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IEC 26672-4 CCTV APLICACIONES

Recientemente los sistemas de Circuito Cerrado de Televisión han tenido un “boom” de masificación, debido a la cercanía o convergencia con el mundo de TI (Tecnologías de Información) que comúnmente hemos llamado el mundo de los computadores.

Muchas veces he dicho que esta integración entre el mundo de seguridad y de cómputo es un arma de doble filo. Por un lado, el gremio de la seguridad electrónica necesitaba de la masificación, divulgación y dinamismo que tiene el mundo de los Computadores. Hoy en día imprescindibles en cualquier oficina u hogar, ya son un electrodoméstico más. Sin embargo, esta cercanía con los usuarios finales se convierte en un problema para el mundo de la seguridad, por varios factores.

Por un lado, al desmitificar los sistemas de video vigilancia, muchos delincuentes conocen también los sistemas y tarde o temprano terminarán aplicando estrategias para vulnerar los equipos. Por otro lado, las cámaras, videograbadoras y demás accesorios necesarios, cayeron en el mismo juego de un PC, vendiéndolo como una caja negra, que se vende sin saber exactamente para que se quiere y si las especificaciones técnicas son las adecuadas o no. Hay muchas empresas comercializadoras de computadores que ahora venden cámaras como un accesorio más e incluso regalan el software de grabación.

Nada más grave para el mundo de la seguridad, que obviar los cálculos, planos, análisis de riesgos, estudio de especificaciones, planeación y estimación de la forma como operaría nuestro “Sistema de Seguridad”; como nos tenían acostumbrados los expertos y conocedores del tema de seguridad electrónica.

Hoy en día un vendedor de computadores suministra cámaras de cualquier especificación (…casi siempre la más mala y la más económica), grabando en el disco duro de cualquier computador (… casi siempre con una configuración casera), empleando un software (… muchas veces ilegal). Lo triste de esta historia real, es que tanto el vendedor, como el comprador, se enorgullecen del “sistema de seguridad”, que acaban de comercializar.

¿A dónde quedó entonces la ingeniería de seguridad? ¿A dónde quedó la experiencia técnica de muchos años y la “malicia indígena” que nos caracteriza especialmente a los latinos cuando pensamos en seguridad? Convertimos toda una industria en un trueque de bajo nivel, en donde lo que importa es el volumen y no la calidad…

Con este artículo quiero sensibilizar para que entendamos porqué es importante colocarle un poco de ingeniería al tema de la videograbación, y evitemos errores que nos pueden salir muy caros.

TIPOS DE VIDEOGRABADORAS

Vemos algunas posibilidades que tenemos hoy en día:

