Videotechnika a biztonságtechnikai távfelügyeleti rendszerekben Ladányi Péter*, Patkó Tamás*, dr. Nagy Tamás*, Máthé József*, Nagy Ferenc *Hexium Műszaki Fejlesztő Kft. 1134 Budapest, Váci út 51/b E-mail: mail@hexium.hu Honlap: www.hexium.hu Tel.: (+36 1) 320-8338 Fax.: (+36 1) 340-8072 Kivonat A cikk áttekintést ad a biztonságtechnikai célú képfeldolgozó- és képtovábbító rendszerek jelenlegi műszaki megoldásairól. Részletesen ismerteti egy modern számítógéppel támogatott digitális videorendszer jellemzőit. A szerzők bemutatják a biztonságtechnikai célú mozgás- és jelenlétérzékelést elősegítő, valamint a képátvitel sebességét és a képtárolási kapacitást megnövelő szelektív képtömörítési eljárásukat. 1. Bevezetés A biztonságtechnika területén igen széles körben használnak videomegfigyelő, képrögzítő és képtovábbító berendezéseket. Ezek feladata lehet kritikus helyen dolgozó személy(zet) munkavégzésének ellenőrzése, mozgás- és jelenlétérzékelés segítségével esetleges illetéktelen behatolás/támadás felismerése, a támadó személyének utólagos megállapítása, azonosítása. Igen gyakori a felvett képek azonnali vagy későbbi (előfeldolgozott) továbbítása egy megfigyelő központba, alakfelismerési, képjavítási, képtömörítési feladatok elvégzése. Ezeknek az igényeknek a hagyományosan alkalmazott analóg videorendszerek (time-lapse videomagnók, mozgásérzékelő- és multiplexer egységek) nagyon körülményesen vagy egyáltalán nem tudnak eleget tenni. A rugalmas képvisszakeresés és kijelzés, a nagytávolságú, gyors, jó minőségű, tömörített képátvitel, mozgás- és jelenlétérzékelés csak a modern számítástechnika segítségével képzelhető el. [1] A biztonságtechnikában napjainkban zajlik az őrségváltás, az egyes feladatok analóg-, ill. digitális rendszerrel történő megvalósításának teljesítmény/költség tényezője már a legtöbb alkalmazásban egyértelműen a digitális jelfeldolgozásnak biztosít zöld utat. Különösen fontos katalizátorként működhetnek ebben az átalakulásban a telekommunikációs szolgáltatók, hiszen a jelenleg már rendelkezésre álló átviteli módok (pl.: analóg 33.6 kbites modem, ISDN, ATM) behozhatatlan előnyöket biztosíthatnak a digitális képátvitel számára. A jelenlegi választás csupán gazdasági kérdés. Mi tette lehetővé a biztonságtechnikában ezt a technikai váltást? a digitális információtárolás látványos költségcsökkenése (pl. HDD, DAT) jó minőségű és olcsó képdigitalizáló kártyák megjelenése hatékony veszteséges adattömörítési módszerek realtime működése (pl. JPEG) [5] eredményes képelemző módszerek realtime működése (pl. DCT alapú módszerek) gyors telefonmodemek és kommunikációs módok megjelenése IBM PC számítógépek teljesítmény/ár arányának és megbízhatóságának ugrásszerű javulása (pl. Windows NT, UNIX operációs rendszerek, ipari hardver eszközök) A szerzők a továbiakban áttekintik a biztonságtechnikában szokásos képfeldolgozási feladatokat, és beszámolnak a mozgás- és jelenlétérzékelés, valamint a szelektív képtömörítés egy lehetséges megoldásáról.
