IP камера: что такое IP камера, принцип работы, виды IP камер

IP-камера — это цифровая видеокамера, транслирующая уже обработанный и сжатый видеосигнал в цифровом формате по сети Ethernet, с использованием сетевого (IP) протокола. По сути, разработчикам удалось объединить в одном устройстве камеру видеонаблюдения и компактный компьютер. Современные IP-камеры оснащены набором интеллектуальных функций, которые позволяют вывести видеослежение на принципиально новый уровень.

Как работает IP камера

Принцип работы IP-камеры достаточно прост. Объектив устройства транслирует световой поток на электронную фото-матрицу, которая преобразует его в электрические импульсы и передает на процессор для обработки параметров, после чего сигнал уходит на компрессор. Компрессор сжимает поток – теперь данные готовы к передаче на сервер (видеорегистратор), персональный компьютер с соответствующим ПО или в облачное хранилище информации.

Каждой IP-камере присваивается собственный IP-адрес, который используется для синхронизации устройства с видеорегистратором и доступа к IP-камере с мобильного гаджета. Несколько видеокамер подключают к видеорегистратору через роутер, коммутатор или каждую в отдельный порт (при наличии таковых). Роутер или коммутатор с поддержкой сетевого протокола динамической настройки узла автоматически раздает адреса и другие сетевые настройки.

Тип подключения IP-камеры к ПК зависит от количества подключаемых камер. Если камера одна, подключение осуществляется в LAN-интерфейс сетевой карты. Если камер несколько – к LAN подключают коммутатор, а уже к нему – камеры с присвоением каждой нового сетевого (IP) адреса.

IP-камеры получают питание от адаптера, PoE-коммутатора или видеорегистратора, если он поддерживает технологию PoE – подачи питания по сети Ethernet или по витой паре одновременно с трансляцией данных.

Технологии передачи данных

IP-камеры работают по стеку протоколов TCP/IP. Это модель сетевого подключения с четырьмя уровнями передачи информации:

• Прикладным – HTTP, RTSP, FTP, DNS и др.
• Транспортным – TCP, UDP, SCTP, DCCP и др.
• Сетевым — IP, включая вспомогательные протоколы ICMP и IGMP, работающие поверх сетевого протокола, и ARP — самостоятельный протокол, работающий поверх канального уровня.
• Сетевым доступом – Ethernet, IEEE 802.11 WLAN, SLIP, ATM, MPLS, Token Ring, физическая среда и принципы кодирования информации.

Транспортные протоколы

Транспортный протокол TCP обеспечивает передачу данных с предварительным установлением соединения – это гарантирует целостность и последовательность информации. Технология регулирует скорость трансляции, чтобы данные не отправлялись быстрее, чем их можно принять, и исправляет ошибки трафика путем отправки дубля пакета, если часть данных была утеряна, или удаляет лишний пакет при отправке двух одинаковых по одному адресу. Эффективность работы протокола TCP доказана испытаниями – уже на первом тестировании пакет прошел 150 тыс. км без потери единого бита информации.

RTP — протокол передачи трафика в режиме реального времени. Способен синхронизировать данные и корректировать последовательность доставки пакетов.

UDP — альтернатива TCP, но с некоторыми нюансами. Протокол транслирует данные без предварительной установки соединения, а также не контролирует процесс получения/отправки и не дублирует данные на случай восстановления потерянного пакета. Таким образом, передача данных происходит быстрее, но менее надежно.

С точки зрения скорости и передачи трафика в реальном времени предпочтительнее транспортные протоколы RTP или UDP. Но если сеть испытывает проблемы, то лучший выбор – протокол TCP, который помогает исправлять ошибки трафика и не допускает потери данных.

Протоколы совместимости

Чтобы IP-камера и видеорегистратор обменивались данными, они должны быть совместимыми. Устройства одного производителя совместимы по умолчанию. Для подключения к видеорегистратору другого производителя сетевая камера должна поддерживать прикладные протоколы. Как правило, это RTSP и ONVIF.

