Все, что вы хотели знать об IP-камерах

IP-камера сегодня является одной из самых новых разработок в сфере видеонаблюдения и ее популярность только растет. IP-камера объединяет в себе возможности обычной камеры и мини-компьютера, поскольку помимо оптики она оборудована центральным процессором, сетевым модулем, процессором сжатия и предлагает целый ряд интеллектуальных функций.

[video-shortcode-jgNM1bk0eNc]

Принцип работы IP-камер

Как и в обычных камерах, в IP-моделях объектив фокусирует картинку на матрице, которая в свою очередь преобразует свет в электрический сигнал. Он передается на процессор, обрабатывающий цвета, яркость и другие параметры изображения. После этого видео поступает на компрессор, который сжимает данные для передачи их через сетевой контроллер.

Каждой IP-камере при подключении присваивается собственный IP-адрес, как и другим устройствам, которые работают через интернет. Он необходим для того, чтобы камера могла синхронизироваться с регистратором, что происходит с помощью специальной программы или команды. Без IP-адреса обеспечить совместную работу и доступ к камере с мобильных гаджетов будет нельзя.

Благодаря наличию цифровых компонентов функциональность IP-камеры становится практически безграничной, позволяя получать доступ к ее данным из любой точки планеты, где есть интернет.

С какими устройствами могут работать IP-камеры

IP-камеры обеспечивают большое удобство и функциональность работы благодаря возможности подключения:

• регистратора, персонального компьютера или облачному хранилищу данных. Пользователь может выбрать наиболее подходящий вариант или использовать несколько одновременно;
• роутера или коммутатора при наличии, которые поддерживают сетевой протокол динамической настройки узла. Благодаря этому к регистратору можно подключить несколько камер одновременно;
• адаптера, PoE-коммутатора или регистратора для получения питания. С помощью PoE питание и данные передаются одновременно с использованием витой пары.

Способ подсоединения к персональному компьютеру зависит от количества IP-камер. Если камера одна, будет достаточно использования LAN-интерфейса сетевой карты. Если больше – к LAN подключают коммутатор, а уже к нему – камеры с присвоением IP-адресов.

Технологии передачи данных в IP-камерах

Камеры этого типа работают по стеку протоколов TCP/IP. Это модель сетевого подключения, которая имеет четыре уровня передачи информации:

• прикладной – HTTP, RTSP, FTP, DNS и др.;
• транспортный — TCP, UDP, SCTP, DCCP и др. (RIP, протоколы маршрутизации типа OSPF, работающие поверх IP, — часть сетевого уровня);
• сетевой — IP (вспомогательные протоколы, например ICMP и IGMP, работают поверх сетевого протокола, но относятся к сетевому уровню, а ARP — самостоятельный вспомогательный протокол, работающим поверх канального уровня);
• сетевой доступ – Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS, физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1.

Транспортные протоколы

TCP – транспортный протокол, эффективность работы которого доказана испытаниями. Уже первые опыты показали, что пакет данных прошел по TCP 150 тысяч километров без малейших потерь. Протокол TCP с помощью команд сначала обеспечивает подключение, потом стартует трансляция. Имеет несколько важных преимуществ – технология проверяет целостность информации и ее последовательность, а также настраивает скорость передачи данных таким образом, чтобы они не отправлялись быстрее, чем их можно принять, что предотвращает сбои и потерю трафика. Более того, этот протокол может исправлять ошибки путем отправки дубля пакета если часть данных была потеряна или удаляет лишний пакет при отправке двух одинаковых по одному и тому же адресу.

UDP – альтернатива протоколу TCP, но с меньшим набором функций. Прежде всего, он начинает передачу данных без предварительной установки соединения, а также не контролирует процесс отправки пакетов. Таким образом, он работает быстрее, но менее надежно.

RTP – протокол, которые передает данные в режиме реального времени. Из преимуществ – синхронизация информации и исправление последовательности в передаче пакетов.

Таким образом, наиболее быстрыми технологиями передачи данных в режиме реального времени являются RTP или UDP. Но если сеть испытывает проблемы, то лучшим выбором будет протокол TCP, который помогает исправить ошибки.

