Выбор флеш-карт для системы видеонаблюдения: на что обратить внимание?23.07.2021 01:31

Современные цифровые камеры видеонаблюдения не идут ни в какое сравнение со своими аналоговыми предками. Каждая из них представляет собой полноценную независимую единицу в составе охранной инфраструктуры, способную решать множество прикладных задач в автономном режиме, без участия видеорегистратора или вмешательства человека. Прошивка такой видеокамеры, по сути, является полноценной операционной системой, позволяющей тонко настраивать все аспекты ее работы, включая как чисто технические параметры (разрешение, скорость записи, используемый кодек), так и smart-функции (запись по событию, обнаружение несанкционированных действий или забытых предметов, распознавание лиц или автомобильных номеров, тревожное оповещение о разрыве сети и попытках доступа к оборудованию и многие другие).

Использование «умных» камер обеспечивает целый ряд важнейших преимуществ, ключевым из которых является повышение отказоустойчивости охранной инфраструктуры. Поскольку каждое такое устройство способно функционировать автономно, задача условного злоумышленника, который пожелает проникнуть на охраняемый объект, осложняется тем, что теперь ему необходимо вывести из строя буквально каждый девайс на своем пути, что, при условии продуманной системы резервного питания, становится практически невыполнимой задачей. Взлом и отключение видеосервера в данном случае оказываются бессмысленными: многочисленные цифровые «глаза» продолжат неустанно следить за вверенной территорией, скрупулезно фиксируя все происходящее на карту памяти. Вот только для работы в составе системы видеонаблюдения подойдет отнюдь не каждая флеш-карта: большинство потребительских и даже профессиональных моделей оказываются попросту непригодными для столь специфических нагрузок. На что же следует обратить внимание, выбирая накопитель для камеры видеонаблюдения? Давайте разбираться.

Чтобы четко определить критерии выбора флеш-карт для системы видеонаблюдения, сперва необходимо разобраться, в каких именно условиях они будут эксплуатироваться. И здесь необходимо учитывать следующее:

1. Видеокамеры, предназначенные для контроля за периметром, устанавливаются снаружи зданий, зачастую в труднодоступных местах (непосредственно на фасадах на большой высоте, на фонарных столбах или опорных мачтах). Как правило, они имеют антивандальную защиту и способны эффективно противостоять сильным ударам, однако при этом непрерывно подвергаются воздействиям таких негативных факторов окружающей среды, как перепады температур, высокая влажность, пыль и атмосферные осадки.

Камеры видеонаблюдения, смонтированные на фонарном столбе

2. Хотя большинство современных камер и NVR поддерживают активацию по событию (обнаружение движения в зоне интереса, пересечение объектом обозначенной границы), в реальной жизни могут возникнуть ситуации, при которых запись будет вестись в течение нескольких часов подряд. Кроме того, на особо охраняемых объектах и в местах массового скопления людей видеофиксация в режиме 24/7 является обязательным условием обеспечения безопасности.

3. Флеш-карты для камер видеонаблюдения играют роль резервного хранилища для наиболее актуальной информации: данные на них имеют ограниченный жизненный цикл и постоянно перезаписываются.

Теперь вести разговор можно более предметно. Начнем с самого простого — защиты от механических воздействий и факторов окружающей среды.

Насколько важны ударопрочность и влагостойкость?

Самый очевидный способ вывести из строя видеокамеру — разбить, поэтому все уличные модели имеют «антивандальное» исполнение и способны выдерживать весьма сильные удары. Как и сами microSD-карты: в отличие от жестких дисков, накопители на основе флеш-памяти практически невосприимчивы к ударам и вибрации, поскольку не имеют в своем составе подвижных частей. Если винчестеры способны выдерживать высокоэнергетические воздействия около 50g во время работы, то флеш-карты без проблем справляются с ударами в 500g, и даже падение на твердую поверхность с высоты в несколько метров никоим образом на них не отразится.

А вот с влагостойкостью уже не все так просто. Если уличная камера имеет маркировку IP68, это говорит о том, что ее корпус герметичен и при соблюдении условий эксплуатации ни вода, ни пыль внутрь не проникнут. Но что, если во время сервисного обслуживания нерадивый сотрудник нарушил технологию сборки? И что произойдет, если настырному хулигану все же удастся повредить прочный кожух? Производители видеокамер предусмотрели и этот сценарий.

