Что последует за цифровыми видеорегистраторами: сетевое хранение видеоданных

Технологии цифровой видеозаписи сильно повлияли на отрасль систем видеонаблюдения: покончено с изнашиваемыми компонентами, дорогостоящим обслуживанием, отпала необходимость в бесконечной перемотке ленты, чтобы найти нужный фрагмент.

Цифровая видеозапись принесла с собой четкие изображения, мгновенный доступ к материалу для воспроизведения и многое другое. Но предел ли это? Что еще ждет нас в области цифровой видеозаписи для нужд систем видеонаблюдения? В этой статье -- соображения о путях развития цифрового видеонаблюдения при использовании инфраструктуры информационных технологий (IT), или, иными словами, сетевые технологии. Вы убедитесь, что простой сетевой видеорегистратор устойчив к отказам сети. Используя описываемый ниже принцип ANR (автоматическое восстановление данных в сети), сетевой видеорегистратор может выдержать сбои сети, не жертвуя при этом непрерывностью процесса записи. Приводимая здесь же концепция "виртуального жесткого диска" делает еще один шаг к будущему, снимая наболевшую проблему ограничений емкости дискового пространства.
Начало: от покадровой записи через промежутки времени до цифровых видеорегистраторов

Запись видеоизображения -- одна из важнейших задач в области систем видеонаблюдения; изначально здесь использовались видеомагнитофоны, использующие кассеты стандарта VHS. При использовании склеенной в кольцо ленты в комбинации с небольшими скоростями движения ленты на одну кассету было возможно записать до 4 -- 8 часов видеоизображения. Запись могла бесконечно обновляться без необходимости замены кассеты, фиксируя события за интервал времени, соответствующий емкости кассеты. Меньшие скорости движения ленты и использование покадровой записи через промежутки времени позволили увеличить этот интервал хранения.

Для дальнейшего его увеличения требовалась смена кассет -- ручная или с применением автоматики. Вследствие постоянной работы и механической природы процесса физической записи, пленка и видеоголовки подвергались существенному износу, из чего вытекала необходимость регулярной замены кассет и видеоголовок по графику обслуживания. Из соображений экономии сроки замены стремились максимально растянуть, а иногда и просто игнорировали -- в результате пользователь получал ужасающего качества записи, различить на которых что-либо было почти невозможно.

Еще одним неприятным занятием был поиск нужных видеофрагментов -- он опирался исключительно на аккуратность работников, подписывающих этикетки на кассетах, и состоял в основном из бесконечных перемоток ленты взад-вперед. Положительным моментом в этой технологии было то, что кассеты VHS можно было воспроизвести на широко распространенных видеомагнитофонах этого стандарта, и справиться с этим мог любой.
Спасение -- в цифровых видеорегистраторах

Комбинация доступной технологии сжатия видеоизображения и увеличения емкости жестких дисков сделала возможным появление цифровых видеорегистраторов, где изображения хранятся в оцифрованном и сжатом виде на обычных компьютерных жестких дисках.

Хотя запись на жесткий диск также является магнитной, в отличие от видеоленты, магнитные головки не соприкасаются с поверхностью жестких дисков.

В компьютерном накопителе между головками и поверхностью диска имеется воздушный зазор, поэтому контактный износ поверхности отсутствует. А цифровой характер записи гарантирует, что весь воспроизводимый сигнал является идентичной копией записанного.

Еще одно преимущество цифровых видеорегистраторов -- мгновенный доступ к фрагментам для воспроизведения, даже при одновременно работающей записи. Любой фрагмент видеозаписи немедленно готов к воспроизведению и не требует времени на перемотку и смену носителя. Для облегчения процесса поиска нужных видеофрагментов одновременно с видеоданными возможна запись дополнительной информации -- например, показаний датчиков движения либо метаданных (времени, места, ID телекамеры).

