Раздел: СТОП-КАДР Тема: IP камеры видеонаблюдения Автор: Александр ЛЫТКИН
Как устроена IP-камера. Обзор мегапиксельных камер с КМОП-матрицей
Первое, что мы представляем себе при слове «видеонаблюдение», – это компактная CCTV-камера, смотрящая вниз с потолка или стены. Точно так же первым компонентом системы IP-видеонаблюдения является IP-камера. Скажем более, современная IP-камера сама может быть системой видеонаблюдения: сама снимать, сама записывать видео, сама отправлять уведомления о происходящих в кадре событиях. В этой главе вы узнаете, что находится внутри IP-камеры, какие IP-камеры бывают и по каким характеристикам их выбирать. Как устроена IP-камера Современная IP-камера является результатом объединения в одном корпусе камеры и небольшого компьютера. Принцип работы IP-камеры схематично выглядит так: объектив фокусирует изображение на светочувствительной матрице, которая преобразует оптическое изображение в электрический сигнал. После усиления сигнал передается процессору обработки для выравнивания яркости, цветности и других параметров. Далее видеопоток сжимается компрессором, после чего он готов к передаче во внешнюю сеть через Ethernet-контроллер. Всеми задачами управляет центральный процессор камеры, который помимо прочего осуществляет функции детекции движения, веб-сервера и многие другие. Как и любому компьютеру, IP-камере требуется операционная система. В качестве ОС IP-камеры обычно используют различные модификации Linux. Разберем каждый компонент камеры подробнее.
ИК-фильтр Сначала остановимся на небольшом устройстве, находящемся между матрицей и объективом камеры. Это оптический фильтр, или ИК-фильтр. Попросту говоря, это небольшая стеклянная пластина, которая не пропускает инфракрасный (ИК) свет на матрицу. Зачем она нужна? Дело в том, что матрицы чувствительны не только к видимому свету, но и к довольно большой части инфракрасного спектра. Если ИК-фильтр не устанавливать, то из-за попадания на матрицу инфракрасного спектра цвета полученного кадра будут искажены до неузнаваемости. Многие камеры оснащены специальным механическим приводом, который может устанавливать ИК-фильтр перед матрицей, а когда необходимо – его убирать. Зачем же его убирать? В ночное время, когда видимого света недостаточно, разумно убрать ИК-фильтр для того, чтобы получить дополнительный свет пусть и в ИК-диапазоне. При этом камера переводится в черно-белый режим, решая таким образом проблему искажения цветов. Этот тип камер называется камеры «день-ночь». Разные типы матриц имеют разную чувствительность к ИК-спектру и, соответственно, дают разный выигрыш в светочувствительности при убранном ИК-фильтре.
Матрица В настоящий момент CCTV-камеры используют 2 типа матриц: ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS). Для преобразования света в электрические заряды и ПЗС-, и КМОП-матрицы используют фотоэлементы. Различие же между этими матрицами заключается в том, как потом полученные электрические заряды считываются. ПЗС считывает сигнал путем последовательного переноса заряда от ячейки, где он был сформирован, на соседние, пока не дойдет до края матрицы, где будет передан на усилитель и процессор видеообработки. Представим: свет попал на фотодиод одного из пикселей ПЗС-матрицы. В результате этого образовалось несколько свободных электронов, т. е. отрицательный электрический заряд.
Этот заряд должен быть каким-то образом доставлен на усилитель и далее в процессор камеры. При этом речь идет не о токе, который может передаваться по проводам, а лишь о нескольких электронах, которые, прежде чем смогут быть куда-то переданы, должны быть усилены, т. е. преобразованы в напряжение. Итак, заряд от пикселя, где он был сформирован, сдвигается на соседний пиксель и далее движется последовательно от пикселя к пикселю, пока не дойдет до края матрицы. Затем он попадает в сдвиговый регистр и таким же образом переносится последовательно от ячейки к ячейке, пока наконец не дойдет до усилителя. Здесь заряд преобразуется в напряжение, которое дальше можно уже обрабатывать с помощью процессоров. В отличие от ПЗС каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет собственный транзистор, который преобразует заряд в электрический сигнал прямо на пикселе. Соответсвенно, в КМОП-матрицах нет такого понятия, как последовательный перенос, – считывание сигнала происходит непосредственно с пикселя. Сравним, какие преимущества дает каждая из этих технологий.
