Лукашин И.В. Радиосистема дистанционного видеоконтроля (Часть 1. Доработанная)

Радиосистема дистанционного видеоконтроля.

Часть 1 (Доработанная)

(Лукашин И.В., РГРТУ, гр.9110)

1. Анализ поставленной задачи и исходных данных, выявление особенностей работы системы. Цель – проработка идеи создания сети как целостной системы. В контексте решаемой задачи выделение источников и получателей информационных сообщений, оценка характера трафика и обозначение требований к способу доставки сообщений. Определение списка основных и дополнительных услуг системы, предоставляемых пользователям.

В рамках данного проекта предполагается разработать радиосистему дистанционного видеоконтроля, система предназначается для организации сети подвижных роботов, оснащенных видео и аудио датчиками. Видеоизображения и звуковые сигналы от активных устройств в режиме реального времени передаются на базовую станцию (точку доступа), которая перенаправляет эти потоки конечным потребителям.

Системы дистанционного видеоконтроля на основе сети подвижных роботов могут применяться во многих сферах, например, разведка, системы патрулирования территорий и зданий, системы для поиска людей и обследования пострадавших районов в различных чрезвычайных ситуациях (землетрясения, техногенные катастрофы, наводнения и др.).

Разрабатываемая система дистанционного видеоконтроля состоит из двух сегментов:

- сегмент управления;

- сегмент подвижных роботов.

Сегмент управления предназначен для координации роботов, управления видеокамерами, находящимися на них, и хранения информации, приходящей от видеокамер. Видеокамера выполняет функции записи изображения и звуковых сигналов. Таким образом, сегмент управления выполняет следующие функции:

- управление передвижением роботов;

- управление видеокамерами;

- хранение аудио и видео информации;

- резервное хранение аудио и видео информации.

Функции управления выполняют операторы посредством программного обеспечения, установленного на его рабочем месте. Рассмотрение принципов управления передвижением робота находится за рамками данной работы. А управление видеокамерой включает в себя регулирование поворота камеры; зуммирование изображения; выбор качества записи; включения режимов: «ночное видение», «тепловизор»; включение подсветки. Из всего выше сказанного следует, что в сегмент управления (СУ) входят:

1) операторы и их рабочие места;

2) накопители;

3) сервер хранения данных.

Отметим что, оператор может управлять только одним роботом. Вся аудио и видео информация, приходящая от видеокамер, может одновременно использоваться несколькими операторами. Накопители выполняют функцию хранение аудио и видео информации, поступающей от видеокамер. Сервер хранения данных является удаленным узлом хранения информации и дублирует функции накопителей.

Рабочие места операторов, накопители, сервер хранения данных с помощью маршрутизатора объединены в единую локальную сеть. Также маршрутизатор имеет возможность выхода во внешнюю сеть.

Сегмент подвижных роботов (СПР) предназначен для сбора аудио и видео информации. Включает в себя группу подвижных роботов с установленными на них видеокамерами. Группа роботов объединена беспроводным способом в единую радиосеть. Данный способ выбран исходя из особенностей проектируемой системы. Все роботы необходимо оснастить комплектом устройств, осуществляющих двустороннюю беспроводную связь. Такой комплект устройств, в дальнейшем, будем называть «терминал» (Т).

К проектируемой радиосети предъявим следующие требования:

- максимальное количество активных подвижных терминалов: 10;

- радиус зоны обслуживания: 250 м;

- тип местности: городская застройка/производственные помещения;

- вероятность ошибки на бит P_b= ;

- адаптивное изменение мощности передачи;

- минимальный диапазон используемых частот.

Для реализации радиосети, исходя из изложенных требований, необходимо выбрать конфигурацию разрабатываемой сети. Существует два варианта реализации сети:

- структурированные сети;

- сеть Ad Hoc.

Структурированная сеть - обладает стационарными проводными или беспроводными инфраструктурами, объединяет выделенные узлы сети и соединяет беспроводную сеть с другими сетями. В качестве выделенных узлов сети выступают точки доступа. Точки доступа обеспечивают взаимодействие беспроводных терминалов с проводной инфраструктурой сети. Точка доступа реализует большинство процедур, связанных с управлением передачей данных и доступом терминалов к радиоканалу, оставляя терминалам только простую обработку сигналов. Основным достоинством является гарантируемая скорость передачи между терминалами и точкой доступа. Структурированные сети могу быть построены по различным топологиям: узловая, радиальная, радиально-узловая. Структурированные сети не обладают полной гибкостью по причине наличия фиксированной проводной части. Этот недостаток отсутствует в сетях типа Ad Hoc.

