Công nghệ giám sát sử dụng camera ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát cho các siêu thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI --- LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT SỬ DỤNG CAMERA ỨNG DỤNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHO CÁC S

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT SỬ DỤNG CAMERA ỨNG DỤNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG

GIÁM SÁT CHO CÁC SIÊU THỊ

LÊ VĂN THANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT SỬ DỤNG

CAMERA ỨNG DỤNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG

GIÁM SÁT CHO CÁC SIÊU THỊ

LÊ VĂN THANH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã ngành: 8520203

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VŨ SƠN

HÀ NỘI - NĂM 2021

Tôi cũng chân thành cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã dành tình cảm, động viên, tạo điều kiện để tôi đạt được kết quả như ngày hôm nay

Trong quá trình nghiên cứu, luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết Kính mong

sự chỉ dẫn và góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các đồng nghiệp để kết quả nghiên cứu tiếp theo được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Học viên

Lê Văn Thanh

3

LỜI CAM ĐOAN

Sau gần hai năm học tôi lựa chọn đề tài “Công nghệ giám sát sử dụng Camera và ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát cho các siêu thị” làm đề tài luận văn tốt nghiệp Đến nay tôi đã hoàn thành xong đề tài, đây là kết quả nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của TS.Nguyễn Vũ Sơn

Tôi cam đoan những gì mà tôi viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu và nghiên cứu của bản thân; mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể

Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, cho đến nay chưa đượcbảo

vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên đây

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Học viên

Lê Văn Thanh

4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 0

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DÙNG CAMERA 10

1.1 Khái niệm Camera 10

1.2 Phân loại camera giám sát 11

1.2.1 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền 11

1.2.2 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh 13

1.2.3 Phân loại theo công nghệ cảm biến 14

1.2.4 Phân loại theo tính năng sử dụng 16

1.3 Ứng dụng của camera 19

1.3.1 Lĩnh vực nghiên cứu không gian 20

1.3.2 Lĩnh vực thám hiểm các đại dương và địa tầm trái đất 21

1.3.3 Lĩnh vực quân sự và an ninh 21

1.3.4 Lĩnh vực y tế 22

1.3.5 Lĩnh vực giao thông 23

1.3.6 Lĩnh vực giáo dục 23

1.3.7 Ứng dụng trong cuộc sống 24

1.4 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CAMERA IP VÀ MÔ HÌNH TCP/IP 25

2.1 Mô hình TCP/IP 25

2.1.1 Tổng quát về TCP/IP 25

2.1.2 Giao thức TCP/UDP 28

5

2.2.3 Giao thức IP (Internet Protocol) 33

2.2 Camera IP 37

2.2.1 Khái niệm và lịch sử phát triển 37

2.2.2 Cấu tạo 38

2.2.3 Nguyên lý hoạt động 41

2.2.4 Các thông số kỹ thuật 42

2.2.5 Ưu nhược điểm của camera IP 43

2.3 Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHO SIÊU THỊ THÀNH ĐÔ 45

3.1 Thực trạng 45

3.2 Một số mô hình hoạt động 45

3.2.1 Mô hình hệ thống đơn giản 45

3.2.2 Mô hình hệ thống kết hợp 47

3.2.3 Mô hình hệ thống tích hợp công nghệ cao 48

3.2.4 Mô hình hệ thống ma trận 49

3.2.5 Mô hình hệ thống camera IP 50

3.3 Giải pháp thiết kế mô hình giám sát từ xa 51

3.3.1 Đặc tả hệ thống 51

3.3.2 Phân tích hệ thống 51

3.3.3 Thiết kế hệ thống 54

3.3.4 Triển khai hệ thống 58

3.3.5 Kết quả thực hiện 62

3.4 Kết luận chương 3 64

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tiêu cự của ống kính 39

Bảng 2.2: Góc quan sát 43

Bảng 3.1Bảng so sánh các loại camera 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo trong cơ bản 10

