Telecamere IP

La tecnologia delle telecamere di rete ha rivoluzionato il modo di fare videosorveglianza ed ha introdotto importantissime novità in termini di risoluzione, archiviazione, intelligenza e scalabilità degli impianti. Nell'articolo che segue verranno descritte le caratteristiche principali di questa tipologia di impianti e saranno evidenziati pregi e difetti rispetto ai sistemi tradizionali.

Precisazione:

Le telecamere di rete vengono chiamate anche megapixel, per via dell'elevata risoluzione, o telecamere IP, poiché utilizzano il protocollo TCP/IP per comunicare in rete. Quando si parla di telecamere di rete bisogna tener presente che ne esistono due tipologie. Il primo tipo è legato alla vecchia concezione di impianto, quindi avremo una telecamera con risoluzione megapixel collegata in rete ma che per poter funzionare richiede la presenza dell'NVR (Network Video Recorder), in quanto è sull'NVR che risiede l'intelligenza del sistema. Questa soluzione ha un costo inferiore ma presenta lo svantaggio della scarsa compatibilità. Infatti questi sistemi comunicano attraverso dei protocolli propietari e sebbene i maggiori costruttori, chi più chi meno, si siano impegnati sull'implementazione di uno standard comune a tutti, standard ONVIF, si corre comunque il rischio, specialmente se si è scelto un prodotto di fascia bassa, di dover rinunciare, magari a causa dell'uscita di produzione del prodotto o peggio ancora della chiusura dell'azienda produttrice, ad ampliamenti futuri o, in caso di guasto dell'NVR, di dover sostituire anche le telecamere IP in campo. Quindi se optate per questa tipologia di impianto verificate che i prodotti siano compatibili con i marchi dei maggiori produttori e che, quantomeno, implementino il protocollo ONVIF.

Il secondo tipo è l'oggetto di questo articolo e verrà ampiamente descritto nei paragrafi successivi, Buona lettura.

Cos'è una telecamera di rete

In un sistema di videosorveglianza tradizionale il ruolo della telecamera è quello di catturare le immagini, di convertirle in un segnale elettrico e di inviarle ad altri apparati come monitor o DVR. Di fatto, possiamo dire che la telecamera è "stupida" in quanto non assolve nessuna funzione intelligente. Infatti in questi sistemi, funzionalità come la connessione remota, la gestione degli allarmi, i tempi e i modi per l'archiviazione delle immagini ecc., vengono assolte dal DVR che diventa cuore e cervello dell'impianto.

Una telecamera di rete, invece, è un apparato intelligente, poiché oltre ad offrire le funzionalità di una telecamera tradizionale, offre anche le funzionalità di un DVR, potendo essa stessa disporre di un web server, di una memoria su cui archiviare le immagini, di ingressi e uscite d'allarme, di canali audio in/out e di un software per la gestione di tali servizi. In un impianto di questo tipo la telecamera è sia cuore che cervello e l'unica cosa di cui necessita, per poter funzionare al meglio, è di una buona infrastruttura di rete.

Funzionamento

In linea di massima, il principio di funzionamento di una telecamera di rete, almeno per ciò che riguarda l'acquisizione delle immagini, è simile a quello descritto nei precedenti paragrafi per le telecamere analogiche, quindi non farò una descrizione dettagliata di ogni componente (descrizione che potrete trovare seguendo i link presenti nell'articolo), ma mi limiterò a mettere in risalto le differenze tra i due sistemi.

Obiettivo

Nei sensori megapixel la stessa quantità di luce deve essere divisa su più fotodiodi, penalizzando la luminosità dell'immagine che risulterà complessivamente più scura. Per attenuare questo problema si fa ricorso a dei particolari obiettivi detti megapixel che lasciano passare una quantità maggiore di luce.