Все эти преимущества привели к значительному росту технологии цифровых видеорегистраторов (DVR) и почти полному вытеснению ими аналоговых решений. В предыдущие годы DVR считался дорогим удоовльствием. В последнее время стоимость этих устройств сравнялась со стоимостью видеомагнитофонов, применявшихся в прошлом, а то и стала ниже. Цифровые видеорегистраторы -- лидирующая технология, в особенности для решений небольшого масштаба.
Но есть и соображения "против"

Для крупных систем решения, основанные на стандартных DVR, имеют ряд недостатков:

Локализация видеовходов: Все видеовходы расположены непосредственно на видеорегистраторе. Любой источник видеоизображения -- к примеру, телекамера -- должен быть подключен кабелями к DVR. В результате -- необходимость значительного вложения средств в прокладку кабеля.

Конструктивное предназначение для работы с аналоговыми источниками: Созданные для "цифрового" будущего сегодняшние DVR, однако, приспособлены для работы только с аналоговыми камерами видеонаблюдения. Имеющиеся модели не способны работать с растущим парком сетевых телекамер.

Ограниченная емкость: Видеорегистраторы имеют ограниченную емкость памяти, которая определяется временем записи на встроенные жесткие диски и размерами поддерживаемых дисков. Для системы с количеством телекамер бОльшим, чем может обслужить один видеорегистратор, нужно применять несколько записывающих устройств. А поиск фрагментов на нескольких DVR отбрасывает нас назад в аналоговую эру: это крайне неудобно.

Работа с мультиплексорами: В наследство от видеомагнитофонов прошлого большинство цифровых видеорегистраторов получили одноканальность. Чтобы одновременно записывать с 4, 9, 16 или более видеовходов, используются встроенные или внешние мультиплексоры. В результате приходится жертвовать частотой кадров, которая для отдельно взятой телекамеры может упасть до нескольких кадров в секунду.

Применение нестандартного оборудования, характерного для систем видеонаблюдения: видеорегистраторы в основном имеют уникальную конструкцию, не поддерживающую возможность подключения и обмена данными с IT-устройствами вроде массивов RAID и стандартного и недорогого сетевого оборудования.

Для того чтобы снять эти ограничения, и была разработана сетевая видеозапись.
NVR -- сетевой видеорегистратор

Сегодня в системах видеонаблюдения используется все большее количество сетевых телекамер. Вместо традиционного видеовыхода эти устройства имеют сетевой интерфейс, подключаемый к обычным сетям Ethernet. Причины популярности так называемых IP-телекамер -- наличие компьютерных сетей в большинстве зданий, а также различные встроенные функции -- такие, как обнаружение движения, анализ видеоизображения и возможность подачи тревожных сигналов. С использованием для передачи видеоданных обычных компьютерных сетей можно сэкономить на прокладке кабелей, и это компенсирует более высокий ценовой уровень сегодняшних IP-телекамер.

Но как же соединить эти IP-камеры с видерегистратором? В большинстве случаев подключение к стандартному видеорегистратору и использование в одной системе одновременно аналоговых и сетевых телекамер осуществить не удастся. Единственный способ подключить IP-камеру к стандартному DVR -- приобрести специальное устройство-декодер, преобразующее цифровой видеосигнал обратно в аналоговый. Этот аналоговый сигнал может быть записан на обычный DVR, который, в свою очередь, его снова оцифровывает и сжимает. Нетрудно представить себе, насколько эта цепочка кодирований-декодирований отразится на качестве сигнала; мягко говоря, она его не улучшит.

Решение описанной проблемы получило название сетевой видеорегистратор (NVR): все цифровые видеоисточники и аналоговые камеры, подключенные к видеосерверам, отдают свои сигналы в общую сеть.

В качестве средства видеозаписи используется компьютер с большим объемом накопителей. Под управлением программы-переключателя NVR осуществляет доступ к удаленным сетевым телекамерам и видеосерверам, записывая поступающие с них видеопотоки на жесткий диск.

