Phần mềm tinh toán băng thông cho hệ thống camera IP

• Đo lường băng thông
• Bits và Bytes
• Kilo, Mega và Giga
• Bit rates (tốc độ bit)
• Khái niệm nén (Compression)
• Băng thông trên mỗi camera
• Tốc độ bit cố định và thay đổi (CBR và VBR)
• Các yếu tố chiếm dụng băng thông của camera
• Các ví dụ thực tế về băng thông camera
• LAN vs WAN

DOWLOAND PHẦN MỀM TÍNH TOÁN BĂNG THÔNG CHO HỆ THỐNG CAMERA IP

• Đo lường băng thông

Băng thông thường được tính bằng bit (ví dụ 100Kb/s, 1Mb/s, 1000Mb/s…..). Bit là đơn vị cơ bản nhất của băng thông và lưu trữ.
Bạn có thể kiểm tra băng thông ngay trên máy tính cá nhân. Trên máy tính, điều này được thực hiện bằng cách truy cập Task Manager (trình quản lý công việc) như hình sau đây:

Trên máy tính của bạn, băng thông được hiển thị bằng  hai thông số là Send (gửi) và Receive (nhận) (ví dụ, khi bạn xem một video từ Youtube, đồng nghĩa với việc bạn đang “nhận băng thông”, ngược lại khi bạn gửi một email đồng nghĩa với việc “gửi băng thông” ).

• Bits và Bytes

Băng thông thường được tính bằng bit, tuy nhiên trong một số trường hợp nó còn được đo lường bằng đơn vị Byte, điều này sẽ dễ gây nhầm lẫn. 8 bit sẽ bằng 1 Byte, do vậy một số người thích dùng khái niệm bit, một số người lại thích dùng Byte, tuy nhiên 400bit sẽ chẳng khác gì 50Byte về mặt giá trị.
Bit và Byte đều sử dụng một chữ cái để thể hiện việc viết tắt, sự khác biệt duy nhất đó là bit sử dụng chữ cái “b” viết thường, còn Byte sử dụng chữ cái “B” viết hoa. Bạn có thể dùng điều này thay cho việc phải nhớ rằng đơn vị Byte có giá trị lớn hơn so với bit. Nhiều người hay vướng phải nhầm lẫn này bởi họ thường không chịu đọc kĩ. Ví dụ, 100Kb/s và 100KB/s (100KB/s có giá trị lớn gấp 8 lần 100Kb/s).
Chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng đơn vị bit khi mô tả băng thông của hình ảnh giám sát, tuy nhiên đối với những trường hợp từ phía máy chủ hoặc khả năng lưu trữ, nên sử dụng đơn vị Byte.

• Kilo, Mega và Giga

Phải mất rất nhiều bit (hoặc Byte) để truyền dữ liệu hình ảnh. Trong thực tế, bạn sẽ không bao giờ có một luồng hình ảnh chỉ với giá trị 500b/s hoặc thậm trí 500B/s. Hình ảnh thường cần ít nhất hàng ngàn hoặc hàng triệu bit. Một luồng hình ảnh tổng hợp thường tiêu tốn đến hàng tỷ bit.
Các biểu hiện/tiền tố thường gặp để thể hiện lượng băng thông lớn:

• Kilobits, là hàng ngàn, ví dụ 500Kb/s = 500,000b/s. Luồng có giá trị trong khoảng kilobit sẽ là một luồng hình ảnh độ phân giải thấp, hoặc tỉ lệ khung hình trên giây không cao (cũng có thể là cả 2 yếu tố trên).
• Megabits, đơn vị hàng triệu, ví dụ 5Mb/s = 5,000,000b/s. Các luồng hình ảnh HD/MP thường yêu cầu băng thông lớn trong khoảng này (ví dụ 2Mb/s, 4Mb/s hoặc 8Mb/s là bình thường). Các luồng trên 10Mb/s ít phổ biến hơn.
• Tuy nhiên, với 100 camera xem trực tiếp đồng thời thường sẽ phải yêu cầu băng thông lên tới 200Mb/s hoặc thậm trí 400Mb/s….
• Gigabits là đơn vị hàng tỷ, ví dụ như 5Gb/s = 5,000,000,000b/s. Rất hiếm khi cần tới 1 gigabit băng thông cho video giám sát trừ khi người ta có một hệ thống giám sát quy mô quá lớn.
• Tốc độ bit (Bit Rates)