Hình 1.2 Camera giám sát có dây và đầu ghi hình 12

Hình 1.3: Camera không dây 12

Hình 1.4: Hệ thống camera CCTV 14

Hình 1.5: Hệ thống camera IP 14

Hình 1.6: Camera CCD 15

Hình 1.7: Camera CMOS 16

Hình 1.8: Mini Camera 17

Hình 1.6: Camera áp trần 17

Hình 1.7: Speed - Dome Camera 18

Hình 1.8: Camera quan sát hồng ngoại 18

Hình 1.9: Camera 3D 19

Hình 1.10: Camera 3D tí hon 19

Hình 2.1: mô tình TCP/IP 25

Hình 2.2: Mô hình tham chiếu OSI 26

Hình 2.3: Cấu trúc gói tin TCP 29

Hình 2.9: Ba bước bắt đầu kết nối TCP 31

Hình 2.4: Bốn bước kết thúc kết nối TCP 31

Hình 2.5: Cấu trúc gói tin UDP [4] 32

Hình 2.6: IPv4 header 35

Hình 2.7: Ống kính 38

Hình 2.8: Fixed lens 39

Hình 2.9: Varifocal lens 39

Hình 2.10: Zoom lens 40

Hình 2.11: Cấu trúc camera IP 41

7

Hình 3.1: Mô hình hệ thống đơn giản 46

Hình 3.2: Mô hình hệ thống kết hợp 47

Hình 3.3: Mô hình hệ thống tích hợp công nghệ cao 48

Hình 3.4: Mô hình hệ thống ma trận 49

Hình 3.5: Mô hình hệ thống camera IP 50

Hình 3.6: Mô hình giám sát từ xa sử dụng camera analog và camera IP 54

Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc hệ thống camera 55

Hình 3.8: Mô hình hoạt động hệ thống 57

Hình 3.9: Tầng 1 của siêu thị 59

Hình 3.10: Tầng 3 của siêu thị 59

Hình 3.11: Giao diện máy tính 62

Hình 3.12: Giao diện điện thoại 63

Hình 3.13: ảnh người chuyển động 64

Hình 3.14: Thời gian lưu trữ tối đa và nhân công giám sát 64

8

MỞ ĐẦU

Xu hướng phát triển công nghệ giám sát đang là cuộc cách mạng công nghệ cao hiện nay trên thế giới Một loạt giải pháp được kết hợp trong giám sát nhằm đưa ra các biện pháp đảm bảo an toàn cho xã hội và an ninh quốc gia Chính vì vậy việc sử dụng hệ thống giám sát là sự lựa chọn tối ưu và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng do những lợi ích to lớn mà công nghệ này mang lại đối với sự phát triển khoa học công nghệ và kinh tế xã hội Các hệ thống giám sát sử dụng camera được đưa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống như: hệ thống camera giám sát giao thông, hệ thống camera giám sát cho gia đình, siêu thị, trường học…

Hệ thống camera quan sát đầu tiên được cài đặt bởi Siemens AG tại Test Stand VII trong Peenemünde, Đức vào năm 1942, để quan sát quá trình phóng của tên lửa V-2

Ở Mỹ, hệ thống camera quan sát thương mại đầu tiên đã có từ năm 1949, được gọi là Vericon Có rất ít thông tin về Vericon ngoại trừ nó được quảng cáo là không cần giấy phép của chính phủ

Xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1973 ở quảng trường Times thành phố New York,

hệ thống camera quan sát được lắp đặt để ngăn chặn tội phạm đang phát triển trong khu vực Cho đến những năm 1980 - 1990 thì việc dùng camera quan sát bắt đầu phát triển rộng trên khắp cả nước đặc biệt là ở các khu vực công cộng

Người đầu tiên sử dụng khái niệm camera quan sát tại Vương quốc Anh là vua Lynn, Norfolk Trong những thập kỷ gần đây, việc sử dụng camera giám sát ở những không gian công cộng càng ngày càng phổ biến, đặc biệt là ở Anh

Đầu những năm 2000 trở về trước camera quan sát phổ biến là những loại chỉ cho hình ảnh trắng đen và khung hình với tốt độ hết sức chậm Ban đêm hình ảnh mờ nhạt rất khó quan sát

9 Sau những thập kỷ phát triển của máy chụp ảnh kỹ thuật số thì đến đầu thế kỷ 21 các camera quan sát đồng loạt ra đời với tốc độ phát triển nhanh chưa từng thấy Với sự góp sức của kỹ thuật số và chip điện tử mà camera quan sát ngày càng được hiện đại hoá

và đưa ra những phiên bản và tính năng vượt trội

Trong tương lai gần, camera quan sát được ứng dụng phổ biến trong tất cả các căn nhà và các công ty trong việc giám sát, quản lý và bảo vệ tài sản tại các Siêu Thị Dưới

sự hỗ trợ của camera quan sát thì việc giám sát giao thông trên các tuyến đường, giám sát an ninh tại các khu vực nhạy cảm trong thành phố và quản lý nhân sự tại các công ty trở nên đơn giản và hiệu quả

Để phát triển công nghệ giám sát dùng camera cần thiết có một mô hình sản phẩm đáp ứng yêu cầu của hệ thống hạ tầng, dựa trên nhu cầu thiết thực hiện nay một loạt các siêu thị, các cửa hàng tiện ích, cửa hàng bán lẻ của các tập đoàn lớn như: Vingroup, BigC, Coopmart…đang không ngừng mở rộng hàng ngày, tác giả đã thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu công nghệ giám sát sử dụng Camera và ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát cho các siêu thị”

1.1 Khái niệm Camera

Camera giám sát giống như một máy ảnh dùng dụng cụ quang học ghi lại hình ảnh, hình ảnh này có thể được lưu trữ trực tiếp hoặc chuyển đến một vị trí khác, hoặc cả hai Những hình ảnh này có thể là bức ảnh tĩnh hoặc hình ảnh chuyển động như video hoặc phim

Nói một cách khác đơn giản nhất thì camera là một thiết bị theo dõi và ghi hình, những hình ảnh được ghi lại trong một khoảng thời gian nào đó đồng thời lưu trữ hình ảnh và sau đó xem lại bất cứ khi nào

Một camera cơ bản bao gồm: cảm biến quang học (cảm biến chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện), bộ xử lý ảnh và nguồn cung cấp Mỗi camera thường có ba dây: Dây tín hiệu hình, RS485 và dây cấp nguồn.[5]

Hình 1.1 Cấu tạo trong cơ bản

11

1.2 Phân loại camera giám sát

Có thể phân loại camera giám sát theo bốn cách:

 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền

 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh

 Phân loại theo công nghệ cảm biến

 Phân loại theo tính năng sử dụng

1.2.1 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền

Theo kỹ thuật đường truyền có thể chia camera làm hai loại: Camera có dây và camera không dây

Camera có dây

Camera có dây là loại camera được sử dụng và truyền tín hiệu trên dây cáp đồng trục khoảng 75Ω - 1V, dây cáp C5 Sử dụng camera có dây là giải pháp an toàn, tín hiệu bảo mật cao và được áp dụng cho khu vực với địa hình bằng phẳng và ngắn Tuy nhiên khi truyền với khoảng cách xa hơn 300m thì cần có bộ khuếch đại để tránh tín hiệu đường truyền bị suy hao dẫn đến chất lượng hình ảnh không tốt

