El cálculo del ancho de banda (BW, por sus siglas en inglés: Band Width) de un canal de comunicaciones para transmitir video, se hace con simples cálculos matemáticos, que aquí aprenderemos fácilmente.
Por Germán Alexis Cortés H.
Debemos basarnos en información que nos suministran los fabricantes y en aspectos que se deben definir de acuerdo a nuestra experiencia y las necesidades del usuario final. Pero aquí hay un valor agregado, resulta que el BW está estrechamente relacionado con la capacidad del disco duro (HD, por sus siglas en inglés: Hard Drive, o DD en español), en donde se almacena la información de video.
Por lo tanto gran parte de los datos que requerimos para determinar el BW, son necesarios para saber la capacidad del DD. Entonces estimado lector, le comento que leyendo este artículo, podrá tener las bases claras para conocer cómo se calcula de manera profesional el DD de su sistema de videovigilancia, tema que trataremos en otra ocasión.
Comencemos con algunos conceptos muy, muy básicos pero claves para que hablemos el mismo idioma:
* El ancho de banda se mide en bps (bits por segundo) – Unidad de velocidad digital.La capacidad de Disco Duro se mide en Bytes – Unidad de almacenamiento digital.
* Recordemos que un bit es igual a la octava parte de un Byte. Desde el otro punto de vista, un Byte es igual a 8 bits. (Por favor, note que bit se escribe con b minúscula y que Byte se escribe con B mayúscula, pata diferenciar las dos unidades).
* Las notaciones de K (Kilo), M (Mega), G (Giga), T (Tera), P (Peta), Z (Zeta)… se usan para determinar miles, millones, miles de millones y así sucesivamente, por lo tanto KB, expresará Kilo Bytes, o miles de Bytes; mientras que Gbps querrá decir miles de millones de bits por segundo.
* Debemos tener en cuenta que como son notaciones binarias, un K son 1024 y no 1000 como en el sistema decimal. Igual un M son 1024 K; o T son 1024 G. Esto es útil para pasar de una unidad a otra.
Ancho de banda
El ancho de banda representa la velocidad de un canal de transmisión, sin embargo es realmente la cantidad de información que se puede transmitir en un segundo de tiempo por ese medio de comunicación. Esto depende de la capacidad de manejar los bits (unos y ceros) de manera muy eficiente y de la velocidad de los circuitos electrónicos para administrar esta información de una manera organizada y segura.
Mucha gente cree que un canal de 2MHertz (medida de frecuencia en el espectro electromagnético) tiene un ancho de banda de 2Mbps, pero eso no es necesariamente cierto. Insisto, depende de los circuitos electrónicos y de la pericia del hardware, firmware y software, para administrar mejor la información.
Hoy en día, casi siempre los algoritmos de transmisión por un lado y los caracteres de control del protocolo a usar, restan y suman bits y entonces no es directa la proporción entre la frecuencia de la onda portadora o del reloj básico y el ancho de banda.
Aquí podemos definir dos tipos de velocidades de los canales de transmisión de datos: La Nominal, que siempre es mayor que la Efectiva. Esta última es la que realmente nos interesa, porque determina la cantidad REAL de datos que el canal está transmitiendo, mientras que la primera determina la máxima velocidad pero mantiene asociados caracteres de control que no aportan nada real para el mensaje, obviamente son necesarios para dar seguridad y confiabilidad al canal.
Adicionalmente puede manejar colisiones, fallas, errores y pérdidas que a la postre reducen sustancialmente la velocidad “Efectiva” del canal de comunicación.
No hay una fórmula para determinar la velocidad efectiva de la nominal, sin embargo para nuestro caso (transmisión de video) podemos asumir que la velocidad efectiva es solo un 40% de la velocidad nominal en la gran mayoría de casos en redes de datos tipo LAN/WAN.
Veamos un ejemplo: Cuando alguien nos dice que la red local (LAN) de nuestra oficina es 100BaseT, nos están diciendo que está basada en par trenzado o cable UTP y que la velocidad nominal de la red es de 100Mbps. Entonces por allí no podemos esperar que realmente viajen más de 100 x 40% = 40 Mbps.
Si por ejemplo hemos determinado (luego lo veremos) que una cámara requiere 2 Mbps, pues entones no podremos colocar en esa red más de: 40Mbps / 2 Mbps = 20 cámaras. Así de sencillo.
De igual manera si la velocidad de mi enlace a internet es de 6Mbps nominal, entonces efectivo tengo 6 x 40% = 2,4 Mbps, por lo tanto ese enlace me alcanza para una sola de las cámaras anteriores.
Debo diseñar y trabajar, de esta manera (escenarios y situaciones más críticas), para garantizar que siempre voy a poder transmitir por el medio de comunicación mencionado, esa señal de video y que nunca va a sufrir retrasos, bajas de calidad o disminución en la velocidad (cuadros por segundo).
Parámetros necesarios
Revisemos la siguiente fórmula del ancho de banda, expresado en bps: BW = Velocidad x Tamaño de cada imagen en promedio x % de actividad x 8
Explicaremos cada variable, para ellos se requieren definir varios aspectos en una cámara de video digital:
Velocidad de las imágenes:
Cantidad de cuadros, se expresa en frames por segundo (FPS). Que son el número de cuadros que deseo transmitir para ver en el sitio remoto. El estándar americano NTSC definió este valor en 30 FPS, sin embargo el ojo humano puede fácilmente ver a velocidades de 24 FPS sin presentar molestias. Entre menos FPS transmita, menor información envía, menor resolución dinámica obtiene y finalmente corre el riesgo de no ver el instante preciso que se necesita.
