Nghiên cứu các công nghệ giám sát dùng camera và thiết kế hệ thống giám sát cho trường cao đẳng nghề kinh tế kỹ thuật vinatex

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, siê

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

Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc Lớp: Kỹ thuật truyền thông – Khóa: 2012A

Viện: Điện tử - Viễn thông Trường: Đại học Bách Khoa - Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Sau gần hai năm học tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu các công nghệ giám sát dùng camera và thiết kế hệ thống giám sát cho trường Cao đẳng nghề Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex” 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 Phạm Ngọc Nam

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 được bảo

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 2013 Người cam đoan

Nguyễn Thị Bích Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DÙNG CAMERA 13

1.1 Khái niệm Camera 13

1.2 Phân loại camera giám sát 13

1.2.1 Phân loại theo kỹ thuật đường truyền 14

1.2.2 Phân loại theo kỹ thuật hình ảnh 15

1.2.3 Phân loại theo công nghệ cảm biến 17

1.2.4 Phân loại theo tính năng sử dụng 19

1.3 Ứng dụng của camera 22

1.3.1 Lĩnh vực nghiên cứu không gian 22

1.3.2 Lĩnh vực thám hiểm các đại dương và địa tầm trái đất 24

1.3.3 Lĩnh vực quân sự và an ninh 24

1.3.4 Lĩnh vực y tế 26

1.3.5 Lĩnh vực giao thông 26

1.3.6 Lĩnh vực giáo dục 27

1.3.7 Ứng dụng trong cuộc sống 27

1.4 Kết luận 27

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG CAMERA IP VÀ MÔ HÌNH TCP/IP 29

2.1 Camera IP 29

2.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển 29

2.1.2 Cấu tạo 30

2.1.3 Nguyên lý hoạt động 32

2.1.4 Các thông số kỹ thuật 33

2.1.5 Ưu nhược điểm của camera IP 35

2.2 Mô hình TCP/IP 35

2.2.1 Tổng quát về TCP/IP 36

2.2.2 Giao thức TCP/UDP 39

2.2.3 Giao thức IP (Internet Protocol) 42

2.3 Kết luận 47

CHƯƠNG III: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CHO TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KINH TẾ - KỸ THUẬT VINATEX 48

3.1 Thực trạng 48

3.2 Một số mô hình hoạt động 48

3.2.1 Mô hình hệ thống đơn giản 48

3.2.2 Mô hình hệ thống kết hợp 50

3.2.3 Mô hình hệ thống tích hợp công nghệ cao 51

3.2.4 Mô hình hệ thống ma trận 52

3.2.5 Mô hình hệ thống camera IP 52

3.3 Giải pháp thiết kế mô hình giám sát từ xa 53

3.3.1 Đặc tả hệ thống 53

3.3.2 Phân tích hệ thống 53

3.3.3 Thiết kế hệ thống 60

3.4 Kết luận 67

CHƯƠNG IV: TỔNG KẾT 68

4.1 Kết quả đạt được 68

4.2 Bàn luận 68

4.3 Kết luận và kiến nghị 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 CĐN KT-KT Vinatex Cao đẳng nghề kinh tế - kỹ thuật Vinatex