2. A biztonságtechnikai videorendszerek követelményei A biztonságtechnikai felhasználású rendszerek speciális elvárásai tipikusan az alábbiak: nagyfelbontású és gyors képdigitalizálás, 24 bites (true color) megjelenítés mozgás- és jelenlétérzékelés hatékony, könnyen elérhető képtárolás, rugalmas képmegjelenítés gyors, jó minőségű képátvitel akár telefonvonalon is folyamatos (24 órás) működés könnyű kezelhetőség rugalmas installálhatóság versenyképes ár 2.1. Nagyfelbontású, színes képdigitalizálás Az IBM-PC kompatibilis képdigitalizáló, ún. grabber kártyák a széleskörű multimédia alkalmazások következtében nagy választékban állnak rendelkezésre, de ezek jelentős része az alacsony felbontás vagy a rendkívül magas ár miatt biztonságtechnikai célokra nem használható. Ezek a speciális alkalmazások (a felismerhetőség, a későbbi azonosítás miatt) megkövetelik a részletgazdag képalkotást, ugyanakkor a mozgó célszemély miatt a kamera látószöge nem csökkenthető tetszőlegesen. A fentiek miatt biztonságtechnikai célokra a gazdaságosan elérhető lehető legnagyobb felbontást kell alkalmazni, amely a jelenlegi rendszerelemek jellemzőit figyelembe véve 768*576-as felbontást jelent (2db 768*288-as összefésült félkép). Jelenleg ennél nagyobb felbontás csak speciális kamerákkal valósítható meg, melyek árban más nagyságrendet képviselnek. A képrögzítési sebességnek az eseményekhez kell alkalmazkodnia, ezért kameránként nagyobbnak kell lennie, mint 1-2 kép/s (24 bit true color üzemmódban). Mivel egy digitalizáló kártyán multiplexer áramkör segítségével egynél több kamera jele (4-6 db) is feldolgozható, magának a képfeldolgozásnak 4-szer, 6-szor nagyobb sebességűnek kell lennie. 2.2. Különlegesen nagyfelbontású és intenzitásmélységű rendszerek Az utóbbi időben egyre több alkalmazás igényel 8 bites képdigitalizálásnál nagyobb intenzitásmélységű 10 vagy 12 bites AD konverterrel működő digitalizáló kártyát. A polgári alkalmazások közül ilyen pl. az orvostechnikai röntgenképek feldolgozása, kiértékelése. A biztonságtechnikában jelenleg nagy tömegben erre jelenleg még nincs fizetőképes kereslet, ugyanakkor ez tovább növelné az átviendő adatmennyiséget. 2.3. Speciális alkalmazások A műszaki kutatás-fejlesztés, az ipar számos területén bizonyos problémák megoldásában nagy segítséget jelenthet a látható tartományon kívüli elektromágneses spektrum vizsgálata. Kiemelt jelentőségű pl. a távoli infravörös tartományban (3µm - 5µm vagy 8µm - 12µm között) működő un. termovíziós kamerák segítségével elérhető információ többlet. Ebben a tartományban történő méréssel érintkezés nélküli hőmérsékletmérést végezhetünk, valódi éjjellátó berendezéshez juthatunk (ezek az igazi 0 lux-os kamerák!) vagy átláthatunk a ködön. A polgári életben az energetikai, a minőségellenőrzési alkalmazások mellett az orvostechnikai a legjelentősebb.
2.4. Mozgás- és jelenlétérzékelés Számos hagyományos biztonságtechnikai rendszerben a mozgás érzékelése egy külön egységgel történik (pl. passzív infra detektor, radar), melynek kimeneti jelét indítójelként felhasználva a kamera által figyelt objektum automatikusan ellenőrizhető. Fejlettebb rendszernek tekinthető a video-mozgásdetektor alkalmazása, ahol a videokamerák jelei egy erre a célra kifejlesztett eszközbe jutnak, amely a mozgás érzékelésekor a megfelelő kimenetet aktivizálja. A kereskedelemben viszonylag széles a választék a video-mozgásdetektorokból. Hátrányuk a kötött érzékelési felbontás, a kimeneti beállítások szűkössége. A számítógéppel segített digitális képfeldolgozó rendszerek nagy előnye, hogy lehetőség van a későbbiekben ismertetésre kerülő digitalizált kép jellemzői alapján történő mozgás- és jelenlétérzékelésre. 2.5. Hatékony, könnyen elérhető képtárolás, rugalmas képmegjelenítés A képeket mozgóalkatrész nélküli SRAM diszken (jellemzően 2.88 MB) és hagyományos HDD (4 GB felett) egységen tároljuk. Az SRAM diszk lehetővé teszi a gyors átmeneti tárolást és előfeldolgozást, fokozva a rendszer megbízhatóságát. A manapság tipikusnak mondható 4 GB-os Winchester kapacitás kb. 120 ezer 768*576 felbontású 8 bites grayscale-s videokép információ-vesztéses JPEG tömörítésű tárolását teszi lehetővé. A képek különféle szoftverszűrők segítségével (dátum, esemény típus, kamera, stb.) egyszerűen visszakereshetők, kinyomtathatók vagy praktikus DAT/CD eszközökön archiválhatók. Kritikus körülmények között működő egységekbe kizárólag mozgóalkatrész nélküli SRAM és FLASH diszket tanácsos szerelni és ipari 24/7 kategóriájú PC egységeket célszerű használni. Jelenleg az egyik leghatékonyabb ipari CPU kártya az ICP gyártmányú Duál Pentium II 333 MHz-es processzorokkal működő rendszer. [8] Az analóg technikát alkalmazó biztonságtechnikai videomegfigyelő rendszerekben a megfigyelő monitoron használt képmegosztási technika rugalmatlanságát felváltotta a számítógépes kép-megjelenítés. Minden eseményhez naplósor tartozik, az operátort a riasztási eseményekhez rendelt képernyő oldalakon részletes információ segíti a hatékony intézkedés végrehajtásában. 