Tecnologie

Acquisizione dell’immagine: mezzo di ripresa

Lo strumento di acquisizione delle immagini è la telecamera attraverso il proprio sensore; esistono sensori sollecitati dalla luce visibile e sensori sollecitati dalla frequenza infrarossa generata dai corpi.
La prima tipologia permette di acquisire immagini così come il nostro occhio è in grado di fare, la seconda invece rappresenta il calore emesso dagli oggetti che compongono la scena inquadrata: quest’ultima tecnologia è presente nelle telecamere termiche.
La scelta quindi tra telecamera “visibile” e telecamera termica è dettata dalle connotazioni che contraddistinguono le due tecnologie.
La luce visibile ha la caratteristica di rappresentare la realtà come i nostri occhi la percepiscono, invece la telecamera termica rappresenta una realtà ottenuta dalla estrapolazione in scala di grigi dei differenti segnali emessi dagli oggetti presenti nella scena. La tecnologia termica, non essendo sensibile alla luce, permette di analizzare scene completamente buie e di “vedere” oggetti anche a distanze ragguardevoli.
La tecnologia legata alla luce visibile, tuttavia, consente di ottenere colori e sfumature.  La tecnologia termica ha anche il pregio di percepire in misura minima le variazioni climatiche e gli offuscamenti dovuti alla nebbia, ma non permette di valutare differenze tra elementi che emettono una simile temperatura, mentre la luce visibile permette di valutare queste differenze e di analizzare ombre e luci in ambiente. In definitiva le due tecnologie hanno caratteristiche in alcuni casi contrapposte. In aiuto sono state studiate telecamere ibride che uniscono le due tecnologie prendendo il meglio da ognuna, in modo da garantire benefici altrimenti non sfruttabili singolarmente.
Il sensore è composto da una matrice di elementi chiamati pixel, la cui densità determina la risoluzione dell’immagine che la telecamera è in grado di acquisire. Maggiore è il numero di pixel presente nel sensore, più l’immagine sarà dettagliata e maggiore sarà l’informazione contenuta nell’immagine stessa, si avrà quindi necessità di una capacità di calcolo nei processori di analisi e di una capacità di trasferimento e di registrazione più performante nei mezzi utilizzati a tale scopo.
Oltre alla risoluzione, misurata in MegaPixel (MP), ci sono altri fattori che incidono sulla qualità del sensore:

• La sensibilità ovvero la capacità di fornire immagini di ottima qualità anche con una quantità di illuminazione minima (sia di luce visibile o infrarossa)
• La dinamica ovvero la capacità di riuscire a vedere in condizioni di forte contrasto di luce

Le performance di queste ultime caratteristiche sono principalmente dovute alla qualità elettronica e fisica del sensore, ma possono essere ottimizzate anche in una successiva elaborazione dei dati, eseguita sempre a bordo camera.

WDR (wide dynamic range)
BLC (back light compensation)
HLC (Highlight compensation)
3DNR (3D digital noise reduction)

Un’altra importante caratteristica dei sensori e delle telecamere sono gli FPS (frame per second), cioè il numero di immagini al secondo che il sensore può acquisire e quindi elaborare e inviare in centrale.
Maggiore è il numero di FPS, più il video sarà fluido.
Una risoluzione (MP) e una frequenza di acquisizione (FPS) elevate offrono un video fluido e ricco di dettagli molto nitidi, ma richiedono una banda di rete molto ampia. Qui entra in gioco un’altra caratteristica fondamentale delle telecamere IP: la compressione del video.
Negli ultimi anni, anche gli algoritmi di compressione del video hanno avuto incrementi di performance notevoli, riducendo la banda necessaria per il trasferimento pur mantenendo video di ottima qualità.