Camera có dây thường dùng giải pháp hữu tuyến, giải pháp này có chức năng quan sát, ghi nhận, thu hình trực tiếp các sự kiện, các diễn biến xảy ra nơi công cộng, sau đó truyền về trung tâm xử lý và điều khiển Để đáp ứng được yêu cầu công tác nghiệp vụ,

hệ thống camera giám sát được tổ chức gồm các bộ phận chính sau: các thiết bị xử lý và điều khiển ở trung tâm, các camera, thiết bị thu phát để nhận tín hiệu video và tín hiệu điều khiển từ camera sau đó truyền về trung tâm thông qua hệ thống truyền dẫn cáp quang.[9]

12

Hình 1.2 Camera giám sát có dây và đầu ghi hình

Camera không dây

Camera không dây là loại camera được sử dụng truyền tín hiệu không cần dây cáp đồng trục, tuy nhiên vẫn có dây nguồn Hệ thống camera không dây có ưu điểm là dễ thi công lắp đặt, tuy nhiên hệ số an toàn không cao Loại camera này thường được lắp đặt tại nơi có địa hình phức tạp và khoảng cách xa, khó đi dây từ camera đến các thiết bị quan sát (giám sát) Đối với khoảng cách xa hàng chục km cần phải sử dụng thiết bị đặc biệt hoạt động ở tần số cao và gia thành khá đắt Tuy nhiên đây là loại camera được đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hưởng nhiễu bởi các nguồn sóng khác như sóng điện thoại di động, thời tiết

Hình 1.3: Camera không dây

Camera không dây sử dụng giải pháp vô tuyến, đây là giải pháp hiển thị hình ảnh giám sát thông qua giao diện kết nối ra của máy tính quản lý, theo phương thức E- LAN Với phần mềm và bộ mã hoá tăng cường được tích hợp sẵn trong máy tính cho phép hiển

13 thị các hình ảnh của camera lên màn hình cỡ lớn mà vẫn đảm bảo hình ảnh trung thực, không bị vỡ hình Hệ thống bao gồm các thành phần chính như sau: Camera giám sát, thiết bị phát vô tuyến truyền tín hiệu, bộ định tuyến vô tuyến không dây, bộ thu phát vô tuyến băng rộng trạm gốc, trung tâm thu điều khiển Camera không dây sử dụng sóng vô tuyến RF để truyền tín hiệu, tần số thường dao động từ 1,2 MHz đến 2,4MHz

1.2.2 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh

Theo kỹ thuật này có thể phân loại theo hai cách: Camera analog và camera IP

Camera analog (CCTV)

Hệ thống CCTV cơ bản bao gồm camera analog dùng để giám sát, thiết bị lưu trữ, điều khiển camera và thiết bị hiển thị Nhiều camera được kết nối bằng dây tín hiệu đến một đầu ghi hình khoảng 16 cổng hoặc 1 matrix chuyển mạch cho nhiều cổng hơn và nhiều màn hình quan sát hơn Đầu ghi hình hoặc matrix được nối đến modem bằng dây mạng để ra ngoài internet

Hệ thống này được ghi hình băng từ xử lý tín hiệu analog, xử lý tín hiệu vector màu Hệ thống này còn một kiểu kết nối bằng dây tín hiệu đến card ghi hình được gắn trên máy tính, camera được bố trí tại các khu vực cần quan sát, truyền hình ảnh liên tục

về trung tâm điều khiển Tại trung tâm điều khiển, các dữ liệu hình ảnh này sẽ được lưu trữ trong bộ ghi hình và hiển thị trên các màn hình quan sát Đồng thời tại trung tâm cũng tích hợp các thiết bị điều khiển giúp điều khiển linh hoạt camera Hình ảnh từ các camera có thể được ghi theo nhiều chế độ như ghi liên tục, ghi theo thời gian hoặc ghi theo sự kiện (chuyển động, cảnh báo ngoài…), để khi có bất kỳ sự cố nào xảy ra bảo vệ hoặc người có trách nhiệm có thể dễ dàng kiểm tra lại thời điểm xảy ra sự cố, qua đó có thể xác định nguyên nhân hoặc lấy đó làm bằng chứng trước pháp luật [3]

14

Hình 1.4: Hệ thống camera CCTV

Camera IP

Hệ thống sử dụng camera IP được xây dựng như một hệ thống xử lý độc lập do

có bộ vi xử lý được tích hợp bên trong Camera IP bắt tín hiệu hình ảnh analog nhưng ngay lập tức nó chuyển đổi sang tín hiệu số và nén ảnh ngay chính tại camera, sau đó mới truyền đi qua mạng IP sử dụng giao tiếp Ethernet

Hình 1.5: Hệ thống camera IP

1.2.3 Phân loại theo công nghệ cảm biến

Theo công nghệ cảm biến có thể phân loại theo hai cách: Camera quan sát CCD (Charge Couple Device) và camera quan sát CMOS (complementary metal oxide semiconductor)

15

Camera quan sát CCD (Charge Couple Device)

Camera quan sát CCD sử dụng kỹ thuật CCD để nhận biết hình ảnh CCD là tập hợp những ô tích điện có thể cảm nhận ánh sáng sau đó chuyển tín hiệu ánh sáng sang tín hiệu số để đưa vào các bộ xử lý

