عوامل تاثیر گذار بر پهنای باند دوربین مداربسته

عوامل تاثیر گذار بر پهنای باند دوربین مداربسته

محاسبه پهنای باند مورد نیاز، یکی از مهمترین مراحل در روند طراحی و مهندسی پروژه های نظارت تصویری تحت IP می باشد. همانطور که یکی از اصول اولیه پروژه ها، جانمایی دوربین های مداربسته و اصلاح پی در پی طرح می باشد، محاسبه پهنای باند نیز به همان میزان از اهمیت برخوردار است. بدون برنامه ریزی دقیق پهنای باند ممکن است شبکه با گلوگاه (Bottleneck) مواجه شود. گلوگاه های شبکه باعث تاخیر و یا اتلاف بسته های ویدئویی می شوند و نه تنها کیفیت تصویر دوربین مداربسته را کاهش داده بلکه در بدترین حالت باعث از بین رفتن فریم های ویدئو می شوند، در نتیجه ممکن است قسمت هایی از یک حادثه مهم ضبط نشود. محاسبه پهنای باند همچنین میزان حافظه ذخیره سازی را تعیین می کند.

در حالت کلی 6 عامل تاثیر گذار بر پهنای باند دوربین مداربسته وجود دارد، این عوامل عبارتند از

• فشرده سازی ویدئو

• کیفیت تصویر

• سطح پیچیدگی تصویر

• رزولوشن دوربین مداربسته

• نرخ فریم 

• تعداد دوربین ها و تعداد کلاینت های سیستم

پهنای باند دوربین مداربسته چیست؟

استریم دوربین مداربسته تحت IP شامل داده هایی همچون ویدئو، صدا و اطلاعات کنترلی دوربین است. به میزان داده ای که دوربین در هر ثانیه ارسال می کند، پهنای باند دوربین مداربسته گفته می شود. پهنای باند معمولا با واحد بیت در ثانیه سنجیده می شود اما در برخی موارد از واحد بایت (byte) نیز به جای بیت استفاده می گردد. البته موضوع گیج کننده ای در این باره وجود ندارد و تنها لازم است که بدانید هر 8 بیت برابر با 1 بایت است. به دلیل آنکه معمولا دوربین مداربسته حجم بالایی از داده را ارسال می کند، برای اندازه گیری پهنای باند دوربین از واحدهایی همانند Kilo ، Mega و Giga در جلوی بیت استفاده می شود. Kilo به معنای هزار، Mega به معنای میلیون و Giga به معنای میلیارد بیت در ثانیه می باشد. 

بنابراین اگر دوربین 40 Mbps (40 مگابیت در ثانیه) پهنای باند داشت، یعنی این دوربین 4,000kbps (4 هزار کیلوبیت در ثانیه) پهنای باند دارد که این عدد، میزان پهنای باند معمول یک دوربین مداربسته با رزولوشن 2 مگاپیکسل و نرخ فریم 30 فریم بر ثانیه است. از این عدد می توان نتیجه گرفت که پهنای باند دوربین مداربسته عدد قابل توجهی می باشد و به همین دلیل است که باید از تکنیک های فشرده سازی ویدئو استفاده کرد.

فشرده سازی ویدئو

فشرده سازی ویدئو به دو دسته کلی تقسیم می شود: فشرده سازی بدون اتلاف داده (Lossless) و فشرده سازی با اتلاف داده (Lossy). در فشرده سازی Lossless تمامی اطلاعات فشرده شده می توانند به حالت اصلی بازیابی شود. این در حالیست که در فشرده سازی Lossy بخشی از داده اولیه قابل بازیابی است. از نمونه های فشرده سازی Lossless می توان به فرمت zip برای فشرده سازی اطلاعات و gif برای فشرده سازی تصاویر اشاره کرد. نمونه هایی از فشرده سازی  Lossy، فرمت Mp3 برای فایل های صوتی و فرمت MJPEG، H.264 و H.265 برای فایل های ویدئویی است.

همانند فرمت های فشرده سازی صوت، فرمت های فشرده سازی تصویر نیز به منظور دستیابی به دو هدف ساخته شده اند:  انتقال داده سریع تر و صرفه جویی در حافظه ذخیره سازی. در میان فرمت های فشرده سازی ویدئو، H.265 نسبت به فرمت نسل قبل یعنی H.264، هم کیفیت تصویر بالاتری داشته و هم پهنای باند کمتری را اشغال می کند. جالب است بدانید که در دوربین های مداربسته یونی ویو کدکی به نام U-code نیز وجود دارد که به همراه فشرده سازی H.265 استفاده می گردد. این کدک پهنای باند و حجم ویدئو دوربین های مداربسته را تا 95% نسبت به حالت عادی کاهش می دهد.