Сетевой видеорегистратор -- по сути, стандартный персональный компьютер, подключенный к сети и использующий программное приложение, управляющее потоками цифровых видеоданных. Обычно используется программа, управляющая доступом к видеопотокам в зависимости от расписания по времени либо от активности в кадре. Чаще всего сетевой видеорегистратор имеет средства поиска фрагментов по банкам записанных видеоданных, а также возможности резервного копирования.

Технология цифровой видеозаписи эффективна с точки зрения затрат и является современным способом записи цифрового видеоизображения. С применением IT-концепций типа "сетей хранения данных" (SAN) или "средств хранения, подключенных к сети" (NAS) емкость может быть расширена до нескольких тера- или даже пентабайт. Но, несмотря на эти преимущества, слабым звеном является собственно сеть: нет сети -- нет и записи!
"ANR" -- идея, как избежать потерь данных при отсутствии доступа к сети

В сердце ANR -- возможность учета аварий сети. Причины отсутствия доступа к сети могут быть различны. К примеру:

Авария оборудования: Отказать может любой компонент сети -- от простого кабеля или переключателя до роутера или самого сервера.

Oшибка оператора: При попытке изменить маршрут либо по ошибке возможно неверное подключение кабелей.

Перегрузка сети: Пропускная способность сети во время пикового трафика может оказаться недостаточной для передачи видеоданных.
Шаг 1: Определение состояния сети

Принцип "ANR" основан на определении состояния сети. Осуществляется это так: видеосервер либо IP-камера, с одной стороны, и приложение NVR, с другой, обмениваются диагностическими сообщениями (Live-Check).

Как только состояние сети изменилось -- к примеру, сеть стала недоступна либо снова стала доступна, видеоисточник и NVR создают событие. Информация о событии записывается в базу данных журнала и может быть использована для отсылки сообщения по альтернативным сетям, либо -- при последующем восстановлении функциональности -- по основной сети.

Механизм диагностических сообщений Live-Check позволяет гарантировать то, что и передающее, и принимающее устройства отслеживают и регистрируют в лог-файле доступность сети.
Шаг 2: Принцип двойной записи

Чтобы справиться с задачами записи в те интервалы времени, когда сеть оказывается недоступной, запись должна осуществляться независимо на обоих узлах -- передающем и принимающем (назовем их "источник" и "приемник").

Для этого все видеосерверы и IP-камеры оборудуются собственными средствами записи. Без всякого вмешательства пользователя цифровые данные пропускаются по кольцевому буферу данных, встроенному в телекамеру или видеосервер.

Физическое воплощение этого буфера может быть различным. Примером является стандартный жесткий диск, как это описано выше, либо флэш-память или флэш-накопители, дополнительным преимуществом которых является отсутствие в конструкции каких-либо движущихся частей, что делает их незаменимыми для применения в жестких условиях работы. Для буферизации видеоданных годится и обычная энергозависимая компьютерная память, однако емкость ее обычно невысока, к тому же имеется и риск потери данных при прекращении подачи электропитания.

Емкость средств хранения данных в узле источника прямо пропорциональна ожидаемому времени отключения сети с учетом некоторого запаса. Если, к примеру, видеопоток в 1 Мбит/с, записываемый на центральный сетевой видеорегистратор, нужно обезопасить от сетевых аварий на 8 часов, то емкость средств локального хранения должна составлять примерно 3, 5 Гбайт.

Запас нужен для того, чтобы учесть хранение результатов отложенных процедур, определяющих статус сети, и маркеров редактирования внутри видеопотоков.

Таким образом, в описанном примере рекомендуется емкость 4 Гбайт. Ниже объяснены причины, по которым эту цифру необходимо удвоить -- но 8 Гбайт при теперешних технологиях изготовления жестких дисков -- это не так уж и много.


