Videoüberwachungs-Industrie
Umweltfreundliche Lösungen
‚Grüne‘, stromsparende Lösungen liegen nicht einfach nur im Trend, sondern sind aus Gründen des Umweltschutzes schlicht unverzichtbar. Die meisten Branchen sind mittlerweile auf diesen Zug aufgesprungen, doch in der Halbleiterindustrie misst man dieser Herausforderung nicht erst seit ein paar Jahren, sondern schon wesentlich länger große Bedeutung bei.
Nach Moore’s Law sind entscheidende Kenndaten der digitalen Technologie exponentiell gestiegen – darunter beispielsweise die Leistungsaufnahme, die Größe, die Kosten, die Dichte, die Verarbeitungsgeschwindigkeit und die Auflösung der Bildsensoren (die Zahl der Pixel). Die digitalen Elektronikprodukte der Halbleiterhersteller warten demzufolge nicht nur mit höherer Qualität und mehr Optionen auf, sondern sind auch schneller und kommen mit weniger Bauelementen aus. Unter dem Strich entstehen hierdurch umweltfreundlichere und kosteneffektivere Video-Endsysteme.
Umweltfreundlichere Video-Endsysteme
Videoüberwachungs-Systeme auf IP-Basis (Internet Protocol) findet man heute praktisch überall. Die neuesten und spektakulärsten Embedded-Prozessortechnologien unterstützen OEMs (Original Equipment Manufacturers) und ODMs (Original Design Manufacturers) beim Design und bei der Produktion energieeffizienter, lückenloser Lösungen aus Kameras und digitalen Videorecordern (DVRs) für den Anschluss an IP-Netzwerke. Die im vergangenen Jahrzehnt auf dem Gebiet der CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) erreichten Verbesserungen geben den Herstellern die Möglichkeit, alle zwei bis drei Jahre Embedded-Prozessoren mit noch kleineren Geometrien zu entwickeln und zu produzieren. Die Schaltungsstrukturen schrumpften von 130nm im Jahr 2000 auf nunmehr 45nm, sodass Embedded-Prozessoren mit niedrigerer Versorgungsspannung und geringerer Leistungsaufnahme produziert werden können. Abgesehen von der geringeren Versorgungsspannung bieten Deep-Submicron-Geometrien die Möglichkeit zur Integration von einigen Hundertmillionen Transistoren auf einem einzigen Chip. In Halbleiterbausteine für Embedded-Processing-Anwendungen lässt sich deshalb immer mehr Intellectual Property integrieren, während die Performance gleichzeitig angehoben wird. Das Resultat sind effizientere und leistungsfähigere Videoprozessoren, die man auch als DVR bzw. IP-Camera-on-a-Chip kennt. Innerhalb der Videoüberwachungs-Wertschöpfungskette haben OEMs und ODMs somit die Gelegenheit zum Design intelligenterer und leistungsfähigerer Komponenten, während Integratoren lückenlose Lösungen im Feld installieren können. Das Resultat sind Lösungen, die die Umwelt immer weniger belasten ohne auf Funktionalitäten zu verzichten oder höhere Systemkosten zu erzeugen. Ein DVR-on-a-Chip etwa kann die Funktionen von mehr als zehn diskreten Bauelementen übernehmen und damit die Leiterplattenfläche und die Leistungsaufnahme von DVR-Applikationen signifikant verringern.
