11.04.2023

Основы IP-камер: принцип работы, виды и их функции

Принципы функционирования IP-камер: типы и особенности использования

IP-камера для видеонаблюдения записывает видео и передает его в цифровом формате по сетевому протоколу, который обеспечивает передачу пакетов. По сути, IP-камера представляет собой камеру для видеонаблюдения, снабженную мини-компьютером. Она состоит из матрицы, объектива, центрального процессора, процессора обработки, процессора сжатия и сетевого интерфейса. 

Принцип работы IP-камеры

Изображение, зафиксированное камерой, фокусируется на матрице, а затем преобразуется в цветовой электрический сигнал. Этот сигнал отправляется на процессор для обработки яркости и цветности, а затем на компрессор, который сжимает видеопоток, готовя данные для передачи через Ethernet-контроллер в сеть. 

Для синхронизации IP-камеры с регистратором, каждая камера имеет свой уникальный IP-адрес, который передается при подключении. Регистратор использует этот IP-адрес для подключения к камере с помощью команд или специальной программы. Без IP-адреса настройка и использование оборудования невозможны, и доступ к камере с мобильных устройств не предоставляется. 

IP-камеры обладают огромным функционалом благодаря программному обеспечению, позволяющему расширить их возможности. Благодаря цифровой обработке данных, полученных с камеры, доступ к ним можно получить из любой точки мира с доступом в интернет.

Подключение IP-камеры

Видеопоток с IP-камеры может передаваться на несколько устройств, таких как регистратор (сервер), персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением или облачное решение SaaS. Если несколько IP-камер должны быть подключены, то они могут быть подключены к регистратору через маршрутизатор, могут быть подключены отдельные камеры к отдельному порту. Если сеть поддерживает настройку протокола динамической настройки, то они автоматически раздают адреса и другие сети.

IP-камеры являются слаботочным источником питания от адаптера, PoE-коммутатора или видеорегистратора, если последний поддерживает наличие PoE. Технология PoE обеспечивает передачу данных по сети Ethernet одновременно с передачей данных по сети. 

При подключении одной IP-камеры к ПК ее можно подключить к LAN-интерфейсу сетевой карты, затем подключить несколько IP-камер. Для каждой камеры необходимо подключение к сетевому соединению и присвоить новый сетевой адрес.

Основы передачи данных: механизмы, сети и протоколы

IP-камеры используют протоколы TCP/IP для передачи данных. Эта сетевая модель имеет четыре уровня передачи данных: прикладной, транспортный, сетевой и уровень сетевого доступа. Протоколы распределены по уровням следующим образом: 

1. Прикладной уровень включает протоколы HTTP, RTSP, FTP, DNS и другие.
2. Транспортный уровень включает протоколы TCP, UDP, SCTP, DCCP и другие. RIP и протоколы маршрутизации, такие как OSPF, работают поверх IP и являются частью сетевого уровня.
3. Сетевой уровень включает протокол IP. Вспомогательные протоколы, такие как ICMP и IGMP, работают поверх сетевого протокола, но относятся к сетевому уровню. ARP - самостоятельный вспомогательный протокол, который работает поверх канального уровня.
4. Уровень сетевого доступа включает протоколы Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, Token Ring, ATM, MPLS, физическую среду и принципы кодирования информации, T1, E1.

Транспортные протоколы включают: 

• TCP - гарантированный протокол, который устанавливает соединение и передает данные. Он следит за сохранностью данных и их последовательностью, регулирует скорость передачи данных и исправляет ошибки. TCP отправляет дубликаты пакетов, если они потеряны, и исправляет ошибки, если два одинаковых пакета приходят по одному адресу.
• RTP - протокол передачи трафика в реальном времени. Он синхронизирует данные и корректирует последовательность доставки пакетов.
• UDP - альтернативный протокол TCP, который не устанавливает предварительное соединение и сразу начинает передачу данных. UDP не следит за получением данных и не дублирует их для восстановления потерянных пакетов. UDP менее надежен, но быстрее.
• RTP и UDP предпочтительнее для передачи реального времени данных с точки зрения скорости и устойчивости сети, но в проблемных сетях TCP необходим для исправления ошибок и корректировки сбоев.

