Bibliographie Réseau de caméras - Exploitation d`un réseau de

Projet : Exploitation d'un réseau de caméras
intelligentes.
Bibliographie sur :
Les Réseaux de caméras
Etudiant :
Landry VANNIER
Christelle DESCHAMPS
Encadrant :
Pierre ANDRY
Ghilès MOSTAFAOUI
Sommaire
les caméras.
Page 3
Les réseaux.
Page 5
Les traitements d'image.
Page 7
Les caméras en réseau.
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1. Les caméras
Caractéristique d’une caméra : le nombre d'image capturer par seconde, la résolution et les types
de résolution, le type de connexion, la distance focale, type d'image (couleurs ou noir et blanc), le
poids, la taille et le type de capteur.
Chaque caméra a une utilité. Pour chaque projet, il faut identifier le type de caméras que l’on a
besoin. Comme notre projet prévoit de faire une détection de mouvement, il faut une caméra qui est
une capture d'image suffisamment élever pour que nous puissions détecter des mouvements très
rapides. Il conviendra donc de faire des testes pour trouver le nombre minimum d'image par seconde
qu'il faut pour détecter un mouvement rapide.
La distance focale et l'angle de vu vont eux aussi entrer en compte. En effet, si la caméra a un
angle de vu trop petit, elle détectera un mouvement que dans une petite zone de l'espace. Ça ne
poserait pas de problème si nous voulions seulement faire seulement de la surveillance vidéo. En
d'autre terme, plus la région est petite, moins on aura de chance de trouver un mouvement.
D'autres caractéristiques doivent entrer en compte, la résolution et la netteté de l'image. Une
image avec beaucoup de bruit ne sera pas facile à travailler. Tandis qu'une image avec une grande
netteté et sans bruit sera plus facile à traiter. Un autre problème peut alors survenir, une image très
grande, c'est à dire avec une résolution très importante, pour entraîner des temps de traitements
beaucoup trop long. En effet, il sera plus rapide de travailler avec une image de basse résolution que
l'inverse.
Une image couleur demande plus de temps de traitement, car elle contient plus d'information. En
effet, elle contient des informations pour coder l'intensité dans 3 couleurs tandis que les images en
niveaux de gris ne contient qu'un codage pour une seule intensité. Bien sure, une image couleur
apportera plus information donc une plus grande facilité pour un traitement et une détection.
Maintenant, nous allons parler du fonctionnement d’une caméra numérique. En effet, comme
nous allons utiliser des caméras numériques pour notre projet, il convient donc d’en connaître le
principe. Le principe de base est le suivant, des capteurs sont situer derrière une lentille. Ces
capteurs reçoivent la lumière qui travers la lentille et transforme la lumière en signal électrique qui
pourra être en suite traité. Ces capteurs sont donc semblable à une rétine d’un œil humain. C’est
d’ailleurs l’étude de la vue qui a permit de mettre au point toutes ces techniques de captures et de
traitements. Ces capteurs sont utilisés dans de vaste domaine comme l’astronomie, la biologie, la
photographie et bien d’autre. Il existe deux principaux type de capteurs. Les capteurs CCD qui
existent depuis plus de 25 ans et les capteurs Cmos.
Les CCD, Charge coupled devices, sont, avant tout, des composants intégrés qui permettent le
transfert individuel de paquets de charges électrique sur une certaine distance physique. Dans le
processus de construction d’un signal vidéo, ils collectent les charge photoélectrique et organisent
leurs successions dans un ordre simulant un balayage de la surface photosensible. Ces rétines CCD
nécessitent la mise en œuvre d’un processus de fabrication particulier et imposent un adressage
séquentiel de l’ensemble des points de l’image. La conversion entre la charge et la tension +
amplitude du photo-signal se fait juste avant la sortie.
