IP-камеры

IP-камера состоит из матрицы, объектива, центрального процессора, чипов обработки и сжатия, сетевого интерфейса. Объектив фокусирует изображение на матрице. Матрица преобразует цвет в электрический сигнал. Сигнал поступает на процессор для обработки параметров, после чего уходит на компрессор. Компрессор сжимает поток — теперь данные готовы к передаче в сеть через Ethernet-контроллер. Благодаря цифровой начинке функционал IP-камеры стремится к бесконечности, получить доступ можно из любого места с интернетом. Аппаратная часть тоже не стоит на месте — в отдельные IP-камеры внедрены решения для круглосуточной трансляции цветного видео: крупная матрица (1/1.8") с пикселями большего размера, объектив с линзами асферической формы, многослойным антибликовым покрытием, увеличенной фиксированной апертурой (F/1.0), антитуманным покрытием, адаптивный IPS (автообработка посредством мультиэкспозиции, компенсации засветки, усиления детализации, нелинейного улучшения), подсветка видимым светом.

У каждой IP-камеры собственный IP-адрес — без него невозможно настроить оборудование на совместную работу, получить доступ к IP-камере с мобильного устройства. Камера передает адрес с подключением. С помощью команды или специальной программы регистратор использует IP-адрес — подключается по нему. IP-камера транслирует видеопоток на регистратор (сервер), персональный компьютер с соответствующим ПО, в облако (SaaS-решение; программное обеспечение как услуга). Несколько IP-камер подключают к регистратору через роутер, коммутатор или каждую в отдельный порт. Подключение IP-камер к ПК зависит от количества: одну подключают в LAN-интерфейс сетевой карты, несколько — к LAN через коммутатор.

Достоинства IP-камер

• Цифровой видеосигнал от светочувствительной матрицы к серверу.
• Масштабируемость системы, многопоточность.
• Широкий набор цифровых и аппаратных функций улучшения изображения (WDR, BLC, HLC, EIS, DIS, DNR etc).
• Стабильность качества изображения при трансляции.
• Низкий уровень помех, высокий фреймрейт.
• Защищенность передачи (шифрование).
• Трансляция сигнала без потери четкости изображения.
• Системы обработки тревожных сигналов для своевременных уведомлений.
• Удаленные настройка и управление.
• Видеоаналитика.

Видеоаналитика

Привычный программный детектор движения — уже аналитика ( анализирует изменения каждого пикселя). Она позволяет автоматизировать систему, экономит время оператора, архивное пространство, время на просмотр записей, снижает нагрузку на сеть (при соответствующей настройке IP-камера начинает запись по сигналу детектора).

Среди базовых аналитических функций детекция:

• движения, лиц, людей,
• пересечения виртуальной линии,
• оставленных или пропавших предметов,
• входа в область и выхода из нее,
• пересечения области, вторжения в зону,
• тумана, задымления,
• автомобилей, велосипедов,
• звука, нарушения (превышение, занижение) звукового порога,
• заслона объектива, изменения области обзора, подмены картинки.

Сложная аналитика: классификация звука, анализ поведения (падение, праздношатание, поднятые руки и др.), распознавание лиц, автомобильных номеров, управление очередью, подсчет посетителей, формирование тепловой карты и спектр узкоспециализированных функций (для ритейла, эпидемиологической безопасности и т. д.). Интеллектуальные возможности IP-камер расширяются в сторону нейросетевых решений — реализованы детекция лиц с анализом атрибутов (борода, очки, маска и проч.), движения с классификацией объектов по типу (человек, транспорт), размеру, скорости, направлению, обнаружение высокоскоростного движения, толпы, парковки, скопления автомобилей etc.

Матрица IP-камеры

Матрица — основной элемент камеры, преобразует свет в электричество, представляет собой специализированную интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов. Значение матрицы велико: даже с мощным процессором выданное слабым сенсором плохое изображение улучшить невозможно. База IP-камеры — CMOS-матрица, отличающаяся прогрессивным сканированием, быстродействием, низкой стоимостью, высоким качеством цветопередачи, низким энергопотреблением, высокой скоростью кадрированного считывания (высокий фреймрейт), чувствительностью при недостаточном освещении (усиленные каскады — размещение схем в любом месте цепи прохождения данных), изменением коэффициента усиления каждого цвета, улучшенной балансировкой белого.