Протоколы совместимости

Устройства от одного производителя по умолчанию совместимы между собой. Однако, для обеспечения совместимости с устройствами других производителей, IP-камеры поддерживают прикладные протоколы. В основном используются протоколы RTSP и ONVIF.

RTSP - это прикладной протокол для удаленного управления IP-камерой, который содержит описание команд управления потоком. Этот протокол предоставляет только управление IP-камерами сервером и не относится к вопросам сжатия, пакетов или определению транспортного протокола. Для передачи данных используется стандартный транспортный протокол реального времени. RTSP-запросы передаются через специальный порт, отдельно от потока данных.

Среди RTSP-запросов можно выделить:

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 - это современный стандарт, который объединяет готовые технологии и протоколы (в том числе RTSP), адаптированные к IP-видеонаблюдению. Стандарт ONVIF включает в себя четыре профиля: Profile S - для видеоисточников, Profile C - для систем контроля доступа, Profile G - для устройств записи видео и Profile Q - для устройств, совместимых "из коробки".

Спецификации Profile S включают:

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

IP-камера с внутренним архивом соответствует требованиям двух профилей спецификаций.

Передача сигнала IP-камерой: способы и особенности

Существует три способа передачи сигнала IP-камерой: проводной, беспроводной и гибридный, который является комбинацией первых двух способов.

Проводное соединение обеспечивает стабильную и высокоскоростную передачу данных, но требует прокладки сетевых кабелей, которые имеют ограниченную длину в зависимости от типа кабеля: 100 м для витой пары, 500 м для коаксиального кабеля и 100 км для оптоволокна (без учета повторителей или коммутаторов).

Для беспроводной передачи сигнала IP-камеры встраивают Wi-Fi-модуль (чаще всего) или 3G/4G-модуль. Однако дальность передачи ограничена и может снижаться из-за физических преград в направлении роутера и электромагнитных помех.

Гибридная передача данных использует как проводное, так и беспроводное соединение, обеспечивая повышенную надежность локальной сети. Она представляет собой оптимальный вариант для тех случаев, когда необходимо обеспечить стабильную передачу данных при ограниченной длине сетевых кабелей или невозможности прокладки проводов.

Передача данных для IP-камеры по сети Ethernet

IP-камеры используют сеть Ethernet, которая позволяет объединить устройства в локальную сеть (LAN) для передачи пакетов данных. Для систем видеонаблюдения, основанных на IP-камерах, достаточно использовать обычную локальную сеть, которая привычна для офисных компьютеров.

Стандарты группы IEEE 802.3 описывают Ethernet, определяют формат кадров и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне взаимодействия устройств между собой.

Перечень стандартов сетевых модификаций с указанием максимальной длины сегмента

Различные стандарты Ethernet соответствуют различным типам кабелей и оптических волокон, а также различным скоростям передачи данных. Краткий перечень этих стандартов включает:

1. Кабель витой пары: Ethernet, 10 Мбит/с: 10BASE-T - Cat. 3 и выше, 10BASE-T - две скрученные витые пары Cat. 3 или Cat. 5 (до 100 м) Fast Ethernet, 100 Мбит/с: 100BASE-T - Cat. 3 и Cat. 5 (до 100 м) Gigabit Ethernet, 1000 Мбит/с: 1000BASE-T - Cat. 5e (до 100 м) Промежуточные стандарты Ethernet, 2,5 Гбит/с и 5 Гбит/с соответственно: 2,5GBASE-T и 5GBASE-T - Cat 5e и Cat 6 (до 100 м) 10 Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с: 10GBASE-T - cat. 6 (до 55 м) и 6а (до 100 м)

2. Коаксиальный кабель со скоростью 10 Мбит/с: 10BASE5 - RG-58 (до 185 м), 10BASE2 - RG-8 (до 500 м).

