CCTV und Videoüberwachung über 10G ip™

Hintergrund

Angesichts des zunehmenden Datenvolumens, intensiverer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und des immer härter werdenden Wettbewerbs haben viele Unternehmen erkannt, dass sie nicht nur ihre Daten, sondern auch ihre Personalressourcen schützen müssen. CCTV-Systeme (Closed Circuit Television Systems) und Videoüberwachungssysteme werden daher in Bürogebäuden, Außengebäuden, Schulen und sogar in den Straßen von Innenstädten immer häufiger eingesetzt. Die Überwachung entwickelt sich zu einem integralen Bestandteil der für die Zugangskontrolle angewendeten Verfahren. Ergänzend werden biometrische Systeme und Systeme zur Verfolgung der Sicherheit und des Zugangs eingesetzt.

Bei herkömmlichen CCTV-Systemen ist eine separate Infrastruktur mit Koaxialkabeln erforderlich. Dieses Kabel wurde für die Punkt-zu-Punkt-Übertragung von Bildern ausgelegt, die von einer Kamera zu einem Aufzeichnungsgerät, das sich auf demselben Gelände befindet, übertragen werden. Infolge der Entwicklung der digitalen Bildübertragung war es möglich, dafür verdrilllte Adernpaare (Twisted Pair) und Glasfaserkabel zu verwenden. Die so generierten Bilddatenströme werden, anders als bei Videobändern, in einem digitalen Format auf Servern oder anderen Computern gespeichert, wobei die für magnetische Medien typischen Probleme vermieden werden. Der wachsende Einfluss, den die Unternehmen der IT-Branche ausüben, veranlasst Kamerahersteller, Speicherplatzanbieter und Chipdesigner Bewegtbildvideos auf einer Vielzahl von Plattformen anzubieten.

Mit diesen neuen Video-Technologien können die Videosignale auf IP-Basis zu Geräten, die auf IPgestützte Übertragungsdienste ausgelegt sind, übertragen werden, wobei ein kombinierter Ton-Bild-Datenstrom übermittelt werden kann. Die so übertragenen Daten können gespeichert oder auch ganz einfach in Echtzeit visualisiert werden. Im vorliegenden Artikel werden die Prinzipien und die bisherige Entwicklung dieser Technologien dargestellt, wobei der Schwerpunkt auf den neuesten digitalen IP-Videotechnologien liegt. Darüber hinaus werden wichtige Informationen über den Infrastrukturbedarf und die Installationsanforderungen gegeben. 10G ip, die moderne Netzwerkverkabelungslösung von Siemon, ist nicht nur in der Lage, Netzwerkdatenverkehr abzuwickeln, sondern unterstützt auch die Übertragung von Bildern, denn es verfügt über die robusteste Infrastruktur, die derzeit auf dem Markt erhältlich ist.

Die Entwicklung der CCTV-Technologie

Analoge CCTV-Systeme mit Koaxial- und Glasfaserkabeln

Die Anfänge der CCTV-Technologie reichen zurück bis in die 1950er Jahre. Durch die Fortschritte, die in der 1970er Jahren insbesondere bei analogen Aufnahmesystemen und elektronischen Kameras erzielt wurden, konnte das Konzept eines Überwachungssystems in die Praxis umgesetzt werden. Wie in Abbildung 1 dargestellt, wurden bei einem herkömmlichen System 75-Ohm-Koaxialkabel verwendet. Durch dieses Verkabelungssystem wurden mehrere Kameras miteinander verbunden, deren Leitungen in einem Multiplexer zusammengeführt wurden. Dieser speiste die Daten in mehrere Videorekorder ein, die in einem zentralen Kontrollraum aufgestellt waren. Die Bilder konnten über verschiedene Bildschirme in Echtzeit angesehen werden. Dabei war ein Bildschirm mit einem Schalter zum Umschalten auf die gewünschte Kamera ausgerüstet bzw. auf die Bildschirme, die mit unterschiedlichen Bilddaten aus jeweils verschiedenen Einstellungen versorgt wurden.