Прогрессивное развертка — передача и хранение движущихся изображений с последовательным отображением всех строк кадра.

Преимущества Progressive Scan:

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

Размер матрицы указывают в дюймах — дробью. Чем меньше знаменатель, тем больше размер сенсора (1/1.8" крупнее 1/3"), тем лучше база IP-камеры: корректнее цветопередача, выше соотношение сигнал/шум (на маленькой матрице меньше межпиксельные изолирующие элементы — выше нагрев, создающий шум), качественнее изображение, больший угол обзора при объективе с одинаковым фокусным расстоянием.

Качество картинки зависит от чувствительности матрицы. Чувствительность указывают в люксах (лк). Люкс — производное одного люмена (измеритель светового потока) на один квадратный метр. Параметр показывает минимальное количество света, необходимое для формирования изображения — 0.1 ~ 0.9 лк, 0.01 ~ 0.09 лк, 0.001 ~ 0.009 лк. Чем больше нулей после точки, тем чувствительнее матрица, тем качественнее картинка. Матрица с чувствительностью 0.001 ~ 0.005 лк формирует цветное видео при свете уличных фонарей — если этому не мешает апертура объектива.

Апертура — относительное отверстие, пропускающее свет. Чем меньше цифра, тем больше света поступит на матрицу. Светосила объектива с апертурой F/1.2 выше, чем с F/2.0 — отверстие больше, света проходит больше. Мало пользы от чувствительности 0.001 лк, если этот свет есть в области наблюдения, но не пройдет к матрице.

В IP-камерах без объектива принято указывать чувствительность для оптики с F/1.2. Если камера укомплектована объективом с F/2.0, а чувствительность указана для F/1.2, фактически она будет ниже.

Разрешение IP-камеры

Чем выше разрешение матрицы IP-камеры, тем выше качество и детализация изображения (особенно заметно при увеличении фрагментов на мониторе) — при условии корреляции с матрицей.

С развитием цифровых технологий тенденция к увеличению числа эффективных пикселей растет. Неоправданно высокое разрешение нерентабельно: больше платить придется не только за IP-камеры, но и за высокую пропускную способность сети, процессорную мощность видеорегистратора, терабайты жестких дисков, амортизацию оборудования. Чем выше разрешение, тем ниже чувствительность матрицы — простая арифметика: больше пикселей, но света столько же, на каждый пиксель меньше света.

В камере категории масс-маркет высокое разрешение вредно — дешевый процессор не в состоянии обработать столько пикселей, размер пикселя маленькой матрицы ничтожен — ему достается минимум света, и картинка получается смазанной — при прочих равных ее качество хуже, чем качество картинки с разрешением 2 Мп. В общем случае для обнаружения объекта нужно 20 пикселей на метр, для распознавания (человек, автомобиль) — 200 пикселей на метр, для идентификации (распознавание лиц) — 950 пикселей на метр. Даже если метраж большой, зачастую лучше поставить две камеры с разрешением 2 Мп, чем одну 5 Мп.

Выбирайте разрешение в зависимости от задач и условий съемки — для решения большинства задач подойдет 2 Мп. Для отслеживания действий уже зафиксированных объектов достаточно 1 Мп. Высокое разрешение актуально на больших открытых пространствах площадей, залов, стадионов, вокзалов, аэропортов — для съемки на дальних расстояниях с последующим приближением фрагментов; при необходимости часто масштабировать картинку — приближать определенные области; для четкого различения деталей, например достоинства и номера купюры, автомобильного номера на большом расстоянии, etc.