2.6. Képátvitel A biztonságtechnikai digitális képfeldolgozó rendszerek jelentős része rendelkezik telefonvonalas adatátviteli modullal. A jelenleg kapható relatíve gyors analóg modemekkel alacsonyabb felbontás mellett (384*288) JPEG szerű tömörítés felhasználásával másodpercen belüli képátvitel is elérhetővé vált. Tovább csökkenthetjük a képátviteli időt a képen belül többféle tömörítési tényező beállításával. Ezekre kidolgozott megoldásainkat többek között a [6] hivatkozásban mutattuk be. Természetesen a legegyszerűbb, de a legdrágább módja a képátvitel meggyorsításának a nagyobb kapacitású kommunikációs csatornák (ISDN, ATM) alkalmazása. Jelenleg ezek széleskörű elterjedését gazdasági okok akadályozzák. 2.7. Egyéb feltételek A felhasználás jellegéből adódóan elengedhetetlen fontosságú szempont a hardver és szoftver elemek folyamatos 24 órás megbízható, stabil működése. Erre a hagyományos IBM
PC kompatibilis hardvereszközök nagy része alkalmatlan. Ezekre a célokra speciális eszközöket kell felhasználni. [4] Ugyanilyen fontosságú az operációs rendszer és más szoftver elemek kiválasztásának kérdése. Külön kell foglalkozni a kezelhetőség kérdésével. Tapasztalataink szerint a felhasználók számítástechnikai, angol nyelvi és egérhasználói képességét a biztonságtechnikai rendszerek fejlesztői túlértékelik. Sok éves fejlesztői és üzemeltetői tapasztalattal a hátunk mögött kijelenthetjük, hogy hazánkban jelenleg csak a magyarul tudó és egeret nem használó rendszerek minősíthetők komoly biztonsági fokozatúnak. A felhasználó erre kiképzett és megfelelő prioritású kóddal felruházott szakemberének nem lehet gond a rendszer aktuális feladatok szerinti önálló (át)installálása. Ez biztonságtechnikai szempontból is nagyon fontos feltétel. A tapasztalatok szerint egy hazai fejlesztésű, számítógéppel segített digitális képfeldolgozó rendszer ára nem feltétlenül drágább, mint egy külföldi hagyományos analóg rendszer, viszont lényegesen olcsóbb, mint a hasonló tudású külföldi rendszerek. [2] [3] 3. Kidolgozott eljárások A jelen cikkben speciálisan biztonságtechnikai alkalmazásokra kifejlesztett eljárásokat mutatunk be, melyek a gyakorlatban már 486DX4 100MHz kategóriájú IBM PC kompatibilis ipari rendszerekben is jól használhatók. Részletesebben a [7] hivatkozásban írunk errõl. 3.1. Számítógépes mozgás és jelenlétérzékelés A mozgás- és jelenlét érzékelés a folyamatosan digitalizált képek intenzitás- vagy színértékei alapján tisztán szoftveres úton történik. Ezáltal egyszerű, gyors és rugalmas installációs lehetőség áll rendelkezésre. A mozgás detektálása egyszerű feladat, hiszen csak az egymás után következő képek adatait kell összehasonlítani. Ha a különbség nagyobb egy előre beállított szintnél, akkor mozgás történt. A legközelebbi mozgásvizsgálatnál az utóbbi kép a referencia, ezáltal a fényviszonyok lassú megváltozása sem zavarja meg a rendszert (pl. naplemente). Ha a kamera képei megfelelő sebességgel digitalizálhatók (a gyakorlatban 5-10 kép másodpercenként elegendőnek bizonyult), akkor a mozgásérzékelés a szükséges biztonsággal elvégezhető. A fenti módszernek hátránya, hogy az érzékelés minősége függ a figyelt képrészlet méretétől, és a beállítása sem egyszerű. Ezért a képet apró, 8x8 képpontból álló cellákra osztottuk, és a mozgást külön-külön ezekre a cellákra, mint független egységekre valósítottuk meg. Ezzel a figyelt képrészlet mérete állandó lett, és a cellák csoportosításával a képen tetszőleges felületek jelölhetők ki. A riasztásjelzés a felülethez kötődik, de a felület riasztását a felületben lévő cellák bármelyike adhatja (logikai VAGY). Több felület kijelölésével elkülöníthetők a figyelt terület egyes részei, és szükség esetén eltérő típusú riasztásjelzés adható. Természetesen