RTSP – потоковый протокол для дистанционного управления потоком данных с сервера IP-камеры. Обеспечивает возможность выполнения команд управления потоком, таких как старт, пауза, остановка проигрывания мультимедиа, а также открывает доступ по времени к файлам на сервере. Не производит сжатие видеопотока, не имеет отношения к пакетам и определению транспортного протокола. По сути, RTSP не имеет отношения к трансляции, поскольку этим занимается отдельный стандартный протокол. RTSP-команды передаются отдельно от основного потока.

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 – это общепринятый современный протокол для совместной работы сетевых камер, видеорегистраторов и ПО разных производителей. Протокол объединяет ряд адаптированных к IP-видеонаблюдению готовых технологий и протоколов, в том числе и протокол RTSP.

В рамках спецификаций разработано четыре профиля:

• Profile S — для видеоисточников.
• Profile C — для систем контроля и управления доступом (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).

IP-камера со встроенным архивом соответствует требованиям двух профилей спецификаций.

Способы передачи сигнала IP-камерой

IP-видеокамера предлагает три способа трансляции сигнала: проводной, беспроводной и гибридный, объединяющий проводной и беспроводной способы.

Проводное соединение обеспечивает стабильную трансляцию на высокой скорости, но имеет ограничения по длине кабеля: витая пара – 100 метров, коаксиальный кабель – 500 метров. Максимальное расстояние обеспечивает оптоволоконный кабель – 100 километров (без коммутаторов и повторителей).

Для беспроводной трансляции в IP-камеру встраивают Wi-Fi-модуль (как правило) и/или 3G/4G-модуль. Дальность передачи сигнала ограничена и снижается из-за физических преград в направлении роутера (стены, перегородки) и электромагнитных помех.

IP-камеры с гибридной передачей данных используют проводную и беспроводную связь, обеспечивают наиболее высокий уровень надежности работы локальной сети.

Ethernet: локальная сеть передачи данных IP-камер

IP-камера работает в сети Ethernet, которая объединяет устройства в локальную сеть (LAN), обеспечивающую пакетную передачу данных. Создавая систему видеонаблюдения на основе IP-камер, можно использовать существующую локальную сеть объекта, к которой подключены компьютеры и другие устройства.

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

Краткий перечень сетевых модификаций стандартов с указанием максимальной длины сегмента.

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).

По коаксиальному кабелю со скоростью 10 Мбит/с: 10BASE5 — RG-58 (до 185 м), 10BASE2 — RG-8 (500 м).

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.

Для передачи данных с использованием коаксиального кабеля и и оптоволокна применяют удлинитель сигнала для коаксиального кабеля и SFP-модуль – для оптоволоконного. Чаще всего сеть монтируют на уровне коммутаторов с SFP-портами.

Возможности IP-камер видеонаблюдения

Основное отличие и первое преимущество сетевой камеры видеонаблюдения — цифровой видеосигнал передается от светочувствительной матрицы к серверу. Среди многочисленных других достоинств IP-камер можно выделить следующие:

• Масштабируемость системы: один кабель может передавать множество потоков.
• Качественное изображением с высокой детализацией.
• набор цифровых и аппаратных опций улучшения картинки (WDR, BLC, HLC, EIS, DIS, DNR etc).
• Трансляция сигнала без потери качества изображения, низкий уровень помех.
• Защита трансляции с помощью использования технологий кодирования и шифрования.
• Высокая скорость трансляции— до 50 к/с и выше для повышения информативности картинки.
• Возможность отправки тревожных сигналов на e-mail или смартфон.
• Возможность удаленно настраивать режим работы камеры и управлять устройством.

Видеоаналитика

Современные IP-камеры могут не только записывать и передавать изображение, но и анализировать его: фиксировать движение и изменения в кадре, распознавать лица людей и номера транспортных средств, оценивать поведение людей в кадре.

