Сегодняшняя камера — это мини-контроллер, или микрокомпьютер с достаточно серьезными аппаратными средствами. Устройство типовой IP-видеокамеры можно рассмотреть на примере камеры известной фирмы AXIS, показанной на рис.1, на котором обозначено:
1 – фокусирующее устройство;
2 – регулятор фокусного расстояния;
3 – автоматическая диафрагма, которая открывает и закрывает лепестки по команде от блока управления диафрагмой;
4 – видеочип, который содержит усилитель, конвертор и управляет последовательностью операций CCD;
5 – видеофильтр;
6 – ИМС обработки видеоинформации, которая принимает данные от CCD после обработки видеовидеочипом (4) и передает их на jpeg-компрессор;
7 – усилитель;
8 – блок управления диафрагмой, который регулирует поступление света на CCD, чтобы защитить её от чрезмерной засветки;
9 – jpeg-компрессор;
10 – разъем питания;
11 – flash-память;
12 – центральный процессор камеры, работающий под управлением OC Linux и координирующий работу всех элементов видеокамеры;
13 – Internet-контроллер, передающий данные по сети, в котором содержатся все сетевые настройки;
14 – Internet-порт;
15 – защитное устройство от выбросов и помех по питанию;
16 – светочувствительный элемент на основе CCD-матрицы;
17 – литиевая батарея.
Как видим, IP-видеокамера — это специализированный миникомпьютер с рядом специфических конструктивных и технологических особенностей. Важно отметить, что появление видеочипов компании Texas Instruments, позволяющих в одном корпусе производить обработку, сжатие и видеоанализ, привело к значительному упрощению и уменьшению габаритов IP-видеокамер. Поэтому показанная на рис.1 структура видеокамеры является наиболее распространенной.
Тип корпуса видеокамеры
У представленных на рынке видеокамер здесь наблюдается большое разнообразие, в котором можно выделить:
- параллелепипед — самая распространенная форма корпуса, содержащая отверстия для крепления на кронштейне, резьбу для крепления объектива, разъемы для подключения питания, звукового сигнала, карты памяти, сети и т.д.;
- купольный корпус — характерен для антивандальных камер и представляет собой полусферу с плоским основанием;
- кубический корпус — используется для самых дешевых моделей с фиксированным объективом;
- цилиндрический корпус — характерен для камер, устанавливаемых на улицах городов, часто оснащенных ИК-подсветкой;
- специальное исполнение — такой корпус позволяет, например, разместить объектив и светочувствительную матрицу в агрессивной среде, а блок обработки видеоинформации поместить в защищенном или труднодоступном месте.
Корпуса таких камер часто бывают во взрывозащищенном исполнении. Специальное исполнение используют также для поворотных видеокамер, предусматривает возможность дополнительного монтажа ИК-подсветки.
Светочувствительная матрица
В течении длительного времени в IP-видеокамерах использовался CCD (по-русски – ПЗС) светочувствительная матрица. Для CCD-матрицы характерна определенная технология формирования изображения, для её работы нужна отдельная ИМС. В последнее время в IP-видеокамерах всё чаще используется CMOS (по-русски – КМОП) матрицы. Отличие здесь в том, что сигнал с каждого элемента такой матрицы снимается независимо и сразу в цифровом формате, т.е. для работы с ней не нужна специальная ИМС для обработки данных.
При своем появлении CMOS-сенсоры заметно уступали CCD по светочувствительности и размеру матрицы. Однако развитие технологии производства CMOS-сенсоров привело к снятию ограничений на размер изображения такой матрицы и улучшило их светочувствительность. Всё это привело к, так называемой, гонке за пикселями.
Наращивание пикселей
В 1996 г. компания AXIS Communications выпустила первую IP-видеокамеру с разрешением 352×288, т.е. 0,1 мегапикселей (Мп). В настоящее время на рынке имеются IP-видеокамеры з разрешением 10, 30 и даже 200 Мп.
Но тут возникает вопрос «Как такую видеокамеру использовать?». Дело в том, что мониторов, способных отобразить такое разрешение пока не существует, да и обработать такой большой объем видеоинформации весьма затруднительно.