Преимущества ПЗС Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент матрицы КМОП. Каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов, которые забирают довольно большую площадь. Другими словами, ПЗС-матрица воспринимает больше света, чем КМОП-матрица, у которой большая площадь матрицы просто не чувствительна к свету. Следует сказать, однако, что технологии КМОП-матриц активно развиваются и на рынке появляются все более и более чувствительные матрицы, постепенно догоняя матрицы ПЗС. В настоящий момент существуют две основные технологии КМОП-матриц – это Active Pixel Sensor (APS) и Active Column Sensor (ACS). Как видно на иллюстрации, технология ACS-матрицы позволяет существенно увеличить площадь светочувствительного элемента по сравнению с матрицами APS. При выборе IP-камеры обращайте внимание не только на тип матрицы – ПЗС или КМОП, но также на технологию – ACS или APS. ACS-матрицы более чувствительны, чем APS. Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица имеет минимальное количество активных электронных элементов, которые в результате нагрева могли бы вызвать тепловой шум в кадре.
Преимущества КМОП Разрешение. В настоящее время доступны относительно недорогие КМОП-матрицы разрешением 10 мпикселей и более. При этом максимальное разрешение ПЗС-матриц, используемых в CCTV, составляет всего 1 мегапиксель. Камеры, использующие КМОП, существенно дешевле аналогов на ПЗС. Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшать габариты камер. Физический размер матрицы. Размер матрицы определяется длиной диагонали в дюймах. Современные матрицы могут иметь следующие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. Чем больше физический размер матрицы, тем больше света приходится на каждый пиксель, что положительно влияет на чувствительность камеры. Процессор обработки видеосигнала Процессор обработки видеосигнала присутствует не только в IP-, но и во всех аналоговых CCTV-камерах. Это важнейший модуль, который производит первичную обработку видеосигнала: корректирует яркость, цветность, контрастность изображения, а также выполняет более сложные операции. Вот некоторые популярные функции, выполняемые процессором обработки видеосигнала: AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемую картинку при низкой освещенности. Обычно диапазон регулировки ограничивается 10-кратным усилением, так как большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала. AWB (Automatic White Balance), или AWC (Automatic White Compensation), – автоматическая регулировка баланса белого цвета для нормализации цветопередачи. BLC (Back Light Compensation) / SBLC (SuperBLC) – компенсация фоновой засветки, которая позволяет выровнять освещенность объекта в условиях яркого заднего фона. DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) – цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон для получения качественной картинки в условиях, когда одна часть кадра темная, а вторая очень яркая. Процессор, осуществляющий компрессию Сжатие видеопотока обычно осуществляется отдельным DSP (Digital signal processor) процессором. DSP-чип помимо собственно процессора имеет свою память, в которую и загружаются программные алгоритмы, выполняющие компрессию. В настоящее время DSP-процессоры обладают довольно внушительной производительностью, которая позволяет вести сжатие мегапиксельных потоков в формате H.264 со скоростью 30 к/с. После сжатия поток передается управляющему ПО камеры для дальнейшей передачи в сеть или записи на встроенную флеш-карту. Центральный процессор камеры IP-камера, по сути, является небольшим автономным компьютером. И как любой компьютер, IP-камера обладает центральным процессором (CPU), памятью, операционной системой (обычно модифицированный Linux) и программным обеспечением («прошивкой»). Данный комплекс обеспечивает общее управление работой камеры, а также позволяет реализовать дополнительные пользовательские функции. Некоторые из таких функций мы перечислим ниже. Практически все IP-камеры имеют встроенный детектор движения, анализирующий видеопоток. Обычный масочный