Транспортные и мультисервисные системы и сети связи.-1

Рис. 3.3.1. Итерации восстановления изображения из кода

Процесс разбиений продолжается до тех пор, пока очередной подблок не будет состоять из одного пиксела.

В качестве примера построения фрактального изображения приведем общеизвестный треугольник Серпинского.

151

Рис. 3.3.2. Треугольник Серпинского

Алгоритмический шаг машины состоит в построении с помощью проецирования по исходному изображению нового. Утверждается, что на некотором шаге изображение перестанет изменяться. Оно будет зависеть только от расположения и характеристик линз и не будет зависеть от исходной картинки. Это изображение называется неподвижной точкой или аттрактором данной IFS. Collage Theorem гарантирует наличие ровно одной неподвижной точки для каждой IFS. Поскольку отображение линз является сжимающим, каждая линза в явном виде задает самоподобные области в нашем изображении. Благодаря самоподобию мы получаем сложную структуру изображения при любом увеличении.

Наиболее известны два изображения, полученных с помощью IFS треугольник Серпинского и папоротник Барнсли Первое задается тремя, а второе - питью аффинными преобразованиями (или, в нашей терминологии, линзами). Каждое преобразование задается буквально считанными байтами, в то время, как изображение, построенное с их помощью, может занимать и несколько мегабайт.

Становится понятно, как работает архиватор, и почему ему требуется так много времени. Фактически, фрактальная компрессия - это поиск самоподобных областей в изображении и определение для них параметров аффинных преобразований.

В худшем случае, если не будет применяться оптимизирующий алгоритм, потребуется перебор и сравнение всех возможных фрагментов изображения разного размера. Даже для небольших изображений при учете дискретности мы получим астрономическое число перебираемых вариантов. Даже резкое сужение классов преобразований, например, за счет масштабирования только в определенное число раз, не позволит добиться приемлемого времени. Кроме того, при этом теряется качество изображения. Подавляющее большинство исследований в области фрактальной компрессии сейчас направлены на уменьшение времени архивации, необходимого для получения качественного изображения.

152

3.4Оценка потерь и способы их регулирования

До сих пор мы не затронули несколько важных вопросов. Например, что делать, если алгоритм не может подобрать для какого-либо фрагмента изображения подобный ему? Достаточно очевидное решение - разбить этот фрагмент на более мелкие и попытаться поискать для них. Однако понятно, что процедуру эту нельзя повторять до бесконечности, иначе количество необходимых преобразований станет так велико, что алгоритм перестанет быть алгоритмом компрессии. Следовательно, допускаются потери в какой-то части изображения.

Для фрактального алгоритма компрессии, как и для других алгоритмов сжатия с потерями, очень важны механизмы, с помощью которых можно будет регулировать степень сжатия и степень потерь. К настоящему времени разработан достаточно большой набор таких методов. Во-первых, можно ограничить количество преобразований, заведомо обеспечив степень сжатия не ниже фиксированной величины. Во-вторых, можно потребовать, чтобы в ситуации, когда разница между обрабатываемым фрагментом и наилучшим его приближением будет выше определенного порогового значения, этот фрагмент дробился обязательно (для него обязательно заводится несколько линз). Втретьих, можно запретить дробить фрагменты размером меньше, допустим, четырех точек. Изменяя пороговые значения и приоритет этих условий, можно очень гибко управлять коэффициентом компрессии изображения: от побитного соответствия, до любой степени сжатия.

3.5Возможности масштабирования

IFS задает фрактальную структуру, сколь угодно близкую к нашему изображению. При внимательном рассмотрении процесса построения изображения с ее помощью становится понятно, что восстанавливаемое изображение может иметь любое разрешение.

На этапе архивации проводится распознавание изображения, и в виде коэффициентов хранится уже не растровая информация, а информация о структуре самого изображения. Именно это и позволяет при развертывании увеличивать его в несколько раз. Особенно впечатляют примеры, в которых при увеличении изображений природных объектов проявляются новые детали, действительно этим объектам присущие (например, когда при увеличении фотографии скалы она приобретает новые, более мелкие неровности).

Однако если изображение однородно (на фотографии только скала), то при увеличении получаются отличные результаты, однако, если сжимать изображение натюрморта, то предсказать, какие новые фрактальные структуры возникнут, очень сложно. Впрочем, вдвоевтрое можно увеличить практически любое изображение, при архивации которого задавалась небольшая степень потерь.