3. Оптический кабель (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 (используется в приемопередатчиках). Gigabit Ethernet, 1000 Мбит/с: 1000BASE-SX - многомодовое волокно (до 500 м), 1000BASE-LX - многомодовое волокно (до 550 м), одномодовое волокно (до 5 км), 1000BASE-LH — одномодовое волокно (100 км).

IP-камеры используют многопоточную трансляцию, то есть передают несколько потоков одновременно. Как минимум два потока предназначены для основной записи и просмотра на мониторе в полном разрешении, а также субпоток меньшего разрешения для экономии полосы пропускания. Большинство современных IP-камер поддерживают 3-потоковую трансляцию, которая включает запись, мониторинг и просмотр на мобильных устройствах, а некоторые модели могут использовать до десяти потоков. Каждый поток может быть настроен на определенные детекторы и параметры, что позволяет снизить нагрузку на сервер и сеть.

Режим Коридора

Вертикальное Отображение Видео Многие IP-камеры имеют функцию "Режим Коридора", который позволяет отображать видео в вертикальном формате соотношения 9:16 вместо стандартного 16:9. Этот режим удобен для просмотра видео, снятого в коридорах, тоннелях и других подобных местах. В спецификациях IP-камер указывается, поддерживается ли этот режим. Если в спецификации режима Коридора нет, то программно его не получить, так как это разрешение предусмотрено на аппаратном уровне.

Аудио в IP-камерах

Большинство IP-камер имеют один или несколько аудиовходов и аудиовыходов для передачи и приема аудиосигнала на регистратор. Некоторые модели уже имеют встроенный микрофон, но при необходимости можно подключить профессиональный всенаправленный, двунаправленный или однонаправленный микрофон в зависимости от поставленных задач.

IP-камеры также имеют аналитические функции, которые работают со звуком, например, определение превышения или понижения звукового порога (который задается пользователем в настройках), крики, разбития стекла, выстрелы, взрывы и другие резкие звуки. Если зарегистрированы подобные события, система создает тревожное уведомление и отправляет его в систему.

CMOS-матрица IP-камеры

IP-камеры используют матрицу, которая преобразует свет в электричество и представляет собой специализированную интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов, работающую по определенной технологии. Качество матрицы важно, так как даже мощный процессор не сможет улучшить изображение, если сенсор выдает плохое качество.

CMOS-матрицы имеют ряд преимуществ перед CCD-матрицами, особенно при больших размерах. Технология прогрессивного сканирования позволяет объединять на одном кристалле цифровую, аналоговую и обрабатывающую части устройств. Они имеют высокое качество цветопередачи и низкое энергопотребление, что важно для IP-камер, начинающих съемку по сигналу детектора, энергонезависимых устройств видеонаблюдения и СКУД. Кроме того, CMOS-матрицы имеют высокую скорость считывания кадров, что позволяет записывать видео с высокой частотой и делать качественную ручную фокусировку. Они также обладают повышенной чувствительностью в условиях недостаточного освещения и возможностью изменять коэффициент усиления для каждого цвета, что обеспечивает улучшенную балансировку белого. Наконец, CMOS-матрицы имеют высокую производительность и низкие требования к ширине полосы пропускания, что позволяет уменьшить битрейт.

Прогрессивное сканирование является методом отображения, передачи и хранения движущихся изображений с последовательным отображением всех строк кадра. Этот метод обеспечивает отсутствие "гребенки" или мерцания на перемещающемся объекте и качественное увеличение изображения до большего разрешения. Кроме того, каждый кадр сохраняется целиком.

Размер матрицы является важным фактором при выборе IP-камеры, и его обычно указывают в дюймах в виде дроби. Чем меньше знаменатель, тем больше размер сенсора, что в свою очередь означает более высокое качество изображения и лучшую цветопередачу, но также повышает стоимость и вес камеры. Более крупный размер матрицы также обеспечивает более высокое соотношение сигнал/шум и расширенный угол обзора при использовании объектива 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.