MJPEG -> MP4 -> H.264 -> H.264+ -> H.265 -> H.265+

Il flusso video IP viene inviato verso i videoregistratori (NVR) o le piattaforme di centralizzazione VMS tramite protocolli che possono essere proprietari (del produttore) oppure conformi a standard ormai riconosciuti e utilizzati a livello internazionale come, a titolo esemplificativo, RTSP oppure ONVIF.
Il segnale luminoso viene concentrato sul sensore mediante una lente (obiettivo o ottica) che a seconda di come è stata costruita permette di ottenere un campo visivo più o meno ampio.
Ottiche cosiddette “lunghe” permettono di “vedere” scene molto distanti dalla telecamera ma limitano la visione di quanto succede vicino ad essa, mentre ottiche grandangolari permettono di avere una visione molto ampia che va però a discapito del dettaglio degli oggetti inquadrati. È utile pertanto definire anticipatamente quali siano le aree da inquadrare e quale sia il dettaglio che si vuole ottenere.
Ottiche varifocali avvantaggiano la fase installativa, potendo variare sul campo la visualizzazione delle aree inquadrate.
Al giorno d’oggi infatti, rispetto alla classica telecamera ‘box’ del passato con custodia e staffa/brandeggio esterno, esiste una grande varietà di soluzioni.
Si passa dai modelli “bullet” e “mini dome” (con corpo camera, obiettivo, eventuale illuminatore e staffa integrati in un’unica scocca compatta), alle “speed dome”, che hanno la possibilità di essere movimentate in ogni direzione (PAN-TILT) e sono dotate di un’ottica ZOOM motorizzata, e alle “panoramiche”, che includono molteplici sensori e obiettivi, permettendo di avere una visuale estremamente ampia, anche di 180° o 360°.
Molte telecamere integrano nel loro corpo anche un illuminatore IR (infrarosso) che non è visibile (o quasi) dall’occhio umano ma illumina e rende visibile la scena anche di notte o in condizioni di scarsa luminosità.
Telecamere con “deterrenza attiva” permettono, oltre alla classica ripresa video, di avere un’interazione in loco con illuminatori a LED (bianchi, rossi, blu), suoni (messaggi vocali o sirene) e attuazioni esterne per allarmare e cercare di interrompere eventuali infrazioni o intrusioni.
Le telecamere possono avere diversi gradi di protezione rispetto all’umidità/acqua, alla penetrazione di polvere/fumi, agli agenti corrosivi, alla formazione di ghiaccio e agli atti vandalici.
In merito a queste caratteristiche di protezione esistono normative che stabiliscono i vari gradi e le modalità di test e certificazione (ad esempio grado IPxx, NEMA x, IKxx, Ex-d, ecc…)
Rispetto alle telecamere PAL/NTSC del passato con segnale video analogico trasmesso su cavo coassiale, la trasmissione del video oggi è realizzata tramite un flusso digitale, che può essere trasmesso sempre su cavo coassiale (con risoluzioni più elevate e la possibilità di invio anche di altri dati) oppure su cavi di rete/ethernet (telecamere IP). Le telecamere di ultima generazione possono ricevere l’alimentazione direttamente dallo stesso cavo utilizzato per la trasmissione del segnale video (che sia coassiale, PoC o ethernet PoE), fornendo a progettisti e installatori un enorme aiuto.
Le telecamere IP hanno la possibilità di essere configurate tramite una pagina web in modo molto semplice e intuitivo. Spesso alloggiano a bordo una memoria SD-card, che permette delle brevi registrazioni nel caso in cui il collegamento con il centro sia interrotto.
La presenza di un processore più o meno potente sulla camera, che gestisce il trasferimento in rete e la configurazione, permette inoltre di effettuare delle analisi intelligenti a bordo. Possono essere analisi molto semplici, per esempio un motion detection, o più evolute come ad esempio: l’attraversamento di una linea, l’abbandono o la rimozione di un oggetto, il conteggio delle persone che entrano o escono da una area, il comportamento delle persone, la lettura della targa di un veicolo…
Nello specifico, le telecamere per la lettura delle targhe hanno delle caratteristiche e delle configurazioni particolari, che permettono di leggere le targhe in ogni condizione di luce.

