Что такое IP-камеры и как они работают
IP-камеры предназначенные для постоянного видеонаблюдения выполняют функции съемки и трансляции видео через сеть. Говоря иначе, IP-камеры являются по своей сути маленькими компьютерами с объективами, которые одновременно снимают и передают материал через сетевые коммуникации. Они включают в себя процессор и необходимые интерфейсы для обработки видео и изображения для последующей отправки в хранилище.
Принцип работы IP-камеры во многом схож с функциями обычных фото и видеокамер. Точно так же матрица обрабатывает изображение, сфокусированное объективом. Следом, после преобразования полученного изображения в сигнал, процессор камеры выполняет первоначальную обработку. После процесса автоматического сжатия изображения до удобных форматов и размеров, происходит передача материала в сеть через контроллер Ethernet.
IP-камеры так же имеют собственный интернет-адрес, позволяющий связать их с устройствами – IP-адрес. Благодаря программе, можно использовать IP-адрес камеры для подключения, синхронизации, передачи изображения на множество устройств, онлайн-просмотра изображения с объектива в данный момент, организовать параллельную работу с другими камерами.
Поскольку IP-камеры в своём корпусе имеют собственный процессор и контроллер, это позволяет использовать их в огромном количестве задач благодаря широкому выбору программного обеспечения. Простая настройка и доступ к IP-камере может позволить вам получить изображение с камеры находясь в любом месте на планете с мобильным устройством и интернетом.
Существует несколько основных способов передачи изображения с IP-камеры. Она может быть подключена к серверу (регистратору), к вашему компьютеру с установленным специальным программным обеспечением или в облачные сервисы (чаще всего платные услуги). В случае если вы используете сразу несколько IP-камер, то они подключаются к серверу через роутер или коммуникатор. Они автоматически присваивают каждой камере свой адрес и возможность изменить необходимые настройки.
IP-камеры не требуют большого количества электропитания. Они могут получать его через витую пару (интернет-кабель), если ваш регистратор или адаптер поддерживает функцию PoE. PoE расшифровывается как Power over Ethernet, то есть питание через сеть Ethernet. Вместе с изображение по кабелю камера получат и электропитание.
Прямое подключение IP-камеры к компьютеру напрямую зависит от того, сколько планируется устанавливать камер. Единственная IP-камера может подключаться к ПК напрямую через LAN-разъем с помощью кабеля. Если камер несколько, то не обойтись без коммутатора, к которому подключаются все устройства, а уже сам коммутатор – к вашему компьютеру. Коммутатор назначает каждой камере свой собственный сетевой адрес, благодаря которому вы можете получить доступ к изображению, выполнить настройку, подключиться для онлайн-просмотра.
IP-камеры передают данные через стандартную группу протоколов. В них используется сетевая модель TCP/IP, которая подразумевает прохождение данных через четыре уровня протоколов. Протоколы делятся на следующие группы:
- Прикладные протоколы – DNS, HTTP, FTP и другие.
- Транспортные протоколы – TCP, DCCP, UDP и другие.
- Сетевые протоколы – IP и ряд вспомогательных протоколов, например маршрутизации, относящихся к этой группе.
- Сетевой доступ – Ethernet, WLAN, ATM и др.
TCP – является самым надежным протоколом, который устанавливает предварительную коммуникацию, начинает процесс передачи данных и обеспечивает их сохранность. Так же в его функции входит регулирование скорости для корректной передачи массива данных исходя из возможностей устройства по их принятию. Если произошла ошибка и потеря элемента данных – он отсылает копию, исправляя помехи, либо убирает дублированный, лишний элемент в случае повтора. Является гарантом доставки данных в полном объеме, при испытаниях смог передать сумму данных через 150 тыс. километров без единой потери.
UDP – протокол, который является альтернативой TCP и выполняет практически те же функции, однако не устанавливает предварительной коммуникации, а сразу же отправляет данные и выполняет трансляцию. Так же не следит за данными и не исправляет ошибки пропущенных элементов. За счёт этого куда менее надежный, но более быстрый протокол.
RTP – выполняет передачу данных в реальном времени, синхронизирую и корректируя поступление информации.
Резюмируя – лучшей скоростью передачи обладают RTP и UDP, но если сеть имеет проблемы или требуется максимальная надежность, то лучшим выбором будет TCP.