Сжатие

IP-камеры сжимают поток (процессор сжатия). Традиционные передают несжатый сигнал, нагружая сервер. 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 эффективен на высоком разрешении (на низком не хватает пикселей для блоков 64 на 64), а для 2 Мп практически не нужен. Разработчики продолжают совершенствовать кодеки и технологии интеллектуального сжатия: H.264+, H.265+ (Hikvision), ZipStream (Axis), WiseStream (Hanwha Techwin), повышающие эффективность H.264, H.265 разработки производителей, основанные на предварительном сжатии статических кадров, используемых в качестве опорных.

Стандарты платные: чем их больше в камере, тем она дороже. Выбирайте IP-камеру с кодеками, учитывая необходимость и параметры видеорегистратора, — он должен поддерживать стандарты сжатия.

Edge Storage

Edge Storage — локальное хранение информации, запись видео на встроенную карту памяти. При необходимости IP-камера работает автономно — без подключения к видеорегистратору или ПК. В IP-камере предусмотрен слот для карты памяти или USB-порт для флэшки.

Функция незаменима, если бывают обрывы связи. В системе с UPS технология спасает от отключения электроэнергии. Нужно, чтобы регистратор или облако поддерживали работу с архивом IP-камеры.

Многопоточность

IP-камеры транслируют несколько потоков — как минимум два: основной в полном разрешении под запись и субпоток меньшего разрешения для монитора. Большинство IP-камер поддерживают 3-потоковую трансляцию (запись, монитор, мобильное устройство), некоторые модели — до десяти потоков. Для снижения нагрузки различным детекторам выделяют отдельные потоки.

Режим коридора

Режим коридора — вертикально ориентированная съемка: 9:16 вместо 16:9. В этом режиме удобно просматривать видео из коридора, тоннеля и так далее. Поддержку режима указывают в спецификации IP-камеры. Если режим коридора не указан, программно функцию не получить — требуемое разрешение закладывают на аппаратном уровне.

Аудио

Обычно IP-камеры укомплектованы одним или несколькими аудиовходами и аудиовыходами, передают аудиофайлы на регистратор и принимают аудиосигнал. В некоторых моделях уже встроен микрофон. При необходимости к каждой IP-камере с аудиовходом можно подключить профессиональный всенаправленный, двунаправленный или однонаправленный микрофон (зависит от задачи). Есть аналитические функции, работающие со звуком, определяющие превышение или занижение звукового порога (порог задает пользователь в настройках), крик, разбитие стекла, выстрел, взрыв, другие резкие звуки и создающие тревожные события с отправкой в систему.

Объектив IP-камеры

Объектив собирает и проецирует световую энергию на матрицу — для формирования оптического изображения. Главный параметр объектива — фокусное расстояние (измеряют в миллиметрах), определяющее угол обзора и масштаб изображения. Представляет собой расстояние от оси комплекта линз до точки пересечения лучей, первоначально параллельных, 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, тем меньше угол обзора, но больше нужное для качественной съемки расстояние до объекта наблюдения.

В IP-камерах используют короткофокусные, длиннофокусные и сверхдлиннофокусные объективы разного типа: с фиксированным фокусным расстоянием, с переменным фокусным расстоянием, моторизованные и fisheye.

Фиксированное фокусное расстояние задают в процессе сборки — оно постоянно на протяжении всей эксплуатации.

Переменное фокусное расстояние 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.

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-объективы — сверхширокоугольные (до 180°). 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 (по полю зрения) несколько обычных.

В выборе IP-камеры важно угловое поле объектива — основа определения количества камер и мест их монтажа. Это видимая объективом область, охват. Углы обзора — горизонтальный, вертикальный, диагональный — напрямую связаны с фокусным расстоянием. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше охват и тем меньше дальность.

Для круглосуточного видеонаблюдения с ИК-подсветкой понадобится IP-камера, укомплектованная объективом с ИК-коррекцией: видимый свет фокусируется в одной точке, а лучи инфракрасного диапазона — в другой; если фокус не смещать, картинка будет размытой. ИК-коррекция смещает фокус. В документах ИК-коррекция не всегда указана, поскольку очевидна.

Форм-фактор IP-камеры

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

Купольные IP-камеры универсальны.

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.

