IP-камера: что это такое, как работает, какие бывают IP-камеры

IP-камера видеонаблюдения снимает видео и транслирует видеопоток в цифровом формате с использованием сетевого протокола, обеспечивающего маршрутизацию пакетов. По сути IP-камера — камера видеонаблюдения плюс мини-компьютер. Состоит из матрицы, объектива, центрального процессора, процессора обработки, процессора сжатия, сетевого интерфейса.

Принцип работы

Объектив фокусирует изображение на матрице. Матрица преобразует цвет в электрический сигнал. Сигнал поступает на процессор для обработки цветности, яркости и др. Видеопоток поступает на компрессор. Компрессор сжимает поток — теперь данные готовы к передаче в сеть через Ethernet-контроллер.

У каждой IP-камеры есть собственный IP-адрес, передаваемый с подключением и используемый для синхронизации с регистратором: с помощью команды или специальной программы регистратор использует IP-адрес камеры и подключается по нему. Без IP-адреса невозможно настроить оборудование на совместную работу, получить доступ с мобильного устройства.

К чему подключают IP-камеры

IP-камера транслирует видеопоток на регистратор (сервер), персональный компьютер (при наличии соответствующего ПО), в облако (SaaS-решение; программное обеспечение как услуга).

Несколько IP-камер подключают к регистратору через роутер, коммутатор или каждую в отдельный порт (если есть). Роутер или коммутатор с поддержкой сетевого протокола динамической настройки узла автоматически раздает адреса и другие сетевые настройки.

PoE-интерфейсы на четыре IP-камеры

Подключение к ПК зависит от количества: если камера одна, подключают в LAN-интерфейс сетевой карты, если несколько, к LAN подключают коммутатор, а уже к нему — камеры, после чего выполняют сетевое подключение с присвоением каждой нового адреса.

Механизмы передачи данных, сеть и протоколы

IP-камеры работают по стеку протоколов TCP/IP. TCP/IP — сетевая модель с четырьмя уровнями прохождения данных: прикладным, транспортным, сетевым, сетевого доступа.

Распределение протоколов по уровням:

1. Прикладной — HTTP, RTSP, FTP, DNS и др.
2. Транспортный — TCP, UDP, SCTP, DCCP и др. (RIP, протоколы маршрутизации типа OSPF, работающие поверх IP, — часть сетевого уровня).
3. 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).
4. Уровень сетевого доступа — Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS, физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1.

Транспортные протоколы

TCP — гарантированный протокол (на первых испытаниях пакет прошел 150 000 км, не потеряв ни единого бита информации), с помощью команд предварительно устанавливает соединение, после чего начинает передачу данных; следит за сохранностью данных и их последовательностью, регулирует скорость трансляции, чтобы данные не передавались интенсивнее, чем их можно принять. Исправляет ошибки — отсылает дубль, если пакет потерян, и исправляет ошибку, если пришло два одинаковых пакета по одному адресу.

RTP — протокол передачи трафика в реальном времени. Предусматривает синхронизацию данных и коррекцию последовательности доставки пакетов.

UDP — альтернатива TCP, но не устанавливает предварительное соединение, а сразу начинает трансляцию. Не следит за получением данных и не дублирует на случай восстановления потерянного пакета. Менее надежен, но быстрее.

Протоколы совместимости

Устройства одного производителя совместимы по умолчанию. Для совместимости с устройствами другого производителя IP-камеры поддерживают прикладные протоколы. В основном RTSP и ONVIF.

RTSP — прикладной протокол для удаленного управления. Предусматривает исключительно управление сервером. Не имеет отношения к сжатию, пакетам, определению транспортного протокола. Передача данных как таковая не часть RTSP — для этого есть стандартный транспортный протокол реального времени. RTSP-запросы идут отдельно от потока — через специальный порт.

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 — современный стандарт. Представляет собой объединение готовых технологий и протоколов (в том числе, RTSP), адаптированных к IP-видеонаблюдению. В рамках спецификаций разработано четыре профиля: Profile S — для видеоисточников, Profile C — для СКУД, Profile G — для записывающих видеоустройств, Profile Q — для устройств, совместимых «из коробки».

Спецификации Profile S определяют:

• Конфигурирование сетевого интерфейса.
• Обнаружение устройств по протоколу WS-Discovery.
• Управление профилями работы камеры.
• Настройку потоковой передачи.
• Обработку событий.
• PTZ-управление.
• Защиту (доступ, шифрование).

Камера с внутренним архивом отвечает требованиям двух профилей спецификаций.

Способы передачи сигнала

Есть три способа: проводной, беспроводной и гибридный.