کیفیت تصویر

کیفیت تصویر دوربین مداربسته تاثیر زیادی روی پهنای باند آن دارد به طوری که در اغلب شرایط کاربر سیستم نظارتی باید بین کیفیت بالای تصویر و پهنای باند پایین، یک گزینه را انتخاب کند. کیفیت تصویر دوربین مداربسته وابسته به فاکتورهای زیر می باشد

نرخ بیت متغیر یا (VBR) Variable bitrate

صرفه نظر از فرمت فشرده سازی، اگر نرخ بیت (bitrate) دوربین مداربسته روی حالت VBR قرار گیرد، پهنای باند دوربین مداربسته به صورت خودکار تغییر می کند. به طور مثال در شرایطی که تحرک زیادی در تصویر مشاهده می شود، پهنای باند افزایش پیدا کرده تا کیفیت تصویر پایدار بماند و در شرایطی که تحرک کم است، پهنای باند کاهش پیدا می کند چرا که اطلاعات پیچیده و زیادی برای ارسال وجود ندارد. در این حالت کاربر می تواند با توجه به هدف نظارتی خود بین کیفیت تصویر بالا (Quality) یا پهنای باند کم (Bit Rate) یا تعادل را حفظ کرده و یا یک مورد را ترجیح دهد. 

در روش VBR ممکن است بسته به شرایط محیطی گاهی پهنای باند، بیش از حد انتظار شما بالا رود و موجب ایجاد گلوگاه در شبکه شود.

در تصاویر زیر تفاوت بین دو حالت VBR را مشاهده می کنید.

کیفیت ویدئوی بالا با متوسط نرخ بیت 1.5 Mbps

کیفیت ویدئوی پایین با متوسط نرخ بیت 0.5 Mbps 

نرخ بیت ثابت Constant bitrate (CBR)

هنگامی که همانند تصویر زیر، نرخ بیت را بر روی CBR قرار داده و یک عدد ثابت را برای نرخ بیت تعیین می کنید (بین 128 تا 16384 برای دوربین های مداربسته یونی ویو)، میزان پهنای باند مصرفی دوربین همواره ثابت می ماند. در این حالت اگر تحرک تصویر افزایش یابد، دوربین مداربسته میزان فشرده سازی تصویر را بیشتر می کند تا نرخ بیت همواره ثابت بماند. البته افزایش میزان فشرده سازی ممکن است باعث ایجاد مصنوعات در تصویر شود.

کاهش نویز دیجیتال Digital Noise Reduction (DNR)

همانطور که یک منظره ی پیچیده، فشرده سازی ویدئو را دشوارتر می کند، وجود نویز در تصویر نیز تاثیر یکسانی روی فشرده سازی دارد. این مشکل بیشتر در شرایط کم نور به شکل نقاط ریز سفید در تصویر خود را نشان می دهد. اگر این نویز کنترل نشود، یا پهنای باند دوربین مداربسته بشدت افزایش پیدا کرده و یا در اثر فشرده سازی، مصنوعات زیاد شده و در نتیجه جزئیات مهم تصویر از بین خواهد رفت.

در این شرایط، قابلیت DNR می تواند نویز تصویر را کاهش دهد. البته افزایش بیش از اندازه DNR سبب تاری تصویر و از بین رفتن جزئیات آن می شود، بنابراین دوربین باید در حالتی تنظیم گردد که همواره تعادل حفظ شود. اگر تصویر بین روز و شب بسیار متفاوت است (همانند مواقعی که دوربین در فضای باز نصب شده است)، می توانید زمانبندی جداگانه ای برای DNR تعریف کرده و یا DNR را روی حالت خودکار تنظیم کنید تا خود دوربین با توجه به شرایط محیط میزان DNR را تعیین کند. جالب است بدانید که تمامی دوربین های مداربسته یونی ویو مجهز به تکنیک کاهش نویز دیجیتال 2D و 3D هستند.

سطح پیچیدگی تصویر

پیچیدگی تصویر تاثیر زیادی بر روی پهنای باند دوربین مداربسته دارد. هرچقدر پیچیدگی تصویر بیشتر باشد، به منظور حفظ وضوح و کیفیت تصویر، پهنای باند دوربین مداربسته بالاتر می رود. برای مثال مناظری همانند درخت ها، فنس و یا طرح های پیچیده ای همانند پشت بام های سفالی و نمای آجری ساختمان ها، پیچیدگی تصویر را افزایش می دهد. بلعکس دیوارهای تک رنگ و یا با جزئیات کم، تصویری ساده و بدون پیچیدگی محسوب می شود. به طور مشابه، پویایی و حرکت نیز سبب افزایش پیچیدگی تصویر می شود. به طور مثال رفت و آمد عابرین،  عبور اتومبیل ها و حرکت شاخ و برگ درختان در اثر باد، پیچیدگی تصویر را افرایش می دهند. به تصاویر زیر توجه کنید

منظره ای پیچیده در نرخ بیت 1 Mbps

منظره ای پیچیده در نرخ بیت 5 Mbps

همانطور که در تصاویر  بالا مشاهده می کنید، در مناظر پیچیده به منظور مشاهده جزئیات تصویر باید نرخ بیت را افزایش داد.

منظره ای ساده در نرخ بیت 1 Mbps

منظره ای ساده در نرخ بیت 3 Mbps

همانطور که در تصاویر  بالا مشاهده می کنید، در مناظر ساده نیازی به افزایش نرخ بیت نمی باشد و در نرخ بیت پایین، جزئیات تصویر همچنان به خوبی قابل رویت است.