3 CCTV Closed-circuit television (Truyền hình mạch kín)

6 CCD Charge Couple Device

7 CMOS Complementary metal oxide semiconductor

11 MPEG The Moving Picture Experts Croup

12 JPEG Joint Photographic Experts Group

13 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

16 xDSL x Digital Subcriber Line

17 ISDN Intergrated Service Provider

18 3G Third generation technology

19 MAC Message Authentication Code

22 USB Universal Serial Bus

23 FTP File Transfer Protocol

24 TCP Transmission Control Protocol

25 UDP Use Diagram Protocol

26 ARP Address Resolution Protocol

27 MAC Media Access Control

28 ICMP Internet Control Message Protocol

29 IGMP Internet Group Management Protocol

32 IETF Internet Engineering Task Force

33 TFTP Trivial File Transfer Protocol

36 DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

37 SNMP Simple Network Management Protocol

38 IANA Internet Assigned Numbers Authority

39 VCR Video Cassette Recording

40 DVR Digital Video Recorder

42 PCI Peripheral Component Interconnect

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tiêu cự của ống kính 31

Bảng 2.2: Góc quan sát 34

Bảng 2.3: Các octet chuyển đổi sang giá trị thập phân 44

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo của camera 13

Hình 1.2: Camera giám sát có dây và đầu ghi hình 14

Hình 1.3: Camera không dây 15

Hình 1.4: Hệ thống camera CCTV 16

Hình 1.5: Hệ thống camera IP 17

Hình 1.6: Camera CCD 18

Hình 1.7: Camera CMOS 19

Hình 1.8: Mini Camera 19

Hình 1.9: Camera áp trần 20

Hình 1.10: Speed - Dome Camera 20

Hình 1.11: Camera quan sát hồng ngoại 21

Hình 1.12: Camera 3D 21

Hình 1.13: Camera 3D tí hon 22

Hình 1.14: Các khu vực nhiễm phóng xạ hiện rõ trước ống kính của camera mới 23

Hình 2.1: Ống kính 30

Hình 2.2: Fixed lens 31

Hình 2.3: Varifocal lens 31

Hình 2.4: Zoom lens 32

Hình 2.5: Cấu trúc camera IP 32

Hình 2.6: Khái quát về mô hình TCP/IP 36

Hình 2.7: Cấu trúc gói tin TCP 39

Hình 2.8: Ba bước bắt đầu kết nối TCP 41

Hình 2.9: Bốn bước kết thúc kết nối TCP 41

Hình 2.10: Cấu trúc gói tin UDP 42

Hình 3.1: Mô hình hệ thống đơn giản 49

Hình 3.2: Mô hình hệ thống kết hợp 50

Hình 3.3: Mô hình hệ thống tích hợp công nghệ cao 51

Hình 3.4: Mô hình hệ thống ma trận 52

Hình 3.5: Mô hình hệ thống camera IP 52

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

Hình 3.7: Mô hình giám sát từ xa sử dụng camera analog và camera IP 56

Hình 3.8: Biểu đồ hệ thống giám sát 57

Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc thống camera 57

Hình 3.10: Mô hình hoạt hệ thống 59

Hình 3.11: Camera VT-6112IR 61

Hình 3.12: Đầu ghi hình VANTECH VP-16700NVR2 61

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

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…

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 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 của trường Cao đẳng nghề kinh tế - kỹ thuật Vinatex - một trường mũi nhọn của tập đoàn Dệt may Việt Nam

trong lĩnh vực cung ứng nguồn nhân lực Dệt - May, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu các công nghệ giám sát dùng camera và thiết kế hệ thống giám sát cho trường Cao đẳng nghề Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex”

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

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

 Tóm lại ta có thể điểm qua các cột mốc chính như sau:

- Năm 1949 khái niệm về camera quan sát được giới thiệu bởi George Orwell

- Năm 1951 ra đời đoạn băng ghi hình đầu tiên

- Năm 1966 NASA dùng camera quan sát ghi hình lại bề mặt của mặt trăng

- Năm 1969 bằng sáng chế về camera dân dụng được cấp cho Marie Brown

- Năm 1972 hãng Texas Instrument cho ra đời camera ghi hình không cần phim

- Năm 1973 chip hình ảnh CCD được giới thiệu và phổ biến cho đến ngày nay

- Năm 1980 camera quan sát bắt đầu được áp dụng theo dõi trộm cắp và lừa đảo

- Năm 1986 hãng Kodak giới thiệu chiếc camera megapixel đầu tiên với độ phân giải 1.4 M

- Năm 1992 camera quan sát trẻ em và người già được phát triển ngày càng mạnh hơn

- Năm 1996 chiếc camera ip đầu tiên được hãng Axis sản xuất có tên là Neteye 200

- Năm 2001 Khi World trade Center bị tấn công, mọi người quan tâm nhiều hơn đến camera dành cho công việc cũng như gia đình

- Năm 2003 công nghệ nhận diện khuôn mặt được áp dụng tại trường Royal Palm Middle School để quản lý các bé

- Năm 2007, 97% giao tiếp từ xa được thực hiện trên internet

- Internet mở ra một kỷ nguyên mới mà chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của camera quan sát ở bất cứ nơi đâu