Протоколы совместимости

Чтобы устройства без проблем обменивались данными, они должны быть совместимы. Так, техника одного бренда совместима по умолчанию.  Для того, чтобы IP-камеры могли работать с другими устройствами, необходима поддержка прикладных протоколов. Это, как правило, RTSP и ONVIF.

RTSP – прикладной протокол реального времени, главная функция которого – удаленное управление камерой сервером с помощью описания команд. Этот стандарт не выполняет сжатие, не имеет отношения к пакетам и определению транспортного протокола. По сути, трансляция – не часть  RTSP, поскольку этим занимается отдельный стандартный протокол. RTSP-команды передаются с помощью специального порта, отдельно от основного потока.

Запросы:

• Announce – обновление данных описания содержимого.
• Describe – описание содержимого.
• Options – поддерживаемые методы.
• Play – начало передачи содержимого.
• Pause – временная остановка передачи.
• Record – запись содержимого сервером.
• Redirect – перенаправление на другое содержимое.
• Setup – установка транспортного механизма.
• Get_parameter – запрос указанных параметров у сервера.
• Set_parameter – установка параметров сервера.
• Teardown – остановка потока, освобождение ресурсов.

ONVIF –  один из современных протоколов, который объединяет ряд готовых технологий и стандартов (в том числе, RTSP), которые были специально адаптированы для IP-видеонаблюдения. Под эту спецификацию было создано четыре профиля для четырех классов устройств: 

• Profile S 0 для видеоисточников;
• Profile C – для СКУД;
• Profile G – для записывающих видеоустройств;
• Profile Q – для устройств, совместимых «из коробки».

Спецификации Profile S определяют:

• конфигурация сетевого интерфейса;
• определение техники, совместимой по WS-Discovery;
• управление профилями IP-камеры;
• настройка потоковой трансляции;
• анализ событий;
• PTZ-команды;
• защиту (доступ, шифрование).

IP-камера, которая имеет интегрированный архив, соответствует требованиям двух профилей.

Способы передачи сигнала IP-камерой

IP-камера может предлагать три способа трансляции видеосигнала: проводной, беспроводной и гибридный (объединяет проводной и беспроводной).

Наиболее стабильную передачу данных обеспечивает проводное соединение, но оно имеет ограничения, связанные с длиной кабеля. Витая пара – 100 метров, коаксиальный кабель – 500 метров. Наибольшее расстояние обеспечивает оптоволокно – 100 километров (без коммутаторов и повторителей).

Беспроводную передачу данных в IP-камере интегрированный WiFi-модуль (как правило) и/или 3G/4G-модуль. Это предлагает возможность более удобного размещения камер, но дальность сигнала будет ограничиваться физическими преградами, например, стенами и электромагнитными помехами.

Гибридные модели, которые объединяют проводные и беспроводные технологии передачи данных, предлагают наиболее высокий уровень надежности работы локальной сети.

Ethernet: локальная проводная сеть для работы IP-камер

IP-камера подключается к сети Ethernet, которая объединяет всех пользователей в локальную сеть (LAN), обеспечивая пакетную трансляцию информации. Таким образом, создавая систему видеонаблюдения из IP-камер, вы можете использовать уже имеющуюся локальную сеть объекта, в которую подключены компьютеры и другие устройства.

Ethernet описывается стандартами группы IEEE 802, определяющими формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне схемы взаимодействия устройств друг с другом.

Приведем список основных сетевых модификаций протоколов (с указанием максимальной длины сегмента).

1. По витой паре:

• Ethernet, 10 Мбит/с: 10BASE-T — Cat. 3 и выше, 10BASE-T — две скрученные витые пары Cat. 3 или Cat. 5 (100 м).
• Fast Ethernet, 100 Мбит/с: 100BASE-T — Cat. 3 и Cat. 5 (100 м).
• Gigabit Ethernet, 1000 Мбит/с: 1000BASE-T — Cat. 5e (100 м).
• Промежуточные стандарты Ethernet, 2.5 Гбит/с и 5 Гбит/с соответственно: 2.5 GBASE-Т и 5GBASE-Т — Cat 5e и Cat 6 (100 м).
• 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с: 10GBASE-T — cat. 6 (55 м) и 6а (100 м).

