Para esta edición el ingeniero Cortés trae la segunda parte de un interesante artículo que busca dar luces acerca del cálculo del ancho de banda (BW, por sus siglas en inglés: Band Width) de un canal de comunicaciones para transmitir video.
Por Germán Alexis Cortés H.
En esta segunda entrega, el ingeniero Cortés inicia ampliando el concepto de Porcentaje de Actividad de la Escena. Este es un factor que muy pocos fabricantes incluyen dentro de sus fórmulas y calculadoras, inicialmente por ser un poco enredado de determinar, pero con vergüenza debo decir que algunos lo omiten, simplemente para hacer incrementar sus ventas a nivel de anchos de banda o de capacidad de disco duro. Veamos la siguiente operación:
Para multiplicar por un % es necesario pasar este número a notación decimal, es decir dividir el número del porcentaje encontrado por cien. De esta manera, un porcentaje de 80%, se convierte en un 0,8 o un 23% en un 0,23. Entonces un 100% es un simple 1.
Si observamos la fórmula mencionada, multiplicar por 1 (100% de actividad) nos da el mismo resultado, pero al multiplicar por un porcentaje de actividad inferior al 100% significa multiplicar por un número menor a uno, lo que automáticamente nos da un resultado inferior de ancho banda, y esto es muy bueno, porque ahorramos ancho de banda, entonces es muy aconsejable tener en cuenta el porcentaje de actividad de la escena.
Actividad de la escena: Es un parámetro expresado en un Porcentaje (%) que determina qué tanto cambian las imágenes de un cuadro (frame) a otro, y que tanto movimiento existe realmente en la escena.
Por ejemplo si tuviéramos una cámara observando una gran autopista, podríamos decir que es muy probable que la actividad sea muy alta (casi el 100%), es decir, siempre hay movimiento en la escena, sin embargo si la cámara ve carriles de vehículos y algunos edificios atrás, podemos decir que no todo se mueve, por ejemplo las casas o edificios en la parte trasera de la escena no se mueven, más bien permanecen fijos o con cambios mínimos, el porcentaje de actividad de la escena es menor, a una cámara que solo esté viendo los carriles de vehículos.
De igual manera no tienen la misma actividad de movimiento la cámara mirando el pasillo de una tranquila oficina de cinco empleados a una cámara observando una caja de pago en un gran supermercado.
Esta actividad afecta dos cosas:
a. La capacidad que tienen los algoritmos de compresión de video (loosy-interframe), como MPEG. Mucha actividad daña las predicciones que internamente se hacen y logra que se usen más bloques tipo I que P o B (esto es teoría de algoritmos de compresión), que definitivamente aumentan el ancho de banda.
b. La cantidad real de imágenes que efectivamente quiero transmitir para ver o almacenar. En este caso me estoy refiriendo a que obviamente si no hay cambios de imagen en la escena realmente no tengo para que transmitir otro cuadro con la misma imagen, puedo ahorrármelo, tanto para visualizar como para grabar.
Entonces lograr saber cuál es el porcentaje de actividad de una escena es un factor primordial a tener en cuenta.
¿Como se determina eso?
Muy fácil, es algo dispendioso pero con la práctica se puede hacer de manera sencilla y profesional, lo primero que le recomiendo es NO se invente el porcentaje. Los humanos somos muy dados a lanzar números al aire, sin tener las premisas necesarias para calcular.
Le recomiendo asistir al sitio donde va a realizar el cálculo en tres momentos diferentes, en horas de alto, medio y bajo tráfico. Esto lo conoce muy bien el usuario final y por lo tanto hay que preguntarle.
Por ejemplo en la recepción de un edificio, hay mucho tráfico entre 7:30 a.m. y 8:30 a.m. cuando llegan a trabajar el 98% de los empleados. Lo mismo ocurre entre las 12:00 m. y las 2:00 p.m. cuando salen y entran de almorzar y por último entre las 5:30 p.m. y las 6:30 p.m. cuando salen hacia sus casas.
En el resto de horas el tráfico es escaso, ocasionado por actividades de correspondencia y visitas de personas esporádicas. Finalmente entre las 8:00 p.m. y las 7:00 a.m. del día siguiente la presencia de humanos o actividad es casi nula, interrumpida únicamente por el vigilante recorredor y el personal de aseo. Como vemos tenemos una actividad muy normal y rutinaria, entonces ¿cuál es el porcentaje de actividad de una cámara ubicada en este sitio?
