Bericht • 06.03.2009

Sicherheit: Nützliche Grundlagen des CCTV

„Schneller – besser – weiter“: Dieser Slogan spiegelt nicht nur die Leistungssteigerungen der weltbesten Spitzensportler wider, sondern er beschreibt ebenso trefflich die rasanten Entwicklungen in der Sicherheitsindustrie. Da jagt eine Neuvorstellung die nächste, und bisherige Produktspezifikationen werden von den Anbietern sportlich in den Schatten gestellt.

Im Gegensatz zu den Olympioniken lässt sich die Produktperformance jedoch nur mit beträchtlichem Aufwand bewerten, da bis dato keine standardisierten Messmethoden für einen objektiven Vergleich von CCTV-Systemen zur Verfügung stehen. Die Entwicklungen der letzten Jahre haben das Produktportfolio im Sicherheitsbereich derart verändert, dass selbst die Profis der Videobranche mit der Entscheidung für die eine oder andere Technik an ihre Grenzen stoßen. Mussten sich die CCTV Spezialisten bislang „lediglich“ mit den speziellen Eigenschaften der analogen Videotechnik auseinandersetzen, erfordert die fachgerechte Planung, Installation und Inbetriebnahme eines digitalen CCTV-Systems explizite Kenntnisse aus dem IT-Bereich und im Besonderen rund um das Thema Netzwerktechnik- und management.

Die folgende Zusammenfassung von allgemeingültigen Bewertungskriterien ist als kritischer Ratgeber anzusehen, und mit angemessener Offenheit gegenüber Neuerungen und gleichzeitigem Mut für Altbewährtes enthält die kleine Fibel Grundlagen für die Entscheidung ob analog, hybrid oder digital.
 

Begriffsdefinitionen:

  • Analog: Ausschliessliche Verwendung von CCTV-Komponenten mit analoger Signalübertragung (PAL/ NTSC)
  • Digital: Ausschliessliche Verwendung von CCTV-Komponenten mit digitaler Signalübertragung
  • Hybrid: Gemischte Verwendung von analoger und digitaler Signalübertragung
  • VCR: Video Cassette Recorder
  • DVR: Digital Video Recorder
  • HDVR: Hybrid Digital Video Recorder
  • NVR: Network Video Recorder
  • IP-Kamera: Videokamera mit Netzwerkanschluss und digitale Signalübertragung


Thema Planung

Durch Verwendung hochauflösender IP-Kameras sind deutlich höhere Bildauflösungen als mit konventioneller Technik möglich. Dabei ist darauf zu achten, dass alle nachgeschalteten Systeme – HDVR, NVR und andere – die jeweiligen Bildformate auch tatsächlich unterstützen.

Anders als mit durchgängig analogen Systemen erlauben alle an einem Netzwerk angeschlossenen CCTV-Komponenten – IP-Kameras, HDVR, NVR – den Zugriff und Datenaustausch von/ mit beliebigen Netzknoten. Zu den typischen Funktionen zählen die Parametrierung, Livebild-, Archivbildwiedergabe und Steuerung. Die gleiche Flexibilität bieten im Übrigen auch hybride Systemlösungen.

Da IP-Kameras und HDVR beziehungsweise NVR im Allgemeinen von unterschiedlichen Herstellern angeboten werden, ist auf Kompatibilität der verwendeten Bildkompressionsverfahren zu achten. Mit Aufzeichnungssystemen von Drittanbietern können häufig nur IP-Kameras verwendet werden, die (M)JPEGSequenzen (Einzelbildkompression) generieren.

Unter diesen Umständen muss im Vergleich zu Bewegtbildkompressionsverfahren eine deutlich höhere Netzwerkbelastung eingeplant werden. Eine flexible Systemerweiterung ist zwar prinzipiell möglich, doch die maximale Anzahl an IP-Kameras ist auch mit digitalen Systemen begrenzt. Zu den begrenzenden Faktoren zählen unter anderem die Netzwerkinfrastruktur (im Wesentlichen die Bandbreite) und die Skalierbarkeit/Performance der nachgeschalteten Systeme wie Videoserver, HDVR und NVR.

