LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc khẩn trƣơng dƣới sự hƣớng dẫn tận
tình của TS. Phạm Ngọc Nam luận văn này đã đƣợc hoàn thành.
Tôi chân thành cảm ơn TS. Phạm Ngọc Nam đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi hoàn
thành luận văn này. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Viện sau đại học, các
thầy giáo, cô giáo Viện Điện tử Viễn thông - Trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội,
trƣờng Cao đẳng Nghề Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex Nam Định, Công ty cổ phần B2A,
lớp Kỹ thuật truyền thông Nam Định đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc thực hiện điều
tra, tìm hiểu về các kiến thức chuyên môn, tài liệu nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành
tốt nhiệm vụ của mình.
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 đƣợc kết quả nhƣ 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 đƣợc hoàn thiện hơn.
Tác giả: Nguyễn Thị Bích Ngọc
Lớp: Kỹ thuật truyền thông – Khóa: 2012A
Viện: Điện tử - Viễn thông
Trƣờng: Đại học Bách Khoa - Hà Nội
Hà Nội, ngày tháng năm 2013

1


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 hƣớng 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 nhƣ ý tƣởng của các tác giả khác nếu


Phân loại camera giám sát..................................................................................... 13

1.2.1.

Phân loại theo kỹ thuật đƣờng 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 dƣơng và địa tầm trái đất.................................. 24

2.1.1.

Khái niệm và lịch sử phát triển ...................................................................... 29

2.1.2.

Cấu tạo ........................................................................................................... 30

3


2.1.3.

Nguyên lý hoạt động ...................................................................................... 32

2.1.4.

Các thông số kỹ thuật ..................................................................................... 33

2.1.5.

Ƣu nhƣợc điểm của camera IP ....................................................................... 35

2.2.

Mô hình TCP/IP .................................................................................................... 35

2.2.1.

Tổng quát về TCP/IP ..................................................................................... 36


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.


CĐN KT-KT Vinatex

Cao đẳng nghề kinh tế - kỹ thuật Vinatex

2

RF

Radio Frequency

3

CCTV

Closed-circuit television (Truyền hình mạch kín)

4

LAN

Local Area Network

5

IP

Internet Protocol

6


MPEG

The Moving Picture Experts Croup

12

JPEG

Joint Photographic Experts Group

13

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

14

WAN

Wide Area Network

15

FR

Frame Relay

16


DVD

Digital Video Disc

22

USB

Universal Serial Bus

23

FTP

File Transfer Protocol

24

TCP

Transmission Control Protocol

5


25

UDP


Synchronize

31

ACK

Acknowledgment number

32

IETF

Internet Engineering Task Force

33

TFTP

Trivial File Transfer Protocol

34

CRT

Cathode Ray Tube

35

DNS


Digital Video Recorder

41

NVR

Network Video Recorder

42

PCI

Peripheral Component Interconnect

6


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 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

8


MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Xu hƣớng phát triển công nghệ giám sát đang là cuộc cách mạng công nghệ cao

hiện nay trên thế giới. Một loạt giải pháp đƣợc kết hợp trong giám sát nhằm đƣa 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 ƣu và đƣợc 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 đƣợc đƣa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống nhƣ: hệ
thống camera giám sát giao thông, hệ thống camera giám sát cho gia đình, siêu thị,
trƣờng học…
Trong tƣơng lai gần, camera quan sát đƣợc 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. Dƣới sự hỗ trợ
của camera quan sát thì việc giám sát giao thông trên các tuyến đƣờng, 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 trƣờng Cao đẳng
nghề kinh tế - kỹ thuật Vinatex - một trƣờng 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

 Tóm lại ta có thể điểm qua các cột mốc chính nhƣ sau:
- Năm 1949 khái niệm về camera quan sát đƣợc 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 đƣợc cấp cho Marie Brown.
- Năm 1972 hãng Texas Instrument cho ra đời camera ghi hình không cần phim.
- Năm 1973 chip hình ảnh CCD đƣợc giới thiệu và phổ biến cho đến ngày nay.
- Năm 1980 camera quan sát bắt đầu đƣợc 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.