Les capteurs Cmos utilisent une méthode de traitement décentralisé au niveau de chaque photo
site. Ce qui permet de mettre en œuvre un processus standard et autorisant l’accès aléatoire à chaque
point de l’image. Le concept de base est celui du pixel actif. Ce qui associe au sein de chaque phot
site au minimum un capteur de lumière et un amplificateur. Les rétines Cmos ont certain avantage
comme son plus faible coût et des résolutions potentiellement très élevées. Néanmoins, Cmos
possède un inconvénient qui est sa moindre adaptation à de faible lumière.
Pour obtenir une image en couleur, il faut appliquer des filtres sur les capteurs sinon, une image
en niveau de gris sera obtenue en sortie. Les filtres généralement utilisés sont les filtres RVB.
Cependant, ces filtres étant très absorbants, une solution est de prendre des filtres utilisant des
couleurs complémentaires cyan, jaune et magenta. Mais cette opération n’apporte pas de grande
différence car la conversion dans l’espace de couleurs RVB engendrent des pertes équivalentes.
Le bruit est un problème récurrent dans les caméras. L’étude des sources de bruit peut permettre
de comprendre pourquoi il apparaisse. Comme ce sont des capteurs photoélectriques, il y a donc une
conversion qui est faite en l’intensité lumineuse et la tension de sortie. Il apparaît alors qu’un
problème peut apparaître dans cette conversion.
Un autre problème peut venir par des signaux d’amplitude trop élevée. Ce qui conduit à un
phénomène d’éblouissement. En d’autre terme, cela se traduit par un emmagasinement trop élevé
des condensateurs qui vont écouler la charge dans les cellules voisines. C’est ce qui est appelé l’effet
halo ou traînée.
D’autre type de bruits existe, comme le bruit photonique qui est du à l’arrivée aléatoire des
photons. Le bruit de remise à zéro est créé par le transistor Mos qui établit la tension de référence
aux bornes du condensateur de conversion des charges collectées. En ce qui concerne l’amplificateur
de sortie, il existe deux sources de bruit : le bruit blanc et le bruit en 1/f.
Et il y a aussi le problème lié aux caméras couleur. Comme nous l’avons vue plus haut, des
pertes sont créées lors de la mise en couleurs. Ce qui a pour but de s’en faire ressentir sur l’image.
Il y a donc toutes sortes de bruit créé par la capture des images. Il conviendra donc de les traiter
pour de meilleur résultat. Il faut toutefois noter que des techniques sont mises en place pour palier à
ces problèmes et améliorer les images à la sortie de la caméra.
2. Les réseaux
Les réseaux sont constitués de plusieurs machines reliées entre elles, cela permet une
communication entre ces machines. Il convient d’étudier la façon dont elles sont reliées entre elles et
comment elles communiquent.
Le support physique est le moyen de communication utilisé pour que deux machines puissent
dialoguer. Il en existe de deux natures : les liaisons avec et sans fils. Les liaisons avec fils sont de
nombreuse et très répandu dans les réseaux. Il s’agit de relier les machines par des câbles : paire de
fils torsadés, câble coaxial et fibre optique. Dans chaque cas, il y a un connecteur sur toutes les
machines qui permet de les relier entre elles par un fils. Les réseaux sans fils sont totalement
différents. La communication entre les machines se fait grâce à des ondes hertziennes. Le type de
liaison sans fils le plus connu et le plus utilisé est le Wifi, mais il existe d’autre type de liaison sans
fils comme les liaisons infra rouge et le Bluetooth. C’est une technologie qui n’est pas très répandu
encore mais qui est de plus utilisé. Le principal avantage du Wifi est qu’il n’y a plus de fils. Ce qui
veut dire qu’il y a plus de problème lier aux câblages du réseau. Ainsi, la liaison entre les machines
est plus simple et moins encombrant. Mais ce type de connexion apporte un inconvénient majeur, il
est plus simple d’écouter les messages envoyés. C’est à dire, que n’importe qui peut intercepter les
communications tant qu’il se trouve dans la zone de porté de l’émetteur. Donc, ça pose un problème
de sécurité. C’est pour cela que les réseaux Wifi ne sont pas encore généralisés.