Die für analoge Übertragungswege kritischen externen Störeinflüsse, die sich negativ auf die Videosignalqualität auswirken können, sind mit digitaler Signalübertragung eher unkritisch. Aber auch mit digitalen Systemen ist die maximale Übertragungslänge begrenzt (Stichwort maximale Segmentlänge von Netzwerkleitungen). Mit geeigneten Netzwerkkomponenten wie Repeater, Router lassen sich jedoch beliebige Entfernungen realisieren. Video-, Audio-, Steuerdaten und Stromversorgung (POE) können prinzipiell über eine gemeinsame
Netzwerkverbindung übertragen werden. Mit analogen Systemen sind dafür mehrere Leitungen erforderlich.

Die Speicherkapazität respektive Aufzeichnungszeit kann abhängig vom Anbieter des digitalen CCTV-Systems beliebig erweitert werden. IP-Kameras basieren häufig auf dem Progressive-Scan Verfahren. Dabei wird das Bild nicht mit dem für analoge Kameras typischen Zeilensprungverfahren, sondern vollbildweise abgetastet. Dadurch wird der bekannte Jittereffekt vermieden. Entgegen der allgemeinen Erwartungshaltung sind viele IP-Kameras bezüglich Lichtempfindlichkeit, Farbtreue, Dynamik und häufig auch in Bezug auf die Bildauflösung analogen Kameras bis dato unterlegen.

Megapixelkameras bieten im Vergleich zu analogen Kameras – in der jeweils höchsten Auflösung – oft nur geringe Bildraten (fps). Ruckelfreie Bilddarstellungen und Aufzeichnungen in Echtzeit sind somit bei hohen Auflösungen nur bedingt möglich. Das Angebot an megapixeltauglichen Objektiven ist zurzeit noch eingeschränkt. Für die Auswahl aller Anlagenkomponenten ist auf Kompatibilität zu achten. Dies trifft insbesondere auf IP-Kameras zu, da hier die Bildkompressionsverfahren und Funktionen nicht standardisiert sind und demzufolge von allen nachgeschalteten Geräten wie HDVR, NVR individuell implementiert werden müssen.

In diesem Zusammenhang ist ebenfalls zu prüfen, ob der/die Hersteller von HDVR, NVR auch die Unterstützung zukünftiger IP-Kameras garantieren kann und welche Kosten mit einer nachträglichen Integration verbunden sind. Für die Integration von IP-Kameras müssen eventuell Funktionseinschränkungen in Kauf genommen werden, da nicht immer alle Features von den zentralen Geräten wie HDVR, NVR unterstützt werden.

Die Verwendung von Bewegtbildkompressionsverfahren (zum Beispiel H26x, MPEG-2, MPEG-4) hat unter Umständen erhebliche Latenzzeiten, das heißt zum Beispiel, es treten Verzögerungen bei der Bedienung von PTZ-Systemen/ Dome-Kameras auf.
Geeignete Schutzmechanismen zur Vermeidung von unberechtigten Zugriffen oder Manipulationen sind insbesondere für die Nutzung existierender Netzwerke und Rechner deutlich aufwändiger als mit konventioneller, analoger Technik.

Neben der videotechnischen Konfiguration muss ein nennenswerter administrativer Mehraufwand für die netzwerkspezifische Parametrierung beispielsweise von Routern, Switches, Repeatern und Servern eingeplant werden. Die oft gepriesene Kostenersparnis durch die Verwendung von Power over Ethernet (POE) trifft nur bedingt zu, da die Netzwerkstruktur und maximale Entfernung grundsätzlich mit den technischen Richtlinien für den Einsatz von POE übereinstimmen müssen. Für Netzwerklösungen gelten im Aussenbereich, insbesondere für grössere Entfernungen, andere Bedingungen als mit Verkabelungen im Innenbereich. Zwar können vorhandene Netzwerkanschlüsse genutzt werden, allerdings sollten Zusatzaufwendungen für die Verlegung von Stichleitungen von der IP-Kamera zum nächstgelegenen Netzwerkanschluss berücksichtigt werden.

