Пристрій і принцип роботи web-камери

Сучасна web-камера є цифровий пристрій, що виробляє відеозйомку, оцифровку, стиснення і передачу по комп'ютерній мережі відеозображення. Тому до складу web-камери входять наступні компоненти:

ПЗЗ-МАТРИЦЯ

об'єктив

оптичний фільтр

плата відеозахоплення

блок компресії (стиснення) відеозображення

центральний процесор і вбудований web-сервер

ОЗП

флеш-пам'ять

мережевий інтерфейс

послідовні порти

Як фотоприймач в більшості web-камер застосовується ПЗЗ-МАТРИЦЯ (ПЗЗ, CCD - прилад із зарядовим зв'язком) - прямокутна світлочутлива напівпровідникова пластинка з відношенням сторін 3: 4, яка перетворить падаюче на неї світло в електричний сигнал. ПЗЗ-МАТРИЦЯ складається з великого числа світлочутливих осередків. Для того, щоб підвищити світлову чутливість ПЗЗ-МАТРИЦІ, нерідко формують структуру, яка створює мікролінзу перед кожною з осередків. У технічних параметрах web-камери звичайно указують формат ПЗЗ-МАТРИЦІ (довжина діагоналі матриці в дюймах), число ефективних пікселів, тип розгортки (відрядкова) і чутливість.

Об'єктив - це лінзова система, призначена для проектування зображення об'єкту спостереження на світлочутливий елемент web-камери. Об'єктив є невід'ємною частиною web-камери, і від правильності його вибору і установки залежить якість відеозображення, одержуваного web-камерою. Часто об'єктив входить в комплект постачання web-камери. Об'єктиви характеризуються рядом найважливіших параметрів, таких як фокусна відстань, відносний отвір (F), глибина різкості, тип кріплення (З, CS), формат.

Оптичні інфрачервоні відсікаючі фільтри, які встановлюють в web-камери, є оптично точні плоскопаралельні пластинки, вмонтовувані зверху ПЗЗ-МАТРІЦІ. Вони працюють як оптичні низькочастотні фільтри з частотою зрізу близько 700 нм, поблизу червоного кольору. Вони відсікають інфрачервону складову світлових хвиль, забезпечуючи тим самим правильне перенесення кольорів web-камери. Проте в багатьох чорно-білих web-камерах такі фільтри не використовуються, завдяки чому досягається вища чутливість web-камери.

Плата відеозахоплення (блок оцифровки) здійснює перетворення аналогового електричного сигналу, сформованого ПЗЗ-МАТРИЦЕЮ, в цифровий формат. Процес перетворення сигналу складається з трьох етапів:

Дискретизація

Квантування

Кодування.

Дискретизація - прочитування амплітуди електричного сигналу через рівні проміжки часу (період). Цей етап перетворення сигналу характеризується частотою дискретизації.

Квантування - це процес представлення результатів дискретизації в цифровій формі. Зміна рівня електричного сигналу за період дискретизації представляється у вигляді кодового слова з 8, 10 або 12 біт, які дають відповідно 256, 1024 і 4096 рівнів квантування. Від числа рівнів квантування залежить точність представлення сигналу в цифровій формі.

Кодування. Крім інформації про зміну рівня сигналу, одержаної на попередньому етапі, в процесі кодування формуються біти, що повідомляють про кінець синхроімпульса і початок нового кадру, а також додаткові біти захисту від помилок.

Блок компресії виконує стиснення оцифрованого відеосигналу в один з форматів стиснення (JPEG, MJPEG, MPEG-1/2/4, Wavelet). Завдяки стисненню, скорочується розмір відеокадру. Це необхідно для зберігання і передачі відеозображення по мережі. Якщо локальна мережа, до якої приєднана web-камера, має обмежену смугу пропускання, то щоб уникнути переповнювання мережевого трафіку доцільно скорочувати об'єм передаваної інформації, понизивши або частоту передачі кадрів по мережі, або дозвіл кадрів. Більшість форматів стиснення забезпечує розумний компроміс між цими двома способами рішення проблеми передачі відео по мережі. Відомі на сьогоднішній день формати стиснення дозволяють одержати оцифрований потік із смугою пропускання 64 Кб - 2 Мб (при такій смузі пропускання потоки відеоданих можуть працювати паралельно з іншими потоками даних в мережах).

Стиснення відеозображення в web-камері може бути представлене як апаратний, так і програмно. Програмна реалізація компресії дешевше, проте через високу обчислювальну місткість алгоритмів стиснення вона малоефективна, особливо коли вимагається проглядати відеозображення з web-камери в online режимі. Тому більшість провідних виробників випускають web-камери з апаратною реалізацією стиснення. Наприклад, кожна мережева камера компанії AXIS Communications оснащена процесором компресії ARTPEC, що здійснює високошвидкісне стиснення відеозображення у формат JPEG/MJPEG.

Центральний процесор є обчислювальним ядром web-камери. Він здійснює операції по виведенню оцифрованого і стислого відеозображення, а також відповідає за виконання функцій вбудованого web-серверу і управляючої програми для web-камер.

Інтерфейс для Ethernet служить для підключення web-камери до мережі стандарту Ethernet 10/100 Мбит/с.

Також web-камера може мати послідовний порт для підключення модему і роботи в режимі dial-up за відсутності локальної мережі. Через послідовний порт можна також підключати до web-камери периферійне устаткування.

Карта флэш-пам'яті дозволяє обновляти управляючі програми для web-камер і зберігати призначені для користувача HTML-сторінки.