2. По коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с: 10BASE5 — RG-58 (до 185 м), 10BASE2 — RG-8 (500 м).

3. По оптическому кабелю (одномодовое – волокно с основным диаметром сердцевины в 7~10 раз превышающим длину волны проходящего по нему света, многомодовое – волокно с большим диаметром сердцевины, проводящей лучи света благодаря полному внутреннему отражению):

• Ethernet, 10 Мбит/с: FOIRL – до 1 км, 10BASE-FL – до 2 км.
• Fast Ethernet, 100 Мбит/с: 100BASE-FX –  многомодовое волокно, 400 м/2 км (полудуплекс/дуплекс*), 100BASE-SX –  многомодовое волокно, 2 км/10 км (полудуплекс/дуплекс), 100BASE-FX WDM –  одномодовое волокно (преимущественное использование – приемопередатчики).
• Gigabit Ethernet, 1000 Мбит/с: 1000BASE-SX –  многомодовое волокно (500 м), 1000BASE-LX – многомодовое волокно (550 м), одномодовое волокно (5 км), 1000BASE-LH – одномодовое волокно (100 км).
• 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с: несколько стандартов, от 26 м до 40 км.

Сети Ethernet с более скоростной трансляции для систем видеонаблюдения пока не применяют.

*Дуплексный способ обмена данными – отправка и прием одновременно по двум каналам связи, полудуплексный — по одному каналу по очереди.

Чтобы обеспечить передачу данных с использованием коаксиального и оптоволоконного кабелей, используется удлинитель сигнала для коаксиального кабеля и SFP-модуль для оптоволоконного. Встречаются IP-камеры с уже интегрированным оптоволоконным портом, но чаще всего сеть монтируют на уровне коммутаторов с SFP-портами.

Возможности IP-камер видеонаблюдения

Сегодня многие отдают предпочтение IP-видеонаблюдению, и не случайно, поскольку оно предоставляет множество возможностей. Главное преимущество IP-камеры – цифровой сигнал передается от светочувствительной матрицы к серверу. Среди других достоинств сетевой камеры следует выделить следующие:

• Масштабируемость системы: один кабель может передавать несколько потоков.
• Камера обеспечивает четкое, детализированное изображение.
• Предусмотрено множество опций для повышения качества картинки (WDR, BLC, HLC, EIS, DIS, DNR etc).
• Минимум помех и стабильность трансляции.
• Защита трансляции путем использования кодирования и шифрования.
• Высокая скорость трансляции – до 50 кадров в секунду, что делает видео очень информативным.
• IP-камеру можно настраивать и управлять ею удаленно.
• Сетевые системы видеонаблюдения могут отправлять тревожные сигналы на телефон или электронную почту.

Видеоаналитика – для повышения эффективности видеосистемы

IP-камеры не только записывают и передают изображение, но и могут его анализировать. Благодаря аналитическому ядру IP-камера может идентифицировать движение и изменения в кадре, распознавать лица, сравнивая их с базой данных, определять номера транспортных средств и даже анализировать поведение тех или иных объектов в кадре.

Если камера имеет интегрированный детектор движения или опцию создания виртуальной линии, то ее можно настроить таким образом, чтобы съемка включалась только при детекции движения или пересечении линии. Благодаря этому экономится место в хранилище, полоса пропускания, а также время оператора на просмотр гигабайтов записей. 

Компрессия

Еще одно важное преимущество сетевой камеры – ее способность сжимать видеопоток, для чего предусмотрены видеокодеки. Обычные камеры наблюдения транслируют несжатый сигнал, нагружая систему и требуя высокой мощности. Кроме того, несжатый аналоговый видеопоток требует преобразования, что обязательно приведет к ухудшению качества картинки.  Сетевые же камеры не ограничиваются использованием аналоговых стандартов.

