Schulung Video im Netzwerk Reinhard Löcher Mai 2009.

SchulungVideo im Netzwerk

Reinhard Löcher

Mai 2009

Honeywell Proprietary

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Übersicht digital Video

• Was ist Netzwerk Video• Entwicklung von analogem CCTV zur digitalen Welt• Kompression Standards• Übertragung• Speicherung• Verwaltung• Zusammenfassung Vor- und Nachteile


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Was ist Netzwerk Video

• Unter Netzwerk Video, auch IP Video genannt, versteht man die digitale Generierung, Übertragung und Speicherung von Videosignalen innerhalb von Computernetzwerken.– Generierung: Das Bild wird mittels einer IP-Kamera oder einer

analogen Kamera mit Nachgeschaltetem Encoder als „Stream“ generiert.

– Übertragung: Der Videostream wird über konventionelle IT-Netzwerke (LAN/WAN/Internet) übertragen.

– Speicherung: Die Speicherung erfolgt auf Computerhardware. Dies können PC Systeme oder auch dedizierte DVR Systeme sein.


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• Komponenten für Netzwerk Video– IP-Kameras

– Encoder

– Decoder

– Rekorder

– Visualisierung

– Management


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• IP-Kamera– Als IP-Kamera bezeichnet man Kameras, die die Bildinformation in

digitaler Form bereit stellen.

– Achtung: nicht jede IP-Kamera ist auch für CCTV tauglich. Es werden sehr hohe Anforderungen an Bildqualität, Lichtempfindlichkeit, Funktionalität und nicht zuletzt auch die Zuverlässigkeit gestellt.

• Encoder– Encoder wandeln das Videosignal einer herkömmlichen analogen

Kamera in einen IP Videostram um.

– Meist bieten sie zusätzliche Schnittstellen für Audio und Steuersignale


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• Decoder– Decoder wandeln digitale Videostreams in Analoge Videosignale zur

Darstellung auf herkömmlichen CCTV Monitoren(Anwendung selten und nur in Hybrid Systemen erforderlich)

• Rekorder– Videorekorder in Netzwerken werden als NVR (Network Video

Recorder) bezeichnet. Nicht zu verwechseln mit DVR (Digital Video Recorder) DVRs haben im allgemeinen analoge Eingänge und speichern nach AD-Wandlung und Komprimierung digital ab.

– NVR kann ein dedizierte Hardware speziell zur Speicherung von Videostreams in CCTV Systemen sein oder aber auch Standard PC Hardware mit entsprechender Software.


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• Visualisierung– Decoder mit analogem Monitor

• Sehr limitierte Möglichkeiten, da ein Decoder im allgemeinen per Setup auf einen bestimmten Videostream eingestellt ist und somit ein „Umschalten“ auf eine andere Kamera problematisch ist.

– WEB Browser auf PC• Die meisten Hersteller liefern Ihre Produkte (Kameras / Encoder) mit

integrierten WEB Servern, so das man mit einem Browser auf das Video zugreifen kann (Passwortschutz!). Zusätzlich müssen sogenannte AddIns installiert werden. Die Funktion umfasst meist die Live Darstellung und Konfiguration des Gerätes.

– Remote Software auf PC• Proprietäre Software, die installiert werden muss, dafür aber im

allgemeinen einen erheblich größeren Funktionsumfang besitzt.


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• Management– Übergeordnete Software, die alle bisher genannten Komponenten in

ein System integriert und meist auch die Möglichkeit bietet andere Systeme wie zum Beispiel Einbruchmelde Anlagen anzubinden.

– Durch Management Software werden aus den einzelnen Komponenten erst Überwachungs Systeme mit vielfältigen an die Bedürfnisse anpassbaren Funktionen.