2.2 Ở trong nước

Cho đến nay hệ thống giám sát dùng camera được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực khác nhau để phục vụ mục đích theo dõi giám sát và an ninh và trên nhiều tỉnh thành khác nhau

Từ tháng 8 năm 2010 bên cạnh những dòng thiết bị an ninh truyền thống thì camera IP của Techpro đã có mặt tại Việt Nam

Nghiên cứu các công nghệ giám sát dùng camera Các yêu cầu, công cụ và triển khai thiết kế hệ thống giám sát tại trường Cao đẳng nghề Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex

Các công nghệ giám sát trên thế giới và trong tương lai sẽ sử dụng Áp dụng vào việc thiết kế hệ thống cho việc giám sát an ninh của trường Cao đẳng nghề Kinh tế -

Kỹ thuật Vinatex

Xây dựng công cụ thiết kế hệ thống giám sát tại trường Cao đẳng nghề Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống giám sát dùng camera

Chương 2: Hệ thống Camera IP và mô hình TCP/IP

Chương 3: Đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống giám sát cho trường Cao đẳng nghề kinh tế - kỹ thuật Vinatex

Chương 4: Tổng kết

7.1 Nhóm các phương pháp nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu tài liệu lý luận về hệ thống giám sát dùng camera qua các tài liệu trong và ngoài nước

Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn sử dụng và thiết kế hệ thống giám sát

7.2 Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực tiễn

Phương pháp khảo sát mô hình ứng dụng tại công ty cổ phần B2A – Nam Định

Phương pháp điều tra, khảo sát địa hình thực tế tại trường Cao đẳng nghề Kinh tế

- Kỹ thuật Vinatex

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

Chương này trình bày về khái niệm, cấu tạo, phân loại và ứng dụng của một camera quan sát, từ đó làm tiền đề để phát triển một hệ thống giám sát hoàn thiện

1.1 Khái niệm Camera

Camera giám sát giống như một máy ảnh sử dụng 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 lữu trữ hình ảnh và sau đó xem lại bất cứ khi nào

Một camera cơ bản bao gồm: cảm biến quang học (cảm biến biến đổi 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 của camera

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]

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

sử dụng 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 trước các nguồn sóng khác như sóng điện thoại di động, thời tiết

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 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 2,4 MHz.[9]

Hình 1.3: Camera không dây

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 cầnquan 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] Ngày nay, hệ thống CCTV đã được tích hợp với các công nghệ mới giúp cho việc lưu trữ, xem lại cũng như sao lưu dữ liệu trở nên cực kỳ dễ dàng Hệ thống còn có thể tích hợp vào mạng LAN hoặc Internet giúp người điều khiển có thể thao tác từ xa vào

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)

 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.[1]

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)

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.[1]

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 biến

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.[9]

 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 nguỵ trang 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

+ 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 khẳ năng bảo mật cao

Hình 1.9: 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

Hình 1.10: 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 1.11: 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.[7]

Hình 1.12: 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.[8]

Hình 1.13: 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 [8]

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, tỷ 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

Bên cạnh việc thám hiểm không gian, con người còn rất quan tâm đến vấn đề nhiễm xạ của trái đất

Các chuyên gia Nhật Bản đã phối hợp chế tạo một loại camera ứng dụng công nghệ không gian, có thể sớm phát hiện tình trạng nhiễm phóng xạ trên mặt đất Đã hơn một năm sau thảm họa hạt nhân ở Nhật Bản, mối đe dọa vô hình vẫn còn lẩn quẩn tại các khu vực gần nhà máy điện hạt nhân Fukushima số một Để giải quyết vấn đề này, các chuyên gia đã chế tạo thành công một camera mới cho phép con người quan sát được mức độ nhiễm phóng xạ tại khu vực di tản khẩn cấp xung quanh nhà máy điện hạt nhân, với bán kính 19km

Hình 1.14: Các khu vực nhiễm phóng xạ hiện rõ trước ống kính của camera mới[10]

Công nghệ này hoạt động bằng cách phát hiện những phân tử phóng xạ phát ra tia gamma, dạng ánh sáng mang theo năng lượng cao nhất trong toàn vũ trụ Cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản (JAXA) ban đầu phát triển công nghệ trên cho vệ tinh quan sát tia X gọi là ASTRO-H Tuy nhiên, sau đó họ tìm được cách chuyển đổi để tích hợp vào camera có cái là Super-wide Angle Compton Camera (camera góc nhìn siêu rộng Compton), có thể phát hiện các chất phóng xạ độc hại như Cesium 137 và Cesium