Электронные компоненты, используемые в камерах наружного наблюдения, защищены конформным (то есть в точности повторяющим геометрию изделия) покрытием, дополнительно защищающим печатные платы и микрочипы от воздействия воды и пыли. Такие составы создаются на основе акрила, силикона, парилена или других высокомолекулярных соединений. В промышленности для их нанесения используют автоматизированные установки, а контроль целостности защитной пленки осуществляется с использованием технологий машинного зрения, что гарантирует высокое качество покрытия и отсутствие в нем микротрещин.

Нанесение конформного покрытия на печатную плату

Это позволяет минимизировать вероятность выхода камеры из строя даже в том случае, если целостность ее корпуса была нарушена. В то же время это означает, что и используемые в них флеш-карты должны соответствовать высоким стандартам защиты и уметь противостоять воздействию факторов внешней среды.

Аналогичным образом дело обстоит с диапазоном рабочих температур флеш-карт: таковой должен совпадать с диапазоном рабочих температур видеокамеры или же превышать эти показатели. Современные камеры уличного наблюдения сохраняют работоспособность в пределах от -25 °C до +60 °C, что достигается опять же благодаря использованию качественных комплектующих, устойчивых к подобной разнице температур. Такой подход значительно более эффективен, нежели применение систем активного кондиционирования. Традиционные воздушные кулеры в случае с видеокамерами практически бесполезны из-за слишком плотной компоновки комплектующих. Кроме того, работающие вентиляторы сами по себе накидывают 2–3 ватта рассеиваемой мощности, и единственное, чего можно добиться благодаря их использованию, — это выравнивание температуры снаружи и внутри корпуса. В свою очередь, такие специфические решения, как термокожухи с водяным охлаждением и камеры, снабженные термоэлектрическими преобразователями Пельтье, слишком дороги и применяются исключительно для оборудования машинных отделений или горячих цехов, где температура воздуха может достигать нескольких сотен градусов Цельсия. Системы же активного подогрева применяются только в камерах, ориентированных на эксплуатацию в условиях Крайнего Севера.

Качественный термокожух с водяным охлаждением для камеры видеонаблюдения обойдется вам в дополнительные 100 тысяч рублей на устройство

Итак, с физическими параметрами разобрались, настало время осветить такой вопрос, как рабочий ресурс карт памяти и понять, почему для видеокамер не подходит ни одна из «гражданских» моделей флеш-накопителей.

Рабочий ресурс карт памяти для системы видеонаблюдения

Представим ситуацию. Несколько лет назад вы подыскивали карту для смартфона и остановили свой выбор на недорогой модели емкостью 64 гигабайта. Впоследствии ваша уверенность в том, что вы поступили правильно, лишь крепла: карточка успешно пережила пару мобильных телефонов, прекрасно себя чувствовала в любительском фотоаппарате, да и сегодня продолжает служить вам верой и правдой, будучи установленной в рабочий планшет. Означает ли это, что для корпоративной системы видеонаблюдения вам следует закупиться аналогичными флеш-картами, тем более что за эти годы производитель полностью обновил линейку, сделав накопители еще лучше?

Разумеется… нет. Ведь реальный срок службы карты памяти зависит не от того, сколько вы ее используете, а от того, как вы это делаете. Рассмотрим живой пример. Вы приобрели карту памяти для MP3-плеера. Единожды закачав подборку альбомов любимых исполнителей, в дальнейшем большую часть времени вы будете лишь корректировать плей-листы, не перезаписывая данные целиком. К тому же, крайне маловероятно, что вы сможете использовать доступный объем на все 100%. Конечно, со временем ваша коллекция будет расти, и, чтобы освободить место для новинок, вы будете периодически удалять заслушанные до дыр альбомы и загружать новые, но происходить все это будет постепенно. И здесь в игру вступает технология выравнивания износа (Wear Leveling).

При всех многочисленных преимуществах, флеш-память имеет и весьма серьезный недостаток: ее ресурс строго ограничен. Кодирование битов информации происходит путем изменения заряда в ячейках памяти за счет квантового туннелирования электронов сквозь слой диэлектрика, что вызывает постепенный износ диэлектрических слоев с последующей утечкой заряда. И чем чаще меняется заряд в конкретной ячейке (а это происходит каждый раз при перезаписи информации), тем раньше она выйдет из строя. Выравнивание износа как раз направлено на то, чтобы каждая из доступных ячеек перезаписывалась примерно одинаковое количество раз, и, таким образом, способствует увеличению срока службы карты памяти.