Die diesem Verfahren innewohnenden Nachteile betrafen insbesondere die Kosten für die Sicherheitsüberwachungsstation. Darüber hinaus stellte der Ausfall des zentralen Sicherheitszentrums als Einzelkomponente innerhalb der Sicherheitsinfrastruktur ein erhöhtes Sicherheitsrisiko dar. Alle Kabel für die Einspeisung der Videokontrolldaten mussten nämlich zu dieser Stelle geführt werden. Wurde der Standort einer Kamera verändert, dann musste oft auch ein neues Kabel verlegt werden. Bibliotheken mit Videobändern umfassten zahlreiche Bänder, und da magnetische Medien anfällig gegenüber magnetischer Entladung bzw. elektrostatischer Entladung sind, lieferten diese Systeme nicht immer den vollen Funktionsumfang, für den sie ausgelegt waren. Außerdem spielen bei diesem System menschliche Faktoren eine Rolle, denn das Auswechseln der Bänder, das Überwachen der Aufzeichnungsabschnitte usw. oblag einem Menschen. Manchmal kamen in diesen Umgebungen Glasfaserkabel zum Einsatz, nämlich wenn auf Grund der Entfernungen Verstärker (Repeater) für die Signalverstärkung erforderlich waren oder elektromagnetische Störungen ein Problem darstellten.

Analoge CCTV-Datenübertragung mit strukturierter UTP-Verkabelung

Die Einführung von Kameras, die Daten in UTP-Kabel einspeisen konnten (siehe Abb. 2 oben), markierte den Beginn des Systeme der zweiten Generation. IP-adressierbare Kameras können heute auf der auf einem Gelände bereits vorhandenen Infrastruktur betrieben werden. Diese Systeme machen sich die Vorteile der auf Datenkabeln beruhenden Infrastruktur zunutze.

Zwar können für den Betrieb dieses Systems teure Magnetband-Bibliotheken und Bildschirme erforderlich sein, aber dennoch sinken die Kosten für die zentrale Überwachungsstation. Bestehen bleibt auch das Sicherheitsrisiko, das der Videorüberwachungsraum als einzelne Systemkomponente in sich birgt. Allerdings ist es einfacher, Kameras zu verlegen, hinzuzufügen oder auszutauschen, denn sie können an jedem Teilnehmeranschluss installiert werden. Die Kabel werden zu einem Multiplexer verlegt, der mit dem weit verbreiteten RJ45-Stecker ausgestattet ist. Ältere Kameramodelle mit Stecker für Koaxialkabel können mit einem Balun-Adapter (balanced/unbalanced) ausgerüstet werden, sodass das Signal aus dem Koaxialkabel (unbalanced) umgewandelt und in ein verdrilltes Kabelpaar (balanced) eingespeist werden kann.

Der Beginn des digitalen Zeitalters

Digitale Videorekorder (DVR) wurden eingeführt, um viele Probleme der Magnetbandbibliotheken zu lösen. Dabei werden die digitalen Videos auf der Festplatte gespeichert wie eine Datei, die auf einem PC abgelegt wird. Dadurch wird die Redundanz verbessert, die Aufnahmen können dezentral angesehen werden, die Bildqualität wird erhöht, und die Lebensdauer der Aufzeichnungen wird verlängert. Die digital übertragenen Daten können ohne menschliches Eingreifen und ohne Magnetbandwechsel gespeichert werden, und die Aufzeichnungszeiten sind länger. Auf Grund der Komprimierung von Algorithmen innerhalb der Geräte und Bilddatenströme hat der Nutzer außerdem direkten Zugang zu diesen Aufzeichnungen und kann sie praktisch an allen von den Sicherheitsrichtlinien zugelassenen Orten ansehen.