Интересно отметить, что лидер в области IP-видео компания AXIS Communications недавно объявила о своем решении выйти из гонки за мегапикселями и о концентрации своих усилий в области улучшения качества изображения путем перехода в своих IP-видеокамерах на стандарт HDTV (телевидение высокого разрешения). В стандарте HDTV устанавливается два вида разрешения:
- HD ready (720р) – изображение имеет размер 1280×720 пикселей при прогрессивной развертке с частотой кадров 50 или 60 Гц, т.е. объемом 1 Мп;
- Full HD (1080i / 1080p) – размеры 1920×1080 пикселей с чересстрочной или прогрессивной разверткой, т.е. объемом около 2 Мп.
Практика видеосъемки и видеонаблюдения показала, что форматы 720р и 1080р полностью обеспечивают решение задач видеонаблюдения, тем более, что стоимость IP-видеокамер непрерывно уменьшается. Так, в конце 2013 г. на рынке появилось несколько серий 2 Мп IP-видеокамер, которые предлагаются по ценам ниже, чем цены на линейки 1 Мп IP-видеокамер 2012 г. выпуска. Этот факт также повлиял на то обстоятельство, что гонка за пикселями пока продолжается.
Стандарты сжатия изображения IP-видеокамер
В настоящее время все IP-видеокамеры поддерживают работу в стандарте mjpeg. Этот алгоритм сжатия относится к покадровым методам сжатия, т.е. на выходе видеокамеры мы получаем последовательность статических изображений, каждое из которых подвергалось сжатию самостоятельно (аналогично, сжимаются фотографии, получаемые в формате jpeg с обычного цифрового фотоаппарата).
Достоинства стандарта сжатия mjpeg это:
- высокое качество стоп-кадра;
- низкая нагрузка на процессор видеокамеры;
- высокая скорость обработки исходной видеоинформации.
Главный недостаток этого стандарта – слабое сжатие изображения, что приводит к увеличению объема передаваемой или записываемой видеоинформации.
В IP-видеокамерах используется также стандарт сжатия H.264 (MPEG-4 part 10). Этот стандарт сжатия работает по принципу межкадрового сжатия, т.е. соседние кадры сравниваются и из второго из них удаляются те участки изображения, которые есть в первом кадре. Это приводит к значительному уменьшению объема видеопотока и размеров видеофайлов.
Однако это сильно увеличивает нагрузку как на процессор в самой IP-видеокамере, так и на процессор в устройстве отображения видеоинформации.
В стандарте H.264 используется 3 вида кадров:
- I-фрейм – это такой же кадр, как кадр в стандарте mjpeg;
- P-фрейм – кадр, несущий разницу между двумя исходными кадрами;
- B-фрейм – он предсказывает изменения в последующем кадре на основе анализа нескольких предыдущих кадров.
Зависимость объема видеоданных от частоты кадров при использовании алгоритмов mjpeg и MPEG-4 показана на рис.2, из которого видно, что уже при частоте кадров более 5 Гц объем видеофайлов в стандарте H.264 получается гораздо меньше.
Таким образом, если в системе видеонаблюдения будет отсутствовать видеорегистратор, и изображение с видеокамер будет выводиться только на мониторы, то предпочтительней использовать формат mjpeg. В случае если в системе есть записывающее устройство, то использование стандарта H.264 позволит значительно экономить место, занимаемое видеофайлами на нем.
Форматы изображения
Формат изображения в телевидении и видео был определен таким же, как в их предшественнике кинематографе — 4:3 (в стандартах PAL и SECAM — 720×576 пикселей).
С развитием плазменных и LCD-телевизоров и цифрового телевидения популярным стал формат 16:9. Соотношение между кадрами различных форматов видеоизображения, используемых в телевидении и видеозаписи, показаны на рис.3.
Важно отметить, что при выборе IP-видеокамеры следует учитывать, что независимое от количества мегапикселей её матрицы, формат изображения, формируемый камерой в том или ином разрешении, может быть разным.
