Первое, что представляется при слове «видеонаблюдение» - это камера наблюдения, смотрящая на нас с потолка или стены. В сетевом IP видеонаблюдении также первым и, зачастую, основным компонентом является IP-камера. Современная IP-камера сама может выполнять функции всей системы видеонаблюдения: снимать и записывать видео, отправлять уведомления о происходящих событиях и т.д. Поэтому именно на ip-камерах мы и остановимся и разберём их внутреннее устройство.

Современная IP-камера объединяет в одном корпусе камеру и неболь­шой компьютер. Принцип работы IP-камеры схематично можно описать следующим образом:

Теперь разберём каждый компонент сетевой камеры подробнее.

Прежде чем видеосигнал попадёт через объектив на матрицу, он пропускается через оптический фильтр, или ИК-фильтр, который не пропускает инфракрасный (ИК) свет на матрицу. Зачем этот фильтр нужен? Дело в том, что матрицы чувс­твительны не только к видимому свету, но и к достаточно большой части ИК спектра. Если ИК-фильтр не устанавливать, то попадании на матрицу этой части спектра цвета полученного кадра будут искажены до неузнаваемости. Более дорогие камеры оснащаются ИК-фильтром с механическим приводом, который, когда это необходимо, устанавливает или убирает ИК-фильтр. «А зачем его убирать?», - спросите Вы. Это нужно для того, чтобы получить дополнительный свет, хоть и в ИК-диапазоне, в ночное время, когда видимого света мало. При этом камера переходит в монохромный (ч/б) режим, избавляясь таким образом от проблемы искажения цветов. Этот тип камер называется камеры «День-ночь». Однако у таких камер светочувствительность при убранном ИК-фильтре может ощутимо отличаться, это вызвано применением в камерах разных типов матриц с разной чувствительностью к ИК-спектру.

В настоящий момент камеры видеонаблюдения строятся на базе матриц 2 типов: ПЗС(CCD) и КМОП(CMOS). Оба эти типа матриц используют фотоэлементы для преобразования света в электрические заряды. Отличаются они способом считывания полученных электрических зарядов.

ПЗС-матрица считывает сигнал методом последовательного переноса заряда от ячейки к ячейки, следуя до самого края матрицы, где затем передается на усилитель и процессор видеообработки. Это выглядит следующим образом: свет попадает на фотодиод одного из пикселей ПЗС-матрицы. В результате этого образуется несколько свободных электронов, т.е. отрицательный электрический заряд, который должен быть доставлен на усилитель и далее в процессор камеры. Стоит отметить, что здесь речь идёт лишь о нескольких электронах, которые прежде чем куда-то передавать, нужно усилить, а не о токе, который сам может течь по проводам. Итак, заряд от пикселя, в котором он был сформирован, сдвигается к соседнему пикселю и далее перемещается последовательно от пикселя к пикселю, аж до края матрицы. Затем этот заряд попадает в сдвиговый регистр и так же последовательно переносится от ячейки к ячейке, пока не дойдет до усилителя. Здесь он преобразуется в напряжение, которое дальше можно уже обра­батывать с помощью процессоров.

В отличие от ПЗС-матрицы каждый фотодиод КМОП-матрицы оснащен собственным транзистором, который преобразует заряд в электрический сигнал прямо на пикселе. Соответственно, такое понятие, как «последовательный перенос», для КМОП-матриц не применимо – в них считывание сигнала происходит непосредственно с пикселя.

А теперь сравним, какие преимущества у каждого типа матриц.

1 Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент КМОП-матрицы, так как большую площадь CMOS-матрицы занимают транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов для каждого фотодиода. Таким образом, ПЗС-матрица воспринимает больше света по сравнению с КМОП-матрицей, у которой большая площадь занята и не чувствительна к свету.

Однако, следует отметить, что КМОП-технологии активно развиваются и рынок пополняется всё более и более чувствительными матрицами такого типа, которые постепенно догоняют ПЗС-матрицы. Сейчас существуют 2 базовые технологии для КМОП-матриц - Active Column Sensor (ACS) и Active Pixel Sensor (APS).

Как видно, технология ACS-матрицы позволяет значительно увеличить площадь светочувстви­тельного элемента по сравнению с APS-матрицами. Поэтому при выборе IP-камеры стоит обращать внимание и на тип матрицы (ПЗС или КМОП), и на применяемую в них технологию - ACS или APS. ACS-матрицы более чувствительны, чем APS.

2 Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица обладает более низким уровнем шумов, поскольку в ней применяется малое количество активных электронных элементов, которые могли бы создавать шум в кадре в результате нагрева.

1 Разрешение. В настоящее время на рынке всё больше появляются относительно недорогие КМОП-матрицы с высоким разрешением (10 мегапикселей и более). При этом максималь­ное разрешение ПЗС-матриц, применяемых в видеонаблюдении, составляет всего 1 мегапиксель.

2 Цена. Камеры на базе КМОП существенно дешевле аналогов на ПЗС.

