Все, що ви хотіли знати про IP-камери

IP-камера сьогодні є однією з найновіших розробок у сфері відеоспостереження та її популярність лише зростає. IP-камера поєднує в собі можливості звичайної камери та міні-комп'ютера, оскільки крім оптики вона обладнана центральним процесором, мережевим модулем, процесором стиснення та пропонує цілу низку інтелектуальних функцій.

[video-shortcode-jgNM1bk0eNc]

Принцип роботи IP-камер

Як і у звичайних камерах, в IP-моделях об'єктив фокусує картинку на матриці, яка у свою чергу перетворює світло на електричний сигнал. Він передається на процесор, що обробляє кольори, яскравість та інші параметри зображення. Після цього відео надходить на компресор, який стискає дані передачі їх через мережевий контролер.

Кожній IP-камері при підключенні надається власна IP-адреса, як і іншим пристроям, які працюють через інтернет. Він необхідний, щоб камера могла синхронізуватися з реєстратором, що відбувається за допомогою спеціальної програми або команди. Без IP-адреси забезпечити спільну роботу та доступ до камери з мобільних гаджетів буде неможливо.

Завдяки наявності цифрових компонентів функціональність IP-камери стає практично безмежною, дозволяючи отримувати доступ до її даних із будь-якої точки планети, де є інтернет.

З якими пристроями можуть працювати IP-камери

IP-камери забезпечують велику зручність та функціональність роботи завдяки можливості підключення:

• реєстратора , персонального комп'ютера або хмарного сховища даних. Користувач може вибрати найбільш підходящий варіант або використовувати кілька одночасно;
• роутера або комутатора за наявності, що підтримують мережевий протокол динамічного налаштування вузла. Завдяки цьому до реєстратора можна підключити кілька камер одночасно;
• адаптера , PoE-комутатора або реєстратора для отримання живлення. За допомогою PoE живлення та дані передаються одночасно з використанням витої пари.

Спосіб підключення до персонального комп'ютера залежить від кількості IP-камер. Якщо камера одна, достатньо використання LAN-інтерфейсу мережної карти. Якщо більше – до LAN підключають комутатор, а до нього – камери з присвоєнням IP-адрес.

Технології передачі даних у IP-камерах

Камери цього типу працюють за стеком протоколів TCP/IP. Це модель мережного підключення, яка має чотири рівні передачі інформації:

• прикладної - HTTP, RTSP, FTP, DNS та ін;
• транспортний - TCP, UDP, SCTP, DCCP та ін. (RIP, протоколи маршрутизації типу OSPF, що працюють поверх IP, - частина мережевого рівня);
• мережевий - IP (допоміжні протоколи, наприклад ICMP і IGMP, працюють поверх мережевого протоколу, але відносяться до мережного рівня, а ARP - самостійний допоміжний протокол, що працює поверх канального рівня);
• мережевий доступ – Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM та MPLS, фізичне середовище та принципи кодування інформації, T1, E1.

Транспортні протоколи

TCP – транспортний протокол, ефективність якого доведена випробуваннями. Вже перші досліди показали, що пакет даних пройшов TCP 150 тисяч кілометрів без найменших втрат. Протокол TCP за допомогою команд спочатку забезпечує підключення, а потім стартує трансляція. Має кілька важливих переваг – технологія перевіряє цілісність інформації та її послідовність, а також налаштовує швидкість передачі даних таким чином, щоб вони не відправлялися швидше, ніж їх можна прийняти, що запобігає збоям та втраті трафіку. Більше того, цей протокол може виправляти помилки шляхом відправлення дубля пакета, якщо частина даних була втрачена або видаляє зайвий пакет при відправленні двох однакових за однією і тією ж адресою.

UDP – це альтернатива протоколу TCP, але з меншим набором функцій. Перш за все він починає передачу даних без попередньої установки з'єднання, а також не контролює процес відправлення пакетів. Таким чином він працює швидше, але менш надійно.

RTP – протокол, який передає дані у режимі реального часу. З переваг – синхронізація інформації та виправлення послідовності передачі пакетів.

Таким чином, найбільш швидкими технологіями передачі в режимі реального часу є RTP або UDP. Але якщо мережа має проблеми, то найкращим вибором буде протокол TCP, який допомагає виправити помилки.

Протоколи сумісності

Щоб пристрої без проблем обмінювалися даними, вони мають бути сумісні. Так, техніка одного бренду сумісна за умовчанням. Для того, щоб IP-камери могли працювати з іншими пристроями, потрібна підтримка прикладних протоколів. Це, як правило, RTSP та ONVIF.

RTSP – прикладний протокол реального часу, головна функція якого – віддалене керування камерою сервером за допомогою опису команд. Цей стандарт не виконує стиснення, не має відношення до пакетів та визначення транспортного протоколу. По суті, трансляція – не частина RTSP, оскільки займається окремий стандартний протокол. RTSP-команди передаються за допомогою спеціального порту окремо від основного потоку.

Запити:

• Announce – оновлення даних опису вмісту.
• Describe – опис вмісту.
• Options – методи, що підтримуються.
• Play – початок передачі вмісту.
• Pause – тимчасова зупинка передачі.
• Record - запис вмісту сервером.
• Redirect – перенаправлення на інший вміст.
• Setup – встановлення транспортного механізму.
• Get_parameter – запит зазначених параметрів сервера.
• Set_parameter – встановлення параметрів сервера.
• Teardown – зупинка потоку, визволення ресурсів.

ONVIF – один із сучасних протоколів, який поєднує ряд готових технологій та стандартів (у тому числі, RTSP), які були спеціально адаптовані для IP-відеоспостереження. Під цю специфікацію було створено чотири профілі для чотирьох класів пристроїв:

• Profile S 0 для відеоджерел;
• Profile C – для СКУД;
• Profile G – для записуючих відеопристроїв;
• Profile Q – для пристроїв, сумісних із коробки.

Специфікації Profile S визначають:

• конфігурація мережного інтерфейсу;
• визначення техніки, сумісної з WS-Discovery;
• керування профілями IP-камери;
• налаштування потокової трансляції;
• аналіз подій;
• PTZ-команди;
• захист (доступ, шифрування).

ІР-камера, яка має інтегрований архів, відповідає вимогам двох профілів.

Способи передачі сигналу IP-камерою

IP-камера може пропонувати три способи трансляції відеосигналу: дротовий, бездротовий та гібридний (об'єднує дротовий та бездротовий).

Найбільш стабільну передачу даних забезпечує провідне з'єднання, але має обмеження, пов'язані з довжиною кабелю. Віта пара – 100 метрів, коаксіальний кабель – 500 метрів. Найбільша відстань забезпечує оптоволокно – 100 кілометрів (без комутаторів та повторювачів).

Бездротову передачу даних в IP-камері інтегрований WiFi-модуль (як правило) та/або 3G/4G-модуль. Це пропонує можливість зручнішого розміщення камер, але дальність сигналу обмежуватиметься фізичними перешкодами, наприклад, стінами та електромагнітними перешкодами.

Гібридні моделі, які поєднують дротові та бездротові технології передачі даних, пропонують найвищий рівень надійності роботи локальної мережі.

Ethernet: локальна провідна мережа для роботи IP-камер

IP-камера підключається до мережі Ethernet, яка об'єднує всіх користувачів у локальну мережу (LAN), забезпечуючи пакетну трансляцію інформації. Таким чином, створюючи систему відеоспостереження з IP-камер, ви можете використовувати вже наявну локальну мережу об'єкта, до якої підключено комп'ютери та інші пристрої.

Ethernet описується стандартами групи IEEE 802, що визначають формат кадрів та протоколи управління доступом до середовища на канальному рівні схеми взаємодії пристроїв один з одним.

Наведемо список основних мережевих модифікацій протоколів (із зазначенням максимальної довжини сегмента).

1. По кручений парі :

• Ethernet, 10 Мбіт/с: 10BASE-T - Cat. 3 і вище, 10BASE-T - дві скручені кручені пари Cat. 3 або Cat. 5 (100 м).
• Fast Ethernet, 100 Мбіт/с: 100BASE-T - Cat. 3 та Cat. 5 (100 м).
• Gigabit Ethernet, 1000 Мбіт/с: 1000BASE-T - Cat. 5e (100 м).
• Проміжні стандарти Ethernet, 2.5 Гбіт/с та 5 Гбіт/с відповідно: 2.5 GBASE-Т та 5GBASE-Т — Cat 5e та Cat 6 (100 м).
• 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбіт/с: 10GBASE-T - cat. 6 (55 м) та 6а (100 м).

2. По коаксіальному кабелю зі швидкістю 10 Мбіт/с: 10BASE5 - RG-58 (до 185 м), 10BASE2 - RG-8 (500 м).

3. По оптичному кабелю (одномодове - волокно з основним діаметром серцевини в 7-10 разів перевищує довжину хвилі світла, що проходить по ньому, багатомодове - волокно з великим діаметром серцевини, що проводить промені світла завдяки повному внутрішньому відображенню):

• Ethernet, 10 Мбіт/с: FOIRL – до 1 км, 10BASE-FL – до 2 км.
• Fast Ethernet, 100 Мбіт/с: 100BASE-FX – багатомодове волокно, 400 м/2 км (напівдуплекс/дуплекс*), 100BASE-SX – багатомодове волокно, 2 км/10 км (напівдуплекс/дуплекс), 100BA одномодове волокно (переважне використання – приймачі).
• Gigabit Ethernet, 1000 Мбіт/с: 1000BASE-SX - багатомодове волокно (500 м), 1000BASE-LX - багатомодове волокно (550 м), одномодове волокно (5 км), 1000BASE-LH - одномодове волокно (10
• 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбіт/с: кілька стандартів від 26 м до 40 км.

Мережі Ethernet з більш швидкісною трансляцією для систем відеоспостереження поки що не застосовують.

*Дуплексний спосіб обміну даними - відправка та прийом одночасно по двох каналах зв'язку, напівдуплексний - по одному каналу по черзі.

Щоб забезпечити передачу даних з використанням коаксіального та оптоволоконного кабелів, використовується подовжувач сигналу для коаксіального кабелю та SFP-модуль для оптоволоконного. Зустрічаються IP-камери з вже інтегрованим оптоволоконним портом, але найчастіше мережу монтують на рівні комутаторів із SFP-портами.

Можливості IP-камер відеоспостереження

Сьогодні багато хто віддає перевагу IP-відеоспостереженню, і не випадково, оскільки воно надає безліч можливостей. Головна перевага IP-камери – цифровий сигнал передається від світлочутливої матриці до сервера. Серед інших переваг мережної камери слід виділити такі:

• Масштабованість системи: один кабель може передавати кілька потоків.
• Камера забезпечує чітке, деталізоване зображення.
• Передбачено безліч опцій підвищення якості картинки (WDR, BLC, HLC, EIS, DIS, DNR etc).
• Мінімум перешкод та стабільність трансляції.
• Захист трансляції шляхом використання кодування та шифрування.
• Висока швидкість трансляції – до 50 кадрів за секунду, що робить відео дуже інформативним.
• IP-камеру можна налаштовувати та керувати нею віддалено.
• Мережеві системи відеоспостереження можуть надсилати тривожні сигнали на телефон або електронну пошту.

Відеоаналітика – для підвищення ефективності відеосистеми

IP-камери не лише записують та передають зображення, але й можуть його аналізувати. Завдяки аналітичному ядру IP-камера може ідентифікувати рух та зміни у кадрі, розпізнавати особи, порівнюючи їх із базою даних, визначати номери транспортних засобів і навіть аналізувати поведінку тих чи інших об'єктів у кадрі.

Якщо камера має інтегрований детектор руху або опцію створення віртуальної лінії, її можна налаштувати таким чином, щоб зйомка включалася тільки при детекції руху або перетині лінії. Завдяки цьому економиться місце у сховищі, смуга пропускання, а також час оператора на перегляд гігабайтів записів.

Компресія

Ще одна важлива перевага мережевої камери – її здатність стискати відеопотік, навіщо передбачені відеокодеки. Звичайні камери спостереження транслюють несжатий сигнал, навантажуючи систему та вимагаючи високої потужності. Крім того, несжатий аналоговий відеопотік потребує перетворення, що обов'язково призведе до погіршення якості зображення. Мережеві камери не обмежуються використанням аналогових стандартів.

Серед кодеків, що найчастіше використовуються:

• JPEG – для статичної картинки;
• MJPEG – для динамічного зображення;
• пропрієтарні - H.264, H.265 (платні).

Найбільш сильне стиснення пропонує кодек H.265, але його використання буде виправдане тільки при високій роздільній здатності зображенні. Для картинки 2 Мп і нижче використовувати його необов'язково. Однак сьогодні кодеки продовжують удосконалюватися, пропонуючи все інтелектуальніші технології.

Внутрішній відеоархів Edge Storage

IP-камери обов'язково обладнуються власним сховищем даних, що має забезпечити автономність роботи без підключення до реєстратора чи комп'ютера. Edge Storage – це локальне сховище даних, відеопотік записується на вбудовану картку пам'яті. Таке сховище дозволяє дублювати архів, що запобігає втраті важливих даних у разі проблем зі з'єднанням. IP-камери мають слот для картки пам'яті microSD/SDHC/SDXC або USB-порт для підключення флешки.

Багатопотокова трансляція

Мережеві камери передають одночасно кілька потоків, як мінімум їх буде два: основний потік у повній роздільній здатності записується в архів, субпотік з меншою роздільною здатністю транслюється на монітор. Найчастіше мережеві камери забезпечують передачу трьох потоків відразу – для запису, монітор, і навіть для трансляції на мобільний гаджет. При цьому є камери, які підтримують одночасно до десяти потоків. Якщо передбачені сенсори, то кожного з них визначається свій потік, що дозволяє знизити навантаження на сервер і мережу.

Режим коридору

Найчастіше в мережевих камерах передбачений режим коридору, у якому включається вертикальна орієнтація відео, тобто 9:16 замість 16:9. Це важливо, якщо необхідно проводити спостереження за переміщеннями в коридорах, тунелях та інших подібних об'єктах. Дізнатися, чи модель має такий режим, можна в її специфікаціях. Якщо режим не підтримується камерою, додати його програмно не вдасться, оскільки режим повинен бути передбачений на апаратному рівні.

Аудіо

Як правило, мережні камери обладнуються як мінімум одним аудіовходом, нерідко відразу декількома, тобто IP-камери можуть записувати та транслювати аудіосигнал на реєстратор. Найбільш просунуті моделі мають інтегрований мікрофон, але якщо така необхідність виникне, мікрофон можна під'єднати до будь-якої IP-камери. Це може бути односпрямований мікрофон, двонаправлений або професійний всеспрямований мікрофон – конкретна модель визначається завданнями.

Наявність аудіовходу дає ще одну перевагу – додаткові аналітичні функції. Так, камера може визначати перевищення або зниження звукового порога, який налаштовується оператором відеоспостереження. Такі камери надсилатимуть сигнали тривоги в систему при детекції, наприклад, крику, пострілу, вибуху або розбитого скла.

CMOS-матриця

Матриця – головна деталь будь-якої відеокамери, оскільки вона трансформує світло в електричний сигнал. Матриця – це особлива інтегральна мікросхема, що складається із світлочутливих фотодіодів. Якість матриці відіграє важливу роль у відеотехніці, оскільки за неякісної матриці навіть потужний процесор не зможе його покращити.

CMOS-матриці мають ряд переваг:

• нижча ціна, в порівнянні з CCD-матрицями, особливо при великих розмірах;
• високоякісна передача кольору;
• технологія прогресивного сканування;
• низьке енергоспоживання, що особливо важливо в автономних системах та камерах, які запускають запис сигналу детектора;
• висока швидкодія;
• висока чутливість в умовах низького освітлення завдяки посиленим каскадам (розташування схем у будь-якому місці в ланцюжку трансляції сигналу), можливість зміни коефіцієнта підсилення для кожного кольору, покращене балансування білого;
• єдність технології з іншою технікою, можливість об'єднання на одному кристалі цифрової, аналогової та обробної частин;
• низькі вимоги до ширини смуги пропускання; опція зниження бітрейту;
• висока швидкість кадрованого зчитування, що підвищує швидкість запису потоку є функція фокусування вручну;
• Прогресивна розгортка – спосіб відтворення, трансляції та зберігання динамічної картинки з послідовним відображенням всіх рядків кадру. Такий підхід вимагає вдвічі більшої смуги пропускання, ніж черезрядкова розгортка, проте плюси цієї технології однозначно переважують єдиний мінус.

Переваги Progressive Scan

Дозволяє усунути мерехтіння і «гребінку», які заважають розглянути об'єкт, що переміщається. При цьому немає необхідності використовувати згладжування зображення, що може спотворювати його.

• Збереження всіх кадрів цілими (без поділу на два поля).
• Якісне збільшення картинки для отримання більшого дозволу.

Розмір матриці також відіграє важливу роль. Її розмір визначається у дюймах у вигляді дробу. Чим менший знаменник, тим краще, оскільки це вказує на більший розмір сенсора, завдяки чому вдасться отримати якіснішу картинку. Однак чим більший сенсор, тим вища ціна камери і тим вона важча. З великим сенсором ви отримуєте більший кут огляду, оптимальну передачу кольору і більш високе співвідношення сигнал/шум.

Найбільш популярні формати:

• 1/2" - забезпечує достатню світлочутливість у більшості випадків;
• 1/3" – хороша продуктивність при недостатній освітленості та високій частоті кадрів;
• 1/4" – мінімальний розмір та низька чутливість.

Камери з кількома сенсорами будуються на кількох матрицях – це дозволяє отримати панорамне зображення або знімки кількох сцен однієї IP-камерою.

Дозвіл IP-камери

Один із найважливіших параметрів, на який варто звертати увагу – дозвіл матриці. Чим воно вище, тим якіснішим і деталізованішим буде відео. Однак у більшості випадків достатньо роздільної здатності Full HD (2 Мп), яка підтримується практично всіма сучасними моніторами. Однак сьогодні відеотехніка пропонує такі стандарти дозволу:

• HD (720p) – 1280×720 (1 Мп) – середня роздільна здатність, підходить для загальної оцінки області спостереження.
• SXGA (960p) – 1280×960 (1.3 Мп) – більше пікселів по вертикалі, що дозволяє отримати сцену, витягнуту вгору.
• Full HD (1080p) – 1920×1080 (2 Мп) – дозволяє ідентифікувати особи людей.
• Quad HD (1440p) – 2560×1440 (4 Мп) – покращена деталізація при середніх вимогах до пропускної спроможності мережі.
• 5MP – 2560×1920 (5 Мп) – висока деталізація, чітка картинка.
• 4K UHD або Ultra HD (2160p) – 3840×2160 (8 Мп) – найвища сьогодні якість зображення, що дозволяє розглянути найдрібніші деталі, а також використовувати цифровий зум.

Оскільки технологічний процес не стоїть на місці, то кількість ефективних пікселів у фото- та відеотехніці постійно збільшується. Але слід враховувати, що максимально висока роздільна здатність виправдана не на всіх об'єктах, а там, де, наприклад, важливо чітко ідентифікувати номер на авто з великої відстані або гідність купюри, постійно масштабуючи зображення.

Об'єктиви IP-камер

Конструкція об'єктива є складною системою лінз, які укладені в оправу. Вони взаємно компенсують оптичне спотворення. Об'єктив збирає та проектує світло на світлочутливу матрицю, яка формує оптичну картинку.

При виборі об'єктива необхідно враховувати його фокусну відстань (міліметри). Цей показник визначає кут огляду та масштаб зображення. Фокусна відстань – це відстань від осі комплекту лінз до фокусу (точки перетину спочатку паралельних променів після проходження через об'єктив).

Отже, що менше фокусна відстань, то більше вписувалося поле огляду. Наприклад, об'єктив 2.8 мм забезпечує кут огляду камери приблизно 100º. Чим вище фокус камери, тим менший кут огляду, але більша відстань зйомки до об'єкта спостереження. Тому необхідно вибирати об'єктив відповідно до характеристик об'єкта спостереження.

Оскільки завдання систем спостереження можуть бути різними, IP-камери пропонують велику різноманітність об'єктивів - короткофокусні, довгофокусні, наддовгофокусні. Крім того, фокусна відстань може бути фіксованою, змінною, моторизованою і fisheye.