Поскольку операционные системы или прикладной софт оперируют логическими адресами, а управляющие контроллеры — физическими, это позволяет равномерно распределять нагрузку по всему объему доступной памяти и, таким образом, существенно продлить срок службы карты в целом. За это как раз и отвечают алгоритмы выравнивания износа.

Схематично их работу можно описать следующим образом. Пусть в нашем распоряжении есть новенькая флеш-карта, только что из магазина. Мы записали на нее несколько видеороликов, использовав 8 из 16 гигабайт. Через некоторое время мы удалили часть ненужных видео, освободив 3 гигабайта, и записали новые, объем которых составил 2 ГБ. Казалось бы, можно задействовать только что освободившееся место, однако механизм выравнивания износа выделит под новые данные ту часть памяти, которая ранее никогда не использовалась. Хотя современные контроллеры «тасуют» биты и байты куда более изощренно, общий принцип остается неизменным.

Принцип работы алгоритмов выравнивания износа

Благодаря выравниванию износа даже карты памяти потребительского класса могут исправно функционировать годами, но, разумеется, лишь в стандартных сценариях использования. Когда же речь заходит о применении таких карточек в качестве накопителей для камер видеонаблюдения, они демонстрируют свою полную несостоятельность, а все из-за того, что даже интеллектуальные алгоритмы в данном случае оказываются практически бесполезны.

Занимательная математика: сколько прослужит флеш-карта?

Строго говоря, расчет системы видеонаблюдения — тема для отдельной статьи, слишком уж много параметров надо учитывать. С другой стороны, наша задача — наглядно продемонстрировать, сколько дискового пространства будет расходовать одна цифровая камера в сутки, и, чтобы облегчить ее решение, давайте введем несколько констант. Пусть видеозапись будет вестись непрерывно, в разрешении Full HD (сейчас это уже необходимый минимум, во всяком случае, если вы хотите полноценно использовать функции видеоаналитики) при максимальном качестве изображения и в режиме реального времени (то есть при фреймрейте 25 кадров в секунду). При этом мы будем использовать кодек H.265. В зависимости от динамичности сцены, результаты будут выглядеть следующим образом.

Влияние интенсивности движения в кадре на объем записанной информации требует некоторых пояснений. Кодек H.265 использует несколько типов кадров:

• I-кадры (от английского «Intra-coded frames», их также принято называть опорными или ключевыми) — содержат информацию о статичных объектах, не меняющихся на протяжении длительного времени;

• P-кадры («Predicted frames», предсказанные кадры, также именуемые разностными) — несут в себе данные об участках сцены, претерпевших изменения, а также ссылки на соответствующие I-кадры;

• B-кадры («Bi-predicted frames», или двунаправленные предсказанные кадры) — в отличие от P-кадров могут ссылаться на I-, P- и даже другие B-кадры, причем как на предыдущие, так и на последующие.

Что это значит? В кодеке H.265 построение видеоизображения идет следующим образом: камера делает опорный кадр (I-кадр) и вычитает из него неподвижные части изображения. Результатом этой операции является P-кадр (разностный). Затем из этого второго кадра вычитается третий и также создается P-кадр с изменениями. Таким образом происходит создание серии разностных кадров, которые содержат только изменения между двумя последовательными кадрами. Поскольку в процессе вычитания возможны ошибки, приводящие к появлению графических артефактов, то через какое-то количество кадров схема повторяется: вновь формируется опорный кадр, а вслед за ним — серия кадров с изменениями. Полное изображение формируется путем «наложения» P-кадров на опорный кадр, причем движущиеся объекты и фон обрабатываются независимо друг от друга, что позволяет дополнительно сэкономить дисковое пространство без риска упустить важные детали (черты лиц, автомобильные номера и т.д.). Данный механизм носит название межкадрового сжатия.

Дисковое пространство удается сэкономить за счет независимой обработки неподвижных и динамических объектов

Современные алгоритмы сжатия могут не просто создавать разностные кадры, но и формировать их самостоятельно, предсказывая, куда будет двигаться объект в поле зрения камеры на основании анализа широкой выборки предшествующих кадров. Предсказанные кадры позволяют существенно снизить объем записываемых данных при наблюдении, например, за проезжей частью.

