Разрешение видеопотока выбрано одинаковым для всех камер и составляет 1280x720 пикселей. Аудиоданные не фиксировались, преобразование формата сжатия видеоданных источника не осуществлялось. Загрузка используемого центрального процессора Intel Pentium J4205 основным процессом Agent DVR на протяжении всего времени записи не превышала 25 %, используемый объем оперативной памяти — около 300 Мб. IP-камерами осуществлялось наложение на видеоряд информации о дате и текущем времени согласно внутренним часам камер. Внутренние часы IP-камер перед началом эксперимента были синхронизированы со службой точного времени.
Характеристики зарегистрированных видеопотоков имеют отличия. Данные, полученные с камер C100 имеют заявленную постоянную частоту регистрации кадров, равную 15 кадр∙с -1 . Видеопоток, сформированный камерой С110, имеет переменную частоту кадров с максимальным значением 14 кадр∙с -1 . Имеют место небольшие фрагменты поврежденных видеоданных, что обусловлено нестабильностью работы беспроводной сети WiFi из-за наличия множества абонентов в диапазоне частот, используемом камерами для передачи данных
Рис. 1 иллюстрирует начальный этап процесса записи.
Рис. 1. Временная диаграмма начального этапа процесса записи
При регистрации имеет место как различное время начала записи для каждого источника, так и последующее несовпадение времени начала кадров, обусловленное вариациями кадровой частоты в видеопотоках.
Для каждого из полученных видеофайлов производилось определение наличия расхождений по времени посредством покадрового анализа видеопотока и соотнесения момента смены показаний секунд временных отметок, добавляемых в видеоданные IP-камерами и временных меток результирующих файлов на всем их протяжении. Первая смена временной отметки, добавляемой камерами, принималась за начало отсчета. Величины расхождений между временными метками.
Рис. 2. Расхождения между метками времени, встраиваемыми камерами в видеопотоки, и шкалами времени получаемых файлов
Для оценки точности фиксации момента события во всех трех видеофайлах с некоторым шагом визуально осуществлялись:
1) обнаружение с точностью до кадра момента одного и того же изменения состояния наблюдаемого светодиода во всех видеофайлах и фиксация абсолютного времени события;
2) определение ближайшего предшествующего момента одинакового изменения состояния внедренных в видеопотоки меток даты и времени методом покадрового поиска;
3) фиксация временных интервалов между указанными выше событиями для каждого видеоряда.
Результаты эксперимента представлены на рис. 3.
Рис. 3. Оценка точности фиксации момента события для IP-камер по внедренным в видеопоток временным меткам
Выводы
Синхронная регистрация связанных событий в различных точках пространства может быть реализована с помощью IP-камер при использовании встроенных часов этих камер как шкал отсчета времени. Использование беспроводной сети Wi-Fi может приводить к искажениям передаваемых видеоданных, что делает предпочтительным в критичных применениях использовать IP-камеры с проводным интерфейсом Ethernet. При повышенных требованиях к точности определения момента события целесообразно использовать IP-камеры с кадровой частотой 25 или 30 кадр∙с -1 .
Использование для регистрации нескольких связанных видеопотоков программных систем видеонаблюдения позволяет централизовано управлять процессом регистрации и осуществлять его планирование во времени.
Литература:
- P. V. Arakcheev, F. B. Baulin, E. V. Buryi., et al. Juxtapose technique for interconnected events video-streams registered by multiple web-cameras // Progress In Electromagnetics Research Symposium, May 22–25, 2019.
- RFC 2326 — Real Time Streaming Protocol (RTSP). — Текст: электронный // IETF Internet Engineering Task Force: [сайт]. — URL: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2326 (дата обращения: 09.06.2023).
- ONVIF Streaming Specification. — Текст: электронный // ONVIF (Open Network Video Interface Forum): [сайт]. — URL: https://www.onvif.org/specs/stream/ONVIF-Streaming-Spec.pdf?441d4a&441d4a (дата обращения: 09.06.2023).
- RFC 5905 — Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification. — Текст: электронный // IETF Internet Engineering Task Force: [сайт]. — URL: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc5905 (дата обращения: 09.06.2023).
- Agent DVR Userguide. — Текст: электронный // iSpy: Open Source Camera Security Software: [сайт]. — URL: https://www.ispyconnect.com/userguide-agent-dvr.aspx (дата обращения: 09.06.2023).