• Фіксована фокусна відстань. Задається в процесі збирання на заводі і залишається таким у процесі роботи.
• Змінна фокусна відстань. Наприклад, у специфікаціях може бути зазначено 2.7 ~ 13.5. Це означає, що фокусну відстань можна змінювати в процесі експлуатації, що дає більше можливостей для встановлення.
• Моторизований . Обладнується приводом (найчастіше сервоприводом), що дозволяє дистанційно керувати фокусом і масштабування. Часто моделі motor-zoom оснащуються системами оптичної стабілізації, фокусування та діафрагмою. Такі моделі найкраще підходять для об'єктів підвищеної безпеки, оскільки дозволяє за секунди масштабувати зображення.
• Fisheye . Це надширококутні об'єктиви з кутом огляду до 180 °, через що прямі лінії в необробленій картинці спотворюються і мають вигляд дугоподібних кривих. У камерах з об'єктивом «риб'яче око» програмне зображення розділяється на окремі канали, одночасно з чим коригується спотворення. Fisheye модель може замінити кілька звичайних камер.

Форм-фактор IP-камери

Різноманітність форм-факторів камер дозволяє підібрати таку модель, яку зручно розмістити на об'єкті. Камера може мати стандартний, купольний, циліндричний, кубічний або сферичний корпус.

• Купольний корпус . Найчастіше використовується, оскільки така модель акуратно і компактно встановлюється на стелі, але за допомогою кронштейна є можливість монтажу на вертикальній поверхні.

• Циліндричний корпус . Монтується на поворотний кронштейн, задаючи необхідний напрямок огляду. Часто оснащуються антивандальним та пилом і вологозахищеним корпусом з козирком. Як правило, встановлюють на вертикальну поверхню – огорожу, стіну, стовп.

• Кубічний корпус . Підходить для встановлення в приміщенні, комплектується кронштейном для монтажу на столі, стіні або стелі.

• Сферичний корпус . Цей форм-фактор дозволяє регулювати напрямок зйомки – куля повертається у потрібну сторону без необхідності знімати купол. Об'єктив захищається спеціальним екраном.

• Окремо варто згадати поворотні PTZ-камери, які оснащуються приводом та програмним забезпеченням для зміни положення корпусу. Існує клас найбільш просунутих камер з автотрекінгом і детектором руху, які можуть знаходити об'єкт спостереження та супроводжувати його через всю територію, що спостерігається.

• Стандартний корпус . Це камери без об'єктиву та кронштейна, що необхідно для індивідуального підбору обладнання, що дозволяє розширити сферу застосування камери. Їх також можна вбудовувати в термокожух для використання у вуличних умовах.

Існують також вузькоспеціалізовані камери, які не можна віднести до жодного стандартного форм-фактора – це, наприклад, моделі з виносним об'єктивом (для рітейлу).

Виконання IP-камер

IP-камери розрізняються також за місцем встановлення – на вулиці, у приміщенні чи транспорті. Так, вуличні мережеві камери відповідають низці вимог:

• Корпус повинен відповідати міжнародним стандартам захисту пристроїв від пилу та вологи International Protection Marking (IP). Перша цифра після маркування IP визначає рівень захисту від пилу, друга – від води. Корпус IP-камери повинен мати маркування від IP54 до IP68.
• Діапазон робочих температур (за умови пиловологозахисту за стандартом IP54 ~ IP68). Якщо нижня межа специфікації камери вказана мінус 10 °С, значить камеру можна встановлювати в неопалюваному приміщенні. За мінус 20 °С – на вулиці. При мінус 40 ° С - камеру можна встановлювати практично скрізь, навіть у районах Крайньої Півночі (такі моделі додатково мають захист від корозії та зледеніння).

Транспортні IP-камери – це особливий вид відеообладнання, що має захист від вібрацій. Така техніка також обладнується надійними роз'ємами, часто різьбовими М12. Усі транспортні мережеві камери сертифікуються.

Якщо камера не потрапляє в зону видимості працівників охорони, вибирають IP-камери з антивандальним захистом – вони маркуються IK10.