Effiziente und leistungsfähige Videoprozessoren
Eigentlich wären all dies ideale Voraussetzungen für ein hervorragendes energieeffizientes Konzept. Allerdings ergeben sich für die Hersteller bei der Nutzung von Deep-Submicron-Prozessgeometrien Herausforderungen bezüglich der dynamischen und statischen Leistungsaufnahme, wenn eine hohe Geschwindigkeit gefordert wird, die nach niedrigeren Schwellenspannungen verlangt. Eine Reihe hoch entwickelter Embedded-Prozessoren bedient sich inzwischen einer breiten Palette intelligenter, adaptiver Hard und Softwaretechniken, die aus der Mobiltelefonindustrie übernommen wurden. Dynamisch variieren diese die Versorgungsspannung, die Taktfrequenz und die Leistungsaufnahme abhängig von der Aktivität und der Betriebsart des Bausteins. Bei den besonders komplexen Technologien wird selbst die Temperatur mit berücksichtigt. U.a. werden hierbei auch traditionelle Power-Management-Techniken wie etwa Low-Power-Modi und das Clock-Gating genutzt. Innovativste Lösungen werden ins Spiel gebracht, um sowohl die aktive als auch die Leck-Verlustleistung weiter zu senken.
Direkt in Halbleiterbausteinen implementiert
Einige dieser Lösungen werden direkt in den Halbleiterbausteinen implementiert. Zu den wichtigsten Techniken gehört das DVFS-Verfahren (Dynamic Voltage and Frequency Scaling). Dieses ermöglicht flexible Taktungs-Konzepte und Power-Down-Modi sowie die unabhängige Kontrolle der Takte für die verschiedenen Subsysteme des Bausteins, sodass in Phasen geringer Aktivität ein Betrieb mit weniger als 1V möglich ist. Ein weiteres Verfahren ist das Adaptive Voltage Scaling (AVS), das prozess- und temperaturbedingte Änderungen berücksichtigt. Das Dynamic Power Switching (DPS) senkt die Leck-Verlustleistung, indem es entsprechend den aktiven Prozessen den Wechsel in geeignete Stromspar-Betriebsarten veranlasst. Schließlich sind noch das Standby Leakage Management (SLM) und Funktionen zur Sicherung des Speicherinhalts zu erwähnen.
Video-Traffic und die Speicherung optimiert
Da die Mehrzahl der Videoüberwachungs-Anlagen inzwischen auf digitale Technik und IP-Streaming umgestellt ist, leisten die soeben aufgezählten Innovationen einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Leistungsaufnahme – von der Kamera bis zur Infrastruktur. Hinzu kommt, dass Videoprozessoren den Video-Traffic und die Speicherung optimieren, sodass entsprechend geringere Anforderungen an die Infrastruktur gestellt werden. Fortschrittliche Codecs für H.264 und Scalable Video Coding (SVC), die das Datenaufkommen beim Speichern und Übertragen von Videoinformationen im Vergleich zu unkomprimierten Videosignalen oder alten Codecs (MPEG-2, MPEG-4) drastisch verringern, sind deshalb auch wichtige Wegbereiter für umweltfreundlichere Videoüberwachungssysteme. Mithilfe der verfügbaren Rechenleistung heutiger Low-Power-ICs, darunter beispielsweise programmierbare DSPs und ASICs mit fest vorgegebener Funktionalität, können diese Codecs äußerst hohe Kompressionsverhältnisse erzielen. Dazu ein Beispiel: Videos in NTSC-Norm (National Television System Committee) werden typisch mit 720×480 Pixeln, 4:2:2 YCrCb und 30 Frames pro Sekunde digitalisiert, was eine Datenrate von mehr als 165MBit/s ergibt. Zum Speichern eines 90-minütigen Videos werden folglich über 110GB Speicherplatz benötigt. H.264 erzielt ein Kompressionsverhältnis von 60:1 unter Wahrung einer hervorragenden Videoqualität, sodass Bandbreite und Speicher gespart werden und eine umweltfreundlichere Lösung entsteht. Das High-Profil des H.264-Standards wiederum komprimiert Videos viermal stärker als das Standard-Profil des MPEG-4-Standards. Mit SVC (im Jahr 2007 standardisiert als Annex G des Videokompressions-Standards H.264/AVC) können Videoüberwachungs-Applikationen durch zeitliche Skalierbarkeit ergänzt werden. Die Framerate lässt sich dann reduzieren, ohne dass eine Neucodierung erforderlich ist, indem einfach einige Pakete des Bitstreams ausgelassen werden.