Les techniques de transfert sont : la commutation de circuits, le transfert de paquets, le transfert
de trame et de cellules et les techniques de transfert hybrides. Ces différentes techniques permettent
de communiquer entre les machines.
Le principe de base de tous les réseaux est : une machine est relier à une autre. Cette machine
veut dialoguer avec cette dernière. Soit, elle la connaît, c’est à dire qu’elle connaît son adresse, soit,
elle ne la connaît pas et là elle envoie alors son message dans tout le réseau en attendant une réponse
de la machine réceptrice. Il faut donc coder le message suivant le protocole utilisé, propre au réseau.
En général, le nom de l’expéditeur et le nom du destinateur sont codé dans le message avec le
contenu du message. Ce qui permet au destinateur de pouvoir répondre à l’expéditeur.
Dans notre projet, nous avons à considérer un réseau de type Wifi (Wireless Fidelity). Nous
allons donc voir quelques caractéristiques des réseaux Wifi. La porté des ondes varie suivant les
caractéristiques du lieu. C’est à dire, que l’on peut aller jusqu’à 50m dans un environnement de
bureau. Une limite de 500m peut être attente avec la condition qu’il n’y a aucun obstacle entre le
récepteur et l’émetteur. Toutefois, cette limite peut être franchie si l’on utilise une antenne directive
et là on peut atteindre jusqu’à quelques kilomètres. Mais dans la pratique, les stations ont une porte
d’environ 20m voir moins si les ondes doivent franchir un mur porteur.
Le protocole utilisé par le Wifi est le protocole 802.11, composé essentiellement de deux sous
couche : LLC (Logical Link Control) et MAC. Le rôle de la couche MAC est de faire en sorte que
les terminaux écoutent la porteuse avant d’émettre. Si la porteuse est libre, le terminal émet, sinon il
se met en attente.
La méthode d’accès est appelée DCF (Distributed Coordination Function). Le DCF a été conçu
pour prendre en charge le transport de données asynchrone, transport dans lequel tous les utilisateurs
qui veulent transmettre des données ont une chance égale d’accéder au support.
Pour palier aux problèmes de sécurité exposé plus haut, le groupe de travail IEEE 802.11 a mis
en place le protocole WEP (Wired Equivalent Privacy), dont les mécanismes s’appuient sur le
chiffrement des données et l’authentification des stations. Le problème, c’est que ce protocole n’est
pas toujours implémenté et donc tous les réseaux Wifi n’offrent pas la même qualité de sécurité. Le
système de cryptage provient de l’algorithme de RSA, un système de chiffrement très utilisé car il
garantit un très bon niveau de sécurité. Les systèmes d’authentification utilisés sont Open System
Authentication et Shred Key Authentication. Seul le second offre une véritable sécurité car il utilise
un mécanisme de clé secret partagée.
Il existe 3 normes à 802.11 : a, b et g. Ce qui différent, ce sont les débits.
• Le 802.11a : norme pour les réseaux locaux utilisant comme fréquence le 5 Ghz pour des
transferts jusqu´à 54 Mbps.
• 802.11b : autre norme pour les réseaux locaux, utilisant le 2,4 Ghz avec une bande
passante maximale de 11 Mbps.
• 802.11g : norme la plus aboutie pour les réseaux étendus, exploite le 2,4 Ghz avec des
débits maximums de 54 Mbps. Elle est amenée à remplacer les deux normes précédentes.
Pour faire un réseau Wifi, il faut des cartes Wifi qui permette de relier deux machines l’un à
l’autre. Pour faire un réseau plus complexe, il faut ajouter un routeur Wifi. Les stations vont
communiquer entre elles via le routeur. C’est lui qui va faire la liaison entre les machines. Comme la
distance entre les machines ne doit pas dépasser 20m pour qu’il y ait une bonne connexion entre
toutes les machines, il faut rajouter des routeurs de telle sorte qu’il n’y ait jamais d’interruption entre
les connections.