Ein typischer DVR kann 16 Analogkanäle für die Datenaufzeichnung und -wiedergabe gleichzeitig betreiben. Im Vergleich zu anderen Verfahren bedeutet dies eine erhebliche Kostenreduzierung, wobei der Funktionsumfang gleichermaßen deutlich zunimmt. Dank offener Standards können IP-adressierbare Kameras genauso einfach in ein Sicherheitsnetz integriert werden wie ein PC. Durch die Entwicklung von NAS (Network Attached Storage – netzwerkangebundene Speicherung) und SAN (Storage Area Networks – Netzwerk für den Speicherbereich) sind die Kosten für die Datenspeicherung deutlich gesunken und haben der CCTV-Technologie zu einem neuen Aufschwung verholfen.

IP-gestützte digitale Videoaufzeichnungen

Die IP-gestützen Kameras verfügen über eine Plug-and-Play-Funktionalität, sodass sie an beliebigen Stellen in der Infrastruktur installiert werden können. Elektronische Geräte, die bereits IP-gestützten Datenverkehr handhaben, sind nun ein integraler Bestandteil des Überwachungssystems. Da die Bildaufzeichnungen im Digitalformat abgespeichert werden, können sie an beliebigen Ausgabegeräten im Netzwerk angesehen werden. Dabei sind die zu verwaltenden Dateien mit neuen Sicherheitsfunktionen ausgestattet, sodass den Sicherheitsrichtlinien des Netzwerks Rechnung getragen wird. Darüber hinaus können die Dateien von unterschiedlichen Punkten des Netzwerks aus gleichzeitig angesehen werden. Diese Funktionen sind nicht nur einfach einzusetzen, sondern sie sind auch äußerst vielseitig, und die Netzwerke werden nicht mit anderen Protokollen belastet. Die Übertragung der Daten erfolgt allein auf Grundlage der bestehenden Infrastruktur, sodass keine weiteren Kabelsysteme erforderlich sind.

TCP/IP hat sich zum Defacto-Standard für Netzwerke entwickelt. Aufgrund der offenen Architektur können sich unterschiedliche Systeme den Netzwerkplatz teilen und aus der neuen Technologie Nutzen ziehen, deren Ziel es ist, Kapazitäten, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Zugänglichkeit der Netzwerkressourcen zu verbessern. Da es möglich ist, eine bereits bestehende Infrastruktur zu nutzen, kann die Automatisierung eines Gebäudes komplett auf der Grundlage eines Verkabelungssystems vorgenommen werden. Der Umfang dieser Automatisierung kann sich nicht nur auf die CCTV-Technologie erstrecken, sondern auch auf Zugangskontrolle, Brandschutz- und Sicherheitssysteme, Gebäudeautomatisierungssysteme, Fernsprechverkehr und natürlich Netzwerkverkehr. Netzwerkadministratoren und Netzwerknutzer sind nicht mehr an ihren Arbeitsplatz gebunden, denn diese Systeme können an jedem Arbeitsplatzrechner betrieben werden, wo Netzwerkzugang gewährleistet ist. Dies gilt auch für das Sicherheitspersonal, denn die Mitarbeiter des Sicherheitsdienstes können überall auf dem Gelände stationiert werden. Die Kontrollstation ist nun nicht mehr die einzige Gefahrenstelle für Systemausfall. Die Gefahr des Systemausfalls verteilt sich vielmehr auf die digitalen Kameras, denn es ist sehr einfach die Redundanz der digitalen Server zu erhöhen, sei es an einer Stelle oder verteilt auf mehrere Stellen.

IP-gestütztes CCTV System

Ein typisches, IP-gestütztes CCTV-System ist in Abbildung 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass sich dieses System von den beiden anderen Lösungen deutlich unterscheidet. IP-gestützte Kameras, Video-Server und Tastaturen können an beliebigen Stellen platziert werden. Mithilfe der IP-gestützten Tastaturen werden die Schwenk-, Neige- und Zoombewegungen der Videokameras anhand ihrer IP-Adresse gesteuert. Wie bei jedem IP sind die Verwaltungsfunktionen in die Datenübertragung integriert. Dazu zählen digitale Signalverarbeitung (Digital Signal Processing – DSP), Handhabung von Störmeldungen, Aufzeichnungen, Archivierungs- und Suchfunktionen, Zeitplanregelung und Automatisierung. Bei diesen Management- und Kontrollfunktionen kommt SNMP (Simple Network Management Protocol) zum Einsatz sowie weitere Datenübertragungsverfahren, die alle zum IP-Standard gehören.