Risoluzione

Nella videosorveglianza tradizionale (analogica) la risoluzione, ossia la quantità di pixel distribuita sul sensore immagine, viene limitata dallo standard pal, che impone una risoluzione di 625 linee tv orizzontali, e dal fatto che la massima risoluzione ottenibile dalla conversione di un segnale video analogico in uno digitale è il formato D1 704X576 pixel, pari a 405.504 pixel. Nella videosorveglianza digitale questi limiti sono stati ampiamente abbattuti e oggi possiamo avvalerci di sensori, detti megapixel, che a parità di dimensione possono contenere milioni di pixel. Per esempio, a 2 Megapixel con 1920X1080 pixel avremo 2.073.600 Pixel, oltre 5 volte la risoluzione di una telecamera normale con risoluzione D1. Un'immagine con risoluzione megapixel conterrà un elevato numero di dettagli e avrà una maggiore fedeltà cromatica.

CCD e CMOS

Le tecnologie con cui vengono realizzati i sensori d'immagine sono prevalentemente due, CCD (Charge-coupled device), e CMOS (Complementary metal-oxide semiconduttor), non c'è un sensore che prevale sull'altro, ma le loro differenze li rendono più o meno utili per l'una o per l'alta applicazione. A favore dei sensori CCD possiamo dire che godono di maggiore luminosità e immunità ai disturbi, di contro sono costosi ed hanno un maggiore assorbimento di energia. I sensori CMOS sono meno costosi, hanno un ingombro ridotto e consumano molto meno dei loro rivali, di contro sono meno sensibili alla luce e meno immuni ai disturbi. I sensori CCD vengono preferiti per l'utilizzo in ambiente analogico mentre i CMOS vengono maggiormente adoperati nei sistemi digitali. Questa differenza d'impiego dipende dal modo in cui vengono letti i pixel, nei sensori CCD, infatti, i pixel vengono letti a gruppi, solitamente a righe, ed inviati ad un amplificatore che genera le famose linee TV, tipiche degli ambienti analogici. Nei sensori CMOS, invece, ogni pixel è dotato di una propria uscita e di un proprio amplificatore e viene acquisito ed elaborato in modo indipendente, caratteristica molto utile in ambiente digitale. Per quanto riguarda la risposta alla luce, possiamo dire che i sensori CCD sono molto più sensibili è stravincono nelle applicazioni in ambienti scarsamente illuminati, di contro, in ambienti fortemente illuminati, vanno facilmente in sovraesposizione rendendo l'immagine inutilizzabile. Difetti tipici delle immagini acquisite con sensori CCD sono l'effetto Blooming e l'effetto Smear. L'effetto bloomig è dovuto al "trabocco" dei fotorecettori, ossia, se all'interno dell'immagine c'è un punto fortemente illuminato i fotodiodi in corrispondenza di quel punto si caricano di fotoni più rapidamente degli altri e ad un certo punto traboccano, riversando l'eccesso di fotoni sui pixel adiacenti. Il risultato è un'immagine con una vasta area sovraesposta. Lo Smear, invece, è dovuto al modo con cui vengono lette le cariche, una carica prima di raggiungere l'amplificatore deve attraversare verticalmente tutto il sensore, se nell'immagine è presente un punto più luminoso le cariche transitando in quel punto si caricheranno ulteriormente generando sul monitor una linea verticale di colore chiaro. Nel sensore CMOS questi artefatti non sono riscontrabili, primo perché i fotorecettori non si caricano all'infinito e quindi non traboccano, secondo perché la lettura delle cariche non avviene a scorrimento verticale ma per ogni singolo pixel.

Tipo di scansione

Con il termine scansione si indica il modo in cui vengono accese le linee del monitor, esistono due tipologie di scansione, quella interlacciata e quella progressiva. Con la scansione interlacciata, tipica dei sistemi analogici, le linee del monitor vengono accese in modo alternato, prima le dispari poi le pari, questo implica che anche il dispositivo che ha generato il segnale, cioè la telecamera, sia a scansione interlacciata e che legga i dati presenti sul sensore d'immagine in modo alternato. Il vantaggio della scansione interlacciata è quello di dimezzare la larghezza di banda e di conseguenza il costo delle apparecchiature che devono gestirla, lo svantaggio è che un fotogramma interlacciato è composto da due semiquadri acquisiti in momenti leggermente diversi, questo fa si che il fermo immagine di un oggetto in movimento risulti composto da righe leggermente sfalsate, compromettendo la qualità del fotogramma e riducendo le probabilità di riconoscimento del soggetto.