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Vom analogen CCTV zur digitalen Welt

• Herkömmliche analoge Videoüberwachung

– Kleinanlage• Analoge Kameras

• Mittels Koaxialkabel oder Zweidraht in Punkt zu Punkt Verbindung zu einem Multiplexer oder Quad verdrahtet

• Gegebenen Falls Aufzeichnung auf VHS oder Langzeit Rekorder

• Visualisierung auf analogem Monitor

• Steuerung der Dome und Multiplexer mittels Joystick Controller über RS422/485 Schnittstelle


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• Videoüberwachung Hybrid mit DVR

– Kleinanlage• Analoge Kameras

• Mittels Koaxialkabel oder Zweidraht in Punkt zu Punkt Verbindung zu einem DVR verdrahtet

• Visualisierung auf analogem Video- oder PC-Monitor

• Steuerung der Dome und des DVR mittels Joystick Controller über RS422/485 Schnittstelle

• Optional: Remote Arbeitsplatz über Netzwerk


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• Videoüberwachung digital mit NVR

– Kleinanlage• IP Kameras

• Analoge Kameras mit Encoder

• Mittels strukturierter Netzwerk Verkabelung verbunden.

• Visualisierung auf vernetzten Abfrageplätzen mit entsprechender Software

• Optional auf analogen Monitoren mittels Decoder

• Aufzeichnung auf NVR.

• Steuerung der Dome und des NVR über Softwareoberfläche des NVR


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• Herkömmliche analoge Videoüberwachung– Großsystem

• Analoge Kameras (fix und SNZ) sternförmig verkabelt zu einer Systemzentrale ggf. mit Unterzentralen.

• Modulare Videomatrix ggf. mit Subsystemen mit Ein- / Ausgängen und Schnittstellen zu anderen Systemen (ZK, EMA, BMA …)

• Analoge Videoaufzeichnung (Echtzeit, gemultiplext oder alarmgesteuert)• Visualisierung auf analogen Videomonitoren (manuelle Auswahl und

alarmgesteuert)• Steuerung durch Video Management Software.• Bedienung mit Videobediengeräten und/oder grafischen

Bedieneroberflächen auf PC Basis


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Analoges Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung


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• Hybrid Videoüberwachung– Großsystem

• Analoge Kameras (fix und SNZ) sternförmig verkabelt zu einer Systemzentrale ggf. mit Unterzentralen.

• Modulare Videomatrix ggf. mit Subsystemen mit Ein- / Ausgängen und Schnittstellen zu anderen Systemen (ZK, EMA, BMA …)

• Digitale Videoaufzeichnung (Echtzeit, gemultiplext oder alarmgesteuert)• Visualisierung auf analogen Videomonitoren (manuelle Auswahl und

alarmgesteuert)• Visualisierung optional über PC Oberfläche (auch Remote über Netzwerk)• Steuerung durch Video Management Software.• Bedienung mit Videobediengeräten und/oder grafischen

Bedieneroberflächen auf PC Basis


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Hybrid Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung


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IP Videosystem für 44 Kanäle Spielbank Überwachung



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Kompression Standards

• JPEG: (Joint Photographic Experts Group) – Einzelbild Kompression

• MJPEG: (Joint Photographic Experts Group) – Einzelbild Kompression für Videoanwendungen

• Wavelet: Einzelbild Kompression. • MPEG: (Moving Picture Experts Group)

– Kompressionsstandards für Bewegtbildanwendungen

• Proprietär: Herstellerabhängig– Selbst entwickelte Verfahren


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• MJPEG Motion JPEG– Motion JPEG (MJPEG) ist ein Video-Codec, bei dem jedes Einzelbild

separat als JPEG-Bild komprimiert wird.

– M-JPEG findet Anwendung bei IP-Kameras, also Netzwerkkameras. Dabei wird der Stream häufig über das Protokoll HTTP versendet. Damit der Client (meistens ein Webbrowser) die Daten korrekt darstellen kann, wird der spezielle MIME-Type multipart/x-mixed-replace;boundary= verwendet. Es folgt ein frei wählbarer String zur Trennung zwischen den einzelnen Bildern nach dem MIME-Type boundary=. Danach folgen die einzelnen JPEG-komprimierten Bilder, getrennt durch den im MIME-Type definierten String.


