Wpływ opóźnień w sieciach IP na skuteczność monitoringu wizyjnego (cz. 2)

W pierwszej części artykułu omówiono problematykę monitoringu wizyjnego wykorzystującego sieci IP ze szczególnym uwzględnieniem analizy powstających w takim przypadku opóźnień transmisji. W drugiej części przedstawiona zostanie koncepcja stanowiska laboratoryjnego do badania opóźnień w sieciach IP, będą także zaprezentowane wyniki przeprowadzonych na tym stanowisku badań.

1. Koncepcja stanowiska laboratoryjnego do badania opóźnień w przesyłanych poprzez sieć IP obrazach monitoringu wizyjnego

Wraz z coraz powszechniejszą technologią cyfrową, zastępującą rozwiązania analogowe, postępować będzie dalszy rozwój w takich dziedzinach jak wysoka rozdzielczość czy zaawansowana kompresja wideo. Ale sukces działania systemu monitorowania będzie ostatecznie zależał od tego, jak szybko informacja zostanie przekazana. W analogowych systemach dozorowych, które wykorzystywały magnetowidy, obraz nie był kompresowany, a do jego podglądu służył monitor analogowy. Cała informacja z kamery przesyłana była w sposób ciągły. W kolejnych rozwiązaniach do cyfrowego zapisu obrazu analogowe systemy telewizji dozorowej wykorzystywały rejestratory cyfrowe (DVR). Opóźnienie występujące w tym rozwiązaniu, wynikające z przekształcenia obrazu do postaci cyfrowej i skompresowania go w celu zapisania jak największej ilości danych, było niewielkie. Natomiast w sieciowych systemach dozoru wizyjnego, wykorzystujących kamery sieciowe, obraz jest przesyłany poprzez sieć IP za pośrednictwem przełączników sieciowych, a następnie zapisywany na standardowym komputerze z oprogramowaniem zarządzającym. W tym przypadku opóźnienie może osiągać znaczne wartości. Zależy ono między innymi od przepustowości samej sieci, a także od kamery – od tego, jaką rozdzielczość i jaką metodę kompresowania wykorzystujemy.

W związku z powyższym nie można skumulować badań tylko na pomiarach opóźnień pakietów TCP/IP. Stanowisko laboratoryjne musi umożliwiać dwa rodzaje pomiarów:

• badania opóźnień przy zmianie topologii sieci,
• badania kamer sieciowych.

Biorąc pod uwagę, że jest to system bezpieczeństwa, zestawione stanowisko pomiarowe powinno zapewnić pomiar opóźnienia z punktu widzenia operatora. Opóźnienie mierzone jest jako różnica czasu pomiędzy rzeczywistym zdarzeniem wywołanym przed kamerą sieciową a czasem, po którym to zdarzenie pojawi się na ekranie operatora.

1.1 Budowa stanowiska pomiarowego

W Laboratorium Systemów Bezpieczeństwa i Analizy Zagrożeń Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej zostało zbudowane stanowisko do pomiaru opóźnień w przesyłanych przez sieć obrazach monitoringu wizyjnego. Fot. 1 przedstawia zestawione i gotowe do użycia stanowisko.

Na stanowisku pomiarowym zostały przeprowadzone następujące badania pod względem opóźnień przesyłanego obrazu wizyjnego:

• badania wybranych modeli kamer sieciowych,
• badania wybranych modeli połączeń sieciowych.

1.1.1 Schemat blokowy stanowiska pomiarowego

Schemat podstawowego układu pomiarowego został przedstawiony na rys. 1.

W skład stanowiska pomiarowego wchodzą:

• kamery sieciowe,
• urządzenia sieciowe (TCP/IP) umożliwiające połączenie z siecią i przełączanie pakietów,
• dwa detektory wykrywające zdarzenie czasu rzeczywistego (detektor 1) oraz to samo zdarzenie po przejściu przez sieć i wyświetleniu na monitorze (detektor 2),
• komputer z monitorem służące do wizualizacji i konfiguracji elementów sieciowych (kamer IP),
• generator służący do sterowania diodą elektroluminescencyjną,
• oscyloskop służący do pomiaru różnicy dwóch czasów.