134 Góc nhìn 1800 của camera cho thấy các phân tử phóng xạ tản mát trên mặt đất và trên nóc nhà của một ngôi làng trong vùng Fukushima, trong cuộc thử nghiệm vào ngày 11/2/2012 Cho đến nay camera này đã được sử dụng để theo dõi vùng nhiễm xạ

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 rada 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 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 khuân 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.[8]

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 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 ôtô 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 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 KTS du lịch, camera KTS quay phim chuyên nghiệp cho đến các máy chụp ảnh KTS,….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 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 camer IP trên thị trường thế giới đang từng bước tăng trưởng và xu hướng sử dụng camer analog sẽ từ từ giảm xuống

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG CAMERA IP VÀ MÔ HÌNH TCP/IP

Chương này trình bày tổng quan một camera IP, bao gồm: khái niệm, lịch sử phát triển, cấu tạo, nguyên lý hoạt động Bên cạnh đó cũng trình bày về mô hình mạng TCP/IP, mô hình này là tiền đề để áp dụng phát triển hệ thống camera IP hiện nay

đi thẳng vào hệ thống mạng máy tính dạng gói tin như các dạng dữ liệu khác Hình ảnh trên Camera IP thường được quan sát bằng máy tính để bàn, laptop, điện thoại, máy tính bảng, iphone, ipad,…[1]

Các camera được chế tạo sử dụng tiêu chuẩn nén ảnh JPEC, MJEG, MPEC4 nhằm giảm tối đa dung lượng đường truyền nhưng vẫn giữ được chất lượng hình ảnh Đối với camera IP người ta có thể phân chia làm hai loại:

+ Camera IP tập trung: sử dụng một trung tâm Network Video Recoder để xử lý các tập tin video, ghi âm và quản lý báo động

+ Camera IP phân cấp: Là loại không cần một trung tâm Network Video Recoder Nó như các máy ảnh có chức năng ghi âm có thể ghi trực tiếp vào phương tiện lưu trữ kỹ thuật số, chẳng hạn như ổ đĩa flash, ổ cứng hoặc ổ lưu trữ ngắn hạn

 Lịch sử phát triển

Lịch sử phát triển camera quan sát đã trải một quá trình hơn 50 năm với xu hướng chuyển dịch dần từ Analog sang Camera IP Dù camera analog vẫn đang thích nghi từng ngày khi tích hợp thêm các công nghệ kết nối qua internet tuy nhiên tương lai vẫn

là camera IP

Đầu tiên camera IP đã được phát hành vào năm 1996 bởi Axis Communications được gọi là Neteye Axis 200 và đã được phát triển bởi nhóm của Martin Gren và Carl-Axel Alm Nó sử dụng một máy chủ web tùy chỉnh nội bộ để ghi hình [6]

Năm 1999, hãng Axis bắt đầu sử dụng Linux để vận hành camera của mình Hãng này cũng phát hành tài liệu hướng dẫn cho cấp độ thấp của API được gọi là VAPIX, xây dựng trên tiêu chuẩn mở của HTTP và giao thức streaming thời gian thực (RTSP) Cùng năm 1999 các camera đầu tiên được phân cấp IP do hãng Mobotix phát hành Camera IP thực sự được chú trọng và phát triển từ năm 2005 bởi Intellio Mục đích nghiên cứu và phát triển camera này ban đầu để nhằm phân tích các đoạn video onboard và phát hiện các sự kiện khác nhau trong hình ảnh Được ứng dụng như: phát hiện kẻ trộm, chuyển động của con người, xe đi sai làn đường…Camera IP có độ phân giải từ 0.3megapixel cho đến cao nhất là 20 Megapixel (siêu siêu nét)

Đầu thế kỷ 21 với sự xuất hiện của các ti vi HD, Full HD thì nhu cầu có một camera ghi hình ảnh độ phân giải cao HD cũng phát sinh theo

