Передача изображений по телефонной линии

Вначале были системы slow‑scan TV ( ТВ медленного сканирования). Такая система передавала видеоизображение по телефонной линии с очень маленькой скоростью – один полный кадр черно‑белого изображения передавался десятки секунд. Затем появились системы fast scan TV , которые стали популярной альтернативой системам slow‑scan. Когда готовилось это издание книги, практически вся индустрия видеонаблюдения перешла на использование сети Интернет, которая оказалась прекрасной заменой телефонным коммуникациям при передаче видеоизображения, поскольку Интернет‑коммуникации в большинстве случаев стали настолько же хорошими, как и телефонные. Большинство организаций и частных лиц сейчас имеют высокоскоростные линии связи для подключения к сети Интернет. Как правило, для этого используется уже проложенная телефонная пара проводов (DSL, цифровая абонентская линия). В этом случае скорость передачи выше, чем в системах fast scan . Впрочем, для того чтобы полностью осветить тему, мы немного расскажем и об использовании телефонной линии для передачи изображения в системах видеонаблюдения. Кроме того, возможно, вам еще придется столкнуться с такой ситуацией, когда телефонная линия имеется, а Интернет не подключен.

Концепция медленного сканирования родилась в конце 1950‑х, тогда ею воспользовались операторы радиолюбительской связи. Позже она начала использоваться в видеонаблюдении. Концепция очень проста.

На обоих концах линии связи (как и при любой другой передаче) находятся вполне определенные устройства – передатчик и приемник. Аналоговый видеосигнал, поступающий с телекамеры, преобразуется в цифровой формат. Затем он сохраняется в ОЗУ (RAM) передатчика. Обычно это происходит по внешнему сигналу тревоги или по запросу с приемника. Сохраненное изображение (на этом этапе оно в цифровом формате) частотно модулируется аудиочастотой, которую «слышит» принимающий телефон. Эта частота обычно лежит в пределах 1–2 кГц – на этой частоте ослабление сигнала в телефонной линии минимально. Приемник, получив сигнал, разбирает изображение строка за строкой, начиная с верхнего левого угла, пока изображение на принимающем конце линии не будет преобразовано в аналоговое представление (стоп‑кадр).

Вначале эта концепция была очень медленной, но, учитывая неограниченные расстояния, обеспечиваемые телефонной линией (при наличии совместимого с приемником передатчика), идея стала привлекательной для удаленного мониторинга в системах видеонаблюдения.

Передатчики «slow‑scan » обычно подсоединяются к нескольким телекамерам, так что зритель может просматривать изображения с любой из них. К тому же, любая телекамера может передавать изображение автоматически по сигналу тревоги. Передавать изображение на принимающую станцию могут несколько передатчиков, каждый из которых защищен паролем от несанкционированных зрителей.

Один из способов увеличения скорости передачи заключается в уменьшении разрешения оцифрованного изображения или в использовании только одной четвертой части экрана для изображения с каждой телекамеры. Тогда изначальные 32 секунды можно понизить до 8 секунд для обновления изображения, или те же 32 секунды понадобятся для обновления изображения на полном экране, разделенном на блоки от четырех телекамер. Учитывая, что к этому могут быть добавлены и другие сигналы – аудио или управляющие сигналы для дистанционной активации реле – можно сказать, что исторические начинания становятся все более совершенны.

Системе медленного сканирования, принадлежащей к старому поколению, потребуется 32 секунды, чтобы передать простое, низкого качества изображение с тревожного пункта на станцию слежения. К этому времени надо добавить время дозвона и соединения, в результате более минуты уйдет на передачу первого изображения. Однако медленное сканирование было очень популярно и опережало свое время. Сегодня существуют гораздо более прогрессивные способы передачи видеосигналов по телефонной линии.

Новая технология – Fast Scan (быстрое сканирование) – исходит из той же концепции, но опирается на гораздо более мощные методы обработки изображений и алгоритмы сжатия, что позволяет менее чем за 1 с передать полноцветное изображение. Манипулирование изображением осуществляется в цифровой форме, при этом используются различные методы сжатия, что позволяет еще больше увеличить скорость передачи, сохраняя при этом качество изображения на должном уровне.

Рис. 10.31. Передатчик и приемник быстрого сканировнаия (Fast‑Scan)

Выбирая систему быстрого сканирования, следует учитывать несколько важных факторов:

– Разрешение кадровой памяти (в пикселах)

– Черно‑белое изображение или цветное

– Будут ли одновременно передаваться другие сигналы (часто требуется управление PTZ‑блоком, или активация реле)

– Скорость передачи данных.