Nota especial: En este punto, considero mi deber, recordar que aunque parezca muy divertido y nunca se le preste la atención necesaria, existe la Ley de Murphy… y que en seguridad electrónica el capitulo es muy, muy largo… . Por lo tanto simplemente NO de la oportunidad de que las cosas salgan mal, o como dicen mis compatriotas colombianos, “no de papaya”. (Aclaro que esto no es grosería ni palabra soez, simplemente es el nombre de una fruta. Es un vocablo muy usado en la tierra del mejor café del mundo, que algunos consideran el mandamiento número once para vivir bien). Entonces por favor: No se arriesgue a perder la imagen perfecta del ilícito o del siniestro, simplemente porque redujo la velocidad de transmisión… para ahorrarse algo de dinero.
Tamaño de cada imagen en promedio:
Se expresa en Bytes. Depende del fabricante del dispositivo que envía las señales por la red, (Puede ser un DVR, o un NVR, o un encoder, o un video server o una cámara de red o IP, entre otros dispositivos).
Depende del algoritmo de compresión que se esté usando, también depende de la resolución estática de la imagen de video que deseemos enviar y depende de la escena que se esté observando.
Como puede darse cuenta, el tamaño de cada imagen depende de muchas cosas que varían constantemente, por lo tanto siempre hablamos de un tamaño promedio… para determinadas circunstancias. No quiero hacer un tratado en este punto para explicar resolución estática y dinámica, algoritmos de compresión, teoría del color, sub muestreo y demás… Asumo que son conceptos que hacen parte de otras ediciones en Canal de Seguridad y que usted, investigativo lector, sabrá encontrar.
Entonces es el fabricante quien nos debe orientar sobre el tamaño promedio en Bytes de un cuadro tradicional. Muchas veces encontramos cuadros donde nos indican parámetros de resolución y calidad versus algoritmos usados. En otras ocasiones los fabricantes tienen calculadoras en sus sitios web, que permiten averiguar con mucha exactitud estos datos dependiendo de los parámetros.
Resolución:
Obviamente entre mayor resolución estática tenga la imagen a transmitir, mayor tamaño promedio tendrá cada cuadro, sin importar el algoritmo de compresión. Al respecto vale la pena recordar que se debe transmitir y almacenar en la mejor resolución estática posible, preferiblemente como mínimo la resolución nativa que la cámara pueda ofrecer.
Por ejemplo si es una cámara de 520 TVL, con salida IP que nos ofrece sin recortar o reajustar el tamaño de la imagen una resolución digital D1, de 720x480 pixels, es precisamente a esa resolución como debemos almacenarla y enviarla para sacar su mejor provecho.
En el mundo análogo es normal ver que las cámaras pueden dar una resolución digital nativa bastante elevada y sin embargo las reducen a un formato VGA (4 CIF) que es 640x480 o similar, perdiendo negligentemente valiosa información que mejora la nitidez de la señal.
Algoritmos de Compresión:
Debemos entender que los fabricantes en estos momentos están compitiendo por los mejores algoritmos y formatos de compresión. En este momento pudiéramos mencionar 4 de tipo genérico: JPEG, de buena calidad, pero con poco nivel de compresión. MPEG-2 de excelente calidad pero muy bajo nivel de compresión.
MPEG4 Layer 2, de buena calidad y buen nivel de compresión, es el mas utilizado a nivel mundial. Y finalmente el MPEG4 Layer 10, mejor conocido como H.264, de buena calidad y excelente nivel de compresión. Sin embargo existen muchos otros de carácter privado (propietario) que sacan el mejor provecho de las diversas tendencias e investigaciones. Finalmente no interesa cual formato se use, lo importante es comprimir a su máxima expresión un video, sin sacrificar mucho la calidad que el ojo humano puede apreciar.
Tipo de escena:
En este caso, el tamaño promedio de cada cuadro cambia constantemente dependiendo de cuan compleja, brillante o colorida sea la escena que forma la imagen digital. Entre más colorido exista, mas incrementa el tamaño, entre más oscura sea la escena, mas aumenta, entre más bordes y cambios de color existan, mas grande será el tamaño promedio.
Si vemos un solo cuadro, notaremos que los cambios de tamaño son pequeños (5-10%) sin embargo cuando sumamos estos cambios a nivel de objetos y layers en los algoritmos de las familias Wavelet, MPEGx y H26x, nos daremos cuenta que los resultados son muy distintos. En este caso el factor de tolerancia o de margen de error promedio que nos da cada fabricante es donde toma importancia.
* Germán Alexis Cortés H. es Ingeniero Electrónico colombiano, con postgrado en Sistemas Gerenciales de Ingeniería. Consultor del National Institute of Standards and Technology – NIST, en Seguridad electrónica y automatización de edificios. CCP de ASIS, y CISSP de ISC2. Tiene más de 20 años de experiencia en la industria de seguridad electrónica. Reconocido conferencista y docente universitario en temas de alta tecnología a nivel latino. Ha sido directivo de varias empresas del sector y actualmente es socio y dirige Insetrón Ltda, compañía de ingeniería y consultoría técnica en proyectos de redes electrónicas para seguridad, comunicaciones y automatización. Ha participado exitosamente en más de 150 proyectos a nivel latino.
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