Из беседы Ренатом Юсуповым, старшим вице-президентом компании Kraftway. Позиция интервьюируемого может не совпадать с позицией автора статьи.

Один из интересных проектов Kraftway – интеллектуальная камера видеонаблюдения, которая объединяет в компактном корпусе видеокамеру, полноценный видеосервер на платформе х86 и накопитель для хранения записей.

Традиционная система видеонаблюдения предполагает набор видеокамер, передающих по кабелям картинку на видеосервер. Последний ее обрабатывает и записывает на устройство хранения (либо отдельную СХД, либо жесткие диски в самом сервере). Такой фиксации может подлежать весь видеоматериал или отдельные события по заранее настроенным шаблонам. Эта схема нуждается в отдельной инфраструктуре: требуется поставить камеры, протянуть кабели, установить и настроить видеосервер с нужным ПО, систему хранения данных и т.д. Особые сложности возникают, если нужно охватить большую территорию либо обеспечить видеонаблюдение на удаленных объектах.

В качестве альтернативы часто используют IP-видеокамеры, работающие по беспроводному каналу. Некоторые из них поддерживает PoE, т.е. получают питание по тому же кабелю, по которому отправляют данные. Подобные решения несколько дороже (да и сами коммутаторы с поддержкой PoE не бесплатны), но зато упрощается монтаж, настройка и управления.

У IP-камер есть свои минусы; один из существенных – низкая безопасность, в т.ч. защищенность от взлома. К подобному устройству (особенно к китайским изделиям) можно получить доступ извне и получить контроль над ее поведением. Более того, взломанная камера может использоваться для проникновения в другие сети, к которым она подключена.

Эти недостатки послужили стимулом Kraftway для создания необычной камеры. Решение должно сочетать достоинства всех компонентов системы: не только снимать видео, но и уметь обрабатывать его, оценивать события и отфильтровывать ложные срабатывания, взаимодействовать с оператором в режиме реального времени. А главное, обладать высокой степенью защищенности, чтобы предотвратить как утечку данных, так и взлом самого устройства.

Весь цикл разработки занял год: при этом техническая разработка длилась около 9 месяцев. Но нужно учитывать, что большая часть программных решений уже была создана и выведена на рынок в рамках других проектов, что облегчило задачу.

Технические параметры

Вначале разберемся с техническими характеристиками и возможностями камеры. Кстати говоря, официально она называется «Интеллектуальная камера для систем объектового наблюдения Kraftway Smart Video Camera (KSVC)», с англоязычным названием и без индекса. Поэтому в этой статье мы будем называть ее просто «камера».

Аппаратная часть

Оптическая часть построена на сенсоре Sony (IMX185, ½ дюйма, 2,38 мп, FullHD, CMOS). Камера обеспечивает поток FullHD до 60 к/с, высокую чувствительность ночной съемки, широкий динамический диапазон. Заявлено, что освещенность может быть от 0,05 лк (цвет), от 0,005 лк (ч/б режим).

В качестве вычислительной платформы используется Intel Atom E3845, SoC процессор семейства Bay Trail промышленной серии. Впрочем, вычислительная платформа в любом случае стоит недорого на фоне общей стоимости решения (SoC Intel Atom стоит порядка 40 долл.). Процессор хорош тем, что обеспечивает достаточный уровень производительности и аппаратное ускорение обработки видео при минимальном энергопотреблении.

По словам Рената Юсупова, большую часть обработки видео берут на себя вспомогательные решения – интегрированный DSP и графический ускоритель. Поэтому ресурсы центрального процессора остаются свободными, и их можно задействовать для задач видеосервера – аналитики, обработки событий и пр. Обычно на обработку одного видеопотока нужно одно ядро процессора, т.е. с учетом накладных расходов и задач системы процессор может обрабатывать 2-3 видеопотока. Кстати, сам видеосенсор генерирует много разных потоков: с разным разрешением, количеством кадров, цветные или черно-белые и пр., и камера может выбирать нужные.

