09 июля 2013
Основы сетевого видеонаблюдения
Краткий курс
Часть 3
Сетевые телекамеры
Под сетевой (IP-) камерой понимают цифровую видеокамеру, особенностью которой является передача видеопотока в цифровом формате по сети Ethernet, использующей протокол IP. Являясь сетевым устройством, каждая IP-камера в сети имеет свой IP-адрес. Это своего рода два в одном: телекамера и компьютер.
Большинство IP- камер имеют дополнительный функционал: детекторы движения, отправка сообщений по e-mail, подключение внешних датчиков и пр. Пользователи могут обращаться к камере посредством стандартного веб-браузера. В зависимости от настроек, доступ к информации от IP-камеры, может быть доступен всем пользователям сети или только авторизованным пользователям.
В отличие от аналоговых камер, после получения видеокадра с IP-камеры, изображение остаётся цифровым вплоть до отображения на мониторе; высокое качество изображения постоянно на всем трафике прохождения сигнала и не зависит от длины трафика.
Как правило, перед передачей, полученное с матрицы изображение сжимается с помощью покадровых (MJPG) и межкадровых (MPEG-4, H.264) методов видеосжатия. Существуют специализированные IP-камеры, осуществляющие передачу видео в несжатом виде.
Благодаря тому, что сетевым камерам не требуется передавать аналоговый сигнал в формате PAL или NTSC (разрешение ограничено стандартами CCIR/PAL – 720 х 576 и 720 х 480 в EIA/NTSC), в IP-камерах могут использоваться большие разрешения, включая мегапиксельные. Типовые значения разрешения для сетевых камер: 640x480 точек; мегапиксельные: 1280x1024, 1600x1200. Благодаря отказу от использования стандартов аналогового телевидения PAL и NTSC, IP-камеры могут передавать видеокадры с требуемой частотой. Существуют IP-камеры с частотой передачи больше 60 кадров в секунду.
Как следует из определения IP- телекамера – это, прежде всего телекамера, имеющая признаки аналоговой, но и имеющая свою специфику. Рассмотрим алгоритм работы и основные компоненты сетевой телекамеры.
Упрощенный алгоритм работы сетевой телекамеры, (см. Рис.1):
- Отраженный от объекта световой поток попадает в зону объектива, фокусируется в нем, попутно проходит через ИК-фильтр и попадает на оптоэлектронный сенсор изображения.
- Сенсор изображения преобразует сфокусированное изображение в электрический сигнал.
- После сигнал поступает в процессор изображения (обработки сигнала), где оптимизируется по параметрам: яркости, контрастности, цветности и т. п.).
- В модуле сжатия изображения осуществляется компрессия видеопотока.
- Центральный процессор, Флэш-память (Flash memory) и оперативная память (DRAM) являются "мозгами" или компьютерной частью камеры. Они созданы специально для поддержки сетевых приложений.
- Посредством Ethernet-интерфейса цифровой видеопоток уходит в IP-сеть.
Рис.1
Компоненты
- Объектив - оптическое устройство, предназначенное для создания действительного оптического изображения. Обычно объектив состоит из набора линз, рассчитанных для взаимной компенсации аберраций (погрешности изображения) и собранных в единую систему внутри оправы. В конструкцию объектива могут входить вспомогательные элементы: диафрагма, для управления количеством проходящего света, система фокусировки. Более подробно объективы рассмотрены в предыдущем курсе: http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=38612.
- Сенсор изображения (оптико-электронная /фотоприемная матрица) - является основным элементом, самым технологически сложным и дорогим в денежном эквиваленте любой видеокамеры, именно матрица определяет основные технические характеристики камеры. Современные телекамеры строятся на 2-х типах матриц:
- ПЗС (CCD) – аббревиатура «прибор с зарядовой связью» или CCD-матрица (Charge-Coupled Device). ПЗС-матрица— специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. Основные размеры матриц: 1/3, 1/2 и 2/3 дюйма.
- КМОП (CMOS) – сокращение от «комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник», (CMOS) Complementary Metal-Oxide Semiconductor. КМОП-поненты матрица — светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии. ажным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии, т.е. объединение на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части. Не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов, что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем. Подробнее см.: http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=38362.
Примечание: Для уменьшения общей стоимости сетевой телекамеры, чаще используют более дешевые CMOS-матрицы, теряя при этом в качестве продукта.
- Процессор изображения или процессор обработки видеосигнала выполняет в камере следующие функции: управление экспозицией, регулировкой баланса белого цвета, контрасностью и другими компонентами качества изображения. Представим некоторые из функций: AGC– автоматическая регулировка усиления, DSS -электронное увеличение чувствительности, AWB – автоматическая регулировка баланса белого цвета , BLC – компенсация фоновой засветки, , DNR– цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон. Подробнее см.: http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=38496.
Теперь специфические компоненты сетевой телекамеры:
Модуль сжатия изображения
Основная функция компрессия видеопотока, выполнен на базе DSP- микросхемы, это процессор с памятью в которую загружены программы с алгоритмами сжатия. Основные алгоритмы сжатия: H.264 - межкадровый алгоритм сжатия, в настоящее время основной стандарт компрессии видеоданных, используется практически во всех типах IP-телекамер. Коэффициент сжатия у кодека H.264 достигает до 70 : 1. Кроме межкадрового сжатия, существует и стандарт MJPEG (Motion JPEG) — покадровый метод видеосжатия, основной особенностью которого является сжатие каждого отдельного кадра видеопотока с помощью алгоритма сжатия изображений JPEG. Коэффициент сжатия у MJPEG достигает до 15 :1. Основным преимуществом видеосжатия Motion JPEG является простота реализации, что делает MJPEG подходящим для реализации в устройствах с ограниченными вычислительными ресурсами.
Центральный процессор, флэш-память (Flash memory) и оперативная память (DRAM) - являются "мозгами" или компьютерной частью камеры с CPU, памятью и операционной системой, как правило Linux. Основные функции: общее управление телекамеры, выполнение различных алгоритмов видеоанализа. Перенос аналитики на борт телекамеры привносит два положительных момента: анализируется докомпрессионный качественный видеопоток и функционально частично разгружается в/регистратор. При использовании флеш-карты пользователь получает не только возможность мониторинга, но и возможность управлять режимами записи, просмотра, скачивания архива по IP-сети.
Веб-сервер, это сервер, принимающий HTTP-запросы от клиентов, обычно веб-браузеров, и выдающий им HTTP-ответы, как правило, вместе с HTML-страницей, изображением, файлом, медиа-потоком или другими данными.
Короче, прописывая у себя на компьютере в адресной строке веб-браузера IP-адрес телекамеры, веб-сервер IP-камеры высылает нам HTML-страницу с видеопотоком и другими данными.
Сетевой интерфейс/ адаптер
Функция: подключение сетевой телекамеры к IP-сетям. Могут поддерживать функцию PoE (Power over Ethernet), предоставляя камере получать по одному кабелю не только данные, но и питание. Подробнее о PoE : http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=38706.
Олег Зайцев
Email: zzoleg@mail.ru
Продолжение следует
Во 4-й части курса будут представлены основные типы сетевых телекамер.
Видеорегистратор MDR-H0004C (HD SDI)
