Mehr Sicherheit durch den Einsatz der Netzwerkkameras von Mobotix und Axis

                                       

Ingenieurbüro Manthey

              info@die-netzkamera.de

Techniken zur Verbesserung der Qualität von IP-Netzkameras

Multi-Megapixel und HD-1080 sind der aktuelle technische Stand, 4K/UHD kommt voran
Während die digitalen Kameras im Elektronikmarkt um die Ecke bereits seit längerer Zeit Auflösungen von 20 und mehr Megapixel bieten, waren im Bereich der IP-Netzwerkkameras bis vor Kurzem Auflösungen bis 1,3 Megapixel für viele Hersteller bereits das Maximum. Aber die Einführung von HDTV im Bereich der TV-Geräte blieb nicht ohne Auswirkungen auf die Videoüberwachungsbranche. Auflösungen mit 1280x720 (HD-720p) und (rasant wachsend) 1920x1080 (HD-1080p/ FullHD) prägen inzwischen auch den Videoüberwachungsmarkt. Unterstützt wird die Entwicklung durch ein großes Angebot an kostengünstigen Wiedergabegeräten mit HDTV wie z.B. Monitore und hochwertige Fernsehgeräte. Bei den großen Netzwerkkamera-Herstellern mit höheren Auflösungen und einem guten Preis-/Leistungsverhältnis sind hier Mobotix mit einer Auflösung von 3072 x 2048 Pixeln (6MP) und Axis mit seinen aktuellen Netzwerkkameras und den Auflösungen HD-720p (1280 x 720), HD-1080p (1920 x 1080) und der 5 Megapixel-Serie Axis P1357 gut verteten. Die erste 4K/UHD - Netzwerkkamera von Axis ist die Axis P1428-E. Mit ihrer Auflösung von 3840 x 2160 Pixeln bietet die Netzwerkkamera eine vier Mal so hohe Auflösung wie HD-1080p. Die Axis P1428-E erhielt dafür im Juli 2014 verdient den renomierten Goldenen PROTECTOR in der Kategorie Videoüberwachung.

Megapixel oder HD oder UltraHD?
Häufig gibt es Verwirrung über die Fachbegriffe Megapixel, Multimegapixel und HD. Richtig ist, dass HD ein Teilbereich von Megapixel ist. Der Unterschied liegt in dem Seitenverhältniss der Bilder. HD bietet das Seitenverhältnis 16:9 und Megapixel das Seitenverhältnis 4:3. So basiert HD-720p mit einer Auflösung von 1280x720 auf 916.600 Pixeln also ca. 1 Megapixel. HD-1080p,auch FullHD genannt, liefert 1920x1080 Pixel also ca. 2 Megapixel. Es sind ganz klar Megapixelauflösungen. Reine 3MP- oder 5MP-Netzwerkkameras bieten hingegen standardmäßig das traditionelle Seitenverhältnis 4:3 an. Da moderne Netzwerkkameras meist mehrere Auflösungen unterstützen, können die Kameras sowohl das 16:9 als auch das 4:3-Seitenverhältnis darstellen.

Um eine moderne 4K-Kamera zu beschreiben gibt es derzeit 3 Versionen: 4K, 2160p oder 8,3MP. Hintergrund ist hier die veraltete Zeilenangabe für die Bildauflösung aus den Zeiten der Analogkameras. Danach hat eine 4K-Kamera eine Auflösung 3840 x 2160 Pixel also 2160 Zeilen. Und die Kamera hat auch 3840 Spalten. Weil dies eine recht große Zahl ist, wird sie in 1000er (K) Bereiche unterteilt. So entsteht aus 3840 4K. Diese Einteilung ist wohl dem Marketing geschuldet. Immerhin hört sich der neue 4K-Fernseher besser an als der 3840 Fernseher oder 3,8K Fernseher. Aber auch mit Megapixel läßt sich die gleiche Kamera beschreiben. Traditionell wird der MP-Wert einer Kamera durch die Multiplikation der Spaltenanzahl und Zeilenanzahl errechnet. Dabei kommen bei 3840 x 2160 Pixeln 8,3 Megapixel heraus. So beschreibt eine 4K, 2160p und 8,3MP Kamera die gleiche Kamera.