Из вычислений также ясно, что флэш-память, а тем более стандартные модели памяти могут выдерживать лишь незначительные перерывы в работе сети либо ложные отказы. Доступная емкость флэш-памяти пока еще не превышает 1 Гбайт (блоками по 32 Мбайт).

Шаг 3: Автоматическое восстановление

На рисунке изображен статус записи в узле источника и приемника (NVR) после сбоя пропускной способности сети. Последний шаг в технологии ANR имеет целью восстановить потерянную информацию на видеорегистраторе.



Благодаря процедуре отслеживания изменения состояния сети и источник, и приемник "в курсе" того, что запись на NVR прерывалась. При восстановлении пропускной способности сети запускается процесс автоматического восстановления данных.

Пропущенные на видеорегистраторе данные копируются из соответствующей записи в узле источника, как это схематично изображено на рисунке внизу. В результате испорченная запись незаметным для пользователя образом восстанавливается, и на видеорегистраторе, несмотря на аварию сети, возникает непрерывная запись видеопотоков источника.



Причина необходимого удвоения емкости средств хранения в узле источника -- время, необходимое на копирование пропущенных данных с источника на приемник. Предположим, что в процессе восстановления данных сеть выдержит передачу потока вдвое большей плотности, чем это бывает при обычной передаче видеоизображения (в нашем примере это 1 Мбит/с).

В течение процесса копирования пропущенных данных запись цифрового видеоизображения должна продолжаться как в узле источника, так и на приемнике данных -- NVR, таким образом, удваивается плотность потока данных на все время, в течение которого будет производиться восстановление.

В практике использования современных сетей процесс копирования происходит со значительно бОльшими скоростями -- к примеру, 5 Мбит/с, что существенно снижает требования к емкости буфера в узле передачи.
Виртуальный жесткий диск

Мы уже отметили выше, что узкое место технологии цифровых видеорегистраторов -- ограниченная емкость используемых ими жестких дисков. Количество дисков также не может быть увеличено из-за ограничений пространства в корпусах аппаратов DVR. Обычно изготовителем предоставляется возможность подключения внешних накопителей, но это лишь отодвигает ограничение, не решая собственно проблему.

Кроме этого, запись на более чем один жесткий диск обычно сильно осложняет процедуры поиска видеофрагментов и резервного копирования. В большинстве случаев при заполнении одного жесткого диска система переключает запись потока на следующий, в результате чего возникает перерыв в видеозаписи.

Благодаря наличию в устройствах, составляющих компьютерную видеосистему, сетевого интерфейса, стала возможной реализация идеи "виртуального жесткого диска". Идея позаимствована из сегодняшних компьютерных систем, где виртуальная память используется повсеместно.

Суть в том, что имеющаяся в физическом наличии память -- это всего лишь расширение значительно большего пространства виртуальной памяти, находящейся на жестком диске. Процессор заставляют "поверить" в наличие этой бОльшей памяти с помощью устройства управления памятью (MMU), отвечающего за загрузку и выгрузку областей памяти, в которых процессор непосредственно нуждается в данный момент.

ГруппыРазделы: Верхний уровень . Зарубежные пубТот же принцип вполне переносим и на цифровую видеозапись: локальный диск в корпусе видеосервера или IP?телекамеры рассматривается как сегмент намного большего виртуального диска. В процессе записи видеоинформации на локальный диск тот же самый объем данных уходит в сеть и записывается на устройство сетевого хранения данных. Успешно скопированные в сеть данные затем могут быть стерты с локального диска, при этом освобождается пространство для хранения данных на месте. В результате емкость локального диска оказывается функционально неисчерпаемой -- по крайней мере, пока устройство сетевого хранения в состоянии записывать данные с устройства.

Сетевое оборудование

Некоторые менеджеры и директора по безопасности полагаются на ту информацию о новых моделях видеорегистраторов, которой снабжают их на постоянной основе системные интеграторы либо производители оборудования

Подробнее