Проводное соединение обеспечивает стабильную и высокоскоростную трансляцию, но требует прокладки сетей, ограниченных по длине типом кабеля: 100 м — для витой пары, 500 м — для коаксиала, 100 км — для оптоволокна (без учета повторителей или коммутаторов).

Беспроводные IP-камеры работают по Wi-Fi (чаще всего) или в мобильных сетях 3G и 4G. Дальность передачи ограничена и снижается из-за физических преград в направлении роутера и электромагнитных помех.

Ethernet: среда передачи данных

IP-камера работает в сети Ethernet — технологии, объединяющей устройства в локальную сеть (LAN) для пакетной передачи данных. Системе видеонаблюдения, построенной на базе IP-камер, достаточно обычной локальной сети офиса, привычно соединяющей компьютеры.

Ethernet описана стандартами группы IEEE 802.3. Стандарты определяют формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели взаимодействия устройств друг с другом.

Краткий перечень сетевых модификаций стандартов (указана максимальная длина 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).

Сетевой разъем IP-камеры

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 больше длины волны, проходящего по нему света, многомодовое — волокно с большим диаметром сердцевины, проводящей лучи света за счет полного внутреннего отражения):

• 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.

Более скоростной Ethernet в видеонаблюдении пока не используют.

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

Возможности сетевых камер

Основное отличие и первое преимущество сетевой камеры — цифровой видеосигнал от светочувствительной матрицы к серверу.

Основные преимущества:

• Масштабируемость системы: множество потоков идут по одному кабелю.
• Картинка с высокой детализацией.
• Широкий набор цифровых и аппаратных функций улучшения изображения (WDR, BLC, HLC, EIS, DIS, DNR etc).
• Стабильность качества изображения при трансляции.
• Низкий уровень помех.
• Защищенность передачи, обеспеченная кодировщиками и технологиями шифрования.
• Высокая скорость — до 50 к/с и выше, что существенно повышает информативность картинки.
• Трансляция сигнала без потери четкости изображения.
• Системы обработки тревожных сигналов для своевременных уведомлений на e-mail или смартфон.
• Настройка и управление камерой на расстоянии.

Видеоаналитика

В IP-камеры закладывают аналитические функции — от простого детектора движения, анализирующего изменения в кадре, до распознавания лиц, автомобильных номеров и анализа поведения.

Компрессия

В отличие от традиционных камер видеонаблюдения, IP-камеры сжимают поток — обрабатывают его на борту видеокодеками. Традиционные передают несжатый сигнал, нагружая сервер, требуя высоких мощностей. Несжатый аналоговый сигнал нуждается в преобразовании — с неизбежными потерями в качестве. IP-камеры не ограничены аналоговыми видеостандартами.

Наиболее распространенные видеокодеки: для статического изображения — JPEG, динамического (в движении) — MJPEG и проприетарные (платные) — H.264, H.265. Самую сильную компрессию демонстрирует H.265, но он наиболее эффективен на высоком разрешении, а для 2 Мп практически не нужен. Разработчики продолжают совершенствовать кодеки и технологии интеллектуального сжатия.

Внутренний видеоархив Edge Storage

Edge Storage — локальное хранение информации, запись видео на встроенную карту памяти; создание дубля архива для страховки при разрыве соединения. При необходимости IP-камера работает автономно — без подключения к видеорегистратору или ПК, в ней предусмотрен слот для карты памяти формата microSD/SDHC/SDXC или USB-порт для подключения флэшки.

Слот для SD-карты

Многопотоковая трансляция

IP-камеры транслируют не один поток, а несколько — как минимум два потока: основной в полном разрешении под запись и субпоток меньшего разрешения для монитора. Большинство камер поддерживают 3-потоковую трансляцию — на запись, на монитор, на мобильное устройство, а некоторые модели — до десяти потоков. Различным детекторам выделяют отдельные потоки, чтобы снизить нагрузку на сервер и сеть.

Режим коридора

Режим коридора — вертикальное отображение видео, 9:16 вместо 16:9. В этом режиме удобно просматривать съемку коридора, тоннеля и так далее. Поддержку режима указывают в спецификации. Если режим коридора не указан, программно функцию не получить — требуемое разрешение закладывают на аппаратном уровне.

Аудио

В основном IP-камеры укомплектованы одним или несколькими аудиовходами и аудиовыходами, передают аудиофайлы на регистратор и принимают аудиосигнал. В некоторых моделях уже встроен микрофон, но при необходимости к каждой камере с аудиовходом можно подключить профессиональный всенаправленный, двунаправленный или однонаправленный микрофон (зависит от задачи).

