IP-камера - где найти простое решение?

Texas Instruments

И. Чепурин
Новости Электроники 14, 2008

Золотое правило инженеров гласит: «Если система работает, то ее лучше не трогать». Это в полной мере относится и к рынку систем видеонаблюдения, который является относительно инертным, особенно если речь идет о внесении каких-либо существенных изменений в систему. Тем не менее, прогресс в технологиях цифровой обработки изображений и повсеместное распространение IP-сетей не могли не сказаться на перспективах отрасли. В настоящее время на рынке систем видеонаблюдения можно отметить следующие тенденции:

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Все более широкое использование IP-сетей как для удаленного мониторинга и управления, так и для непосредственной передачи изображения;
Системы видеорегистрации на базе видеомагнитофонов практически полностью уступили место многоканальным цифровым видео-рекордерам (DVR), которые могут работать как с аналоговыми, так и с цифровыми камерами;
IP-камеры постепенно приходят на смену аналоговым CCTV-камерам.

Основное преимущество внедрения IP-технологий в системы видеонаблюдения - возможность строить децентрализованные распределенные системы, особенно на крупных объектах. Кроме того, переход от аналогового формата к цифровому обеспечивает широчайшие возможности аналитической обработки изображений: от простейших функций по детектированию условий изменения освещения до распознавания объектов, лиц и траектории их передвижения.

Если говорить про IP-камеры, то можно выделить следующие моменты:

Растет потребность в высоком разрешении, вплоть до HD и даже выше;
Появляется все больше модификаций IP-камер, не только в разных форм-факторах, но и учитывающих специфику применения в той или иной области;
Наряду с MJPEG все большее распространение получают камеры с поддержкой MPEG4 и H.264, обеспечивающими более высокую степень сжатия;
Повышенное внимание к интеллектуальным функциям камер.

В настоящее время на рынке IP-камер можно несколько сегментов в соответствии с их возможностями, они сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Сегменты рынка IP-камер

	Недорогие решения	Решения среднего класса	High-end камеры
Разрешение/кадры в сек	CIF-D1, 30 fps	Основной поток D1 30fps Вторичный поток CIF 15 fps	Основной поток 720p - 1080p 30-60 fps Вторичный - D1 15-30 fps Дополнительно CIF 15-30 fps
Алгоритм сжатия (кодек)	MJPEG, MPEG4, опционально H.264 BP	MJPEG, MPEG4 H.264 BP кодеки собственной разработки	MJPEG, MPEG4 H.264 HP/MP кодеки собст. разработки, AVS-S, SVC
Обрабтка видеосигнала	На базе CCD или CMOS-датчика. де-интерлейсинг, фильтрация, AE, AF, AWB*	На базе CCD или CMOS-датчика. де-интерлейсинг, фильтрация, AE, AF, AWB*	AE, AF, AWB*, фильтрация шумов при низкой освещенности, стабилизация изображения
Аналитическая обработка изображения	Простые алгоритмы детектирования движения или изменения условий освещения	Сложные алгоритмы детектирования и слежения за движением, обнаружение попыток «подставки» ложного изображения (изменение расстояния фокусировки)	Встроенные приложения по аналитической обработке (предотвращение краж, отслеживание траектории передвижения, подсчет и анализ посетителей)
IP	10/100 Мбит/с	10/100 Мбит/с, дополнительно поддержка SRTP	10/100/1000 Мбит/с, поддержка SRTP
Аудиокодеки, аудиоаналитика	Нет	G.711 Нет	G.711, G.726, G.729ab, AAC-LD распознавание звуков, дуплексная передача аудио
Прочее	Панорамирование/наклон/ зуммирование, питание через Ethernet, поддержка Home Plug и SIP	Панорамирование/ наклон/ зуммирование, питание через Ethernet, поддержка Home Plug и SIP, поддержка карт памяти, WiFi, USB	Виртуальное панорамирование/ наклон/ зуммирование, питание через Ethernet, поддержка карт памяти, WiFi, USB, датчики с широким динамическим диапазоном WDR

Основное количество выпускаемых на сегодняшний день камер относится к среднему сегменту, однако в России более популярны недорогие решения. Дороговизна IP-камер «премиум»-сегмента объясняется использованием более чувствительных датчиков изображения с высоким разрешением (>1 Мп) и мощных процессоров, обеспечивающих весь необходимый функционал. До недавнего времени такие решения строились на базе многопроцессорной архитектуры: сигнал от датчика изображения сначала обрабатывается одним процессором (фильтрация, обработка экспозиции, баланса белого, фокусировка), затем другой процессор осуществляет сжатие и третий процессор уже непосредственно отправляет сжатый видеопоток в сеть. В настоящее время многие производители процессоров стараются интегрировать все или несколько указанных функций на одном кристалле. Цена конечного решения существенно зависит и от стоимости труда разработчиков, поэтому помимо аппаратной части немаловажным фактором является и период времени, требуемый для того, чтобы выпустить готовый продукт на рынок.

Компания Texas Instruments в сотрудничестве с Appro Photoelectron представила на рынке решение, позволяющее найти хороший баланс между требованиями конечных потребителей (низкая стоимость, широкая функциональность) и разработчиков систем (высокие затраты на разработку, недешевые электронные компоненты). Оно представляет собой аппаратную платформу в виде готовой IP-камеры, в комплекте с которой идет все необходимое программное обеспечение для создания законченного продукта (см. рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид IP-камеры

Стоимость электронных компонентов для построения IP-камеры не превышает 40 долларов, однако по функциональности эта камера намного превосходит многие камеры из среднего сегмента.

