Регистрирующее устройство (регистратор, самописец) — прибор для автоматической записи на носитель информации данных, поступающих с датчиков или других технических средств. В измерительной технике — совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В регистрирующих устройствах обычно предусматривается возможность привязки записываемых значений параметров к шкале реального времени.
Кроме регистрирующих устройств для записи данных, существуют также устройства регистрации аудиовизуальной информации (магнитофоны, видеомагнитофоны, фото- и кино- и видеокамеры и т. д.).
Регистрирующие устройства могут представлять собой неотъемлемые функциональные узлы измерительных приборов, установок, блоки в составе информационных, измерительных, контрольных систем, комплексов, либо самостоятельные устройства.
Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
Развитие цифровых и коммуникационных технологий привело к появлению целого ряда устройств, которые значительно расширяют возможности телевизионной аппаратуры. Системы видеозаписи, основанные на цифровом кодировании видеоинформации, в настоящее время находят всё большее применение в тех областях, где цена пропуска или задержки реакции на сигнал тревоги слишком высока. По сравнению с аналоговыми системами видеозаписи, цифровые системы обладают следующими преимуществами:
Цифровое кодирование сигналов изображения Исходный телевизионный сигнал требует большой ёмкости памяти для его запоминания – одна секунда записи цветного сигнала стандарта CCIR требует примерно 25 Мбайт. Целью цифрового кодирования при видеозаписи является сокращение требуемой ёмкости памяти путём сокращения пространственной, временной и спектральной избыточности сигнала изображения. Устранение избыточности производится линейной фильтрацией, уменьшающей коррелированность отсчётов видеосигнала. Первый этап сокращения избыточности осуществляется в телекамере в ходе операций накопления по площади элемента разложения, времени кадра и длине волны фотонного изображения . Второй этап сокращения избыточности, также характеризующийся необратимыми потерями информации, производится в ходе аналого-цифрового преобразования. Цифровой видеосигнал может быть подвергнут как обратимой (с нулевой ошибкой восстановления), так и необратимой компрессии. В системах цифровой видеозаписи используется, как правило, необратимое сжатие цифрового потока, сопровождающееся возникновением некоторой дополнительной по отношению к содержащейся в исходном видеосигнале ошибки передачи видеоинформации. В соответствии с фундаментальным учением В. К. Зворыкина численное значение допустимой ошибки передачи изображений определяется свойствами зрения человека. Это положение можно распространить и на кодирование при записи – восстановленное изображение субъективно не должно отличаться от исходного.
Технология сжатия изображений на основе дискретного косинусного преобразования первоначально была разработана применительно к задаче хранения фотографических изображений в памяти компьютера. Стандарт, разработанный Объединённой группой экспертов по фотографии (Joint Photographic Experts Group) Международной организации по стандартизации (ISO) получил название JPEG . Несмотря на то, что алгоритм JPEG разработан для сжатия неподвижных изображений, он применяется и в системах цифровой видеозаписи; коэффициент сжатия этого алгоритма при пренебрежимой ошибке восстановления достигает При большей степени сжатия ошибка воспроизведения становится заметной и проявляется в виде паразитных узоров, потерь деталей изображения – так называемых артефактов.
Специально для кодирования подвижных изображений Группой экспертов по вопросам кинотехники (Motion Picture Experts Group) был разработан ряд стандартов для компрессии и обработки изображения, звука и их комбинации (MPEG) . В настоящее время Международной организацией по стандартизации утверждены три стандарта MPEG-1 (кодирование изображения при скорости передачи данных до 1.5 Мбит/с), MPEG-2 (обобщённое кодирование изображения и звука при скорости передачи данных от 1.5 до 50 Мбит/с), MPEG-4 (кодирование аудио-визуальных объектов). В соответствии с используемыми методами дифференциального кодирования стандарт MPEG включает в себя три типа изображений:
Сокращение пространственной избыточности выполняется в изображениях типа I и достигается на уровне блоков размером 8 8 элементов. Набор операций такого кодирования – дискретное косинусное преобразование, взвешенное квантование и энтропийное кодирование серии коэффициентов косинусного преобразования. При кодировании типов P и B изображений используется межкадровое кодирование, устраняющее и пространственную и временную избыточность изображений. После компрессии объём изображений типа Р для типичных сюжетов составляет примерно 35% объема изображения типа I, а В-изображения – 25%. Таким образом, примерно в три раза уменьшается скорость потока данных при такой же заметности искажений компрессии.
В результате может быть достигнута степень сжатия до 100.
Стандарт MPEG-2 используется при записи видеоинформации на цифровой видеодиск (DVD) и позволяет произвести видеозапись продолжительностью 90 мин с качеством VHS на стандартный CD-ROM ёмкостью 650 Мбайт . К сожалению, у форматов сжатия MPEG имеются существенные недостатки. Во-первых, большая степень сжатия достигается только при статических изображениях, поэтому для динамических изображений на практике коэффициент сжатия не превышает 1 Во-вторых, алгоритм MPEG не применим при регистрации сигналов от нескольких камер с временным мультиплексированием, поскольку временная корреляция соседних кадров на выходе мультиплексора отсутствует. Кроме того, реализация этих алгоритмов использует операции с плавающей запятой и неизбежно сопровождается появлением ошибок округления результатов вычислений коэффициентов разложения изображения по базисным функциям .