a módszer más méretű cellákkal is megvalósítható, de tapasztalataink szerint a 8x8-as méret (768*576 képpont esetén) kellően nagy a mozgás érzékeléséhez, viszont elegendően kicsi a tetszőleges felületi beállítások megvalósításához (összesen 6912 cella). Rendszereinkben a cellák érzékenysége szükség esetén egyenként is beállítható, így a képtartalomtól függően tompíthatók a kép egyes részeinek aktivitása. Lehetőség van az érzékenységek automatikus beállítására (automatikus kalibráció), ekkor a szoftver néhány másodpercig figyeli a kamera képét, és beállítja a szükséges érzékenységeket. A megfigyelt területen a művelet ideje alatt biztosítani kell a riasztásmentes nyugalmi állapotot. Bizonyos alkalmazásoknál szükség van arra, hogy a mozgáson kívül a jelenlét is jelzést váltson ki. Erre akkor lehet szükség, ha például a megfigyelt területre belépő személyről nem
csak egy felvételt kell készíteni, hanem az ott tartózkodása alatt folyamatosan rögzíteni kell róla a képeket. Az általunk kifejlesztett eljárásban a jelenlétérzékelés alapja szintén a cellák intenzitásából számított cellaérték. Az algoritmushoz közelítőcellákra van szükség, amelyekhez az új kép cellaértékei viszonyíthatók és amelyek nem azonnal követik a kép mozgásait. A mozgásérzékeléstől eltérően a vizsgálatnál nem az egy fázissal előbb digitalizált kép celláit kell használni referenciaként, hanem ezeket a közelítőcellákat, amelyek mindig az aktuális kép cellaértékeihez fognak "közelíteni". Ezáltal a riasztási információ érzékelése időben a kellő mértékig nyújtható, tehát a jelenlét folyamatos riasztást eredményez. Mivel a vizsgálatot másodpercenként és kameránként igen sokszor el kell végezni, viszonylag egyszerű eljárásra van szükség. Tapasztalataink szerint az alábbi közelítőfüggvény viszonylag jó megoldás az előbbiekben vázolt jelenlétérzékelési problémára: U R N = + R, T ahol N Az új cellaérték R A referencia cellaérték T Időállandó, a közelítés idejét határozza meg U a közelítő függvény, értéke az új referencia cellaérték Látható, hogy a T megfelelő beállításával az aperiodikus függvénymenet (a cellaérték követése) szükséges ideje és meredeksége beállítható. Elméletileg a közelítő cellaértékek sohasem érik el a szükséges értéket, de ez a kerekítések és a pixel-intenzitások diszkrét ábrázolása miatt nem okoz problémát. A mozgásfigyelés is tulajdonképpen ugyanezzel a formulával történik (ekkor T=1). A fenti eljárást a biztonságtechnikai alkalmazás mellett, laboratóriumi körülmények között forgalomirányítási feladatokra is teszteljük. A rendszer éles próbája a közeljövőben várható. 3.2. Szelektív képtömörítés A módszer kifejlesztését a gyors és versenyképes képátvitel és képtárolás katalizálta. A gyakorlatban a megfigyelő számára potenciálisan csak a kép egy része jelent információt, pl.: egy ajtó vagy ablak, ami természetesen a mozgásérzékelő szempontjából forró felület. A háttér már nem hordoz lényegi információt (pl. fák, utcai forgalom), de a képen komoly adatmennyiséget jelent. Célszerű ezen felületek kijelölése és fontosságának megfelelő tömörítés használata. A tömörítés mértékét a kvantáló táblával állítottuk be. Minden érzékeny felülethez külön tömörítési arány rendelhető, amit a mozgás- és jelenlétérzékelő felületeihez hasonlóan a felhasználó állíthat be. Ezzel a módszerrel, a képtartalomtól függően, további 2-5-szörös tömörítést értünk el, amivel nagymértékben sikerült gyorsítanunk a képátvitelt és jobban kihasználnunk a háttértárak képtárolási kapacitását.
Hivatkozások 1. Michael Gwozdek: Digitális képrögzítés pénzintézetekben, Magyar Biztonságtechnika, 2. szám 10-11. és 3. szám 14-15., 1997. 2. HV-PCI6 PCI video-digitalizáló kártya, Hexium műszaki ismertető, 1997. szeptember 3. GTC-Vidoc biztonságtechnikai képfeldolgozó rendszer, Hexium műszaki ismertető, 1997. szeptember 4. Axiom Technology Co., Ltd.: The 1996 new product catalog, Vol. 621 master catalog, 1996. 5. C.Wayne Brown and Barry J. Sheperd: Graphics File Formats, Manning Publications Co., 1995. 6. Ladányi Péter, Patkó Tamás, Máthé József, Nagy Tamás: Képfeldolgozás a biztonságtechnikában, KEPAF konferencia, Keszthely 1997. október 9-11. 7. Ladányi Péter, Patkó Tamás, Máthé József, Nagy Tamás: Digitális videorendszerek (cikksorozat), Magyar Biztonságtechnika, II. évfolyam (1998.) 2-4. szám 8. ICP katalógus, ROCKY-228 Dual Pentium II Processor SBC, 1998. szeptember