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Considerações sobre largura de banda e espaço de armazenamento
A largura de banda de rede e o espaço de armazenamento necessários são fatores importantes no projeto de um sistema de vigilância por vídeo. Entre os fatores estão o número de câmeras, a resolução de imagem usada, o tipo e a proporção de compactação, as taxas de quadro e a complexidade da cena. Este capítulo apresenta algumas diretrizes de projeto de um sistema, além de informações sobre soluções de armazenamento e várias configurações de sistema.
Cálculos de largura de banda e espaço de armazenamento
Os produtos de vídeo em rede utilizam a largura de banda da rede e o espaço de armazenamento
de acordo com sua configuração. Como já foi mencionado, isso depende dos seguintes fatores:
- Número de câmeras
- Método de gravação (contínuo ou por eventos)
- Número de horas por dia em que a câmera realizará gravações
- Quadros por segundo
- Resolução de imagem
- Tipo de compactação de vídeo: Motion JPEG, MPEG-4, H.264
- Cena: complexidade da imagem (por exemplo, parede branca ou uma floresta), condições de iluminação e quantidade de movimento (ambiente de escritório ou estações de trem lotadas)
- Tempo previsto de armazenamento dos dados
Largura de banda necessária
Em um sistema de vigilância de pequeno porte, com 8 a 10 câmeras, pode ser usado um switch de rede básico de 100 megabits (Mbit) sem a necessidade de pensar em limitações de largura de banda. A maioria das empresas pode implementar um sistema de vigilância desse porte utilizando a rede que já possuem.
Ao implementar 10 ou mais câmeras, a carga da rede pode ser calculada por algumas regras gerais:
- Uma câmera configurada para gerar imagens de alta qualidade com alta taxa de quadros utilizará aproximadamente 2 a 3 Mbit/s da largura de banda de rede disponível.
- Entre 12 e 15 câmeras, considere o uso de um switch com backbone de alta velocidade (gigabit). Se for usado um switch para alta velocidade, o servidor em que o software de gerenciamento de vídeo está instalado deverá ter um adaptador de rede gigabit instalado.
Entre as tecnologias que permitem gerenciar o consumo de largura de banda estão VLANs em uma rede comutada, Qualidade de Serviço e gravações por eventos.
Cálculo do espaço de armazenamento necessário
Como já foi mencionado, o tipo de compactação de vídeo usado é um dos fatores que afetam o espaço de armazenamento necessário. O formato de compactação H.264 é de longe a técnica mais eficiente de compactação de vídeo disponível hoje em dia. Sem comprometer a qualidade de imagem, um codificador H.264 pode reduzir o tamanho de um arquivo de vídeo digital em mais de 80%, comparado com o formato Motion JPEG, e até 50% mais do que o padrão MPEG-4 (Parte 2). Isso significa que serão necessários muito menos largura de banda de rede e espaço de armazenamento para um arquivo de vídeo H.264.
As tabelas abaixo mostram exemplos de cálculos de espaço de armazenamento para todos os três formatos de compactação. Como diversas variáveis afetam os níveis médios de taxa de bits, os cálculos não são tão diretos para os formatos H.264 e MPEG-4. Com o Motion JPEG, a fórmula é clara porque esse formato consiste em um único arquivo para cada imagem. O espaço de armazenamento necessário para arquivos Motion JPEG varia de acordo com a taxa de quadros, a resolução e o nível de compactação.
Cálculo para o formato H.264:
Velocidade aproximada / 8 (bits em um byte) x 3600s = KB por hora / 1000 = MB por hora
MB por hora x horas de operação diária / 1000 = GB por dia
GB por dia x período de armazenamento previsto = espaço de armazenamento necessário
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Cálculo para o formato MPEG-4:
Velocidade aproximada / 8 (bits em um byte) x 3600s = KB por hora / 1000 = MB por hora
MB por hora x horas de operação diária / 1000 = GB por dia
GB por dia x período de armazenamento previsto = espaço de armazenamento necessário
Observação: a fórmula não leva em conta a quantidade de movimento, que é um fator importante
que pode influenciar o espaço de armazenamento necessário.
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Cálculo para o formato Motion JPEG:
Tamanho da imagem x quadros por segundo x 3600s = Kilobyte (KB) por hora /1000 = Megabyte
(MB) por hora
MB por hora x horas de operação diária / 1000 = Gigabyte (GB) por dia
GB por dia x período de armazenamento previsto = espaço de armazenamento necessário
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Uma ferramenta útil para calcular a largura de banda e o espaço de armazenamento necessários é a AXIS Design Tool, disponível no seguinte endereço: www.axis.com/products/video/design_tool/
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Armazenamento em servidor
Dependendo da unidade central de processamento (CPU), da placa de rede e da RAM interna (Memória de Acesso Aleatório) de um PC servidor, ele pode dar conta de um determinado número de câmeras, quadros por segundo e tamanho de imagens. A maioria dos PCs pode conter entre duas e quatro unidades de disco rígido, e cada disco pode conter até aproximadamente 300 gigabytes (GB). Em uma instalação de pequeno ou médio porte, o PC em que o software de gerenciamento de vídeo está instalado também é usado para gravação de vídeo. Esse método de armazenamento é chamado “conexão direta”.
Com o software de gerenciamento de vídeo AXIS Camera Station, por exemplo, um único disco rígido basta para armazenar gravações de seis a oito câmeras. Com mais de 12 ou 15 câmeras, devem ser usados ao menos dois discos rígidos para dividir a carga. Para 50 câmeras ou mais, recomenda-se usar um segundo servidor.