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• MJPEG– Die mit MJPEG-komprimierten Videos haben im Gegensatz zu den

mit MPEG komprimierten eine von der Bewegung des Bildes unabhängige Qualität. Wegen der hohen Qualität (bei 3,125 MByte/s (25 MBit/s) etwa SVHS-Qualität) der Videos und der schon vorhandenen Encoder-Hardware wird dieser Standard oft verwendet. Durch die einzelne Kompression aller Einzelbilder ist es bei diesem Format möglich, einen Video-Clip ohne die Notwendigkeit des Recodierens bildgenau zu schneiden, was bei MPEG im allgemeinen nur bei Schlüsselbildern möglich ist. Es gibt zahlreiche Varianten des Formats, die zum Teil nicht zueinander kompatibel sind.

– Die Kompressionsrate liegt mit 1:5 bis 1:13 zwischen unkomprimierten Formaten wie RGB/8 (1:1) oder YCbCr/8 (1:1,5 oder 1:2) und der MPEG-2-Kompression (ca. 1:25 bis 1:100). Bei hoher Qualität entspricht das für PAL-Video in etwa 30 MBit/s.


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• Wavelet – Heute in der Video Kompression kaum noch verwendet

– Als erstes wird eine 2D-Wavelet-Transformation durchgeführt. Dadurch erhält man genau so viele Koeffizienten, wie das Bild Pixel enthält. Diese Koeffizienten sind leichter zu komprimieren, da sich der Großteil der wichtigen Informationen auf einige wenige Koeffizienten konzentriert. Dieses Prinzip heißt auch Transformationskodierung. Anschließend werden die Koeffizienten quantisiert und die quantisierten Werte entropiekodiert und/oder lauflängenkodiert.

– Die Kompressionsrate ist Ähnlich der von JPEG, wobei der Bildeindruck subjektiv meist als besser empfunden wird, da weniger Blockbildung erfolgt


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• MPEG (Moving Picture Experts Group) - Übersicht der Normen

• Quelle: Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Moving_Picture_Experts_Group


Name Erscheinungsjahr Bemerkung H.261 1990 Bildtelefonie, Videokonferenzen über ISDN MPEG-1 1993 Progressives Video-Format mit mehreren Layern. Wird unter anderem für Video-CDs verwendet. Zum

Audio-Teil von MPEG-1 gehört das MP3 (MPEG-1 Layer 3). MPEG-2/H.262

1994/95 Video- und Tonformate in Fernsehqualität. Wird auch für DVD-Videos und DVB verwendet. (Bitrate: bis 15 Mbit/s)

H.263 1995/96H.263+ 1997/98H.263++ 2000MPEG-3 (nie erschienen) Hätte der Standard für HDTV werden sollen. Es genügte aber eine Erweiterung von MPEG-2. MPEG-

3 kam daher nie zustande. MPEG-4 1998/99/00/01 Gegenüber MPEG-2 deutlich stärkere Video-Kompression. Die erste Version des Standards kam

1998/99 heraus. Es folgte Version 2 1999/00 und die Version 3 2001. MPEG-4 beschreibt u. a. ein komplexes, an QuickTime angelehntes Container-Format, eine 3D-Sprache ähnlich VRML und nicht-rechteckige Video-Objekte. Es enthält auch Unterstützung für Digital Rights Management.

H.264 2002 Offizielle Terminologie des ITU oder MPEG-4 Teil 10 (offizielle MPEG Terminologie) ISO/IEC 14496-10 AVC. Im Sprachgebrauch auch H.26L, die Arbeit des JVT oder „JVT CODEC“, Advanced Video Code (AVC), JM2.x, JM3.x und JM4.x genannt.

MPEG-7 2002 Ein System zur Beschreibung von multimedialen Inhalten (u.a. Metadaten).MPEG-21 Ein sog. „Multimedia Framework“. MPEG-A 2004 Standardisierung von integrierten Lösungen („MPEG-Anwendungsformaten“) für bestimmte, klar

definierte Anwendungsfälle; referenziert Werkzeuge/Technologien sowohl aus anderen MPEG-Standards als auch von außerhalb;

MPEG-B 2005 „MPEG Systems Technologies“: Standardisierung von „Systems“-Technologien, die in mehreren MPEG-Standards Verwendung finden (z. B. binäre Codierung von XML);

MPEG-C 2005 „MPEG Video Technologies“: Standardisierung von Video-Technologien, die in mehreren MPEG-Standards Verwendung finden (z. B. inverse DCT);