Khái niệm bit rate cũng giống như tốc độ của phương tiện đi lại, đều chỉ một tỷ lệ theo thời gian. Do đó về mặt hình tượng, khi nói bạn đang chạy xe với vận tốc 96km/h cũng giống như băng thông của camera là 600Kb/s (600kilobit được truyền đi trong 1 giây đồng hồ).
Bit rate luôn được thể hiện dưới dạng dữ liệu (bit hoặc byte) trong một giây. Mỗi phút hoặc mỗi giờ sẽ không được áp dụng, điều này là do các thiết bị mạng được đánh giá là những thiết bị có khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng chỉ trong mỗi giây đồng hồ.

• Khái niệm nén (Compression)

Về cơ bản, tất cả các hình ảnh giám sát được truyền tải qua một mạng IP đều được nén lại. Camera giám sát có thể xuất hình ảnh nguyên dạng không bị nén (ví dụ như analog) tuy nhiên nó sẽ bị nén lại trước khi truyền tải qua mạng. Về mặt lý thuyết, chúng ta có thể truyền tải một hình ảnh giám sát không bị nén qua mạng, tuy nhiên nó yêu cầu một tỉ lệ bit rate rất lớn (ngay cả với mỗi luồng đơn yêu cầu phải có trên 1000 Mb/s) điều này khiến nó trở nên không thực tế.

• Băng thông trên mỗi camera

Băng thông thường được tính trên mỗi camera và số lượng băng thông cần cho mỗi camera có thể thay đổi đáng kể.
Người ta có thể tổng hợp nhu cầu băng thông trên mỗi camera để xác định tổng dung lượng băng thông yêu cầu cho cả hệ thống. Ví dụ, nếu bạn có 10 camera, trong số đó có 3 camera sử dụng 4Mb/s, 4  camera sử dụng 2Mb/s và 3 camera sử dụng 1Mb/s, tổng tải yêu cầu bạn phải cung cấp cho hệ thống này là 23Mb/s, thể hiện qua bảng dưới đây:

• Tốc độ bit cố định và thay đổi (CBR vs VBR)

Số lượng băng thông một camera cần tại bất kỳ thời gian nhất định để duy trì một mức độ chất lượng hình ảnh cụ thể sẽ thay đổi theo từng thời điểm. Ví dụ, một camera cần băng thông 1 Mb/s để quan sát một hành lang văn phòng vào một buổi chiều chủ nhật nhưng có thể phải cần tới 4Mb/s để quan sát vào sáng thứ 2 (để cung cấp chất lượng hình ảnh không đổi).

Có hai cách để ứng phó với điều này: Tốc độ bit cố định (CBR), tỷ lệ bitrate được giữ nguyên ngay cả khi khung cảnh quan sát thay đổi, và tốc độ bit thay đổi (VBR), tỷ lệ bitrate thay đổi khi khung cảnh quan sát thay đổi.
Hiểu về bitrate một camera sử dụng là điều rất quan trọng, bởi nó tác động đáng kể tới băng thông truyền tải.
Theo thống kê, hiện nay hầu hết các mạng giám sát đều sử dụng bitrate thay đổi. Tuy nhiên, đối với một số tổ chức, họ thường thích sử dụng bitrate cố định bởi họ có thể dễ dàng lên kế hoạch kiểm soát băng thông (điều này nghĩa là “OK tôi biết nếu tôi phân bổ 3Mb/s cho mỗi camera, sử dụng CBR, tôi sẽ không bao giờ phải lo lắng về các camera giám sát này khi nó sử dụng quá số bit đã phân bổ và không làm ảnh hưởng tới tổng dung lượng băng thông).

• Các yếu tố tiêu thụ băng thông của camera

Không có tiêu chuẩn hoặc điển hình nào về tiêu thụ băng thông của camera. Lấy một ví dụ về phương tiện xe cộ, trên một tuyến đường cao tốc, bạn có thể ước tính một cách hợp lý rằng hầu như tất cả mọi phương tiền có vận tốc trong khoảng 60kmh ~ 100kmh.
Đối với hình ảnh giám sát, một số loại chỉ chiếm dụng băng thông rất ít khoảng 50Kb/s (.05Mb/s) trong khi đó một số loại khác lại yêu cầu nhiều hơn gấp 300 lần (15000Kb/s) 15Mb/s.

