Nos sistemas de videovigilância, é habitual haver alguém responsável pela central de supervisão com a função de controlar os vários locais abrangidos pelas câmaras, através dos diversos monitores existentes. Isto é permitido devido aos sistemas de circuito fechado de televisão, que permitem adquirir vídeo através de câmaras e enviá-lo para um conjunto limitado de receptores (monitores) por cabo coaxial ou por tecnologia sem fios.
De entre os vários sistemas existentes, descreve-se o CCTV-DVR e a videovigilância por IP.

CCTV-DVR

Os sistemas de CCTV tradicionais são sistemas com câmaras analógicas cuja gravação é digital (DVR), que sucederam aos primeiros sistemas de CCTV, em que a gravação era analógica (VCR). A sua arquitectura é constituída pelos seguintes elementos (Figura 2):

    • Câmaras de vídeo analógicas, responsáveis pelo processo de aquisição do vídeo, enviando o correspondente sinal eléctrico para o gravador e monitor remoto;
    • Cabo coaxial, meio de transmissão do sinal eléctrico do vídeo vindo da câmara para o monitor remoto;
    • Multiplexador, que permite combinar os vários sinais a serem gravados (a maior parte dos DVRs possuem esta funcionalidade);
    • DVR, unidade responsável pela gravação do vídeo adquirido pelas câmaras num disco rígido. A sua estrutura está representada na figura 1 e funciona da seguinte forma:

1.  O sinal analógico enviado pela câmara é convertido num sinal digital através de um conversor analógico-digital (A/D);

2. De seguida, o sinal digital é comprimido, usando um algoritmo de compressão com um determinado factor de compressão e escolhido tendo em conta a capacidade de armazenamento do DVR, o frame rate e a qualidade de imagem requerida. JPEG (Joint Photographic Engineers Group), MPEG-4 (Motion Picture Engineers Group), H.263 e H.264 são alguns exemplos de algoritmos de compressão que podem ser utilizados;

3. Segue-se a atribuição de um código de segurança a cada imagem (autenticação de segurança);

4. Finalmente, o sinal de vídeo digitalizado é armazenado.
   

Figura 1 – Estrutura de um DVR - CCTV Surveillance: Analog and Digital Video Practices and Technologies

• Monitor, que converte o sinal eléctrico do vídeo na imagem e mostra-a.

Figura 2 – Arquitectura de um sistema CCTV-DVR.

Este tipo de sistema com gravador DVR traz vantagens em relação ao anterior (VCR), uma vez que é possível aceder muito mais rapidamente a uma determinada parte do vídeo. Por exemplo, com VCR pode-se demorar vários minutos a rebobinar ou avançar o vídeo para encontrar um determinado momento em particular. No caso do DVR, o tempo de acesso é muito mais rápido e a procura é feita em segundos e, assim, a análise do conteúdo gravado torna-se muito mais simples e prática.

Outras grandes vantagens em relação ao VCR é a maior fiabilidade do disco em relação à cassete e a não degradação
da imagem depois de realizadas várias cópias.

Devido a estas razões, à existência de discos com capacidade elevada e aos avanços nas técnicas de compressão de sinal digital, o DVR rapidamente substituiu o VCR.

Uma característica importante destes sistemas é a detecção de movimento, desenvolvida de forma a emitir alertas quando há movimento numa determinada câmara. Tal é feito através do processamento digital de sinal e permite que o sistema esteja inactivo ou a gravar a ritmos mais baixos até que ocorra alguma actividade. Deste modo, pode-se aumentar o tempo médio de gravação, dado que os recursos nesse sentido são limitados.

Embora o DVR introduza a gravação digital, com vantagens para os sistemas CCTV, o sistema não é, ainda, totalmente digital devido às câmaras analógicas e à transmissão coaxial.

Videovigilância por IP

A videovigilância por IP pode ser encarada como uma evolução do CCTV para um sistema totalmente digital, em que são aplicadas as mesmas tecnologias que suportam os serviços de Internet. Com o avanço tecnológico, os sistemas de videovigilância por IP têm ganho cada vez mais importância, fazendo com que os sistemas tradicionais comecem a ser menos utilizados.