Nella scansione progressiva, tipica dei sistemi digitali, le linee del monitor vengono accese in sequenza dalla prima all'ultima, questa tecnica veniva usata per i monitor CRT dei computer ed è tutt'oggi usata dai monitor di ultima generazione per la visualizzazione di contenuti ad alta definizione. Naturalmente per poter riprodurre un video su di un monitor a scansione progressiva bisogna che quest'ultimo sia stato acquisito con delle telecamere progressive. In una telecamera a scansione progressiva le linee che compongono il fotogramma vengono catturate tutte nello stesso istante, questo aspetto è molto importante per i sistemi di videosorveglianza perchè in caso di fermo immagine il risultato che si ottiene sul monitor è simile a quello di una fotografia, aumentando così le possibilità che il malfattore o la targa della sua auto vengano riconosciuti.

Le telecamere analogiche, equipaggiate con sensori CCD, usano esclusivamente la scansione interlacciata, mentre quelle digitali, equipaggiate cone sensori CMOS, possono usarle entrambe. Per distinguere un video video interlacciato da uno progressivo si utilizzano le lettere I (interlacciato) e P (progressivo), ad esempio la notazione 576i indica un video interlacciato in codifica PAL, mentre la notazione 720p indica un video in HD (High Definition) a scansione progressiva.

Ingressi uscite

Le telecamere di rete sono dotate di ingressi e uscite d'allarme, programmabili per i più svariati utilizzi. Ad esempio, supponendo di dover installare la telecamera in prossimità di un varco, si potrebbe collegare l'ingresso d'allarme al campanello e programmare un'uscita che attivi un segnale acustico presso il tavolo operativo, l'operatore, una volta riconosciuto l'individuo, potrebbe comandare l'uscita a bordo camera per inviare il comando d'apertura alla porta.

Audio

Le telecamere di rete dispongono anche di canali audio sia in ingresso che in uscita, il canale audio in ingresso potrebbe essere utilizzato per l'ascolto ambientale, mentre quello in uscita per inviare messaggi vocali ad eventuali malfattori, oppure, per tornare al banalissimo esempio del controllo varco, si potrebbero utilizzare come il parla ascolta di un normalissimo citofono.

Funzioni speciali

Le telecamere di rete sono dotate di un web server integrato che le rende completamente autonome per il funzionamento in rete. Grazie all'interfaccia Web è possibile collegarsi alle telecamera ed accedere a tutte le sue funzioni, ad esempio, si possono vedere sia le immagini in live che quelle registrate, si può consultare il log degli eventi, si possono impartire comandi e si possono configurare tutta una serie di funzioni avanzate tipiche dei DVR o NVR: gestione delle fasce orarie, livelli di autorità utente, gestione degli allarmi, qualità delle immagini e dello streaming video, ecc..

Archiviazione

Le telecamere di rete hanno diverse modalità di archiviazione delle immagini e non richiedono necessariamente la presenza di una macchina dedicata a tale scopo. Ad esempio, è possibile archiviare le immagini localmente su SD/SDHC Card, su chiavetta USB o su hard disk esterno, oppure remotamente su NAS, su NVR o, tramite protocollo FTP, su supporti situati in reti esterne all'azienda.