3.6Сжатие видеопоследовательностей

Ещѐ одна проблема состоит в том, как эффективно использовать схожесть последовательных кадров при сжатии видео. В ранних алгоритмах, таких как Motion JPEG, этот фактор игнорировался, и кадры сжимались индивидуально. MPEG использует алгоритм сравнения блоков, который старается выделить участки, изменившиеся при смене кадра. Блоки же, которые не изменились, можно не сохранять. При третьем подходе, удобном для вейвлетного сжатия, время рассматривается как третье измерение массива данных, к которому применяется алгоритм Малла. Отсутствие перемещений проявляется в обнулении соответствующих деталей по временному направлению. Эксперименты показывают, что этот метод даѐт хорошие результаты, хотя и требует больших вычислений.

153

Надо заметить, что вейвлет-преобразование само по себе ничего не сжимает. Оно лишь осуществляет препроцессинг изображения, после которого эффективность обычных методов сжатия резко возрастает, причѐм даже при использовании универсальных алгоритмов и программ (таких, как LZW и pkzip), не адаптированных к конкретной задаче. Впрочем, использование методов кодирования, учитывающих структуру вейвлет-преобразования, может существенно повысить степень сжатия. Один из широко используемых методов такого типа — метод нуль-дерева (англ. zero-tree compression). Он основан на предположении, что если некоторая область изображения не содержит нетривиальной информации на некотором уровне разрешения, то с большой вероятностью она не будет информативной и на более тонком уровне разрешения. Вейвлет-преобразование изображения можно хранить в виде дерева, корнем которого является сильно сглаженная версия оригинала, а ветви, представляющие отдельные блоки, обрываются на том уровне, где дальнейшая обработка не даѐт заметного уточнения. Такое дерево можно с успехом сжать обычными методами типа хаффмановского или арифметического кодирования, которые используются почти во всех алгоритмах сжатия.

3.6Реализации

Наиболее известный алгоритм вейвлетной компрессии — JPEG 2000. Вейвлет-компрессия используется также при кодировании в формат DjVu. Существует также множество нестандартизированных алгоритмов кодирования изображений и видео-последовательностей основанных на вейвлет-компрессии и предназначенных для специализированного применения. Например одними из самых известных алгоритмов, применяемых в системах видеонаблюдения является Motion Wavelet и 3D Wavelet. Вейвлет-преобразование в системах видеонаблюдения используется намного чаще по причине преимущества в качестве изображения каждого отдельного кадра видеозаписи. Профессиональное избыточное качество в системах видеонаблюдения необходимо для достоверного ретроспективного анализа событий по видеозаписям.

Формат сжатия MPEG 4

MPEG4 использует технологию так называемого фрактального сжатия изображений. Фрактальное (контурно-основанное) сжатие подразумевает выделение из изображения контуров и текстур объектов. Контуры представляются в виде т.н. сплайнов (полиномиальных функций) и кодируются опорными точками. Текстуры могут быть представлены в качестве коэффициентов пространственного частотного преобразования (например, дискретного косинусного или вейвлет-преобразования).

Диапазон скоростей передачи данных, который поддерживает формат сжатия видео изображений MPEG 4, гораздо шире, чем в MPEG 1 и MPEG 2. Формат сжатия видео изображений MPEG 4 поддерживает широкий набор стандартов и значений скорости передачи данных. MPEG 4 включает в себя методы прогрессивного и чересстрочного сканирования и поддерживает произвольные значения пространственного разрешения и скорости передачи данных в диапазоне от 5 кбит/с до 10 Мбит/с. В MPEG 4 усовершенствован алгоритм сжатия, качество и эффективность которого повышены при всех поддерживаемых значениях скорости передачи данных.

Варианты применения прогрессивных методов сжатия

На данный момент описанные выше методики сжатия видеоизображений широкого применения мало используются. Причин этому факту не видно как таковых. Возможно, патентные проблемы; возможно - неудачный маркетинг. Но факт остается фактом:

154

прогрессивная технология, использование которой могло бы сэкономить экзабайты дискового пространства и терабайты пропускной способности, не используется.