Сеть Ad Hoc применяется для построения одноранговых беспроводных сетей без применения точки доступа. Сеть Ad Hoc представляет собой динамически изменяющаяся сеть с произвольной структурой. Каждый узел сети пересылает данные предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу передавать данные, производится динамически. Условия успешного построения беспроводной сети в режиме Ad Hoc является прямая видимость между подключаемыми терминалами. При подключении в режиме Ad Hoc очень важным фактором, влияющим на скорость работы сети, является расположение терминалов в пределах прямой видимости. Это связано с тем, что мощность передатчиков беспроводных адаптеров несколько ниже, чем, мощность точек доступа. Соответственно, радиус действия такой сети примерно вдвое меньше, чем радиус сети, построенной с применением структурированной сети (с использованием точки доступа). Увеличить радиус действия сети Ad Hoc можно применяя более мощные передатчики. Если между терминалами существуют преграды, например стены офиса, то радиус работы сети и скорость резко сократится. [1]

Несмотря на то, что структурированные сети не обладают полной гибкостью, в отличие от сетей Ad Hoc, которые характеризуются произвольной топологией, выберем первый тип реализации сети. Поскольку структурированные сети обеспечивают гарантируемую скорость передачи в отличии от сетей Ad Hoc. Это является одним из основных требований для успешного функционирования систем видео наблюдения. Также существенным недостатком Ad Hoc является зависимость радиуса работы сети и скорости передачи от типа местности.

Для реализации сети воспользуемся узловой топологией (топология «звезда») в связи с небольшим количеством терминалов и простотой организации сети. После выбора конфигурации сети появился новый элемент – точка доступа (ТД).

В рамках разрабатываемой системы ТД - это комплект устройств, имеющий возможность осуществления связи с терминалами с одной стороны и СУ с другой.

Для объединения локальной сети и радиосети в единую систему необходимо организовать соединение между ТД и маршрутизатором. На данном этапе необходимо определится со стандартом аудио и видео записи, используемым видеокамерами. Проведя некоторый анализ «онлайн» камер видеонаблюдения предлагаемых на рынке [2], [3], [4], можно заметить что наибольшей популярностью пользуется стандарт MPEG-4, с глубиной цвета 24 бита. Одной из особенностью этого стандарта является то, что аудио и видео информация объединены в единую иерархическую структуру. В дальнейшем будем использовать понятие «видеопоток», которое объединяет в себе понятия «аудио и видео информация». Чтобы оценить скорость передачи в направлении от видеокамеры до рабочего места оператора, необходимо определиться с какими характеристиками ведется запись аудио и видео информации. Чаще всего в системах видеонаблюдения используется MPEG-4 с характеристиками приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Модификации стандарта MPEG-4 [4].

№	Разрешение	Настройки качества	Настройки fps	Получаемый поток	Получаемый fps
1	640*480	384Kbps	5 fps	373Kbps - 388Kbps	5 fps
2	640*480	1024Kbps	5 fps	1024Kbps- 1036Kbps	5 fps
3	640*480	2048Kbps	5 fps	1800Kbps	5 fps
4	640*480	384Kbps	20 fps	550Kbps	22 fps
5	640*480	1024Kbps	20 fps	1400Kbps	20 fps
6	640*480	2048Kbps	20 fps	2600Kbps	16 - 17fps
7	320*240	200Kbps	5 fps	183Kbps - 200Kbps	5 fps
8	320*240	1024Kbps	5 fps	760Kbps - 800Kbps	5 fps
9	320*240	2048Kbps	5 fps	850Kbps	5 fps
10	320*240	200Kbps	25 fps	240Kbps	28 fps
11	320*240	1024Kbps	25 fps	1100Kbps	30 fps
12	320*240	2048Kbps	25 fps	1600Kbps	30 fps
13	160*120	128Kbps	5 fps	117Kbps - 121Kbps	5 fps
14	160*120	1024Kbps	5 fps	176Kbps	5 fps
15	160*120	2048Kbps	5 fps	220Kbps	5 fps
16	160*120	128Kbps	25 fps	155Kbps	30 fps
17	160*120	1024Kbps	25 fps	520Kbps	30 fps
18	160*120	2048Kbps	25 fps	1000Kbps	30 fps

fps - это количество кадров в секунду

Kbps – скорость, килобит в секунду

В этой таблице не учтено наличие аудиопотока. Большинство, представленных на рынке видеокамер, осуществляют аудио запись с настройкой качества 64кбит/с.