Trasmissione dell’immagine, alimentazione, connessione, sicurezza del dato

I segnali transitanti tra la telecamera e i dispositivi remoti sono di diversa natura.
Il video è il segnale per eccellenza generato da una telecamera; nel tempo a questo segnale poi se ne sono aggiunti altri e quindi ora possiamo annoverare anche segnali quali audio e dati.
Essenzialmente il segnale video ha caratteristica di monodirezionalità, mentre gli altri due solitamente sono bidirezionali.
L’audio viene utilizzato per udire conversazioni che avvengono nell’ambiente dov’è installata la telecamera, attraverso microfoni posti nel corpo della telecamera o nelle vicinanze della stessa. L’audio può anche essere emesso dalla telecamera attraverso altoparlanti posti nel corpo o nelle vicinanze della stessa per comunicare messaggi o riprodurre segnali acustici che avvisino le persone situate nelle vicinanze della telecamera, oppure per intraprendere conversazioni tra il centro di controllo e le persone locate nell’area di controllo della telecamera.
I dati invece hanno svariate caratteristiche e pertinenze: dati di programmazione e/o comando, solitamente provenienti da dispositivi di gestione remoti e dati di estrapolazione che sono generati dalla telecamera stessa attraverso il compito che la telecamera è stata chiamata ad assolvere.
Nel seguire il tragitto dei segnali dobbiamo soffermarci ad analizzare due aspetti. Il primo aspetto è il mezzo di trasporto che usa il segnale per trasferirsi da un luogo ad un altro, mentre il secondo riguarda il tipo di segnale.
Il mezzo di trasporto di un segnale video può essere cablato oppure wireless: i mezzi cablati trasportano il segnale utilizzando l’energia elettrica che transita attraverso metalli quali ad esempio il rame, oppure avvalendosi della luce che transita attraverso materiali quali fibre ottiche o guide luminose.

Tra i vari mezzi cablati attualmente in uso possiamo annoverare i seguenti tipi: cavi di rete elettrica, cavi coassiali, cavi telefonici, cavi di rete Ethernet, fibre ottiche mono-modali o multi-modali, ecc…
I mezzi wireless trasportano il segnale utilizzando l’etere e quindi si avvalgono di dispositivi di trasmissione quali ad esempio i ponti radio.
I tipi di segnale possono essere riassunti in segnale analogico e segnale digitale. La differenza fondamentale tra i due tipi di segnale è che nei segnali analogici l’informazione è contenuta nella “forma” stessa del segnale, nei segnali digitali invece l’informazione da elaborare è codificata in serie di simboli (1 e 0).

Allo stato attuale, viste le tecnologie comunemente utilizzate, possiamo concederci la licenza di prendere in considerazione solamente i segnali digitali tralasciando quelli analogici.

Facciamo molta attenzione però a non incappare nell’errore di identificare la natura del segnale attraverso il mezzo che lo conduce.
L’errore tipico ad esempio è quello di considerare analogici i segnali transitanti attraverso cavi coassiali, cavi telefonici o cavi elettrici e digitali i segnali transitanti attraverso cavi di rete Ethernet e fibre ottiche. Ad oggi nella stragrande maggioranza dei casi le telecamere che utilizzano cavi coassiali, elettrici o telefonici per trasmettere i loro segnali si avvalgono comunque della digitalizzazione dei dati.
Altro fattore da tener presente nella progettazione di un impianto al riguardo della trasmissione dei segnali è la struttura della rete da utilizzare. Parlando di reti cablate possiamo distinguere due modalità: modalità di concentrazione e modalità di distribuzione.
La prima modalità consente di utilizzare la rete di trasmissione concentrando i conduttori verso un unico punto; dalla telecamera al videoregistratore con una connessione fisica diretta. Questo è il tipico impiego di una rete composta da cavi coassiali ed è anche l’emblema della videosorveglianza utilizzato dagli albori della stessa e ancor oggi in essere. Paradigma di un moderno impiego di questa modalità è l’aggiornamento di impianti con dispositivi di ultima generazione messo in atto sfruttando la rete di conduttori già esistente.
La seconda modalità consente di distribuire i conduttori attraverso una rete composta che si sviluppa con un concetto di ramificazione (sia essa in rame o in fibra). Questo è l’esempio tipico di rete Ethernet dove si utilizzano dispositivi quali switch che si occupano di “dirigere” il traffico dei segnali, ottimizzando la distribuzione dei cavi e la loro stesura.
Altro dato da tenere presente nella scelta della tipologia di rete trasmissiva è la distanza da coprire. Vedi tabella sottostante:

*C’è da sottolineare però che alcuni dispositivi di rete Ethernet in rame, grazie ad accorgimenti legati agli sviluppi tecnologici, possono coprire distanze equivalenti a quelle di un cavo coassiale.

Un altro elemento da tenere presente nella trasmissione di segnali digitali è la velocità di trasmissione, cioè la quantità di dati che si possono trasportare in un determinato intervallo di tempo, espressa in bit al secondo (bps). Spesso al posto del termine di velocità di trasmissione viene usato il termine “banda” o “banda di trasmissione”. Quindi in sostanza: “più banda, più informazioni” ecco perché si sente parlare di “larghezza di banda” come indice della quantità di informazione che è possibile trasmettere (o ricevere) via rete.

Banda di trasmissione
In un sistema di comunicazione a distanza, via radio o su fili, la banda di trasmissione è la misura dell’intervallo di frequenza utilizzato per inviare i messaggi. La larghezza della banda determina la quantità e complessità dei messaggi che possono essere inviati. Dai primi sistemi di comunicazione a distanza a quelli odierni, si è andati verso l’impiego di bande sempre più ampie. (Enciclopedia Treccani)

Banda larga
Per connessione a b. l. si intende generalmente la trasmissione di dati via cavo a una velocità superiore a 1,544 Mbps. La trasmissione a b.l. può avvenire attraverso vari canali (tra i più comuni l’ADSL e la fibra ottica); può essere utilizzata per la navigazione su Internet, ma anche per ricevere programmi televisivi o effettuare chiamate telefoniche. (Enciclopedia Treccani)

In definitiva nella trasmissione di segnali la velocità è di fondamentale importanza, è quindi opportuno conoscere quale sarà il “consumo di banda” delle apparecchiature, di norma telecamere, che verranno impiegate, le performances dei videoregistratori, server, unità di archiviazione, ecc.… che dovranno “trattare” questi dati e strutturare una rete adeguata a tali necessità.

Altro elemento da tenere in considerazione nella scelta della tipologia di dispositivi da impiegare è la sicurezza dei dati che ogni apparecchiatura genera, gestisce e trasmette. Alla luce degli aspetti legati alla globalizzazione e alla crescita esponenziale dell’utilizzo delle reti, la sicurezza cibernetica (cyber security) è divenuta un argomento di vitale importanza, ne consegue che la scelta di dispositivi e/o strumenti che si avvalgano di certificazioni legate ad un costante controllo ed aggiornamento delle protezioni contro gli attacchi cibernetici sia elemento da valutare molto attentamente. 

Gestione dell’immagine: archivio, centralizzazione, distribuzione, interazione

Nei capitoli precedenti sono stati analizzati gli elementi per l’acquisizione e la trasmissione del segnale video, e diversi tipi di analisi che possono essere fatti sulle immagini.
In questo capitolo approfondiremo la gestione dei segnali e dei flussi video provenienti dal campo.
Un primo dispositivo utilizzabile per questo tipo di gestione è il videoregistratore, che può essere un apparecchio embedded oppure un applicativo su PC/server.
Sul mercato ci sono diversi tipi di videoregistratori, che possono ricevere segnali video su cavo coassiale (analogico o digitale, con diversi standard e formati) o su rete TCP/IP.
I videoregistratori ibridi possono ricevere e gestire sia segnali analogici/digitali che IP.
La scelta di un videoregistratore deve tenere in considerazione diverse caratteristiche:

• Il numero di canali video/audio analogici o digitali/IP
• La gestione di diversi protocolli IP, proprietari o standard (ad esempio Onvif, RTSP)
• La gestione di diversi tipi di codec video (MJPEG, MPEG, H264, H264+, H265, H265+…)
• Il numero e la dimensione degli hard disk e quindi la capacità temporale di registrazione
• L’eventuale presenza di funzioni evolute di analisi intelligente dei segnali video provenienti dalle telecamere
• Le uscite video per la visualizzazione diretta su monitor
• Eventuali altre entrate e uscite corollarie per la gestione dell’audio, di contatti di allarme ingresso/uscita (relè)

Le singole telecamere e i videoregistratori possono essere centralizzati in un unico software di gestione, il VMS (video management system), che può gestire tutti gli apparati in campo: riceve e inoltra verso vari applicativi e interfacce client tutti i flussi video e gli eventi/allarmi provenienti dagli apparati o elaborati dal VMS stesso.
Tramite il VMS e i suoi client possono inoltre essere richieste e visualizzate le registrazioni del video di tutti gli apparati.
Il VMS può essere parte integrata di piattaforme con funzionalità più estese, PSIM, che gestiscono altri aspetti tecnologici e non solo legati alla video sorveglianza.

Alcuni esempi sono la gestione di apparati per il controllo accessi, la citofonia, l’illuminazione e in generale sistemi tecnologici che abbiano protocolli di integrazione.
La piattaforma si può interfacciare anche database e piattaforme remote ad esempio per il controllo dei veicoli (tramite la targa si può verificare l’assicurazione, la revisione dei veicoli o l’appartenenza alle black list di veicoli rubati o segnalati alle forze dell’ordine).
La gestione degli utenti ha una grande importanza a livello di centralizzazione: per essere compliant con il GDPR e per soddisfare eventuali regole di gestione private, è possibile definire diversi gruppi e diversi privilegi per gli utenti che hanno accesso alla piattaforma. E’ possibile quindi creare utenti amministrativi che possono configurare e verificare lo stato del sistema e degli apparati, ma magari non avere accesso alle immagini o alle registrazioni sensibili. Altri gruppi e altri utenti potranno avere accesso a tutte o solo ad alcune telecamere, oppure ricevere e/o gestire eventi di allarmi dal campo e dalla piattaforma.

Una caratteristica chiave sia per i videoregistratori embedded che per i VMS, è la possibilità di fare ricerche intelligenti tra le migliaia di ore, giorni o di diversi flussi di registrazione. Alcuni prodotti evoluti permettono di fare ricerche veloci in cui vengono evidenziati solo quegli spezzoni di video in cui ad esempio un oggetto è stato rimosso o abbandonato, oppure in cui si vedono persone vestite in un certo modo (maglietta rossa, pantaloni blu ecc…).
Per alcuni impianti, dove è richiesto un grado di sicurezza e affidabilità più elevati, è possibile prevedere hard disk o addirittura server di backup o ridondanti, che effettuano una ‘copia’ delle registrazioni video oppure mantengono in funzione il sistema qualora i server principali avessero dei problemi.