Разрешение IP-камеры 

Чем выше разрешение матрицы IP-камеры, тем более детальное и качественное изображение она предоставляет (особенно при увеличении изображения на мониторе). Обычно разрешение 2 Мп (Full HD) достаточно для большинства современных мониторов. 

Существуют различные варианты разрешений, которые могут быть использованы в IP-камерах, включая: 

• HD (720p) - 1280x720 (1 Мп) - это среднее разрешение, подходящее для общей оценки наблюдаемой области. 

• SXGA (960p) - 1280x960 (1.3 Мп) - это улучшенное разрешение по вертикали, которое может быть полезно для вытянутых сцен. 

• Full HD (1080p) - 1920x1080 (2 Мп) - это разрешение, достаточное для идентификации человека. 

• Quad HD (1440p) - 2560x1440 (4 Мп) - это высокое разрешение, которое может быть полезно при средних требованиях к пропускной способности сети. 

• 5 Мп - 2560x1920 (5 Мп) - это еще более детальное разрешение, которое предоставляет четкое изображение. 

• 4K UHD или Ultra HD (2160p) - 3840x2160 (8 Мп) - это разрешение с отличным качеством изображения, которое позволяет распознавать мелкие детали и использовать цифровой зум. 

С технологическим развитием количество эффективных пикселей в матрицах увеличивается, хотя высокое разрешение не всегда необходимо. Оно может быть полезно только в случаях, когда нужно ясно увидеть детали, такие как номер купюры или автомобильный номер, или постоянно масштабировать изображение.

Объективы IP-камер

Оптический объектив IP-камеры состоит из комплексной системы линз, заключенных в оправу, которые компенсируют оптические искажения и собирают световую энергию для формирования оптического изображения на светочувствительной матрице.

Одним из основных параметров объектива является его фокусное расстояние, которое измеряется в миллиметрах и определяет угол обзора и масштаб изображения. Фокусное расстояние - это расстояние от оси линз до фокуса (точки, где первоначально параллельные лучи пересекаются после прохождения через объектив). Чем меньше фокусное расстояние, тем больше поле обзора. Например, объектив с фокусным расстоянием 2.8 мм обеспечивает широкий угол обзора в 100 градусов. Однако, если нужно качественно снимать объекты на расстоянии, то необходим объектив с более высоким фокусным расстоянием, например, 8 мм.

В зависимости от поставленных задач, IP-камеры используют различные типы оптических объективов, такие как короткофокусные, длиннофокусные и сверх длинные фокусные объективы, которые могут быть с фиксированным или переменным фокусным расстоянием, а также моторизованными и fisheye.

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием имеют постоянное значение фокусного расстояния, которое задается в процессе производства на заводе и остается неизменным в течение всего периода эксплуатации.

Объективы с переменным фокусным расстоянием

Переменным фокусным расстоянием обладают объективы, у которых значение фокусного расстояния может быть изменено в диапазоне от меньшего до большего (например, 2.7~13.5 мм). Это позволяет легко настраивать угол обзора, что делает IP-камеру с таким объективом гораздо удобнее в монтаже и позволяет выбирать место для инсталляции с большей гибкостью.

Моторизованный объектив

Моторизованный объектив оснащен приводом, обычно сервоприводом, для удаленного управления фокусом и масштабированием. Обычно motor-zoom включает систему оптической стабилизации, фокусировки и диафрагму. IP-камеры с таким зумом широко применяются на объектах повышенной безопасности, где необходимо быстро изменять масштаб изображения (скорость трансфокации не превышает 5 секунд).

Fisheye-объективы (рыбий глаз)

Fisheye-объективы - это объективы с очень широким углом обзора (до 180°), которые зачастую искажают прямые линии, превращая их в дуговидные. Изображение, полученное с помощью таких камер, проходит программную обработку, которая корректирует эти искажения. Для этой цели используется либо встроенное в IP-камеру программное обеспечение, либо отдельное программное обеспечение. Использование Fisheye-камеры может заменить несколько обычных камер.