Кодек формирует кадры, предсказывая, куда будет двигаться объект

Использование же двунаправленных предсказанных кадров (B-кадров) позволяет в несколько раз сократить время доступа к каждому кадру в потоке, поскольку для его получения будет достаточно распаковать только три кадра: B, содержащий ссылки, а также I и P, на которые он ссылается. Такой подход позволяет существенно повысить скорость быстрой перемотки с показом и упростить работу с видеоархивом.

Однако, несмотря на эффективные алгоритмы сжатия, даже в наиболее щадящих сценариях нагрузка на карту создается колоссальная. Как видно из таблицы, даже при низкой активности в сцене, всего за сутки камера запишет около 41 ГБ видео. А это значит, что 128-гигабайтная карточка будет полностью перезаписана за три дня. Если же активность в кадре максимальна и держится на постоянном уровне, то данные на такой флеш-карте будут полностью обновляться раз в сутки! И это лишь при разрешении Full HD. А если нам понадобится картинка в 4K? В этом случае нагрузка вырастет практически в два раза (в заданных условиях видео в максимальном качестве потребует уже 250 ГБ). При бытовом использовании подобное попросту невозможно: перезаписать карту памяти целиком удастся разве что через несколько месяцев активной эксплуатации.

Нетрудно догадаться, что при столь интенсивном использовании эффективность алгоритмов выравнивания износа перестает играть сколь-нибудь значимую роль, а на первый план выходит выносливость самих чипов. Наиболее объективным критерием оценки последней является максимальное количество циклов программирования/стирания (program/erase cycle), или, сокращенно, циклов P/E, которое способна выдержать флеш-память. Также достаточно точным и в данном случае наглядным (так как мы можем заранее рассчитать объемы перезаписи) показателем является коэффициент TBW (Terabytes Written). Если в технических характеристиках указан лишь один из перечисленных показателей, то вычислить другой не составит особого труда. Достаточно воспользоваться следующей формулой:

TBW = (Емкость × Количество циклов P/E)/1000

Давайте считать. Выносливость карт памяти потребительского уровня составляет порядка 100 P/E. Для примера возьмем карту памяти емкостью 128 ГБ. Воспользовавшись формулой, получим: (128 × 100)/1000 = 12,8 TBW.

Если теперь принять за ориентир максимальное качество картинки в Full HD при высокой активности в кадре (то есть в сутки камера будет записывать 138 ГБ видео, как мы выяснили ранее), то придем к следующему результату: 12800/138 = 93. То есть время наработки на отказ при столь интенсивном использовании составит не более 3 месяцев, а значит, каждые 3 месяца вам придется закупать новую партию флеш-карт, нести дополнительные расходы на сервисное обслуживание и, конечно же, подвергать опасности охраняемый объект, так как на время замены видеокамеры придется выводить из эксплуатации. А если вы захотите использовать карты на 64 ГБ или писать видео в 4K, можете смело делить рассчитанные сроки на два.

Скоростные характеристики флеш-карт для видеонаблюдения

Наконец, еще один момент, на который следует обратить пристальное внимание при выборе карты памяти, — ее скоростные характеристики. В описании практически всех современных флеш-карт можно встретить запись вида: «Производительность: до 100 МБ/с при чтении, до 90 МБ/с при записи; запись видео: C10, U1, V10». Здесь C10, V10 и U1 означают не что иное, как класс скорости записи видео, причем если заглянуть в справочные материалы, то классам C10, U1 и V10 соответствует показатель 10 МБ/с. Откуда разница в 9 раз и почему маркировка тройная? На самом деле все достаточно просто.

В рассмотренном примере 100 и 65 МБ/с — это номинальная скорость, то есть максимально достижимая производительность карты в операциях последовательного чтения и записи при условии использования с совместимым оборудованием, которое само по себе обладает достаточной производительностью, а C10, U1 и V10 (10 МБ/с) — это минимальная устойчивая скорость передачи данных в наихудших условиях тестирования. Данный параметр необходимо учитывать при выборе карт для камер видеонаблюдения по той простой причине, что если он окажется ниже битрейта видеопотока, то это чревато появлением на записи графических артефактов и даже выпадением целых кадров. Очевидно, что в случае с охранными системами подобное недопустимо: любые дефекты изображения чреваты потерей критически важных данных — например, улик, которые могли бы помочь при поимке злоумышленника.