В последнем вопросе следует быть очень гибким, так как различные телефонные линии и различные модемы дают различные и пристрастные сравнительные характеристики.

Иногда потребителю нужно просто примерно видеть, что происходит на другом конце линии fast‑scan.

Другим может потребоваться очень четкое (хорошего разрешения) изображение, даже если оно поступает с временной задержкой.

Также важно знать, что еще может быть подсоединено к системе в будущем. Возникнет ли необходимость в дополнительных телекамерах или может на одной из камер будет PTZ‑блок?

Не забудьте, если вам требуется управление PTZ‑блоком, вы должны учитывать задержку между отданной с клавиатуры командой и обновленным изображением, чтобы увидеть, куда направлена камера.

Некоторым это покажется необычным или неприемлемым, но многие производители предлагают интеллектуальное решение. В частности, если используется джойстик, изображение автоматически выбирает более узкую область обзора, которая остается резкой (и больше скорость обновления), так что вы можете видеть, куда направлена камера. После того, как вы отпустите джойстик, изображение восстанавливается до размеров полного экрана.

Другой тип систем предлагает дополнительную интегрированную характеристику – видеодетекторы движения. Система автоматически посылает изображение при обнаружении активности в видеосигнале.

PSTN

Обычная PSTN‑линия (коммутируемая телефонная сеть общего пользования) имеет очень низкую полосу частот от 300 до 3000 Гц, которая считается стандартной (измеренная на 3‑дБм точках, где дБм измеряется относительно 1 мВт при полном сопротивлении телефонной линии 600 Ом). Некоторые называют этот тип линии plain old telephone service или POTS (простая старая телефонная система). PSTN – это аналоговая технология, и как таковая она никогда не может обеспечить постоянной скорости передачи данных, так как много зависит от зашумленности линии.

Теоретически, по такому узкому каналу невозможно передавать видеоизображение в реальном режиме времени на 5 МГц. Однако можно сжать и закодировать сигнал и таким образом повысить скорость передачи – сегодня это под силу большинству передатчиков быстрого сканирования. Технологический взрыв в области компьютеризации, алгоритмов сжатия, быстрых модемов и улучшенных телефонных линий сделал возможным передачу видеоизображений по телефонной линии со скоростями, которые просто невозможно было себе представить во времена первых медленных сканеров.

Раньше уже говорилось, что концепция осталась той же – она аналогична концепции медленного сканирования, но интеллектуальность алгоритмов сжатия (что и как передавать) настолько выросла, что сегодня один кадр цветного видеосигнала очень хорошего разрешения может быть передан менее чем за 1 секунду. Кроме этого, многие устройства могут передавать и другие данные – управляющие и аудиосигналы.

Рис. 10.32. Изображения fast‑scan могут передаваться в квадро‑режиме – для..???..

Усовершенствованные системы быстрого сканирования используют метод обновления изображения, который называется «условное обновление». После передачи начального изображения, пересылается только изменившаяся часть изображения. Это позволяет достичь еще более высокой скорости обновления, чем в базовых системах быстрого сканирования. Другие производители передают полное изображение, но, чтобы достичь аналогичных скоростей передачи, используют соответствующие алгоритмы сжатия.

Чтобы понять, что представляет собой скорость передачи видеоизображения по телефонной линии PSTN, давайте рассмотрим упрощенный пример:

Типичный черно‑белый видеосигнал (разрядность оцифровки – 8 бит) с разрешением 256x256 пикселов состоит из 256x256x8 = 65536 байт информации, что эквивалентно 64 килобайтам цифровых данных (65536/1024) (напомним, что 64=2⁶, 256=2⁸).

Передача информации такого объема по телефонной линии с низкоскоростным модемом 2400 бит/с (как это было во времена систем slow scan) займет у нас примерно 218 секунд (65536x8/2400=218 с).

Если сжать сигнал (возможно сжатие в 10, 20 и более раз), скажем, в 10 раз, то время передачи снизится до 3 секунд. Многие устройства быстрого сканирования на этой скорости посылают первое изображение, а затем передают только изменившиеся части изображения, что значительно снижает время, необходимое для обновления последующих изображений – оно составляет менее секунды.