Аудиовыход

Есть аналитические функции, работающие конкретно со звуком, определяющие превышение или занижение звукового порога (порог задает пользователь в настройках), крик, разбитие стекла, выстрел, взрыв и другие резкие звуки и создающие тревожные события с отправкой в систему.

CMOS-матрица

Матрица — основной элемент камеры, преобразует свет в электричество, представляет собой специализированную интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов и работающую по определенной технологии. Значение матрицы велико: даже с мощным процессором, если сенсор выдает плохое изображение, улучшить его невозможно.

Преимущества CMOS-матриц:

• Ниже стоимость, чем у CCD-матриц, особенно при больших размерах.
• Технология прогрессивного сканирования.
• Единство технологии с прочими цифровыми устройствами; возможность объединения на одном кристалле цифровой, аналоговой и обрабатывающей части.
• Высокое качество цветопередачи.
• Низкое энергопотребление, что особенно важно в IP-камерах, начинающих съемку по сигналу детектора, в энергонезависимых устройствах видеонаблюдения и СКУД.
• Высокая скорость кадрированного считывания, увеличивающая скорость записи, возможность качественной ручной фокусировки.
• Повышенная чувствительность в условиях недостаточного освещения за счет усиленных каскадов (размещение схем в любом месте в цепи прохождения сигнала), возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета, улучшенная балансировка белого.
• Высокое быстродействие.
• Низкие требования к ширине полосы пропускания, возможность уменьшить битрейт.

Прогрессивное развертка — метод отображения, передачи и хранения движущихся изображений с последовательным отображением всех строк кадра. Это требует вдвое большей, чем чересстрочная развертка, полосы пропускания, однако преимущества метода значительно перевешивают недостаток.

Преимущества Progressive Scan:

• Отсутствие «гребенки» или мерцания на перемещающемся объекте, нет нужды применять сглаживание картинки, внося искажения.
• Качественное увеличение изображения до большего разрешения.
• Целостное сохранение каждого кадра (нет разделения на два поля).

Важен и размер матрицы. Размер указывают в дюймах — в виде дроби. Чем меньше знаменатель, тем больше размер сенсора, тем лучше (но дороже и тяжелее) база: оптимальная цветопередача, выше соотношение сигнал/шум, качественнее изображение, больший угол обзора при объективе с одинаковым фокусным расстоянием.

Наиболее популярные форматы:

• 1/2" — достаточная в большинстве случаев светочувствительность.
• 1/3" — хорошая производительность при слабом освещении и высокой частоте кадров.
• 1/4" — минимальный размер и низкая чувствительность.

Многосенсорные камеры построены на нескольких матрицах — для получения панорамы или нескольких сцен с одной камеры.

Разрешение

Чем выше разрешение матрицы, тем выше качество и детализация изображения (особенно заметно при увеличении фрагментов на мониторе). Зачастую достаточно разрешения 2 Мп (Full HD), поддерживаемого большинством современных мониторов.

Наиболее распространенное разрешение:

• HD (720p) — 1280×720 (1 Мп) — средняя разрешающая способность, подходит для общей оценки области наблюдения.
• SXGA (960p) — 1280×960 (1.3 Мп) — увеличенное количество пикселей по вертикали для специфической, вытянутой вверх, сцены.
• Full HD (1080p) — 1920×1080 (2 Мп) — разрешение с возможностью идентификации человека.
• 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) — отличное качество изображения, распознавание мелких деталей, возможность использования цифрового зума.

С развитием цифровых технологий тенденция к увеличению числа эффективных пикселей растет, хотя высокое разрешение актуально только на объектах, где нужно четко видеть достоинство и номер купюры, распознавать автономер на большом расстоянии, постоянно масштабировать картинку.

Объективы

Конструктивно объектив представляет собой сложную систему линз, заключенных в оправу и взаимно компенсирующих оптические искажения. Собирает и проецирует световую энергию на светочувствительную матрицу для формирования оптического изображения.

Главный параметр — фокусное расстояние (измеряют в миллиметрах), определяющее угол обзора и масштаб изображения. Представляет собой расстояние от оси комплекта линз до фокуса (точки пересечения первоначально параллельных лучей после прохождения через объектив). Чем меньше фокусное расстояние, тем больше поле обзора. Объектив 2.8 мм обеспечивает видеонаблюдение в секторе с углом обзора ~ 100º. Чем выше фокус камеры (например, 8 мм), тем меньше угол обзора, но больше нужное для качественной съемки расстояние до объекта наблюдения.

С фиксированным фокусным расстоянием

Фокусное расстояние задают в процессе сборки на заводе — оно постоянно на протяжении всей эксплуатации.