Para lograr hallar el valor se hace necesario hacerlo por ventanas de tiempo, por ejemplo: alto trafico: 4 horas diarias; trafico medio: 8,5 horas diarias y bajo tráfico: 11,5 horas diarias.
Debo acudir al sitio con un cronómetro y un reloj en la mano para medir en las diferentes ventanas de tiempo determinadas. Esto lejos de gastarnos un día completo, podemos hacerlo en sólo dos horas. Por ejemplo asistiendo a esta oficina a las 7:00 a.m., donde podemos medir la actividad en horas de bajo tráfico, luego medimos en horas de alto tráfico y finalizamos tomando unas medidas en horas de tráfico medio hacia las 9:00 a.m., en total dos horas de investigación.
Inicio por ejemplo a tomar la medida a las 7:10 a.m. y voy a tomar la medición durante tres minutos, es decir hasta las 7:13 a.m. Me ubico en el sitio aproximado donde se va a instalar la cámara dirigiendo mi mirada hacia la escena que aproximadamente el lente calculado para esa cámara me dejaría ver.
Estirar los brazos para formar un ángulo que me ayude a definir los extremos de la imagen simulada ayuda mucho. Hago las veces de cámara y de un detector de cambios de imagen digital, y entonces inicio el cronómetro cuando en el campo de visión simulado por mis brazos detecte cambios de imagen por la presencia de una persona u objeto. Lo detengo cuando ese movimiento se haya acabado.
Vuelvo y lo enciendo cuando llegue el siguiente movimiento y lo apago cuando finalice, y así sucesivamente hasta que el reloj llegue a las 7:13 a.m. Supongamos que el cronómetro al cabo de estos tres minutos de toma de muestra quedó en nueve segundos.
Entonces convierto todo a las mismas unidades (en este caso segundos), y aplico una regla de tres: Si tres minutos de tiempo, es decir 180 segundos, significan el 100% de mi muestra, entonces ¿nueve segundos de actividad, a que porcentaje corresponde?
La formula es 9 x 100 / 180 = 5% de actividad. Esta es la actividad promedio en la ventana de tiempo de bajo tráfico.
Exactamente igual debo hacer durante muestras de tres minutos a las 8 a.m. para alto tráfico y otra a las 9 a.m. para tráfico medio.
Supongamos que en alto tráfico el cronometro marcó actividad de 169 segundos, lo que representa 169 x 100 / 180 = 94% y en medio tráfico el cronometro alcanzó a medir 55 segundos, lo que representa 55 x 100 / 100 = 31%
Entonces ahora podemos tener el parámetro para medir el ancho de banda para tres ventanas de tiempo distintas (Así es como debe hacerse y calcularse de manera detallada y profesional), sin embargo para hacerlo más general, podemos hacer un promedio ponderado de todas las ventanas de tiempo para esta cámara, de esta manera: ( (5% x 11,5 horas) + (94% x 4 horas) + (31% x 8,5 horas) ) / 24 horas = 29% promedio ponderado de actividad para esta cámara.
Si le pareció difícil y complicado le recomiendo que revise sus anotaciones de primer nivel de educación secundaria cuando le enseñaron las reglas de tres y los promedios ponderados.
La verdad el sentido común impera y los cálculos son muy sencillos. Pero debo reconocer que es dispendiosa y aburrida la manera como determinamos el porcentaje de actividad.
En los cursos de CCTV que realizo a nivel latinoamericano, con ALAS, cuando hacemos este ejercicio, siempre hay personas que se lanzan sin haber hecho los cálculos a dar un porcentaje de actividad, siempre me hablan del 50% o del 80%, pero realmente fue de sólo el 29%. Esto interviene en comprar un disco duro mucho más grande o en solicitar un canal de transmisión con un ancho de banda mejor, cuando de pronto no se necesita.
Los costos bajan notablemente cuando usted hace un cálculo serio, profesional y detallado. Además se llena usted de argumentos para justificar la solución planteada, cosa que en muchos casos su competencia nunca hará, simplemente porque le da pereza o no sabe cómo hacerlo.