Dans pour notre projet, nous serons amenés à utiliser des routeurs Wifi. Ce routeur est WL-500g
de ASUS, dont voici la description faite par ASUS :
Complet et facile d'utilisation il offre des taux de transferts de 54 Mbps et toutes les
fonctions attendues dans un routeur WLAN, dont le serveur DHCP, le partage d'IP, le
Firewall, le VPN pass through, etc. Pour garantir la meilleure sécurité WLAN, il intègre
aussi un puissant WPA et un Firewall WLAN unique pour protéger les données du WLAN.
Cette solution futée intègre également des fonctions de "plug-and-share" (brancher et
partager) via le port USB 1.1.
En accord avec le lancement officiel du standard 802.11g, le WL-500g supporte cette
technologie offrant une connectivité sans fil des plus rapides tout en assurant une
compatibilité avec les périphériques sans fil 802.11b. Mais si votre environnement WLAN
est exclusivement 802.11g, vous pouvez passer en mode "802.11g only" pour des
performances de sortie encore meilleures.
Mais le WL-500g ne se contente pas d'être un simple routeur destiné au partage de
connexion Internet, il est aussi doté d'un port USB 1.1 supportant par exemple un disque
dur externe USB... branchez-le sur le routeur et vous pourrez créer facilement un petit
serveur FTP destiné au partage de données sur votre réseau. Il peut aussi être configuré
en serveur d'impression via le port USB ou le port imprimante intégrée. Autre utilisation
possible, l'ASUS WL-500g peut supporter une webcam USB pour devenir un centre de
vidéo-surveillance.
Ce routeur offre tous les avantages dont nous avons besoin pour notre projet. Son taux de
transfert offre de bonne perceptive. Son aspect de routeur permet donc une bonne communication,
c’est à dire qu’il va être capable de transmettre des informations des autres caméras à des caméras
plus distantes. Ce qui va permettre de surveiller une zone supérieure au 20m de porté optimal du
Wifi. Ainsi, de vastes zones pourront être mises en surveillance. Le routeur a été prévu pour faire de
la vidéo surveillance par ASUS. Ce qui a pour conséquence une facilité à installer une webcam USB
sur le routeur. De plus, il est facile de mettre en place un serveur FTP. Cela rend alors facile la
transmission des images à un PC de contrôle.
3. Les traitements d’image
Suivant à quoi servent les caméras, il convient d’en appliquer un traitement spécifique. C’est à
dire que pour des caméras de surveillance qui sont observé par un gardien n’a pas besoin de
traitement d’image. En effet, dans ce cas précis, il n’est pas nécessaire de mettre en place des
automatismes. L’intelligence des caméras va donc prendre place dans le traitement des images du
flux vidéo.
Une caméra intelligente étant une caméra qui a un bon traitement d’image, il convient donc de
parler des traitements qui peuvent être apporter. Tout d’abord, une caméra envoie un flux vidéo,
c’est à dire plusieurs images par seconde. Le but va donc de traiter ces images une par une ou
plusieurs à la fois et cela de façon cyclique. Le but étant de remplacer un homme. En effet, dans la
surveillance, qui est le domaine de prédilection des réseaux de caméra, il faut soit un homme qui
regarde sans relâche des écrans vidéo dans l’espoir de trouver ce qui est censé surveiller. L’apport du
traitement d’image permet une meilleure surveillance. En effet, un homme qui regarde un écran sans
relâche se fatigue très vite. En revanche, lorsqu’il est aidé par un système de traitement d’image, il
est plus nécessaire de regarder l’écran sans arrêt. Un signal sonore peut permettre de prévenir la
personne lorsque ce qui est surveiller arrive.