Những ô tích điện là một mạng lưới các điểm bắt sáng được phủ lớp bọc màu (Đỏ-Xanh lục-xanh dương), mỗi điểm ảnh chỉ bắt một màu Do đó, khi chụp ảnh ánh sáng qua ống kính được lưu lại trên bề mặt chíp cảm biến dưới dạng các điểm ảnh Mỗi điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ được chuyển đến bộ phận đọc giá trị theo từng hàng Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ được khuếch đại và đưa vào bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, cuối cùng đưa vào bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp

Việc đọc thông tin theo hàng lần lượt một này khiến cho chíp CCD có bất lợi đó

là tốc độ xử lý hoàn thiện một bức ảnh khá chậm, ảnh ở một số vùng dễ bị thừa sáng hoặc thiếu sáng Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có kích cỡ bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất lượng,

do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu Sự cải thiện này đòi hỏi phải có thêm không gian trên chip Việc sản xuất chip CCD cần thiết bị, phòng lab chuyên dụng khiến cho giá thành của chip rất đắt

Camera CCD có đường chéo màn hình cảm biến tính bằng inch và kích thước màn hình cảm biến lớn

Hình 1.6: Camera CCD

Camera quan sát CMOS (complementary metal oxide semiconductor)

16 Camera quan sát CMOS là loại camera có màn hình cảm ứng bằng chất bán dẫn

có bổ xung oxit kim loại, cạnh mỗi điểm bắt sáng đã có sẵn mạch điện bổ trợ do đó người

ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh như bộ chuyển đổi analog/digital, cân bằng trắng vào mạch bổ trợ này để dễ dàng tích hợp ngay quá trình xử lý điểm ảnh và đồng loạt truyền tín hiệu số về bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp

Các điểm ảnh đa chức năng này đều có khả năng tự làm việc Cũng do khả năng này mà người ta có thể chỉ tương tác với một vùng pixel nhất định của chip cảm b iến

Vì có khả năng tích hợp cao nên bản mạch sẽ tiết kiệm không gian, không cần chip bổ trợ CMOS tiết kiệm điện năng, sản xuất dễ dàng, không cần phòng lab chuyên dụng, giá thành rẻ Tuy nhiên nó có nhược điểm là khó đảm bảo tính đồng nhất của mỗi mạch

khi khuếch đại làm cho ảnh có mật độ nhiễu nhất định, làm cho ảnh bị mất thông tin tại một số vùng dẫn đến độ phân giải không cao

Hình 1.7: Camera CMOS

Thông thường, cảm biến CCD được sử dụng khi thiết bị yêu cầu chất lượng hình ảnh tốt còn cảm biến CMOS được sử dụng khi thiết bị yêu cầu tiêu thụ điện năng ít và chi phí sản phẩm thấp

1.2.4 Phân loại theo tính năng sử dụng

Theo tính năng này có thể chia làm bốn loại: Mini camera hay camera ngụy trang, camera PTZ, camera quan sát hồng ngoại (IR camera) và camera 3D

Mini camera hay camera ngụy trang

Đây là loại camera có kích thước nhỏ và rất nhỏ dùng lắp đặt những nơi mà người

sử dụng không muốn người khác biết đang bị giám sát Loại này có thể được ngụy trang

17 trong tượng, tranh, đồng hồ… có màu và nghe được âm thanh Ngày nay camera mini được sử dụng để trở thành thiết bị phát hiện khói trong báo cháy

Hình 1.8: Mini Camera

Camera PTZ

Camera PTZ là loại camera thông dụng, có khả năng điều chỉnh phóng to, thu nhỏ, kéo xa gần, nhờ vào ống kính quang học và điều khiển kỹ thuật số

Camera PTZ gồm: Camera áp trần và Speed - Dome Camera

+ Camera áp trần (Dome Camera): có hình bán nguyệt và thường đặt trong gia đình, cây rút tiền, trong văn phòng, … và được gắn ốp trên trần nhà Đây là loại camera

có khả năng bảo mật cao

Hình 1.6: Camera áp trần

+ Speed - Dome Camera: đây là loại cao cấp hơn, tốc độ điều khiển nhanh hơn, lấy cận cảnh với tầm chính xác cao theo từng góc và thường được sử dụng để theo dõi đối tượng với nhiều vị trí mà không cần điều khiển nhiều

18

Hình 1.7: Speed - Dome Camera

Camera quan sát hồng ngoại (IR camera)

Camera quan sát hồng ngoại tự động cân bằng độ sáng chói của ngày và đêm, sử dụng trong trường hợp nơi quan sát ánh sáng yếu hoặc không có ánh sáng vẫn có thể nhìn rõ mọi vật với hình ảnh trắng đen Khoảng cách quan sát phụ thuộc vào công suất của đèn hồng ngoại Camera quan sát hồng ngoại cho phép quan sát trong phạm vi từ 10m đến 300m Loại này dùng để lắp đặt cho kho hàng, bãi giữ xe, cổng ra vào nhà máy, xưởng, xí nghiệp, nhà biệt thự

Hình 1.8: Camera quan sát hồng ngoại

Camera 3D

Camera 3D bao gồm hai thấu kính và hai cảm biến Hình ảnh 3D được hiển thị nhờ một bộ vi xử lý tích hợp trong camera giúp tách lớp, để rồi hợp nhất hình ảnh từ sự sai biệt mà hai cảm biến nhận được qua hai góc độ khác nhau Hiệu ứng đặc biệt này được tạo dựng thông qua chiếc camera FinePix REAL 3D W1 khi nhìn vào màn hình LCD kích cỡ 2,8 inch ở phía sau camera

