К нестандартным периферийным устройствам ЭВМ относятся платы для записи и
воспроизведения видео, платы для приема и воспроизведения на мониторе
ТВ-каналов (TV-тюнеры). Платы приема и воспроизведения радиоканалов
(FM-тюнеры). Web-камеры.
Web-камера
Web-камера – это цифровое устройство, которое состоит из видеокамеры
(ПЗС-матрицы), процессора компрессии и встроенного web-сервера. Web-камера
предназначена для организации видеонаблюдения и передачи видеоизображения по
сети LAN/WAN/Internet. Для работы web-камеры в сети не требуется специальных
устройств и персонального компьютера. В зависимости от настроек, доступ к
видеоизображению, полученному web-камерой, может быть открыт всем
пользователям сети или только авторизованным пользователям.
Устройство и принцип работы web-камеры
Современная web-камера представляет собой цифровое устройство, производящее
видеосъемку, оцифровку, сжатие и передачу по компьютерной сети
видеоизображения. Поэтому в состав web-камеры входят следующие компоненты:
ПЗС-матрица,·
объектив,·
оптический фильтр,·
плата видеозахвата,·
блок компрессии (сжатия)
видеоизображения,·
центральный процессор и встроенный
web-сервер,·
ОЗУ,·
флэш-память,·
сетевой интерфейс,·
последовательные порты,·
тревожные входы/выходы.·
В качестве фотоприемника в большинстве web-камер применяется ПЗС-матрица (ПЗС,
CCD – прибор с зарядовой связью) – прямоугольная светочувствительная
полупроводниковая пластинка с отношением сторон 3 : 4, которая преобразует
падающий на нее свет в электрический сигнал. ПЗС-матрица состоит из большого
числа светочувствительных ячеек. Для того, чтобы повысить световую
чувствительность ПЗС-матрицы, нередко формируют структуру, которая создает
микролинзу перед каждой из ячеек. В технических параметрах web-камеры обычно
указывают формат ПЗС-матрицы (длина диагонали матрицы в дюймах), число
эффективных пикселей, тип развертки (построчная или чересстрочная) и
чувствительность.
Объектив – это линзовая система, предназначенная для проецирования изображения
объекта наблюдения на светочувствительный элемент web-камеры. Объектив является
неотъемлемой частью web-камеры, и от правильности его выбора и установки
зависит качество видеоизображения, получаемого web-камерой. Часто объектив
входит в комплект поставки web-камеры. Объективы
характеризуются рядом важнейших параметров, таких как фокусное расстояние,
относительное отверстие (F), глубина резкости, тип крепления (C, CS), формат.
Оптические инфракрасные отсекающие фильтры, которые устанавливают в web-камеры,
представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластинки, монтируемые
сверху ПЗС-матрицы. Они работают как оптические низкочастотные фильтры с
частотой среза около 700 нм, вблизи красного цвета. Они отсекают инфракрасную
составляющую световых волн, обеспечивая тем самым правильную цветопередачу
web-камеры. Однако во многих черно-белых web-камерах такие фильтры не
используются, благодаря чему достигается более высокая чувствительность
web-камеры.
Плата видеозахвата (блок оцифровки) осуществляет преобразование аналогового
электрического сигнала, сформированного ПЗС-матрицей, в цифровой формат.
Процесс преобразования сигнала состоит из трех этапов:
Дискретизация,·
Квантование,·
Кодирование.·
Дискретизация – считывание амплитуды электрического сигнала через равные
промежутки времени (период). Этот этап преобразования сигнала характеризуется
частотой дискретизации.
Квантование – это процесс представления результатов дискретизации в цифровой
форме. Изменение уровня электрического сигнала за период дискретизации
представляется в виде кодового слова из 8, 10 или 12 бит, которые дают
соответственно 256, 1024 и 4096 уровней квантования. От числа уровней
квантования зависит точность представления сигнала в цифровой форме.
Кодирование. Помимо информации об изменении уровня сигнала, полученной на
предыдущем этапе, в процессе кодирования формируются биты, сообщающие о конце
синхроимпульса и начале нового кадра, а также дополнительные биты защиты от
ошибок.
Блок компрессии выполняет сжатие оцифрованного видеосигнала в один из форматов
сжатия (JPEG, MJPEG, MPEG-1/2/4, Wavelet). Благодаря сжатию, сокращается
размер видеокадра. Это необходимо для хранения и передачи видеоизображения
по сети. Если локальная сеть, к которой подсоединена web-камера, имеет
ограниченную полосу пропускания, то во избежание переполнения сетевого трафика
целесообразно сокращать объем передаваемой информации, снизив либо частоту
передачи кадров по сети, либо разрешение кадров. Большинство форматов сжатия
обеспечивает разумный компромисс между этими двумя способами решения проблемы
передачи видео по сети. Известные на сегодняшний день форматы сжатия позволяют
получить оцифрованный поток с полосой пропускания 64 Кб – 2 Мб (при такой
полосе пропускания потоки видеоданных могут работать параллельно с другими
потоками данных в сетях).
Сжатие видеоизображения в web-камере может быть представлено как аппаратно, так
и программно. Программная реализация компрессии дешевле, однако из-за высокой
вычислительной емкости алгоритмов сжатия она малоэффективна, особенно когда
требуется просматривать видеоизображение с web-камеры в online режиме. Поэтому
большинство ведущих производителей выпускают web-камеры с аппаратной реализацией
сжатия. Например, каждая сетевая
камера компании AXIS Communications оснащена процессором компрессии
ARTPEC, осуществляющим высокоскоростное сжатие видеоизображения в формат JPEG/MJPEG.
