Un DVR pour l’enregistrement numérique des films

Cet enregistreur numérique DVR est en mesure d’enregistrer un signal vidéo sur un support également numérique. Le dispositif convertit les formats analogiques PAL ou NTSC en images numériques enregistrées sur disque dur. Par rapport au “time lapse” analogique, il offre une meilleure qualité vidéo et un système de recherche plus rapide et plus efficace.


Ces dernières années, on a assisté à un exode massif du traitement analogique des sons et des images vers le numérique. Pour l’audio, les exemples les plus éclatants sont le passage de la vénérable cassette aux “compact discs” puis aux lecteurs (portatifs ou non) MP3. Des radios numériques sont apparues également, c’est-à-dire des stations de radio émettant non plus en modulation analogique FM, mais se basant sur des élaborations et des émissions numériques.
Dans le domaine de la vidéo, on peut affirmer que le passage définitif de l’analogique au numérique est en cours d’effectuation avec l’arrivée du DVD.
Pour les systèmes de sécurité impliquant l’enregistrement de séquences, nous assistons également à une migration de l’analogique “time lapse” vers le numérique “Digital Vidéo Recording” ou DVR. Les motifs de ce changement radical de technologie sont essentiellement dus à une bien meilleure qualité du signal permise par les systèmes numériques. En outre, ces derniers offrent des fonctionnalités plus complexes et impossibles à réaliser en analogique : avance et retour rapides, positionnement instantané sur une image précise ou un événement, arrêt sur image plus stable, etc.