В разрабатываемой системе видео контроля будет использовано две модификации стандарта MPEG-4 (Таблица 2). Эти модификации обладают наилучшим качеством видео среди представленных, но отличаются лишь параметром «Настройки качества». Этот параметр выражает степень сжатия потока, и от него напрямую зависит качество аудио и видео.

Таблица 2. Модификации стандарта MPEG-4 используемые в системе видеоконтроля.

№	Разрешение	Настройки качества	Настройки fps	Получаемый поток	Получаемый fps
1	640*480	1024Kbps	20 fps	1400Kbps	20 fps
2	640*480	2048Kbps	20 fps	2600Kbps	16 - 17fps

Из выбранных модификаций следует, что для успешной передачи видеопотока терминалу необходимо гарантировать скорость передачи 1464Кбит/с. В случае, если в системе видеонаблюдения работают не все роботы, то скорость передачи можно увеличить до 2664 Кбит/с. Трафик в данном направлении носит непрерывный характер, это объясняется особенностью работы видеокамер. Для того, что бы терминалы могли передавать видеопоток с гарантируемой скоростью в ТД необходимо предусмотреть механизм резервирования каналов связи для передачи видеопотока. Особенностью этого направления передачи является негарантируемость доставки видеопотока. Это объясняется психо-акустической моделью восприятия человека, т.е. незначительное искажение нескольких видео кадров или нескольких секунд аудио человек способен «домыслить». Также это можно объяснить тем, что в видеокамерах используются модификации с настройкой 20 fps, и потеря нескольких десятков кадров приведет лишь к потери нескольких секунд аудио и видео информации.

Для оценки скорости передачи в направлении от рабочего места оператора до видеокамеры необходимо определиться, как часто оператор осуществляет управление видеокамерой. Иными словами, с какой скоростью оператор «генерирует» команды управления. Команды управление видеокамерой, как уже отмечалось выше, включает в себя регулирование поворота камеры; зуммирование изображения; выбор качества записи; включения режимов: «ночное видение», «тепловизор»; включение подсветки. Подобные команды управления могут осуществляться несколько десятков раз в минуту. Для передачи команд управления достаточно скорости несколько сотен бит/с – единицы кбит/с. Стоит отметить, что в этом направлении трафик носит пульсирующий характер. Это объясняется тем, что оператор с разной периодичностью «генерирует» команды управления. Еще одной особенностью этого направления передачи является гарантируемость доставки команд управления. Одним из способов обеспечения гарантируемой доставки является автоматический запрос повторной передачи (англ. Architectural Research Quarterly – ARQ).

Основной услугой этой системы является видеонаблюдение. Дополнительных услуг в системе не предусмотрено.

2. Проработка обобщенной функциональной схемы системы: выявление основных ее компонент и описание функциональных связей. Краткое описание концепции функционирования сети в виде анализа доставки информационных/служебных сообщений системы по схеме: сообщения для передачи - инициатор сеанса связи – доставка сообщения (сеть) – получатель сообщения. Обоснование наличия выделенных узлов сети и отражение их задач. Выбор интерфейсов взаимодействия разрабатываемой сети с внешними компонентами (при необходимости).

С точки зрения организации системы видеонаблюдения имеется две сети:

- локальная сеть сегмента управления;

- радиосеть сегмента подвижных роботов.

Локальная сеть СУ функционирует на основе технологии Ethernet. Эта технология подразумевает, что рабочие места операторов, сервер хранения данных и накопители имеют IP-адреса (Internet Protocol Address). Маршрутизатор (М) имеет выход во внешнюю сеть, в роли внешней сети выступает радиосеть. В состав радиосети входят терминалы и точка доступа (ТД). Для взаимодействия ТД с маршрутизатором локальной сети ТД также присваивается IP-адрес. Для организации работы радиосети каждому терминалу присвоен уникальный идентификационный номер ID_Т. ТД, в свою очередь, тоже имеет уникальный идентификационный номер ID_ТД, необходимый терминалам для идентификации сети.

Рис. 1. Функциональная схема сети

Рассмотрим краткую концепцию функционирования сети (Рис.1). Работа каждой радиосистемы начинается с этапа поиск сети и регистрации в ней. Поиск сети терминалами осуществляется следующим образом, ТД передает широковещательное сообщение, включающее в себя ID_ТДи шкалу распределения временных интервалов между терминалами. Шкала распределения временных интервалов входит в состав ИС ТД и нужна для избегания коллизий на этапе регистрации терминалов. Она содержит информацию о том за терминалом с каким ID_Т закреплен временной интервал. Терминал получает это сообщение и фиксирует в журнале идентификаторов точки доступа информационной подсистемы (ИС), что он зарегистрировался в сети с ID_ТД, и что осуществлять передачу на ТД нужно в обозначенный интервал.