Итак, спецификации камеры:

• Intel Atom E3845, до 1.91 ГГц, 4 ядра
• Материнская плата – собственной разработки, под Intel Bay Trail; 1 разъем M.2 для установки SSD; 1 модуль NGFF для модуля доверенной загрузки, 1 порт SATA 3.0 для установки внутреннего 2.5” SSD.
• Память: до 8 ГБ DDR3L-1333, 1 разъем SO-DIMM
• Интегрированное ядро Intel HD Graphics с поддержкой аппаратного кодирования/декодирования видео
• Интегрированный аудеоконтроллер Realtek ALC886
• Сетевой контроллер Ethernet 10/100/1000 Мбит/с, разъем RJ-45, поддержка PoE+.
• Питание: разъемы DC 12В, AC 24; возможность питания через PoE+.
• Порты: USB 2.0, USB 3.0, HDMI, RJ-45, линейный аудиовход, линейный аудиовыход, разъем с интерфейсными контактами, изолированные цифровые вход и выход, RS485.
• Системный накопитель 32 Гб; опциональный SSD до 1 ТБ для видеозаписей.
• Корпус: 175х85х75 мм (без объектива), черный. Пассивное охлаждение компонентов.
• Потребляемая мощность до 25 Вт.
• Рабочий диапазон температур от -20 до +50 С.

Камера потребляет настолько мало энергии, что укладывается в стандарт PoE+ (он обеспечивает питание до 25 Вт), так что при создании проводной инфраструктуры можно протягивать к камере всего один кабель. Разумеется, если использовать свитч, поддерживающий эту технологию. WiFi в камере нет, в случае необходимости можно устанавливать адаптер в один из портов USB и работать с ней по беспроводным сетям.

Разъемы расположены сзади на корпусе. Камера негерметична, не имеет защиты от пыли и влажности, поэтому при установке вне помещений ее нужно убирать в защитный кожух. Впрочем, последний стоит относительно недорого.

При проектировании предпочтение отдано SSD, так как HDD не обладают нужной температурной устойчивостью: летом в жаркую погода камера может нагреваться до 50 и выше градусов, а зимой – остывать и ниже -10, все это крайне плохо сказывается на надежности шпиндельных накопителей.

Программная часть

Работает камера под управлением специализированной ОС на базе Ubuntu Server х64 и использует библиотеки Live555, LibXCam, AIQ, MediaSDK для захвата, предобработки, кодирования и трансляции видео. Для сжатия видео используются кодеки Н.264 и MJPEG.

Благодаря архитектуре х86 можно использовать любое стандартное ПО для работы с видео, которое есть у заказчика. Камера может поставляться с набором ПО Kraftway для видеообработки, а может использоваться стороннее или собственное ПО заказчика.

Платформа обладает UEFI BIOS от Kraftway, в котором присутствуют (или доступны в качестве опций) все технологии безопасности, которые компания разрабатывает для более серьезных решений. Сюда входят система контроля целостности аппаратной и программной среды, встроенный антивирус и пр. Из других особенностей можно упомянуть единую систему обновления ПО от Kraftway, специализированное ПО для управления видеопотоками и работы с архивами камеры, веб-интерфейс для настройки работы устройства.

Сотрудничество с Intel

При создании камеры специалисты активно взаимодействовали с разработчиками Intel для доводки и оптимизации драйверов и ПО.

Например, одной из особенностей платформы Intel Bay Trail является наличие встроенного сопроцессора обработки сигналов, который здесь называется ISP (Integrated Signal Processor). Он может взять на себя предобработку картинки: убрать шумы, дрожание, нормализовать яркость и т.д. Для решения этих задач он более эффективен, чем центральный процессор, и к тому же его использование поможет освободить ЦП для других задач.

