Как работают IP камеры видеонаблюдения

Как работают IP камеры видеонаблюдения

Цифровые IP камеры практически вытеснили классические аналоговые видеокамеры из систем видеонаблюдения. Это вполне закономерно, поскольку они значительно превосходят аналоговые камеры по техническим возможностям, рабочим параметрам, функционалу и удобству использования в системе. 

Наша статья знакомит с устройством и составными элементами IP камер, рассказывает о применяемых технологиях и особенностях работы в различных режимах. Надеемся, что статья поможет вам повысить уровень безопасности при организации индивидуальной системы видеонаблюдения.

Основные элементы камер видеонаблюдения

IP камеры видеонаблюдения состоят из типовых составных элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию.

Объектив

Объектив состоит из нескольких оптических линз, фокусирующих изображение на светочувствительной матрице. Его главной характеристикой является величина фокусного расстояния. Чем оно больше, тем меньше угол обзора видеокамеры и выше дальность наблюдения.

На рынке представлены камеры с различными вариантами объективов:

• монофокальные – постоянное фокусное расстояние;

• вариофокальные – ручная регулировка фокуса;

• трансфокаторы – дистанционное изменение фокусного расстояния.

Также объективы отличаются способом управления диафрагмой: с фиксированной диафрагмой, с управлением по технологии Direct Drive и Video Drive.

Светочувствительная матрица

Светочувствительная матрица выполняет функцию преобразования спроецированного на ней светового изображения в последовательность электрических сигналов. От матрицы на 80% зависит конечное качество видеоизображения, формируемого камерой. В цифровых IP камерах обычно используется CMOS матрица, каждый пиксель которой состоит из фотодиода и транзистора.

Процессор обработки видеосигнала

На процессор поступают электрические сигналы от матрицы, которые преобразуются им в цифровые видеосигналы. Потоковая оцифровка производится без буферизации и задержки, в реальном времени.

Источник изображения: интернет

Блок компрессии

Блок компрессии сжимает поток видеоданных, принимаемый от видеопроцессора, при помощи специальных алгоритмов, таких как, MPEG-4, H.264 и других. Уменьшение объема видеопотока очень важно для IP камер, передающих его на видеосервер в онлайн режиме по сети.

Микрофон

Многие видеокамеры оснащаются встроенным микрофоном, обеспечивающим запись звука.

Блок питания

Внешний блок электропитания выполняет преобразование переменного напряжения 220 Вольт в постоянное напряжение 12 Вольт. 

Источник изображения: интернет

Большинство IP камер получает постоянное напряжение удаленно по технологии PoE через кабель “витая пара”. Напряжение подается от видеорегистратора через PoE инжектор.

Проводной или беспроводной интерфейс передачи видеотрафика

Поток видеоинформации передается по сети к видеосерверу через встроенный интерфейс, который бывает двух типов:

• Проводной с контроллером Ethernet.

Передает поток видеоданных по кабельным линиям локальной сети Ethernet и IP сети. Для передачи используются сетевые кабели “витая пара” с высокой пропускной способностью.

• Беспроводной с модулем Wi-Fi.

Передача видеотрафика осуществляется по радиоканалу.

ОЗУ – это специальная память, в которой временно хранятся видеоданные. Она реализована на специализированных микросхемах, поддерживающих функцию перезаписи данных.

Встроенный блок инфракрасной подсветки позволяет осуществлять видеосъемку при плохой освещенности и даже в темноте. Видеоизображение получается достаточно четким с хорошей детализацией.

Дополнительные элементы системы видеонаблюдения

Системы видеонаблюдения, устанавливаемые на объектах различного назначения, состоят из цифровых IP камер и совместимого с ними дополнительного оборудования.

Видеорегистратор и видеосервер

Видеорегистраторы и видеосерверы выполняют одни и те же функции по приему видеоданных от камер, их обработке, записи и хранению на жестком диске. Они отличаются по количеству поддерживаемых каналов (4-32), которое определяет количество подключаемого к ним видеооборудования.

Источник изображения: интернет

   Жесткий диск (HDD)

Это основное средство хранения видеоданных в видеосервере. Применяются жесткие диски, адаптированные к круглосуточной, ежедневной работе и высоким нагрузкам. Чем больше видеоинформации требуется хранить, тем большая емкость диска необходима. Стандартная емкость выбирается в пределах 1 ТБ-10 ТБ. Можно выбрать модели с большей емкостью.

На монитор выводится видеоизображение, получаемое в реальном времени. Чаще всего используются мониторы с диагональю 22-32 дюйма, реже с диагональю 40 дюймов и более. Применяются ЖК и светодиодные экраны с высоким разрешением Full HD и 4K, которые обеспечивают повышенную детализацию изображения. 

Источник изображения: интернет

Коммутатор

Коммутаторы устанавливаются обычно на крупных объектах с большим количеством видеокамер. Коммутаторы управляют видеопотоками внутри локальной Ethernet сети по физическим MAC адресам, присвоенным каждому подключенному к ним устройству. Если электропитание подается удаленно, по жилам сетевого кабеля, то используются специализированные PoE-коммутаторы.

Кабели и разъемы для видеонаблюдения

Все элементы системы видеонаблюдения соединяются между собой специальными кабелями различного типа с установленными на них коннекторами. 