1.1.2 Wykaz urządzeń znajdujących się w układzie laboratoryjnym

Urządzenia znajdujące się w układzie laboratoryjnym:

1. Kamery sieciowe różnych typów i różnych producentów (rok produkcji 2007/2008). Ze względu na specyfikę niniejszego artykułu nazwy przebadanych kamer pozostaną do wiadomości autora , a w artykule nazwane będą K1, K2 itd.;
2. Oscyloskop Hewlett Packard 54610B;
3. Generator cyfrowy sterujący diodą Hewlett Packard 33120A;
4. Detektor (fotodioda) x2 Thorlabs PDA 500
   Specyfikacja:
   
   • detektor: GaAsP (fosforoarsenek galu),
   • powierzchnia światłoczuła: 1,3 mm x 1,3 mm,
   • zakres czułości: 300 – 680 nm,
   • zakres temperatury pracy: od 10 do 60° C,
   • możliwość wzmocnienia: pięć poziomów,
   • impedancja detektora: 50 Ω;
5. Przełącznik 10/100 Fast Ethernet D – Link DES – 1008D.

Urządzenia nie umieszczone w podstawowym układzie laboratoryjnym, ale pozostające do zastosowania podczas badania modeli kamer przy zmianie topologii sieci:

1. Mediakonwerter 100BASE TX /100 FX, wielomodowy (x2) Transition Networks J/CFE-CF-02;
2. Ruter bezprzewodowy Linksys WRT54GC;
3. Hub Unex HD080;
4. Modem Alfa 1 + most Ethernet Beta 1 (x2) Goramo W6744.

1.2 Metodyka pomiaru opóźnienia

Pomiar opóźnienia dokonywany jest na podstawie wskazań oscyloskopu HP 54610B. Do kanałów oscyloskopu (K1, K2) podłączone są dwa detektory (fotodiody). Źródłem światła dla pierwszej fotodiody jest czerwona dioda sterowana generatorem HP 33120A. Pierwszy detektor umieszczony jest przed diodą i kamerą oraz podłączony do kanału K1 oscyloskopu. Sygnał z pierwszej fotodiody dochodzi w chwili zaświecenia diody (po wychwyceniu światła przez fotodiodę). Jednocześnie zaświecenie diody jest obserwowane przez kamerę podłączoną do sieci. Obraz z kamery po przejściu przez sieć pojawia się na monitorze komputera. Pojawiający się na monitorze obraz świecącej się diody jest źródłem światła dla drugiego detektora. Detektor ten podłączony jest do kanału K2 oscyloskopu. Sygnał z drugiej fotodiody jest sygnałem, który przechodzi przez kamerę, przełącznik i sieć i jest on odbierany w chwili pojawienia się obrazu zaświecenia diody na monitorze komputerowym. Wartość opóźnienia to różnica czasów pojawienia się dwóch wyżej opisanych sygnałów podanych na kanały K1 i K2 oscyloskopu.

Fot. 2 przedstawia dwa wyżej opisane detektory. W celu uzyskania jak najlepszej jakości sygnałów na oscyloskopie badania wykonano w zaciemnionym pomieszczeniu. Dodatkowo do ekranu monitora przyczepiona została czarna tektura z odpowiednim otworem obejmującym tylko obraz świecącej się diody. Pozwala to na wyeliminowanie odbierania przez fotodiody dodatkowych, niepotrzebnych sygnałów pochodzących od świetlówek i monitora.

Na wielkość opóźnienia, oprócz opóźnień w sieci, ma wpływ opóźnienie związane z czasem reakcji monitora. Czas reakcji ekranu jest miarą tego, jak szybko piksele potrafią ukończyć jeden pełny „cykl” wyświetlania, tak że mogą brać udział w kolejnej klatce odtwarzanych obrazów. Czas reakcji matrycy wykorzystanego monitora LCD to 8 ms.

