Pictures of the Future    Herbst 2006

Der digitale Wachmann

Ein Videoüberwachungssystem, das selbstständig unerwünschte Personen entdeckt und verfolgt – davon hat jeder Wachmann, der unzählige Kamerasignale auf einer Vielzahl von Monitoren beobachten soll, schon geträumt. Dank neuer Entwicklungen von Siemens Building Technologies wird dieser Traum nun Realität.

_{Den Überblick behalten: In einer Zentrale (oben) können Beobachter zahlreiche Kamerasignale gleichzeitig überwachen. Allein am Münchener Flughafen (unten) gibt es etwa 1 600 Kameras}

1:34 Uhr nachts – eine verdächtige Person nähert sich langsam im Dunkeln dem Areal des Flughafens, klettert über den meterhohen Zaun, schleicht über das Gelände und geht in Deckung. Nichts geschieht – kein Alarm ertönt. Doch wer denkt, dass hier nicht viel Wert auf Sicherheit gelegt wird, irrt: Bereits bei der Annäherung an den Zaun wird in der Überwachungszentrale Alarm ausgelöst.

Der Eindringling merkt davon nichts. Während er sich in Sicherheit wähnt und sein Versteck verlässt, hat ihn längst eine Videokamera erfasst und verfolgt ihn auf Schritt und Tritt. Als er in einen Hangar eindringt, warten bereits die Spezialisten des Sicherheitsdiensts auf ihn. Über 1 000 Überwachungskameras beobachten das Flughafenareal. Mindestens eine von ihnen erfasst, meldet und verfolgt den Einbrecher automatisch – egal, an welcher Stelle, bei welchem Wetter oder zu welcher Tageszeit.

Die dahinter stehende Technik mit den Funktionen der automatischen Bewegungserkennung, -analyse und Objektverfolgung gehört zu den innovativsten Sicherheitssystemen der Welt: das Überwachungssystem Sistore CX EDS (Enhanced Detection Solution) von Siemens Building Technologies (SBT). "Im Kern geht es vor allem um intelligente Bildverarbeitung", erklärt Klaus Baumgartner, Produktmanager für digitale Videosysteme und Fachmann für digitale Videoüberwachungen, so genannte Closed-Circuit-Television-Systeme (CCTV) bei SBT in Karlsruhe.

"Mit Sistore CX ist es uns erstmals gelungen, eine komplette und fest montierte Überwachungsplattform so flexibel zu gestalten, dass sie über ein einfaches nachträgliches Update mit neuen Funktionen, wie die der automatischen Personenverfolgung, ausgestattet werden kann", sagt der Überwachungsexperte.

Seit der ersten Videoüberwachung in den späten 50er Jahren hat sich viel getan. Damals ging es darum, bewährte Fernsehtechnik auch für den Sicherheitsbereich einzusetzen. Die ersten Systeme bestanden aus wenigen Kameras, die direkt oder über Relaistechnik an Monitore angeschlossen wurden – sie waren ein "verlängertes Auge" des Wachmanns, der nun von einem Kontrollraum aus mehrere Areale gleichzeitig beobachten konnte. Doch bald wuchs die Anzahl der zu überwachenden Flächen, und damit auch die der Kameras – in den späten Sechzigern konnte man dann aus Platzgründen nicht mehr jede Kamera mit einem eigenen Monitor verbinden.

Es war die Geburtsstunde der elektronischen Videokreuzschiene an der Schnittstelle zwischen Kamera und Monitor. An diesem Steuergerät können zahlreiche Videokameras angeschlossen und deren Signale an einen beliebigen Monitor weitergeleitet werden. Im 5-s-Takt kann so das Kamerasignal auf den Monitoren wechseln – dies übersteigt aber schnell die Grenzen der menschlichen Aufnahmefähigkeit.

