Dirección
Calle 135 #15-45
Bogotá, D.C. Colombia

Horario de Trabajo
Lunes a Viernes: 9AM - 6PM

gcortes@alfil.com.cogcortes@insetron.com

El cálculo del ancho de banda (BW, por sus siglas en inglés: Band Width) de un canal de comunicaciones para transmitir video, se hace con simples cálculos matemáticos, que aquí aprenderemos fácilmente. Debemos basarnos en información que nos suministran los fabricantes y en aspectos que se deben definir de acuerdo a nuestra experiencia y las necesidades del usuario final.  Pero aquí hay un valor agregado, resulta que el BW está estrechamente relacionado con la capacidad del disco duro (HD, por sus siglas en inglés: Hard Drive, o DD en español), en donde se almacena la información de video. Por lo tanto gran parte de los datos que requerimos para determinar el BW, son necesarios para saber la capacidad del DD. Entonces estimado lector, le comento que leyendo este artículo, podrá tener las bases claras para conocer cómo se calcula de manera profesional el DD de su sistema de videovigilancia, tema que trataremos en otra ocasión.

Comencemos con algunos conceptos muy, muy básicos pero claves para que hablemos el mismo idioma:

  • El ancho de banda se mide en bps (bits por segundo) – Unidad de velocidad digital.
  • La capacidad de Disco Duro se mide en Bytes – Unidad de almacenamiento digital.
  • Recordemos que un bit es igual a la octava parte de un Byte. Desde el otro punto de vista, un Byte es igual a 8 bits. (Por favor, note que bit se escribe con b minúscula y que Byte se escribe con B mayúscula, pata diferenciar las dos unidades).
  • Las notaciones de K (Kilo), M (Mega), G (Giga), T (Tera), P (Peta), Z (Zeta)… se usan para determinar miles, millones, miles de millones y así sucesivamente, por lo tanto KB, expresará Kilo Bytes, o miles de Bytes; mientras que Gbps querrá decir miles de millones de bits por segundo.

Debemos tener en cuenta que como son notaciones binarias, un K son 1024 y no 1000 como en el sistema decimal. Igual un M son 1024 K; o T son 1024 G. Esto es útil para pasar de una unidad a otra.

ANCHO DE BANDA

El ancho de banda representa la velocidad de un canal de transmisión, sin embargo es realmente la cantidad de información que se puede transmitir en un segundo de tiempo por ese medio de comunicación. Esto depende de la capacidad de manejar los bits (unos y ceros) de manera muy eficiente y de la velocidad de los circuitos electrónicos para administrar esta información de una manera organizada y segura.

Mucha gente cree que un canal de 2MHertz (medida de frecuencia en el espectro electromagnético) tiene un ancho de banda de 2Mbps, pero eso no es necesariamente cierto. Insisto, depende de los circuitos electrónicos y de la pericia del hardware, firmware y software, para administrar mejor la información. Hoy en día, casi siempre los algoritmos de transmisión por un lado y los caracteres de control del protocolo a usar, restan y suman bits y entonces no es directa la proporción entre la frecuencia de la onda portadora o del reloj básico y el ancho de banda.

Aquí podemos definir dos tipos de velocidades de los canales de transmisión de datos: La Nominal, que siempre es mayor que la Efectiva. Esta última es la que realmente nos interesa, porque determina la cantidad REAL de datos que el canal está transmitiendo, mientras que la primera determina la máxima velocidad pero mantiene asociados caracteres de control que no aportan nada real para el mensaje, obviamente son necesarios para dar seguridad y confiabilidad al canal. Adicionalmente puede manejar colisiones, fallas, errores y pérdidas que a la postre reducen sustancialmente la velocidad “Efectiva” del canal de comunicación. No hay una fórmula para determinar la velocidad efectiva de la nominal, sin embargo para nuestro caso (transmisión de video) podemos asumir que la velocidad efectiva es solo un 40% de la velocidad nominal en la gran mayoría de casos en redes de datos tipo LAN/WAN.

Veamos un ejemplo: Cuando alguien nos dice que la red local (LAN) de nuestra oficina es 100BaseT, nos están diciendo que está basada en par trenzado o cable UTP y que la velocidad nominal de la red es de 100Mbps. Entonces por allí no podemos esperar que realmente viajen más de 100 x 40% = 40 Mbps.

Si por ejemplo hemos determinado (luego lo veremos) que una cámara requiere 2 Mbps, pues entones no podremos colocar en esa red más de: 40Mbps / 2 Mbps = 20 cámaras. Así de sencillo.