Часто приходится сталкиваться с такой ситуацией: IP-видеокамера имеет матрицу в2 Мп, но только в формате 4:3 (1600×1200 пикселей). В то же время, мониторы с экраном 4:3 практически сняты с производства. В итоге «картинку» с такой камеры мы сможем наблюдать на мониторе с экраном 16:9 вместе с черными полосами слева и справа от изображения. Конечно, такая современная IP-видеокамера имеет и режим 16:9, однако поскольку её светочувствительная матрица физически имеет размеры 4:3, то в этом случае будет обеспечиваться разрешение всего лишь 1280-720, т.е. 720р и 2 Мп IP-видеокамера превратится в 1 Мп. Это обязательно надо учитывать, чтобы не переплачивать за ненужные мегапиксели.
Стандарты электропитания
Используются два варианта питания IP-видеокамер:
- от отдельной линии с напряжением 5…24 В;
- с помощью сетевого коммутатора с поддержкой PoE [1].
PoE описывается стандартами IEEE 802.3af и IEEE 602.3at. Отличие этих двух стандартов в мощности, которую они обеспечивают на входе видеокамеры:
EEE 802.3af предназначен для питания внутренней поворотной видеокамеры или уличной стационарной видеокамеры без ИК-подсветки. Он обеспечивает передачу мощности 15 Вт на расстояние до 100 м.
IEE 602.3at – предназначен для работы с уличной поворотной камерой с обогревом или уличной стационарной камеры с обогревом и ИК-подсветкой. Он обеспечивает передачу мощности 30 Вт на расстоянии 100 м.
Отметим, что именно снижение расходов на монтаж системы видеонаблюдения и обеспечивает широкое распространение стандарта PoE.
Унификация видеокамер
Ещё не так давно каждый производитель IP- устройств разрабатывал собственные кодеки и стандарты передачи данных и взаимодействия IP-камер и других устройств системы видеонаблюдения. Из-за этого каждая система должна была собираться только из продукции одного изготовителя, и не работала с устройствами от других производителей.
Но уже в 2008 г. пришло понимание того, что необходимо разработать какой-то общеотраслевой стандарт для взаимодействия между IP-видеоустройствами. Его назвали ONVIF (Open Network Videointerface Forum) и по состоянию на декабрь 2013 г. в нём состояли белее 470 компаний.
Спустя некоторое время был основан альянс PSIA (Physical Security Interoperability Alliance), в который в настоящее время входит более 100 компаний.
Отличий между этими двумя стандартами не так уж и много, поэтому многие компании предпочитают участвовать в обоих альянсах и поддерживать оба эти стандарта.
Расширение динамического диапазона
В последнее время для улучшения качества изображения в ІР-видеокамерах всё чаще используется двойное сканирование матрицы. Это позволяет получить видеоизображение с расширенным динамическим диапазоном (WDR), т.е. обеспечить хорошую детализацию как в темных, так и в светлых участках изображения. На рис.4,а показано стандартное изображение с ІР-видеокамеры, а на рис.4,б – то же изображение, полученное с помощью системы WDR. Как видно, детализация на рис.4,б гораздо лучше.
Дополнительные возможности
В стараниях привлечь потребителей многие производители расширяют функциональные возможности своих ІР-видеокамер. В итоге видеокамеры не только формируют видеоизображение, но и имеют тревожные входы / выходы, разъемы для подключения карт памяти и / или жесткого диска. Ряд видеокамер оснащается динамиками и микрофонами для обеспечения двухсторонней аудиосвязи. Во многие видеокамеры стали использовать интеллектуальные алгоритмы, в том числе:
- подсчёта объектов в кадре;
- пересечения заданных границ;
- оставленных предметов и т.п.
Ряд производителей оснащает свои видеокамеры детекторами движения, работающими на основе анализа видеоизображения. Используют также и детекторы саботажа:
- отворота видеокамеры;
- завешивания или закрашивания объектива видеокамеры;
- умышленной расфокусировки видеокамеры.
Разумеется, всё это удорожает ІР-видеокамеры. Поэтому перед покупкой такой «навороченной» видеокамеры подумайте, надо ли вам платить за функции, которые, скорее всего, вам не пригодятся.
Литература
1. Семёнов Андрей. Витая пара для передачи видеосигнала//Радиоаматор. — 2013. — №12. — С.5-7.
Источник: Радиоаматор №2, 2014