Baumgartner erklärt: "Eine Studie in den USA zeigte, dass ein Beobachter bei nur zwei Monitoren mit automatischer Bildumschaltung nach zwölf Minuten schon bis zu 45 % aller Aktivitäten in den Szenen übersieht, nach 22 Minuten sind es bereits 95 %." Und die Videokreuzschiene hat ein weiteres Problem: sie ist fest mit den Kameras verkabelt. Erweiterungen sind sehr aufwändig.

Ab Mitte der 90er Jahre zeichnete sich die Lösung dieser Probleme ab: mit Hilfe der Digitaltechnik, neuen Algorithmen zur Bildanalyse sowie der Internet-Technologie. Ziel der SBT-Entwickler war ein System, das einfach auf die Intranet-Struktur eines Unternehmens aufgesetzt werden kann. Die Rechenleistung von Computern war inzwischen groß genug, um digitale Bilddaten in Echtzeit auswerten zu können. Und auch die Verfahren der Bildkomprimierung nach dem MPEG-Standard waren nun ausreichend leistungsfähig.

Nur das Wesentliche melden. "Mit den MPEG-Verfahren lässt sich die enorme Datenmenge eines hochaufgelösten Videosignals von etwa 160 Mbit/s auf 1 Mbit/s drosseln", verrät Baumgartner, dessen Entwicklungsabteilung mit einem Team bei Corporate Technology kooperiert, das im internationalen MPEG-Gremium an noch effizienteren Komprimierungsverfahren arbeitet. Das mathematische Verfahren nutzt dabei physiologische Erkenntnisse über das menschliche Auge aus: Es entfernt optisch kaum wahrnehmbare Informationen aus dem Bild. "Das ist wie bei einer DVD. Auch hier wird das Signal auf 5 Mbit/s reduziert."

Als ersten Schritt hin zu einer digitalen Videoüberwachung installierte Siemens 1999 zwischen der analogen Kamera und der Kreuzschiene einen Videosignalumwandler, einen so genannten Video-Codec mit Prozessor, der das Signal digitalisierte, es nach Bewegungen auswertete und an den Monitor weiterleitete. Auf dem Prozessor befanden sich Algorithmen, die bereits eine automatische Bewegungserkennung ermöglichten. "Dieser digitale Videosensor fand beispielsweise in Südafrika mit seiner hohen Kriminalitätsrate reißenden Absatz, vor allem in Gold- und Diamantenminen", erzählt Baumgartner.

Mit Internet und Intranet entwickelte sich schließlich eine Plattform für eine flexible Infrastruktur der digitalen Sicherheitssysteme. Die Experten von Siemens erkannten das Potenzial und arbeiteten an einer Lösung, die beliebig viele Kameras mit Video-Codecs via Intranet auf die Monitore vermitteln kann. Das Ergebnis war eine Kombination aus Hard- und Software, die es ermöglicht, vom PC aus auf die Kameras zuzugreifen und so die Videokreuzschiene überflüssig macht. "So ein Netzwerk ist redundant ausgelegt und sehr flexibel erweiterbar", sagt Baumgartner. Zugleich kann darüber auch der Video-Codec mit Algorithmen versorgt werden. Sie müssen nicht mehr fest programmiert sein, sondern können flexibel nachgerüstet werden.

Damit war der Grundstein für das Videoüberwachungssystem Sistore CX gelegt. Die bereits vorhandene Intranet-Infrastruktur überträgt das Signal beliebig vieler Kameras, während die Software neben der automatischen Bewegungserkennung auch noch weitere Funktionen wie des des Software-Upgrades EDS ermöglicht. So erlernt die Videosensorik den Normalzustand des Überwachungsbilds, indem sie sich innerhalb eines bestimmten Zeitraums den am häufigsten vorkommenden Zustand einprägt und sich für alles interessiert, das sich davon unterscheidet. "Es geht nicht mehr um die simple Differenz zweier Bilder", erläutert Baumgartner den Unterschied zu den vorherigen Systemen, "das heutige System hat tatsächlich den normalen Hintergrund gelernt".