3 Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшить габариты камер.

 

Размер матрицы определяется длиной её диагонали в дюймах. Среди современных матриц наиболее распространены такие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. И что важно, чем больше размер матрицы, тем больше света попадает на каждый пиксель, и, соответственно, выше чувствительность камеры.

Процессор обработки видеосигнала присутствует во всех типах камер: как в IP-, так и в аналоговых CCTV-камерах. Это очень важный модуль, поскольку он производит первичную обработку видеосигнала: корректирует его яркость, цветность, контрастность, а также выполняет более сложные операции. Среди наиболее часто применяемых функций, которые реализует процессор обработки видеосигнала:AGC, AWB, BLC, DNR, WDR и другие.

Функция AGC (Automatic Gain Control) или автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемое изображение при низком уровне освещенности. Как правило, максимальное усиление ограничивается 10-кратным увеличением, поскольку большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала.

AWB (Automatic White Balance) или AWC (Automatic White Compensation) (автоматическая регулировка баланса белого цвета) необходима для нормализации цветопередачи изображения.

Компенсация фоновой засветки BLC(Back Light Compensation)/ SBLC(Super BLC) позволяет выравнивать освещенность объекта в условиях яркого заднего фона.

DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) - цифровое подавление шумов.

Функция расширенного дина­мического диапазона WDR (Wide Dynamic Range) предназначена для получения качественного изображения в условиях неоднородной освещенности в кадре (например, одна часть кадра темная, а вторая - очень яркая).

Сжатие видеопотока обычно осуществляется отдельным DSP (Digital sіgnal processor) процессором. DSP-плата, помимо самого процессора, имеет встроенную память, в которую загружаются программные алгоритмы, выполняющие компрессию. В настоящее время DSP-процессоры обладают отличной производительностью, которая позволяет сжимать мегапиксельные потоки в формате Н.264 со скоростью 30 к/с. После сжатия видеопоток передается управляющему программному обеспечению (ПО) камеры для передачи его в сеть или записи на встроенную флеш-карту.

Как Вы, наверное, уже поняли, IP-камера, по своему устройству и функциональности, представляет собой настоящий портативный компьютер, который оснащён центральным процессором (CPU), памятью, ОС и ПО («прошивкой»). Комплекс всех этих составляющих обеспечивает об­щее управление работой камеры, а также реализацию дополнительных пользовательских функций.

Среди таких функций встроенный детектор движения, анализиру­ющий видеопоток, которым оснащены практически все IP-камеры. Обычный масочный детектор движения - одна из самых простых функций, выполняемых центральным процессором камеры. Более сложные функции видеоаналитики, которые становятся всё более востребованными, такие как, детекция оставленных предметов, слежение за объектами, их классификация и другие всё чаще перекладываются «с плеч» видеосерверов на плечи самих камер. При этом аналитические операции выполняются, как правило, отдельным DSP-процессором. Перенос видеоаналитики на сторону камеры позволяет, во-первых, обрабатывать ещё несжатое, а соответственно более качественное видео, а во-вторых, снять большую нагрузку с устройства видеорегистрации. А если IP-камера ещё имеет слот для флеш-карты, то она сможет выступать одновре­менно и в роли собственно камеры, и в роли видеорегистратора, сохраняя видеопоток на карту памяти. Тогда как пользователь, подключившись к камере через браузер, сможет настроить параметры записи(разрешение, скорость, детектор движения), а также скачать сохраненные файлы видеоархивов себе на компьютер.

Веб-сервер ip-камеры позволяет по запросу (вводу в адресной строке браузера ip-адреса камеры) получить доступ к html-странице, на которой отображаются видеопоток с камеры и её настройки.

Также ПО камеры позволяет управлять её сухими контактами, т.е. замыкать/размыкать выходные реле либо считывать состояние входных контактов.

Подключение IP-камеры к локальной сети осуществляется при помощи сетевого адаптера. Многие современные адаптеры камер поддерживают функцию РоЕ (Power over Ethernet), т.е. передачу по сетевому кабелю камере не только данных, но и питания.

Также в системе IP-видеонаблюдения могут применяться устройства, позволяющие интегрировать аналоговые камеры в сетевую систему видеонаблюдения: они оцифровывают сигнал от аналоговых камер, сжимают его и передают в сеть, т.е. пре­образовывают аналоговое видео в IP-поток. Такое устройство называется видеостример, но более распространённое название - видеосервер или виде­окодер (videoencoder). Внутреннее устройство видеостримера аналогично устройству IP-камеры, только без элементов самой камеры (без матрицы и процессора обработки видеосигнала).

Такие устройства полезны, например, при переводе системы видеонаблюдения с аналоговой на сетевую (IP), при котором хотелось бы оставить ряд дорогостоящих функциональных скоростных аналоговых камер. Помимо передачи видеопотока видеосерверы способны также передавать по сети аудиоданные, информацию о состоянии сухих контактов и некоторые другие сигналы.