детектор движения является простой функцией, которая выполняется центральным процессором камеры. Также все больший интерес вызывает сложная видеоаналитика, такая как, например: детектор оставленных предметов, слежение за объектами и их классификация. И все чаще эти функции переносятся с серверов видеообработки на сторону камер. В этом случае аналитические алгоритмы, как правило, выполняются отдельным DSP-процессором. Перенос видеоаналитики на сторону камеры позволяет, во-первых, использовать для обработки более качественное несжатое видео, а во-вторых, существенно разгрузить устройство видеорегистрации. Если в IP-камеру вставить флеш-карту, то управляющее ПО сможет сохранять поток на карту в виде файлов, т. е. наша камера будет выступать в роли собственно камеры и одновременно в роли регистратора. Пользователь сможет через браузер своего компьютера подключиться к камере и настроить параметры записи видео: разрешение, скорость, детектор движения. Впоследствии он также через браузер сможет скачать сохраненные файлы видеоархивов с камеры на свой компьютер. Веб-сервер Веб-сервер – это специальная программа. Когда вы набираете в браузере адрес вашего любимого интернет-сайта, компьютер подключается к серверу и запрашивает необходимую информацию. В ответ программа «веб-сервер» отправляет нам HTML-страничку сайта. Аналогично этому, когда в адресной строке браузера мы указываем IP-адрес камеры, веб-сервер, работающий в камере, высылает нам HTML-страничку. На этой страничке мы видим настройки камеры и видеопоток. Программное обеспечение камеры позволяет управлять сухими контактами камеры – замыкать и размыкать выходные реле либо считывать состояние входных контактов.
Сетевой интерфейс Подключение IP-камеры к Ethernet-сетям осуществляется через сетевой адаптер. Многие адаптеры камер поддерживают также функцию PoE (Power over Ethernet), позволяя камере получать по одному кабелю не только данные, но и питание. Вопрос выбора камеры можно рассматривать с трех сторон: тип камеры, качество изображения, а также ее функциональные возможности. Рассмотрим данные вопросы подробнее. Тип камеры Тип камеры, или физическое исполнение камеры, определяет сферу ее применения. Существуют следующие основные типы камер: 1. Корпусная камера (Box Camera). 2. Купольная камера (Dome Camera). 3. Миниатюрная скрытая камера. 4. Немеханическая псевдоповоротная купольная камера. Оператор управляет поворотом камеры, как и в случае с PTZ-камерой. При этом камера физически не движется. Она оснащена широкоугольным объективом и захватывает всю панораму от 180° до 360° сразу. Оператор же перемещает лишь виртуальное окно с помощью ПО. 5. Скоростная поворотная купольная камера (PTZ, SpeedDome). Определившись с подходящим типом камеры, перейдем к самому интересному моменту – к параметрам, определяющим качество изображения.
Разрешение Как правило, выбор IP-камеры мы начинаем именно с разрешения, так как это наиболее наглядный показатель качества. Разрешение IP-камеры может достигать 10 мегапикселей, однако будьте внимательны: у большого числа мегапикселей есть не только плюсы, но и серьезные минусы: – необходим существенно более дорогой объектив; – пониженная скорость видеопередачи; – невысокая светочувствительность. Также обратите внимание на то, что иногда заявленное разрешение камеры бывает выше, чем разрешение самой матрицы. Как такое может быть? Берется, скажем, кадр 1280 х 720 и передается процессору камеры, который увеличивает разрешение кадра до 1920 х 1080, а недостающие пиксели вычисляет как среднее значение между соседними элементами. Этот метод называется интерполяцией и приводит к получению большого кадра с размытыми деталями. На финальное разрешение, получаемое на экране монитора, помимо матрицы влияет качество работы процессора видеообработки и качество компрессии. Реальное разрешение камеры измеряется в ТВ-линиях при тестировании. Для этого делают несколько видеозаписей испытательной таблицы в разных условиях освещенности, затем смотрят, на какой отметке линии тестового клина сливаются. Это и есть реальное разрешение камеры.