Большинство устройств от одного бренда хорошо совместимы друг с другом. Если используются устройства разных производителей, то существуют общие протоколы, самые распространенные из которых – RTSP и ONVIF.
RTSP – это протокол, созданный для удаленного управления и настройки IP-камеры. Не выполняет сжатие и определение транспортных протоколов. Выполняет ряд специальных запросов, например унифицированные запросы для установки параметров, начало и остановки передачи (Play/Pause), запись и передача данных (Record).
ONVIF – более современный, универсальный стандарт протоколов. Являет из себя комплекс технологичных протоколов, специально приспособленных к видеонаблюдению через IP-камеры. Для данного стандарта существуют четыре специфицированных профиля. Profile S – видео, C – СКУД, G – записывающие устройства, Q – для готовых решений и настроенных с завода устройств.
В IP-видеонаблюдении используется Profile S, который выполняет такие функции, как:
- Управление профилями настроек;
- Шифрование;
- Поиск устройств;
- Конфигурации сети и др.
Основные способы передачи сигнала – беспроводной и проводной. Существует так же гибридный способ, включающий в себя возможность использовать оба метода, в зависимости от необходимости.
Самым стабильным методом подключения является проводное соединение. Оно обеспечивает самый точный и стабильный режим передачи данных, но вызывает необходимость выполнить монтаж кабельных сетей до камер. Существуют ограничения в зависимости от типа кабеля. Витую пару (интернет-кабель) имеет ограничение в 100 м, коаксильный кабель – 500 м, оптоволоконный – 100 км.
Беспроводная передача данных осуществляет за счет установки Wi-Fi или 3G/4G модулей в камеру. Расстояние передачи достаточно ограничена и ещё больше снижается если между источниками сигнала находятся стены, перегородки и помехи.
IP-камеры используют для своей работы и передачи данных сети Ethernet. Данные сети используют технологию коммуникации между устройства с помощью локальной сети (LAN). IP-камеры не требуют каких-то сложных, специализированных систем сети, им достаточно обычной локальной сети, которыми могут соединяться, к примеру, компьютеры небольшого офиса.
Стандарты Ethernet из группы IEEE 802.3 являются определяющими для передачи данных с IP-камер и регулируют формат кадров и протоколы, на которых устанавливается доступ к среде, на которой действует камера и устройство, к которому она подключена.
Главным преимуществом и особенностью сетевых камер является как раз возможность передачи цифрового видеосигналы с объектива и матрицы на любой сервер или ПК.
Среди остальных преимуществ IP-камер можно выделить:
- Изображение с высоким разрешением;
- Большой набор системных улучшений видео и изображений;
- Защита от помех;
- Высокая частота кадров (~50 к/c), что влияет на восприятие информации с камер;
- Возможность настройки камеры на расстоянии;
- Уведомления на смартфон или электронную почту.
IP-камеры так же имеют функцию анализа изображения в зависимости от модели и стоимости – начиная от обычного детектора, реагирующего на движения, до возможности распознавать лицо хозяина, номер автомобиля и даже анализ поведения человека.
Датчик движения позволяет выполнять съемку только по наличию движения. Это позволяет не снимать 24/7, нагружая сеть и место хранения, забивая его беспрерывной съемкой. Увеличится срок службы кабелей передачи, самой камеры, жестких дисков, уменьшается время просмотра материала.
Обычные камеры видеонаблюдения при работе отправляют несжатый видеосигнал, серьезным образом нагружая серверные мощности чрезмерной нагрузкой. Помимо этого, несжатые аналоговые сигналы требуют последующего преобразования в цифровой формат, что влечет за собой потерю в качестве изображения. IP-камеры в свою очередь благодаря собственному процессору и необходимым протоколам, самостоятельно сжимаю видеофайлы, отправляют их в куда меньшем весе и не требуют переформатирования, поскольку сразу же работают в основных, популярных форматах изображений.
Самые популярные форматы: JPEG – для фотографий, MJPEG и платные H.264, H.265– для видео. H.265 является одним из лучших по качеству форматов, но он предназначен для высококачественных камер, а не для 2 Мпиксельных камер видеонаблюдения. На сегодняшний день продолжается совершенствование и разработка новых технологий сжатия и форматов изображения.