Diese Kameras können noch mit weiteren modernen Funktionen ausgestattet werden, wie Bewegungssensoren, automatische Schwenk-, Neige- und Zoomfunktionen und, falls erforderlich, analoge Bilddatenausgabe. Neuere Modelle verfügen über interne digitalen Videorekorder (DVR), die an einen zentralen DVR-Server angebunden sind. Untersuchungen von J.P. Freeman und Frost & Sullivan zufolge ist zu erwarten, dass der Umsatz für diese Kameras auf dem US-amerikanischen Markt bis zum Jahr 2005 ein Volumen von 500 Million US-Dollar erreicht haben wird, wobei mit Erlösen von 1,6 Mrd. US-Dollar zu rechnen ist.

Ein weiteres IP-gestütztes System, CCTP (Closed Circuit Twisted Pair), wurde von dem Unternehmen Anixter eingeführt (www.anixter.com/cctp). Mit diesem System können Video-, Steuerungs- und Stromsignale über eine einziges verdrilltes Adernpaar in das Verkabelungssystem eingespeist werden. Dieses System ist in einem Verteiler untergebracht. Es kann in einem Verteilerrahmen 40 festinstalliert Kameras aufnehmen sowie 16 Kameras mit Schwenk-, Neige- und Zoomfunktion. Die Zufuhr von Strom in die Infrastruktur bietet dem Systeme einen weiteren Vorteil: Neue Komponenten können problemlos hinzugefügt, verlegt, ausgetauscht und erstmals installiert werden, denn die zusätzliche Stromversorgung muss nicht parallel zu den Verkabelungssystemen betrieben werden.

Standards für die Video-Komprimierung

Hochauflösende Digitalbilder benötigen Bandbreite für die Übertragung und Speicherplatz für die Abspeicherung. Bei älteren Technologien und älterer Infrastruktur ist die Speicherung und Übertragung dieser Bilddaten, sowohl über das Intranet als auch das Internet, mühselig. Um hohe Übertragungsqualität bei niedrigen Bandbreiten zu gewährleisten, wurden Komprimierungsalgorithmen entwickelt. Entweder geht bei der Übertragungsgeschwindigkeit oder bei der Bildqualität etwas verloren. JPEG, JPEG2000, MPEG-1, 2, 4, Wavelet und H.261/H.263 sind Kompressionsverfahren, mit denen diese Datenübertragungen gehandhabt werden.

JPEG (Joint Photographic Experts Group) und MPEG (Motion Pictures Expert Group) sind Arbeitsgruppen der internationalen Normungsorganisation ISO/IEC, die sich um die qualitativhochwertige Übertragung von Bilddaten kümmert. JPEG ist der Standard für Standbilder, während MPEG der Standard für Bewegtbilder ist. Der neueste internationale Audio-Video-Standard für Bewegtbilder ist MPEG4 (ISO/IEC 14496). Durch die Kombination von Motion-JPEG mit dem Wavelet-Verfahren werden Standbilder in Bewegtbilder umgewandelt. Die Standards H.261 und H.263 wurden für Videokonferenzen entwickelt und geben bei Objekten, die sich schnell bewegen, kein klares Bild wieder.

Warum Siemon 10G ip?

