Современные методы сбора видеоинформации

Национальный авиационный университет

Кафедра компьютерных информационных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине

Аппаратные средства компьютеризированных систем

контроля и управления на тему «Современные методы сбора видеоинформации»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студентка 501 группы

Кошелева А.С.    

 

Принял:           Остапенко А.С.

 

 

 

 

 

 

Киев   2015 г.

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

Основной особенностью разного рода телерадиоинформационных (мультимедийных) систем является то, что объемы информации, передаваемой ими в прямом направлении (от центральной станции к абонентским станциям) заметно больше тех объемов информации, которые передаются в обратном направлении. Однако на практике часто возникают случаи, когда необходимо решать обратную по отношению к указанной задачу, а именно – задачу передачи больших объемов информации от периферии к центру (задачу сбора информации).

В первую очередь это касается одного из самых неудобных для передачи по радиоканалам вида информации – цифровой видеоинформации, необходимость передачи которой возникает при решении задач видеорепортажа, видеонаблюдения и т. д. Далее мы предлагаем читателям познакомиться с беспроводной системой сбора видеоинформации, предложенной специалистами ЗАО «РОКС». Предлагаемый в ней подход позволяет реализовать наиболее гибкую и эффективную систему сбора видеоинформации.

Изначально подчеркнем две главных особенности предлагаемой системы, которые состоят в том, что, во-первых, данная система является полностью беспроводной, т. е. связь между всеми ее составляющими осуществляется исключительно только по радиоканалам с использованием только беспроводных средств передачи информации.

Во-вторых, данная система является системой реального времени, т. е. используется минимальное сжатие информации, которое сопровождается минимальными задержками при ее обработке.

 

 

 

 

 

 

1. Пункты сбора видеоинформации.

В тех случаях, когда видеоинформация передается по радиоканалам, нет необходимости располагать передатчик далеко от телекамеры. Поэтому пунктом сбора видеоинформации будем считать собственно телекамеру как источник информации и расположенный вблизи нее (а в отдельных случаях – прямо на ней) передатчик вместе взятые.

Поскольку условия использования телекамер достаточно разнообразны, то и оборудование, применяемое в составе пунктов сбора видеоинформации (видеонаблюдения) также отличается большим разнообразием. В первую очередь сказанное относится к телекамерам. Так для видеорепортажа должны использоваться профессиональные или полупрофессиональные телекамеры, которые должны обеспечивать определенные стандарты качества изображения. Эти телекамеры обслуживаются оператором и его помощниками.

С другой стороны, телекамеры для охранного телевидения (видеонаблюдения) отличаются тем, что при более умеренных требованиях к качеству изображения эти телекамеры обычно являются необслуживаемыми, а для расширения возможностей их применения часто используют системы дистанционного управления. С помощью систем дистанционного управления осуществляется наведение телекамер на интересующий объект по двум координатам. Некоторые телекамеры снабжаются трансфокатором, с помощью которого дистанционно изменяется фокусное расстояние объектива и, следовательно, масштаб изображения. Необслуживаемые телекамеры устанавливаются вне помещений и подвергаются неблагоприятным атмосферным воздействиям, от которых должны быть защищены специальными водонепроницаемыми кожухами. Передатчики, которые передают видеоинформацию на приемную станцию, также должны иметь защищенное исполнение. Пример радиолинии «из точки в точку» для передачи видео/аудио информации с обратным радиоканалом управления показан на рисунке 1.

 

 

 

 

Рисунок 1. Радиолиния для передачи видео/аудио сигналов с использованием радиоканала для дистанционного управления телекамерой.

 

Тип используемых радиопередатчиков в свою очередь зависит от характеристик канала передачи. Идеальный канал передачи, в котором нет ни преград на пути распространения радиоволн, ни каких-либо отражающих поверхностей, подвержен только воздействию шумов. Такой канал называют Гауссовским. Для Гауссовских каналов выведены достаточно точные формулы для расчета параметров канала. В реальных наземных каналах передачи картина распространения радиоволн значительно усложнена наличием множества препятствий и отражателей. Излучаемый передатчиком луч испытывает преломления и отражения, в результате чего на приемник приходит не только прямой луч, но и несколько его копий со своими временными задержками. Такой режим распространения называют «многолучевым». Для определения параметров радиоканалов с «многолучевым» режимом распространения радиоволн чаще всего пользуются Рэлеевской моделью канала передачи. Характеристики Рэлеевского канала сильно зависят от длины волны радиосигнала.