Edge Storage – это локальное хранилище для записанных видео в виде карты памяти и дублирование материала для защиты данных при потери соединения. IP-камера может работать и без подключения к серверу или ПК, в ней предусмотрен так же и слот для micro SD карты памяти или порт USB для флеш-карты и внешнего жесткого диска.
IP-камеры способны выполнять трансляцию не одного потока, а нескольких. Минимально камера способна передавать два потока – основной для записи без сжатия, в полном разрешении и дополнительный поток для монитора, небольшого разрешения. Чаще всего IP-камеры передают 3 протока – основной, дополнительный и для мобильных устройств. Существуют модели, которые способны передавать до 10 потоков.
Во многих моделях IP-камер встречается так называемый режим коридора. Он заключается в вертикальном, а не горизонтальном выводе изображения – в формате 9:16, а не 16:9. Этот режим позволяет с большим удобством выполнять съемку узких коридоров и тоннелей. Спецификации в документах IP-камеры содержат информацию о наличии данного режима. Если он не заявлен, то получить его невозможно – он встраивается на программном уровне с завода.
Практически все IP-камеры имеют аудиовходы и выходы, способны передавать вместе с видеофайлами и аудиодорожки. Есть модели, в которые микрофон встроен изначально, но по мере необходимости вы можете подключить любой микрофон в разъем аудиовхода.
В камера с программной аналитикой так же есть протоколы, реагирующие на громкие звуки, превышающие определенный звуковой порог. Например, если камера «услышит» крики, громкий шум, выстрелы или любые другие тревожные громкие звуки, она сможет записать их и направить с уведомлением.
Матрица является главным элементом камеры, которая выполняет функции преобразование отраженного на объективе света в электрический сигнал. Матрица – это специализированная микросхема, которая включает в себя чувствительных к свету диодов. Именно благодаря хорошей матрице можно получить высококачественное изображение.
CMOS-матрицы имеют ряд преимуществ:
- У них меньшая цена, чем у матриц типа CCD;
- Качественная цветопередача;
- Высокая скорость работы, считывания и записи;
- Возможность уменьшить нагрузку на сети передачи и уменьшить битрейт видео;
- Малое энергопотребление;
- Отличная совместимость с другими устройствами.
Прогрессивная развертка (Progressive Scan) – это особый метод захвата и передачи изображения в движении. Особенность данной технологии в куда большем требованиям к сетям пропуска, но при этом она обладает важными преимуществами:
- Отсутствие мерцаний и неточности в изображении при съемке движущегося объекта. Не нужно применять ухудшающие качество фильтры для сглаживания.;
- Возможность увеличить разрешение изображения;
- Сохранение целости всех кадров.
Размер матрицы так же влияет на качество съемки. В спецификациях указан размер в дюймах в виде дробных чисел. Меньшие значения являются показателем более дорогих и качественных сенсоров. Это влияет на цветопередачу и уровень изображения, углы обзора.
Самыми популярными размерами являются:
- 1/2" – хорошая светочувствительность, которой хватает для большинства задач;
- 1/3" – достойная производительность, хорошо показывающая себя в слабом освещении;
- 1/4" – самый маленький размер и низкий уровень чувствительности.
Существуют камеры с несколькими сенсорами, которые имеют сразу несколько матриц. Это необходимо для панорамной съемки или записи нескольких сцен.
Высокое разрешение изображения камеры напрямую влияет на качество полученного изображения. Особенно это касается детализированности небольших элементов и возможность рассмотреть их при увеличении и растягивании картинки. Стандартным, средним, достаточным разрешением является Full HD, который обеспечивают 2 Мп IP-камеры.
Самые популярные разрешения:
- 1280х720 или HD (720p) – обеспечивается 1 Мп камерами и позволяет получить общее изображение в наблюдаемой области без проработанных деталей.
- 1280x960 или SXGA (960p) – немного большее количество пикселей с использованием камер 1,3 Мп. Отличаются более вытянутой по вертикали картинкой.
- 1920х1080 или Full HD (1080p) – хороший, средний вариант качества, которого хватает для опознавания человека по лицу. Используются камеры 2 Мп.
- 2560x1440 или Quad HD (1440p) – отличная детализация и четкость изображения с камер 4 Мп при стандартной нагрузке на сеть.
- 2560x1920 или 5MP – детализация ещё более высокого качества.
- 3840x2160 или 4K UHD (Ultra HD) – использует камеры 8 Мп и обеспечивают самое лучшее изображение с возможностью увеличить его с помощью зума.