Die alles entscheidende Frage nach den Kosten für eine analoge, hybride und digitale Lösung kann nur im direkten Vergleich und unter Berücksichtigung aller Leistungsmerkmale inklusive Verkabelungskosten sowie Investitionen für periphere Netzwerkkomponenten bei gleich-zeitiger Betrachtung des Installations-, Inbetriebnahme- und Wartungsaufwandes seriös beantwortet werden.
 

Thema Videoanalyse

Der Begriff «Videoanalyse» umfasst mehrere Teilbereiche, die sich in der Anwendung und im Auswerteverfahren wesentlich voneinander unterscheiden. Die nachfolgende Zusammenfassung gibt einen Überblick über die wichtigsten Videoanalysefunktionen:

Sensorik:

  • Anwendung: Aktivitätserkennung zur optimalen Ausnutzung der Speicherkapazität im Bereich der Bildaufzeichnung und Alarmierung bei unerwünschten Ereignissen.
     
  • Typische Produktbezeichnungen: Activity Detection, Motion Detection, Bewegungsdetektion, Bewegungsmelder, Videosensor
     
  • Verfahren: Bestimmung von Bildänderungen in definierten Bildbereichen unter Berücksichtigung einfacher objektspezifischer Merkmale wie Grösse und Geschwindigkeit. Im Aussenbereich werden deutlich höhere Anforderungen an das Auswerteverfahren gestellt.


Objekterkennung:

  • Anwendung: Personenverfolgung, -erkennung, -zählung, Nummernschilderkennung, Branddetektion im Tunnel, Erkennen unbeaufsichtigter Gepäckstücke, Melden von Nichtbewegung, zum Beispiel bei Stau
     
  • Typische Produktbezeichnungen: Object Recognition, Loitering, Tripwire, Leave Behind Detection, Videosensor
     
  • Verfahren: Auffinden von vordefinierten Objekten in definierten Bildbereichen unter Einbeziehung objektspezifischer Merkmale wie Form, Grösse, Geschwindigkeit, Bewegungsablauf


Biometrie:

  • Anwendung: Gesichtserkennung in Verbindung mit Zutrittskontrolle (Hochsicherheitstrakt) oder Zugangskontrolle (Login im IT-Bereich)
     
  • Typische Produktbezeichnungen: Nicht bekannt
     
  • Verfahren: Allgemein, die Auswertung physiologischer sowie verhaltenstypischer Merkmale und im Sinne der Gesichtserkennung die Bestimmung charakteristischer Kennzeichen des Gesichts


Suche in Bildkonserve:

  • Anwendung: Automatische Suche nach definierten Bildänderungen in Bildkonserven/ Aufzeichnungen und Verkürzung der Auswertezeit
     
  • Typische Produktbezeichnungen: Smart Search, Post Search, Motion Search
     
  • Verfahren: Prinzipiell können die Verfahren der Sensorik, als auch die der Objekterkennung zur Anwendung kommen. Im Regelfall ist aber die Sensorik die Basis für das automatische Suchen in Aufzeichnungen


Sabotageüberwachung:

  • Anwendung: Detektion von Bildausfall, Bildunschärfe, Bildrauschen, Veränderung des Bildausschnitts (Verdrehschutz), Bildmanipulation
     
  • Typische Produktbezeichnungen (Beispiele): Synchronsignal-, Videosignal-, Bildinhaltsüberwachung
     
  • Verfahren: Bewertung videosignaltypischer Eigenschaften und je nach Anforderung auch gezielte Analyse des Bildinhalts mit Alarmierung bei kritischen Abweichungen