10


- Năm 1992 camera quan sát trẻ em và ngƣời già đƣợc phát triển ngày càng mạnh hơn.
- Năm 1996 chiếc camera ip đầu tiên đƣợc hãng Axis sản xuất có tên là Neteye 200.
- Năm 2001 Khi World trade Center bị tấn công, mọi ngƣời quan tâm nhiều hơn đến
camera dành cho công việc cũng nhƣ gia đình.
- Năm 2003 công nghệ nhận diện khuôn mặt đƣợc áp dụng tại trƣờng Royal Palm
Middle School để quản lý các bé.
- Năm 2007, 97% giao tiếp từ xa đƣợc thực hiện trên internet.
- Internet mở ra một kỷ nguyên mới mà chúng ta có thể thấy đƣợc sự hiện diện của
camera quan sát ở bất cứ nơi đâu.
2.2. Ở trong nƣớc
Cho đến nay hệ thống giám sát dùng camera đƣợc 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.
3.


Phƣơng pháp nghiên cứu

7.1. Nhóm các phƣơng 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 nƣớc.
Nghiên cứu các tài liệu hƣớng dẫn sử dụng và thiết kế hệ thống giám sát.
7.2. Nhóm các phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn
Phƣơng pháp khảo sát mô hình ứng dụng tại công ty cổ phần B2A – Nam Định
Phƣơng pháp điều tra, khảo sát địa hình thực tế tại trƣờng Cao đẳng nghề Kinh tế
- Kỹ thuật Vinatex.

12


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG GIÁM SÁT DÙNG CAMERA
Chƣơng 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 nhƣ một máy ảnh sử dụng dụng cụ quang học ghi lại hình
ảnh, hình ảnh này có thể đƣợc lƣu 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 nhƣ
video hoặc phim.
Nói một cách khác đơn giản nhất thì camera là một thiết bị theo dõi và ghi hình,
những hình ảnh đƣợc 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 thƣờng có
ba dây: Dây tín hiệu hình, RS485 và dây cấp nguồn.[5]


cáp đồng trục, tuy nhiên vẫn có dây nguồn. Hệ thống camera không dây có ƣu điểm là
14


dễ thi công lắp đặt, tuy nhiên hệ số an toàn không cao. Loại camera này thƣờng đƣợc
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 đƣợc đánh giá là không an toàn dễ bị bắt sóng hoặc bị ảnh hƣởng nhiễu trƣớc
các nguồn sóng khác nhƣ 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 phƣơng thức ELAN. Với phần mềm và bộ mã hoá tăng cƣờng đƣợc 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 nhƣ 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 thƣờng 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 lƣu trữ,
điều khiển camera và thiết bị hiển thị. Nhiều camera đƣợc kết nối bằng dây tín hiệu đến
15


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 đƣợc nối đến modem bằng dây

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 đƣa vào các bộ xử lý.
Những ô tích điện là một mạng lƣới các điểm bắt sáng đƣợc phủ lớp bọc màu (đỏ
- xanh lục - xanh dƣơng), mỗi điểm ảnh chỉ bắt một màu. Do đó, khi chụp ảnh ánh sáng
qua ống kính đƣợc lƣu lại trên bề mặt chíp cảm biến dƣới dạng các điểm ảnh. Mỗi
điểm ảnh có một mức điện áp khác nhau sẽ đƣợc chuyển đến bộ phận đọc giá trị theo
từng hàng. Giá trị mỗi điểm ảnh sẽ đƣợc khuếch đại và đƣa vào bộ chuyển đổi tín hiệu
tƣơng tự sang số, cuối cùng đƣa vào bộ xử lý để tái hiện hình ảnh đã chụp.[1]
17


Việc đọc thông tin theo hàng lần lƣợt 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 lƣới các
hạt sáng đƣợc bổ sung xen kẽ để làm tăng tốc độ xử lý ảnh mà không bị suy giảm chất
lƣợng, 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 đƣờng chéo màn hình cảm biến tính bằng inch và kích thƣớc
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
ngƣời ta có thể tích hợp các quy trình xử lý ảnh nhƣ 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

19


+ Camera áp trần (Dome Camera): có hình bán nguyệt và thƣờng đặt trong gia
đình, cây rút tiền, trong văn phòng, … và đƣợc 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 thƣờng đƣợc sử dụng để theo dõi
đối tƣợng 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 trƣờng 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, xƣởng, xí nghiệp, nhà biệt thự.