Технологии не стоят на месте, и производители IP-камер с каждым годом стремятся увеличить разрешение получаемой картинки. Высокое разрешение позволяет разглядеть мельчайшие детали, например автомобильный номер или совсем маленькие объекты. Встает только один вопрос – насколько необходима такая детализация для обычного человека, который хочет обеспечить простое видеонаблюдение за участком. Зависит исключительно от бюджета и требований каждого заказчика.
Объектив камеры является сложным устройством, состоящим из ряда различных линз, которые образуют специальную систему в оправе. Их работа заключается в проекции света на матрицу для получения изображения.
Основной характеристикой объектива является фокусное расстояние. Оно определяет углы обзор и возможность масштабирования изображения. Если говорить подробнее, то оно является расстоянием от линз до точки фокуса. Меньшее расстояние означает больший обзор. Например, объектив 2,8 мм предоставляет наблюдение в области с углом примерно 100 градусов. Более высокий фокус, к примеру 7 мм, обеспечивает меньший угол обзора, но предоставляет более качественное изображение при съемке на расстоянии.
Устанавливая систему видеонаблюдения у каждого заказчика, возникают индивидуальные задачи и потребности. Стремясь обеспечить удовлетворение запросов каждого клиента, производители IP-камер используют самые разные объективы: с коротким и длинным фокусом, фиксированным и переменным фокусным расстоянием, моторизированный, «рыбий глаз» и многие другие.
Фиксированный фокус – настройка расстояние закладывается на производстве, и оно всегда остается постоянным.
Переменный фокус – имеют возможность по изменению фокусного расстояния, диапазон которых указывается в характеристиках, например (2,6~13,6) и есть возможность его сменить, удобно расположив в любом месте и просто настроив фокус на нужный угол.
Моторизированный фокус – в таких объективах встроен специальный привод, позволяющий дистанционно управлять фокусировкой и масштабом изображении. Довольно распространенными дополнительными функциями в них является система стабилизации и зума. Такие IP-камеры устанавливают на объектах, требующих пристального внимания и обеспечения безопасности, потому что они позволяют очень быстро масштабировать изображения для детального рассмотрения.
Рыбий глаз (Fisheye) – специальные, сверхширокоугольные объективы с углом обзора 180 градусов. Изображение с них отличается искажением прямых линий. Камеры способны с помощью программы выправить изображение.
Если несколько основных видов IP-камер. Их выпускают в купольном, кубическом, сферическом, цилиндрическом или стандартном (box) форм-факторе.
Купольные являются самыми популярными. Они могут быть установлены как горизонтально, на потолок, так и через специальные кронштейны на стены.
Цилиндрические IP-камеры монтируются на поворачивающийся кронштейн. Данный форм-фактор часто подразумевают пыле- и влагозащиту, защиту от вандалов, с козырьком и использование в разных температурах и влажности. Чаще всего монтируются вертикально – на стены, столбы, заборы.
Камеры с стандартным корпусом обычно выпускаются без объектива и кронштейна. Это позволяет конфигурировать камеру самыми разными элементами под свои нужды. Существуют защитные кожухи, помогающие уберечь камеру от уличных воздействий.
IP-камеры Cube больше рассчитаны для домашнего использования. Их можно установить на потолке, стене или на столе. Последний вариант самый популярный.
Сферические IP-камеры – шарообразный форм-фактор, позволяющий камере поворачиваться в любую сторону.
Поворотные камеры являются отдельным форм-фактором. Они оборудованы специализированными приводами и ПО, позволяющими осуществить широкий угол обзора и большую сцену наблюдения. Программы в некоторых камерах способны наблюдать за движущимся объектов, поворачиваясь за ним.
IP-камеры изготавливаются для использования в помещениях, транспорте и на улице.
Уличные IP-камеры должны соответствовать ряду спецификаций:
- Корпус камеры должен соответствовать защитным стандартам (IP54~IP68). Данные международные стандарты защиты International Protection Marking (IP) определяют степень защиты от влаги и пыли.
- Работать в определенном диапазоне температур. При минимальной температуре -10 градусов – данную камеру можно устанавливать в помещении. - 20 градусов – на улице в южных регионах, - 40 градусов – практически везде, - 60 градусов – в любых регионах, в том числе Севера.