MPEG-D 2005 „MPEG Audio Technologies“: Standardisierung von Audio-Technologien, die in mehreren MPEG-Standards Verwendung finden (z. B. „MPEG Surround“ zur Codierung von Surround-Audiomaterial);

MPEG-E 2005 M3W (MPEG Multimedia Middleware)


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• Proprietär Herstellerabhängig– Selbst entwickelte Verfahren verschiedener Hersteller

– Eigene Hard- und/oder Software zur Komprimierung

+ Unabhängig von Fremdfirmen

+ Keine Lizenzgebühren

+ Keine Einengung durch Kompatibilitätszwang - effektiver

+ Schnelle Reaktion auf Erfordernisse des Marktes

- Hohe Entwicklungskosten

- Keine Kompatibilität zu Plattformübergreifenden Playern


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Übertragung

• Analog– Asymmetrisch über Koaxialkabel

• 1:1 Verbindung+ Bewährte und einfache Technik

+ Hohe Bandbreite und Bildqualität

- Empfindlich gegen Störsignale und Gleichstromanteil

- Geringe Reichweite (100 – 300 Meter je nach Kabel)

- Hohe Verdrahtungskosten

– Symmetrisch über Zweidraht Kabel• 1:1 Verbindung

+ Bewährte und einfache Technik

+ Unempfindlich gegen Störsignale

+ geringere Verdrahtungskosten aber Zusatzkomponenten erforderlich

+ größere Reichweite (- 1500 Meter)

- Geringere Bandbreite und Bildqualität (< 5MHz)


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Übertragung

• Analog– Glasfaser (Multi mode / Single mode)

• Analog (1:1)• Digital (multiple Signale auf einer Faser)

+ Große Entfernungen (Single mode bis 70 km ohne Zwischenverstärker)

+ Störungsunempfindlich

- Hohe Kosten

– Funk

– Infrarot

– Mikrowelle

– ….


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Übertragung

• JPEG und Wavelet Systeme– Es werden Einzelbilder übertragen. Eigener Software Overhead

erforderlich um bei Bewegtbildern die zeitliche Reihenfolge zu erhalten. Es wird eine sehr hohe Bandbreite benötigt, alle Bilder komplett übertragen werden müssen.

• MJPEG– Es werden Einzelbilder übertragen. Der Stream wird als MIME-Type multipart/x-mixed-replace;boundary=… übertragen. Somit wird die einhaltung der Reihenfolge durch das Protokoll sichergestellt. Es wird eine sehr hohe Bandbreite benötigt, alle Bilder komplett übertragen werden müssen.


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Übertragung

• MPEG– Es werden nicht für alle Einzelbilder alle Informationen übertragen,

sondern der Stream wird in sogenannte GOPs (Group of Pictures) aufgeteilt. Der genaue Algorithmus unterscheidet sich nun in der einzelnen Unternormen, aber Prinzipiell wird ein Referenz Bild erstellt und übertragen, und danach nur noch die Unterschiede. Die einzelnen Unterstandards von MPEG sind je nach Ziel der Anwendung unterschiedlich optimiert.

• Bildqualität, • Bitrate(Bandbreite)• bei den neueren auch Multimedia Funktionen (Spiele/Internet)

– Für CCTV setzen sich im Moment MPEG-4 und dessen Nachfolger/Erweiterung H.264 in den Vordergrund.

+ Standart


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Übertragung

• MPEG– Für CCTV setzen sich im Moment MPEG-4 und dessen

Nachfolger/Erweiterung H.264 in den Vordergrund.

+ genormter Standard

+ schnelle Verfügbarkeit durch Standard Hard und Software+ dadurch überschaubare Entwicklungskosten

- Lizenzrechte ???- Manipulierbarkeit ???