  • Cámaras con salida análoga con videograbadoras análogas y equipos de control análogos. Este es el sistema tradicional, existente en muchos lados y que realmente ya es obsoleto y por lo tanto ya casi no se instalan estos equipos.
  • Cámaras con salida análoga con videograbadoras digitales con entradas análogas (Digital Video Recorder – DVR) y equipos de control digital. Esta es la alternativa más usada hoy en día, en donde reemplazamos la videograbadora análoga (casete VHS), por una digital, que almacena la información en un disco duro. En este caso el mercado puede ofrecer varias alternativas para la videograbadora.
    1. Las Dedicadas, Autónomas:
      1. Unidad compacta con entradas análogas de video (conector BNC), que físicamente no tiene parecido a un PC, pero que en su arquitectura electrónica está basada en un esquema de computo tradicional (Fuente, motherboard, Disco Duro, Puertos de comunicaciones, tarjeta de captura de video, dispositivos de entrada y salida). Usa un sistema operativo propietario o cualquier versión comercial embedded y un software dedicado a grabar video.
      2. Unidad compacta similar a la opción i. pero mucho más robusta, con accesorios que permiten ofrecer una operación continua y segura. (Watchdog, fuente 24 horas, puertos para expansión de discos, capacidad de procesamiento mejor, entre otros). Adicionalmente la capacidad de computo y dispositivos internos están diseñados para almacenar y reproducir todos los canales de video existentes. Dispositivos y accesorios tradicionales como teclados Joystick y trabajo en red, son aceptados.
    2. Las basadas en un PC:
      1. Tarjeta capturadora de video, instalada en un PC de tipo casero. Usa sistema operativo tradicional. El software de grabación casi siempre viene con la tarjeta capturadora de video y se instala como un aplicativo más del PC.
      2. Tarjeta capturadora de video, con procesadores independientes y memoria de video dedicada, instalada en un PC de tipo casero, similar al de la opción i.
  • Tarjeta capturadora de video, de altas especificaciones, instalada sobre un equipo tipo servidor, con un software dedicado a grabación de video. Comunicación hacia el exterior de buena velocidad.
  1. Tarjeta capturadora de video, de altas especificaciones, instalada sobre un equipo tipo servidor de misión crítica, con dispositivos de altas especificaciones, de acuerdo con la capacidad de los canales de entrada, con sistema operativo embedded, software dedicado a grabación de video y accesorios que garantizan una operación continua y segura. Capacidad de recibir teclados Joystick y enviar información a alta velocidad mediante canales de comunicación de alta velocidad.
  • Cámaras análogas con codificadores a IP, videograbadoras (Network Video Recorder – NVR) y equipos de control digital. Esta es una opción usada recientemente que convierte las señales de video análogas en señales totalmente digitales y emplean el reconocido protocolo de información usado en Internet (IP). En este caso la señal de video, convertida en datos tradicionales de alta velocidad, es grabada en dispositivos digitales que reciben la información mediante una tarjeta de red (NIC) de tipo ethernet. Es decir, la videograbadora no tiene entradas de video, ni tarjetas capturadoras de video, todo el tráfico de datos (video) entra y sale mediante la red de comunicaciones tipo LAN/WAN. Se emplea mucho, cuando debemos concentrar las señales de video provenientes de diversos puntos alejados y sobretodo, ya existe una red de datos que podamos usar, con suficiente ancho de banda disponible para los datos de video. En algunos casos se sugiere construir una red de datos totalmente separada de la tradicional, con el ánimo de no sacrificar desempeño.
  • Cámaras digitales (IP), con videograbadoras (NVR) y equipos de control digital. Es la misma posibilidad 3), pero partiendo de cámaras que entregan una salida digital (IP) directamente, sin necesidad de codificadores o interfases. Es la opción más reciente y la que está de moda. Sin embargo, debo decir que como en el mundo de la moda, no a todo el mundo le luce lo que está de moda, incluso muchas veces nos vemos mejor con las prendas viejas pero que se acomodan a la perfección a nuestras necesidades. Lo mismo pasa con un sistema de CCTV, el mejor sistema es el que se acomode a sus necesidades, su presupuesto y su operación. Y en ocasiones, no necesariamente es el que está de moda. Para las ultimas dos posibilidades, el mercado también ofrece varias alternativas en la videograbadora (NVR):
    1. Unidad compacta, hecha en fábrica especialmente acondicionada para grabar video proveniente de la red. Arquitectura interna basada en un PC tipo servidor con accesorios y dispositivos de altas especificaciones. Sistema operativo embedded y software dedicado exclusivamente a la función de grabar y reproducir video.
    2. Solución NVS (Network Video Software), que es solo el paquete de software, instalado en un PC.
      1. En este caso podría ser un PC de configuración casera, con menores prestaciones y desempeño.
      2. Un equipo tipo servidor de misión crítica, con dispositivos de altas especificaciones, de acuerdo con la capacidad de los canales de entrada, con sistema operativo embedded, software dedicado a grabación de video y accesorios que garantizan una operación continua y segura. Capacidad de recibir teclados Joystick y enviar información a alta velocidad mediante varios canales de comunicación (NIC) de alta velocidad (10 Gbit).

PLATAFORMA DE COMPUTO IEC

En cualquiera de las posibilidades mencionadas, desde una DVR compacta que viene de fábrica para tal fin, hasta una NVR basada en la arquitectura de un servidor de misión crítica, existen ciertas condiciones que el equipo de computo debe cumplir.

En todos los casos el equipo electrónico debe realizar la misma función, es decir grabar video digitalizado en un disco duro. Por lo tanto, la capacidad de procesamiento de datos es un factor muy importante.

En este caso factores técnicos como el procesador, la velocidad de acceso a memoria RAM, la velocidad de escritura y lectura de la memoria de Video, la velocidad de escritura y de lectura del disco duro, la velocidad de transferencia de datos hacia las tarjetas de comunicaciones de red, entre otros; son decisivos para determinar el desempeño de la videograbadora.

Las velocidades de grabación de video, expresadas en FPS (Frames per Second), así como la resolución de video, expresada en el tamaño en pixels de cada pictograma (CIF, VGA, D1, xx MegaPixels), dependen no solo del algoritmo de compresión usado, sino también de la gran capacidad de procesamiento de datos que tenga el PC.

GRABACION EFICIENTE

Veamos un ejemplo:

Tenemos un sistema con 32 canales de video. Deseamos que, en una situación crítica, es decir cuando ocurra un siniestro o escenario de emergencia, todas las cámaras puedan almacenarse simultáneamente en tiempo real (30 FPS) en alta resolución (D1:720×480).