2. Badania wybranych modeli kamer sieciowych pod względem opóźnień przesyłanego obrazu wizyjnego

Podczas projektowania i budowy systemu monitoringu wizyjnego niezbędny jest wybór odpowiedniej kamery. Dla systemu sieciowego jednym z kryteriów wyboru jest opóźnienie wnoszone przez samą kamerę podczas transmisji obrazu przez sieć. Konieczne jest ustawienie parametrów kamer w taki sposób, aby było ono jak najmniejsze. W związku z tym w badaniach laboratoryjnych zwrócono szczególną uwagę na podstawowe parametry kamer sieciowych, które są najczęściej modyfikowane i które mają największy wpływ na zmianę opóźnień. Podczas pomiarów konfigurowano następujące ustawienia poszczególnych kamer:

• rozdzielczość obrazu przy maksymalnej liczbie klatek na sekundę,
• standard kodowania,
• liczbę wyświetlanych klatek obrazu/sekundę dla kilku rozdzielczości.

Pozostałe parametry dla wszystkich kamer sieciowych pozostawały niezmienione aby uniknąć dodatkowych błędów pomiarowych, wynikających z wzajemnego oddziaływania tych kamer. Dla każdej kamery sieciowej, przy każdej zmianie ustawienia parametrów, przeprowadzono 15 pomiarów niezbędnych do wykonania analizy statystycznej wyników pomiarów.

Ze względu na ograniczoną ilość miejsca w artykule zrezygnowano z przedstawiania poszczególnych wyników tabelarycznych. Wyniki te zawarte są w pracy dyplomowej Łukasza Stawickiego. Przedstawione w niej tabele pomiarowe odzwierciedlają rzeczywiste wartości opóźnień w zależności od zastosowanych kamer sieciowych podczas przesyłu obrazu wizyjnego w sieci. Badania przeprowadzono dla siedmiu kamer sieciowych przy ustalonym połączeniu sieciowym. W ten sposób możliwe było porównanie wartości opóźnień wprowadzanych wyłącznie przez zmianę kamery bądź jej parametrów. Wybór parametrów został przeprowadzony na podstawie najczęściej modyfikowanych przez instalatorów i użytkowników ustawień.

Analizując wyniki pomiarów, zaobserwowano, że na wartość opóźnienia znaczny wpływ ma rozdzielczość obrazu. Im większa jej wartość, tym większe opóźnienie. Wynika to z faktu, że zwiększając ustawienia rozdzielczości, zwiększamy też rozmiar obrazu, a zatem mamy większą ilość informacji do przesłania łączem sieciowym, co wymaga dłuższego czasu potrzebnego do jej przesłania. Związane jest to z zastosowaniem łącza o większej przepustowości. Przykładowo dla kamery K1 średnie wartości opóźnienia dla kolejnych rozdzielczości przedstawia rys. 2.

Dla wszystkich badanych kamer sieciowych wraz ze wzrostem rozdzielczości rośnie wartość opóźnienia. Największa wartość opóźnienia przesyłanego obrazu wizyjnego wynikająca ze zmiany rozdzielczości występuje w kamerach megapikselowych. Obraz w rozdzielczości megapikselowej zawiera dużo więcej szczegółów i jest bardzo dobrej jakości. Jest to niewątpliwie odpowiednie rozwiązanie dla monitoringu wizyjnego. Jednak przesył w sieci zajmuje więcej czasu niż przy standardowych rozdzielczościach. Na rys. 3 przedstawiono średnie wartości opóźnień dla kamer megapikselowych w zależności od zmiany rozdzielczości.

Rozdzielczość 1280x960 pikseli (4 x VGA, VGA – 640x480 pikseli) zapewnia rozdzielczość jednego megapiksela. Można zaobserwować, że dla rozdzielczości megapikselowych opóźnienie jest znacznie większe. Dla kamery K2 opóźnienie przy 640x480 pikseli wynosi 116 ms, natomiast przy 1280x1024 pikseli wynosi 273 ms. Zwiększa się zatem ponad dwukrotnie. Kamera K3 charakteryzuje się największym opóźnieniem zarówno dla małych, jak i dużych rozdzielczości. Natomiast model K5 wykazuje najmniejsze opóźnienie przy rozdzielczościach megapikselowych oraz niewielkie przy mniejszych. Megapikselowe kamery sieciowe umożliwiają uzyskanie proporcji obrazu 16:9. Również ta zmiana jest związana z opóźnieniem, ponieważ przy zastosowaniu tej proporcji zmniejsza się rozdzielczość, a co za tym idzie – także opóźnienie. Najlepiej przedstawiają to wyniki pomiarów dla kamery K5. Porównanie tych wartości przedstawia rys. 4. Dzięki zastosowaniu proporcji obrazu 16:9 można zyskać nie tylko na liczbie pikseli, ale także na zmniejszeniu zajętości pasma i miejsca podczas zapisu. Jednak w niektórych przypadkach część dolna i górna obrazu są na tyle istotne, że nie należy stosować tej proporcji (lepszym rozwiązaniem będzie proporcja 4:3).