Нами предлагается использовать вейвлет и фрактал сжатие видеопоследовательностей по нескольким направлениям:

•Декодирование принимаемого изображения разрешением 640х480 в виде больших разрешений, таких как 860х640, или например 1024х768 используя свойство масштабируемости фрактального преобразование. Исключив из передаваемого ряда данных информацию о размере изображения производится увеличивающее декодирование видеоряда. С соответствующим сохранением качества и улучшением разрешающей способности графики применяемых в современных интерполяторах и аналогичными свойствами фрактал и вейвлет преобразований.

•Исключив из передаваемого ряда данных информацию о размере изображения производится увеличивающее декодирование видеоряда. С сохранением небольшой полосы пропускания соответствующей небольшим изображениям.

•Использование для передачи видеоизображения современных видео форматов применяющих технологию вейвлет и фрактал преобразования.

•Использование виртуальных вычислительных комплексов таких как LabVIEW и FMAQ Vision для обработки видеоизображения с использованием вейвлет и фрактал преобразований.

Варианты выбора способа и средств обработки видеоряда возможны любые из технологически приемлемых на данный момент развития тех уровня и возможностей.

Как вариант - распространение разных дополнений для сжатия интернет-трафика ведет к увеличению нагрузки на систему. Но нагрузка на систему не идет ни в какое сравнение с увеличением скорости и экономией трафика.

Технология мультикаст

Multicast (англ. групповая передача) — специальная форма широковещания, при которой копии пакетов направляются определѐнному подмножеству адресатов. Наряду с приложениями, устанавливающими связь между источником и одним получателем, существуют такие, где требуется, чтобы источник посылал информацию сразу группе получателей. В качестве таких приложений можно упомянуть дистанционное обучение, рассылку корпоративной информации, репликацию баз данных и информации веб-сайтов и многое другое. При традиционной технологии IP-адресации требуется каждому получателю информации послать свой пакет данных, то есть одна и та же информация передается много раз. Технология групповой адресации представляет собой расширение IP-адресации, позволяющее направить одну копию пакета сразу всем получателям. Множество получателей определяется принадлежностью каждого из них к конкретной группе. Рассылку для конкретной группы получают только члены этой группы.

Технология IP Multicast предоставляет ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционным подходом. Например, добавление новых пользователей не влечет за собой необходимое увеличение пропускной способности сети. Значительно сокращается нагрузка на посылающий сервер, который больше не должен поддерживать множество двухсторонних соединений. Использование групповой адресации позволяет обеспечить доступ корпоративных пользователей к данным и сервисам, ранее недоступным, так как для их реализации с помощью обычной адресации потребовались бы значительные сетевые ресурсы.

155

Впоследнее время широкое распространение приобрели мультимедиа трансляции и видеоконференцсвязь. При использовании традиционной технологии пропускной способности существующих каналов хватает лишь для установления связи с очень ограниченным числом получателей. Групповая адресация снимает это ограничение и получателей может быть любое количество.

Внастоящее время IP Multicast является широко поддерживаемым сетевым стандартом. Все современное сетевое программное обеспечение и аппаратное оборудование поддерживает этот стандарт. Для использования групповой IP-адресации необходима ее поддержка локальной сетью. Что касается глобальной сети, в некоторых случаях допустимо использование «туннелирования» для преодоления участков, эту адресацию не поддерживающих.

Для реализации групповой адресации в локальной сети необходимы: поддержка групповой адресации стеком протокола TCP/IP; программная поддержка протокола IGMP для отправки запроса о присоединении к группе и получении группового трафика; поддержка групповой адресации сетевой картой; приложение, использующее групповую адресацию, например видеоконференция. Для расширения этой возможности на глобальную сеть дополнительно необходима поддержка всеми промежуточными маршрутизаторами групповой

Рис. 3.3.3. Технология IP Multicast

156

адресации и пропускание группового трафика используемыми firewall-ами. В локальной сети можно добиться еще большей оптимизации, используя коммутаторы с фильтрацией группового трафика, автоматически настраивающиеся на передачу трафика только получателям.

Технология IP Multicast использует адреса с 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поддерживается статическая и динамическая адресация. Примером статических адресов являются 224.0.0.1 — адрес группы, включающей в себя все узлы локальной сети, 224.0.0.2 — все маршрутизаторы локальной сети. Диапазон адресов с 224.0.0.0 по 224.0.0.255 зарезервирован для протоколов маршрутизации и других низкоуровневых протоколов поддержки групповой адресации. Остальные адреса динамически используются приложениями.