رزولوشن دوربین مداربسته

تمامی دوربین های مداربسته دارای سنسور تصویر می باشند. تعداد پیکسل های سمت چپ تا راست تصویر نشانگر رزولوشن افقی و تعداد پیکسل های بالا تا پایین تصویر نشانگر رزولوشن عمودی دوربین مداربسته است. کافیست این دو عدد را در هم ضرب کرده تا رزولوشن کلی دوربین را به دست آورید. شاید بپرسید که رزولوشن چه ارتباطی با پهنای باند دوربین مداربسته دارد؟ فرض بگیرید که هر پیکسل دارای رنگ بندی RGB (رنگ های اصلی قرمز، سبز و آبی) با 24 بیت داده باشد. در این صورت پهنای باند برای رزولوشن VGA و رزولوشن 2MP با فرمول زیر محاسبه می شود:

640(تعداد پیکسل افقی) x 480 تعداد پیکسل عمودی))= 307,200 پیکسل = 0.3 MP x 24 bits = 7.2 Mbit/s

1920(تعداد پیکسل افقی) x 1080 تعداد پیکسل عمودی))= 2,073,600 پیکسل = 2.0 MP x 24 bits = 48 Mbit/s

همانطور که مشاهده می کنید، دوربین 2 مگاپیکسلی به دلیل داشتن پیکسل های بیشتر، پهنای باند بیشتری دارد. البته به همان نسبت جزئیات تصویر و وضوح بالاتری نیز در تصویر دوربین 2MP به چشم می خورد. این موضوع باعث شده تا دوربین هایی با رزولوشن بالا برای تشخیص چهره و خواندن پلاک وسایل نقلیه کارایی بهتری داشته باشند.

نرخ فریم 

به تعداد تصاویری که در 1 ثانیه ثبت می گردد، نرخ فریم دوربین مداربسته گفته می شود. به طور مثال دوربینی با نرخ فریم 20fps می تواند در 1 ثانیه 20 تصویر را ثبت کند. این تصاویر پشت سر هم ویدئوی دوربین را تشکیل می دهند. هرچه نرخ فریم بالاتر باشد ویدئو دوربین مداربسته روان تر به نظر می رسد. برعکس اگر نرخ فریم دوربین مداربسته پایین باشد، در ویدئو ثبت شده سوژه های متحرک از نقطه ای به نقطه دیگر تصویر به اصطلاح پرش می کنند.

از آنجایی که افزایش نرخ فریم سبب افزایش پهنای باند دوربین مداربسته می شود، می توان در محیط های کم تحرک نرخ فریم دوربین را بین 5 تا 15 fps تنظیم کرد. اما در محیط های پرتحرک حداقل 30fps برای ثبت تصویری روان مورد نیاز می باشد. ناگفته نماند که دوربین های مداربسته یونی ویو با تکنیک Ultra 265 امکان تغییر خودکار نرخ فریم را با توجه به میزان تحرک در تصویر دارند بنابراین دیگر نیازی به تنظیم دستی نرخ فریم دوربین نمی باشد.

تعداد دوربین ها و تعداد کلاینت های سیستم

تعداد دوربین ها

بدیهی است که تعداد دوربین های مداربسته بر روی پهنای باند کلی یک پروژه تاثیر دارند. اگر رزولوشن دوربین ها یکسان باشد، با دو برابر کردن تعداد دوربین ها، پهنای باند اشغالی نیز دو برابر می شود. برای حفظ گسترش پذیری یک سیستم، توپولوژی های بزرگ را باید به واحد های کوچک تر و قابل کنترل تقسیم کنید. به طور مثال هر 32 یا 64 دوربین مداربسته به یک دستگاه ذخیره ساز متصل گردند و یا از قابلیت هایی همانند load Balance برای متعادل کردن بار ترافیک شبکه استفاده کرد تا از ایجاد گلوگاه در شبکه جلوگیری شود.

تعداد کلاینت های سیستم

موارد گفته شده در بالا در مورد ارسال تصاویر از دوربین به دستگاه ذخیره ساز بود. اما این تنها یک سمت مسئله است، سمت دیگر تعداد کلاینت هایی است که تصاویر زنده و یا ضبط شده دوربین های مداربسته را مشاهده می کنند. بنابراین هنگام محاسبه پهنای باند تعداد کلاینت های سیستم نظارت تصویری نیز باید در نظر گرفته شود.

کلام آخر

تمامی موارد گفته شده در این مقاله از عوامل تاثیر گذار بر روی پهنای باند دوربین مداربسته بوده و باید هنگام طراحی پروژه های نظارت تصویری در نظر گرفته شوند. اما جالب است بدانید که برند یونی ویو برای راحتی کاربران نرم افزار رایگان EZTools را ارائه داده است که توسط این نرم افزار، پهنای باند و حافظه ذخیره سازی مورد نیاز دوربین های مداربسته با توجه به تعداد، رزولوشن، نرخ فریم و نوع فشرده سازی تصویر، به راحتی قابل محاسبه می باشد.