Передача цветного изображения с таким же разрешением потребует больше времени. Изображение высокого разрешения с качеством выше S‑VHS обычно оцифровывается в формате 512 х 512 с 24‑разядным цветом (по 8 бит на каждый цвет, R,G и В), что равно 512x512x3=786432 байта или 768 килобайт.

Если использовать 10‑кратное сжатие, то информация займет 76 килобайт, что уже несложно будет передать примерно за 76000/14400 = 5 секунд, если использовать модем 14400 бит/с. Все зависит от алгоритма сжатия.

На практике добавляется еще несколько секунд на время дозвона, которое меньше при двухтональном многочастотном наборе (Dual Tone Multi‑Frequency – DTMF) и больше при импульсном наборе.

Во многих системах безопасности используются специализированные телефонные линии, это означает, что после установки линия остается открытой, то есть не происходит потерь времени на установление связи между модемами и задержек при передаче первого изображения.

Завершая разговор о телефонных линиях, нужно подчеркнуть, что теоретический максимум скорости передачи данных по ним составляет 56 кбит/с. На практике скорость передачи данных редко превышает 32 кбит/с, а если телефонная линия очень старая, то скорость передачи данных может упасть до 19 кбит/с и ниже.

ISDN

Для более быстрой передачи следует использовать телефонные линии ISDN (Integrated Services Digital Network , цифровая сеть связи с комплексными услугами), которые имеются во многих промышленно развитых странах.

Линии ISDN были разработаны и начали появляться в середине 1970‑х, примерно тогда же появились ПЗС‑матрицы.

Базовый ISDN‑канал обеспечивает скорость передачи в 64 кбит/с, что существенно улучшает скорость обновления при быстром сканировании. Для сравнения, обычная PSTN‑линия, как уже упоминалось, может дать до 14.4 кбит/с – если линия в очень хорошем состоянии. Некоторые современные модемы могут увеличит скорость передачи (до 56 кбит/с) при помощи встроенных методов сжатия.

ISDN – это цифровая сеть, по которой сигнал передается в цифровом формате, поэтому полоса пропускания задается не в Гц, а в бит/с. В особых случаях, вроде видеоконференций и кабельного ТВ (возможного по телефонной линии), ISDN может использоваться в комбинации с широкополосной ISDN (B‑ISDN‑связь), что позволяет достичь еще более высокой скорости передачи (в несколько раз больше 64 кбит/с) – по меньшей мере это 128 кбит/с при поддержке интеллектуального мультиплексирования нескольких каналов в один.

Блоки для подсоединения устройств к ISDN‑линии называются терминальными адаптерами (Terminal Adapter), а по виду и функциям они очень похожи на модемы, используемые в PSTN‑линиях. Интеллектуальные терминальные адаптеры для подсоединения оборудования к B‑ISDN‑линии называются агрегирующими терминальными адаптерами (Aggregating Terminal Adapter).

Не забудьте, чтобы воспользоваться преимуществами широкополосной ISDN, на обоих концах линии (передающем и принимающем) должна быть ISDN‑связь. Во многих странах ISDN‑связь оплачивается по времени использования.

Сотовая сеть

Передача изображения по мобильным телефонам – возможность привлекательная, особенно на фоне доступных сегодня технологий. Мобильный телефон с модемом в комбинации с ноутбуком легко можно дополнить программными и техническими средствами, необходимыми для обеспечения беспроводной связи и передачи изображений.

Здесь применимы все те же обсуждавшиеся выше принципы и концепции, за исключением скорости передачи, которая в этой сети ниже.

Цифровая сеть дает хорошую помехозащищенность, хотя ее охват в настоящее время не столь широк, как аналоговый мобильный сервис. Цифровая мобильная сеть быстро растет, и роуминг доступен в большинстве промышленно развитых стран. Это значит, что пользователи, находясь за границей, могут направлять вызов в цифровую сеть страны пребывания и делать звонки, не выходя на оператора. Понятно, для активации роуминга пользователь должен сообщить об этом поставщику услуг.

В цифровой сотовой сети возможно получить скорость в 9600 бит/с при использовании модемного режима. Существуют усовершенствованные GSM‑технологии, делающие возможным повышение скорости передачи данных от 9.6 кбит до 14.4 кбит по одному каналу. Мультиплексируя до четырех каналов в один временной интервал, оператор сможет предложить до 57.6 кбит, что в шесть раз выше доступных сегодня скоростей, а технологии сжатия позволят еще более увеличить скорость передачи.

Рис. 10.33. Модем‑карта GSM