Для определения членства сетевых устройств в различных группах локальной сети маршрутизатор использует протокол IGMP. Один из маршрутизаторов подсети периодически опрашивает узлы подсети, чтобы узнать, какие группы используются приложениями узлов. На каждую группу генерируется только один ответ в подсети. Для того, чтобы стать членом новой группы, узел получателя инициирует запрос на маршрутизатор локальной сети. Сетевой интерфейс узла-получателя настраивается на прием пакетов с этим групповым адресом. Каждый узел самостоятельно отслеживает свои активные групповые адреса, а когда отпадает необходимость состоять в данной группе, прекращает посылать подтверждения на IGMP-запросы. Результаты IGMP-запросов используются протоколами групповой маршрутизации для передачи информации о членстве в группе на соседние маршрутизаторы и далее по сети.

Основная идея групповой маршрутизации состоит в том, что маршрутизаторы, обмениваясь друг с другом информацией, строят пути распространения пакетов ко всем необходимым подсетям без дублирования и петель. Каждый из маршрутизаторов передает

Рис. 2.7.2. Пример построения сети с использованием IP мультикаст

157

принимаемый пакет на один или несколько других маршрутизаторов, избегая тем самым повторной передачи одного и того же пакета по одному каналу и доставляя его всем получателям группы. Поскольку состав группы со временем может меняться, вновь появившиеся и выбывшие члены группы динамически учитываются в построении путей маршрутизации.

Преимущества построения систем видеонаблюдения на базе IP-видеокамер

Среди достоинств Wi-Fi видеонаблюдения можно выявить следующие особенности:

Высокое качество видеоизображения

В последнее время на рынке появилось значительное количество мегапиксельных IPкамер (1, 2, 3 и даже 5 мегапикселей). Мегапиксельные камеры формируют видеопотоки с достаточно хорошими скоростями обновления (например, 25 кадр/сек при двух мегапикселях или 50 кадр/сек при одном мегапикселе), что подразумевает более высокую информативность изображения, а значит и повышение уровня безопасности в целом.

Высокая дальность применения при использовании направленных антенн Использование дополнительных антенн дает возможность значительно увеличить зону

действия систем беспроводного видеонаблюдения. Это происходит вследствие выноса антенны из помещения и подъема еѐ относительно приемника/передатчика, а также благодаря коэффициенту усиления самой антенны. Так использование только одной направленной антенны в канале приемника увеличивает радиус действия системы в 4-6 раз, в зависимости от условий приема. Следует отметить, что при большой длине кабеля снижения от антенны к приемнику, используя кабель с большими потерями, можно лишиться всех преимуществ использования внешней антенны.

Масштабируемость за счет применения ретрансляторов.

Использование ретрансляционного оборудования позволяет увеличить рабочее расстояние без прокладки кабельных линий.

Возможность транслирования потока от нескольких камер по одной Wi-Fi сети.

Когда используется точка доступа, следует учитывать, что она представляет собой обычный концентратор. При нескольких подключениях видеокамер к одной точке полоса пропускания делится на количество подключенных пользователей. Теоретически ограничений на количество подключенных видеокамер нет, но на практике их число следует ограничивать, исходя из минимально необходимой скорости передачи данных для каждой камеры. Например, одна сетевая камера с разрешением VGA и скоростью 25 кадр/с при небольшом сжатии в самом популярном формате MPEG-4 занимает полосу в 2-2,5 Мбит/с. Это означает, что 10 камер отнимут максимум 25 Мбит/с, то есть точка доступа с полосой пропускания 54 Мбит/с (а с реальной скоростью передачи данных 25 Мбит/с) позволит без проблем принять сигнал от 10 Wi-Fi-видеокамер, а если брать в расчет видеокамеры с более современным сжатием Н.264, то поток от камеры с тем же качеством займет около 0,5-1 Мбит/с. К одной точке доступа можно подключить и больше 25 видеокамер.

Управление поворотными камерами Оператор может наблюдать изображение с камеры, установленной в любой точке и

управлять поворотным или фокусирующим механизмом точно так же, как если бы она была подключена к проводной сети.