Этап регистрации осуществляется следующим образом: ТД осуществляет поиск активных терминалов путем поочередного опроса. ТД заранее (с момента установления или обновления программного обеспечения на терминалах и ТД) известен список идентификационных номеров терминалов ID_Т, данный список хранится в журнале адресов ИС ТД. Операция поиска терминалов происходит периодически, опрашиваются как активные терминалы, так и неактивные. Активные терминалы подтверждают свое наличие в сети, эта информация заносится журнал активных терминалов, входящий в состав ИС ТД.

Радиосеть после прохождения этапа поиска сети и регистрации готова к обмену информационными сообщениями между видеокамерой и оператором. Рассмотрим пример возможного взаимодействия между видеокамерой и оператором: активация видеокамеры (Рис. 2):

Рис. 2. Этапы взаимодействия между видеокамерой и оператором.

(1) оператор выбирает с помощью ПО видеокамеру активного терминала, видеокамеры не активных терминалов не отображаются. М определяет по указанному IP-адресу, что данный запрос предназначается радиосети, и направляет его на ТД;

(2) ТД в журнале активных терминалов производит поиск: за каким Т закреплена запрашиваемая видеокамера;

(3) в случае, если видеокамерой не управляет другой оператор, то ТД в журнале активных терминалов отмечает, что оператор будет управлять запрашиваемой видеокамерой. Иными словами, идентификатору Т ID_Тставится в соответствие IP-адрес рабочего места оператора. Далее, ТД резервирует канал связи для передачи видеопотока. Характеристики канала связи определяются выбранным качеством видеопотока. На данном этапе выбирается модификация стандарта MPEG-4 с минимальной скоростью потока (Таблица 2, [1]). В случае, если запрашиваемой видеокамерой уже осуществляется управление , то оператору поступит оповещение об этом (8);

(4) ТД дает Т команду на включение видеокамеры и на передачу видеопотока;

(5) Т осуществляет передачу видеопотока, согласно модификации с минимальной скоростью потока;

(6) ТД перенаправляет видеопоток, по известному IP-адресу рабочего места оператора в СУ;

(7) в СУ маршрутизатор направляет видеопоток на рабочее место оператора. В алгоритме работы М прописано, что все приходящие на него видео потоки, он также направляет на накопители и сервер хранения данных. Также стоит отметить, что получать видеопоток могут все рабочее места операторов.

Рассмотрим еще пример: смена модификации стандарта MPEG-4 (улучшение качества видео) (Рис. 2). Эта последовательность действий возможно лишь после процедуры активации видеокамеры. Итак, смена модификации стандарта MPEG-4 состоит из следующих действий:

(9) оператор с помощь ПО делает запрос на улучшение качества видеоизображения, управляемой им видеокамеры. М определяет по указанному IP-адресу, что данный запрос предназначается радиосети, и направляет его на ТД;

(10) ТД в журнале активных терминалов производит поиск: за каким Т закреплена запрашиваемая видеокамера;

(11) если IP-адрес рабочего места оператора совпадает с IP-адресом, хранящимся в журнале активных терминалов, то оператор может осуществлять управление видеокамерой.

(*) Далее, ТД обращается к журналу активных терминалов и определяет, сколько терминалов сейчас осуществляют передачу видеопотока, и какая у этих потоков модификация стандарта MPEG-4. В случае, если нет возможности улучшить качество, то ТД уведомляет об этом рабочее место оператора (18). Если же есть такая возможность, то ТД резервирует этот канал связи для передачи видеопотока;

(12) ТД дает Т команду на смену модификации стандарта MPEG-4;

(13) Т адресует эту команду видеокамере;

(14) видеокамера меняет модификацию стандарта MPEG-4;

(15) Т осуществляет передачу видеопотока, согласно выбранной модификации;

(16) ТД перенаправляет видеопоток, по известному IP-адресу рабочего места оператора в СУ;

(17) действие (7).

Управления видеокамерой осуществляется по такому принципу, что и смена модификации стандарта MPEG-4. За исключением этапа (*).

Исходя из описанного выше, необходимо сформулировать основные задачи выделенных узлов радиосети, то есть, терминала и точки доступа.