Светочувствительность Светочувствительность на сегодняшний день является одним из самых важных параметров при выборе IP-камеры. Мы привыкли к тому, что, установив недорогую аналоговую камеру на улице, ночью получаем более-менее приличную картинку. Поэтому часто большим сюрпризом становится тот факт, что, заменив эту старую камеру на IP, которая помимо прочего еще и стоит в несколько раз дороже, ночью вместо картинки мы видим «черный квадрат». При выборе камеры прежде всего нужно, конечно, обращать внимание на чувствительность, заявленную в спецификации. Уровень минимально необходимой освещенности измеряется в люксах. 1 люкс означает, что камера будет что-то показывать в сумерках, однако ночью без хорошей искусственной подсветки она ничего не увидит. Приемлемые показатели для камеры, которая будет устанавливаться на улицу, – это 0,01 лк и ниже. В таблице приведены некоторые ориентиры для сравнения.
Однако количество люксов довольно непросто измерить, поэтому не всегда указанная в спецификации чувствительность отражает реальные возможности камеры. Для того чтобы составить впечатление о чувствительности камеры, нужно обратить внимание на размер матрицы, а также на ее тип. Чем больше размер, тем лучше; CCD лучше, чем CMOS; ACS КМОП лучше, чем APS КМОП. Но самый надежный и рекомендуемый способ – это, конечно, провести тестирование, записав несколько тестовых роликов движущихся объектов в условиях недостаточной освещенности. Важно понимать, что в условиях недостаточной освещенности разрешающая способность камеры существенно ухудшается. Помимо этого появляется эффект смазывания движущихся объектов из-за увеличенной выдержки. Обычно, когда уровень освещенности снижается до заявленной чувствительности камеры, качество картинки падает до неприемлемого уровня. Скорость формирования кадров Скорость формирования кадров – это также довольно интересный и заслуживающий внимания параметр. В отличие от аналоговых камер, которые передают видео всегда в реалтайме со скоростью 25 или 30 к/с, далеко не все IP-камеры могут похвастаться такой скоростью. Так, например, камеры, имеющие очень высокое разрешении, не cмогут вести съемку со скоростью более чем 5–10 к/с. Это означает, что на мониторной стене у вас будет не видео, а обновляющиеся слайды. В данном случае приходится решать, что важнее: высокое разрешение или комфортная работа операторов. Возможности процессора обработки видеосигнала Как мы уже знаем, сигнал с матрицы обрабатывается видеопроцессором. Здесь происходят нормализация яркости, контрастности, шумоподавление и ряд других преобразований. От этой обработки во многом зависит итоговое качество видео. Здесь сложность заключается в том, что, глядя на спецификацию, сложно оценить качество обработки. Это можно сделать лишь косвенно по наличию таких функций, как 3D-DNR (система шумоподавления), цифровая стабилизация изображения, усовершенстованная система WDR (широкий динамический диапазон) и тому подобных. Теперь обратим внимание на функциональные возможности камеры.