Kolejnym parametrem wpływającym na wartość opóźnienia jest format kompresji. Konieczność digitalizacji jest oczywista: nieskompresowany plik wideo zajmuje dużo miejsca i pasma. Przykładowo obraz o rozmiarach 1024x768 pikseli, w którym każdy piksel jest zakodowany w 24 bitach (po osiem bitów na kolor czerwony, zielony i niebieski), bez kompresji będzie liczył ok. 2,5 MB. Przesłanie go przez łącze o szybkości 256 kb/s zajęłoby ponad minutę. Jeśli obraz zostanie skompresowany w stopniu 20:1, to czas jego transmisji skróci się również dwudziestokrotnie.

We współczesnych kamerach sieciowych stosowane są najpowszechniej dwa standardy kompresji: M-JPEG i MPEG-4. Najczęściej stosowanym standardem w sieciowych systemach telewizji dozorowej jest Motion JPEG (M-JPEG). Kamera sieciowa rejestruje i kompresuje określoną liczbę pojedynczych zdjęć na sekundę, a następnie udostępnia je jako ciągły strumień obrazów w sieci. Natomiast w technice kompresji MPEG następuje porównywanie skompresowanych zdjęć. W kolejnym obrazie przesyłane są tylko te fragmenty, które różnią się od poprzedniego obrazu. W związku z tym dzięki MPEG-4 następuje zmniejszenie ilości przesyłanych informacji w porównaniu z M-JPEG. Zmniejsza się więc zapotrzebowanie na przepustowość sieci. Jednak technika MPEG-4 ma również wady związane ze wzrostem opóźnienia przesyłanego obrazu wizyjnego, co można zaobserwować na podstawie wyników pomiarów. Przykładowo na rys. 5 przedstawiono różnicę wartości opóźnienia podczas przesyłania obrazu wizyjnego dla dwóch wyżej opisanych standardów kompresji.

W każdym przypadku widać, że wartość opóźnienia przy stosowaniu kompresji MPEG-4 jest większa niż przy M-JPEG. Najmniejsza wartość opóźnienia dla MPEG-4 oraz mała różnica między dwoma standardami występuje dla kamery K5. Większa wartość opóźnienia w technice MPEG-4 wynika z faktu, że proces kodowania i dekodowania wymaga dużej mocy obliczeniowej, a więc i więcej czasu. Mimo generacji mniejszej niż w M-JPEG ilości danych obrazów przesyłanych przez sieć, a więc mniejszym wykorzystaniu przepustowości, złożoność procesu kompresji przyczynia się do większych zwłok czasowych w porównaniu ze standardem Motion JPEG, powodując większe opóźnienie. W Motion JPEG występuje niewielkie opóźnienie związane z kompresją i złożeniem pojedynczych zdjęć.

Następnym parametrem, który przebadano dla kilku typów kamer sieciowych, jest szybkość transmisji, czyli liczba klatek na sekundę. Na podstawie wyników pomiarów dla kamery K3 (rys. 5) można wywnioskować, że wraz ze zmniejszaniem ilości klatek/sekundę nieznacznie rośnie wartość opóźnienia. Dla ustalonej rozdzielczości 640x480 przy ustawieniu 25 kl/s opóźnienie wyniosło 129 ms. Gdy liczbę klatek zmniejszono do 10, wówczas opóźnienie wzrosło do wartości 187 ms. W pozostałych przypadkach zmiana szybkości transmisji powodowała niewielkie zmiany rzędu 10 ms. Najmniejsze zmiany zauważono przy porównaniu 25 kl/s oraz 30 kl/s. Także przy stosowaniu kompresji MPEG-4 zmiany liczby klatek/s były nieznaczne. Przykładem jest tu pomiar dla kamery K1, gdzie różnica między szybkością 25 kl/s a 15 kl/s przy rozdzielczości 640x480 pikseli jest niezauważalna.