Кодирование на основе вейвлет-преобразования Недостатки методов сжатия изображений на основе косинусного преобразования заставили разработчиков искать новые наборы базисных функций. В настоящее время всё более широкое распространение получает кодирование сигналов с разложением по базисным функциям, получившее название вейвлет-функций (wavelet) . Такие базисные функции отличаются от набора гармонических колебаний, используемых в стандартном преобразовании Фурье. Во-первых, форма базисных функций содержит не одну частоту, а целый спектр, и задаётся на небольшом интервале; во-вторых, масштаб аргумента с ростом номера базисной функции определяется как целочисленная степень числа Это исключает ошибки округления в цифровом процессоре и позволяет использовать для вейвлет-преобразования ограниченный набор октавных спектральных фильтров. В результате по мере увеличения коэффициента сжатия ошибка воспроизведения увеличивается не так быстро, как при базисных функциях с постоянной частотой.
Аналогично другим способам кодирования, для небольших значений коэффициента сжатия в силу наличия корреляций в изображении возможно безошибочное восстановление сигнала, формируемого телекамерой. Но, начиная с некоторого критического коэффициента сжатия, ошибка восстановления неизбежно возрастает (рис. 4.1 . Вейвлет-компрессия при коэффициенте сжатия 25:1 (25 Кбайт/поле) и темпе записи 25 полей/с обеспечивает запись в течение 25 мин с качеством VHS на диск ёмкостью 1 Гбайт.
Дальнейшим развитием технологии вейвлет-кодирования является создание стандарта JPEG-2000 (см., напр., http://www.wavelet-technology.com). Принятие этого стандарта стало результатом совместных усилий научных работников и инженеров компаний Motorola, Codak, Canon, Texas Instruments, Hewlett Packard, Sharp, Sony, Nokia и Ericsson. Совместная работа этих фирм над проблемой сжатия неподвижных изображений (полутоновых, цветных, двухградационных) наглядно иллюстрирует интеграцию телевидения, связи и вычислительной техники. При кодировании изображений в стандарте JPEG-2000 изображение так же, как и в предыдущих версиях JPEG, разбивается на прямоугольные блоки, однако дискретное косинусное преобразование заменяется на вейвлет-преобразование. Особенностью структуры цифрового потока в стандарте JPEG-2000 является возможность независимого доступа к блокам без полного декодирования изображения. Восстановление различных пространственных областей изображения с различным качеством соответствует компьютерной реализации метода переменной по полю чёткости и позволяет увеличить коэффициент сжатия введением различного уровня допустимой ошибки при передаче наблюдаемых объекта и фона.
Дополнительным преимуществом стандарта JPEG-2000 стало использование кодов с самопроверкой и исправлением ошибок, что допускает передачу видеоинформации по беспроводным линиям с низкой помехоустойчивостью. Это позволяет улучшить системные показатели качества СФЗ при мониторинге удалённых объектов (см. формулы (В. , (1. ). Одноканальные цифровые видеорегистраторы предназначены для ведения постоянной и (или) тревожной видеозаписи в режиме Time Lapse; скорость записи может изменяться от 25 полей/с до 1 поля/16 с. Они являются аналогами S-VHS–видеомагнитофона с рядом дополнительных функций, которые стали возможными благодаря применению цифровой видеозаписи на жёсткий диск (HDD). По аналогии с обычными видеомагнитофонами регистраторы имеют различные режимы воспроизведения: непрерывное воспроизведение, стоп-кадр, обратное, замедленное и ускоренное воспроизведения, воспроизведение с ручным управлением (Shuttle), пошаговое воспроизведение (JOG). Общими для цифровых и аналоговых устройств являются встроенный генератор даты-времени, таймер, режим внешней синхронизации, порт RS-232C для подключения компьютера, и т. д. Особенности цифровых регистраторов – возможность записи событий, предшествующих тревогам, возможность прямого просмотра тревожных ситуаций через список тревог, а также возможность подключения внешних устройств для полного или частичного архивирования данных с жесткого диска. Емкость встроенного HDD составляет, как правило, 4 Гбайт; имеется возможность подключения до четырех внешних HDD с расширением суммарной емкости до 100 Гбайт. Время непрерывной записи на внутренний накопитель емкостью 4 Гбайт (режим записи – по полям) и достигаемая разрешающая способность приведены в табл. 4.3.
Регистраторы имеют входы и выходы как для композитного, так и для S-VHS–видеосигнала. При подаче сигнала на оба видеовхода S-VHS имеет приоритет; оба выхода могут работать одновременно.