Корпусные (стандартного дизайна, Box) IP-камеры в основном выпускают без объектива и монтажного кронштейна, оставляя инсталлятору широкий выбор по установке и оснастке устройства. Это профессиональное оборудование — его часто используют для распознавания лиц на входах, автомобильных номеров на въездах. 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).

Сфера — форм-фактор, определяющий регулировку направления видеонаблюдения IP-камеры: шар видеомодуля поворачивают в нужную сторону. Для защиты объектива предусмотрен специальный экран.

Наиболее популярны купольные и цилиндрические IP-камеры. Цилиндрические IP-камеры часто комплектуют длиннофокусными объективами, включая моторизованные, — сама форма корпуса способствует этому. В основном «цилиндры» ставят на дорогах, входах и въездах с высоким расположением камеры, больших пространствах (стадионы, вокзалы, аэропорты etc). Купольные IP-камеры можно монтировать в местах непосредственного доступа — низких потолках, стенах и так далее, местах, не попадающих в зону видимости охранников. Форма корпуса наиболее устойчива к механическим воздействиям. Вандалостойкость как параметр присутствует и у цилиндров, но поворотный кронштейн сводит на нет достоинство — злоумышленнику достаточно повернуть камеру в другую сторону. То же касается форм-фактора «Сфера» (крутится видеомодуль) и Cube. В IP-камере с аналитикой, с функцией антисаботажа, причем конкретно обнаружение смены области обзора и детекции удара, в систему поступит тревожный сигнал, но на реакцию нужно время.

Исполнение IP-камер

IP-камеры выпускают для эксплуатации в помещении, на улице, в транспорте. Уличные IP-камеры соответствуют международной классификации по защите оболочек от пыли и влаги International Protection Marking (IP), работают в широком диапазоне температур. При нижней границе минус 10 °С — камеру можно установить в неотапливаемом помещении, 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 обогреватель, защита от коррозии и обледенения).

Защита:

• От влаги и пыли: IP54 — пылезащищенное устройство с защитой от брызг, IP66 — пыленепроницаемое оборудование с защитой от струй под давлением, IP67 — допустимо кратковременное погружение в воду на глубину до 1 м, IP68 — IP-камера будет работать в погруженном (≤ 1 м) состоянии до 30 мин.
• От коррозии: как минимум корпус из нержавеющей стали, а как максимум — NEMA 4X (защита от коррозии, пыли и брызг, приносимых ветром, воды из шланга под напором, повреждений при обледенении).
• От механических воздействий — IK06 ~ IK10: IK06 — выдерживает падение груза 500 г с высоты 20 см, IK07 — 500 г с 40 см, IK08 — 1.7 кг с 29.5 см, IK09 — 5 кг с 20 см, IK10 — 5 кг с 40 см.
• От взрыва — ATEX и IECEx; такие IP -камеры предназначены для газопроводов, нефтеперерабатывающих и химических предприятий etc.

Все стандарты описаны и действуют: защита либо есть, либо нет. Выбирая IP-камеру для улицы, обратите внимание на функцию холодного старта — если после кратковременного отключения электроэнергии камера не запустится, потому что успела остыть, а холодный старт не предусмотрен, IP68 и NEMA 4X бесполезны.

ИК-фильтр

Матрицы IP-камер чувствительны к видимому и инфракрасному свету. Лучи инфракрасного диапазона искажают цветопередачу, оставляя на изображении лиловые области, закрывающие фрагменты кадра. Чтобы этого не происходило, используют ИК-фильтр: электронный, механический (ICR Infrared Cut filter mechanically Removable), двухдиапазонный (Double Band-Pass Filter).

Электронный — напыление на матрицу, перманентно блокирующее все лучи ИК-диапазона. Такие IP-камеры не подходят для ночного видеонаблюдения, потому что не пропускают лучи подсветки.

Механический — пластина с преломляющим ИК-лучи напылением, установленная перед матрицей. В темноте фильтр сдвигается в сторону — чувствительность матрицы повышается, расширяясь в сторону инфракрасного диапазона. Сигнал на смещение фильтр получает от фотодатчика, в автоматическом режиме управляющего �