Что же касается наличия сразу трех маркировок, то причины этого сугубо исторические. C10 относится к самой первой классификации, которая была разработана еще в 2006 году и получила простое и незамысловатое название Speed Class. Появление классификации UHS Speed Class, на которую указывает маркировка U1, связано с созданием интерфейса Ultra High Speed, который сегодня используется в подавляющем большинстве флеш-карт. Наконец, последняя классификация, Video Speed Class (V10), была представлена SD Card Association в 2016-м как ответ на распространение устройств, поддерживающих запись видео сверхвысоких разрешений (4K, 8K и 3D).

Поскольку перечисленные классификации частично пересекаются, мы подготовили для вас сравнительную таблицу, в которой скоростные характеристики флеш-карт сопоставлены между собой и соотнесены с видео различного разрешения.

Следует учитывать, что приведенные в таблице соответствия актуальны для любительских, полупрофессиональных и профессиональных видеокамер. В отрасли видеонаблюдения, где запись в реальном времени ведется с максимальной частотой 25 кадров в секунду, а для сжатия видеопотока применяются высокоэффективные кодеки H.264 и H.265, задействующие кодирование с предсказанием, в подавляющем большинстве случаев будет достаточно карт памяти, соответствующих классу U1/V10, так как битрейт в таких условиях практически никогда не превышает порог в 10 МБ/с.

Карты памяти WD Purple microSD для систем видеонаблюдения

С учетом всех перечисленных требований компания Western Digital разработала специализированную серию карт памяти WD Purple microSD, в которую вошли три линейки накопителей: SC QD101, SC QD102 и SC QD302. По сравнению с потребительскими решениям, WD Purple были специально адаптированы под современные цифровые системы видеонаблюдения. Среди многочисленных достоинств «пурпурных» карт необходимо выделить:

• влагостойкость (изделия способны выдержать погружение на глубину до 1 метра в пресную или соленую воду) и расширенный диапазон рабочих температур (от -25°C до +85°C), позволяют одинаково эффективно использовать карты WD Purple для оснащения как внутридомовых, так и уличных устройств видеофиксации независимо от погодных и климатических условий;

• защита от воздействия статических магнитных полей с индукцией до 5000 Гс, и устойчивость к сильной вибрации и ударам до 500g полностью исключают вероятность утраты критически важных данных даже в случае повреждения видеокамеры;

• соответствие классам скорости UHS Speed Class 1 и Video Speed Class 10 делает карты WD Purple пригодными для использования в камерах высокого разрешения, включая панорамные модели;

• поддержка функции удаленного мониторинга, что помогает оперативно отслеживать состояние каждой карты и эффективнее планировать проведение сервисных работ.

Главное же отличие флеш-карт WD Purple от устройств потребительского класса заключается в их невероятной выносливости. Так, рабочий ресурс SC QD101 составляет 500 циклов программирования/стирания, у SC QD102 он достигает 1000 циклов P/E, а WD Purple SC QD302 и вовсе способны выдержать 3 000 циклов полной перезаписи. Вернемся к нашей формуле, и подставим новые значения:

• SC QD101: (128 × 500)/1000 = 64 TBW

• SC QD102: (128 × 1000)/1000 = 128 TBW

• SC QD302: (128 × 3000)/1000 = 384 TBW

Что это означает на практике? Там, где обычная microSD-карта выйдет из строя уже через пару месяцев, даже WD Purple SC QD101 проработает не менее полутора лет, WD Purple SC QD102 исправно прослужит, как минимум, 3 года, а WD Purple SC QD302 потребует замены не ранее, чем спустя 6 лет. И речь сейчас идет о работе на износ при максимально возможной нагрузке, тогда как в реальных условиях, с учетом разной активности в кадре в зависимости от времени суток, а также использования современных технологий детекции движения и контроля периметра, срок службы карт памяти окажется раза в 2–3 раза больше. Непревзойденная надежность WD Purple позволяет не только существенно сократить накладные расходы на обслуживание охранной инфраструктуры, но и повысить отказоустойчивость системы безопасности в целом, делая данные флеш-накопители идеальным решением для эксплуатации на особо охраняемых объектах, где запись ведется в режиме 24/7.

Для большей наглядности мы подготовили для вас таблицу, в которой приведены основные характеристики карт памяти WD Purple.

Сравнение характеристик карт памяти для систем видеонаблюдения WD Purple

© Habrahabr.ru