Hình 2.1: Ống kính

Độ dài tiêu cự quyết định ảnh trường ngang tại một khoảng cách nhất định, tiêu

cự càng dài thì góc quan sát càng hẹp

Bảng 2.1: Tiêu cự của ống kính

Cảm biến hình ảnh có kích thước khác nhau, ví dụ như 2/3”, 1/2”, 1/3” và 1/4” và thấu kính được sản xuất phải phù hợp Nếu một ống kính được sản xuất cho một cảm biến nhỏ hơn một cảm biến nằm trong một camera thì hình ảnh thu được sẽ bị đen góc còn một ống kính được làm cho một cảm biến có kích lớn lắp cho camera với cảm biến

có kích thước nhỏ thì góc quan sát sẽ bị thu hẹp và một phần hình ảnh bị mất Ống kính thường có các dạng:

+ Fixed lens: Kiểu ống kính này có chiều dài tiêu cự cố định là 4mm

Hình 2.2: Fixed lens

+ Varifocal lens: Kiểu ống kính này cho phép điều chỉnh chiều dài tiêu cự thấu kính (đồng nghĩa với góc quan sát) bằng tay Khi mà chiều dài tiêu cự bị thay đổi cũng phải lấy nét lại cho ống kính Ống kính kiểu này có dải tiêu cự từ 3,5mm đến 8mm

Hình 2.3: Varifocal lens

+ Zoom lens: Chiều dài tiêu cự có thể được điều chỉnh trong một khoảng từ 6

mm đến 48 mm mà không cần quan tâm đến việc lấy nét Ống kính có thể được điều chỉnh bằng tay hoặc từ xa

Hình 2.4: Zoom lens

 Cảm biến hình ảnh (image sensor)

Bộ cảm biến hình ảnh có hai loại: CCD và CMOS Ưu điểm chính của CMOS so với CCD là tiết kiệm điện năng Tuy nhiên CMOS cho chất lượng hình ảnh không rõ nét như CCD và trong môi trường có sự thay đổi nhanh của hình ảnh thì sự nhạy bén của CMOS là không tốt và dễ làm nóng thiết bị

 Cảm biến âm thanh: Cảm biến này hoạt động giống một microphone cho phép ghi lại âm thanh

 Bộ chuyển đổi Analog/Digital (A/D converter): Dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

2.1.3 Nguyên lý hoạt động

 Sơ đồ cấu trúc

Hình 2.5: Cấu trúc camera IP[9]

 Nguyên lý hoạt động:

Một camera IP có thể được mô tả như một thiết bị hai trong một (gồm một camera thông thường và một máy tính) Nó được kết nối trực tiếp vào hệ thống internet như những thiết bị network khác và được gắn một địa chỉ IP để điều khiển việc truyền thông trên internet

Thấu kính sẽ bắt lấy những hình ảnh và biến đổi chúng vào tín hiệu điện tử khác Những tín hiệu này sau đó được chuyển đổi tùy biến tương tự thành số và chuyển đi thông qua internet

Ống kính của camera làm cho hình ảnh tập trung vào chip hình ảnh Trước khi đến được chip hình ảnh đó phải đi qua bộ kính lọc - sẽ bỏ đi những tia hồng ngoại để những màu sắc chuẩn sẽ được hiển thị Đối với camera ngày và đêm thì bộ phận lọc tia hồng ngoại sẽ được chuyển đi để cung cấp những hình ảnh trắng và đen ở chất lượng cao trong điều kiện ban đêm Lúc này chip hình ảnh sẽ chuyển đổi hình ảnh (bao gồm những thông tin về ánh sáng) vào tín hiệu điện tử Những tín hiệu này sẵn sàng để được nén và gửi đi thông qua internet

2.1.4 Các thông số kỹ thuật

 Tính năng quan sát hồng ngoại: có thể ghi hình vào ban đêm và hình ảnh sẽ

chuyển thành đen trắng chứ không phải hình ảnh màu

 Chất lượng hình ảnh: Phụ thuộc vào các thông số:

Cảm biến hình: Kích thước màn hình cảm biến càng lớn thì chất lượng càng tốt

Độ phân giải: Càng lớn thì chất lượng ảnh càng rõ nét

Số điểm ảnh: Càng nhiều thì chất lượng ảnh càng tốt Tuy nhiên lại cần bộ nhớ lưu trữ lớn để lưu ảnh