Среди наиболее часто используемых кодеков:

• JPEG – для статической картинки;
• MJPEG – для динамического изображения;
• проприетарные – H.264, H.265 (платные).

Наиболее сильное сжатие предлагает кодек H.265, но его использование будет оправдано только при высоком разрешении изображении. Для картинки 2 Мп и ниже его использовать необязательно. Однако сегодня кодеки продолжают совершенствоваться, предлагая все более интеллектуальные технологии.

Внутренний видеоархив Edge Storage

IP-камеры обязательно оборудуются собственным хранилищем данных, что призвано обеспечить автономность работы без подключения к регистратору или компьютеру. Edge Storage – это локальное хранилище данных, видеопоток записывается на встроенную карту память. Такое хранилище позволяет дублировать архив, что предотвращает потерю важных данных в случае проблем с соединением. IP-камеры имеют слот для карты памяти microSD/SDHC/SDXC или USB-порт для подключения флэшки.

Многопотоковая трансляция

Сетевые камеры передают одновременно несколько потоков, как минимум их будет два: основной поток в полном разрешении записывается в архив, субпоток с меньшим разрешением транслируется на монитор. Чаще всего сетевые камеры обеспечивают передачу трех потоков сразу – для записи, на монитор, а также для трансляции на мобильный гаджет. При этом есть камеры, поддерживающие одновременно до десяти потоков. Если предусмотрены сенсоры, то для каждого из них определяется свой поток, что позволяет снизить нагрузку на сервер и сеть.

Режим коридора

Очень часто в сетевых камерах предусмотрен режим коридора, при котором включается вертикальная ориентация видео, то есть 9:16 вместо 16:9. Это важно, если необходимо вести наблюдение за перемещениями в коридорах, тоннелях и других подобных объектах. Узнать, имеет ли модель такой режим, можно в ее спецификациях. Если режим не поддерживается камерой изначально, добавить его программно не удастся, поскольку режим должен быть предусмотрен на аппаратном уровне.

Аудио

Как правило, сетевые камеры оборудуются как минимум одним аудиовходом, нередко сразу несколькими, то есть IP-камеры могут записывать и транслировать аудиосигнал на регистратор. Наиболее продвинутые модели также имеют интегрированный микрофон, но если такая необходимость возникнет, микрофон можно подсоединить к любой IP-камере. Это может быть однонаправленный микрофон, двунаправленный или профессиональный всенаправленный микрофон – конкретная модель определяется поставленными задачами.

Наличие аудиовхода дает еще одно преимущество – дополнительные аналитические функции. Так, камера может определять превышение или понижение звукового порога, который настраивается оператором системы видеонаблюдение. Такие камеры будут отправлять сигналы тревоги в систему при детекции, например, крика, выстрела, взрыва или разбитого стекла.

CMOS-матрица 

Матрица – главная деталь любой видеокамеры, поскольку именно она трансформирует свет в электрический сигнал. Матрица – это особая интегральная микросхема, которая состоит из светочувствительных фотодиодов. Качество матрицы играет важную роль в видеотехнике, поскольку при некачественной матрице даже мощный процессор не сможет его улучшить.

CMOS-матрицы имеют ряд преимуществ:

• более низкая цена, по сравнению с CCD-матрицами, особенно при больших размерах;
• высококачественная цветопередача;
• технология прогрессивного сканирования;
• низкое энергопотребление, что особенно важно в автономных системах и камерах, которые запускают запись по сигналу детектора;
• высокое быстродействие;
• высокая чувствительность в условиях низкой освещенности благодаря усиленным каскадам (расположение схем в любом месте в цепочке трансляции сигнала), возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета, улучшенная балансировка белого;
• единство технологии с другой техникой, возможность объединения на одном кристалле цифровой, аналоговой и обрабатывающей частей;
• низкие требования к ширине полосы пропускания, опция снижения битрейта;
• высокая скорость кадрированного считывания, что повышает скорость записи потока, есть функция фокусировки вручную;
• прогрессивное развертка – способ воспроизведения, трансляции и хранения динамичной картинки с последовательным отображением всех строк кадра. Такой подход требует вдвое большей полосы пропускания, чем чересстрочная развертка, однако плюсы этой технологии однозначно перевешивают единственный минус.