После предобработки необходимо преобразовать поток в Н.264. Для этого также есть специализированные наборы инструкций, которые поддерживает встроенный GPU Intel HD Graphics. Т.е. и эту задачу можно легко решить, не используя ресурсы центрального процессора.

Однако драйверы и ПО для Intel Bay Trail под Linux на момент разработки камеры имели достаточно бедные возможности и не поддерживали многие необходимые функции. Например, драйвер ISP был оптимизирован под планшеты и их камеры, но не умел делать ничего сверх того, что необходимо для работы с веб-камерой. Поэтому Kraftway пришлось обратиться в Intel.

В рамках проекта компания сотрудничала с тремя разными группами. Одна группа разработчиков из Аризоны доделывала функциональность ISP. Другая группа, расположенная в Нижнем Новгороде, дорабатывала Media SDK, и еще одна группа переделывала одну из библиотек, чтобы добавить нужные Kraftway возможности.

Встроенная видеоаналитика как важное преимущество

Простая видеосъемка окрестностей – во многом бессмысленное занятие. Ведь нужно создавать довольно сложную инфраструктуру, тянуть провода, да и ресурсов на запись требуется много (если предусматривать относительно длительный срок хранения). Но главное, эта схема требует присутствия оператора, который должен постоянно отслеживать картинку и реагировать на события.

В общем, даже если камера снимает двор предприятия, мало кому нужна постоянная запись, в которой непросто выделить что-либо интересное. Всех интересует запись событий, т.е. тогда, когда в кадре что-то происходит. Вроде несложная задача, но даже она требует сложных программных решений и интеллектуальной работы. Ведь картинка постоянно меняется хотя бы за счет того, что меняется освещенность: по небу проплыло облако, по двору летают осенние листья, наступил вечер и т.д.

Поэтому нужно не только фиксировать, но и анализировать изменения изображения. Этим и занимается видеоаналитика. Она позволяет отсеивать ложные срабатывания и мелкие события, уведомляя оператора и включая запись только в тех случаях, когда происходит что-то действительно важное. В общем, берет на себя технические рутинные задачи, освобождая оператора для более важных вещей. Алгоритмы видеоаналитики высокого уровня – довольно сложная вещь. Компания Kraftway работает в этом направлении более 6 лет.

Самый простой уровень: видеоаналитика позволяет оценивать проблемы с самой камерой (загрязнение, затемнение, расфокусировка и пр.), определять движение в кадре, контролировать периметр (пересечение зон, неадекватное поведение в кадре). Но это – всего лишь первый уровень, который могут обеспечить даже некоторые IP-камеры.

На более высоком уровне видеоаналитика способна осуществлять контроль движения и поведение скоплений людей, появляющиеся или исчезающие предметы (например, бесхозные сумки в переходах метро, на стациях и т.д.), проводить сбор статистики – например, количество прошедших по коридору лиц, количество посетителей и пр.

Следующий уровень – распознавание и сопоставление с базой данных. Камера с аналитикой может, например, распознавать автомобильные номера –для сбора статистики либо фиксации интересующих событий (превышение скорости, неправильные перестроения), а также в других сферах (например, чтобы пропускать на охраняемую территорию только определенные автомобили).

Еще более сложная задача – распознавание лиц и сопоставление с базой данных. Например, умную камеру Kraftway можно повесить на проходной и использовать для управления доступом: она может сама заниматься распознаванием лиц сотрудников и открывать турникет только перед ними. При таком сценарии камера Kraftway хороша тем, что не требует вообще никакой дополнительной инфраструктуры – достаточно повесить ее на турникет даже в неприспособленном помещении.

В этой ситуации сделать управление исполнительными устройствами – вообще не проблема. Куда сложнее организовать распознавание лиц. По словам Рената Юсупова, на сегодняшний день распознавание лиц – довольно отлаженная и надежно работающая технология. Проблемы и сложности начинаются там, где очень большая база данных и много похожих вариантов – вот тогда система действительно начинает сбиваться и создавать ошибочные соответствия. Если же речь идет об относительно небольшой базе данных (например, только лица сотрудников одного предприятия), то современные системы способны успешно распознавать лица, не совершая ошибок.