Video Analysis

Oggi, sempre più spesso, si sente parlare di funzioni IV (Intelligent Video), con questo termine si vuole indicare la capacità del sistema di analizzare il video e di prendere delle decisioni in base alle informazioni ottenute. Ad esempio, è possibile rilevare oggetti abbandonati o rimossi, contare il numero di persone che accedono in un determinato luogo, rilevare il superamento di aree delimitate all'interno della scena, riconoscimento targhe e tanto altro ancora. L'analisi intelligente del video offre notevoli vantaggi:

  • Sicurezza; pensate alla possibilità di poter rilevare una valigia sospetta abbandonata in un aeroporto o ad un autoveicolo fermo all'interno di una galleria.
  • Risparmio di risorse umane; non serve la presenza costante di un operatore davanti al monitor, la telecamera è in grado di controllare la scena e, in caso di necessità, di attirare l'attenzione dell'operatore mediante l'attivazione di allarmi acustici e l'invio delle immagini direttamente al tavolo operativo.
  • Risparmio in termini di occupazione di banda e di storage; grazie all'analisi intelligente del video la telecamera può essere programmata per inviare e memorizzare solo i fotogrammi che contengono delle criticità, introducendo un notevole risparmio sia in termini di occupazione di banda che in termini di spazio di archiviazione.

Immaginate una telecamera che controlla l'uffico di un'azienda chiusa durante il weekend e che il lunedi mattina il propietario si accorga di aver subito un furto; senza l'analisi intelligente del video la telecamera trasmetterebbe, occupando banda e spazio in memoria, per tutte le 48 ore ed il proprietario, non conoscendo esattamente l'ora e la data del furto, dovrebbe sorbirsi parecchie ore di filmato prima di risalire all'evento. Grazie all'analisi intelligente, invece, la telecamera trasmette il segnale solo quando rileva una criticità, magari generata da un allarme motion, ed impegna il canale trasmissivo solo per pochi minuti, risparmiando banda, spazio di archiviazione e consentendo all'utente di individuare, in modo rapido e preciso, ora e data dell'evento.

Lan

Una rete LAN (Local Area Network) è l'infrastruttura che consente a più computer di condividere risorse software, come programmi o database, e risorse hardware, come stampanti, plotter ecc.. Uffici pubblici ed aziende non possono fare a meno di questa infrastruttura, ormai molto diffusa anche nelle abitazioni private. Per connettere un dispositivo alla LAN è necessario che questo sia dotato di una scheda di rete, Wireless o Ethernet, e che rispetti le regole di trasmissione del protocollo TCP/IP. Le telecamere di rete soddisfano entrambi i requisiti ed inoltre supportano tutti i protocolli di rete più comuni, come FTP, HTTP, DHCP ecc., il che le rende capaci di sfruttare a pieno tutte le potenzialità offerte dalla rete.

Rete Wifi

Le telecamere di rete possono essere installate anche dove non è presente una connessione cablata, in quanto sono in grado di inviare e ricevere dati tramite rete wireless. Nelle vecchie telecamere via radio il segnale era di tipo analogico e si degradava abbastanza facilmente, inoltre, visto che veniva trasmesso in chiaro, poteva essere intercettato ed utilizzato per scopi fraudolenti. Nelle telecamere di rete, invece, lo streaming video è di tipo digitale e consente la trasmissione di immagini di elevata qualità, inoltre, grazie al protocollo HTTPS, è possibile criptare il segnale ed impedirne la riproduzione su dispositivi diversi da quello di destinazione.

Considerazioni sulla rete e sulla larghezza di banda,

Nel mondo digitale l'unita minima d'informazione è il bit (binary information unit), l'informazione trasportata da un bit può assumere i valori 0 o 1, una stringa di 8 bit equivale ad un Byte. La banda passante rappresenta il numero di bit che possono transitare su una rete nell'unità di tempo e dipende dal mezzo trasmissivo e dalla capacità di elaborazione degli apparati ad esso collegati. Per spiegare meglio il concetto di larghezza di banda possiamo paragonare il mezzo trasmissivo ad una autostrada, le auto ai bit e il casello agli apparati di rete. Con questa analogia si intuisce facilmente che più è larga l'autostrada maggiore sarà il numero di auto che potranno transitarvi contemporaneamente. Un'autostrada larga, però, potrebbe non bastare, infatti il casello dovrà essere progettato con un numero di uscite adeguato alle previsioni di traffico, per evitare la formazione di ingorghi che limiterebbero la quantità di auto e quindi di bit in uscita dalla rete.