NAS e SAN
Quando a quantidade de dados armazenados e a necessidade de gerenciamento ultrapassarem os limites de um armazenamento por conexão direta, um armazenamento conectado em rede (NAS) ou uma rede de área de armazenamento (SAN) aumentará o espaço de armazenamento, a flexibilidade e a capacidade de recuperação.
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O NAS é um único dispositivo de armazenamento diretamente conectado a uma LAN, oferecendo armazenamento compartilhado a todos os clientes da rede. Um dispositivo de NAS é simples de instalar e fácil de administrar, constituindo uma solução econômica de armazenamento. Entretanto, ele oferece velocidade limitada para o recebimento de dados, pois tem apenas uma conexão de rede, e isso pode se tornar um problema em sistemas de alta velocidade. As SANs são redes dedicadas de alta velocidade para armazenamento, normalmente conectadas a um ou mais servidores através de fibra. Os usuários podem ter acesso a qualquer um dos dispositivos de armazenamento na SAN através dos servidores, e o espaço de armazenamento pode chegar a centenas de terabytes. O armazenamento centralizado reduz a administração e proporciona um sistema de armazenamento flexível e de velocidade para uso em ambientes com vários servidores. A tecnologia Fiber Channel é normalmente usada para transferir dados a 4 gigabits por segundo e permitir o armazenamento de grandes quantidades de dados com alto nível de redundância.
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Armazenamento redundante
Os sistemas de SAN incorporam redundância ao dispositivo de armazenamento. A redundância em um sistema de armazenamento permite que vídeos, ou qualquer outro tipo de dados, sejam gravados simultaneamente em mais de um local. Isso cria um backup para recuperar vídeos caso uma parte do sistema de armazenamento fique ilegível. Há várias opções para oferecer essa camada de armazenamento a mais em um sistema de Vigilância por IP, inclusive uma Matriz Redundante de Discos Independentes (RAID), duplicação de dados, agrupamento (clustering) de servidores e diversos destinatários de vídeo.
RAID. A RAID é um método de disposição de discos rígidos padrão, disponíveis no mercado, de forma que o sistema operacional os consulte como um único disco rígido de grande capacidade. Uma configuração de RAID espalha os dados por várias unidades de disco rígido com redundância suficiente para que os dados possam ser recuperados em caso de falha de um disco. Existem níveis diferentes de RAID, desde praticamente nenhuma redundância até uma solução integralmente espelhada na qual não exista interrupção nem perda de dados em caso de falha de um disco rígido.
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Duplicação de dados. Este é um recurso comum de muitos sistemas operacionais de rede. Os servidores de arquivos em uma rede são configurados para duplicar dados entre si, criando um backup se um servidor falhar.
Agrupamento (clustering) de servidores. Um método comum de agrupamento de servidores é fazer com que dois servidores funcionem com o mesmo dispositivo de armazenamento, como um sistema RAID. Quando um servidor falhar, o outro servidor config¬urado de maneira idêntica assumirá sua função. Esses servidores podem até mesmo ter o mesmo endereço IP, cada um realizando o “fail-over” de maneira completamente imperceptível para os usuários.
Vários destinatários de vídeo. Um método comum para garantir a Recuperação de Desastres e o armazenamento remoto de vídeo em rede é enviar simultaneamente o vídeo para dois servidores diferentes em localidades separadas. Esses servidores podem ser equipados com RAID, operar em agrupamentos, ou duplicar seus dados com servidores ainda mais afastados. Essa é uma abordagem especialmente útil quando os sistemas de vigilância estiverem em áreas perigosas ou de difícil acesso, como em instalações de trânsito de massa ou instalações industriais.
Configurações de sistema
Sistema de pequeno porte (1 a 30 câmeras)
Um sistema de pequeno porte normalmente consiste em um servidor com um aplicativo de vigilância
instalado para gravar as imagens de vídeo em um disco rígido local. O vídeo é visto e gerenciado
através do mesmo servidor. Embora a maior parte da visualização e do gerenciamento seja
realizada no servidor, um cliente (local ou remoto) pode ser conectado para a mesma finalidade.
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Sistema de médio porte (25 a 100 câmeras)
Uma instalação típica de médio porte possui um servidor com armazenamento adicional conectado
a ele. Normalmente, o armazenamento é configurado com uma RAID para aumentar a velocidade
e a confiabilidade. Normalmente, o vídeo é exibido e gerenciado através de um cliente,
e não do próprio servidor de gravação.
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Sistema centralizado de grande porte (50 a mais de 1000 câmeras)
Uma instalação de grande porte exige alta velocidade e confiabilidade para gerenciar a grande
quantidade de dados e a grande largura de banda. Isso exige vários servidores com tarefas
dedicadas. Um servidor mestre controla o sistema e decide que tipo de vídeo será armazenado
em que servidor de armazenamento. Como há servidores dedicados de armazenamento, é possível
realizar o equilíbrio de carga. Nessa configuração, também é possível ampliar o sistema
com a inclusão de mais servidores de armazenamento quando for necessário, e realizar trabalhos
de manutenção sem desativar todo o sistema.
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Sistema distribuído de grande porte (25 a mais de 1000 câmeras)
Quando várias localidades precisarem de vigilância com gerenciamento centralizado, podem ser
usados sistemas distribuídos de gravação. Cada localidade grava e armazena o vídeo das câmeras
locais. O controlador mestre pode visualizar e gerenciar as gravações de cada localidade.
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Consulte também: AXIS Design Tool
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