Что такое форм-фактор IP-камеры?

IP-камеры могут иметь различный форм-фактор, такой как купольный, цилиндрический, стандартный (box), кубический и сферический. Среди них наиболее распространены купольные IP-камеры, которые могут быть установлены как на потолке (горизонтальный монтаж), так и на вертикальной плоскости с помощью специальных кронштейнов.

Для установки цилиндрических IP-камер используется поворотный кронштейн, который позволяет регулировать направление обзора. Камеры bullet, в свою очередь, защищены от влаги и вандализма и оборудованы козырьком, который защищает от прямых лучей солнца и струй воды. Они имеют широкий диапазон рабочих температур и обычно устанавливаются на вертикальную поверхность, такую как стена, столб или ограждение.

Корпусные камеры или камеры стандартного дизайна, как правило, поставляются без объектива и монтажного кронштейна, что позволяет инсталлятору выбирать и устанавливать их самостоятельно и адаптировать камеру к различным условиям эксплуатации. Это повышает гибкость конфигурирования и расширяет возможности применения модели. Кроме того, встраивание камеры в термокожух позволяет использовать ее в уличных условиях.

IP-камеры форм-фактора Cube предназначены для использования внутри помещений и обычно комплектуются кронштейном для установки на потолке, стене или на столе (например, для настольного монтажа). Настольный монтаж является наиболее популярным способом установки.

Существует отдельная группа IP-камер - поворотные. Они поддерживают технологию PTZ, используют специальное программное обеспечение и приводы для поворота и наклона корпуса с целью обеспечения максимального уровня контроля и охвата большей площади видеонаблюдения. Поворотные IP-камеры с автотрекингом и детектором движения могут самостоятельно следить за объектом наблюдения по всей контролируемой области.

Существуют также узкоспециализированные модели IP-камер, которые не соответствуют ни одному из стандартных форм-факторов. Например, для ритейла могут быть использованы камеры с выносным объективом.

Рабочие условия IP камер

IP-камеры могут быть использованы в различных условиях, включая помещения, улицы и транспортные средства. Уличные IP-камеры должны соответствовать определенным требованиям, таким как международной классификации защиты оболочек от пыли и влаги - International Protection Marking (IP). Эта классификация состоит из двух цифр, где первая указывает на уровень защиты от посторонних предметов, а вторая - на уровень защиты от воды. Корпус уличных IP-камер должен соответствовать стандарту (IP54 ~ IP68). Уличные IP-камеры также должны работать в широком диапазоне температур, которые зависят от стандарта защиты корпуса, начиная от минус 10°C, что позволяет установить камеру в неотапливаемом помещении, и до минус 60°C для использования на открытом воздухе даже в районах Крайнего Севера. Кроме того, уличные IP-камеры имеют защиту от коррозии и обледенения, обеспечивая надежную работу в экстремальных условиях.

Транспортные IP-камеры

IP-камеры, предназначенные для использования в транспорте, являются специализированным оборудованием, которое обладает защитой от вибраций и оснащено специальными надежными разъемами, как правило, резьбовыми M12. Каждая транспортная IP-камера проходит обязательную сертификацию на соответствие специальным требованиям и стандартам.

Независимо от применения, существуют IP-камеры, предназначенные для установки в местах, не попадающих в зону видимости охранников. Эти камеры обладают разной степенью защиты от механических воздействий, в соответствии с международной классификацией IK08 ~ IK10, которая указывает на уровень защиты корпуса от ударов и вандализма.

Если у вас возникли вопросы по IP-камерам, обращайтесь к менеджерам компании Территория Безопасности. Вы можете связаться с нами по телефону (+7 (495) 132-33-24) или в чате, мы с радостью поможем вам подобрать и ответить на все ваши вопросы.