19

Hình 1.9: Camera 3D

Ngày nay nhờ vào công nghệ hiện đại và tiên tiến các bác sĩ tại bệnh viện đa khoa Massachusetts vừa phát minh ra một chiếc camera 3D có kích cỡ tí hon nhằm phục vụ cho việc nội soi chẩn đoán cũng như phẫu thuật Với sự ra đời của thiết bị này, việc tìm kiếm những khối u nhỏ trong ung thư thực quản sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiều Mặt khác, nó cũng giảm bớt sự đau đớn của bênh nhân trong quá trình thăm khám

Chiếc camera 3D này đủ nhỏ để có thể dễ dàng nuốt trôi Nó sẽ nhanh chóng cung cấp những hình ảnh chính xác và rõ nét nhất Nhờ đó, bất cứ những thay đổi bất thường nào của bộ phận này cũng sẽ dễ dàng được phát hiện

Hình 1.10: Camera 3D tí hon

1.3 Ứng dụng của camera

Với chức năng cơ bản là quan sát và ghi hình, camera được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực giám sát khác nhau của mọi mặt của xã hội điển hình là nghiên cứu không gian, thám hiểm đại dương và địa tầng trái đất, quân sự và an ninh, y tế, giáo dục

và đời sống

20 Một hệ thống các camera được đặt tại những vị trí thích hợp sẽ cho phép quan sát, theo dõi, nhận diện những nơi ngay cả khi không có mặt tại đó

1.3.1 Lĩnh vực nghiên cứu không gian

Nói đến những ứng dụng của công nghệ và camera mà đem lại giá trị to lớn nhất cho loài người phải nói đến lãnh vực không gian Nhờ sự giúp sức của công nghệ số mà chúng ta có những thiết bị nghiên cứu không gian tối tân và hiện đại, từ các thiết bị trên con tàu vũ trụ, vệ tinh thám hiểm nhân tạo cho đến kính viễn vọng không gian,…đều được trang bị những camera quan sát thế hệ mới Chúng có khả năng chụp ảnh và ghi hình tốc độ cao, chuyển về trái đất những bức ảnh ngày càng sống động trung thực và có

độ nét rất cao

Nhân loại luôn muốn biết ngoài không gian xa xăm kia có gì Nhưng do con người

có nhiều mặt bị hạn chế như: khả năng chịu đựng của cơ thể với môi trường, tuổi thọ, nhu cầu dinh dưỡng …nên việc đưa con người vào không gian xa quỹ đạo trái đất là hết sức khó khăn và phức tạp, tỉ lệ thành công thấp

Đứng trước những mong mỏi của nhân loại nói chung, các nhà khoa học đưa ra giải pháp sử dụng các thiết bị có gắn camera để đưa vào không gian, các thiết bị này sẽ

là những con mắt nhân tạo của loài người vươn vào không gian bao la để thám hiểm vũ trụ Việc thám hiểm không gian đạt được kết quả to lớn như ngày nay nhờ đóng góp rất lớn của các thiết bị camera công nghệ cao, chúng chuyển về trái đất liên tục những hình ảnh kỹ thuật số với độ phân giải cao giúp các nhà khoa học phân tích đáng giá chính xác các hiện tượng và vị trí của các ngôi sao trong dải thiên hà

Với đà phát triển như vũ bão của công nghệ ngày nay thì các camera giám sát không gian ngày càng được trang bị những kỹ thuật tinh vi hơn giúp con người quan sát

xa hơn vào không gian

Những trạm phóng vệ tinh và tàu vũ trụ từ mặt trăng và sao hỏa sẽ là giải pháp tối

ưu cho khoa học không gian của các thế kỷ tiếp theo của loài người

21

1.3.2 Lĩnh vực thám hiểm các đại dương và địa tầm trái đất

Camera công nghệ cao được trang bị trên các tàu ngầm thám hiểm có người lái hoặc không người lái điều khiển từ xa Các camera này có khả năng “nhìn xuyên” màn đêm của vực thẳm đại dương, nó tự cung cấp nguồn sáng bằng tia hồng ngoại công suất cực lớn Những tấm ảnh về đáy đại với độ phân giải cao luôn làm ngạc nhiên các nhà khoa học

Những thiết bị tự động thám hiểm vực thẳm đại dương ngày nay chạy bằng năng lượng hạt nhân và được gắn những chiếc camera quan sát 24h để ghi lại những cảnh vật

ở những môi trường mà con người và các thiết bị thông thường không thể đến được do sức ép của nước làm chúng vỡ tung Các con tàu này được trang bị camera giám sát đáy đại dương có bộ cảm biến tự động ghi hình mọi chuyển động dù nhỏ nhất và tự động chụp lại các biến động địa lý nơi tàu đi qua Tàu có khả năng hoạt động liên tục dài ngày

và được trang bị camera hồng ngoại thế hệ mới nhất, giúp nhìn được trong môi trường ánh sáng bằng 0 của đáy đại dương

1.3.3 Lĩnh vực quân sự và an ninh

Lĩnh vực quân sự: Đây có lẽ là lĩnh vực camera quan sát được ứng dụng triệt để nhất trong hầu hết các thiết bị quân sự thế hệ mới như: máy bay do thám, máy bay không người lái, tên lửa, tàu ngầm…

