2.2. Аппаратные средства систем видеонаблюдения

2.2.1 Ip-Видеокамеры

IP-камера - это стационарно установленная камера, имеющая встроенный IP-сервер, сетевой интерфейс и подключающаяся непосредственно к  LAN/ WAN/ Internet. Многие сетевые камеры имеют такие дополнительные средства как: детекторы движения, отправка сообщений по e-mail, работа с модемом, подключение внешних датчиков и пр. Пользователи могут обращаться к камере посредством стандартного IP браузера. В зависимости от настроек, доступ к видеоизображению, полученному IP-камерой, может быть открыт всем пользователям сети или только авторизованным пользователям.

Современная IP-камера является результатом объединения в одном корпусе камеры и небольшого компьютера. Принцип работы IP-камеры схематично выглядит так: объектив фокусирует изображение на светочувствительной матрице, которая преобразует оптическое изображение в электрический сигнал. После усиления сигнал передается процессору обработки для выравнивания яркости, цветности и других параметров. Далее видеопоток сжимается компрессором, после чего он готов к передаче во внешнюю сеть через Ethernet-контроллер. Всеми задачами управляет центральный процессор камеры, который помимо прочего осуществляет функции детекции движения, веб-сервера и многие другие. Как и любому компьютеру, IP-камере требуется операционная система. В качестве ОС IP-камеры обычно используют различные модификации Linux. Разберем каждый компонент камеры подробнее.

Для начала разберём небольшое устройство между матрицей и объективом камеры. Это оптический фильтр, или ИК-фильтр. Попросту говоря, это небольшая стеклянная пластина, которая не пропускает инфракрасный (ИК) свет на матрицу. Дело в том, что матрицы чувствительны не только к видимому свету, но и к довольно большой части инфракрасного спектра. Если ИК-фильтр не устанавливать, то из-за попадания на матрицу инфракрасного спектра цвета полученного кадра будут искажены до неузнаваемости. Многие камеры оснащены специальным механическим приводом, который может устанавливать ИК-фильтр перед матрицей, а когда необходимо – его убирать. В ночное время, когда видимого света недостаточно, разумно убрать ИК-фильтр для того, чтобы получить дополнительный свет пусть и в ИК-диапазоне. При этом камера переводится в черно-белый режим, решая таким образом проблему искажения цветов. Этот тип камер называется камеры «день-ночь». Разные типы матриц имеют разную чувствительность к ИК-спектру и, соответственно, дают разный выигрыш в светочувствительности при убранном ИК-фильтре.

Матрица  В настоящий момент CCTV-камеры используют 2 типа матриц: ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS). Для преобразования света в электрические заряды и ПЗС-, и КМОП-матрицы используют фотоэлементы. Различие же между этими матрицами заключается в том, как потом полученные электрические заряды считываются. ПЗС считывает сигнал путем последовательного переноса заряда от ячейки, где он был сформирован, на соседние, пока не дойдет до края матрицы, где будет передан на усилитель и процессор видеообработки. Представим: свет попал на фотодиод одного из пикселей ПЗС-матрицы. В результате этого образовалось несколько свободных электронов, т. е. отрицательный электрический заряд.

Этот заряд должен быть каким-то образом доставлен на усилитель и далее в процессор камеры. При этом речь идет не о токе, который может передаваться по проводам, а лишь о нескольких электронах, которые, прежде чем смогут быть куда-то переданы, должны быть усилены, т. е. преобразованы в напряжение. Итак, заряд от пикселя, где он был сформирован, сдвигается на соседний пиксель и далее движется последовательно от пикселя к пикселю, пока не дойдет до края матрицы. Затем он попадает в сдвиговый регистр и таким же образом переносится последовательно от ячейки к ячейке, пока наконец не дойдет до усилителя. Здесь заряд преобразуется в напряжение, которое дальше можно уже обрабатывать с помощью процессоров. В отличие от ПЗС каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет собственный транзистор, который преобразует заряд в электрический сигнал прямо на пикселе. Соответсвенно, в КМОП-матрицах нет такого понятия, как последовательный перенос, – считывание сигнала происходит непосредственно с пикселя. У каждой из технологий есть свои преимущества.