Finalmente debo multiplicar por ocho, para terminar la fórmula, simplemente porque los tamaños promedio de cada cuadro los entregan en Bytes y el ancho de banda debemos entregarlo en bits.
Ejemplo final
Entonces ahora SÍ, con todos los parámetros vistos, explicados y encontrados, podemos hallar el BW de una cámara cualquiera.
Por ejemplo asumamos que tenemos una cámara fija tipo minidomo con salida IP, en una oficina con muebles modulares de tipo abierto, observando los empleados. Trabajan de 8:00 a.m. a 6:00 p.m. en jornada continua.
De 6:00 p.m. a 8:00 a.m. del día siguiente se cierra y nadie queda trabajando. En las mediciones de actividad encontramos que durante el día la actividad promedio era del 78% y en la noche la actividad promedio es del 6% (favor notar que no es cero). Vamos a transmitir remotamente a 15 FPS durante el día y a 30 FPS únicamente durante los eventos que se presenten en la noche. La cámara tiene 480 TVL de resolución y por el puerto de red, nos entregan en resolución D1 un stream de video comprimido usando un algoritmo MPEG4-L2, el fabricante nos informa que en promedio cada frame consume 8KB.
En la noche la resolución que se envía es mucho mayor, cada frame consume 24KB. Cuál será el ancho de banda necesario durante el día y cual durante la noche?
Solución
Todo lo que tenemos que hacer es aplicar la formula vista, sin embargo ya nos damos cuenta que debemos hacer el ejercicio dos veces, una para el día y otra para la noche. El ancho de banda del canal que solicitemos dependerá del mayor entre los dos resultados que nos dé.
Entonces para el día: BW = 15 FPS x 8KB x 78% x 8 = 15 x 8 x 1024 x 0,78 x 8 = 749 Kbps
Para la noche: BW = 30 FPS x 24KB x 6% x 8 = 30 x 24 x 1024 x 0,06 x 8 = 345 Kbps
Por lo tanto escogiendo el punto más critico, el de mayor valor, requerimos para nuestro canal de transmisión una ancho de banda de mínimo 749 Kbps efectivos, que al pasarlos a nominales nos da: 749 / 40% = 1873 Kbps, es decir 1,83 Mbps. Entonces contrato un canal de acceso a Internet de al menos 2 Mbps para sólo esta cámara.
Solución del perezoso
¿Qué pasaría si hubiéramos asumido un porcentaje de actividad del 100% en el día y del 0% en la noche, como cualquier persona (incluso usted mismo) pudiera haber pensado? En el día, 983 Kbps y en la noche 0. Entonces tenemos dos escenarios erróneos:
a. Mucha gente se hubiera contentado con un canal de 1 Mbps para el día, que realmente sabemos que NO le serviría.
b. Al hacer el cálculo de efectivo a nominal hubieran necesitado un canal de 2,4 Mbps, es decir una enlace comercial de 3 o 4 Mbps, que seguramente es mucho más costoso que el realmente necesario.
Los profesionales no sabemos de pereza ni nos inventamos las soluciones. Analizamos, investigamos, calculamos, justificamos y sustentamos nuestras soluciones con argumentos sólidos.
Varias cámaras
Estos cálculos debemos hacerlos para cada cámara y en las ventanas de tiempo que sean necesarias. Como son muchos les recomiendo que los hagan en Excel, en una hoja que usted mismo arme para que la entienda perfectamente y de manera organizada pueda cambiar cualquier parámetro, modificando el resultado final.
Cuando muchas cámaras se deben recibir en un punto remoto, el ancho de banda (BW) efectivo, se debe sumar y al final pasarlos a nominal, que es como el mercado de comunicaciones trabaja.
Sin embargo para ahorrar aún más ancho de banda la pregunta a hacerse no es cuantas cámaras reportan a este punto, sino cuantas cámaras deseo ver de manera simultánea en este punto. La suma de los anchos de banda de estás cámaras (no necesariamente de todas) es el BW que se requiere en este sitio central de monitoreo. (Si se requiere grabación Si se deben tener en cuenta los BW de todas las cámaras).
Como consejo final aumente a este valor un 20% para futuras expansiones, que son muy comunes en el tema de CCTV.
En una próxima edición tomaremos el resultado encontrado aquí y lo usaremos para calcular el disco duro necesario.
* 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.
Deje su comentario