Если IP-камера оснащена встроенным детектором движения или функцией обнаружения пересечения виртуальной линии, то ее можно настроить таким образом, чтобы съемка начиналась только при срабатывании датчика. Это поможет снизить нагрузку на сеть, уменьшить заполняемость архива, сэкономить на амортизации оборудования и сократить нагрузку на оператора, просматривающего записи с камер слежения.

Компрессия

Стандартные видеокамеры передают аналоговый сигнал, нагружая сервер и требуя высокой мощности. Несжатый видеопоток нуждается в преобразовании, что неизбежно приводит к ухудшению качества картинки. В отличие от обычных камер видеослежения, IP-камеры сжимают поток для сокращения объема видеоданных и последующей более легкой передачи по сети. За сжатие (компрессию) отвечают видеокодеки. Современные технологии компрессии дают возможность уменьшить размер видеоматериала без существенных потерь в качестве.

В настоящее время распространены три основных стандарта компрессии:

• JPEG – для статического изображения.
• MJPEG – для динамического изображения. .
• H.264, H.265 – проприетарные (платные).

Самый передовой – H.265, но он наиболее эффективен при высоком разрешени. Для картинки 2 Мп и ниже практически не нужен.

Внутренний видеоархив Edge Storage

Edge Storage — технология локального хранения информации: запись видео производится непосредственно на встроенную карту памяти IP-камеры (или на флэшку) или сетевое устройство хранения данных NAS.

Edge Storage – это новый этап развития IP-видеонаблюдения. Технология открывает возможности для создания надежных инструментов записи, таких как:

• Создание дубля архива в случае разрыва соединения.
• Оптимизация использования полосы пропускания.
• Экономия ресурсов сети и накопителей.
• Децентрализация хранение данных.

IP-камера способна работать автономно — без подключения к регистратору или компьютеру. Эта функция незаменима при обрывах связи. В системе с источником бесперебойного питания Edge Storage спасает от отключения электроэнергии. Важно: регистратор или облако должны поддерживать работу с архивом IP-камеры.

Многопотоковая трансляция

IP-камеры транслируют несколько потоков – как минимум два: основной в полном разрешении записывается в архив и второстепенный поток меньшего разрешения транслируется на монитор. Большинство сетевых камер поддерживают 3-потоковую трансляцию – для записи в архив, для выведения на монитор и для трансляции на мобильное устройство. Есть камеры, поддерживающие одновременно до 10-ти потоков. Для снижения нагрузки на сервер и сеть различным детекторам выделяют отдельные потоки.

Режим коридора

Некоторые сетевые камеры поддерживают режим коридора — вертикально ориентированную съемку: 9:16 вместо 16:9. В этом режиме удобно просматривать видео из коридора, тоннеля – любого узкого пространства. Функция повышает качество картинки и сокращает размер слепой зоны. Если режим не поддерживается IP-камерой изначально, программно добавить эту функцию не получится, так как требуемое разрешение закладывается на аппаратном уровне.

Аудио

Как правило, сетевые камеры комплектуются одним или несколькими аудиовходами и аудиовыходами для записи и передачи аудиосигнала на видеорегистратор. Наиболее современные модели оснащены микрофоном, впрочем, при необходимости к любой IP-камере с аудиовходом можно подключить профессиональный микрофон – однонаправленный, двунаправленный или всенаправленный, в зависимости от поставленных задач.

Наличие аудиовхода обеспечивает дополнительные аналитические возможности: камера может фиксировать изменения звукового порога, который настраивается оператором системы видеослежения. При детекции, например, крика, звука разбитого стекла или взрыва такие камеры могут отправлять сигнал тревоги в систему.

CMOS-матрица IP-камеры

Матрица – основной элемент камеры видеонаблюдения, поскольку именно она преобразует свет в электрический сигнал. С технической стороны матрица представляет собой специализированную интегральную микросхему, которая состоит из светочувствительных фотодиодов. Значение матрицы сложно переоценить: если сенсор выдает изображение низкого качества, улучшить его невозможно даже с мощным процессором.