С переменным фокусным расстоянием

Фокусное расстояние таких объективов указывают в диапазоне от меньшего к большему (2.7 ~ 13.5, например) — его можно менять. IP-камера с такой оптикой намного проще в монтаже, на порядок больше мест для инсталляции.

Объектив с переменным фокусным расстоянием

Моторизованный

Моторизованный объектив снабжен приводом (как правило, сервоприводом) — для удаленного управления фокусом и масштабированием. Часто в составе motor-zoom есть система оптической стабилизации, фокусировки и диафрагма. IP-камеры с зумом востребованы на объектах повышенной безопасности с необходимостью практически мгновенно масштабировать картинку (скорость трансфокации не превышает 5 секунд).

Fisheye

Fisheye-объективы — сверхширокоугольные (до 180°), в связи с чем необработанное изображение отличается искаженным отображением прямых линий в форме дугообразных кривых. Изображение с укомплектованным «рыбьим глазом» камер программно (встроенное в IP-камеру или приобретаемое отдельно ПО) разбивают на отдельные каналы, попутно исправляя дисторсию. Fisheye-камера заменяет несколько обычных.

Форм-фактор IP-камеры

IP-камеры выпускают в купольном, цилиндрическом, стандартного дизайна (box), cube, сферическом форм-факторах.

Купольные IP-камеры наиболее популярны. Предусмотрен горизонтальный (потолочный) монтаж, но специальные кронштейны открывают возможность установки на вертикальной плоскости.

Купольная IP-камера

Цилиндрические IP-камеры устанавливают на поворотный кронштейн. Регулировкой задают направление обзора. IP-камеры bullet часто выполняют в пыле-влагозащищенном и вандалозащищенном корпусе, с козырьком, оберегающим от прямых струй воды и лучей солнца, с широким диапазоном рабочих температур. Обычно монтируют на вертикальную поверхность: стену, столб, ограждение.

Цилиндрическая IP-камера

Корпусные камеры (стандартного дизайна) в основном выпускают без объектива и монтажного кронштейна, оставляя инсталлятору широкий выбор по установке и оснастке устройства, что повышает гибкость конфигурирования и расширяет сферу применения модели. Встраивание в термокожух адаптирует камеру к уличным условиям эксплуатации.

IP-камеры форм-фактора Cube рассчитаны на использование в помещении, укомплектованы кронштейном для закрепления на потолке, стене, столе (настольный монтаж наиболее популярен).

IP-камера Cube

Сфера — форм-фактор, определяющий регулировку направления видеонаблюдения IP-камер: шар просто поворачивают в нужную сторону — купола нет, его не надо снимать. Для защиты объектива предусмотрен специальный экран.

IP-камера «Сфера»

Отдельная группа IP-камер — поворотные. Поддерживают технологию PTZ, используют специальное ПО и приводы для поворота и наклона корпуса для максимального уровня контроля и покрытия большей площади видеонаблюдения. Поворотные IP-камеры с автотрекингом и детектором движения самостоятельно сопровождают объект наблюдения по всей контролируемой области.

Есть и узкоспециализированные модели, не подпадающие ни под один стандартный форм-фактор, например с выносным объективом (для ритейла).

Исполнение

IP-камеры выпускают для эксплуатации в помещении, на улице, в транспорте.

Уличные IP-камеры отвечают определенным требованиям:

1. Соответствие корпуса международной классификации по защите оболочек от пыли и влаги International Protection Marking (IP). Первая цифра — защита от посторонних предметов (пыли), вторая — от проникновении воды. Корпус уличных IP-камер должен соответствовать стандарту (IP54 ~ IP68).
2. Диапазон рабочих температур (при условии соответствия корпуса стандарту защиты IP54 ~ IP68). При нижней границе минус 10 °С — камеру можно установить в неотапливаемом помещении, при минус 20 °С — на улице в южных регионах России и СНГ, при минус 40 °С — почти везде, а при минус 60°С — на открытом воздухе даже в районах Крайнего Севера (в таких IP-камерах есть защита от коррозии и обледенения).

Транспортные IP-камеры — специализированное оборудование, защищенное от вибрации, укомплектованное специальными надежными разъемами (как правило, резьбовыми M12). Каждая транспортная IP-камера проходит обязательную сертификацию на соответствие.

Вне зависимости от назначения для установки в местах, не попадающих в зону видимости охранников, выпускают IP-камеры, защищенные от механических воздействий разной степени, — корпус соответствует коду международной классификации IK08 ~ IK10.

С вопросами по IP-камерам обращайтесь, пожалуйста, к менеджерам DSSL по телефону (8 800 100 91 12) или в чате.