Алгоритм сжатия Все больше камер поддерживает оба популярных кодека MJPEG и H.264. Наличие PoE. Если камера может быть запитана от коммутатора и не требует отдельного блока питания, то это является несомненным плюсом. Сейчас практически все камеры поддерживают PoE. Существует, однако, и обратная ситуация: некоторые компактные камеры поддерживают только PoE. В данном случае наличие PoE при отсутствии питания 12/24 В может быть минусом. Наличие аудиовхода или встроенного микрофона также является плюсом. Наличие флеш-карты и сухих контактов. Необходимо помнить, что наличие разъема для карты памяти и сухих контактов на задней панели камеры не гарантирует того, что мы сможем их как-то задействовать в системе. Если мы планируем использовать флеш-карту или сухие контакты, необходимо заранее уточнить у поставщика, может ли сама камера управлять контактами и можно ли использовать карту для записи в нужном нам режиме. Сможет ли программное обеспечение видеонаблюдения работать с картой и контактами данной модели камеры? Итак, обобщим список наиболее важных параметров IP-камеры: – Разрешение. – Светочувствительность. – Скорость формирования кадров. – Возможности процессора обработки видеосигнала. – Алгоритм сжатия. – Наличие PoE. – Наличие аудио. – Наличие аналогового выхода. – Наличие флеш-карты и сухих контактов. Что такое видеостример Существуют устройства, которые получают видео от аналоговых камер, оцифровывают его, сжимают и передают в сеть, т. е. преобразуют аналоговое видео в IP-поток. Это устройство называется видеостример. Часто его также называют видеосервер или видеокодер (videoencoder). Внутреннее устройство видеостримера аналогично устройству IP-камеры. По сути, это IP-камера без собственно камеры, т. е. без матрицы и процессора обработки видеосигнала. Видеостримеры часто применяются для того, чтобы подключить аналоговые камеры к системе IP-видеонаблюдения. Например, при модернизации объекта основная масса камер меняется на IP. Ряд же дорогостоящих скоростных поворотных купольных камер оставляют и подключают к новой системе через видеостример. Помимо собственно видеопотока стримеры позволяют передавать по IP-сетям аудиоданные, информацию о состоянии сухих контактов, а также сигналы телеметрии. www.secfocus.ru/shop/books/17183.htm
AVM428A (AVTECH) Купольная IP-видеокамера с охранными функциями. Чувствительная матрица CMOS SONY 1/2,9 '' и объектив 3,8 мм обеспечивают изображение 2 мпикс. Full HD 1920 х 1080 пикс. в режиме реального времени 25к/с. Форматы сжатия – H.264/MPEG4/MJPEG. Видеокамера поддерживает стандарт ONVIF, а также удаленное видеонаблюдение с мобильных устройств. Интеллектуальная ИК-подсветка до 10 м и ICR позволяют работать в полной темноте. Микрофон и громкоговоритель обеспечивают двухстороннюю аудиосвязь. Встроенный датчик движения на базе ПИК-детектора работает даже ночью и минимизирует ложные срабатывания. Вход/выход тревоги. Питание – 12 В или PoE.
AXIS P3367-V (Axis) Фиксированная купольная сетевая камера с возможностью работы в дневном и ночном режимах. Благодаря технологиям Axis по обработке изображений и повышенной светочувствительности датчика камера имеет светочувствительность разрешением 5 мегапикселей. Камера обеспечивает полную частоту кадров при HDTV с разрешением 1080p. Несколько видеопотоков как в формате H.264, так и в формате Motion JPEG могут передаваться одновременно. Камера имеет цифровое управление панорамированием, наклоном и зумом, поддерживает передачу мультивидов. Функция дистанционного масштабирования и счетчик пикселей гарантируют настройку оптимальных углов обзора для наблюдаемой зоны и необходимого разрешения.
APIX Box/M3 (Evidence) Корпусная видеокамера. 5 кадров/сек. (3 мпикс.) 25 кадров/сек. (FULL HD 1080P). Матрица 1/2.8” Progressive Scan CMOS. Разрешение 3 мпикс (2048 х 1536). Форматы сжатия H.264, M-JPEG. Функция «двойной поток». Двунаправленная передача аудио. Режим «день-ночь» (механический ИК-фильтр). Расширенный динамический диапазон (WDR). Цифровая система шумоподавления 3D DNR. Детектор движения. Маскирование приватных зон. Функция «антисаботаж». Аналоговый видеовыход BNC. Поддержка карт Micro SD. Питание – 12 В пост. / РоЕ.
VN-H57U – Super LoLux HD IP-видеокамера «день-ночь» (JVC) VN-H57U предназначена для видеосъемки в условиях пониженной освещенности. Оснащена 1/3” КМОП-матрицей Super LoLux HD™ с разрешением Full HD и чувствительностью 0,15/0,025 лк (механический ИК-фильтр). Видеокодеки H.264 High Profile, MPEG-4 и MJPEG, с возможностью передачи до трех потоков видео одновременно. Технологии C.L.V.I. и 3D DNR шумоподавление способны формировать детализированное видео в широком диапазоне освещенностей, компенсируя возникающие искажения в условиях тумана, дождя, дыма и т. д. Встроенный аппаратный интеллектуальный детектор (движение и звук (при наличии внешнего микрофона), вмешательство). Технология PoE, стандарты ONVIF и PSIA.
