Sviluppare telecamere IP per la videosorveglianza

VIDEOSORVEGLIANZA –

La realizzazione di una solida telecamera IP a basso costo nel più breve tempo possibile può essere completata ricorrendo all’ampio portafoglio TI di reference design, sfruttando la famiglia di media processor DaVinci e le innovative soluzioni analogiche.

Nel corso degli anni, i sistemi di videosorveglianza si sono fortemente evoluti, passando da reti a circuito chiuso di telecamere analogiche collegate direttamente a dispositivi di registrazione analogica come i videoregistratori, a sistemi composti da telecamere analogiche, matrici video, videoregistratori digitali, fino a una miriade di prodotti IP basati su Ethernet come le telecamere IP, gli switch Ethernet, i server video, i videoregistratori di rete e i Dvr ibridi. Le tradizionali reti dedicate centralizzate erano semplici da utilizzare, tuttavia presentavano molti aspetti negativi, come la necessità di dover memorizzare i dati video su nastro, sostituendo manualmente i nastri, e di dover effettuare un monitoraggio costante, dato che in tali sistemi non era integrata alcuna analisi video intelligente. Inoltre, risultava evidente la difficoltà di gestire in maniera efficace sistemi di maggiori dimensioni: più videocamere richiedevano più nastri e un maggiore monitoraggio. Conseguentemente, le spese generali per tali sistemi diventavano proibitive. Le reti di videosorveglianza odierne fondono insieme i segnali analogici e digitali e offrono molti vantaggi. Oggi le telecamere analogiche e le telecamere IP possono essere collegate a un unico dispositivo di registrazione definito Dvr ibrido. Uno dei vantaggi più evidenti del passaggio a tale rete mista analogica e IP è la scalabilità. L'introduzione di ulteriori videocamere non significa necessariamente dover assumere più risorse per monitorare e gestire lo storage. Grazie all'analisi video integrata, questi nuovi sistemi consentono di acquisire e monitorare in modo intelligente gli eventi, oltre a memorizzare soli gli eventi di interesse. Per garantire la compatibilità, standard IP come Psia/Onvif risultano fondamentali, dato che prodotti di vari fabbricanti vengono spesso interconnessi tra loro per dare vita a un sistema completo di telesorveglianza. Resta ancora da vedere se a lungo termine i prodotti su rete IP riusciranno a conquistare il 100% del marcato, tuttavia è più probabile che si assisterà a una convivenza tra prodotti analogici e digitali. Di conseguenza, la recente crescita di popolarità dell'integrazione dell'interfaccia digitale seriale ad alta definizione nelle telecamere potrebbe prolungare la vita delle videocamere "analogiche" per la sorveglianza. La tecnologia HD-SDI, che consente di ottenere una risoluzione in megapixel e la trasmissione di segnali video digitali non compressi ad alta velocità, permette di continuare a utilizzare l'infrastruttura di cablaggio coassiale esistente. Un altro vantaggio collaterale legato all'utilizzo della tecnologia HD-SDI è la bassa latenza del sistema, dato che non sono più richiesti i passaggi di compressione nella telecamera e di decompressione nel Dvr. Texas Instruments offre "reference design" pronti all'uso per telecamere IP e Dvr, adatte sia allo sviluppatore esperto nei sistemi di telesorveglianza alla ricerca di una piattaforma di progettazione scalabile per una ampia gamma di prodotti finali, sia a chi intende fornire soluzioni video anche senza possedere tutte le conoscenze necessarie per accedere rapidamente al mercato della telesorveglianza. Grazie alla nuova linea TI di processori DaVinciTDM81xx e alle innovative soluzioni analogiche complementari, è chiaro perché TI rappresenti la prima scelta per gli sviluppatori di sistemi di telesorveglianza. Inoltre, l'ecosistema unico di TI include kit di sviluppo e moduli di valutazione, una rete specifica di terze partner che offrono questi reference design e, se necessario, partner per la produzione Odm.