Umweltfreundlicheres Management
Die zeitliche Skalierung mit SVC ermöglicht ein umweltfreundlicheres Management der mehrere Terabytes umfassenden Videodaten, da auf ein zusätzliches Transcoding zur Speicheroptimierung nach einem Tag, einer Woche oder einem Monat verzichtet werden kann.
Videoanalyse (VA) auf Edge Devices
Zu den vielversprechendsten Verfahren, den Video-Traffic, den Speicherbedarf und die Effizienz von Videoüberwachungssystemen zu optimieren, gehört die Videoanalyse (VA) auf Edge Devices. Dabei werden die Erfassungs-, Aufzeichnungs- und Speicherfunktionen vollständig in einer einzigen IP-Kamera zusammengefasst. Auf Basis der hochentwickelten, stromsparenden Embedded-Prozessoren, verleiht die eingebaute Videoanalyse der Kamera so ausreichend zielgerichtete Intelligenz, nur wirklich notwendige Videosequenzen aufzuzeichnen, zu streamen und lokal zu speichern. So wird der tägliche Rund-um-die-Uhr-Betrieb entbehrlich.
Ausreichend zielgerichtete Intelligenz
Die betriebssichersten und populärsten Features sind die Erkennung von Manipulationsversuchen an der Kamera, Trip Zone Alarm, Objektzählung und intelligente Bewegungserkennung. Alle können entweder auf programmierbaren Cores wie z.B. DSPs oder FPGAs implementiert werden oder auf speziellen Beschleunigern laufen. Die Halbleiterhersteller haben die Herausforderung, die Betriebskosten für Videoüberwachungssysteme zu senken, sehr ernst genommen. Schließlich stehen die Kosten in direktem Zusammenhang mit den Umweltauswirkungen. Durch die Einführung von hochauflösenden Videoprozessoren und WDR-Bildsensoren (Wide Dynamic Range) haben OEMs und ODMs jetzt die Chance Megapixel-IP-Kameras zu entwickeln und zu produzieren, die mehrere analoge Videoüberwachungssysteme ersetzen und dabei eine höhere Bildqualität bieten. Eine Megapixel-Kamera (1.280×720) kann beispielsweise zwei analoge Kameras mit Standardauflösung (480×720) ersetzen und ein um 33% größeres Sichtfeld bieten (320 horizontale Pixel). Einige kürzlich angekündigte IP-Camera-on-a-Chip-Produkte können Echtzeit-Videos mit vier Megapixeln liefern und stellen damit eine noch energieeffizientere Lösung dar. Nutzt die IP-Kamera zusätzlich die Power-over-Ethernet-Technik (PoE), lassen sich gegenüber analogen Kameras, die jeweils ein Koax und ein Stromversorgungskabel benötigen, sehr viele Leitungen einsparen.
Echtzeitvideos mit vier Megapixeln
Entscheiden sich OEMs und ODMs außerdem für einen programmierbaren und flexiblen Videoprozessor anstelle eines ASIC mit fester Funktionalität, können sie auch Hybrid-Konfigurationen aus analogen Überwachungskameras, Motion JPEG (MJPEG), MPEG-4, H.264 und sogar nicht standardkonforme IP-Kameras unterstützen. Dies ermöglicht die Weiternutzung vorhandenen Equipments und macht einen umweltschädlichen Komplett-Austausch bestehender Infrastruktur überflüssig.
Weiternutzung vorhandenen Equipments
Thema dieses Artikels waren die Umweltauswirkungen einiger Innovationen, die Halbleiterhersteller in den letzten zehn Jahren eingeführt haben, um der Videoüberwachungs-Industrie den Weg zu umweltfreundlicheren Lösungen zu bahnen. Diese Umstellung ist ein langer Weg, der unbedingt weiter verfolgt werden muss.