Notre appareil
C’est dans cette optique d’évolution que cet article vous présente un nouveau modèle d’enregistreur DVR (ou EVN, enregistreur vidéo numérique), conçu pour travailler dans le cadre des systèmes de sécurité comme substitut des dispositifs “time lapse” analogiques. Ces systèmes de sécurité sont constitués d’une ou plusieurs caméra(s) de surveillance de lieux à risque (accès aux coffres dans une banque, par exemple).
Dans ces situations, il est très utile de pouvoir enregistrer les images d’une ou de plusieurs journées, afin de pouvoir ensuite accéder à d’éventuels événements particuliers.
Jusqu’à présent les systèmes d’enregistrement utilisés pour cela étaient de type analogique (“time lapse”) : il s’agissait (et il s’agit encore !) de magnétoscopes normaux dotés de quelques possibilités supplémentaires comme la sélection du nombre d’images par seconde, de façon à allonger les durées d’enregistrement sur une même cassette. Ces magnétoscopes analogiques offrent une qualité suffisante pour certaines applications, mais certainement pas maximale.
Si l’on choisit notre DVR, en revanche, tous les enregistrements sont numériques : la vidéocassette est remplacée par un disque dur, comme ceux que l’on trouve chez les revendeurs d’éléments informatiques (à condition de bien choisir le modèle : IBM et Western Digital notamment). L’insertion du disque dur dans l’appareil (photo de première page) est très rapide et sûr puisqu’il s’agit d’un tiroir extractible avec serrure de sécurité comme celui ou ceux que vous utilisez peut-être sur votre ordinateur. La création d’archives s’en trouve énormément simplifiée : par jour, semaine ou mois. La possibilité est en outre offerte de programmer le dispositif de manière à ce qu’il s’arrête quand la capacité est épuisée ou bien qu’il continue en enregistrant pardessus les données précédentes qu’il peut effacer.
La technique de compression vidéo utilisée est la Wavelet (figure 7) : elle permet l’enregistrement de séquences même pour 100 jours consécutifs. Au cours du paramétrage, il est possible de spécifier la qualité d’enregistrement souhaitée (4 niveaux prévus : “Best”, “High”, “Normal” et “Basic”) et le nombre d’images par seconde (il est possible de choisir entre 60 et 1 F/s (“frame per second”, ou image par seconde). Par exemple, en utilisant un disque dur de 120 Go, 30 F/s et une qualité vidéo “Normal”, on obtient une durée d’enregistrement de deux jours environ. Résultat quasi impensable, à parité de qualité et d’images/seconde, avec un classique “time lapse” analogique. Les formats des signaux vidéo provenant des caméras que le système est capable de gérer sont les habituels NTSC et PAL.
La face avant de l’appareil comporte les touches de commandes traditionnelles d’enregistrement et de recherche d’image, ainsi que quelques LED de signalisation concernant le disque dur et autres détails. Le panneau arrière comporte en revanche deux connecteurs BNC pour l’input et l’output vidéo, un socle jack d’alimentation et un port externe à 15 broches utilisable comme port sériel de communication ou pour donner en sortie certaines informations de contrôle : les broches 1, 2 et 9 réalisent une connexion sérielle RS232, les broches 10 et 11 une connexion RS485. Grâce à cette connexion, le DVR peut être contrôlé aussi à distance, par un périphérique spécialement réalisé ou par un PC. Les autres broches sont utilisées par le dispositif pour signaler à l’extérieur quelques-uns de ses états ou pour exécuter des commandes : par exemple, une broche 12 “Disk Full” indique que le disque dur est plein, la broche 6 “Rec Start” permet de commander le départ et la fin de l’enregistrement, etc.
L’appareil est doté d’un menu OSD (“one screen display” ou affichage à l’écran) par lequel on peut habiliter d’autres fonctions particulières. Pour entrer dans ce menu, une touche est prévue en face avant. A l’intérieur du menu, la navigation est simple et intuitive et elle se fait par les touches de la face avant. Les paramètres que l’on peut afficher vont de la qualité de l’enregistrement au mot de passe de sécurité donnant accès au menu au(x) seul(s) usager(s) autorisé(s), etc. Par exemple, à l’intérieur du menu, on peut programmer le DVR pour exécuter un enregistrement manuel (en pressant la touche REC en face avant), ou bien activer l’enregistrement quand une alarme est déclenchée, ou encore spécifier des intervalles temporels pendant lesquels il faut enregistrer, etc.
Il est une fonction du DVR que nous trouvons particulièrement intéressante et qui pourrait vous être très utile : il produit une liste de tous les enregistrements temporels effectués. La liste des événements peut être visualisée par ordre chronologique. Il est possible de considérer seulement les enregistrements dus aux signaux d’alarme ou encore d’y faire une recherche chronologique : cette fonction rend plus facile et plus rapide le passage d’une séquence d’enregistrement à l’autre. Même le positionnement sur un instant précis, ou un événement, devient beaucoup moins laborieux qu’avec un système analogique : c’est dans cette situation, nous semble-t-il, que les avantages du DVR sur le “time lapse” analogique sont le plus éclatants. En effet, il n’est plus nécessaire de faire un balayage séquentiel des données enregistrées, mais on peut accéder directement à l’information recherchée.

Figure 1 : Liaison à la caméra.

Exemple typique d’utilisation du DVR : une caméra vidéo est connectée à l’entrée Vidéo In, la sortie Vidéo Out est reliée au moniteur principal. On a en outre prévu la possibilité d’insérer un capteur d’alarme qui, connecté à la broche 14 du port externe, active l’enregistrement. Ce même port (broches 1, 2 et 9) est utilisé pour contrôler le DVR via sérielle, avec un PC.

Figure 2 : Interface du DVR (face avant).

Figure 3 : Liaison à un multiplexeur.


Le DVR peut être relié aussi à un multiplexeur ou “quad”, de manière à enregistrer plusieurs signaux vidéo en même temps. Les caméras vidéo sont reliées au multiplexeur élaborant les divers signaux vidéo. La sortie du multiplexeur est reliée au DVR enregistrant les séquences. Le tout peut être commandé par un logiciel tournant sur l’ordinateur de contrôle.

Figure 4 : Le panneau arrière.

Figure 5 : Format de communication.

Le DVR peut être relié à un PC, par lequel il est possible d’envoyer des commandes de contrôle. Ainsi, grâce à l’ordinateur, on peut simuler le fonctionnement des touches de la face avant. Les commandes sont envoyées au moyen de caractères ASCII, le tableau ci-dessous les donne en détails. Le dispositif supporte la connexion RS232 et la RS485 et la vitesse standard (1 200 ou 2 400…ou 115 200 bits/s). La possibilité d’utiliser la liaison sérielle pour commander plusieurs DVR (chaque appareil étant distingué par un ID) est prévue.