Преимущества Progressive Scan

Позволяет устранить мерцание и «гребенку», которые мешают рассмотреть перемещающийся объект. При этом отсутствует необходимость использовать сглаживание изображения, что может искажать его.

• Сохранение всех кадров целыми (без разделения на два поля).
• Качественное увеличение картинки для получения большего разрешения.

Размер матрицы также играет важную роль. Ее размер определяется в дюймах в виде дроби. Чем меньше знаменатель, тем лучше, поскольку это указывает на больший размер сенсора, благодаря чему удастся получить более качественную картинку. Однако чем больше сенсор, тем выше цена камеры и тем она тяжелее. С большим сенсором вы получаете больший угол обзора, оптимальную цветопередачу и более высокое соотношение сигнал/шум.

Наиболее популярные форматы:

• 1/2" –  обеспечивает достаточную светочувствительность в большинстве случаев;
• 1/3" –  хорошая производительность при недостаточной освещенности и высокой частоте кадров;
• 1/4" –  минимальный размер и низкая чувствительность.

Камеры с несколькими сенсорами строятся на нескольких матрицах – это позволяет получить панорамное изображение или снимки нескольких сцен одной IP-камерой.

Разрешение IP-камеры

Один из важнейших параметров, на который стоит обращать внимание – разрешение матрицы. Чем оно выше, тем более качественным и детализированным будет видео. Однако в большинстве случаев достаточно разрешения Full HD (2 Мп), которое поддерживается практически всеми современными мониторами. Однако сегодня видеотехника предлагает такие стандарты разрешения:

• HD (720p) – 1280×720 (1 Мп) – средняя разрешающая способность, подходит для общей оценки области наблюдения.
• SXGA (960p) – 1280×960 (1.3 Мп) – больше пикселей по вертикали, что позволяет получить сцена, вытянутую вверх. 
• Full HD (1080p) – 1920×1080 (2 Мп) – позволяет идентифицировать лица людей.
• Quad HD (1440p) – 2560×1440 (4 Мп) — улучшенная детализация при средних требованиях к пропускной способности сети.
• 5MP – 2560×1920 (5 Мп) –  высокая детализация, четкая картинка.
• 4K UHD или Ultra HD (2160p) – 3840×2160 (8 Мп) – самое высокое сегодня качество изображения, что позволяет рассмотреть мельчайшие детали, а также использовать цифровой зум.

Поскольку технологический процесс не стоит на месте, поэтому число эффективных пикселей в фото- и видеотехнике постоянно увеличивается. Но следует учитывать, что максимально высокое разрешение оправдано не на всех объектах, а там где, например, важно четко идентифицировать номер на авто с большого расстояния или достоинство купюры, постоянно масштабируя изображение.

Объективы IP-камер

Конструкция объектива представляет собой сложную систему линз, которые заключены в оправу. Они взаимно компенсируют оптические искажение. Объектив собирает и проецирует свет на светочувствительную матрицу, которая формирует оптическую картинку.

При выборе объектива необходимо учитывать его фокусное расстояние (в миллиметрах). Этот показатель определяет угол обзора и масштаб изображения. Фокусное расстояние – это расстояние от оси комплекта линз до фокуса (точки пересечения первоначально параллельных лучей после прохождения через объектив). 

Таким образом, чем меньше фокусное расстояние, тем больше поле обзора. К примеру, объектив 2.8 мм обеспечивает угол обзора камеры примерно в 100º. Чем выше фокус камеры, тем меньше угол обзора, но при этом больше расстояние съемки до объекта наблюдения. Поэтому необходимо выбирать объектив в соответствии с характеристиками объекта наблюдения.

Поскольку задачи систем наблюдения могут быть самыми разными, IP-камеры предлагают большое разнообразие объективов – короткофокусные, длиннофокусные, сверхдлиннофокусные. Кроме того, фокусное расстояние может быть фиксированным, переменным, моторизированным и fisheye.