Samsung SND-7061 (Samsung) 3-мегапиксельная сетевая купольная Full HD-камера с объективом с переменным фокусным расстоянием 3 ~ 8 мм; 1/2.8" 3M КМОП-матрица с прогрессивным сканированием, программный режим «день-ночь», мин. освещенность 0.4 лк (F 1.2, 50 IRE). 2,8x варифокальный объектив (3 ~ 8,5 мм); H.264 и MJPEG, интеллектуальное сжатие, многопотоковая передача (до 5 профилей) 16:9 Full HD (1080p). Видеоаналитика, шумоподавление SSNR, компенсация фоновой засветки BLC, 4 программируемые области обнаружения движения, 12 настраиваемых зон конфиденциальности. Поддержка протоколов TCP/IP, UDP/IP, RTP(UDP), RTP(TCP), RTSP, NTP, HTTP, HTTPS, SSL, DHCP, PPPoE, FTP, SMTP, ICMP, IGMP, SNMPv1/v2c/v3(MIB-2), ARP, DNS,DDNS, HTTPS(SSL) ONVIF.
Full HD камеры SNC-CH220 и SNC-CH240 (Sony) Камеры оснащены 2Ю76 мегапиксельной CMOS-матрицей, созданной на базе технологии Exmor. Поддерживают кодеки H.264/MPEG-4/JPEG и обеспечивают передачу видео с максимальным разрешением 1920 х 1440 со скоростью до 30 к/с. Камеры оснащены встроенной видеоаналитикой, в функционал которой включен интеллектуальный детектор движения. Благодаря поддержке технологии DEPA Advanced, в SNC-CH240 заложена функция обнаружения предметов и правила обнаружения различных типов движения. Совместимы с отраслевым стандартом ONVIF. SNC-CH240 имеет на вооружении такие технологии, как View-DR, Visibility Enchancer (корректор разборчивости) и XDNR (динамическая система шумопонижения). Камеры поддерживают технологию PoE.
AV5155 – камера серии MegaDome (Arecont Vision) Матрица 5-Мп CMOS. Оптический формат 1/2". Разрешение до 2592 x 1944. До 12 кадр./сек. Чувствительность – 0,3 люкса @ F1.4. Включает в себя: мегапиксельную IP-камеру, вариофокальный объектив с фокусным расстоянием 4,5–10 мм (или 8–16), антивандальный кожух класса IP66. Антивандальный алюминиевый корпус с четырехдюймовым поликарбонатным колпаком, соответствует стандарту IP66. 3-осевое шарнирное крепление камеры с ручной регулировкой на 360 градусов и наклоном в 90 градусов дает возможность легкого и точного позиционирования. Компрессия MJPEG/H.264.
SMARTEC STC-IPM3097A (SMARTEC) 3-мегапиксельные IP-камеры видеонаблюдения SMARTEC STC-IPM3097A с сенсором Sony Exmor предназначены для видеосъемки на объектах, где требуется высокая детализация изображения. Они используют 1/3” КМОП-сенсор Sony Exmor, отключаемый ИК-фильтр и способны передавать одновременно до 3 потоков видео в форматах H.264 (High Profile), MPEG-4 и MJPEG со скоростью до 25 к/с при разрешении Full HD или 20 к/с – при QXGA(2048x1536) при освещенностях до 0.1 лк и черно-белое – до 0.01 лк. STC-IPM3097A оснащены микрофоном, аудиовыходом, USB и слотом microSD, поддерживают технологию PoE и ONVIF 2.0, интегрированы в большинство ПО, представленных на российском рынке.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев! Комментарии:

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 4.33  (голосов: 6)
Ваша оценка: