Akademik Bilişim 11 - XIII. Akademik Bilişim Konferansı Bildirileri İnternet Tabanlı Güvenlik Kamera Sistemleri Tasarım ve Uygulanması Harran Üniversitesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü,Şanlıurfa nbesli@harran.edu.tr,manacar@harran.edu.tr Özet: Güvenlik sistemlerinin temel unsurlarından olan Kamera sistemleri, kameralar, kayıt üniteleri, monitörler ve bu cihazlar arasındaki iletişimi sağlayan ünite ve bağlantılardan oluşmaktadır. Kameralar optik özelliklerinin yanı sıra görüntü çözünürlüğü, video sinyal şeklinin Analog veya Sayısal olması gibi diğer özelliklere sahiptir. Kayıt depolama için günümüzde sabit disklerden oluşan Sayısal Video Kayıt veya Ağ Video Kayıt cihazları kullanılmaktadır. Bu disklerin boyutları ve band genişliği bağlanabilecek kamera sayısını ve görüntü saklama süresini belirlemektedir. Teknolojik gelişmelerle IP tabanlı kamera ve ağ video kayıt cihazları maliyetleri düşmüş, büyük alanlarda merkezi sistemlerin oluşturulması kolaylaşmış ve uzaktan görüntüye erişim sağlanabildiğinden internet tabanlı güvenlik kamera sistemleri yaygınlaşmıştır. Kamera sistemleri için mümkün olan konfigurasyon çeşitliliği en uygun tasarımın bulunmasında belli adımların takip edilmesini gerektirmektedir. Bu makalede, Harran Üniversitesi Osmanbey Kampüsü Güvenlik Kamera Sistemi uygulaması ve Tasarım adımları sunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Güvenlik kamera sistemleri, IP kameralar, Ağ Video Kayıt Cihazları Design and Implementation of Internet Based Video Surveillance Systems Abstract: Video Surveillance systems as a basic component of Security Systems are composed of cameras, recording units, monitors, network devices and connections among them. Cameras possess optical properties as well as the other features such as image resolution, video signal type (analog or IP-based). As data storage units, Digital Video Recorders or Network Video Recorders consisting of hard disks are used nowadays. Size and bandwidth of hard disks determine the maximum number of cameras to be connected and the duration of the stored video. With the advent of technologies, the costs of IP-based cameras and network video recorders have fallen, implementation of locally centralized systems in a wide area are made easy, and remote access to the security camera systems is made available. These have resulted in wide-spread use of IP based camera systems. Variety of possible configurations for the camera systems in finding the most appropriate design requires certain steps to be followed. In this article, the implementation and the design steps of Video Surveillance system at Osmanbey Campus, Harran University are presented. Keywords: Video Surveillance System, IP camera, Network Video Recorders 1. Giriş Güvenlik, teknolojik gelişmeler sayesinde günümüzde insan gücünün yerine daha çok cihazlarla sağlanmaktadır. Kamera sistemleride güvenliğin en önemli parçasıdır. Güvenliğin 531 sağlanacağı yer bir sistem odasından, bir evden geniş bir araziye yayılmış bir kampüse kadar farklılık gösterebilir. Her birinin gereksinimleri farklı olacaktır. Kamera sistemleri de teknolojik gelişmelere
İnternet Tabanlı Güvenlik Kamera Sistemleri Tasarım ve Uygulanması paralel olarak pek çok çeşitlilik göstermektedir. Temel olarak kameralar, kayıt üniteleri, monitörler ve bu cihazlar arasındaki iletişimi sağlayan üniteler ve bağlantılardan oluşmaktadır. Kameralar optik özelliklerinin yanı sıra kullandıkları teknolojilere görede çeşitlilik göstermektedir. Kayıt depolama üniteleri sistemin kurulacağı bölgenin büyüklüğüne ve de kamera sayısına bağlı olarak merkezi veya dağıtılmış oabilir. Analog tabanlı sistemlerin ve IP tabanlı sayısal sistemlerin kullanıldıkları yerlere ve gereksinimlere göre avantaj ve dezavantajları vardır. Optimum sistem oluşturulmasında Hibrid sistemler kullanılabilir. Bu yüzden tasarımlar belli kriterler göz önünde tutularak yapılmalıdır. Makalemizin ikinci bölümünde kamera güvenlik sistemi bileşenleri detaylı anlatılacaktır. Üçüncü kısımda cihaz seçim kriterleri ve tasarım adımları sunularak Harran Üniversitesi Osmanbey Kampüsü Güvenlik kamera sistemi tanıtılacaktır. Sonuç kısmında önemli noktalar özetlenecektir. değişimlerinden etkilenmemesi için otomatik iris kullanılır. Optik özelliklerinin yanında kameralar analog, sayısal veya IP tabanlı olarak üretilebilir. Analog sinyaller video kasetlerine kayıt edilebilmektedir. Fakat günümüzde kayıt cihazları sayısal sistemler olduğundan analog sinyaller görüntü yakalama cihazları ile sayısala dönüştürülür. Sayısal kameralar ise doğrudan sayısal kayıt cihazlarına bağlanabilir ve de gömülü işlemciler yerleştirilerek akıllı kameralar haline getirilebilir. Şüpheli paket takibi, plaka tanıma gibi özellikler eklenebilir. IP kameralar ise temelde içinde gömülü web sunucu bulunan sayısal kameralardır. Çözünürlük, kameralar için diğer önemli bir özelliktir. CIF-Common Intermediate Format ı kameralarda kullanılan bir çözünürlük formatıdır ve ardışıl video sinyallerinin piksel cinsinden yatay ve dikey çözünürlüğünü tanımlamaktadır. CIF, Şekil 1. de görüldüğü gibi PAL formatında 288 yatay çizgi ve her çizgide 352 piksele sahiptir. Sayısal kameralar için ise çözünürlük doğrudan pixel olarak verilmektedir. 2. Sistem Bileşenleri Kamera Güvenlik Sistemleri en basit şekliyle kamera ve bir kayıt cihazından oluşabileceği gibi bir bilgisayara takılacak görüntü yakalayıcı(video capture) ve ona bağlı kameralarla da oluşturulabilir. Fakat, profosyonel anlamda bir sistem Analog veya IP kameralar ile bunların bağlanacağı Sayısal Video Kayıt veya Ağ Video Kayıt cihazları, bağlantı üniteleri ve gerekli yazılımlardan oluşur. Kameralardan başlayarak diğer cihazlarda tanıtılacaktır. 2.1.Kameralar: Kameralar kullandıkları lenslere göre dar açılı, geniş açılı veya çoklu odaklamalı (multifocal) ayarlanabilir açılı olabilir. Kameranın görmesi gereken alanın büyüklüğüne göre seçim yapılır. Kapı girişleri gibi dar alanlar için dar açılı lens kullanılırken kafeterya gibi geniş alanlar için geniş açılı kullanılabilir. Fakat ayarlanabilme özelliğinden dolayı multifocal lensler tercih edilir. Ayrıca görüntünün ortamdaki ışık 532 Şekil 1. Görüntü format ve çözünürlükleri[1] Kameranın çözünürlüğü kayıt edilen resmin ne kadar detaylı olacağını belirler. Eğer geniş açılı bir kamera ile ortak bir alan izlenecekse yüksek çözünürlüklü kameralar kullanılmalıdır. Resim büyütüldüğünde gerekli detay kayıp olmamalıdır. Fakat, çözünürlüğün artması ile gönderilen veri boyutu büyümektedir. Ayrıca saniyede iletilmesi gereken resim(frame) sayısı da veri trafiğini etkilemektedir. Sayısal sistemde görüntü belli aralıklarla çekilmiş resimlerin birleşme-
sinden elde edilmektedir. Gerçek zamanlı bir görüntü için saniyede 25 resim gerekmektedir. Aktivitenin az olduğu yerlerde kayıt süresini azaltmak için frame sayısı azaltılabilmektedir. Kameralar, ayrıca gündüz veya gece kullanım özelliklerine göre ayrılmaktadır. Gündüz&Gece (Day&Night) kameraları nerdeyse 0 lux e yakın ışıklarda bile verimli görüntü sağlamaktadır. Bu kameralar normal ışıkta renkli görüntü verirken ışığın belli bir seviyesinin altında otomatik olarak siyah-beyaza geçmektedir. Kameranın bulunacağı ortamın ışık durumuna göre kamera seçimi yapılmalıdır. Kameralar yapılarına göre de gruplanabilir: Sabit kameralar, dome kameralar ve ayarlanabilir PTZ(Pan/Tilt/Zoom) dome kameralardır. Sabit kameralar lensleri ayarlandıktan sonra aynı bölgeyi izler. Dome kameralar ise elle kontrol edilerek veya otomatik bir yol izleyerek belli bir bölgeyi izleyebilir. PTZ Dome kameralarda ise yatay ve dikey hareketin yanında yakınlaştırma özelliği de bulunmaktadır. PTZ Dome kameraların devriye tanımlama özelliği ile daha önceden tanımlanmış olan alanı belli bir süre içinde dolaşması ve tekrar etmesi mümkündür. Fakat, burada dikkat edilmesi gereken bu kameraların görüş alanındaki bütün bölgeleri izleyebilmesine rağmen hepsini aynı anda görememesidir. Sürekli izleme gerektiren durumlar için uygun değildir. Kameralar ayrıca iç ve dış ortam kameraları olarak ikiye ayrılır. Dış ortam kameraları çevresel şartlara özellikle yağış ve sıcaklığa dayanıklı muhafazalara ihtiyaç duymaktadır. Kameranın izlediği bölge uygun bir şekilde aydınlatılmalıdır. Bazı durumlarda kızıl ötesi lambalar kullanılmaktadır. Dış ortamda halojen projektör kullanmak daha uygundur. Çünki floresan veya civalı tip aydınlatma armatürleri elektriğin gazların içinden geçerek ışıması yöntemine göre çalıştığından alternatif akımda şebeke frekansı 50Hz olduğundan bu lambalar saniyede 100 kez ışıma yapmamaktadır. Halojen aydınlatma armatürleri akkor Akademik Bilişim 11 - XIII. Akademik Bilişim Konferansı Bildirileri 533 flamanın ısınması ile ışık yayma sistemine göre çalışmaktadır. Caydırıcı olması açısından dış ortam muhafazaları kamera olmadan boş olarak da yerleştirilebilmektedir. 2.2.Kayıt Cihazları: Geçmişte video kayıtları için analog olarak tanımlanan kasetli kayıt sistemleri kullanılmaktaydı fakat günümüzde kameralardan gelen video sinyallerini sayısala dönüştürüp sabit disklere kaydeden sayısal kayıt cihazları kullanılmaktadır. Dijital kayıt cihazları kamera giriş kapasiteleri, kayıt çözünürlükleri, toplam kayıt hızları ve toplam kayıt sürelerine göre değişir. Kullandıkları teknolojilere göre kayıt sistemlerini üç ana grupta inceleyebiliriz: a) Bilgisayar tabanlı kayıt cihazları: Analog video sinyallerini sayısala dönüştüren Görüntü Yakalayıcı(Video Capture Card) kartın bir bilgisayara takılması ve ilgili yazılımın kullanılmasıyla oluşturulur. Yazılım sayesinde izleme ve kayıt işlemleri sağlanır. Az sayıda kamera bulunduran sistemler için uygundur. Bilgisayardaki diğer yazılımlar veya virüs programları sistemin güvenliğini etkilemektedir. Profosyonel amaçla kullanıma uygun değildir. b) Bilgisayar Platformlu Kayıt Cihazları: Bu tür cihazlar video kayıt ve gösterimini en yüksek performansta yapabilecek donanım ve yazılama sahip temelde bir bilgisayardır. Yüksek kapasiteli, hızlı ve veri kaybını engelleyecek RAID sistemli sabit disk(lere), çok sayıda kameradan yeterli çözünürlük ve hızda görüntü yakalayabilecek elektronik devrelere ve birden fazla monitörde görüntü verebilecek ekran kartı sistemi gibi donanımsal özelliklere sahip sadece özel yazılımı çalıştıran ve fabrikasyon üretimi yapılan cihazlardır. Profosyenel amaçla kullanılmaktadır. Bilgisayar sistemlerindeki gelişmeler doğrudan sistem kabiliyetini arttırır. c) Embedded Kayıt Cihazları: Bu tür cihazlar tamamiyle özel tasarım devrelerden oluşur ve
İnternet Tabanlı Güvenlik Kamera Sistemleri Tasarım ve Uygulanması genellikle RTOS (Real Time Operating System) gerçek zamanlı işletim sistemleri kullanır. Gerekli tüm yazılımlar doğrudan BIOS tan çalışır. İstenmeyen programlardan etkilenmez. çözünürlük ihtiyacı, kayıt hızı ve kayıt zamalamalarına bağlı alanla ayrılmalıdır. Yukarıda bahsi geçen kayıt cihazlarının pek çoğunun network üzerinden görüntü izleme amacıyla LAN opsiyonu bulunmaktadır. Ayrıca yüksek band genişliği ile ağa bağlanabilen ve ağ üzerindeki IP kameralardan doğrudan kayıt yapabilen Ağ Video Kayıt cihazları(nvr- Network Video Recorder) bulunmaktadır. Bu tür sistemlerde her IP kamera ağ üzerinde doğrudan izlenebilmektedir. Ağın olduğu noktalara IP kameralar rahatlıkla bağlanabilmektedir. 2.3.Kamera sistemi ve Ağ alt yapısı: Eğer kamera sisteminde analog kameralar kullanılıyorsa her bir kameranın kayıt cihazına veya analogtan sayısala dönüştüren (Encoder) cihazlara doğrudan koaksiyel kablo ile bağlanması gerekmektedir. Koaksiyel kablonun kalitesi doğrudan sinyal kalitesini etkileyecektir. Dönüştürücüler pek çok analog sinyali alıp ağ üzerinden tek bir fiber optik kablo ile gönderebilmektedir. Analog kameralı sistemlerde dönüştürücü kullanılmazsa büyük araziye yayılmış sistemlerde kayıt cihazları farklı yerelerde dağıtık olarak bulunması gerekmektedir. Bu da merkezi bir Güvenlik Kamera İzleme odası oluşturulmasını önleyecektir. IP kameralar kullanıldığında ise bölgenin büyüklüğüne göre koaksiyel kablo yerine Cat6 network kablosu, fiber kablo, switchler ve routerlar kullanarak sistem alt yapısı oluturulur. IP kamea başına gerçek zamanlı bir görüntü için 2Megabitlik bir band genişliği gerekmektedir. Bu yüzden network konfigürasyonunun data iletimini engellemeyecek şekilde yapılması gerekmektedir[2]. IP tabanlı sistemlerde Şekil 2. den de görüleceği üzere Network Kayıt Cihazları bir Veri Merkezi gibi çalışıp doğrudan ağ üzerinden kayıt yapmaktadır. Kayıt cihazlarında her bir kamera için bir alan ayrılır. Burada alan ayrımında bir optimizasyon yapılması gerekir. Kameranın 534 Şekil 2. IP tabanlı kamera sistemi[1] 2.4.Yazılım: Kayıt cihazı bilgisayar tabanlı ise veya Ağ Kayıt Cihazı ise kayıtlara erişmek için ve kameralardan gelen görüntülerin ekrana yönlendirilmesi için özel yazılımlar gerekmektedir. Ayrıca şüpheli takibi, yüz tanıma, hareket algılama ve alarm durumlarını belirleme işlemleri için yazılımlar bulunmaktadır. Sistem performansını arttırmak için uygun programlar seçilmelidir. 3. Tasarım ve Uygulama Bu bölümde Harran Üniversitesi Osmanbey Kampüsü IP Tabanlı Kamera Sistemi oluşturma adımları ve dikkat edilmesi gereken noktalar belirtilecektir. Tasarımda ilk adım uzman güvenlik görevlileri ile beraber kameraların belirlenmesidir. Burada kampüs üzerinde kameraların gerekli olduğu noktalar, her noktada ne tür bir ışıklandırma olduğu, gerekli kamera açısı, kameranın dahili veya harici olması, kameranın aktif olacağı saatler, aktivite yoğunluğuna göre görüntü alma hızları belirlendi. Kamera noktaları belirlenirken güvenlik odası unutulmamalıdır. Bu bil-