CMOS-матрицы имеют ряд преимуществ:

• Более выгодная стоимость, чем у CCD-матриц, особенно при больших размерах.
• Повышенная чувствительность при плохом освещении, изменение коэффициента усиления для каждого цвета, улучшенная балансировка белого цвета.
• Технология прогрессивного сканирования.
• Высокая скорость считывания кадров, возможность качественной фокусировки вручную.
• Низкое потребление энергии, что особенно важно в энергозависимых устройствах видеонаблюдения и камерах, которые запускают запись по сигналу детектора.
• Низкие требования к ширине полосы пропускания, опция уменьшения битрейта.
• Единство технологии с прочими цифровыми устройствами.

Почти все современные камеры оснащены технологией прогрессивной развертки (Progressive Scan). Это метод отображения, передачи и хранения динамичных изображений с последовательным отображением всех строк кадра. Прогрессивная развертка дает возможность получить стабильное изображение с низким количеством помех, движущиеся объекты выглядят более четкими. Несмотря на то, что прогрессивная развертка требует вдвое большей полосы пропускания, чем чересстрочная, преимущества метода значительно перевешивают этот недостаток.

Преимущества Progressive Scan:

• Целостное сохранение каждого кадра (без разделения на два поля).
• Качественное масштабирование изображения.
• Отсутствие помех (“гребенки”, мерцания) на движущемся объекте.

Размер матрицы также имеет важное значение. Показатель указывают в виде дроби (измеряют в дюймах). Чем меньше знаменатель, тем больше размер сенсора и тем более качественное изображение можно получить.

Наиболее популярные форматы:

1/2″ — обеспечивает достаточную в большинстве случаев светочувствительность.

1/3″ — гарантирует хорошую производительность при слабом освещении и высокой частоте кадров.

1/4″ — минимальный размер и, как следствие, низкая чувствительность.

Разрешение IP-камеры

Разрешение матрицы – один из ключевых параметров при выборе IP-камеры. Чем выше разрешение матрицы, тем выше четкость и детализация изображения. В большинстве случаев достаточно разрешения 2 Мп (Full HD) – его поддерживают большинство современных мониторов.

Наиболее распространены следующие стандарты разрешения:

• HD (720p) — 1280×720 (1 Мп) — среднее разрешение, оптимально подходит для общей оценки области наблюдения.
• SXGA (960p) — 1280×960 (1.3 Мп) — увеличенное число пикселей по вертикали для получения вытянутой вверх сцены.
• Full HD (1080p) — 1920×1080 (2 Мп) — хорошее разрешение, дающее возможность идентификации человека.
• Quad HD (1440p) — 2560×1440 (4 Мп) — высокое разрешение с улучшенной детализацией при средних требованиях к пропускной способности сети.
• 5MP — 2560×1920 (5 Мп) — очень высокое разрешение с высокой детализацией, обеспечивает повышенную четкость и контрастность картинки.
• 4K UHD или Ultra HD (2160p) — 3840×2160 (8 Мп) — лучшее на сегодняшний день расширение, дающее возможность распознавания мельчайших деталей, а также использовать цифровой зум.

Цифровые технологии прогрессируют, что ведет к увеличению числа эффективных пикселей в фото и видеотехнике. Стоит помнить, что высокое разрешение оправдано не на всех объектах, а лишь там, где существует необходимость четко идентифицировать мелкие детали, постоянно масштабируя изображение (например, распознать достоинство и номер купюры, автомобильный номер с большого расстояния).

Объективы IP-камер

Объектив IP-камеры – это сложная система линз, которые взаимно компенсируют оптические искажения. Объектив камеры собирает и проецирует свет на светочувствительную матрицу, которая формирует оптическое изображение.

Главный параметр при выборе объектива – фокусное расстояние. Показатель определяет угол обзора и масштаб изображения. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора. Например, объектив с фокусом 2.8 мм обеспечивает видеонаблюдение в секторе с углом обзора около 100º.

Производители оснащают сетевые камеры короткофокусными, длиннофокусными и сверхдлиннофокусными объективами разного типа: с фиксированным или переменным фокусным расстоянием, моторизованные и fisheye.