Các camera tỏ ra đặt biệt hữu dụng trong việc giám sát mọi hoạt động của đối phương giúp máy bay không người lái tác chiến trực tiếp thông qua điều khiển từ trung tâm Các tên lửa hành trình cũng được camera giám sát hành trình dẫn đường và đi đến đúng mục tiêu định trước trong sai số chỉ vài centimet Các tàu ngầm ngày này thông qua radar và máy quét siêu âm, nó còn được trang bị camera KTS có khả năng quan sát tất cả các hướng với hình ảnh video rõ ràng

Hiện nay một số nước đã sử dụng thiết bị báo động hồng ngoại và camera lắp đặt dọc biên giới giữa các nước để canh phòng an ninh biên giới và chống buôn lậu tỏ ra rất

22 hiệu quả Hình ảnh thu được từ camera giúp lực lượng biên phòng ngăn chặn thành công việc xâm phạm biên giới và vận chuyển hàng lậu tại các vùng biên giới

Lĩnh vực an ninh: Bên cạnh đó xu hướng phát triển công nghệ giám sát an ninh từ

xa hiện đại, tiên tiến nhất trên thế giới được áp dụng nhằm đưa ra những giải pháp giám sát an ninh của từng khu vực Qua đó khẳng định hệ thống giám sát an ninh thông minh chắc chắn sẽ được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng do những lợi ích to lớn mà công nghệ này mang lại đối với sự phát triển khoa học công nghệ

và kinh tế xã hội Các hệ thống camera trước đó mới chỉ dừng lại ở việc giám sát, theo dõi và ghi lại hình ảnh chứ chưa có khả năng đoán trước và phòng ngừa sự cố Công nghệ hiện được giới thiệu khác hẳn so với các công nghệ trước Nó dựa vào việc phân tích hình ảnh và đoán trước sự việc, cho phép cảnh báo, phòng ngừa, tích hợp hệ thống

để tự động xử lý khi có sự cố xảy ra giúp chúng ta phòng ngừa tránh được sự cố

Công nghệ nhận diện khuôn mặt có tính ưu thế hơn nhận dạng vân tay bởi vân tay

có thể bị sao chép hoặc bị làm hỏng trong khi mặt con người rất khó đề lừa được người khác Hệ thống giám sát này có thể gắn ở tất cả mọi nơi Việc lắp đặt chỉ mất vài giây,

và khi nhận dạng được kẻ tình nghi, còi ở camera sẽ tự động kêu lên Với hệ thống này

có thể người sử dụng cũng không cần tới camera mà chỉ cần một mobile có gắn chíp FR kết hợp với công nghệ giám sát mới có thể tìm thấy 36 triệu khuôn mặt khác có nét tương

tự trong cơ sở dữ liệu chỉ trong vòng một giây Trong khi một công việc tương tự thường yêu cầu hàng giờ để chọn lọc thì công nghệ mới chỉ sử dụng các thuật toán để tìm ra gương mặt phù hợp Nó cho phép bất kì tổ chức nào, từ một nhà bán lẻ cho đến chính phủ, theo dõi và xác định tất cả mọi người dân hay khách hàng từ cơ sở dữ liệu khuôn mặt

1.3.4 Lĩnh vực y tế

Việc lắp đặt camera quan sát analog hoặc camera IP trong các phòng mổ trực tuyến cho đến kính hiển vi điện tử, thiết bị nội soi và gần đây nhất là chế tạo thành công

23 các con robot siêu nhỏ chỉ bằng viên thuốc con nhộng hoặc đầu bút bi để đưa vào cơ thể nhằm tìm hiểu căn nguyên của các khối u, thành ruột, mạch máu…

Nhờ có các camera quan sát này mà các phòng mổ trên toàn thế giới có thể hội chẩn được với nhau thông qua mạng Internet toàn cầu, các bác sĩ nhìn thấy chính xác nguyên nhân bệnh lý mà chưa cần đến việc can thiệt của y khoa, giúp việc chẩn đoán trở nên chính xác, nhanh chóng và đỡ tốn kém hơn Hiện nay Jean Lorenceau, nhà khoa học thần kinh thuộc Đại học Pierre và Marie Curie ở Paris (Pháp) đã phát minh ra công nghệ giám sát có thể viết bằng mắt nhằm áp dụng cho những đối tượng bị liệt Hệ thống trên hoạt động bằng cách cài camera giám sát lên đầu người sử dụng Và camera quan sát chịu trách nhiệm theo dõi chuyển động mắt, mỗi lần 30 giây và chuyển thông tin về máy tính Nếu người dùng di chuyển mắt giống như đang viết cái gì, camera sẽ truyền chính xác chuyển động đó lên con trỏ trên màn hình, giúp họ viết được

1.3.5 Lĩnh vực giao thông

Camera được ứng dụng rộng rãi trong việc giám sát giao thông tại các đô thị lớn

và các tuyến đường cao tốc, camera giám sát tốc độ xe và việc chấp hành luật giao thông Camera cũng sử dụng để ghi hình lại các vi phạm của lái xe khi lái xe chạy quá tốc độ qui định, vượt ẩu, chạy không đúng làn đường qui định Camera cũng sử dụng lắp đặt trên xe ô tô nhằm hỗ trợ lái xe về đêm khi trời mưa to hạn chế tầm nhìn, cảnh báo khi lùi, khi xe quá gần phương tiện phía trước và hai bên hông xe

Camera cũng giúp các nghiệp đoàn vận tải quản lý tốt hơn phương tiện vận tải, lái

xe và tốc độ qui định cũng như kiểm soát chặt chẽ tuyến hành trình của xe

1.3.6 Lĩnh vực giáo dục

Với hệ thống này hiệu trưởng có thể quan sát, theo dõi và kiểm tra tình trạng dạy

và học của bất cứ lớp học nào mà mình muốn Ngoài ra, nếu những hình ảnh đó được đưa lên mạng Internet thông qua thiết bị đầu ghi hoặc card ghi chia hình truyền xa qua mạng thì các bậc phụ huynh cũng có thể trực tiếp theo dõi con em mình khi các em ở