ОЗП служить для зберігання тимчасових даних, які генеруються при виконанні управляючих програм, і призначених для користувача скриптів. Багато інтернет-камер мають так званий відеобуфер. Це частина ОЗП, зарезервована для запису і тимчасового зберігання знятих web-камерою відеокадрів. Інформація у відеобуфері обновляється циклічно, тобто новий кадр записується замість найстарішого. Ця функція необхідна, якщо web-камера виконує охоронне відеоспостереження, оскільки дозволяє відновлювати події, передуючі і наступні за сигналом тривоги з підключених до web-камери охоронних датчиків.

Тривожні входи/виходи служать для підключення датчиків тривоги. При спрацьовуванні одного з датчиків генерується сигнал тривоги, внаслідок чого процесор компонує набір кадрів, записаних у відеобуфер до, після і у момент надходження сигналу тривоги. Цей набір кадрів може відсилатися на задану e-mail адресу або по FTP.

Додаткові можливості і функції web-камери

Детектор руху - це програмний модуль, основним завданням якого є виявлення об'єктів, що переміщаються у полі зору веб-камери. Детектор руху не тільки знаходить переміщення в полі зображення, але і визначає габарити об'єкту і швидкість його руху. Залежно від завдань відеоспостереження, детектор руху настроюють на виявлення переміщення об'єктів з граничною мінімізацією помилкових спрацьовувань (фільтрацією перешкод), задають гнучку логіку обробки тривог (тривожний запис, інтеграція з іншим охоронним устаткуванням).

Передача аудіосигналу по мережі в більшості випадків здійснюється за рахунок підключення до web-камери додаткового аудіо модуля. Наприклад, компанія AXIS Communications для розширення функціональних можливостей web-камер випускає спеціальний аудіо модуль AXIS 2191, сумісний з більшістю web-камер AXIS.

Захист паролем служить для обмеження прав доступу до web-камери. За умовчанням відеозображення з веб-камери можна переглядати з будь-якого мережевого комп'ютера, на якому встановлений стандартний web-браузер, наприклад, Internet Explorer або Netscape Navigator. Проте можна обмежити число осіб з правами доступу до web-камери, ввівши пароль на рівні користувача. Багато web-камер підтримують багаторівневий захист паролем для розмежування прав доступу і адміністрування.

Підключення web-камери до мережі

В даний час web-камера може підключатися до мережі декількома способами, які базуються на різних стандартах передачі даних.

10/100 MbitEthernet

Це найбільш популярний спосіб передачі даних. Існує два стандарти мереж 10 Mbit Ethernet: 10Base2 (з використанням коаксіального кабелю) і 10BaseT (з використанням витої пари). 10Base2 застосовується украй рідко через чутливість коаксіального кабелю до зовнішніх перешкод. Стандарт 100BaseTX використовує виту пару і забезпечує швидкість передачі даних 100 Мбит/с.

1000 Mbit Ethrnet, Gigabit Ethernet

Що використовується тут стандарт 1000BaseTX - це вдосконалена версія 100BaseTX. Цей стандарт застосовується в основному для побудови магістралей локальних мереж.

Стандартні телефонні модеми

Це дешевий і досить поширений спосіб підключення web-камери до глобальної мережі. Основний недолік такого способу підключення - низька швидкість передачі даних (максимальна швидкість завантаження даних - 56 кбит/с, максимальна швидкість підкачки - 33, 6 кбит/с). Підключення web-камери до модему здійснюється через послідовний порт.

ISDN модеми

Стандарт ISDN (Integrated services Digital Network) використовується для передачі оцифрованої графіки, аудіо і відеоінформації і інших цифрових даних по приватним або загальним цифровим телефонним мережам. Стандарт ISDN забезпечує передачу даних на швидкості до 128 кбит/с по двом каналам.

xDSL модеми

DSL (Digital Subscriber Line) - технологія, що забезпечує широку смугу пропускання по простим мідним телефонним дротам. Швидкість передачі даних може змінюватися залежно від компанії, що надає дану послугу. В середньому вона складає 1 Мбит/с для завантаження даних і 250 кбит/с для підкачки.

Кабельні модеми

Кабельний модем - це модем, який забезпечує доступ до Internet по мережам кабельного телебачення. Кабельні модеми використовують асиметричну технологію, яка найбільш оптимально підходить для призначеного для користувача доступу до Internet. При цьому максимально можлива швидкість прийому даних таким модемом може досягати 40 Мбит/с (хоча звичайно вона не перевищує 1 Мбит/с), а швидкість передачі даних складає порядка 10 Мбит/с.

Стільникові модеми

За допомогою стільникового модему можна підключити web-камеру до Internet, використовуючи стільникові лінії зв'язку. Швидкість передачі даних звичайно складає від 5 до 20 кбит/с.

Програми для web-камер

Як правило, зображення з web-камери можна переглядати за допомогою стандартного web-браузера, наприклад, Internet Explorer або Netscape Navigator. Проте багато фірм-виробників розробляють ексклюзивні програми для web-камер. Вони поєднують в собі функції web-браузера і управляючого програмного забезпечення і служать для управління, настройки і проглядання зображень з web-камери (наприклад, AXIS Camera Explorer або управляюча програма компанії JVC Professional для адміністрування мережевих пристроїв лінії V.Networks). Існує також програмне забезпечення для розподілених мережевих систем відеоспостереження, підтримуюче устаткування різних виробників, наприклад, SPHINX-DV компанії Digicore Systems.