De igual manera si la velocidad de mi enlace a internet es de 6Mbps nominal, entonces efectivo tengo 6 x 40% = 2,4 Mbps, por lo tanto ese enlace me alcanza para una sola de las cámaras anteriores.

Debo diseñar y trabajar, de esta manera (escenarios y situaciones más críticas), para garantizar que siempre voy a poder transmitir por el medio de comunicación mencionado, esa señal de video y que nunca va a sufrir retrasos, bajas de calidad o disminución en la velocidad (cuadros por segundo).

PARAMETROS NECESARIOS

Revisemos la siguiente fórmula del ancho de banda, expresado en bps:

BW    =       Velocidad x Tamaño de cada imagen en promedio x % de actividad x 8

Explicaremos cada variable, para ellos se requieren definir varios aspectos en una cámara de video digital:

  • Velocidad de las imágenes: Cantidad de cuadros, se expresa en frames por segundo (FPS). Que son el número de cuadros que deseo transmitir para ver en el sitio remoto. El estándar americano NTSC definió este valor en 30 FPS, sin embargo el ojo humano puede fácilmente ver a velocidades de 24 FPS sin presentar molestias. Entre menos FPS transmita, menor información envía, menor resolución dinámica obtiene y finalmente corre el riesgo de no ver el instante preciso que se necesita.

Nota especial: En este punto, considero mi deber, recordar que, aunque parezca muy divertido y nunca se le preste la atención necesaria, existe la Ley de Murphy… y que en seguridad electrónica el capítulo es muy, muy largo… J. Por lo tanto, simplemente NO de la oportunidad de que las cosas salgan mal, o como dicen mis compatriotas colombianos, “no de papaya”. (Aclaro que esto no es grosería ni palabra soez, simplemente es el nombre de una fruta. Es un vocablo muy usado en la tierra del mejor café del mundo, que algunos consideran el mandamiento número once para vivir bien). Entonces por favor, por favor: No se arriesgue a perder la imagen perfecta del ilícito o del siniestro, simplemente porque redujo la velocidad de transmisión… para ahorrarse algo de dinero.

  • Tamaño de cada imagen en promedio: Se expresa en Bytes. Depende del fabricante del dispositivo que envía las señales por la red, (Puede ser un DVR, o un NVR, o un encoder, o un video server o una cámara de red o IP, entre otros dispositivos). Depende del algoritmo de compresión que se esté usando, también depende de la resolución estática de la imagen de video que deseemos enviar y depende de la escena que se esté observando. Como puede darse cuenta, el tamaño de cada imagen depende de muchas cosas que varían constantemente, por lo tanto siempre hablamos de un tamaño promedio… para determinadas circunstancias. No quiero hacer un tratado en este punto para explicar resolución estática y dinámica, algoritmos de compresión, teoría del color, sub muestreo y demás… Asumo que son conceptos que hacen parte de otras ediciones y que usted, investigativo lector, sabrá encontrar. Entonces es el fabricante quien nos debe orientar sobre el tamaño promedio en Bytes de un cuadro tradicional. Muchas veces encontramos cuadros donde nos indican parámetros de resolución y calidad versus algoritmos usados. En otras ocasiones los fabricantes tienen calculadoras en sus sitios web, que permiten averiguar con mucha exactitud estos datos dependiendo de los parámetros.
    • Resolución: Obviamente entre mayor resolución estática tenga la imagen a transmitir, mayor tamaño promedio tendrá cada cuadro, sin importar el algoritmo de compresión. Al respecto vale la pena recordar que se debe transmitir y almacenar en la mejor resolución estática posible, preferiblemente como mínimo la resolución nativa que la cámara pueda ofrecer. Por ejemplo si es una cámara de 520 TVL, con salida IP que nos ofrece sin recortar o reajustar el tamaño de la imagen una resolución digital D1, de 720×480 pixels, es precisamente a esa resolución como debemos almacenarla y enviarla para sacar su mejor provecho. En el mundo análogo es normal ver que las cámaras pueden dar una resolución digital nativa bastante elevada y sin embargo las reducen a un formato VGA (4 CIF) que es 640×480 o similar, perdiendo negligentemente valiosa información que mejora la nitidez de la señal.
    • Algoritmos de Compresión: Debemos entender que los fabricantes en estos momentos están compitiendo por los mejores algoritmos y formatos de compresión. En este momento pudiéramos mencionar 4 de tipo genérico: JPEG, de buena calidad, pero con poco nivel de compresión. MPEG-2 de excelente calidad pero muy bajo nivel de compresión. MPEG4 Layer 2, de buena calidad y buen nivel de compresión, es el más utilizado a nivel mundial. Y finalmente el MPEG4 Layer 10, mejor conocido como H.264, de buena calidad y excelente nivel de compresión. Sin embargo existen muchos otros de carácter privado (propietario) que sacan el mejor provecho de las diversas tendencias e investigaciones. Finalmente no interesa cual formato se use, lo importante es comprimir a su máxima expresión un video, sin sacrificar mucho la calidad que el ojo humano puede apreciar.
    • Tipo de escena: En este caso, el tamaño promedio de cada cuadro cambia constantemente dependiendo de cuan compleja, brillante o colorida sea la escena que forma la imagen digital. Entre más colorido exista, mas incrementa el tamaño, entre más oscura sea la escena, mas aumenta, entre más bordes y cambios de color existan, mas grande será el tamaño promedio. Si vemos un solo cuadro, notaremos que los cambios de tamaño son pequeños (5-10%) sin embargo cuando sumamos estos cambios a nivel de objetos y layers en los algoritmos de las familias Wavelet, MPEGx y H26x, nos daremos cuenta que los resultados son muy distintos. En este caso el factor de tolerancia o de margen de error promedio que nos da cada fabricante es donde toma importancia.
  • Porcentaje de Actividad de la Escena: Este es un factor que muy pocos fabricantes incluyen dentro de sus fórmulas y calculadoras… inicialmente por ser un poco enredado de determinar, pero con vergüenza debo decir que algunos lo omiten, simplemente para hacer incrementar sus ventas a nivel de anchos de banda o de capacidad de disco duro. Veamos la siguiente operación:

Para multiplicar por un % es necesario pasar este número a notación decimal, es decir dividir el numero del porcentaje encontrado por cien. De esta manera, un porcentaje de 80%, se convierte en un 0,8 o un 23% en un 0,23. Entonces un 100% es un simple 1.

Si observamos la formula mencionada, multiplicar por 1 (100% de actividad) nos da el mismo resultado, pero al multiplicar por un porcentaje de actividad inferior al 100% significa multiplicar por un número menor a uno, lo que automáticamente nos da un resultado inferior de ancho banda… y esto es muy bueno, porque ahorramos ancho de banda… entonces es muy aconsejable tener en cuenta el porcentaje de actividad de la escena.

    • Actividad de la escena: Es un parámetro expresado en un Porcentaje (%) que determina que tanto cambian las imágenes de un cuadro (frame) a otro, y que tanto movimiento existe realmente en la escena.
    • Por ejemplo si tuviéramos una cámara observando una gran autopista, podríamos decir que es muy probable que la actividad sea muy alta (casi el 100%), es decir siempre hay movimiento en la escena… sin embargo si la cámara ve carriles de vehículos y algunos edificios atrás, podemos decir que no todo se mueve, por ejemplo las casas o edificios en la parte trasera de la escena no se mueven, más bien permanecen fijos o con cambios mínimos.. el porcentaje de actividad de la escena es menor, a una cámara que solo esté viendo los carriles de vehículos.
    • De igual manera no tienen la misma actividad de movimiento la cámara mirando el pasillo de una tranquila oficina de 5 empleados a una cámara observando una caja de pago en un gran supermercado.
    • Esta actividad afecta dos cosas:
      • a) La capacidad que tienen los algoritmos de compresión de video (loosy-interframe), como MPEG. Mucha actividad daña las predicciones que internamente se hacen y logra que se usen mas bloques tipo I que P o B (esto es teoría de algoritmos de compresión), que definitivamente aumentan el ancho de banda.
      • b) La cantidad real de imágenes que realmente quiero transmitir para ver o almacenar. En este caso me estoy refiriendo a que obviamente si no hay cambios de imagen en la escena realmente no tengo para que transmitir otro cuadro con la misma imagen… puedo ahorrármelo, tanto para visualizar como para grabar.
    • Entonces lograr saber cuál es el porcentaje de actividad de una escena es un factor primordial a tener en cuenta. ¿Como se determina eso? Muy fácil, es algo dispendioso pero con la práctica se puede hacer de manera sencilla y profesional. lo primero que le recomiendo es NO se invente el porcentaje. Los humanos somos muy dados a lanzar números al aire, sin tener las premisas necesarias para calcular.
    • Le recomiendo asistir al sitio donde va a realizar el cálculo en tres momentos diferentes, en horas de alto, medio y bajo tráfico. Esto lo conoce muy bien el usuario final y por lo tanto hay que preguntarle.
      • Por ejemplo en la recepción de un edificio, hay mucho tráfico entre 7:30 am y 8:30 am cuando llegan a trabajar el 98% de los empleados. Lo mismo ocurre entre las 12m y las 2pm cuando salen y entran de almorzar y por ultimo entre las 5:30pm y las 6:30pm cuando salen hacia sus casas. En el resto de horas el tráfico es escaso, ocasionado por actividades de correspondencia y visitas de personas esporádicas. Finalmente entre las 8pm y las 7am del día siguiente la presencia de humanos o actividad es casi nula, interrumpida únicamente por el vigilante recorredor y el personal de aseo. ¿Como vemos tenemos una actividad muy normal y rutinaria, entonces cual es el porcentaje de actividad de una cámara ubicada en este sitio?
      • Para lograr hallar el valor se hace necesario hacerlo por ventanas de tiempo, por ejemplo: alto trafico: 4 horas diarias; trafico medio: 8,5 horas diarias y bajo tráfico: 11,5 horas diarias.