Wenn man CCTV und die Netzwerkbedürfnisse der Unternehmen insgesamt betrachtet, dann wird eines klar: Die Dienste werden immer bandbreitenintensiver. Dabei besteht im Vergleich zu früher eine geringere Notwendigkeit, Daten zu komprimieren. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, dass mehr Bandbreite zur Verfügung steht. Videokonferenzen, CCTV und alle anderen konvergenten Anwendungen haben aber durchaus Auswirkungen, insbesondere wenn die Infrastruktur des Unternehmens nicht mehr auf dem neuesten Stand ist bzw. nicht mehr den Spezifikationen entspricht. Noch vor zwei Jahren hatte niemand daran gedacht das es tatsächlich einmal möglich sein würde, eine Kamera auf ein Kind in einem Klassenzimmer oder in einer Tagesbetreuungsstätte zu richten oder über Netzwerke Videos auf Abruf zu sehen. Aber diese Technologien sind Wirklichkeit geworden und vorhanden. Und die Technologien von morgen werden genau diejenigen sein, von denen wir heute träumen.

Die Netzwerkverkabelungslösung 10G ip™ von Siemon umfasst das Kupferverkabelungssystem 10G 6™, das Glasfaserprodukt XGLO^® und das Kupferverkabelungssystem TERA™. Ganz gleich, ob diese Produkte kombiniert oder einzeln eingesetzt werden, sie stellen stets die leistungsstärkste IPVerkabelungslösung dar, die für die Anwendungen von heute und die Lösungen von morgen zur Verfügung stehen. Unternehmen können in ihrem CCTV-System qualitativ hochwertige und hochauflösende Bilder in Echtzeit handhaben, und das in einer Umgebung, in der alle Funktionen aufeinander abgestimmt sind. 10G ip™ wurde im Hinblick auf den Endnutzer konzipiert. Dabei wurde berücksichtigt, dass die Unternehmen von Ihrer Infrastruktur eine zehnjährige Lebensdauer erwarten. Wenn ein solches System also heute installiert wird, dann fügt es sich nahtlos in die 10G-MAN/WAN-Netze ein, ohne dass bei der Installation von aktiven Komponenten der nächsten Generation die Infrastruktur aufgerüstet werden muss. Dadurch wird sichergestellt, dass sich Investitionen in die Netzwerkstruktur auszahlen und dass sie zukunftssicher sind.

Es gibt einen Einzeltrend, der sich heute in jeder Branche feststellen lässt, nämlich, dass die Unternehmen nicht nur ihre Datenen schützen möchten, sondern vor allem auch ihre Vermögenswerte und die Menschen, die diese nutzen.

IP-gestützte Systeme, zu denen auch Server, elektronische Komponenten, CCTV und vielen andere Lösungen gehören, werden unter den Aspekten Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und aktive Lebensdauer beurteilt. Die in diesem Artikel vorgestellten Verkabelungslösungen wurden auf der Grundlage dieser Eigenschaften konstruiert, mit dem Ziel, eine hohe Rentabilität zu erzielen. Das Unternehmen Siemon ist Mitglied bei allen relevanten Normungsorganisationen, um sicherzustellen, dass die angebotenen Systeme eine lange Lebensdauer haben und dem neuesten Stand der Verkabelungstechnik entsprechen. Damit die Unternehmen aus ihren Investitionen in die elektronische Ausrüstung das Beste herausholen – nicht nur heute, sondern auch morgen.

Literatur: Anixter Introduces Enhanced Version of CCTP, www.anixter.com, 08/07/2003; Information technology -- Coding of audio-visual objects -- Part 1: Systems, ISO/IEC 14496; Information technology - Generic coding of moving pictures and associated audio information: Video; H.262, . International Telecommunication Union, www.itu.int; Coding of Moving Pictures and Audio, MPEG-4, International Organisation for; Standardisation/Organisation Internationale de Normalisation (ISO/IEC) 14496; Joint Photographic Experts Group, www.jpeg.org Moving Pictures Expert Group, www.mpeg.org; Video codec for audiovisual services at p x 64 kbit/s, H.261. International Telecommunication Union, www.itu.int; Video coding for low bit rate communication, H.263, International Telecommunication Union, www.itu.int; Video over 10G ip™, The Siemon Company, www.siemon.com