Akademik Bilişim 11 - XIII. Akademik Bilişim Konferansı Bildirileri giler elde edildikten sonra kameraların optik özellikleri, gece&gündüz olup olmadığı, muhafazalı olup olmayacağı ve görüntü hızı belirlendi. Toplamda 137 sabit kamera ve 9 PTZ otodome kameralar kullanıldı. IP kameralar Power-over switclere bağlandığıdan ayrıca güç kaynağı gerektirmememektedir. Kesintisiz güç kaynaklarıda switchlerle merkezileştirilmiştir. Kampüs alanı çok geniş olduğundan, ileride genişlemeler planlandığından ve de merkezi bir güvenlik odasında görüntüler izlenilmek istenildiğinden IP tabanlı kamera sistemi seçildi. Kamera sayısının yüksek olmasına bağlı olarak görüntü trafiğinin yoğun olacağından ve hali hazırdaki alt yapıda yaşanan problemlerden dolayı kampüsü kapsayacak çok modlu ve 8 kanallı fiber optik kablo çekildi. Binalardaki ihtiyaçlara göre switch büyüklükleri belirlendi ve merkezdeki ana omurgaya fiber optik ile bağlanıldı. Bu ağ Sanal Özel Ağ (Virtual Private Network-VPN) olarak tanımlanmış ve sadece bir noktada Firewall arkasından internete bağlanmıştır. Kameralarda sanal IP numaraları kullanılmıştır. Firewall üzerinden belirli makinalara NAT tablosu kullanılarak erişim verilmiştir. Böylece sistem güvenliği maksimum seviyede tutulmuştur. Kayıt Cihazı öncelikle her bir kameradan gelecek görüntüyü alma hızına sahip olmalıdır. İlk adımda belirlenen görüntü çözünürlüğü, hızı ve kayıt yapılması gereken sürelere bakarak günlük depolama ihtiyacı bulunur. Yasal süre olan 15 gün ile bu değer çarpılarak gerekli minumum kayıt alanı bulunur. Genişlemeler ve kayıt planlamasındaki değişiklikler düşünülerek en az %20 fazla kayıt kapasitesi seçilmelidir. Kayıt cihazındaki sabit disk arızalarının görüntü kaybına sebep olmaması için RAID 5 sistemi kullanılmıştır. Bu da gerekli fiziksel depo ünitesinin kapasitesini arttırmıştır. Ayrıca kullanılan sabit diskler sistem çalışırkende çıkarılıp-takılabilir olmalıdır[3]. Sistemde iki yazılım bulunmaktadır: Görüntüleme yazılımı istenilen kameraların istenilen monitörlerde gösterilmesini sağlarken Ağ Kayıt Cihazı kontrol programı her bir kameranın kayıt programını ve hızını belirleyebilmekte, gerekli depolama alanını ayırmaktadır. Ayrıca önceki kayıtların incelenmesini ve gerekli kayıtların tarih ve zaman bilgisiyle beraber dosya olarak kayıt edilmesini sağlamaktadır. Sistemle ilgili önemli bir nokta da, bütün kamera ve kayıt cizhazlarının ortak bir Gerçek Zaman Saat sunucusuna bağlı olmasıdır. Her hangi bir enerji kesintisinden sonra doğru zamanı alabilmelidir. 4. Sonuç Öncelikle kamera noktaları ve kamera özellikleri belirlenmelidir. Buradan başlayarak alt yapı gereksinimleri ve Kayıt Cihazının özellikleri hesaplanmalıdır. Konfigürasyonlar minumun değerlere göre değil en az %20 üstünde seçilmelidir. Çünkü kurulumdan sonra başlangıçta görülmeyen başka unsurlar ortaya çıkmaktadır. Sistemin etkin olmasında kullanıcıların eğitimi çok önemlidir. Kamera alt yapısının veri alt yapısndan ayrı tutulması sistem performansını doğrudan etkilemektedir. 5. Kaynaklar [1] Network Design and Implementation for IP Video Surveillance, www.cisco.com [2] John Honovich, Video surveillance solution design guide, www.video-surveillanceguide.com [3] E.Akbal, A.Boyacı, G.Karabatak, M.Ulaş, Büyük Kampüslerde IP Tabanlı Güvenlik Kamera Sistemi Çözümü, Akademik Bilişim 09, Harran Üniversitesi, Şanlıurfa, S:195-198 535