Центральный процессор является вычислительным ядром web-камеры. Он осуществляет
операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечает
за выполнение функций встроенного web-сервера и управляющей программы для
web-камер.
Интерфейс для Ethernet служит для подключения web-камеры к сети стандарта
Ethernet 10/100 Мбит/с.
Также web-камера
может иметь последовательный порт для подключения модема и работы в режиме
dial-up при отсутствии локальной сети. Через последовательный порт можно также
подключать к web-камере периферийное оборудование.
Карта флэш-памяти позволяет обновлять управляющие программы для web-камер и
хранить пользовательские HTML-страницы.
ОЗУ служит для хранения временных данных, которые генерируются при выполнении
управляющих программ, и пользовательских скриптов. Многие интернет-камеры
имеют так называемый видеобуфер. Это часть ОЗУ, зарезервированная для записи и
временного хранения снятых web-камерой видеокадров. Информация в видеобуфере
обновляется циклически, т.е. новый кадр записывается вместо самого старого. Эта
функция необходима, если web-камера выполняет охранное видеонаблюдение,
поскольку позволяет восстанавливать события, предшествующие и следующие за
сигналом тревоги с подключенных к web-камере охранных датчиков.
Тревожные входы/выходы служат для подключения датчиков тревоги. При
срабатывании одного из датчиков генерируется сигнал тревоги, в результате чего
процессор компонует набор кадров, записанных в видеобуфер до, после и в момент
поступления сигнала тревоги. Этот набор кадров может отсылаться на заданный
e-mail адрес или по FTP.
Дополнительные возможности и функции web-камеры
Детектор движения – это программный модуль, основной задачей которого является
обнаружение перемещающихся в поле зрения веб-камеры
объектов. Детектор движения не только обнаруживает перемещение в поле
изображения, но и определяет габариты объекта и скорость его движения. В
зависимости от задач видеонаблюдения, детектор движения настраивают на
обнаружение перемещения объектов с предельной минимизацией ложных срабатываний
(фильтрацией помех), задают гибкую логику обработки тревог (тревожная запись,
интеграция с другим охранным оборудованием).
Передача аудиосигнала по сети в большинстве случаев осуществляется за счет
подключения к web-камере дополнительного аудио модуля. Например, компания AXIS
Communications для расширения функциональных возможностей web-камер выпускает
специальный аудио модуль AXIS 2191,
совместимый с большинством web-камер AXIS.
Защита паролем служит для ограничения прав доступа к web-камере. По умолчанию
видеоизображение с веб-камеры
можно просматривать с любого сетевого компьютера, на котором установлен
стандартный web-браузер, например, Internet Explorer или Netscape Navigator.
Однако можно ограничить число лиц с правами доступа к web-камере, введя пароль
на уровне пользователя. Многие web-камеры поддерживают многоуровневую защиту
паролем для разграничения прав доступа и администрирования.
^
Компьютерный видеоанализ движущихся объектов – процесс получения комплекса
информации об объекте на основе компьютерной обработки видеоинформации.
Компьютерный видеоанализ и анализ видеоинформации – не одно и то же. Анализ
видеоинформации – не только компьютерный видеоанализ, это может быть также
анализ видеоинформации самим человеком.
Например, просматривая на видеомагнитофоне или с помощью проигрывателя
.avi-файлов видеосъемку неудачной попытки выполнения прыжка в длину, тренер
может сделать вывод: "слишком сильное сгибание ног при отталкивании”.
Но не всегда специалист (профессионал) может быть удовлетворен результатами
концептуального (словесного) анализа видеоинформации, нередко необходимо иметь
в наличии числовую информацию, которую невозможно получить "методом”
визуального анализа.
С помощью компьютерного видеоанализа возможно получение числовых данных о
движении, отраженном на видеокадрах. Общая схема компьютерного видеоанализа
следующая:
Вводят первичную информацию в память ЭВМ.
Полученные графические файлы преобразуют таким образом, чтобы получившиеся в
результате преобразования кадры были удобны для дальнейшей обработки (см. Л.р.
№ 3). Как правило, это "обрезание” исходных кадров с целью удаления лишней видеоинформации,
в более редких случаях – сжатие или расширение изображения (для удобства
расстановки маркеров или формирования видеограмм).
Формируют список кадров. Список кадров включает в себя графические файлы,
которые будут подвергнуты видеоанализу. Последовательность кадров в списке
совпадает с предполагаемой последовательностью видеоанализа.
Последовательно на каждом интересующем кадре производят маркировку всех
интересующих исследователя точек на движущемся объекте. Цель маркировки –
получение экранных (в пикселях) координат интересующих точек движущегося
объекта, чтобы их дальнейшими расчетами можно было преобразовать в реальные
(физические) координаты.
Производят масштабирование (последовательность выполнения пунктов 4 и 5 не
имеет значения).
Рассчитывают физические координаты интересующих исследователя точек движущегося
объекта. Это – первичная числовая информация.
Из первичной числовой информации получают комплекс необходимой исследователю
информации. Это могут быть: кинематические параметры движения объекта или его
точек (перемещение, средняя скорость и т.д.), траектории движения точек,
видеоциклограммы, комбинированные видеограммы (кадры таких видеограмм совмещают
графическую и числовую информацию) и др.
|