Mezzi trasmissivi

I mezzi trasmissivi comunemente utilizzati in una rete LAN sono:

  • L'etere; Le reti che utilizzano l'etere come mezzo trasmissivo vengono chiamate WLAN (Wireless LAN), attualmente il protocollo di trasmissione più diffuso è l'802.11g e offre una velocità di connessione teorica di 54 Mbps (30 Mbps reali), ed una portata che va dai 20m, in ambienti interni, ai 50m degli ambienti esterni..
  • Cavo coassiale; Il cavo coassiale non viene quasi più utilizzato per la realizzazione delle reti LAN, comunque offriva una larghezza di banda di 10 Mbps ed una maggiore immunità ai disturbi, tanto che era possibile trasportare il segnale fino a 500 m di distanza.
  • Cavo UTP/STP/FTP; E' il cavo più utilizzato per la realizzazione delle reti lan, è costituito da 8 fili di rame intrecciate a coppie e ricoperti da una guaina protettiva, le 4 coppie ottenute possono essere non schermate UTP (Unshielded Twisted Pair), schermate singolarmente STP (Shielded Twisted Pair), o schermate complessivamente (Foiled Twisted Pair). Un'ulteriore suddivisione in categorie viene fatta in base alla capacita che ha il cavo di trasportare l'informazione, attualmente le categorie più utilizzate sono la 5, 5e, 6 e superiori. Con queste categorie di cavi e possibile realizzare delle reti che supportano delle velocità di trasmissione molto elevate, da 10/100/1000 Mbps, su una distanza massima di 100 metri oltre i quali è necessario installare dei ripetitori.
  • Fibra Ottica, La fibra ottica viene utilizzata per collegare tra loro i nodi di rete o per collegare la rete LAN alla WAN, rispetto ai cavi di rame offre prestazioni molto più elevate sia in termini di banda passante, più di 10 Gbps, che di distanza di trasmissione, qualche Km.

Valutazioni

Prima di decidere se installare o meno delle telecamere IP, bisogna fare un'attenta valutazione dello stato fisico e del livello di congestione della propria rete LAN. I casi che pregiudicano lo stato fisico di una rete possono essere molteplici un cattivo progetto, una cattiva realizzazione, l'incuria dell'utente ecc.. Una rete in cattivo stato è soggetta a continui guasti tali da impedire il corretto funzionamento del sistema di videosorveglianza. Per ciò che riguarda la stima del traffico è inutile dire che installare delle telecamere IP su una rete al limite della congestione avrebbe come risultato quello di appesantire ulteriormente il sistema e di abbassare la qualità complessiva del servizio. In questi casi la soluzione migliore sarebbe quella di realizzare una rete dedicata per il sistema di videosrveglianza, ottenendo così un duplice vantaggio, separare i due sistemi e limitare le eventuali discordie che potrebbero nascere tra l'installatore del sistema di videosorveglianza e l'amministratore di rete.

Utilizzo della banda

La quantità di banda utilizzata da una telecamera di rete dipende da diversi fattori: frame rate, risoluzione e qualità dei fotogrammi, algoritmo di compressione, tipo di stream, frequenza delle trasmissioni ecc.. Lo studio di queste variabili è molto importante perché consente di determinare a priori il consumo di banda e di adattarlo alla capacità della nostra infrastruttura di rete.