Die Videoanalyse ist im Idealfall fehlerfrei, doch in der Praxis wird die Detektionsgenauigkeit massgeblich durch die folgenden Faktoren beeinflusst:

  • Mangelhafte Bildqualität durch Bildunschärfe, Bildrauschen oder zu geringe Bildauflösung
     
  • Umwelteinflüsse im Aussenbereich wie wechselnde Lichtverhältnisse durch Schatten, Wolken, Tag-, Nachtbetrieb, wechselnde Jahreszeiten, Vibrieren der Kamera (etwa durch Wind), Bewegungen von Büschen, Bäumen, Reflektionen zum Beispiel hervorgerufen durch Glasflächen oder Pfützen und Witterungseinflüsse wie Regen, Schnee, fallende Blätter. Mangelnde Kenntnis über die Funktionsweise des angewendeten Verfahrens und dadurch unsachgemässe Parametrierung
     
  • Technologische Grenzen, weil die Videoanalyse in der Regel auf zweidimensionalem Bildmaterial basiert. Eine dem menschlichen Sehen entsprechende dreidimensionale Abbildung der Szene würde die Fehlerrate deutlich senken, jedoch die Kosten für Zweiaugenkamera-Analysesystem deutlich in die Höhe treiben.

 

Thema Auflösung

Die örtliche Auflösung ist der Massstab für das kleinste noch sichtbare Detail in einem Fernsehbild. Mit zunehmender Auflösung wächst die Detailerkennbarkeit und damit auch die Wahrscheinlichkeit, dass die Anlage wichtige zusätzliche Einzelheiten zur Beurteilung einer Szene liefert. Dia Auflösung wird grundsätzlich durch das schwächste Glied in der Kette aller Anlagekomponenten bestimmt.
Die Bildqualität wird jedoch nicht nur durch die Anzahl an Bildpunkten, sondern auch durch die Auflösung des Bildpunktes (Grauwert, Farbtreue) definiert. Für analoge Kameras wird die Auflösung durch den PAL/NTSC-Standard begrenzt. Hochauflösende IP-Kameras heben die durch PAL festgelegten Auflösungsgrenzen auf. Die so genannten Megapixelkameras bieten somit bei konsequenter Integration deutlich höhere Bildauflösungen.

Für die Entscheidung für diese Technik ist jedoch im Vorfeld zu klären, ob der Einsatz von Megapixelkameras das Ziel verfolgt, die Anzahl an Kameras zu reduzieren, was dann im Endergebnis möglicherweise einer vergleichbaren oder gar geringeren Bildauflösung gleichkommt. Nur bei gleichbleibender Kameraanzahl würde die Verwendung tatsächlich zu einem Auflösungsgewinn und somit zu einer höheren Detailerkennbarkeit führen.

Abhängig von Analog, Hybrid oder Digital wird die Bildqualität wie folgt beeinflusst (allgemeingültige Definitionen für die Bildqualität):

  • Wahrnehmen: Erlaubt einem Beobachter, den Ort, die Richtung und die Geschwindigkeit zu sehen, mit der sich eine Person bewegt, sofern der Bereich, in dem die Person erwartet werden kann, zuvor bekannt ist.
     
  • Detektieren: Versetzt einen Beobachter in die Lage, eine einzelne Person mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit an einer beliebigen Stelle der Überwachungsszene zu finden. Ein Videobewegungsmelder könnte unter diesen Bedingungen als Alarmmelder verwendet werden.
     
  • Erkennen: Ein Beobachter würde unter Einhaltung dieser Qualitätsstufe eine ihm bekannte Person mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit wiedererkennen.
     
  • Identifizieren: Die Detailwiedergabe ist so gut, dass ein Beobachter eine ihm unbekannte Person aufgrund des Fernsehbildes mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit einwandfrei identifizieren kann.


Michael Gwozdeck, Hei Tel
 

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