Nestes sistemas, as câmaras IP substituem as câmaras analógicas e a sua ligação ao gravador deixa de ser por cabo coaxial para passar a ser através de ligações Ethernet com ou sem fios. Em relação à unidade de gravação, é usado um dispositivo de armazenamento digital, tendo-se como saída o monitor de um computador pessoal (PC – Personal Computer). A arquitectura de um sistema de videovigilância IP é constituída por:

    • Câmaras de videovigilância IP, que capturam o vídeo e o enviam directamente para a rede IP;
    • Multiplexador, que permite combinar os vários sinais a serem gravados (pode estar incluído no NDVR);
   • Network Digital Vídeo Recorder, que surge como uma alternativa ao DVR dos sistemas anteriores, que recebe os vários fluxos de dados provenientes das várias câmaras e guarda-as em computadores (servidores) na rede. Devido à largura de banda e à elevada quantidade de informação do sinal de vídeo, o sinal sofre um processo de compressão para, depois, ser transmitido para a rede. O M-JPEG, MPEG-4, e o H.264 são os formatos mais utilizados para a transmissão de vídeo, descritos mais abaixo.
    • Servidor da rede, que armazena os dados correspondentes às várias câmaras, que vão estar disponíveis a qualquer pessoa com acesso à rede;
   • Computador, ligado à rede e que permite realizar o acesso remoto a partir de qualquer lugar.

A migração para sistemas de videovigilância digitais não implica, necessariamente, que se descartem os investimentos feitos em tecnologias analógicas. Há a possibilidade de integração desses sistemas nos novos sistemas IP, utilizando dispositivos que, ligados às câmaras analógicas, digitalizam as imagens e enviam para a rede IP (Figura 3). Mais especificamente, estes incluem uma entrada de vídeo para as câmaras analógicas, um digitalizador de imagem, um compressor de imagem, um servidor Web e uma ligação à rede. São os chamados servidores de vídeo.

Figura 3 – Câmaras analógicas e respectivo dispositivo de digitalização de imagens (servidor de vídeo) - Axis Communications.

Se a monitorização for feita em sistemas analógicos, é necessário haver um descodificador que permita a compatibilidade com o sinal recebido da rede IP, tal como presente no fim da cadeia de videovigilância IP apresentada na (Figura 4).

Figura 4 - Arquitectura geral de um sistema de videovigilância IP - Axis Communications.

A tecnologia IP é uma boa solução para monitorização remota, uma vez que permite aos utilizadores fazerem a gestão do vídeo, áudio e dados através de uma única rede, acessível em qualquer parte do mundo. A visualização dos dados pode ser feita através de computadores, PDAs (Personal Digital Assistant) e telemóveis, basta que se tenha acesso à Internet.

Comparativamente aos sistemas analógicos, os sistemas de videovigilância baseados em IP possuem inúmeras vantagens, de entre as quais se destacam:

     • Detecção e resposta mais rápida – a detecção de acontecimentos é feita de forma quase imediata, permitindo uma resposta mais rápida a esses acontecimentos;
     • Custos reduzidos e implementação – as redes IP já se encontram implementadas, pelo que a integração de sistemas de videovigilância nestas redes se torna mais fácil e com menor custo;
    • Hardware e software inteligente – os recentes sistemas e câmaras IP possuem software robusto, melhorando as suas funcionalidades e eficácia e garantindo melhor desempenho a nível de segurança, algo bastante importante nas redes, mais ainda quando estão em causa conteúdos privados;
    • Monitorização remota – os sistemas IP permitem a monitorização a partir de qualquer parte do mundo, através de uma ligação à Internet;
     • Segurança – a nível de segurança, os sistemas IP possuem técnicas que permitem encriptar imagens digitais permitindo uma máxima segurança;
   • Interoperabilidade – a tecnologia IP permite a integração de sistemas de videovigilância já existentes, permitindo a rentabilização dos investimentos realizados.

Formatos de codificação

Tal como referido anteriormente, os codecs mais utilizados na videovigilância são o M-JPEG, MPEG-4 e H.264.