Dưới đây là một vài thông số phổ biến của camera khi tiêu thụ băng thông:

• Độ phân giải: độ phân giải càng cao yêu cầu băng thông càng lớn.
• Frame rate: tốc độ khung hình càng cao yêu cầu băng thông càng lớn.
• Độ phức tạp của khung cảnh: Vùng quan sát có nhiều hoạt động đặc biệt (nhiều xe cộ hoặc con người qua lại) sẽ cần lượng băng thông lớn hơn.
• Ban đêm: không phải luôn luôn, nhưng thường thì do độ muỗi khi quan sát ban đêm sẽ làm tăng lượng băng thông tiêu thụ.
• Loại sản phẩm: Một số sản phẩm phụ thuộc vào bộ cảm biến hình ảnh.

9. Các ví dụ thực tế về camera tiêu thụ băng thông

Dưới đây là một số các ví dụ được trích từ bài test của IPVM về băng thông của camera:

• Chuẩn Cif 5FPS quan sát trong văn phòng: 50 KB/s
• Chuẩn 720P 10FPS quan sát trong phòng hội nghị: 0.5 Mb/s
• Chuẩn 720P 30FPS quan sát tại giao lộ: 4 Mb/s
• Chuẩn 1080P 10FPS trong phòng hội nghị: 2 Mb/s
• Chuẩn 1080P 30FPS với hồng ngoại bật, quan sát tại giao lộ: 8 Mb/s
• Camera 5MP 15FPs công nghệ panoramic quan sát tại văn phòng: 4.5 Mb/s
• Chuẩn 4K 30FPS tại giao lộ: 7 Mb/s

 
Băng thông và việc bố trí đầu ghi
Hình ảnh giám sát tiêu thụ băng thông mạng có hai tình huống điển hình sau:

• Camera / mã hóa và giải mã: Thông thường, hình ảnh được tạo ra trong thiết bị khác với nơi chúng được ghi lại (ví dụ: một camera tạo ra các hình ảnh, nhưng một đầu ghi hình mới là thiết bị ghi lại chúng). Video cần được truyền tải thông qua giữa hai loại thiết bị này, nếu nó sử dụng mạng IP (ví dụ, từ camera IP tới NVR hoặc VMS), khi đó băng thông là thứ cần thiết.
• Từ bộ giải mã đến máy trạm: Theo thống kê, con người theo dõi quan sát các hình ảnh trực tiếp có tỉ lệ rất thấp, thường thì họ sẽ sử dụng một thiết bị khác tại vị trí nào đó trong mạng IP với đầu ghi hình. Ví dụ, đầu ghi hình có thể đặt trong tủ rack tại trung tâm, nhưng người xem (ví dụ như khách hàng) có thể quan sát bằng laptop hoặc smartphone tại một vị trí nào đó.

Bởi những tính chất như vậy, băng thông cần thiết trong hệ thống giám sát được quyết định bởi loại camera, vị trí tương đối của camera và đầu ghi hình.

Đối với trường hợp camera không phải IP (NTSC / PAL analog, Analog HD, HD SDI….) thường không tiêu thụ băng thông mạng, trừ khi hình ảnh đang được truyền tới khách hàng (thông qua đầu ghi hình).
Đối với camera IP, vị trí vật lý tương đối của đầu ghi hình đối với camera có tác động đáng kể tới băng thông. Ví dụ, hãy tưởng tượng một hệ thống quy mô lớn với 1000 camera trên 10 tòa nhà, mỗi tòa 100 camera. Nếu mỗi tòa nhà có một đầu ghi hình, các yêu cầu về băng thông sẽ thấp hơn khoảng 90% so với khi chỉ có một đầu ghi hình duy nhất (tức là, mỗi tòa nhà sẽ có thiết bị ghi hình riêng của mình có thể chỉ cần khoảng 200Mb/s băng thông so với khoảng 2Gb/s nếu chỉ sử dụng 1 thiết bị ghi hình duy nhất). Mỗi phương pháp đều có ưu và khuyết điểm, tuy nhiên hiểu rõ về hệ thống của mình sẽ có ảnh hưởng rất lớn.