Какими бы неблагоприятными ни были условия распространения для стационарных пунктов сбора видеоинформации, их все же с той или иной степенью точности можно предсказать. Предсказать же заранее, какими будут характеристики канала передачи для мобильных пунктов сбора видеоинформации, у которых передатчики не имеют постоянного расположения на местности, не представляется возможным. Поэтому при использовании мобильных пунктов оператор должен быть готов к любым условиям распространения в канале передачи, в том числе и к самым неблагоприятным.

Передатчики стационарных пунктов сбора видеоинформации представляют собой аналоги передающих симплексных радиорелейных станций, использующих антенны с большой степенью направленности и достаточно большими коэффициентами усиления. При размещении передающих антенн на мачтах и крышах зданий необходимо стремиться обеспечить режим «прямой видимости» или близкий к нему на трассе распространения сигнала от пункта сбора видеоинформации к центральной станции. Как пример на рисунке 2 показан вариант расположения на крыше здания стационарного пункта видеонаблюдения с использованием телекамеры купольного типа.

 

Рисунок 2. Пример расположения стационарного пункта видеонаблюдения на крыше здания.

 

2. Мобильные пункты сбора видеоинформации.

Электронная видеожурналистика предполагает работу небольших съемочных групп на местности. Портативные камеры, укомплектованные средствами записи на компакт-кассеты, позволяют команде оператора фиксировать события и передавать информацию о них в студию. Однако возникает множество ситуаций, чаще всего связанных со спортивной журналистикой, которые требуют немедленной передачи видеоинформации в студию, и не допускают применения кабелей для связи с камерой, т.е. радиопередатчики должны быть установлены либо на самой камере (т.н. «накамерные» передатчики), либо на транспортном средстве. Возможность оперативно получать «картинку» очень важна для программ новостей, тем не менее, и другие программы могут нуждаться в том, чтобы репортажная камера была размещена далеко за пределами студии.

Ранее передвижные репортажные станции, смонтированные в автофургоне и снабженные множеством камер, были чуть ли не единственным средством сбора видеоинформации за пределами студии. При этом информация либо записывалась на носитель в мобильной станции, либо «перегонялась» в студию посредством микроволновой линии связи. Обычно для получения требуемого качества требовалась многократная передача. Далее к данным станциям присоединились более мобильные станции, которые использовали малогабаритные камеры, обслуживаемые группой из 2-3 человек.

В тех случаях, когда требуется передача «вживую», могут использоваться камеры, связанные с передвижной станцией с помощью кабелей. Это возможно только в тех случаях, когда репортаж ведется на небольшом расстоянии от мобильной станции, и вокруг нее нет помех. Если полученная информация будет впоследствии использована в вечерних новостях, она может быть записана на носитель.

Однако есть и другие возможности для «живого» репортажа, не требующие использования кабелей. Это, прежде всего, применение т.н. «беспроводных камер», которые в полной мере используют преимущества, предоставляемые модуляцией COFDM.

 

Системы охранного телевидения (видеонаблюдения) также быстро развиваются в разных направлениях. В данной статье мы попытаемся обозначить одно из новых направлений в использовании телевидения в целях охраны, а именно, использование телевизионных средств для охраны движущихся или не имеющих постоянной дислокации объектов. Если объект охраны постоянно перемещается, то зачастую выгоднее использовать одну передвижную станцию видеонаблюдения, чем расставлять стационарные пункты видеонаблюдения по всему маршруту его следования. К сожалению, при этом возникают специфические трудности, связанные с режимом распространения радиоволн между передатчиком мобильного пункта видеонаблюдения и принимающей этот сигнал неподвижной радиостанцией. Большинство этих трудностей удается решить с помощью использования в радиосредствах для передачи и приема видеоинформации (передаваемой в цифровом виде) модуляции COFDM. Этот тип модуляции находит все большее и большее распространение не только при передаче цифрового ТВ, но и в различного вида беспроводных сетях передачи данных. Главным его достоинством в сравнении с другими типами цифровой модуляции является то, что он позволяет радиосредствам осуществлять надежную связь даже в тех случаях, когда между передатчиком и приемником располагаются преграды для прохождения радиоволн, т.е., как говорят, отсутствуют условия "прямой видимости". Если и камера, и радиопередатчик размещены на каком-либо средстве передвижения (автомобиле, вертолете и т. д.), то такой вид пункта видеонаблюдения называют "беспроводной камерой", подчеркивая при этом тот факт, что между камерой и передатчиком отсутствует длинный кабель, а передача сигнала производится по радиоканалу. Структурная схема беспроводной камеры показана на рис. 3.