Nahtlos schließt sich das brandneue UHD (UHD = UltraHighDefinition, 4k oder UltraHD genannt) mit einer Auflösung von 3840 × 2160 Pixeln an das noch aktuelle FullHD an. UHD bietet mit 3840x2160 Pixeln und 8,3 Megapixel Auflösung eine 4 x so hohe Auflösung wie FullHD. Aber nicht nur die reine Pixelanzahl steigt - auch die detaillierte Erfassung größerer Flächen mit nur einer Kamera wird möglich. Sicherheitsexperten definieren UHD/4k als den neuen Standard in der Videoüberwachung. Die 4k -Infrastruktur mit 4K-Monitoren ist bereits verfügbar und der Netzwerkkamera Hersteller Axis bietet die neue 4K-Netzwerkkamera AXIS P1428-E zu einem sehr günstigen Preis an.
Der Megapixel-Bereich ist nach oben hin offen. Derzeit (Juli 2017) sind am Videoüberwachungs-Markt auch spezialisierte 20-Megapixel Netzwerkkameras bereits verfügbar.

Megapixel und Sensor-Größe
Mit zunehmender Auflösung erhebt sich immer öfter die Frage "Wohin mit den Pixeln?". Bei konstanter Größe des Bildsensors wird es mit zunehmender Pixelzahl eng auf dem Sensor. So nehmen bei vielen Herstellern die Sensor-Größen ab und die Pixelanzahl sogar zu. Das wäre so, als wenn man bei der alljährlichen Silvesterparty in Berlin die Veranstaltungsfläche reduzieren würde, aber immer mehr Besucher einlassen würde. Für den Besucher trübt dies den Genuß erheblich. In der Technik werden die kleineren Sensoren in der Herstellung billiger, aber die Bildqualität kann darunter leiden. Bei ungünstigen Lichtverhältnissen kann das zu verstärkten Sensor-Rauschen führen. Mit einem aktuellen, leistungsfähigen Kamera-Prozessor kann das gefürchtete Bildrauschen hingegen wieder gemindert werden. Auch hier geht die Entwicklung der Bildsensoren weiter. So setzt Sony bei der neuen 4K-Kamera erstmalig wieder einen größeren Bildsensor (1",gängige Sensorgröße derzeit 1/2,3") ein. Eine wichtige Rolle im Bereich Megapixel-Auflösungen spielen die eingesetzten Objektive. Ein hochauflösender Bildsensor benötigt auch ein lichtstarkes und hochauflösendes Objektiv.

Megapixel und hohe Bildwiederholraten
Die Megapixel-Technik ist in der Videoüberwachung etabliert, aber hier zeigen sich erhebliche Unterschiede: teilweise werden von den IP-Kameras lediglich 15 Bilder/Sekunde in Megapixel-Qualität erzeugt. Zum Vergleich: ein Kinofilm erzeugt 24 Bilder/Sekunde. Große Kamerahersteller wie Mobotix, Axis und Bosch haben schon vor einiger Zeit ihre Kamera-Technik weiterentwickelt und erreichen z.T. Bildraten mit bis zu 60 Bilder/s bei FullHD(1920x1080). Sensoren mit HD-720p und HD-1080p-Auflösung, hohe Bildwiederholraten und leistungsfähige Kameraprozessoren sind Voraussetzung für den Einsatz von Bildverbesserungstechniken wie WDR (Wide Dynamic Range) und Video-Analyse. Höhere Auflösungen als 2 Megapixel mit hohen Bildraten sind z.T. bei der Mobotix-Produktpalette und bei dem Netzwerkkamera-Hersteller Axis und dessen HDTV- und 4K-Kamerapalette verfügbar.

Netzwerkkameras benötigen Netzwerkressourcen
Die Ursachen für den enormen Technologieunterschied zwischen der normalen Digitalkamera und den IP-Kameras liegen in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten der normalen Fotografie mit einzelnen Standbildern/statischen Daten und der IP-Netzwerkkamera mit Datenströmen. Hier kommen auf die IP-Netzwerkkamera gleich zwei Probleme zu: die exakte Erfassung jedes einzelnen Bildes und das, um einen auswertbaren Datenstrom zu erhalten, mit mindestens 16 Bilder/Sekunde und der Transport der Daten. Vergleichbar müsste ein Anwender 16 mal auf den Auslöser seiner Digitalkamera drücken - und das pro Sekunde um einen ähnlichen Datenstrom zu erzeugen. Nun müssen die 16 Bilder/Sekunde zu einer Auswerteanwendung übertragen werden. Dies kann ein Webbrowser sein oder ein Überwachungsprogramm. Schon bei einer gängigen Full-HD-Auflösung von 1920 x 1080 Pixeln und 30 Bildern/Sekunde erreicht ein unkomprimierter Videostream Werte von mehr als 1Gb/s. Selbst mit der derzeit effizientesten Videokompression H.264 beträgt der Traffic noch 1Mb/s bis 8Mb/s pro Kamera. Unter der Annahme einer Überwachungsanlage mit 20 Full-HD Netzkameras würde, trotz der H.264-Videokompression, das zu erwartende Datenvolumens schnell die Ressourcen eines aktuellen Fast-Ethernet-Netzwerkes auslasten. Kann man im lokalen LAN noch auf Gigabit-Netzwerke aufrüsten, wird es bei der Nutzung von VDSL-Anschlüssen mit derzeit maximal 50MBit/s download und 10MBit/s upload oder LTE (100MBit/s download, 50MBit/s upload) schnell eng.