Задачи ТД:

1. передача общей информации о сети: включает в себя ID_ТДи шкалу распределения временных интервалов между терминалами;

2. прием видеопотока и перенаправление его на СУ;

3. гарантируемая доставка команд управления, приходящих от рабочих мест операторов;

4. адаптация радиосети к выбранной модификации стандарта MPEG-4;

5. резервирование каналов связи для передачи видеопотока;

6. смена профиля функционирования (см. п.1 и п.2.2 [5])

Задачи Т:

1. сбор аудио и видео информации;

2. передача аудио и видео информации;

3. прием команд управления радиосетью (адаптация радиосети к выбранной модификации стандарта MPEG-4 и смена профиля функционирования);

4. прием команд управления видеокамерой.

Определим состав функциональной схемы ТД (Рис. 3). Взаимодействие ТД с маршрутизатором СУ осуществляется с помощью технологии Ethernet. Для этого в составе ТД необходимо предусмотреть наличие сетевого контроллера. Приходящая с рабочего места оператора команда управления видеокамерой, пройдя сетевой контроллер, направляется в буфер. Наличие буфера предопределено тем, что трафик в этом направлении носит пульсирующий характер, а также применением ARQ. Буфер выполняет функции временного хранения как передаваемых команд управления видеокамерой, так и служебных сообщений. Далее, полученные команды поступают на радиомодуль. Радиомодуль выполняет ряд важнейших функций. Одной из функцией является обеспечение гарантируемой доставки сообщений, включающих команды управления видеокамерой и служебные сообщения. Следующей функцией является прием сообщений содержащих видеопоток или служебные сообщения. Для адаптивного изменения мощности передачи терминалов в составе радиомодуля необходимо предусмотреть модуль проведения оперативных измерений. Этот модуль измеряет мощность, излучаемую каждым терминалом. Сведения об измеренной мощности поступают на модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации. Итак, принятые видеопоток и команды управления направляются на модуль извлечения информационных сообщений. Этот модуль необходим для отделения сообщений, содержащих видеопоток или служебных сообщений (например, об изменении мощности излучения, о смене профиля функционирования). Видеопоток направляются на сетевой контроллер. А служебные команды направляются на модуль принятия решений и обработки каналов сигнализации. Этот модуль на основе полученных служебных сообщений решает, как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия ТД и Т. В составе ТД необходимо предусмотреть информационную систему, которая отвечает за ведение журнала активных терминалов, журнала взаимодействия сетей, а также хранение шкалы распределения временных интервалов, идентификатора ТД, и идентификаторов терминалов, а также сбор статистических данных о работе сети.

Рис. 3. Функциональная схема точки доступа.

Рассмотрим функциональную схему Т (Рис. 4). Взаимодействия терминала и робота осуществляются через USB-интерфейс. Для этого в составе терминала необходимо предусмотреть USB-модуль. Видеопоток с камеры после прохождения USB-модуля поступает на радиомодуль. С одной стороны радиомодуль фрагментирует приходящий видеопоток на сообщения. И далее, получившиеся сообщения наделяются дополнительными атрибутами для достоверного приема видеопотока точкой доступа. С другой стороны радиомодуль обеспечивает прием команд управления, приходящих с ТД. Далее, принятые команды управления направляются на модуль извлечения информационных сообщений. Этот модуль необходим для отделения команд управления видеокамерой от служебных сообщений (например, об изменении мощности излучения, о смене профиля функционирования). Команды управления видео камерой направляются на USB-модуль. Служебные сообщения направляются на модуль управления ресурсами терминала. Который на основе этих сообщений решает как будут развиваться и корректироваться сценарии взаимодействия Т и ТД. Также на основе принятых служебных сообщений этот модуль осуществляет управление радиомодулем (смена профиля функционирования, управление мощностью излучения). В составе терминала необходимо предусмотреть информационную систему, которая отвечает за хранение идентификатора Т, идентификаторов ТД, а также шкалы распределения временных интервалов.

Рис. 4. Функциональная схема терминала.

3. Определение и обоснование структуры информационной подсистемы сети. Выявление важнейших модулей информационной подсистемы и пояснение необходимых связей модулей.

Информационная подсистема ТД отображена на Рис. 5 и включает в себя:

журнал активных терминалов включает в себя список ID_Т всех терминалов. Терминалы, находящиеся в активном режиме работы, отмечаются в этом списке флагом активности. Также в этом журнале содержатся сведения о выбранной настройки качества видеоизображения;

журнал взаимодействия сетей ставит в соответствие IP-адрес рабочего места оператора выбранному роботу с ID_Т;

журнал выделенных каналов связи содержит шкалу распределения временных интервалов;

информация о точке доступа – содержит ID точки доступа, а также стандартный уровень мощности, необходимый для работы модуля проведения оперативных измерений, функционально не связан с выше перечисленными журналами.