Преимущества ПЗС-матрицы

Высокая светочувствительность. Фотоэлемент ПЗС-матрицы обладает большей площадью, чем элемент матрицы КМОП. Каждый фотодиод КМОП-матрицы имеет транзистор и «обвязку» из сопутствующих элементов, которые забирают довольно большую площадь. Другими словами, ПЗС-матрица воспринимает больше света, чем КМОП-матрица, у которой большая площадь матрицы просто не чувствительна к свету. Следует сказать, однако, что технологии КМОП-матриц активно развиваются и на рынке появляются все более и более чувствительные матрицы, постепенно догоняя матрицы ПЗС. В настоящий момент существуют две основные технологии КМОП-матриц – это Active Pixel Sensor (APS) и Active Column Sensor (ACS). Как видно на рисунке, технология ACS-матрицы позволяет существенно увеличить площадь светочувствительного элемента по сравнению с матрицами APS. При выборе IP-камеры следует обратить внимание не только на тип матрицы – ПЗС или КМОП, но также на технологию – ACS или APS. ACS-матрицы более чувствительны, чем APS. Низкий уровень шумов. По сравнению с КМОП ПЗС-матрица имеет минимальное количество активных электронных элементов, которые в результате нагрева могли бы вызвать тепловой шум в кадре.

Преимущества КМОП Разрешение. В настоящее время доступны относительно недорогие КМОП-матрицы разрешением 10 мпикселей и более. При этом максимальное разрешение ПЗС-матриц, используемых в CCTV, составляет всего 1 мегапиксель. Камеры, использующие КМОП, существенно дешевле аналогов на ПЗС. Компактные размеры и меньшее энергопотребление позволяют существенно уменьшать габариты камер. Физический размер матрицы. Размер матрицы определяется длиной диагонали в дюймах. Современные матрицы могут иметь следующие размеры: 2/3; 1/2,7; 1/3 и 1/4. Чем больше физический размер матрицы, тем больше света приходится на каждый пиксель, что положительно влияет на чувствительность камеры.  Процессор обработки видеосигнала  Процессор обработки видеосигнала присутствует не только в IP-, но и во всех аналоговых CCTV-камерах. Это важнейший модуль, который производит первичную обработку видеосигнала: корректирует яркость, цветность, контрастность изображения, а также выполняет более сложные операции. Вот некоторые популярные функции, выполняемые процессором обработки видеосигнала: AGC (Automatic Gain Control) – автоматическая регулировка усиления (АРУ) позволяет усилить сигнал и получить приемлемую картинку при низкой освещенности. Обычно диапазон регулировки ограничивается 10-кратным усилением, так как большее усиление приводит к значительному зашумлению видеосигнала. AWB (Automatic White Balance), или AWC (Automatic White Compensation), – автоматическая регулировка баланса белого цвета для нормализации цветопередачи. BLC (Back Light Compensation) / SBLC (SuperBLC) – компенсация фоновой засветки, которая позволяет выровнять освещенность объекта в условиях яркого заднего фона. DNR/SDNR (Digital Noise Reduction/ Super Digital Noise Reduction) – цифровой алгоритм подавления шумов. WDR (Wide Dynamic Range) – расширенный динамический диапазон для получения качественной картинки в условиях, когда одна часть кадра темная, а вторая очень яркая.  Процессор, осуществляющий компрессию  Сжатие видеопотока обычно осуществляется отдельным DSP (Digital signal processor) процессором. DSP-чип помимо собственно процессора имеет свою память, в которую и загружаются программные алгоритмы, выполняющие компрессию. В настоящее время DSP-процессоры обладают довольно внушительной производительностью, которая позволяет вести сжатие мегапиксельных потоков в формате H.264 со скоростью 30 к/с. После сжатия поток передается управляющему ПО камеры для дальнейшей передачи в сеть или записи на встроенную флеш-карту.  Центральный процессор камеры IP-камера, по сути, является небольшим автономным компьютером. И как любой компьютер, IP-камера обладает центральным процессором (CPU), памятью, операционной системой (обычно модифицированный Linux) и программным обеспечением («прошивкой»). Данный комплекс обеспечивает общее управление работой камеры, а также позволяет реализовать дополнительные пользовательские функции. Практически все IP-камеры имеют встроенный детектор движения, анализирующий видеопоток. Обычный масочный детектор движения является простой функцией, которая выполняется центральным процессором камеры. Также все больший интерес вызывает сложная видеоаналитика, такая как, например: детектор оставленных предметов, слежение за объектами и их классификация. И все чаще эти функции переносятся с серверов видеообработки на сторону камер. В этом случае аналитические алгоритмы, как правило, выполняются отдельным DSP-процессором. Перенос видеоаналитики на сторону камеры позволяет, во-первых, использовать для обработки более качественное несжатое видео, а во-вторых, существенно разгрузить устройство видеорегистрации. Если в IP-камеру вставить флеш-карту, то управляющее ПО сможет сохранять поток на карту в виде файлов, т. е. наша камера будет выступать в роли собственно камеры и одновременно в роли регистратора. Пользователь сможет через браузер своего компьютера подключиться к камере и настроить параметры записи видео: разрешение, скорость, детектор движения. Впоследствии он также через браузер сможет скачать сохраненные файлы видеоархивов с камеры на свой компьютер.