Donc, tout le problème va être de mettre en place un système qui va réaliser la surveillance à la
place du vigile. Toute une gamme de filtre pour les images permette de détecter une intrusion, de
suivre une personne qui de déplace, de détecter une pièce défectueuse, etc. Il convient donc de
mettre en place le système de traitement qui correspond au problème posé.
Si l’on veut détecter un objet, une forme ou toutes autres choses, il convient d’appliquer un filtre
sur l’image pour que cela soit détecter automatiquement.
Pour une détection de mouvement, il faut récupérer n images puis les sommer et récupérer les n
images suivantes pour les sommer aussi. On obtient donc deux images qui sont en faite la somme de
n images. Le fait d’avoir sommer les images permet d’atténuer le bruit sur les images et ainsi ne pas
détecter un mouvement à cause du bruit. La sommation s’effectue par une addition des pixels dans
se trouvant à la même position.
Une fois que l’on a ses deux images, on effectue une soustraction d’image. C’est à dire que l’on
prend la première image, obtenu par sommation, et on soustrait la valeur de chaque pixel par la
valeur du pixel se trouvant dans la même position sur l’autre image sommer. Cette opération à pour
but de repérer s’il y a eu un changement d’une image à une autre.
Pour connaître la différence entre les deux images, il suffit de compter tout les pixels différents
de zéro. Ainsi, on sait s’il y a eu un mouvement dans le champ de la caméra.
Dans cette logique, plusieurs paramètres peuvent être changer. A savoir, le nombre d’image que
l’on va sommer. Et ensuite, le nombre de pixel à partir duquel on considère qu’il y a un mouvement.
Et enfin, on peut aussi mettre un seuil sur les pixels de la différence d’images. C’est à dire, que l’on
peut très bien dire que si un pixel est proche de zéro, on ne considère pas que c’est du mouvement
mais plutôt du bruit.
Il y a donc toute une stratégie à mettre en place pour la détection de mouvement. Cette stratégie
va consister à calibrer chaque caméra. Le calibrage individuel de chaque caméra serait peut être la
meilleure façon de procéder. Mais il y aurait un problème, ce problème est que les caméras pouvant
être déplacer, il faudrait donc modifier chaque fois le calibrage de la caméra. Ce qui peut
correspondre à une manipulation assez complexe. Une autre solution pourrait être de mettre un
calibrage par défaut. Et enfin, une solution plus complexe serait de faire un auto calibrage de la
caméra à chaque fois qu’elle est déplacée.
4. Les caméras en réseaux
Une définition des réseaux de caméras est : caméra numérique avec serveur Web intégré,
possédant sa propre adresse IP. De plus, cette caméra est équipée d’une connexion réseau direct, lui
permettant de fonctionner de manière totalement autonome, c’est à dire sans ordinateur. Cela a pour
but de capturer des images vidéo et de les diffuser en temps réel sur un réseau IP, comme Internet.
En plus de la diffusion par Internet, la caméra réseau est souvent destinée à des applications de
contrôle d’accès et de surveillance distante et cela aussi bien qu’en milieu intérieur qu’en milieu
extérieur.
Plusieurs systèmes sont commercialiser pour permettre à des entreprises ou des particuliers de
faire de la surveillance vidéo. La surveillance est au cœur des réseaux de caméras, que se soit pour
une chaîne de production ou une éventuelle effraction ou autre.
Mais pourquoi mettre les caméras en réseau ? La réponse est simple, une seule caméra ne
possède qu’un angle de vu très réduit. Alors pour surveiller une chaîne de production, il est souvent
nécessaire d’avoir plus d’une caméra. En effet, ce qui peut être apporter par plusieurs caméras, c’est
la vision en 3D. Si pour certain cas, une seule caméra peut résoudre le problème, en général,
plusieurs caméras sont nécessaires pour surveiller de grand espace ou pour obtenir une vision en
stéréo.