Wzrost wartości opóźnienia pod wpływem zmniejszenia ilości przesyłanych klatek/s może tłumaczyć większe wartości opóźnień dla kamery K4, w której szybkość transmisji nie przekracza 12 klatek/s.
Na wartość opóźnienia ma również wpływ samo powiększenie obrazu. Dla dwóch kamer (K1, K7) można było zwiększyć obraz bez zmiany rozdzielczości bezpośrednio w przeglądarce internetowej. Pierwsza kamera charakteryzuje się małą różnicą średniego opóźnienia przy powiększeniu dwukrotnym (1 ms) oraz czterokrotnym (6 ms). Różnica dla drugiej kamery przy powiększeniu dwukrotnym wynosi 42 ms.

Badania opóźnienia przeprowadzono również dla trzech kamer sieciowych podłączonych jednocześnie. W danej chwili można było zrobić pomiary dla jednej kamery – tej, której obiektyw zwrócony był na migającą diodę. Obrazy z kamer były wyświetlane na jednym monitorze za pomocą przeglądarki internetowej. Spowodowało to zwiększenie ilości informacji do przesłania przez sieć oraz obciążenie systemu. Stosowane pasmo wystarczyło, aby przesłać obrazy bez znacznego wzrostu średniego opóźnienia. Jedynie przy przesyłaniu obrazu wysokiej rozdzielczości następuje wzrost opóźnienia o ok. 80 ms.

Podczas badania kamery sieciowej K1 zmieniono monitor z typu LCD na kineskopowy (CRT). Wyniki zamieszczone w pracy ukazują wzrost wartości opóźnienia w wyniku tej modyfikacji stanowiska. Wiąże się to z częstotliwością odświeżania ekranu monitora CRT i czasem reakcji matrycy w monitorach LCD.

Istotne zmiany wartości opóźnienia można zauważyć przy zmianie komputera PC. Podstawowe parametry nowego komputera: Windows 200 Professional, 256 MB RAM, procesor 731 MHz. Pomiary przy tej modyfikacji zostały przeprowadzone dla jednej kamery. Kluczowe elementy odpowiadające za wzrost opóźnienia to: system operacyjny, karta sieciowa, szybkość procesora, ilość wolnej pamięci RAM. Przykładowo dla rozdzielczości 320x240 pikseli różnica wartości opóźnienia dla dwóch komputerów wynosi 83 ms, a dla 640x480 pikseli przy standardzie kompresji MPEG-4 różnica ta wynosi 235 ms. Można więc wywnioskować, że istotnym elementem mającym wpływ na wartość opóźnienia jest zastosowanie odpowiedniego sprzętu komputerowego.

Badania kamer sieciowych pokazały, że wartość opóźnienia zależy od wielu czynników. Wszystkie te czynniki oraz ich wpływ na czas przesłania obrazu wizyjnego zostały opisane dokładnie w pracy dyplomowej, a wyniki końcowe przedstawiono na łamach niniejszej publikacji.

3. Badania wybranych modeli połączeń sieciowych pod względem opóźnień przesyłanego obrazu wizyjnego

Niewątpliwie bardzo duży wpływ na wielkość opóźnienia przesyłanego obrazu wizyjnego ma rodzaj medium transmisyjnego, po którym ten przekaz następuje. Najczęściej wykorzystywanym protokołem do transmisji danych jest TCP/IP omówiony w pierwszej części artykułu. Prędkość transmisji na poziomie 100 Mbit jest wystarczająca dla transmisji wideo z kamery sieciowej. We współczesnych sieciach komputerowych występują różnorodne odmiany Ethernetu, z których najczęściej stosowane są [1]:

• 10 Mbit/s Ethernet (10BASE–T) – ze względu na wąskie pasmo mniej stosowany. Wykorzystuje on cztery przewody (dwie skręcone pary). W tym układzie każdy element sieci podłączony jest do rozdzielacza (huba) lub przełącznika kablem dwuparowym.
• Fast Ethernet (100Mbit/s) – najbardziej rozpowszechniony standard w sieciach komputerowych. Podstawowy standard tego typu to 100BASE-T, który dzieli się na dwie kategorie: 100BASE-TX – transmisja kablem ośmiożyłowym ze skręconymi parami kategorii 5 oraz 100BASE-FX – transmisja kablem światłowodowym.
• Gigabit Ethernet (1000 Mbit/s) – Ten standard jest dzisiaj wykorzystywany w elementach struktury sieciowej do połączeń pomiędzy serwerami czy też sieciowymi przełącznikami.