Основная задача предлагаемого решения - маскимально снизить

затраты на разработку. Как показывает практика, наиболее трудоемкими задачами, с которыми приходится сталкиваться разработчикам при создании IP-камер, являются:

Реализация операционной системы и написание драйверов;
Реализация алгоритмов сжатия и их оптимизация;
Написание и отладка программного кода непосредственно самого приложения.

Кроме того, надо решать также вопросы, связанные с оптимальной настройкой получаемого изображения, обеспечить необходимый препроцессинг. По сравнению с вышеперечисленным, разработка принципиальной схемы и разводка печатной платы поучаются наименее затратными, но тем не менее эту работу также нужно проделать. Если же воспользоваться уже готовым решением, то все трудозатраты сведутся к реализации дополнительных функций (если необходимо), тестированию и подготовке производства.

Входящее в состав комплекта IP-камеры программное обеспечение позволяет сократить время разработки до четырех месяцев. В его состав входят следующие компоненты:

Операционная система Linux 2.6.10 (MontaVista) с комплектом драйверов в исходных кодах и средства компиляции;
Приложение, реализующее функциональность камеры в исходных кодах;
Принципиальная схема камеры и файлы разводки печатных плат.

Для получения доступа к программному обеспечению необходимо подписать лицензионное соглашение с компанией Appro Photoelectron. Если требуется реализация автоэкспозиции и авто-баланса белого, то нужно подписать дополнительное соглашение об отчислениях роялти с каждого процессора.

Рассмотрим предлагаемое решение для реализации IP-камеры с аппаратной точки зрения (структурная схема представлена на рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема IP-камеры

В сердце системы находится медиапроцессор DM355 (рис. 3).

Рис. 3. Медиапроцессор DM355

Преимуществом его использования является низкая стоимость, интегрированный аппаратный ускоритель для поддержки алгоритмов сжатия MJPEG/MPEG4 в формате HD, специализированный видеопорт для прямого подключения датчика изображения и вывода видео на монитор. Стоимость кодеков JPEG и MPEG4 уже включена в цену процессора, поэтому заказчику не требуется проводить никаких дополнительных платежей в сторонние организации. Высокая степень интеграции периферийных узлов позволяет получить полностью однокристальное решение. Особо требуется отметить тот факт, что предварительная обработка изображения также реализована на самом процессоре: благодаря мощной видеоподсистеме такие функции, как автоэкспозиция, автобаланс белого, фильтрация шумов и преобразование цветового пространства RGB в YUV поддерживаются на аппаратном уровне.

Поскольку сжатие кодеков обеспечивается отдельным аппаратным ускорителем MJCP, процессора на базе ядра ARM926 полностью хватает на реализацию функций операционной системы и самого приложения.

«Глазом» IP-камеры является 5-Мп КМОП-датчик компании Aptina (ранее Micron). Благодаря технологии биннинга («объединения» нескольких пикселов в один) возможно на его базе получить более широкий динамический диапазон, что позволяет получать хорошее изображение даже при плохих условиях освещения. Датчик имеет цифровой параллельный выход и подключается напрямую к видеопорту DM355.

«Уши» IP-камеры - микрофон, подключенный к кодеку TLV320AIC26, обеспечивающему полнодуплексную передачу аудио-информации из внешнего мира к процессору и обратно.

Питание IP-камеры возможно как от внешнего источника, так и через сеть Ethernet с помощью микросхем DC/DC-преобразователя TPS5430 и контроллера PoE TPS23750. Вырабатываемое ими напряжение +5В подается на микросхему TPS65053, которая уже формирует необходимые уровни напряжения для процессора и периферии.

Видео-и аудио-потоки помимо передачи в сеть могут также сохраняться на SD-карту или во внутреннюю память камеры.

Для конфигурации и управления работой камеры используется встроенный web-сервер.

Ниже приводится перечень основных функциональных особенностей, которые реализованы в решении:

Отличное качество изображения в формате HD 720p (1280х720 точек);
5-Мп датчик изображения с помощью функции биннинга позволяет улучшить чувствительность при плохом освещении;
Имеет встроенные функции автоматического управления автоэкспозицией и балансом белого;
Обеспечивает сжатие и передачу видеопотока в форматах MJPEG и MPEG4, для сжатия аудио используется кодек G.711;
Одновременная передача изображения и аудио-информации в нескольких форматах:

- MPEG4 720P + MJPEG + G.711:
- MPEG4 720P + MPEG4 CIF + G.711;

Встроенный web-сервер (HTTP, FTP);
SMTP-клиент, DHCP-клиент; UPnP-клиент;
Поддержка RTP/RTSP;
Встроенные функции видео-аналитики (назначение области интереса, детектирование движения, изменения условий освещения);
Возможность записи видео на SD-карту или удаленный FTP-сервер по расписанию, по событию или по внешнему сигналу;
Подключение к системе безопасности (RS-485, передача сигналов тревоги);
Питание +12 В/PoE;
Энергопотребление менее 3 Вт.