Надежность соединения

158

Правильный подбор оборудования, использование внешних узконаправленных антенн (которые, кстати, с помощью кабеля можно удалить от видеокамеры на расстояние до 30 м) и промежуточных точек доступа успешно решают эту проблему.

Защищенность передачи данных

Защита видеоинформации в беспроводных IP-системах видеонаблюдения достигается несколькими способами. Ключевыми среди них являются: применение брандмауэров, использование паролей и шифрование. Брандмауэр работает как электронные "ворота", пропускающие зарегистрированных пользователей и запрещающие доступ неавторизованным лицам. Применение паролей позволяет не только ограничить доступ к системе видеонаблюдения, но и распределить права доступа персонала к определенным видеокамерам. А при шифровании попытки перехвата зашифрованных данных в IP-системе охранного видеонаблюдения становятся бессмысленными, если злоумышленник не знает уникального кода для расшифровки потока данных. Код, в свою очередь, устанавливается системным администратором.

Легитимность использования Wi-Fi

Этот вопрос немного сложнее. Дело в том, что в России применение Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального создания внеофисной беспроводной сети WiFi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. При этом следует напомнить, что действует упрощенный порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400-2483,5 МГц (стандарты 802.11b и g), для получения такого разрешения не требуется обращаться в ГКРЧ.

Глушение сигнала Такая опасность, действительно, существует. Но, во-первых, для того, чтобы полностью

заглушить сигнал, нужен достаточно мощный источник, и, во-вторых, этот источник должен находиться очень близко к радиотракту. Однако даже в этом случае можно попытаться решить проблему с помощью мощных узконаправленных антенн.

Вредность излучения

Мировая организация здравоохранения (World Health Organization) признала излучение Wi-Fi безвредным для здоровья человека. Так, например, излучение от устройств Wi-Fi в среднем в 10-20 раз ниже, чем от обычного сотового телефона.

Экономическая целесообразность.

В отличие от традиционных систем, расширение которых фактически ведет к внушительным дополнительным затратам, использование IP-видео позволяет при расширении системы лишь добавлять IP-камеры или IP-видеосерверы. При наличии локальной вычислительной сети (ЛВС) дальнейшее расширение системы влечет за собой исключительно добавление IP-камер и не требует использования дополнительных линий. С другой стороны, программное обеспечение, которое применяется для записи IP-видео, как правило, рассчитано на дальнейшее расширение, то есть мы имеем дело лишь с закупкой соответствующих лицензий на запись необходимого количества видеоканалов.

Схема лабораторного макета

С учетом поставленной задачи, а именно организовать макет системы IPвидеонаблюдения на основе технологии Wi-Fi , можно выделить следующие блоки, входящие

вструктурную схему:

IP-видеокамеры;

159

Сетевое оборудование;

Компьютер поста видеонаблюдения;

Система коммутации и маршрутизации предназначена для транспортировки видеоданных и служебной информации внутри системы IP-видеонаблюдения. От нее требуется достаточная пропускная способность и защищенность.

Рис. 3.5.1. Макет системы IP-видеонаблюдения

Компьютер поста видеонаблюдения должен быть оснащен удобным и доступным пользовательским интерфейсом. Также он должен обладать хорошими вычислительными мощностями, т.к. на него возлагается задача декомпрессии принимаемого видео. Пространство монитора должно вмещать области отображения от нескольких камер. На компьютере поста охраны должно быть установлено специализированное ПО, позволяющее транслировать видеоданные зарегистрированным пользователям из локальной сети.

Выбор оборудования

Критерии выбора видеокамеры для наружного наблюдения обуславливаются спецификой эксплуатации устройств - для четкого изображения в любое время суток особое значение приобретают разрешение, чувствительность устройства, его стойкость к низким и высоким температурам, взаимодействие оптики с посторонними источниками света, например, лампами освещения и т.д. Следует отметить, что для съемок в ночное время, как правило, устанавливается черно-белый режим, с ИК подсветкой.

Определим основные критерии выбора видеокамеры:

Высокое качество изображения (разрешение, матрица с прогрессивной разверткой);

Поддержка стандартов IEEE802.11b/g;

Персональный беспроводной маршрутизатор;

Сжатие видеопотока

Функциональные возможности;

Стоимость.

В качестве сетевого оборудования в моей системе выступает Wi-Fi router.

Таблица 3.6.1 Сравнение беспроводных IP-видеокамер.

160