Obecnie na szeroką skalę wprowadzane są bezprzewodowe sieci lokalne oparte na technologii IEEE 802.11. Podstawowe standardy tej technologii [1]:

• 802.11b – szybkość transmisji danych do11Mb/s, pasmo 2,4 GHz,
• 802.11g – szybkość transmisji danych do 54Mb/s, pasmo 2,4 GHz,
• 802.11a – szybkość transmisji danych do 54Mb/s, pasmo 5 GHz.

Szybkość transmisji obrazu wizyjnego zależy więc w znacznym stopniu od fizycznego nośnika, po jakim dany przesył następuje, czyli od połączenia sieciowego. Przykłady fizycznych nośników zostały przedstawione w pierwszej części artykułu. Stanowisko laboratoryjne umożliwia pomiar opóźnienia wynikającego z modelu połączenia sieciowego. Oczywiście badania, zgodnie z założeniem, prowadzone są z punktu widzenia operatora.

Ze sprzętu dostępnego w laboratorium zestawiono i zbadano pod względem opóźnienia pięć rodzajów połączeń sieciowych opisanych w tym rozdziale.

3.1 Stanowisko do badania wybranych modeli połączeń sieciowych

Na rys. 6 przedstawiono schemat układu laboratoryjnego do badania połączeń sieciowych.

Zestawione stanowisko pomiarowe umożliwia badania różnych modeli połączeń sieciowych. W celu wskazania różnicy do wszystkich typów połączeń zastosowano jedną kamerę – K1 o ustalonych parametrach. Do wizualizacji obrazu z kamery służy komputer z przeglądarką internetową.

Wszystkie pomiary wykonano przy częstotliwości ustawionej na generatorze f = 200 mHz oraz przy przebiegu prostokątnym. W celu zwiększenia dokładności pomiaru pokrętłem regulacji podstawy czasu na oscyloskopie wybrano taką pozycję, aby uzyskać stabilne i widoczne przebiegi.

Badania przeprowadzono dla następujących modeli połączeń sieciowych:

• połączenia wykorzystującego skrętkę miedzianą UTP zaopatrzonej w złącza RJ-45,
• połączenia światłowodowego,
• połączenia bezprzewodowego (1 przełącznik),
• połączenia bezprzewodowego + światłowodowego (2 przełączniki),
• połączenia kablem telefonicznym zaopatrzonym w złącza RJ-11.

Wykaz urządzeń wraz ze specyfikacją techniczną został przedstawiony w rozdziale 3.

Wyniki końcowe przedstawione w postaci wykresu (rys. 7) odzwierciedlają rzeczywiste wartości opóźnień w zależności od zmiany modelu połączenia sieciowego. Dla niektórych połączeń sieciowych wartości tego parametru dochodziły do kilku sekund.

W sieciach komputerowych najczęściej stosowanym przewodowym nośnikiem transmisyjnym jest skrętka miedziana nieekranowana UTP (Unshielded Twisted Pair) [1] zakończona obustronnie złączem RJ-45. Składa się ona z czterech par skręconych ze sobą żył miedzianych. Do transmisji danych są używane dwie oddzielne ścieżki: jedna para transmituje dane nadawcze Tx, a druga para odbiera dane Rx. Obecnie w przypadku sieci lokalnych używających skrętki szybkość transferu danych zawiera się w przedziale od 10 Mb/s do 1 Gb/s [1]. Większość urządzeń sieciowych (przełącznik, rozdzielacz itp.) jest zgodna z technologią 100Base-TX, pozwalającą na komunikowanie się z prędkością 100 Mb/s. Na rys. 9 można zaobserwować, że połączenie z zastosowaniem skrętki miedzianej charakteryzuje się małą wartością średniego opóźnienia (171 ms). Wynika to z faktu, że do przesyłu skompresowanego obrazu wizyjnego wystarczy pasmo mniejsze od 100 Mb/s. Opóźnienie jest tu głównie związane z oczekiwaniem i przejściem pakietów w przełącznikach sieciowych.