Soluzioni TI per telecamere IP
Diamo una rapida occhiata ai processori e alle soluzioni analogiche che costituiscono una solida telecamera IP. La funzione principale di una telecamera è convertire le immagini in un formato video compresso (H.264 è il più comunemente usato) e trasmettere i dati sulla porta Ethernet. Un video registratore centralizzato avrà il compito di decomprimere i dati e visualizzarli localmente e/o memorizzarli su disco rigido. Il cuore della telecamera IP è rappresentato dal "digital media processor". La tabella seguente riepiloga i processori chiave. La piattaforma DM36x è destinata alle applicazioni più diffuse per risoluzioni CIF, D1 e HD e i formati di compressione H.264, Mpeg4 e Jpeg. Con questa famiglia di processori è inoltre possibile ottenere uno streaming doppio o triplo del video. La famiglia DMVAx di processori si basa sul modello DM36x e aggiunge funzionalità base di analisi video (invece di delegare l'analisi video al Dvr o al server video). Ci sarebbe molto da dire sugli algoritmi e le rispettive funzionalità, tuttavia, in breve, è sufficiente ricordare che tali motori di analisi video hanno il compito di contare le persone che attraversano un punto triplice, rilevare in modo intelligente il movimento, comprendere quando la telecamera viene manomessa e diffondere i metadati di analisi video per l'elaborazione a valle. L'ultimo arrivo nella famiglia di processori DaVinci è la serie DM81xx. Il modello DM8127, destinato alle telecamere IP di fascia alta, fornisce una risoluzione massima di 10 megapixel (a un frame rate ridotto); rispetto a DM36x e DMVAx mette a disposizione una potenza di calcolo ancora maggiore, offre un set di periferiche più avanzato e include persino un motore di analisi video. Oltre ai prodotti già lanciati sul mercato, TI è al lavoro sulla prossima generazione di processori, che verranno presto annunciati. Sfruttando i più recenti processori Arm (che consentono di offrire ai clienti TI interfacce utente avanzate e/o un'elevata differenziazione), il più recente nodo tecnologico (per ottenere il miglior rapporto prestazioni/dissipazione di potenza) e il miglior flusso dati per le immagini (dall'acquisizione immagini, alla codifica/decodifica e alla visualizzazione), TI continua a fornire la migliore tecnologia disponibile per i clienti del settore telesicurezza.

Le soluzioni analogiche chiave
Passiamo ora alle soluzioni analogiche chiave necessarie per produrre una telecamera IP di alta qualità. Quando si pensa a una telecamera IP, il primo concetto che salta alla mente è "Ethernet". Ci sono due aspetti della porta Ethernet da considerare: la comunicazione dati e i consumi. I processori di TI offrono dei Mac (Media Access Control) Ethernet integrati per collegare prodotti che supportano la tecnologia Ethernet, in genere mediante un cavo Cat5e via Phy Ethernet. La velocità di trasmissione dati via Ethernet a oggi più utilizzata nella telesorveglianza è 10/100 Mbps. TI offre Phy Ethernet con diagnostica cavo e una lunga portata del cavo (fino a 200 m). La diagnostica del cavo consente ai clienti finali di rilevare un'interruzione, un cortocircuito o la presenza di un danno nel cavo con una precisione di +/- 1 metro, mentre la lunga portata raddoppia la tipica distanza Ethernet tra una telecamera e un Dvr. L'alimentazione di una telecamera avviene in genere utilizzando 3 tipologie diverse: 12 Vcc, 24 Vca (standard statunitense per l'alimentazione degli edifici) o PoE (Power-over-Ethernet). Alcuni fornitori di telecamere IP adottano soluzioni per consentire il ricorso simultaneo a tutte le tre le tipologie. TI offre note applicative su come offrire l'alimentazione PoE mediante altri alimentatori ausiliari. Questi progetti presentano spesso topologie isolate, al fine di prevenire i danni al dispositivo alimentato e di consentire il ricorso a messe a terra isolate tra le due estremità. A volte le telecamere IP ricorrono ai Led per l'illuminazione a infrarossi e a driver per motori che controllano la funzione di panoramica/inclinazione/zoom. In ogni caso, spesso è necessaria l'erogazione di una potenza elevata (fino a 25,5 W). TI offre soluzioni in grado di soddisfare anche questo requisito.