Analisi dell’immagine

Con l’avvento dell’intelligenza artificiale il concetto di videosorveglianza ha subito un notevole cambiamento. L’espressione AI (dall’inglese Artificial Intelligence) è entrata a far parte del lessico comune modificando i concetti che erano alla base di un sistema di videosorveglianza. AI ha lo scopo di rendere un sistema di telecamere sempre più autonomo nel gestire le scene riprese e nel decidere le conseguenze di azioni che si svolgono nella quotidianità.
In generale possiamo identificare due modalità di interpretare l’analisi video intelligente: Front-End e Back-End.
In Front-End, l’intelligenza è a bordo della telecamera e quindi la telecamera diventa uno strumento attivo nella gestione di un sistema di videosorveglianza, mentre in Back-End l’analisi viene effettuata da apparati quali NVR, DVR, server e piattaforme.
Con l’intelligenza posta all’interno della telecamera si concepisce un sistema che, garantendo l’autonomia ad ogni punto di ripresa, gode di quell’attributo comunemente chiamato Intelligenza Distribuita.
Al contrario, l’intelligenza concentrata in un sistema centralizzato può essere utile in quei casi in cui non sono presenti capacità di analisi nelle telecamere e le stesse non possono essere sostituite.
Esistono molteplici ambiti della videosorveglianza nei quali l’Intelligenza Artificiale può essere utilizzata. Generalmente si concepisce l’analisi intelligente nella capacità di discernimento tra esseri umani e veicoli. Nelle due categorie possiamo distinguere gestioni e azioni differenti a seconda che l’analisi sia riferita a esseri umani o a veicoli.
Gli esseri umani, una volta identificati, possono essere contati, analizzati, riconosciuti e indirizzati. Possiamo distinguere diverse modalità di analisi. Tra le più diffuse relative a sistemi di videosorveglianza cittadina possiamo citare:

• Conteggio persone, che si divide in conteggio di flusso e conteggio in area. Nel conteggio di flusso, la telecamera posta nelle vicinanze di varchi conta le persone in transito garantendo al sistema di sapere in ogni momento il numero di persone presenti nel luogo. Nel conteggio all’interno di un’area, la telecamera individua gli esseri umani e li conta aggiornando costantemente la quantità dei presenti nella scena;
• Estrazione di metadati del viso, tra cui: genere, età, presenza di occhiali, barba e mascherina;
• Estrazione di metadati del corpo, tra cui: tipologia e colore di giacche, camicie, maglie, pantaloni, gonne, borse, ombrelli, bastoni, cappelli, ecc…;
• Privacy protection ovvero la possibilità di mascherare le figure umane con veli elettronici garantendo il loro anonimato;
• Comportamento umano ovvero la capacità della telecamera di identificare alcuni comportamenti delle persone presenti nel proprio campo visivo. Tra i più comuni possiamo elencare: lo stato di aggressività di uno o più individui, persone troppo vicine le une alle altre, numeri errati di persone nelle aree, persona che cade, persona che si alza da posizione seduta, persona che staziona oltre un tempo prefissato, ecc…;
• Protezione di perimetri e/o aree da intrusioni ovvero la capacità della telecamera di rilevare esseri umani che violano una proprietà privata e darne informazione. La stessa cosa vale per i veicoli che entrano in luoghi a loro vietati.

Per quanto riguarda i veicoli, possiamo aggiungere altre analisi intelligenti quali:

• Riconoscimento di targhe automobilistiche. La telecamera può identificare i mezzi che circolano nelle strade attraverso il riconoscimento delle targhe che legge;
• Parcheggio Illegale. La telecamera monitora aree nelle quali il parcheggio non è consentito e dà informazione qualora uno o più veicoli sostino in quegli spazi. Di norma le telecamere, oltre a fornire la registrazione dell’evento, possono riconoscere il veicolo attraverso la sua targa;
• Metadati dei veicoli. La telecamera estrae dai veicoli che si presentano nel suo campo visivo alcuni dati tra cui marca, targa, colore, tipologia e modello;
• Infrazioni. La telecamera può accertare violazioni del codice stradale quali l’attraversamento di un incrocio con semaforo rosso, il cambio di corsia non autorizzato, l’inversione a U non consentita, l’eccesso di velocità (istantanea o media), il transito illegale di particolari veicoli, la percorrenza controsenso, la circolazione di veicoli sprovvisti di revisione periodica, di copertura assicurativa o di pagamento della tassa automobilistica. SISTEMA OMOLOGATO (citare)

Visualizzazione dell’immagine

Una volta che il segnale video è stato acquisito, trasportato, analizzato e gestito deve essere proposto all’utilizzatore.
L’utente deve poter visualizzare sia i segnali video delle telecamere che i dati scaturiti dall’analisi.
Le postazioni di visualizzazione possono essere fisse o mobili.