      • Debo asistir al sitio con un cronómetro y un reloj en la mano para medir en las diferentes ventanas de tiempo determinadas. Esto lejos de gastarnos un día completo, podemos hacerlo en solo 2 horas. Por ejemplo asistiendo a esta oficina a las 7am, donde podemos medir la actividad en horas de bajo tráfico, luego medimos en horas de alto tráfico y finalizamos tomando unas medidas en horas de tráfico medio hacia las 9am… en total dos horas de investigación.
      • Inicio por ejemplo a tomar la medida a las 7:10am y voy a tomar la medición durante 3 minutos, es decir hasta las 7:13am. Me ubico en el sitio aproximado donde se va a instalar la cámara dirigiendo mi mirada hacia la escena que aproximadamente el lente calculado para esa cámara me dejaría ver. Estirar los brazos para formar un ángulo que me ayude a definir los extremos de la imagen simulada ayuda mucho. Hago las veces de cámara y de un detector de cambios de imagen digital, y entonces inicio el cronómetro cuando en el campo de visión simulado por mis brazos detecte cambios de imagen por la presencia de una persona u objeto. Lo detengo cuando ese movimiento se haya acabado. Vuelvo y lo enciendo cuando llegue el siguiente movimiento y lo apago cuando finalice… y así sucesivamente hasta que el reloj llegue a las 7:13am. Supongamos que el cronómetro al cabo de estos 3 minutos de toma de muestra quedó en 9 segundos.
      • Entonces convierto todo a las mismas unidades (en este caso segundos), y aplico una regla de tres: Si 3 minutos de tiempo, es decir 180 segundos, significan el 100% de mi muestra, entonces 9 segundos de actividad, a que porcentaje corresponde?
      • La formula es 9 x 100 / 180 = 5% de actividad. Esta es la actividad promedio en la ventana de tiempo de bajo tráfico.
      • Exactamente igual debo hacer durante muestras de 3 minutos a las 8am para alto tráfico y otra a las 9am para tráfico medio.
      • Supongamos que en alto trafico el cronometro marco actividad de 169 segundos, lo que representa 169 x 100 / 180 = 94% y en medio tráfico el cronometro alcanzó a medir 55 segundos, lo que representa 55 x 100 / 100 = 31%
      • Entonces ahora podemos tener el parámetro para medir el ancho de banda para tres ventanas de tiempo distintas (Así es como debe hacerse y calcularse de manera detallada y profesional), sin embargo para hacerlo más general, podemos hacer un promedio ponderado de todas las ventanas de tiempo para esta cámara, de esta manera: ( (5% x 11,5 horas) + (94% x 4 horas) + (31% x 8,5 horas) ) / 24 horas = 29% promedio ponderado de actividad para esta cámara.
      • Si le pareció difícil y complicado le recomiendo que revise sus anotaciones de primer nivel de educación secundaria cuando le enseñaron las reglas de tres y los promedios ponderados.
      • La verdad el sentido común impera y los cálculos son muy sencillos. Pero debo reconocer que es dispendiosa y aburrida la manera como determinamos el porcentaje de actividad.
      • En los cursos de CCTV que realizo a nivel latinoamericano, con ALAS, cuando hacemos este ejercicio, siempre hay personas que se lanzan sin haber hecho los cálculos a dar un porcentaje de actividad, siempre me hablan del 50% o del 80%… pero realmente fue de solo el 29%. Esto interviene en comprar un disco duro mucho más grande o en solicitar un canal de transmisión con un ancho de banda mejor, cuando de pronto no se necesita. Los costos bajan notablemente cuando usted hace un cálculo serio, profesional y detallado. Además se llena usted de argumentos para justificar la solución planteada, cosa que en muchos casos su competencia nunca hará, simplemente porque le da pereza o no sabe cómo hacerlo.