Gestione dell'alimentazione e driver
L'erogazione della potenza di sistema è spesso un aspetto che viene considerato per ultimo in fase di progettazione di una telecamera IP. In genere, per prima cosa viene scelto il processore, quindi i prodotti complementari della catena di segnale vengono collocati sulla scheda, infine si passa alla gestione dell'alimentazione. Tuttavia, va considerato che molte delle offerte di processori TI sono abbinate a Pmu (Power Management Unit) di tipo companion, con il compito di alimentare il core e gli I/O, pertanto è opportuno includerle nello schema progettuale insieme al processore nelle fasi iniziali di progettazione. Spesso tali Pmu sono dotate di linee di alimentazione supplementari per supportare ulteriori carichi sulla scheda. Tra queste, la Pmu più recente è la TPS659113, adatta per i progetti basati su DM8127. Oltre ad alimentare il processore, TI offre una vasta gamma di soluzioni per la gestione dell'alimentazione dell'intero sistema, come il convertitore Swift buck sincrono TPS54327A da 4,5 V-18 V a 3 A, con controllo della modalità D-Cap per una risposta molto rapida ai transitori con pochissimi componenti esterni. Come precedentemente indicato, alcune telecamere richiedono la capacità di effettuare panoramiche, inclinazioni o zoom. A tal fine, assumono grande importanza i driver per motori in grado di controllare motori con granularità elevata (micro-stepping pari a 1/32 o superiore). Il movimento a scatti di una telecamera ha un impatto diretto sulla qualità delle immagini video, e deve essere assolutamente evitato.

Moduli sensori Ccd e Cmos
Chiaramente, l'altro componente fondamentale di una telecamera IP, insieme al processore, è rappresentato dagli "occhi" del sistema. Oggi, i sensori Ccd o Cmos vengono acquistati generalmente come moduli; i progettisti scelgono una delle due tecnologie in base ai requisiti della telecamera. Tali moduli spesso generano flusso video digitali a 10/12/14/16 bit o video analogici negli standard Ntsc/Pal. Se il modulo ha un'uscita video analogica standard, un decodificatore video come TVP5150AM1 permette di convertire il segnale analogico in un formato digitale per il processore. In genere i sensori Ccd vengono utilizzati con un otturatore globale che acquisisce tutti i pixel dell'intera immagine in un singolo istante. Al contrario, i sensori Cmos utilizzando un otturatore rotante (rolling shutter): i pixel vengono acquisiti dall'alto al basso in istanti successivi, pertanto in caso di movimento l'immagine apparire distorta. Di conseguenza, i sensori Ccd sono in genere utilizzati in prodotti di alta qualità che richiederanno un'interfaccia analogica ad alte prestazioni, in grado di offrire un'ampia gamma dinamica e un buon rapporto segnale-rumore. Considerando la richiesta di risoluzioni e frame rate maggiori (1080p60 fps o superiore), i fornitori di sensori per immagini abbandoneranno le tradizionali porte dati parallele per passare a connessioni Lvds ad alta velocità. Dato che molti processori continueranno a usare porte video Cmos parallele nel prossimo futuro, la soluzione a breve termine consiste nel fornire un'interfaccia ponte in grado di convertire i segnali Lvds provenienti dai sensori. TI ha annunciato recentemente un dispositivo di questo tipo (SN65LVDS324), offrendo una soluzione flessibile per interfacciarsi ai sensori Lvds più diffusi.
Vi sono molte altre soluzioni analogiche da considerare, come i driver di clock che generano tutte le frequenze di clock richieste sulla scheda (100 MHz per Ddr2, 25 MHz per Ethernet, ecc.) grazie a un unico ed economico oscillatore al cristallo. Altri esempi sono gli amplificatori video necessari per ripulire i segnali video analogici, i codec audio per elaborare i segnali audio analogici dal microfono e ogni genere di prodotto di interfaccia, inclusa l'RS-485, la protezione Esd per Ethernet, l'Usb, ecc. Sono davvero molti gli aspetti da considerare per poter progettare un prodotto di prima fascia!

L'importanza dei reference design
Come può dunque uno sviluppatore mettere insieme tutti questi dispositivi e farli funzionare al primo tentativo, senza doversi preoccupare del tempo di progettazione, bug hardware e solidità del progetto? Fortunatamente, TI offre molti "reference design" a costi ridotti che consentono agli sviluppatori di differenziare la propria telecamera IP con il software. I reference design più recenti offrono una completa compatibilità software all'interno di una ampia gamma di processori e applicazioni. Inoltre, il codice sorgente per applicazioni basate su Linux, esente da royalty, fornisce ai progettisti la piena flessibilità di sviluppare su tali sistemi aperti.

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