NOTA: Obviamente esto será necesario solo en una situación de emergencia. En el resto del tiempo, es posible que cada canal solo se grabe basado en la detección de movimiento de cada cámara, a velocidades más bajas y en resoluciones menores, dependiendo de la escena generada por cada cámara. Esto hará que el disco duro almacene muchos días, incluso semanas o meses.

Sin embargo, insisto, es importante que la máquina tenga la capacidad de grabar en la mejor resolución, a la mejor velocidad en un momento de emergencia. Esto obviamente ocasionará que el disco duro se agote en un tiempo muy corto (horas o incluso minutos), sin embargo, bien vale la pena, para tener un registro perfecto de lo ocurrido en un momento crítico de seguridad. Al fin y al cabo, para eso se compra un sistema de video vigilancia.

Pasado el siniestro, puedo sacar una copia del disco duro en un medio masivo como una cinta de backup o transferir la información por la red de manera asíncrona y volver a liberar espacio en el disco duro para continuar con la operación tradicional.

La oportunidad de haber tenido grabado video real a excelente calidad en una situación de alto riesgo es invaluable, irrepetible y garantiza que se podrá hacer una investigación futura basada en un material de video, que, si sirve, esto simplemente es eficiencia.

Ocurre hoy en día, que muchos sistemas se contentan con grabar las cámaras a resolución baja (CIF), a menos de 4 FPS cada una, simplemente para que el disco duro dure más tiempo. El resultado es un material de investigación inservible, en donde no se pueden identificar rostros ni actos delictivos y entonces volvemos nuevamente a ese sentimiento de frustración que nos ocasionaba el video análogo. Es decir, invertir mucho dinero, solo para tener una vaga evidencia de que nos robó “un humano…” pero sin saber claramente quién fue, cómo lo hizo, y sin poder revisar con detalle las acciones delictivas. ¿Entonces yo pregunto, se justifica haber invertido todo eso para ese pobre resultado?

CALCULOS BASICOS

Sigamos con nuestro ejemplo. Para grabar 32 canales de video en tiempo real (30 FPS), necesito un sistema que sea capaz de grabar en el disco duro 960 FPS en resolución D1.

Si asumimos que contamos con un eficaz algoritmo de compresión basado en el estándar MEPG2 o similar (es decir, alta calidad) para grabación local y un estándar MPEG4 o similar (es decir, calidad media o baja) para enviar video remoto por la red, podemos suponer que, en promedio, para grabación local, en excelente calidad cada segundo se toma 900 KB, y para transmisión se toma 250KB.

Entonces la plataforma de cómputo deberá almacenar (32x900Kx8) 230.400 Kbps ó 225 Mbps. Las preguntas exactas son: a) el bus externo de la motherboard, puede manejar esta velocidad?, b) La memoria RAM del sistema puede manejar temporalmente estos datos?, c) el procesador puede manejar esta información de manera simultánea a las otras actividades que debe hacer (visualización , detección de movimiento, interfaz gráfica, control, registro, atención a usuarios remotos, entre otras)? y sobre todo, d) está el disco duro, en capacidad de escribir a esta velocidad? seguramente las respuestas será NO a al mayoría. ¿Entonces que hacer?

La respuesta para la primera pregunta es simplemente asegurarse que la motherboard usa un bus de comunicaciones de alta velocidad, esto solo se consigue en los modelos que manejan multiprocesamiento, es decir en donde no solo usamos un microprocesador, sino 2, 4 o incluso 8 procesadores funcionando de manera simultánea para que cada uno se haga cargo de una parte del proceso.

La segunda pregunta se resuelve ampliando la memoria RAM, la recomendación es tener entre 2GB y 4GB por cada procesador existente.

La tercera pregunta se resuelve se resuelve igual que en la primera opción, multiprocesamiento.

La cuarta pregunta se resuelve haciendo algo similar, pero a nivel de discos duros, es decir, usando configuraciones de discos en arreglos RAID 0, que permiten segmentar los datos y almacenar una parte de ellos en cada disco duro, brindando una alta velocidad de almacenamiento, sin embargo, estos arreglos tienden a dañarse con relativa facilidad, debido a que la totalidad de los discos duros (partes mecánicas) viven en continua operación. Para evitar estas fallas, entonces sugerimos arreglos RAID 10 o RAID 50, los cuales además de aumentar la velocidad duplican la información y de esta manera disminuimos el riesgo de pérdida de datos.

Así que la solución se tornó técnicamente sencilla, multiprocesamiento, aumentar la RAM y usar RAID 10. Sin embargo, el costo de esta configuración es elevadísimo, comparado con la opción inicial (1 procesador, 1 disco duro). Adicionalmente estos equipos requieren de tarjetas de control adicionales, refrigeración especial, mayor consumo de potencia, doble o triple fuente de alimentación hot swap, y muchos accesorios tradicionales en sistema de cómputo de altísimas especificaciones.