20


Hình 1.11: Camera quan sát hồng ngoại
 Camera 3D
Camera 3D bao gồm hai thấu kính và hai cảm biến. Hình ảnh 3D đƣợc 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 đƣợc qua hai góc độ khác nhau. Hiệu ứng đặc biệt này
đƣợc tạo dựng thông qua chiếc camera FinePix REAL 3D W1 khi nhìn vào màn hình

trung thực và có độ nét rất cao.
Nhân loại luôn muốn biết ngoài không gian xa xăm kia có gì. Nhƣng do con
ngƣời có nhiều mặt bị hạn chế nhƣ: khả năng chịu đựng của cơ thể với môi trƣờng, tuổi
thọ, nhu cầu dinh dƣỡng …nên việc đƣa con ngƣời vào không gian xa quỹ đạo trái đất
là hết sức khó khăn và phức tạp, tỷ lệ thành công thấp.
Đứng trƣớc những mong mỏi của nhân loại nói chung, các nhà khoa học đƣa ra
giải pháp sử dụng các thiết bị có gắn camera để đƣa vào không gian, các thiết bị này sẽ
22


là những con mắt nhân tạo của loài ngƣời vƣơn vào không gian bao la để thám hiểm vũ
trụ. Việc thám hiểm không gian đạt đƣợc kết quả to lớn nhƣ 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 tƣợng và vị trí của các ngôi sao trong dải thiên hà.
Với đà phát triển nhƣ vũ bão của công nghệ ngày nay thì các camera giám sát
không gian ngày càng đƣợc trang bị những kỹ thuật tinh vi hơn giúp con ngƣời 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
ƣu cho khoa học không gian của các thế kỷ tiếp theo của loài ngƣời.
Bên cạnh việc thám hiểm không gian, con ngƣời 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 ngƣời quan sát
đƣợc mức độ nhiễm phóng xạ tại khu vực di tản khẩn cấp xung quanh nhà máy điện
hạt nhân, với bán kính 19km.


không ngƣời lái, tên lửa, tàu ngầm ….

24


Các camera tỏ ra đặt biệt hữu dụng trong việc giám sát mọi hoạt động của đối
phƣơng giúp máy bay không ngƣời lái tác chiến trực tiếp thông qua điều khiển từ trung
tâm. Các tên lửa hành trình cũng đƣợc camera giám sát hành trình dẫn đƣờng và đi đến
đúng mục tiêu định trƣớc trong sai số chỉ vài centimet. Các tàu ngầm ngày này thông
qua rada và máy quét siêu âm, nó còn đƣợc trang bị camera KTS có khả năng quan sát
tất cả các hƣớng với hình ảnh video rõ ràng.
Hiện nay một số nƣớc đã sử dụng thiết bị báo động hồng ngoại và camera lắp đặt
dọc biên giới giữa các nƣớc để canh phòng an ninh biên giới và chống buôn lậu tỏ ra
rất hiệu quả. Hình ảnh thu đƣợc từ camera giúp lực lƣợng 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 hƣớng phát triển công nghệ giám sát an ninh
từ xa hiện đại, tiên tiến nhất trên thế giới đƣợc áp dụng nhằm đƣa 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 đƣợc 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 trƣớc đó mới chỉ dừng lại ở việc
giám sát, theo dõi và ghi lại hình ảnh chứ chƣa có khả năng đoán trƣớc và phòng ngừa
sự cố. Công nghệ hiện đƣợc giới thiệu khác hẳn so với các công nghệ trƣớc. Nó dựa
vào việc phân tích hình ảnh và đoán trƣớc 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
đƣợc sự cố.
Công nghệ nhận diện khuân mặt có tính ƣu thế hơn nhận dạng vân tay bởi vân tay
có thể bị sao chép hoặc bị làm hỏng trong khi mặt con ngƣời rất khó đề lừa đƣợc ngƣời
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 đƣợc kẻ tình nghi, còi ở camera sẽ tự động kêu lên. Với hệ thống này