HD-720p mit 1280 x 720 Pixeln für Einsteigerkameras
Auflösungen wie VGA (640 x 480 Pixel) und SVGA (800 x 600 Pixel) findet man heute nur bei absoluten Einsteiger- oder bei Spezialkameras. Wer jemals versucht hat in eine VGA Aufnahme oder ein Live-Bild zu zoomen wird erkennen, dass da mangels Pixel nichts zu holen ist. Eine VGA-Auflösung entspricht lediglich 0,3 Megapixel! IP-Kameras mit VGA Maximal-Auflösung werden teilweise von namhaften Kamera-Herstellern (u.a. Mobotix, Axis) nicht mehr hergestellt. HD-720p hat die VGA-Kameras längst abgelöst und ist von allen Netzwerkkameraherstellern verfügbar. Aber die Pixel - Entwicklung geht rasant weiter. Taucht jetzt verstärkt der Spruch "1280 x 720 Pixel reicht für alle Überwachungen aus" in der Öffentlichkeit auf, so sollte der Blick nach vorne gerichtet werden und da steht nach HD-720p, HD-1080p nun UHD (4K) längst bereit. Details dazu lesen Sie bitte hier (PDF).
Netzwerk-Wärmebildkameras machen bauartbedingt hier eine Ausnahme. Da, im Gegensatz zu herkömmlichen Netzwerkkameras, nicht das Licht, sondern die Wärmeemissionen vom Infrarotdetektor erfasst werden, ist hier die Auflösung 640x480 Pixel systembedingt der aktuelle Stand der Technik (Juli 2017). Wärmebildkameras werden in ihrer Bedeutung in den kommenden Jahren erheblich steigen, da sie nicht nur zuverlässig bei totaler Dunkelheit arbeiten, sondern auch unter anderen schwierigen Umgebungsbedingungen wie Dunst, Staub, Regen, Schnee, Nebel und Rauch.

Datenspeicherung in der Kamera spart Netzwerkressourcen
Eine interessante Entwicklung zur Reduzierung des Datenübertragungsvolumens wird von immer mehr IP-Kamera-Herstellern umgesetzt: Durch den Einsatz von Speicherchips (bei Mobotix derzeit max. 64GByte, Stand Juli 2017) direkt an der Netzkamera, entfällt die Notwendigkeit der permanenten Datenübertragung an entfernte Speichersysteme. Die Aufzeichnungen verbleiben in der Netzkamera und können z.B. von der Auswerteanwendung zeitgesteuert oder zum benötigten Zeitpunkt per Download geholt werden. Bei den Herstellern Mobotix und Axis kann die Videomanagement-Software auch direkt auf den Speicher in der Kamera zugreifen und mit den Daten arbeiten. In sicherheitssensiblen Bereichen werden die Daten auf dem Kameraspeicher mit Zugangsbeschränkungen geschützt und z.T. verschlüsselt. Ermöglicht wird dies durch intelligente Software in der Netzkamera. Gleichzeitig können alle Live-Bilder und Aufzeichnungen über einen beliebigen Internet-Browser weltweit betrachtet werden. Auch der Kamerahersteller Axis Communications setzt bei seinen neuesten Netzwerkkameras und Video-Encodern auf den Einsatz von Speicherchips zur lokalen Aufzeichnung der Bilddaten.

Durch die stetig wachsenden Datenmengen ist es erforderlich sich mit Methoden und Technologien zu beschäftigen, die der Reduzierung des Datenübertragungsvolumens sowie des Speicherbedarfs der Netzwerkspeichersysteme (NAS) dienen und damit auch die Verbesserung der Bildqualität von IP-Netzwerkkameras ermöglichen.

Kompressionsverfahren