Кабель “витая пара”.

Наиболее распространенное решение для передачи видеоинформации. На практике применяются кабели “витая пара” категории 5e и 6, которые поддерживают высокую скорость передающего канала. На оба конца кабеля устанавливаются коннекторы RJ45, при помощи которых кабель подключается к ответным разъемам видеооборудования.

Источник изображения: интернет

Оптоволоконный кабель.

Используются при необходимости передавать видеотрафик на большое расстояние. Оптоволокно обеспечивает передачу видеоданных на расстояние до 2 километров со скоростью до 2,5 ГБит/с. Оптоволоконные кабели распаиваются в оптических кроссах, к которым при помощи оптических патч-кордов подключается оборудование.

Источник изображения: интернет

Видеокабель HDMI.

Применяется для подключения видеорегистратора к монитору, позволяет передавать видео с высоким разрешением.

Источник изображения: интернет

Принципы работы IP камер видеонаблюдения 

Принцип работы камер видеонаблюдения абсолютно одинаков для оборудования всех производителей. Отличия видны только в используемых схемных решениях, а также в применяемых моделях цифровых микросхем и микропроцессоров. 

Сбор изображения: как свет преобразуется в электрический сигнал

Световое изображение фокусируется объективом на поверхности CMOS матрицы, состоящей из множества пикселей на основе фотодиода и транзистора. При попадании света на фотодиод, генерируется электрический сигнал, усиливаемый транзистором. Сигналы каждого пикселя последовательно считываются и передаются на видеопроцессор.

Обработка данных: встроенные процессоры и кодеки

Сигналы от светочувствительной матрицы поступают на специализированные процессоры, которые обрабатывают и оцифровывают их, а также регулируют яркость, контрастность, четкость и цвет формируемого видеоизображения. 

Видеоданные с выхода процессора поступают на кодек, который сжимает их для дальнейшей передачи по сети с сохранением начального качества видеосигнала. Производители применяют различные варианты кодеков, соответствующие современным требованиям. Например, H.264, H.265,VP8, VP9, AV1. Сжатый видеотрафик передается гораздо быстрее и занимает меньше места на жестком диске.

Передача данных: проводные и беспроводные технологии

Видеоинформация передается IP камерой тремя различными способами:

• Проводной.

Проводная передача в локальной сети организуется на основе технологии Ethernet по стандартам IEEE 802.3. Отправители и получатель информационных пакетов идентифицируются по MAC адресам. Если задействуется IP сеть, то оборудование работает по протоколам TCP/IP, передача трафика происходит на четырех уровнях: прикладном, транспортном, сетевом и физическом.

Чаще всего для кабельных соединений используется кабель типа “витая пара” Cat 5e/Cat 6, по которому можно передавать видеотрафик на расстояние до 100 метров. На объектах с большой территорией требуется получать данные от видеокамер, удаленных на 0,5-2 км. В этом случае применяется одномодовый волоконно-оптический кабель

• Беспроводной.

Беспроводные IP камеры оснащены Wi-Fi модулем, обеспечивающим передачу на расстояние до 50-100 метров в зависимости от особенностей объекта. На некоторых моделях установлен встроенный 3G/4G модуль, работающий по каналу сотовой связи. Его дальность действия зависит от качества сигнала мобильной сети.

• Гибридный.

Видеокамеры передают видеоинформацию проводным и беспроводным способом.

Режимы работы камер видеонаблюдения

Дневная и ночная съемка

Практически все IP камеры видеонаблюдения работают круглосуточно, и днем, и ночью. Ночная съемка внутри здания не представляет сложности, поскольку работает дежурное освещение. Но на уличной территории освещенности не хватает. Далеко не везде установлены светильники и прожекторы.

Поэтому для установки на улице целесообразно выбирать модели, которые снимают в режимах день/ночь и автоматически переключают эти режимы при изменении уровня освещенности. В дневное время ведется цветная видеосъемка, а с наступлением темноты – черно-белая (монохромная) видеосъемка. 

Режим записи

IP камеры видеонаблюдения работают в одном из четырех основных режимов записи, который выбирается пользователем:

Постоянный (непрерывный).

Запись осуществляется круглосуточно и ежедневно. Это наиболее оптимальный вариант, выбираемый большинством пользователей. Основной минус: требуется очень большая емкость жесткого диска для хранения видеоархива.

По движению.

Видеозапись включается в момент фиксации движущегося объекта (человека или автомобиля).

По тревоге.

Этот вариант работает только при интеграции системы видеонаблюдения с системой охранной сигнализации. При срабатывании охранного датчика происходит включение видеокамеры, установленной на участке, где произошло событие.

По расписанию.

Видеозапись включается и отключается в соответствии с расписанием, заданным при настройке. 

Режим передачи данных

Режим передачи данных основан на использовании структуры локальной сети Ethernet, беспроводной Wi-Fi сети или глобальной IP сети. В каждом варианте используется сетевая инфраструктура, действующая по стандартным протоколам и технологиям. 

Все большую популярность приобретает прямая передача видеоданных в облачное хранилище. Такое решение позволяет смотреть видео удаленно онлайн или в записи со смартфона, планшета или ноутбука. Многим пользователям удобен именно этот вариант.