24 trường mà không cần phải đến tận nơi tạo tâm lý an tâm cho phụ huynh học sinh Những thiết bị này cũng có thể lưu lại những giờ giảng hay để làm đề cương sau này

1.3.7 Ứng dụng trong cuộc sống

Đặc biệt trong cuộc sống, camera quan sát được ứng dụng ngày càng rộng rãi, từ các phương tiện nghe nhìn như: camera kỹ thuật số du lịch, camera kỹ thuật số quay phim chuyên nghiệp cho đến các máy chụp ảnh kỹ thuật số,….Với sự ứng dụng camera quan sát vào việc giám sát an ninh đã giúp con người tăng cường công tác bảo vệ tính mạnh và tài sản Camera lắp đặt trong các công ty, nhà máy, kho tàng, cho đến các showroom đã giúp các nhà quản lý có để di chuyển bất cứ nơi nào mà vẫn có thể kiểm soát được công việc kinh doanh tại công ty mình Mọi sự việc diễn ra trong doanh nghiệp đều được camera giám sát và kiểm soát

Đối với những nơi khắc nghiệt như: các công trường đang thi công, hầm mỏ, nơi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp Camera được lắp đặt để bộ phận quản lý có thể giám sát 24/24 nhằm quản lý và giám sát chất lượng được liên tục, nhiều góc độ, nhiều khu vực cùng một lúc và trong nhiều thời điểm khác nhau

Nhờ có camera quan sát mà nhà quản lý dù công tác bất cứ nơi nào cũng có thể giám sát mọi hoạt động trong ngôi nhà của mình

1.4 Kết luận chương 1

Chương này đã giới thiệu quá trình phát triển của các dòng camera và hệ thống giám sát từ xa dùng camera và các xu hướng phát triển của hệ thống giám sát trong tương lai Đặc biệt trong việc phân loại camera có mô tả chi tiết kiến trúc của camera trong đó

đã nêu lên được vị trí cũng như vai trò của camera trong việc giám sát Các công nghệ giám sát hiện có trên thế giới và thị trường Việt Nam cũng được đề cập đến ở đây Cuối chương là giới thiệu về lĩnh vực ứng dụng của camera, đây là cơ sở lý thuyết quan trọng trong việc phát triển nội dung ở các chương tiếp theo

Ứng dụng công nghệ giám sát thông minh là một xu thế phát triển cho tương lai

Hệ thống camera giám sát, hỗ trợ chúng ta rất nhiều trong tất cả các lĩnh vực Hiện tại,

xu hướng sử dụng camera IP trên thị trường thế giới đang từng bước tăng trưởng và hướng sử dụng camera Analog ngày càng giảm xuống

25

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CAMERA IP

VÀ MÔ HÌNH TCP/IP 2.1 Mô hình TCP/IP

Hình 2.1: mô tình TCP/IP Application layer: Lớp ứng dụng

Transport layer: Lớp vận chuyển

+Tầng ứng dụng (Application Layer)

+Tầng giao vận (Transport Layer)

26 +Tầng liên mạng (Internet Layer)

+Tầng giao diện mạng (Network Access Layer)

Hình 2.2: Mô hình tham chiếu OSI Data: Dữ liệu

27 Đây là tầng trên cùng của mô hình bao gồm các tiến trình và các ứng dụng cung cấp cho người sử dụng để truy cập mạng Trong tầng này có một số giao thức cơ bản sau:

+DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao thức cấu hình trạm động +DNS (Domain Name System): Hệ thống tên miền

+SNMP (Simple Network Management Protocol): Giao thức quản lý mạng đơn giản

+FTP (File Transfer Protocol): Giao thức truyền tập tin

+TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Giao thức truyền tập tin bình thường +SMP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao thức truyền thư đơn giản

Tầng giao vận (Transport Layer)

Tầng này có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu Hai giao thức chính trong tầng này gồm: TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol)

+TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền dữ liệu một cách tin cậy, nó cung cấp một luồng dữ liệu tin cậy giữa hai trạm, nó sử dụng các

cơ chế như chia nhỏ các gói tin của tầng trên thành các gói tin có kích thước thích hợp cho tầng mạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian time-out để đảm bảo bên nhận biết được các gói tin đã gửi đi TCP thường truyền các gói tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận Do tầng này đảm bảo tính tin cậy, tầng trên sẽ không cần quan tâm đến nữa

+UDP cung cấp một dịch vụ đơn giản hơn cho tầng ứng dụng UDP cung cấp kênh truyền thông phi kết nối, nó chỉ gửi các gói dữ liệu từ trạm này tới trạm kia mà không đảm bảo các gói tin đến được tới đích Các ứng dụng dùng UDP thường chỉ truyền những gói có kích thước nhỏ, độ tin cậy dữ liệu phụ thuộc vào từng ứng dụng Các cơ chế đảm bảo độ tin cậy cần được thực hiện bởi tầng trên

- Tầng liên mạng (Internet Layer)

28 Đây là tầng nằm trên tầng giao diện mạng Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu Bốn giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm:

+IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích

+ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của máy đích thành địa chỉ MAC (Media Access Control)

+ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo lỗi trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng

+IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển truyền

đa hướng (Multicast)