Podobna wartość średniego opóźnienia (166 ms) występuje dla połączenia z zastosowaniem światłowodu. Światłowód przenosi impulsy świetlne. Każdy impuls reprezentuje jeden bit. Światłowody są odporne na zakłócenia elektromagnetyczne i oferują niebywałe prędkości transmisji, nawet do setek Gb/s. Z tego powodu stały się preferowanym przewodowym nośnikiem transmisji. Dość wysoki koszt urządzeń optycznych (odbiorniki i przełączniki, transmitery) powoduje, że technologia światłowodowa jest wdrażana głównie w przypadku dużych odległości. Wykorzystane w stanowisku laboratoryjnym mediakonwertery światłowodowe zapewniają zmianę medium przewodzącego strumień informacji pomiędzy kablem skręcanym UTP (standard 100BASE-TX) a światłowodem wielomodowym – 1300 nm (standard 100BASE-FX). Wynika z tego, że zapewniona jest transmisja 100 Mb/s, co tłumaczy niskie opóźnienie w porównaniu z kolejnymi modelami połączeń.
Wartość opóźnienia w przypadku połączenia bezprzewodowego jest większa od wartości dla dwóch wcześniej omówionych modeli. Zależy to od wielu czynników, a przede wszystkim od środowiska propagacji oraz odległości, na jaką sygnał będzie przenoszony. Ze środowiskiem związane jest osłabienie sygnału spowodowane przez przeszkody znajdujące się na drodze transmisji, odbicia sygnałów od przeszkód oraz zakłócenia wywołane przez inne sygnały elektryczne. Kanały radiowe wykorzystywane lokalnie mają zasięg od 10 do kilkuset metrów. Podsumowując, można powiedzieć, że błędy bitowe występują dużo częściej w łączach bezprzewodowych niż w przewodowych, stąd też być może bierze się zwiększona wartość opóźnienia. Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu rutera bezprzewodowego z wbudowanym punktem dostępowym sieci bezprzewodowej oraz adaptera USB podłączonego do komputera. Każda stacja bezprzewodowa musi związać się z punktem dostępowym, zanim będzie mogła wysłać lub odbierać dane. Wyniki pomiarów dla trzech różnych ustawień sieci bezprzewodowej przedstawione zostały w sposób graficzny na rys. 7. Zaobserwowano, że wartość opóźnienia rośnie wraz ze zmniejszeniem zasięgu działania sieci bezprzewodowej (z 86% na 58%) oraz przy obciążeniu sieci poprzez wyświetlanie na wielu komputerach tego samego obrazu z kamery. Szybkość transmisji dla tych ustawień wynosiła 36 Mb/s (wskazania oprogramowania). W rzeczywistości szybkość ta jest mniejsza (ok. 20 Mb/s) i zmienia się wraz ze zmianami wywołanymi przez wyżej wymienione czynniki.

Kolejny model połączenia sieciowego to łączność bezprzewodowa powiązana z siecią światłowodową. W przeciwieństwie do poprzedniego modelu w badaniach wykorzystano dwa przełączniki. Wiąże się to z dodatkowym opóźnieniem spowodowanym przejściem pakietów przez kolejny przełącznik. Jednak głównym czynnikiem znacznego (w porównaniu do wszystkich poprzednich modeli połączeń) wzrostu opóźnienia jest mały zasięg (42%) oraz korzystanie ze standardu 802.11b sieci bezprzewodowej, co wiąże się ze zmniejszeniem szybkości transmisji do ok. 5 Mb/s [1]. Teoretycznie pasmo tego rozwiązania wynosi 11 Mbps. Średnie opóźnienie w tym przypadku wynosi 2609 ms, a więc istnieje nawet możliwość niezauważenia zdarzenia wywołanego przed kamerą.
Modelem połączenia sieciowego, który na pewno nie powinien mieć zastosowania w systemach telewizji dozorowej, gdyż charakteryzuje się bardzo dużym opóźnieniem, jest model wykorzystujący modemy połączone zwykłym kablem telefonicznym obustronnie zakończonym złączem RJ-11. Do realizacji takiego połączenia w laboratorium wykorzystano modemy Alfa 1 firmy Goramo wraz z mostami Beta 1, dzięki którym możliwe jest ich podłączenie do przełączników sieciowych za pomocą skrętki UTP. Dwa modemy (master oraz slave) umożliwiają przesyłanie sygnałów z różnymi prędkościami. Badania przeprowadzono dla trzech prędkości: 512 kb/s, 256 kb/s oraz 128 kb/s. Naturalnie, wraz ze zmniejszaniem prędkości opóźnienie przesyłanego obrazu wizyjnego gwałtownie rośnie (rys. 7). Dla najniższej prędkości wyniosło ono ponad 6 s. Wysokie opóźnienie dla tego typu połączenia jest wynikiem przede wszystkim małej szybkości transmisji danych. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że przejście osoby przed kamerą nie zostanie wyświetlone na monitorze operatora.