Donc, le but des réseaux de caméras peut être de surveiller de grande zone. C’est à dire, que l’on
va relier plusieurs caméras ensemble pour que l’on puisse surveiller d’un seul poste de contrôle les
différents lieux. Dans cette perspective, les réseaux de caméras ont été implantés dans divers endroit.
Pour la surveillance du trafic automobile. Les caméras servent à compter les voitures qui passent. La
surveillance des personnes, c’est à dire, de mettre des caméras à des points stratégiques dans une
ville pour surveiller les personnes qui passent.
Des caméras en réseaux utiliser pour l'imagerie 3D sont les caméras servant pour la « motion
capture ». En effet, dans cette perspective, les caméras sont relier entre elles afin que l’on puisse
construire une image 3D. Une personne est alors habiller avec des marqueurs et les caméras filment
toutes la même chose sous divers angle permettant ainsi une reconstruction d’images en 3D. Le
principe est que les caméras sont tout d’abord calibré. C’est à dire que chaque caméra film une
région bien définit de l’espace. A l’aide d’un gabarie, on peut régler les caméras pour que chacune
d’entre elle filme le gabarie en entier. Ensuite, grâce au point situer sur la personne qui est filmer, on
peut recouper les images par triangulation.
Des exemples de réseaux de caméras sont nombreux dans le monde. Il faut savoir qu’il y a
environ 25 millions de caméras de surveillance vidéo répartie dans le monde entier. La GrandeBretagne compte à elle seule 2,5 millions soit un dixième des caméras dans le monde. A tel point
que l’on estime à 300 fois par jour le nombre de fois qu’une personne se fait photographier en se
baladant à Londres. De plus, la Grande-Bretagne va lance une surveillance des déplacements des
véhicules. Ce réseau qu’elle est sur le point de lancer ou qui a été lancé depuis peu de temps, va faire
de la Grande-Bretagne le premier pays au monde à enregistrer les déplacements de tous les véhicule
sur les routes. En faite, c’est au moins de 35 millions de plaques d’immatriculations qui vont être
enregistrer par tout le réseau de caméras. Ces caméras étant relier à un système GPS, il est alors
facile de dire où se trouvait une voiture et de la suivre durant tous ces déplacements. C’est d’ailleurs
le but de ce réseau, permettre à la police de retrouver les déplacements d’une voiture conduit par un
individu rechercher.
D’autres types de réseau ont été mis en place par des municipalités comme Lyon. Elle a mit en
place un réseau de caméras permettant de faire des photos d’identité à 300 mètres. Les caméras ont
une mobilité sur 360° et permettent donc d’identifier des individus commettant des crimes ou délit.
Plusieurs projets sont en cours de développement. Ericsson, groupe suédois de téléphonie,
cherche à associer la vidéo à la géolocalisation. C’est à dire, qu’il veut permettre à ces utilisateurs de
téléphone portable de se connecter aux réseaux de caméras routières afin d’en vérifier le trafic.
Deux remarques apparaissent alors, la première est que les réseaux de caméras sont en plein
essor. Le marché est en pleine expansion. Cela est du au divers événement lié aux divers actes
terroristes dans le monde et cela afin de protéger la population.
Mais, et cela constitue la seconde remarque, toutes ces caméras ne nuissent-elles pas à la vie
privée que chacun à le droit ? Cette dernière remarque constitue de large débat dans la scène
politique.
Pour notre projet, nous utiliserons des webcam relier à un routeur Wifi. Ce sont des équipements
simples et faciles à mettre en place. Bien entendu, dans une autre perspective, nous pourrions
fusionner ces deux équipements pour créer un ensemble unique. Mais cela serait plutôt une
perspective de produit fini et commercialisable.
Donc les propriétés de notre réseau vont être ceux décrit plus haut, à savoir, un réseau de type
Wifi avec un traitement d’image pour la détection du mouvement.