Finalmente debo multiplicar por 8, para terminar, la formula, simplemente porque los tamaños promedio de cada cuadro los entregan en Bytes y el ancho de banda debemos entregarlo en bits.

EJEMPLO FINAL

Entonces ahora SI, con todos los parámetros vistos, explicados y encontrados, podemos hallar el BW de una cámara cualquiera.

  • Por ejemplo, asumamos que tenemos una cámara fija tipo mini domo con salida IP, en una oficina con muebles modulares de tipo abierto, observando los empleados. Trabajan de 8am a 6pm en jornada continua. De 6pm a 8am del día siguiente se cierra y nadie queda trabajando. En las mediciones de actividad encontramos que durante el día la actividad promedio era del 78% y en la noche la actividad promedio es del 6% (favor notar que no es cero). Vamos a transmitir remotamente a 15 FPS durante el día y a 30 FPS únicamente durante los eventos que se presenten en la noche. La cámara tiene 480 TVL de resolución y por el puerto de red, nos entregan en resolución D1 un stream de video comprimido usando un algoritmo MPEG4-L2, el fabricante nos informa que en promedio cada frame consume 8KB. En la noche la resolución que se envía es mucho mayor, cada frame consume 24KB. ¿Cuál será el ancho de banda necesario durante el día y cual durante la noche?

Solución: Todo lo que tenemos que hacer es aplicar la formula vista, sin embargo ya nos damos cuenta que debemos hacer el ejercicio dos veces, una para el día y otra para la noche. El ancho de banda del canal que solicitemos dependerá del mayor entre los dos resultados que nos de.

Entonces para el día:       BW = 15 FPS x 8KB x 78% x 8 = 15 x 8 x 1024 x 0,78 x 8 = 749 Kbps

Para la noche:                BW = 30 FPS x 24KB x 6% x 8 = 30 x 24 x 1024 x 0,06 x 8 = 345 Kbps

Por lo tanto escogiendo el punto más critico,  el de mayor valor, requerimos para nuestro canal de transmisión una ancho de banda de mínimo 749 Kbps efectivos, que al pasarlos a nominales nos da: 749 / 40% = 1873 Kbps, es decir 1,83 Mbps. Entonces contrato un canal de acceso a internet de al menos 2 Mbps para solo esta cámara.

Solución del perezoso: Que pasaría si hubiéramos asumido un porcentaje de actividad del 100% en el día y del 0% en la noche, como cualquier persona (incluso usted mismo) pudiera haber pensado? En el día, 983 Kbps y en la noche 0. Entonces tenemos dos escenarios erróneos: a) mucha gente se hubiera contentado con un canal de 1 Mbps para el día, que realmente sabemos que NO le serviría o b) al hacer el cálculo de efectivo a nominal hubieran necesitado un canal de 2,4 Mbps, es decir una enlace comercial de 3 o 4 Mbps, que seguramente es mucho más costoso que el realmente necesario.

Los profesionales no sabemos de pereza ni nos inventamos las soluciones. Analizamos, investigamos, calculamos, justificamos y sustentamos nuestras soluciones con argumentos sólidos.

VARIAS CAMARAS

Estos cálculos debemos hacerlos para cada cámara y en las ventanas de tiempo que sean necesarias. Como son muchos les recomiendo que los hagan en Excel, en una hoja que usted mismo arme para que la entienda perfectamente y de manera organizada pueda cambiar cualquier parámetro, modificando el resultado final.

Cuando muchas cámaras se deben recibir en un punto remoto, el ancho de banda (BW) efectivo, se debe sumar y al final pasarlos a nominal, que es como el mercado de comunicaciones trabaja.

Sin embargo para ahorrar aun más ancho de banda la pregunta a hacerse no es cuantas cámaras reportan a este punto, sino cuantas cámaras deseo ver de manera simultánea en este punto. La suma de los anchos de banda de estás cámaras (no necesariamente de todas) es el BW que se requiere en este sitio central de monitoreo. (Si se requiere grabación Si se deben tener en cuenta los BW de todas las cámaras)

Como consejo final aumente a este valor un 20% para futuras expansiones, que son muy comunes en el tema de CCTV.

En una próxima edición tomaremos el resultado encontrado aquí y lo usaremos para calcular el disco duro necesario.

Comparte el conocimiento

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Abrir chat
1
💬 ¿Necesitas ayuda?
Scan the code
Hola 👋🏼
¿En que podemos ayudarte?