Mensch oder Tier. Zusätzlich arbeitet EDS mit Algorithmen für eine Merkmalsextraktion: Mit einstellbaren Parametern wie Größe und Geschwindigkeit kann es z.B. einen Menschen von einem Tier oder Fahrzeug unterscheiden. Und mit Hilfe von so genannten Fußpunkten, die den Standort des Objekts auf dem Boden markieren, und der erlernten Fläche des Bilds kann das System genau ermitteln, wo sich ein Objekt befindet. Ein weiterer Nebeneffekt des erlernten Hintergrundbilds ist die automatische Sabotage-Erkennung. Verdreht eine Person die Kamera, verändert sich das Hintergrundbild, die Kamera erkennt nicht mehr ihre gewohnte Umgebung und schlägt Alarm.

Dass diese Funktionen auch mit analogen Kameras ausführbar sind, war bei der Entwicklung des Systems ein Muss. Denn beim Austausch alter Systeme gegen Sistore CX soll ein Großteil der vorhandenen Technik übernommen werden – wie z.B. beim Münchener Flughafen. Dort war die alte Videoanlage größtenteils noch intakt. "Nur die Videokreuzschiene von 1992 war defekt", erklärt Oliver Wiesner, Produktmanager CCTV und Verantwortlicher für die Videoüberwachung am Flughafen. "Für dieses Baujahr mangelte es an Ersatzteilen." Deswegen hat der Flughafen-Sicherheitsexperte die Videokreuzschiene gegen einen Video-Codec austauschen lassen und die Anlage mit dem Ethernet des Flughafens verbunden. Siemens mit der Modernisierung zu beauftragen, war schnell entschieden. "Die Kompatibilität von Sistore CX mit den noch vorhandenen 1 600 Kameras sowie die Qualität und der Service bedeuteten für uns das beste Preis-Leistungs-Verhältnis."

Klaus Baumgartner und seine Kollegen arbeiten bereits an noch weitergehenden Lösungen, etwa einer durchgängig digitalen Überwachung mit digitalen Kameras, die die Bildqualität nochmals deutlich erhöhen. Ein volldigitales Sistore-System hat Siemens bereits für die Asian Games 2006 in Doha installiert. Über 1 300 digitale Kameras werden alle verdächtigen Bewegungen rund um das Sportgelände in der Hauptstadt Katars automatisch erfassen, auswerten und gegebenenfalls verfolgen. Aber auch in Deutschland kommt bald ein volldigitales Überwachungssystem von Siemens zum Einsatz. In Berlin baut der Bundesgrenzschutz derzeit seine neue Zentrale. Da darf eine hoch entwickelte Überwachungsanlage nicht fehlen. "An der 1,2 km langen Umzäunung installieren wir ein System, das mit nur 40 digitalen Kameras den gesamten Überwachungsraum sicher abdeckt", berichtet Markus Sasse, Projektleiter vor Ort.

Für die Zukunft liegt das Hauptaugenmerk der Entwickler auf neuen Algorithmen. "Schon bald wird unser System in der Lage sein, etwa auf Flughäfen herrenlose Gegenstände zu lokalisieren. Die Video-Sensorik prägt sich dann nicht nur den Hintergrund ein, sondern auch jede dauerhafte Veränderung des Vordergrunds", sagt Baumgartner ( Intelligente Sicherheits-Kameras). Mit zunehmender Rechenleistung sieht er auch die automatische Personenidentifizierung in greifbarer Nähe: "Dann würden Kameras sogar in stark belebten Fußgängerzonen oder vor Stadien gesuchte Personen oder Hooligans einfach am Gesicht erkennen und der Polizei melden." Aber bis Sicherheitssysteme so weit sind, Personen in Menschenmengen bei unterschiedlichen Wetter- und Lichtverhältnissen und ständig wechselndem Aussehen zu identifizieren, werden noch einige Jahre vergehen.
                                                                                                            Sebastian Webel