Transmissão do Sinal de Vídeo

 

Por Eng. Claudio de Almeida

 

Existem vários meios de se transmitir o sinal de vídeo proveniente de uma câmera até o seu destino:

 

Vídeo Analógico

Este é mais simples; o sinal de saída da câmera é transmitido até o destino através de um meio físico e exibido em um monitor na mesma taxa de frame (30 fps) e qualidade em que ele foi capturado. E sem nenhum delay.

 

Os meios físicos mais utilizados são cabo coaxial, cabo UTP e fibra óptica.

 

HD-CCTV

 

Tem várias versões: HD-SDI, HD-CVI, HD-TVI, AHD...

 

A imagem é transmitida em Full HD (1080p, 30 fps), basicamente sobre cabo coaxial. Para que o cabo coaxial suporte essa resolução, o sinal é serializado e transmitido em alta frequência. O delay causado pela serialização/desserialização é desprezível.

 

Vídeo sobre IP

 

Para se enviar um sinal de vídeo por uma rede local, é necessário que esse sinal seja digitalizado para depois ser enviado no formato de pacotes.

 

A digitalização do sinal

 

Um processador ADC (Analog to Digital Converter - Conversor Analógico para Digital) converte o sinal de vídeo analógico em bits, que depois serão transmitidos via rede.

 

"Uma câmera de 2 Megapixels ocupa uma banda de aproximadamente 2 Mbps, porque cada pixel é um bit."

 

Já ouvi muito essa frase, mas está longe de ser verdade. Poderia ser algo próximo disso se a informação de cada pixel de imagem fosse armazenada em apenas um bit. Mas aí cada pixel só poderia ser exibido como preto (bit=0) ou como branco (bit=1). Seria algo parecido com a imagem abaixo:

IMAGEM REAL

IMAGEM COM 1 BIT DE RESOLUÇÃO

Fonte: Wikipedia

Reparem que isso é muito pior do que a imagem que chamamos de preto e branco, pois neste caso não existem tons de cinza entre o preto e o branco.

 

O padrão de cores RGB é formado por 3 cores: vermelho (R - Red), verde (G - Green) e azul (B - Blue). Para se obter uma imagem próxima da imagem real, criou-se o sistema True Color — chamado assim porque exibe uma quantidade de cores próxima àquela que o olho humano enxerga.

 

Se você entrar em qualquer software de tratamento de imagem, verá algo parecido com esta palheta de cores, que é o padrão True Color:

Repare que entre a palheta da esquerda e a da direita cada cor variou de 0, 0, 0 (preto) para 255, 255, 255 (branco). Para se ter 256 valores diferentes por cor — lembrando das aulas de sistemas binários — temos que utilizar 8 bits de informação por cor, ou seja, para formar-se imagens no padrão True Color, são necessários 24 bits de informação por pixel.

 

Para uma imagem preto e branco, as 3 cores variam na mesma intensidade, conseguindo-se 254 tons de cinza entre o preto e o branco (veja a barra lateral direita).

 

Para uma cor vermelho puro, seria 255, 0, 0; para um verde puro, 0, 255, 0 e assim por diante.

 

Como para cada uma dessas cores existem 256 tonalidades possíveis, tem-se um total de 256 x 256 x 256 = 16.777.216 cores, que é arredondado para 16 milhões de cores.

 

Windows True Color 32 bits Se você entrar nas propriedades avançadas da placa de vídeo do Windows, verá algo como "True Color 32 bits". É que o Windows usa o padrão RGBA, sendo A o canal Alfa, que define a transparência da imagem, em 256 níveis. Daí os 32 bits e não 24.Portanto, para se transmitir a imagem da câmera de 2 megapixels acima mencionada:

 

1920 x 1080 = 2073600 pixels

 

Como são 24 bits por pixel: 2073600 x 24 = 49766400 bits

 

Para 30 fps: 49766400 x 30 = 1492992000 bps

 

Seria necessária uma largura de banda de 1,49 Gbps para se transmitir a imagem de uma única câmera Full HD a 30fps!

 

Se a câmera tivesse uma resolução equivalente à uma câmera analógica (D1), seria necessária uma largura de banda de 271 Mbps, o que ainda é muito.

 

A compressão da imagem

 

Gravação da Imagem Não é somente para ser transmitida via rede que a imagem precisa ser digitalizada e comprimida. Mesmo em um DVR analógico, a imagem também é digitalizada e comprimida para poder ser gravada e transmitida a um servidor remoto via rede. Bits e Bytes Na transmissão, os dados são transmitidos um a um, 1 bit de por vez, daí a taxa de transmissão ser expressa em bps (bits por segundo). Já na gravação, os dados são armazenados em bytes (1 byte = 8 bits). Portanto, não se diz "HD de 8 Terabits", mas "HD de 1 Terabyte"Por esse motivo, é necessário utilizar-se algum algoritmo de compressão para que a imagem seja compactada antes de ser transmitida. Para ter uma ideia de como um algoritmo de compressão funciona, leia o artigo sobre H.265.