 Điều kiện hoạt động

+ Cường độ ánh sáng: Trong điều kiện hoạt động với cường độ ánh sáng (Thường được tính bằng Lux) tùy thuộc vào môi trường mà có giá trị khác nhau Ví dụ:

Ban ngày với ánh mặt trời: 4000 lux, có mây: 1000 lux, đèn tuýp: 500 lux, đèn bóng đỏ: 500 lux, đêm không trăng: 0.0001 lux

+ Nguồn cấp: Camera sử dụng nguồn 12VDC, tuy nhiên trong hệ thống camera

có bộ chuyển đổi nguồn nên có thể sử dụng trực tiếp từ nguồn 220VAC

+ Dải nhiệt độ hoạt động và độ ẩm cho phép: Cho phép nhiệt độ từ -100C đến

500C và độ ẩm 85% Tuy nhiên trong môi trường khắc nghiệt như khu công nghiệp, khu có nhiệt độ cao hay độ ẩm lớn thì sử dụng camera chuyên dụng

Góc quan sát chéo

2.1.5 Ưu nhược điểm của camera IP

 Ưu điểm

Camera IP có rất nhiều ưu điểm mà các camera Analog không có được, như: + Lắp đặt và kết nối không cần dây cáp đồng trục

+ Tính năng phát hiện hình ảnh chuyển động và cảnh báo cho người sử dụng

Phân tích hình ảnh và nhận diện khuôn mặt khi có sự thay đổi

+ Hình ảnh được số hóa và được nén lại để truyền đi thông qua hệ thống internet + Ghi hình ảnh và âm thanh lên thẻ nhớ SD khi mạng hay máy chủ bị lỗi

+ Camera IP có khả năng cấp điện qua Ethernet mà không cần ổ cắm điện

+ Tự động điều chỉnh sự tương phản khi có một vùng ảnh bị quá tối

+ Hỗ trợ đồng thời MPEG4 và JPEG

+ Camera có độ phân giải cao cung cấp chất lượng video hơn và hình ảnh chi tiết

hơn

+ Tương thích IPv6

+ Chế độ bảo mật cao vì khi truyền tải dữ liệu các gói tin đều được mã hóa và

người sử dụng phải có mật khẩu mới giải mã được

Chính vì những ưu điểm nổi trội đó mà công nghệ mới nhất sử dụng camera IP với độ phân giải cao cung cấp chất lượng video tốt hơn và hình ảnh chi tiết hơn các camera analog thông thường

 Bên cạnh những ưu điểm nổi trội thì camera IP cũng không thể tránh khỏi có

những nhược điểm như:

+ Chi phí đầu tư ban đầu cho mỗi camera là lớn

+ Sử dụng tốn nhiều băng thông hơn so với hệ thống sử dụng camera analog + Vì hoạt động thông qua môi trường internet nên camera IP có khả năng bị tấn công xâm nhập nếu người dùng không quan tâm đến vấn đề bảo mật

+ Đòi hỏi kỹ thuật viên chuyên nghiệp để cài đặt hệ thống

Hình 2.6: Khái quát về mô hình TCP/IP

2.2.1 Tổng quát về TCP/IP

TCP/IP là một hệ thống giao thức hay một tập hợp các giao thức hỗ trợ việc lưu truyền trên mạng TCP/IP là một bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất nhau, được thiết kế để đạt được hai mục tiêu chính: Cho phép truyền thông qua các đường dây của mạng rộng và cho phép truyền thông giữa các môi trường

đa dạng TCP/IP được xem là một mô hình tham chiếu OSI với bốn tầng [4]

+ Tầng ứng dụng (Application Layer)

+ Tầng giao vận (Transport Layer)

+ Tầng liên mạng (Internet Layer)

+ Tầng giao diện mạng (Network Access Layer)

Mỗi giao thức của họ TCP/IP sẽ thuộc một trong các tầng này, vì vậy ta sẽ đi tìm hiểu từng tầng:

 Tầng ứng dụng (Application Layer)

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 (Simpe 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 + SMTP (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)

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

 Tầng giao diện mạng (Network Inerface 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)

2.2.2 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 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 2.7: Cấu trúc gói tin TCP[4]

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 trườn 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 + 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