¿Entonces que podemos pensar de un sistema que nos promete (recuerden que el papel aguanta todo…) grabación simultánea de 64 cámaras con un solo procesador y un disco de 120 GB tradicional? La respuesta se la dejo exclusivamente a usted y a su conciencia.

Adicionalmente, asumiendo que se tienen resueltos en un equipo todos los inconvenientes de cómputo, no recomiendo tener una sola unidad para grabar todas las cámaras, por seguridad. En caso de daño de la unidad, se van a perder las imágenes de todas las cámaras. Es preferible tener varias unidades (3 o 4) que permitan manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo y que ofrezcan la seguridad adecuada.

DISCOS DUROS

Los discos Duros, son quienes llevan el principal papel en el almacenamiento de video. Un disco duro debe tener un alto desempeño (rapidez en lectura y escritura), una gran capacidad (medida en Giga o Tera Bytes), una excelente confiabilidad (capacidad de operar como se espera, sin dañarse), debe ser fácilmente administrado por el sistema operativo o el software que lo usa, debe ser de tamaño pequeño (mejora en el seek time), consumo de potencia moderado y finalmente la interfase de transferencia de datos debe ser rápida y confiable (IEEE1394, USB, IDE/ATA, SATA, SCSI, e-SCSI, entre otros). Veamos algunos conceptos:

Desempeño: Expresado por la en Acces Time, en donde el tiempo de acceso promedio es conocido como la suma de la duración mínima de varios procesos electromecánicos:  Command Overhead Time + Seek Time + Settle Time + Latency.

Seek Time: Tiempo que la cabeza dura para moverse entre traces.

Settle time: Tiempo que dura la cabeza para estabilizarse, una vez ha sido movida, para poder empezar a grabar o leer datos.

Command Overhead time: tiempo para que comience la labor que el DD hace.

Latency: Tiempo que dura el cilindro en pasar por la cabeza. El máximo es la mitad de una vuelta del disco.

Este tiempo es un factor muy importante, porque recordemos que la videograbadora está permanentemente almacenando información en el disco duro. Además, en muchas ocasiones mientras almacena los datos puede también estar leyendo datos en otra parte del disco para reproducir video que es solicitado por el usuario final o por un usuario remoto. Entre menor sea el “acces time”, mejor desempeño tendrá el disco duro.

La memoria caché del propio disco duro es un factor importante, no es lo mismo 512KB que 4MB. El desempeño es muy grande cuando la memoria caché es de gran tamaño.

Adicionalmente muchos discos duros codifican y decodifican las señales digitales (1 y 0) mediante modulación para lograr que magnéticamente la información se fije en el sustrato magnético del disco duro. Esto toma un tiempo y gasta rendimiento en la transferencia de información.

Otro aspecto importante es la geometría del disco duro, numero de platos, numero de cabezas, numero de cilindros, numero de sectores. La suma de todo esto me da una rata de transferencia de datos, que es la que realmente interesa.

Hay dos tipos de ratas de transferencia de datos, la externa y la interna. La Externa, se refiere a la velocidad a la que los circuitos internos del PC, pero externos al disco duro, le entregan datos. Casi siempre es una capacidad grande y depende mucho del buffer de memoria que el DD tenga. Sin embargo, la Interna, se refiere a la velocidad en el proceso mecánico y electrónico de acceder a las cabezas, cilindros, actuadotes y demás, para grabar una serie de datos modulados y codificados en un sustrato magnético. Esta es realmente la velocidad menor y es la que marca el límite de lo que realmente el disco duro puede grabar en una mayor capacidad. Esta rata es conocida como STR (Sustain transfer rate).

Otra especificación de velocidad es MTR (media transfer rate), sin embargo, no sirve para estos casos en donde los archivos son largos, porque MTR es válida para datos en el mismo sector o track y en el caso de archivos de video, lo mas probable es que ocupen diferentes sectores, por lo tanto, el índice de comparación más real es el STR.

Solo por colocar algunos ejemplos:

  • Disco Duro Segate-Maxtor Cheetah 15K.5, de 300 GB. STR de 125 MB/s. Costo: US$20.000
  • Momentus 5400 Segate 120 Family, de 120 GB. STR de 42 MB/s. Costo: US$126

Las diferencias son enormes, simplemente por el desempeño, que es lo que nos importa en el caso de video profesional.

Muchas de estas deficiencias se solucionan con arreglos de discos (muchos discos que de manera sincronizada se comportan como un solo de mayor velocidad y capacidad), en configuraciones RAID 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 y todas sus variantes… sin embargo este tema se desarrollará en una próxima entrega IEC.

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