M-JPEG ou Motion JPEG é uma sequência de vídeo digital que é composta por imagens JPEG. Uma das vantagens do M-JPEG é que numa sequência de vídeo cada imagem pode ter a mesma qualidade dependendo apenas do nível de compactação escolhido para a câmara e codificador de vídeo. Como cada frame é independente, os vídeos em M-JPEG são bastante robustos, isto é, se um frame for danificado ou perdido durante a transmissão, o restante vídeo não será afectado. A principal desvantagem do M-JPEG é que não é explorada redundância temporal, existindo apenas compressão individual de cada imagem JPEG, o que se traduz num factor de compressão mais baixo, quando comparado com MPEG-4 e o H.264.

Em MPEG-4 as imagens comprimidas são comparadas antes de serem transmitidas. A primeira imagem comprimida é usada como referência para as seguintes imagens do vídeo, e na transmissão apenas são enviadas as partes que diferem da imagem de referência. É na recepção que as imagens são reconstruidas e dispostas em vídeo.

O H.264, também conhecido como MPEG-4 Part 10/AVC (Advanced Video Coding), é dos padrões MPEG mais recentes para codificação de vídeo, e espera-se que se torne o padrão de vídeo preferencial nos próximos anos. Um codificador H.264 pode, sem comprometer a qualidade de imagem, reduzir o tamanho de um vídeo digital em mais de 80%, comparado com o formato M-JPEG, e até 50% mais do que MPEG-4. Isso significa que será necessário muito menos largura de banda de rede e espaço de armazenamento para um arquivo de vídeo. Por outras palavras, é possível obter uma qualidade de vídeo superior para o mesmo ritmo de transmissão. Por outro lado, para se obter estes níveis de compressão são utilizados algoritmos de elevada complexidade, logo, para se poder usar este formato de compressão são necessários computadores mais evoluídos.

Conclui-se então que não há um codec óptimo, havendo sempre vantagens e desvantagens consoante a situação. A escolha de um codec para um sistema de videovigilância depende então da qualidade desejada, da largura de banda e memória disponível, e do poder de processamento dos computadores.

Técnicas usadas nos sistemas de vigilância

A monitorização das filmagens é feita por operadores de vídeo, constantemente à procura de situações de perigo. No entanto, sendo este um trabalho monótono e maçador, muitas vezes os trabalhadores acabam por ficar cansados, podendo reagir tardiamente, ou mesmo perdendo situações por completo.

Para combater estes problemas, são habitualmente usados algoritmos que permitem detectar pessoas e segui-las caso se esteja a utilizar câmaras PTZ (pan tilt zoom). Estas câmaras ajustam o seu posicionamento, e estão frequentemente programadas para varrer ciclicamente diferentes áreas, de modo a que se possa ter uma maior área de visão e controlo.

Em caso de perigo eminente, o operador pode cancelar temporariamente o ciclo, e controlar uma câmara manualmente para seguir um acontecimento, mas devido às limitações humanas e de hardware, um objecto em movimento apenas pode ser seguido por umas das câmaras. É neste ponto que entram os algoritmos de matching e tracking. Se o sistema for auxiliado por computadores, estes podem ajudar o operador a escolher o melhor ponto de vista para acompanhar uma situação, ou mesmo chamar a sua atenção para potenciais perigos.

Estes algoritmos permitem identificar características especiais nos objectos a seguir (especialmente em pessoas), calcular vectores de movimento, e ajudar a controlar o posicionamento das câmaras de modo manter os objectos centrados no ecrã.

Figura 5 – Exemplo de um sistema de aplicação de tracking - Arquitectura de sistema de vigilância integrada.

Sistemas de videovigilância mais recentes

Aqui são abordados alguns dos sistemas de videovigilância desenvolvidos recentemente:

• DETER - Detection of Events for Threat Evaluation and Recognition é um sistema de aplicação comercial, implementado em espaços externos. O sistema utiliza duas tecnologias diferentes, a visão computacional e a avaliação de ameaças;
• ADVISOR - Annotated Digital Vídeo for Intelligent Surveillance and Optimized Retrieval é um sistema que permite efectuar o reconhecimento, elaboração de relatórios e comportamentos suspeitos, através de videovigilância, de modo a detectar casos de violência e de vandalismo;
• PRISMATICA - Pro-active Integrated Systems for security Management by Technological Institutional and Communication Assistance foi fundado pela União Europeia com o intuito de melhorar a segurança para os passageiros de transportes públicos. O sistema concilia vídeo com sensores de áudio.

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