- Tầng giao diện mạng (Network Interface Layer)

Tầng giao diện mạng có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ phương tiện truyền dẫn Tầng này bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng (Card mạng và Cáp mạng)

và Chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua thiết bị giao tiếp mạng đó

Card mạng chứa địa chỉ Mac (Media Access Control) hay địa chỉ truy nhập phương tiện Mac đóng vai trò quan trọng trong việc gán địa chỉ và truyền dữ liệu

Giao thức cơ bản trong tầng này gồm có:

+ATM (Asynchronous Transfer Mode)

+Ethernet

+Token ring

+FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

2.1.2 Giao thức TCP/UDP

TCP (Transmission Control Protocol)

TCP là giao thức điều khiển truyền vận, là một trong những giao thức cốt lõi của

bộ giao thức TCP/IP Sử dụng TCP các ứng dụng trên các máy chủ được nối mạng có

29 thể tạo kết nối với nhau mà qua đó chúng có thể trao đổi dữ liệu hoặc các gói tin Giao thức này đảm bảo chuyển giao dữ liệu tới nơi nhận một cách đáng tin cậy và đúng ký tự TCP còn phân biệt giữa dữ liệu của nhiều ứng dụng

Cấu trúc gói tin TCP bao gồm hai phần Header và Dữ liệu:

Hình 2.3: Cấu trúc gói tin TCP Source port: Cổng nguồn

Dest port: Cổng đích

Sequence number: Số thứ tự

Acknowledgment number: Số xác nhận

Receive window: Cửa sổ nhận

Internet checksum: Tổng kiểm tra internet

30

Urgent data pointer: Con trỏ dữ liệu khẩn cấp

Phần Header có mười một trường, trong đó có mười trường bắt buộc và một trường tùy chọn là Options Ý nghĩa của các Header trong TCP được mô tả như sau:

+ Source Port: Số hiệu của cổng tại máy gửi

+ Destination port: Số hiệu của cổng tại máy nhận

+ Sequence number: Trường này có hai nhiệm vụ: Nếu cờ SYN bật thì nó là số thứ tự gói tin ban đầu và byte đầu tiên được gửi có số thứ tự này cộng thêm một Còn SYN không bật thì đây là số thứ tự của byte đầu tiên

+ Acknowledgment number: Nếu ACK bật thì giá trị của trường chính là số thứ

tự gói tin tiếp theo mà bên nhận cần

+ Data offset: Trường có độ dài 4 bit quy định độ dài của phần header (tính theo đơn vị 32 bit) Phần header có độ dài tối thiểu là 5 từ (160 bit) và tối đa là 15 từ (480 bit)

+ Reserved: Dành cho tương lai và có giá trị là 0

+ Flags (hay Control bits): bao gồm sáu cờ: URG (cờ cho trường Urgent pointer), ACK (Cờ cho Acknowledgment), PSH (Hàm Push), RST (Thiết lập lại đường truyền), SYN (Đồng bộ lại số thứ tự), FIN (Không gửi thêm số liệu), Window (Số byte có thể nhận bắt đầu từ giá trị của trường báo nhận ACK), Checksum (16 bit kiểm tra cho cả phần header và dữ liệu)

Để thiết lập một kết nối, TCP sử dụng một quy trình bắt tay ba bước Trước khi client thứ kết nối với một server, server phải đăng ký một cổng và mở cổng đó cho các kết nối (đây được gọi là mở bị động) Một khi mở bị động đã được thiết lập thì một client

có thể bắt đầu mở chủ động Để thiết lập một kết nối, quy trình bắt tay ba bước xảy ra như sau:

+ Client yêu cầu mở cổng dịch vụ bằng cách gửi gói tin SYN tới server, trong gói tin này, các tham số sequence number được gán cho một giá trị ngẫu nhiên X

31 + Server hồi đáp bằng cách gửi lại client bản tin SYN_ACK, trong gói tin này tham số acknowledgment number được gán giá trị bằng X+1, tham số sequence number được gán ngẫu nhiên giá trị Y

+ Để hoàn tất quá trình bắt tay ba bước, client tiếp tục gửi tới server bản tin ACK, trong bản tin này tham số sequence number được gán giá trị bằng X+1 còn tham số acknowledgment number được gán bằng Y+1

Tại thời điểm này cả client và server đều được xác nhận một kết nối đã được thiết lập

Hình 2.9: Ba bước bắt đầu kết nối TCP

Hình 2.4: Bốn bước kết thúc kết nối TCP

UDP (Use Datagram Protocol)

Đây là một trong những giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP Dùng UDP chương trình trên mạng máy tính có thể gửi những dữ liệu ngắn UDP không cung cấp

sự tin cậy và thứ tự truyền nhận mà TCP làm Các gói dữ liệu có thể đến không đúng thứ

Cấu trúc gói tin: UDP là giao thức hướng thông điệp nhỏ nhất của tầng giao vận hiện được mô tả trong RFC 768 của IETF Trong bộ giao thức TCP, UDP cung cấp một giao diện rất đơn giản giữa tầng mạng bên dưới và tầng phiên làm việc hoặctầng ứng dụng phía trên UDP không đảm bảo cho các tầng phía trên thông điệp đã được gửi đi và người gửi cũng không có trạng thái thông điệp UDP một khi đã được gửi UDP chỉ thêm các thông tin multiplexing và giao dịch Các loại thông tin tin cậy cho việc truyền dữ liệu nếu cần phải được xây dựng ở các tầng cao hơn

Hình 2.5: Cấu trúc gói tin UDP [4]