 

Dependendo da qualidade desejada, a imagem comprimida pode ficar muito menor, a ponto de as imagens provenientes de uma câmera de 1 megapixel ocuparem apenas 2 Mbps de banda.

 

 

 

 

 

 

Protocolos de transmissão

 

Agora que a imagem analógica foi digitalizada e comprimida, ela já pode ser transmitida. Os protocolos mais comuns na camada de transporte para transmissão de imagem via rede IP são o TCP e o UDP. Este vídeo do YouTube é um pouco antigo, mas dá uma boa noção sobre o funcionamento de uma rede.

 

 

TCP

 

O protocolo TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controle de Transmissão) é o mais adequado para transmissão de dados, pois ele verifica se os dados foram enviados da forma correta, na sequência apropriada e sem erros.

 

Para isso, o protocolo TCP monta um cabeçalho indicando a origem e o destino do pacote, seu comprimento e aplica um algoritmo de cálculo aos dados, cujo resultado será incluído no cabeçalho como um Checksum (algo parecido com o dígito de controle do CPF) e transmite o pacote.

 

No destino, o pacote é desmontado, é aplicado o mesmo algoritmo para checar se nenhum dado foi corrompido. Então é enviada uma resposta à origem informando se outro pacote já pode ser enviado ou se o último pacote deve ser retransmitido, pois foi recebido com erro. A origem não envia outro pacote enquanto não receber essa confirmação do último pacote ou até atingir um determinado limite de tempo (timeout). Enquanto isso não acontece, os quadros de imagem capturados pela câmera vão sendo descartados, o que explica porque uma câmera captura e envia para a rede 30 fps, mas no destino só estão chegando, por exemplo, 7 frames.

 

A preocupação principal no TCP não é a velocidade da transmissão, mas a integridade dos dados. Por esses motivos não é o protocolo mais adequado para transmissão de streamings de vídeo

 

UDP

 

O protocolo UDP (User Datagram Protocol) não é confiável, é o irmão adolescente do TCP, feito para transmitir dados pouco sensíveis, como streamings de áudio e vídeo.

 

Os pacotes são transmitidos uma única vez e em sequência, sem ser necessário aguardar uma confirmação para transmitir o próximo pacote e pacotes corrompidos (que só serão detectados se estiver sendo usado o checksum, que no UDP é opcional) são simplesmente descartados e o lado transmissor nem vai saber do problema.

 

A preocupação principal do UDP é transmitir dados com o maior desempenho possível.

 

Comparativo entre as opções apresentadas

 

Vídeo Analógico

 

 

HD-CCTV

TCP

UDP

Conclusões

- Deu para perceber que transmitir vídeo pela rede é um processo mais complexo, mais lento e, consequentemente, mais caro, pois é necessário um grande investimento em switches e servidores para que o processo de montagem / desmontagem / checagem de pacotes tenha um desempenho próximo ao do vídeo analógico;

 

- O sinal de vídeo analógico não precisa passar por nenhuma digitalização ou compressão para ser transmitido. Sendo assim, é o mais eficiente e o mais econômico entre todas as opções;

 

- Se estão sendo utilizadas câmeras IP, mas a resolução pode ser D1 para um determinado local, não faz nenhum sentido utilizar-se uma câmera IP nesse local, só vai piorar a performance e encarecer o projeto. Nesse caso, é melhor utilizar-se uma câmera analógica e DVRs híbridos, pois aceitam tanto câmeras analógicas como IP;

 

- Para resoluções até 2 Megapixels, transmitir os sinais de vídeo via HD-CCTV é mais eficiente e até mais barato do que utilizar-se câmeras IP;

 

- Em todas as opções, exceto TCP, todo quadro de imagem recebido é processado e enviado. No TCP, novos quadros de imagem são descartados até que o destino processe a verificação do checksum e envie uma confirmação autorizando o envio do próximo quadro;

 

- Para câmeras IP, é melhor transmitir os pacotes via UDP, que é mais eficiente do que o TCP para streaming de vídeos;

 

- Para sinalização, como por exemplo, o envio de um evento de alarme detectado pelo sensor da câmera IP ou do DVR, é melhor utilizar o TCP, pois ele consegue garantir que a informação do evento chegará ao seu destino.

Set/2014

Jan/2016

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