 

 

 

Рисунок 3. Структурная схема «беспроводной камеры».

3. Принцип COFDM.

При применении беспроводных камер сигнал Video (компонентный или композитный) поступает на кодер MPEG-2 и преобразуется в нем в MPEG 4:2:2 или MPEG 4:2:0 (см. рис 3). Схема эффективной компрессии снижает битовую скорость до уровня, требуемого для передачи по радиоканалу, т.е. до 4-6Мбит/сек. Кодированный MPEG сигнал затем поступает на модулятор, в котором осуществляется модуляция типа Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением и кодированием (COFDM) (см. рис. 4). Этот принцип модуляции успешно используется в наземном телевизионном вещании как один из лучших методов передачи видео - и аудио сигналов через эфир. При модуляции COFDM данные передаются с помощью большого количества несущих. Нормы стандарта DVB-T предоставляют возможность выбора одного из двух режимов, а именно: c 1705-ю несущими или c 6817-ю несущими. Для краткости в литературе эти режимы указываются как 2k и 8k соответственно.

 

 

Рисунок 4. Сигнал COFDM в версии 8к.

Рисунок 5. Структурная схема приемника сигналов COFDM.

 

Это обозначение отражает длину быстрого обратного преобразования Фурье, с помощью которого производится сигнал такого вида. Некоторое количество из общего числа несущих используется для синхронизации приемника и управления им, но основная их часть служит для передачи данных. Сигналы тех несущих, с помощью которых передаются данные, могут быть модулированы QPSK, 16QAM или 64QAM. Перед передачей данные подвергаются

перемежению как внутри структуры пакета, так и по частотам несущих. Благодаря перемежению и помехоустойчивому кодированию с помощью кодов Viterby/Trellis и Reed -Solomon (укороченного типа) достигается высокая достоверность передаваемой информации. Предварительная обработка в передатчике и последующая коррекция в приемнике (см. рисунок 5) позволяют практически без ошибок передавать данные, которые имеют перед помехоустойчивым декодированием коэффициент ошибок на уровне 2х10-4.

Защитный интервал – другой важный параметр надежности передачи информации, если для этого используется COFDM. Защитный интервал – это временной зазор между двумя сопряженными символами COFDM. Он предотвращает влияние символов друг на друга, которое вызвано постоянно изменяющейся задержкой сигнала на трассе его распространения, по крайней мере, до тех пор, пока эта задержка меньше длительности защитного интервала. Самый длительный защитный интервал для режима 8k равен 224мксек, а для режима 2k – 56мксек. Интервал 224мксек соответствует дополнительному пробегу лучом расстояния примерно 56Км. В соответствии со стандартом DVB-T допускаются следующие длительности защитных интервалов, выраженные в долях продолжительности символа: 1/8; 1/16; 1/32. Таким образом, при работе с беспроводной камерой оператор имеет возможность выбирать между режимами 2k и 8k, степенью избыточности помехоустойчивого кода и длительностью защитного интервала. Эти возможности существенно повышают удобство при работе с беспроводной камерой.

В соответствии с рис.3 сигнал с модулятора COFDM поступает на конвертор и усилитель мощности с максимальной выходной мощностью в линейном режиме, равной нескольким ваттам. Такая величина мощности соответствует компромиссу между дальностью покрытия и степенью разряда батареи питания. Выходная частота конвертора и, соответственно, усилителя мощности должна быть перестраиваемой, поскольку в разных странах для решения данных задач выделяются разные диапазоны частот. В основном эти частоты выбираются из полосы 1,99-2,7ГГц.

 

 

 

 

 

4. Выбор режимов беспроводных камер.

В обычных условиях применения беспроводных камер «отдаленное эхо» имеет малый уровень. Это может быть объяснено быстрым затуханием высокочастотных сигналов на трассе распространения. Во многих случаях данное обстоятельство может быть полезным, как, например, при передаче сигнала с движущегося объекта. Согласно некоторым сообщениям в печати тесты радиоканалов, использующих модуляцию COFDM, показали, что режим 8k применим до скоростей перемещения передатчика относительно приемника 80Км/час, в то время как режим 2k применим до скоростей примерно в 4 раза больших, т.е. до 300Км/час.