Задачи и сценарии, или когда нужна умная камера

Благодаря встроенному видеосерверу и рациональным алгоритмам видеоаналитики, камера Kraftway может оценивать обстановку и записывать только важные события, преобразовывая видеопоток в запись нужного формата. Это дает возможность использовать камеру либо в полностью автономном режиме (по словам Рената Юсупова, накопителя максимальной емкости может при некоторых условиях хватать для записи до 90 суток), когда камера просто фиксирует события, а записи снимает выездная бригада в ручном режиме, либо на удаленных объектах, не имеющих скоростного подключения к сетям связи. Система отбирает важные события и уведомляет оператора, направляя ему короткий видеоролик, фото или даже текстовое сообщение. Объем пересылаемой информации крайне невелик, что позволяет камере работать даже через слабые сети с низкой пропускной способностью и сотовые сети с ограничениями по трафику.

Второй аспект – высокий уровень безопасности и защищенности. Камера оснащена многими технологиями безопасности, разработанными компанией Kraftway, включая защищенный UEFI-загрузчик с контролем целостности и доверенной загрузкой, а также механизмы защиты от взлома и внешнего вторжения. Передаваемая информация тоже защищена: камера может шифровать трафик и создавать VPN-соединение для безопасной передачи данных. Все это позволяет размещать ее практически где угодно, а для обмена данными использовать любые доступные сети связи, в том числе публичные. Например, один из перспективных сценариев использования – мониторинг публичных пространств в городе.

Умное видеонаблюдение в городе – важнейшая задача, позволяющая поддерживать правопорядок, контролировать ситуацию и выявлять «проблемные места». Сейчас во многих регионах действует программа «Безопасный город», которая предусматривает развитие систем видеонаблюдения. Правда, Ренат Юсупов считает, что даже на сегодня можно реализовать куда больше возможностей автоматической работы с видео, чем это предусматривается в программе. Кстати, примерно о том же говорили представители компании «Depo» в своем интервью smb.ixbt.com: система способна выполнять больше функций и работать более эффективно, чем от нее сегодня требуется.

Кратко суммируем основные особенности и достоинства видеокамеры.

• Встроенный сервер обработки видео и видеоаналитики, включая хранение записей, что позволяет значительно удешевить инфраструктуру системы наблюдения (видеосервер, сетевое оборудование, массив кабелей), а в ряде случаев полностью от нее отказаться;
• Возможность работать в качестве законченного решения для решения конкретных задач (например, управления доступом, контроль удаленных мест);
• Возможность работы через неустойчивые сети с малой пропускной способностью благодаря небольшому количеству передаваемой информации после обработки;
• Низкие требования к инфраструктуре: для работы достаточно протянуть к камере один сетевой кабель с PoE+;
• Высокая безопасность подключения: способность шифровать трафик, создавать VPN-соединения и т.д.;
• Возможность работы через WiFi;
• Высокая безопасность устройства: современные технологии безопасности, защита от взлома.
• Возможность удаленной работы по безопасному каналу в том числе через публичные сети связи.

Заключение

Разумеется, камера Kraftway – специфичное и недешевое устройство. Поэтому ее применимость и эффективность сильно зависит от требований и условий конкретного проекта.

Стоимость камеры составляет 1200-1300 долл. То есть в большинстве случаев традиционная инфраструктура на базе дешевых IP-камер и NVR, к которой не предъявляются особые требования по защищенности и надежности, обойдется несколько дешевле. Однако в качестве специализированного решения для ситуаций, когда разместить видеосервер негде, но при этом необходим высокий уровень видоаналитики и/или защищенность и возможность работы с внешними каналами связи, она выглядит вполне достойно.