• Фиксированное фокусное расстояние. Задается в процессе сборки на заводе и остается таким в процессе работы.
• Переменное фокусное расстояние. Например, в спецификациях может быть указано 2.7 ~ 13.5. Это значит, что фокусное расстояние можно менять в процессе эксплуатации, что дает больше возможностей для установки.
• Моторизованный. Оборудуется приводом (чаще всего сервоприводом), что позволяет удаленно управлять фокусом и масштабирование. Часто модели motor-zoom оснащаются системами оптической стабилизации, фокусировки и диафрагмой. Такие модели лучше всего подходят для объектов повышенной безопасности, поскольку позволяет за секунды масштабировать изображение.
• Fisheye. Это сверхширокоугольные объективы с углом обзора до 180°, из-за чего прямые линии в необработанной картинке искажаются и имеют вид дугообразных кривых. В камерах с объективом «рыбий глаз» картинка программное разделяется на отдельные каналы, одновременно с чем корректируется искажение. Fisheye-модель может заменить несколько обычных камер.

Форм-фактор IP-камеры

Разнообразие форм-факторов камер позволяет подобрать такую модель, которую будет удобно разместить на объекте. Камера может иметь стандартный, купольный, цилиндрический корпус, кубический или сферический корпус.

• Купольный корпус. Используется наиболее часто, поскольку такая модель аккуратно и компактно устанавливается на потолке, но с помощью кронштейна есть возможность монтажа на вертикальной поверхности.

• Цилиндрический корпус. Монтируется на поворотный кронштейн, задавая необходимое направление обзора. Часто оснащаются антивандальным и пыле и влагозащищенным корпусом с козырьком. Как правило, устанавливают на вертикальную поверхность – ограждение, стену, столб. 

• Кубический корпус. Подходит для установки в помещении, комплектуются кронштейном для монтажа на столе, стене или потолке.

• Сферический корпус. Этот форм-фактор позволяет регулировать направление съемки – шар поворачивается в нужную сторону без необходимости снимать купол. Объектив защищается специальным экраном.

• Отдельно стоит упомянуть поворотные PTZ-камеры, которые оснащаются приводом и программным обеспечением для изменения положения корпуса. Существует класс наиболее продвинутых камер с автотрекингом и детектором движения, которые могут находить объект наблюдения и сопровождать его через всю наблюдаемую территорию.

• Стандартный корпус. Это камеры без объектива и кронштейна, что необходимо для индивидуального подбора оснащения устройства, что позволяет расширить сферу применения камеры. Их также можно встраивать в термокожух для использования в уличных условиях. 

Существуют также узкоспециализированные камеры, которые нельзя отнести ни к одному стандартному форм-фактору – это, например, модели с выносным объективом (для ритейла).

Исполнение IP-камер

IP-камеры различаются также по месту установки – на улице, в помещении или транспорте. Так, уличные сетевые камеры соответствуют ряду требований:

• Корпус должен соответствовать международным стандартам по защите устройств от пыли и влаги International Protection Marking (IP). Первая цифра после маркировки IP определяет уровень защиты от пыли, вторая – от воды. Корпус IP-камеры должен иметь маркировки от IP54 до IP68.
• Диапазон рабочих температур  (при условии пылевлагозащиты по стандарту IP54 ~ IP68). Если нижняя граница в спецификации камеры указана минус 10 °С, значит камеру можно устанавливать в неотапливаемом помещении. При минус 20 °С – на улице. При минус 40 °С – камеру можно устанавливать практически везде, даже в районах Крайнего Севера (такие модели дополнительно имеют защиту  от коррозии и обледенения).

Транспортные IP-камеры – это особый вид видеооборудования, которое имеет защиту от вибраций. Такая техника также оборудуется надежными разъемами, часто резьбовыми М12. Все транспортные сетевые камеры сертифицируются.

Если камера не попадает в зону видимости сотрудников охраны, выбирают IP-камеры с антивандальной защитой – они маркируются IK10.