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Speicherung

• Analog– Videorekorder

• Direkt Realtime

• Direkt Timelapse

• Über Video Matrix > Alarmaufzeichnung

• Über Multiplexer

• Über Multiplexer Timelapse+ Preiswert

– Je Kamera ein Rekorder >Platzbedarf

– Gemultiplexed > Informationsverlust

– Verschleiß– Bandwechsel– Zur Wiedergabe muss das

entsprechende Band physikalisch am Wiedergabeplatz sein


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Speicherung

• Digital– Hybrid Systeme (DVR)

• Im Allgemeinen wird dedizierte Hardware verwendet. – Bei Proprietären Rekordern (auch embedded genannt) als geschlossenes

System mit herstellerspezifischer Hard- und Software..

– Bei PC Systemen mit marktüblichem Betriebssystemen. (MS-Windows™ oder Linux) Als Kompressionshardware werden frei im Markt verfügbare Karten oder auch Eigenentwicklungen eingesetzt. Die Oberfläche und Funktionalität wird dann durch eigene Software generiert .

• Es sind immer Hardware (Kompression) und Software als System zu sehen.


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Speicherung

• Vorteile+ Mehrkanalsysteme 4, 8, 16 und

32 Kanäle in einem Gerät

+ Zusatzfunktionen wie Motion Detection zur Aufzeichnungs-und Wiedergabesteuerung

+ Durch Festplattenaufzeichnung wahlfreier Zugriff (kein Spulen)

+ Intelligente Suchfunktionen für schnelle Auswertung

+ Verknüfung mit externen Daten (POS) möglich

+ Wiedergabe und Auswertung auch über Netzwerk möglich

• Nachteile- Die analogen Signale müssen

wie bei analogen Systemen zum DVR verkabelt werden (Sternverkabelung) Unflexibel bei baulichen Veränderungen.

- Wiedergabe meist nur mit proprietären Playern möglich.

- Nach Export in „standard“ Formate meist nicht mehr manipulationsgeschützt

- Bei Ausfall eines Gerätes sind x Signale gestört.

- Bei „mittleren“ Systemen ohne Raid Funktionalität, sind bei einem HDD Defekt meist ALLE Daten zerstört


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Speicherung

• Digital– Netzwerk Recorder (NVR)

• Zur Speicherung kann standard Hardware aus der IT Technik verwendet werden. Diese ist innerhalb des Netzwerks fast Standortunabhängig

• Es wird keine Kompressionshardware benötigt, das die Signale schon digital komprimiert im Netztwerk verfügbar sind

• Die Bildqualität und das Datenaufkommen ist nur von der verwendeten Peripherie abhängig.

• Die gesamte Funktionalität wird durch die Software abgebildet• Es können herstellerübergreifende Systeme realisiert werden


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Speicherung

• Vorteile+ NVR ist meist Hardware

unabhängig

+ Frei skalierbar

+ In Bezug auf Peripherie meist Hersteller unabhängig (Investitionsschutz)

+ Dezentraler Aufbau möglich

+ Bei Ausfall von Speicher Hardware kann Software gestützt auf Redundanzsysteme umgeschaltet werden

++ Alle Vorteile des DVR

• Nachteile– Hohe Anforderungen an die

Netzwerk Topologie.– Extremer Bandbreitenbedarf im

Vergleich zu „normalen“ IT Netzwerken.

– Bei Kupfer Verkabelung beträgt die maximale Entfernung ohne aktive Baugruppen 100 m.

– Keine Echtzeit (Latenz) wirkt sich vor allem bei der manuellen SN Steuerung störend aus.

– Datenschutz ????


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Verwaltung

• Netzwerk Rekorder (NVR)– Häufig handelt es sich bei NVRs um reine Software Lösungen, die

Hersteller eigene Netzwerk- oder IP-Kameras in einem TCP/IP Netzwerk verwalten. Die Speicher Hardware wird meist vorgegeben, um eine Mindestleistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

– Die Software steuert hierbei entsprechend der Konfiguration und den Möglichkeiten der Netzwerktopologie die Aufzeichnung und den Live Zugriff auf die Bilddatenströme (Streams) der einzelnen Kameras und Speichersysteme.

– Zur Anbindung anderer Gewerke werden Software Anbindungen bevorzugt.

– „Fremde“ IP Kameras können nur angebunden/integriert werden, wenn Standard Kompressions- Algorithmen verwendet werden oder der Hersteller eine Software Schnittstelle (API) zur Verfügung stellt. (Investitionsschutz??)

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