Z badania modeli połączeń sieciowych można wywnioskować, że dla systemów monitorowania najlepszym rozwiązaniem, jak podpowiada intuicja, są połączenia z zastosowaniem światłowodu oraz skrętki miedzianej. Gwarantują one niskie opóźnienie przesyłu obrazu wizyjnego, a więc szybszą reakcję na zaistniałe zdarzenie. Sieci bezprzewodowe sprawdzają się na niewielkich odległościach, gdy zasięg ich działania oraz szybkość transmisji są na tyle duże, aby można było bez zakłóceń przesłać obraz wizyjny. Jednak czasami instalatorzy nie mają wpływu na to, do jakiej sieci będzie podłączony system, w związku z tym najlepszym rozwiązaniem byłoby korzystanie z łączy dedykowanych, zapewniających niezawodną łączność i gwarantowane duże pasmo przepustowości.

Podsumowanie

Mając na uwadze, że sieciowy monitoring wizyjny jest systemem bezpieczeństwa, nie należy podczas analizy opóźnień skupiać się wyłącznie na opóźnieniach samego protokołu TCP/IP. Dlatego zaprojektowano i wykonano stanowisko laboratoryjne, które zapewnia pomiar z punktu widzenia operatora. Opóźnienie jest mierzone jako różnica czasu pomiędzy rzeczywistym zdarzeniem wywołanym przed kamerą sieciową a czasem, po którym to zdarzenie pojawi się na ekranie operatora.

Zaprojektowane stanowisko laboratoryjne pozwala na przeprowadzenie dwóch rodzajów badań pod względem opóźnienia przesyłanego obrazu wizyjnego:

• badania wybranych modeli kamer sieciowych,
• badania wybranych modeli połączeń sieciowych.

Analizując pierwszy rodzaj pomiarów, zaobserwowano, że istotny wpływ na wartość czasu potrzebnego na przesłanie danych mają parametry kamer, takie jak rozdzielczość obrazu i standard kompresji. Pomiary wykonano dla siedmiu kamer sieciowych. Sprawdzono również wartości opóźnień w przypadku zmiany monitora oraz komputera PC.

Badania modeli połączeń sieciowych wykazały, że są one głównym czynnikiem, mającym największy wpływ na wartość opóźnienia. Pomiary wykonane dla pięciu typów układu połączeń wskazują na to, że najlepszym sposobem dla systemu monitorowania jest zastosowanie skrętki miedzianej bądź światłowodu. Charakteryzują się one niewielkim opóźnieniem i najlepszą stabilnością w stosunku do innych badanych topologii sieci.

Na podstawie pomiarów zrealizowanych na wykonanym stanowisku laboratoryjnym oraz po podsumowaniu ich wyników można stwierdzić, że nadal celowe pozostaje zadanie pytania: czy kamera internetowa aby na pewno pokazuje to, co się aktualnie dzieje? Czytelnik, znając niedomagania sieci ethernetowej w naszym kraju, może zadać sobie pytanie: czy sensowne jest zastosowanie sprzętu, który w czasie transmisji obrazu zgubi informację o zaistniałym zdarzeniu i nawet nikt o tym nie zostanie poinformowany?

dr inż. Marek Życzkowski
mgr inż. Łukasz Stawicki

Bibliografia

1. James F. Kurose, Keith W. Ross.: „Sieci komputerowe. Od ogółu do szczegółu z Internetem w tle”. Wydawnictwo Helion, Gliwice 2006.

  Zabezpieczenia 3/2009