• LAN và WAN

Mạng cục bộ (LAN) và mạng diện rộng (WAN) là hai từ viết tắt phổ biến trong hệ thống mạng. LAN, như tên của nó, đề cập đến các mạng địa phương (hoặc mạng nội bộ) đặt trong một tòa nhà hoặc một đơn vị nào đó…. Ngược lại, WAN là mạng lưới kết nối rộng rãi trên khắp các thành phố, tiểu bang, thậm trí quốc tế……
Do vậy có thể nói rằng, so với WAN, trong mạng LAN thì băng thông sẽ rẻ và dễ dàng hơn.

Năng lực băng thông mạng lưới
Trong mạng LAN, có ba yếu tố phổ biến của băng thông là:

• 100Mb/s
• 1,000Mb/s (1 Gig)
• 10,000Mb/s (10 Gig)

Băng thông 100Mb/s và 1000Mb/s là khá bình thường đối với các hệ thống mạng hiện đại.
Có băng thông thấp hơn 100Mb/s là một hệ thống đã lạc hậu. Chúng có thể tồn tại nhiều năm trước đây, tuy nhiên ngày nay đã không còn hệ thống mạng nào có băng thông thấp như vậy.
WAN có thể cung cấp băng thông tương tự hoặc có thể nhiều hơn so với LAN tuy nhiên chi phí cao hơn khá đáng kể(gấp 10 hoặc 100 lần..) vì loại mạng này cần phải chạy rất xa và phải qua nhiều biến thể. Tuy rằng có thể đảm bảo cho một kết nối WAN 1Gig, nhưng khả năng người ta làm điều này cho hệ thống giám sát là thấp bởi những chi phí lớn thường phải chịu.

Băng thông đối xứng và bất đối xứng
Nhiều hệ thống mạng WAN sử dụng băng thông bất đối xứng, đây là một vấn đề đối với việc giám sát từ xa hay ghi hình.
Băng thông đối xứng nghĩa là nó có thể cùng “up” và “down”, nghĩa là một liên kết có thể gửi đi cùng một lượng băng thông so với lượng nó có thể nhận được (ví dụ cùng có thể up 100Mb/s và down 100Mb/s).
Băng thông bất đối xứng nghĩa là không thể “up” và “down” giống nhau. Cụ thể, băng thông up thường thấp hơn nhiều so với down. Loại này khá phổ biến khi sử dụng cho hộ gia đình hoặc văn phòng. Băng thông download nằm trong khoảng 10 – 25 Mb/s, nhưng băng thông upload chỉ khoảng 500 Kb/s hoặc 2 Mb/s. Ví dụ, một ai đó ở nhà và muốn tải xuống một bộ phim HD, việc này sẽ không thành vấn đề, tuy nhiên nếu người này muốn tải lên một bộ phim HD…, đó sẽ là cả một vấn đề lớn

Băng thông bất đối xứng phổ biến nhất là mạng WAN:

• Cable Modem
• DSL
• Satellite

Các trường hợp ngoại lệ chính khiến băng thông bất đối xứng:

• Mạng viễn thông/ điện thoại (ví dụ T1s, T3s), tuy nhiên chúng khá là tốn kém và có bit rate tương đối thấp
• Mạng Fiber cho nhà riêng hoặc doanh nghiệp ít tốn kém hơn so với các mạng điện thoại và có thể cung cấp kết nối lên tới 100Mb/s. Tuy nhiên vẫn có hạn chế khi sử dụng loại mạng này, qua sự tăng trưởng trong thập kỉ qua, chúng có xu hướng chỉ tập trung vào những đô thị đông dân cư.

Quy mô hạ tầng mạng cho hệ thống giám sát
Để thiết kế hạ tầng mạng cho hệ thống giám sát, bạn sẽ cần phải biết những thông tin dưới đây:

• Lượng băng thông tiêu thụ mỗi camera, nhận ra được những sự khác biệt lớn có thể tồn tại.
• Đầu ghi hình được đặt xa hay gần so với camera.
• Lượng băng thông có đủ để truyền tải hệ thống hiện hành và cả hệ thống mở rộng sau này hay không.