Цифрова веб-камера являє собою мережеве пристрій, який складається з відео камери (ПЗС-матриці), процесора компресії і вбудованого веб-сервера. Як правило, веб-камера використовується як пристрій для організації відеозйомки, відеоконференцій або відеоспостереження та передачі відеозображення по мережі LAN/WAN/Internet. Для роботи веб-камери в мережі не потрібно спеціальних пристроїв і персонального комп'ютера. В залежності від налаштувань, доступ до відеозображення, отриманому веб-камерою, може бути відкритий усім користувачам мережі або тільки авторизованим користувачам.
Пристрій і принцип роботи веб-камери
Сучасна веб-камера являє собою цифровий пристрій, що виробляє відеозйомку, перобразованіе аналогового відеосигналу в цифровий, стиск цифрового відеосигналу і передачу відеозображення з комп'ютерної мережі. Тому до складу веб-камери входять наступні компоненти:
ПЗС-матриця,
об'єктив,
оптичний фільтр,
плата відеозахоплення,
блок компресії (стиснення) відеозображення,
центральний процесор і вбудований веб-сервер,
ОЗУ,
флеш-пам'ять,
мережевий інтерфейс,
послідовні порти,
тривожні входи/виходи.
В якості фотоприймача в більшості веб-камер застосовується ПЗС-матриця ( ПЗС, CCD - прилад із зарядовим зв'язком) - прямокутна світлочутлива напівпровідникова пластинка з відношенням сторін 3: 4, яка перетворить падаюче на неї світло в електричний сигнал. ПЗС-матриця складається з великої кількості світлочутливих осередків. Для того щоб підвищити світлову чутливість ПЗС-матриці, нерідко формують структуру, яка створює мікролінзу перед кожною з осередків. У технічних параметрах веб-камери зазвичай вказують формат ПЗЗ-матриці (довжина діагоналі матриці в дюймах), число ефективних пікселів, тип розгортки (порядкова або черезстрокова) і чутливість.
Об'єктив - це лінзова система, призначена для проектування зображення об'єкта спостереження на світлочутливий елемент веб-камери. Об'єктив є невід'ємною частиною веб-камери, тому від правильності його вибору і установки залежить якість відеозображення, одержуваного веб-камерою. Досить часто веб-камера комплектується об'єктивом. Об'єктиви характеризуються рядом найважливіших параметрів, таких як фокусна відстань, відносний отвір (F), глибина різкості, тип кріплення (C, CS), формат.
Оптичні інфрачервоні відсікаючі фільтри , які встановлюють у веб-камери, являють собою оптично точні плоскопаралельні пластинки, монтовані зверху ПЗС-матриці. Вони працюють як оптичні низькочастотні фільтри з частотою зрізу близько 700 нм, поблизу червоного кольору. Вони відсікають інфрачервону складову світлових хвиль, забезпечуючи веб-камері правильну передачу кольору. Однак, на багато чорно-білі веб-камери такі фільтри не встановлюють, завдяки чому монохромні веб-камери мають більш високу чутливість.
Плата відеозахоплення веб-камери (блок оцифрування) здійснює перетворення аналогового електричного сигналу, сформованого ПЗС-матрицею, у цифровий формат. Процес перетворення сигналу складається з трьох етапів:
Дискретизація,
Квантування,
Кодування.
Дискретизація - зчитування 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, отриманої на попередньому етапі, в процесі кодування формуються біти, що повідомляють про кінець синхроімпульса і початку нового кадру, а також додаткові біти захисту від помилок.
Блок компресії веб-камери виконує стиснення оцифрованого відеосигналу в один з форматів стиснення (JPEG, MJPEG, MPEG-1/2/4, Wavelet). Завдяки стиску, скорочується розмір відеокадру. Це необхідно для зберігання і передачі відеозображення по мережі. Якщо локальна мережа, до якої приєднана веб-камера, має обмежену смугу пропускання, то щоб уникнути переповнення мережевого трафіку доцільно скорочувати обсяг переданої інформації, знизивши або частоту передачі кадрів по мережі, або дозвіл кадрів. Більшість форматів стиснення, які використовують веб камери, забезпечує розумний компроміс між цими двома способами вирішення проблеми передачі відео по мережі. Відомі на сьогоднішній день формати стиснення дозволяють отримати оцифрований потік з пропускною здатністю 64 Кб - 2 Мб (При такій смузі пропускання потоки відеоданих можуть працювати паралельно з іншими потоками даних у мережах).
Стиснення відеозображення в веб-камері може бути представлене як апаратно, так і програмно. Програмна реалізація компресії дешевше, проте через високу обчислювальної ємності алгоритмів стиснення вона малоефективна, особливо коли потрібно переглядати відеозображення з веб-камери в online режимі. Тому більшість провідних виробників випускають веб-камери з апаратною реалізацією стиску. Наприклад, кожна мережева камера компанії AXIS Communications оснащена процесором компресії ARTPEC, що здійснюють високошвидкісне стиснення відеозображення в формат JPEG/MJPEG.
Центральний процесор є обчислювальним ядром веб-камери. Він здійснює операції по висновку оцифрованого і стисненого відеозображення, а також відповідає за виконання функцій вбудованого веб-сервера і керуючої програми для веб-камер.
Інтерфейс для Ethernet служить для підключення веб-камери до мережі стандарту Ethernet 10/100 Мбіт/с.
Для роботи в мережі веб-камера може мати послідовний порт для підключення модему та роботи в режимі dial-up при відсутності локальної мережі. Через послідовний порт можна також підключати до веб-камері периферійне устаткування.
Карта флеш-пам'яті дозволяє оновлювати керуючі програми веб-камери і зберігати користувальницькі HTML-сторінки.
ОЗУ служить для зберігання тимчасових даних, які генеруються при виконанні керуючих програм і користувальницьких скриптів. Багато інтернет-камери мають так званий відеобуфер. Це частина ОЗП, зарезервована для запису та тимчасового зберігання знятих веб-камерою відеокадрів. Інформація в відеобуфері оновлюється циклічно, тобто новий кадр записується замість самого старого. Ця функція необхідна, якщо веб-камера виконує охоронне відеоспостереження, оскільки дозволяє відновлювати події, попередні і наступні за сигналом тривоги з підключених до веб-камері охоронних датчиків.
Тривожні входи/виходи служать для підключення до веб-камері датчиків тривоги. При спрацьовуванні одного з датчиків генерується сигнал тривоги, в результаті чого процесор веб-камери компонує набір кадрів, записаних у відеобуфер до, після і в момент надходження сигналу тривоги. Цей набір кадрів може надсилатися на заданий e-mail адресу або по FTP.
Підключення та установка веб-камери
Як правило веб-камера підключається до мережі Internet через порт 10BaseT/100BaseTX/1000BaseTX Ethernet або за допомогою модему через послідовний порт. Після фізичного підключення веб-камери до мережі їй присвоюється IP-адресу. Найчастіше у веб-камери немає IP-адреси за умовчанням; він встановлюється або за допомогою відповідної функції стандартного веб-браузера, або командою DOS, яка використовує для ідентифікації серійний номер веб-камери, присвоєний їй виробником. Крім того, фірми-виробники розробляють спеціальні прог...