Figure 6 : Brochage du port extérieur du DVR.

Le schéma montre le brochage de l’”External Port” du DVR et comment réaliser la liaison entre l’appareil et un port COM à 9 broches, typique des ordinateurs.
Il montre aussi la signification des 15 broches de l’interface du DVR. Par exemple, la broche “Vidéo Loss” est utilisée pour signaler que le signal vidéo a été perdu (normalement elle est au niveau logique haut, mais elle passe au niveau logique bas en cas de perte). La broche “Switch Out” peut être reliée au multiplexeur afin d’obtenir la synchronisation des signaux. La broche “Error Out” signale qu’une erreur dans la gestion du disque dur s’est produite. Si “Alarm Input” est connectée à la masse, le DVR commence l’enregistrement.

Figure 7 : La compression “Wavelet”.
On l’a dit dans le texte de l’article, le DVR utilise la technique de compression vidéo “Wavelet”. Faisons un petit pas en arrière pour analyser le format JPEG. Les deux techniques sont de type “lossy”, avec pertes.
La compression est en effet obtenue en éliminant certaines informations dont la perte ne soit pas trop préjudiciable à la qualité de l’image.
Le passage clé est l’application de la “Discrete Cosine Transform” en format 2D, transformant le signal visuel de coordonnées spatiales en coordonnées fréquences. Initialement, l’image est subdivisée en matrices de 8 x 8 pixels, transformées en blocs 8 x 8 de coefficients de fréquence spatiale. Dans ce bloc les coefficients en haut à gauche représentent les basses fréquences, alors que ceux se trouvant plus en bas à droite représentent les hautes fréquences, c’est-à-dire les détails de l’image. Pour éliminer les détails, on multiplie par de faibles valeurs numériques (voisines de 0) les hautes fréquences, alors que les basses fréquences sont multipliées par des valeurs proches de l’unité. JPEG a un codage symétrique : la décompression est donc obtenue en effectuant les opérations inverses.
La compression “Wavelet” se différencie de la JPEG par le fait que l’image n’est plus subdivisée en blocs de 8 x 8, mais l’élaboration s’applique à toute l’image. Ainsi on peut éliminer un des principaux problèmes de JPEG : avec cette méthode en effet, si on augmente trop la compression, on obtient un “parquetage” de l’image, c’est-à-dire l’apparition d’aplats de même couleur.
Avec la “Wavelet” on n’a plus tous ces blocs de 8 x 8 contenant les fréquences spatiales, mais un bloc unique contenant les composantes à haute et basse fréquences, en direction horizontale comme en direction verticale. Dans ce cas aussi sont éliminées les composantes à haute fréquence, c’est-à-dire les détails pouvant être perdus sans une réduction visible de la qualité.

Conclusion
Concluons la présentation de l’appareil par quelques considérations venues au cours des essais. L’utilisation du DVR est aussi simple et intuitif que les habituels “time lapse” analogiques.
Par contre, la qualité de l’image du DVR est nettement meilleure. De plus le DVR est beaucoup plus rapide et précis pour se positionner sur l’élément recherché. Enfin la fiabilité de la mémorisation des disques durs modernes est sans commune mesure avec celle des vidéocassettes : en effet, un disque dur peut être récrit un nombre incalculable de fois sans perdre la qualité nominale de l’information mémorisée.
Les vidéocassettes en revanche subissent, à chaque récriture, une certaine usure avec perte de qualité inhérente.
Le seul point qui pourrait jouer en faveur du “time lapse “analogique est son coût : mais le DVR est à peine plus cher. La différence de prix entre les deux technologies sera cependant abolie à terme, voire même inversée, car il nous semble que la supériorité du DVR en terme de qualité l’imposera bientôt comme nouveau standard, tout au moins en matière de sécurité.

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