• Фиксированное фокусное расстояние задают в процессе сборки камеры – оно остается стабильным на протяжении всего срока эксплуатации устройства.
• Переменное фокусное расстояние можно менять в процессе эксплуатации камеры, что дает больше возможностей для организации качественного видеонаблюдения.
• Моторизованный объектив (motor-zoom) оборудован специальным приводом для дистанционного управления фокусом. Как правило, подобные модели оснащены диафрагмой и системами оптической стабилизации и фокусировки. Моторизованные объективы позволяют буквально за несколько секунд масштабировать изображение.
• Fisheye-объективы имеют сверхширокий угол охвата (до 180°), из-за чего прямые линии в необработанной картинке искажаются и имеют вид дугообразных кривых. В камерах с объективом этого типа картинка разбивается на отдельные каналы, одновременно с чем исправляется искажение.

Форм-фактор IP-камеры

Сетевая камера может иметь стандартный, купольный, цилиндрический, кубический или сферический корпус.Разнообразие форм-факторов IP-камер позволяет подобрать оптимальную модель для размещения на любом объекте.

• Купольные камеры – наиболее распространенный тип камер слежения. Устройства востребованы из-за компактных размеров и простой установки. Такую модель можно закрепить не только на потолок, но и на вертикальную поверхность.
• Цилиндрические камеры устанавливаются на специальный кронштейн, который задает необходимое направление обзора. Как правило, цилиндры монтируются на вертикальные поверхности – стены, столбы, ограждения. Камеры этого типа часто оснащены крепким антивандальным корпусом с козырьком для защиты от пыли и влаги.
• Кубические камеры применяются для организации видеонаблюдения в помещении. В комплекте с ними идет кронштейн для установки на столе, книжной полке или другой поверхности.
• Сферические камеры позволяют регулировать направление съемки – шар поворачивается в нужную сторону. Объектив сферической камеры защищен специальным экраном.

Камеры стандартного дизайна (корпусные камеры) поставляются без объектива и кронштейна, позволяя установщику самостоятельно выбрать оснастку устройства. Для адаптации к уличной эксплуатации камеру встраивают в термокожух.

Отдельного внимания заслуживают поворотные PTZ-камеры. Устройства оборудованы управляемым приводом и специальным ПО для изменения положения корпуса. Наиболее продвинутые PTZ-камеры оснащены детектором движения и автотрекингом, которые способны обнаруживать объект наблюдения и сопровождать его через всю рассматриваемую территорию.

Также есть модели, не подпадающие ни под один стандартный форм-фактор, например, камеры с выносным объективом.

Исполнение IP-камер

IP-камеры классифицируют по месту установки – в помещении, на улице и в транспорте. В каждому типу устройств выдвигаются определенные требования. Например, уличные сетевые камеры должны соответствовать следующим критериям:

• Соответствие международным стандартам по защите устройств от пыли и влаги IP. Первая цифра после маркировки IP указывает на уровень защиты от пыли, вторая – от проникновения влаги. Корпус уличной камеры должен соответствовать стандарту (IP54 ~ IP68).
• Диапазон рабочих температур (при условии соответствия вышеописанному стандарту). При нижней границе минус 10 °С камеру можно устанавливать в помещении без отопления; при минус 20 °С – на улице (актуально для большинства регионов РФ и СНГ); при минус 40 °С – практически везде, а при минус 60 °С – на открытом воздухе даже в сложных условиях Крайнего Севера.

Транспортные IP-камеры – это специализированное видеооборудование, адаптированное к вибрации, скачкам температуры и перепадам уровня освещенности. Большинство моделей укомплектованы наружными разъемами (как правило, резьбовыми M12), которые обеспечивают надежность и герметичность соединения.

Нужна помощь в выборе IP-камеры? Специалисты компании Security Systems всегда готовы оказать необходимую консультационную поддержку в выборе оборудования для организации видеонаблюдения на любом объекте.

Поделиться Поделиться Поделиться