  • Frame rate; uno streaming video altro non è che una serie di fotogrammi riprodotti in rapida successione. Per far si che l'occhio umano non percepisca i singoli fotogrammi è necessario che questi vengano trasmessi ad una velocità compresa tra i 20 e i 30 fotogrammi per secondo. La velocita di trasmissione dei fotogrammi si chiama Frame Rate e si misura in fps (Frame Per Secondo). Ogni fotogramma ha un certo "peso" espresso in Byte (1 byte = 8 bit), per cui più sarà elevato il numero di fotogrammi al secondo tanto maggiore sarà il numeo di byte e la larghezza di banda necessaria per trametterli.
  • Risoluzione e qualità; altri fattori che influenzano il peso di un fotogramma sono la risoluzione e la qualità con cui viene trasmesso. La risoluzione rappresenta il numero di pixel di cui è composta l'immagine, mentre la qualità è costituita dalla fedeltà cromatica del fotogramma. A parita di risoluzione si potrebbe avere un notevole risparmio di banda semplicemente abbassando la qualità del fotogramma, rinunciando magari a qualche sfumatura di colore, irrilevante ai fini della videosorveglianza.
  • Formato di compressione; la compressione serve per ridurre le dimensioni dei file video, si tratta di un algoritmo che elimina i dati ridondanti all'interno del video in modo da renderlo più leggero, sia in fase di trasmissione che in fase di archiviazione. I formati di compressione più diffusi sono: Motion JPEG, MPEG-4, H264. Tra i vari formati H264 è quello più performante, in quanto riesce a codificare video di alta qualità e di dimensioni ridotte, ed è per questo anche il più diffuso.
  • Multistream. la larghezza di banda occupata da uno streaming video dipende, come abbiamo detto, dalla risoluzione, dalla qualità e dal numero di fotogrammi trasmessi. Le telecamere dotate della funzione Multistream sono in grado di variare autonomamente questi parametri in modo da poter offrire il miglior servizio con il minor dispendio di risorse. Una funzione tipica è l'analisi del traffico di rete; in una rete la quantità di traffico non è sempre uguale ma varia in base agli orari e alle esigenze degli utenti. Ad esempio, un ufficio potrebbe avere il massimo picco di traffico tra le nove e le dodici e poco o niente durante la pausa o al pomeriggio, le telecamere di rete, almeno quelle più costose, sono in grado di rilevare le condizioni del traffico in rete e di ridurre o aumentare le dimensioni dello streaming video, adeguandosi alla larghezza di banda disponibile. Sempre per ridurre l'utilizzo della banda passante, si potrebbe decidere di programmare la telecamera in modo che trasmetta costantemente, magari verso un monitor, uno streaming video ridotto ai minimi termini e che, in caso di allarme motion o di altra natura, generi un ulteriore streaming, con massima risoluzione e massimo frame rate, da inviare all'apparato di videoregistrazione.

Encoder/decoder

Gli encoder e i decoder sono dei dispositivi che adattano i componenti per la videosorveglianza analogica a quelli di rete e viceversa. Gli encoder convertono il segnale delle telecamere analogiche in un segnale digitale adatto ad essere trasmesso in rete. Ad esempio, se avete voglia di sostituire il vostro vecchio impianto di videosorveglianza analogico con un più innovativo sistema di rete, ma vi frena il fatto di dover rottamare i 2000 euri spesi l'anno prima per l'acquisto di una potentissima speed dome, l'encoder è quello che fa per voi. Infatti questo dispositivo, oltre a convertire il segnale video della vostra speed dome, supporta l'invio dei comandi PTZ ed offre tutte le funzionalità di una telecamera di rete come audio in/out, ingressi/uscite d'allarme, registrazione su memoria interna ecc.. Il decoder, invece, svolge la funzione inversa, ossia prende il segnale dalla rete e lo rende disponibile per i dispositivi analogici. Se ad esempio avete la necessità di visualizzare una telecamera di rete su un monitor con ingresso VGA vi serve un decoder. Il decoder si collega ad una presa di rete e si configura in modo che possa ricevere e riprodurre lo streaming RTP proveniente dalla telecamera con indirizzo 192.168.xxx.xxx.

Poe

La tecnologia POE (Power Over Ethernet) consente di alimentare i dispositivi direttamente dal cavo che li connette alla rete informatica. Per utilizzare la tecnologia POE bisogna che sia lo switch che la camera la supportino, in caso di installazione su reti esistenti si possono utilizzare degli apparati chiamati POE injector, questi dispositivi si collegano all'alimentazione elettrica ed hanno un ingresso ed un'uscita RJ45, l'uscita dello switch si collega all'ingresso del POE injector il quale restituira sull'RJ45 d'uscita sia il segnale dati che quello di alimentazione.

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