Исключительно важной функцией цифровых устройств записи является возможность записи с прерыванием по сигналу тревоги и последующим автоматическим переходом в режим циклического воспроизведения. Применение таких устройств в составе СФЗ позволяет анализировать тревожные ситуации в случае, когда время инцидента меньше времени реакции системы (включая оператора). При использовании такого режима записи задаётся максимальная длина последовательности запоминаемых кадров до и после сигнала тревоги (рис. 4.1 . Продолжительность этих интервалов выбирается с учётом ожидаемого распределения во времени длительностей и частоты возможных вторжений на защищаемый объект. Корректный выбор длительностей записи до и после сигналов тревоги обеспечивает повышение системной вероятности обнаружения вторжения (см. 1. .
Время записи по тревогам может изменяться от 15 с до 10 мин. Время записи событий, предшествующих тревогам, приведено в табл. 4.5.
К недостаткам цифровых видеорегистраторов можно отнести следующие:
Использование цифрового видеорегистратора целесообразно в случаях записи исключительно тревожных ситуаций или тревожных ситуаций на фоне постоянной (фоновой) записи видеоинформации с большими паузами. При этом следует учитывать данные табл. 4.5, из которых следует, что при установке стандартов LOW и LOWER качество изображения ухудшается настолько, что идентификация объектов становится затруднительной. В любом случае необходимо рассчитать требуемую емкость HDD и определить необходимость применения дополнительных внешних накопителей для архивации и экспорта видеоинформации. В качестве исходных данных для расчета следует задать:
В качестве примера для расчета используем следующие исходные данные:
Выберем градацию качества изображения STANDARD, как обеспечивающую приемлемое качество изображения при относительно бережном отношении к емкости устройств хранения информации. При этом объем одного изображения будет равен, примерно, 30 Кбайт, а количество тревожных кадров в день составит 19 92 Тогда объем тревожной информации в день составит 613 536 Кбайт/сут. Количество кадров фоновой записи в сутки составит 86 400 и потребует для хранения 2 661 120 Кбайт. Таким образом, общий объем суточной информации составит, примерно, 3.3 Гбайт и для непрерывной записи в течение недели необходим жесткий диск емкостью
23 Гбайт. Как правило, емкость собственного HDD регистратора меньше и необходима установка дополнительного жесткого диска. Поскольку объемы накопителей указываются приблизительно и происходит потеря части емкости HDD при его форматировании, желательно увеличить требуемую емкость устройства долговременного хранения на 10%.
Примеры технических средств с использованием автоматической регистрации данных
- Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы — Киев: Вища школа, 1980
- Темников Ф. Е., Афонин В. А., Дмитриев В. И. Теоретические основы информационной техники — М., 1971
- Писаревский Э. А. Электрические измерения и приборы — 1970
Виды регистрирующих устройств
Примечание: ранее в качестве средств регистрации использовались также перфораторы — устройства для записи цифровой двоичной информации механическим способом — на перфокартах, перфолентах.
Цифровые электронные устройства регистрации
Цифровые регистраторы данных предназначены для записи технических параметров в цифровом виде на электронные носители информации — магнитные диски, твердотельные накопители и т. д.
В простейшем случае цифровой регистратор представляет собой микропроцессорное устройство с аналого-цифровым, преобразователем, цифровым таймером для временно́й привязки и накопителем информации, в более сложных случаях — это специализированная ЭВМ, которая кроме простой записи информации по множеству каналов предоставляет возможность обработки информации, в т. ч. в режиме реального времени, и её визуализацию на экране дисплея. Возможна реализация устройства регистрации на базе обычного универсального компьютера с АЦП при помощи соответствующего программного средства
Связанные понятия и термины
Аналоговая информация может быть записана либо на электронные носители, считывание с которых производится с помощью соответствующих технических средств, либо, на носители, обеспечивающие непосредственное, визуальное считывание информации. По функциональному виду информации выделяют двухкоординатные самописцы (графопостроители или плоттеры), записывающие зависимость одной величины от другой, и самописцы, записывающие изменение величины во времени.
Устройства записи временны́х графиков на визуальные носители
По способу записи такие устройства бывают двух видов — с записью на бумаге чернильным пером или процарапыванием иглой на плёнке со специальным покрытием, и с записью на фотоплёнке (светолучевые осциллографы). Функционально самописец состоит из устройства для равномерного непрерывного перемещения носителя (бумаги, плёнки) и измерительного механизма, перемещающего перо, корундовую иглу для процарапывания или зеркальце осциллографа, направляющее луч в нужное место на фотоплёнке. Самописцы бывают одноканальные — для записи одного параметра и многоканальные — для одновременно записи нескольких параметров. Для многоканальной регистрации возможно применение нескольких измерительных механизмов или использование точечной записи, при которой один механизм через короткие промежутки времени поочередно переключается на разные каналы, в результате чего на ленте получается несколько графиков из точек или коротких штрихов.