Kamery internetowe

Wstęp

Tempo zmian technologicznych we współczesnym świecie jest oszałamiające. Obecnie kupuje się znacznie więcej komputerów niż samochodów. Multimedialne technologie docierają do biur, szkół oraz również do domów. Połączenie tekstu, dźwięku, obrazu statycznego i wideo stwarza zupełnie nowe możliwości w przekazywaniu różnego rodzaju informacji oraz wiedzy. Dla wielu milionów ludzi na świecie wymiana informacji poprzez Internet stała się łatwiejsza, szybsza, a może nawet wygodniejsza, niż za pomocą tradycyjnego telefonu lub faksu, który nie oferuje takich możliwości, jak choćby przesyłanie plików. Te zmiany sprawiają, że nowoczesne społeczeństwo informacyjne musi wypracować zupełnie nowy model w sposobie przekazywania wiedzy.

Informacja jest to teoria przekazywania wiadomości (obraz, dźwięk, wskazanie przyrządu pomiarowego, słowo, itp.) które mogą być wyzyskane przez ludzi, organizmy żywe lub urządzenia automatyczne do sprawnego przeprowadzenia celowego działania, przesyłanie wiadomości polega na ich przesyłaniu z jednego miejsca w drugie lub na przenoszeniu w czasie (zapamiętywanie, rejestracja). Teoria informacji bierze pod uwagę własności źródła wiadomości, a nie własność poszczególnych wiadomości. Informacja w cybernetyce i teorii informacji każdy czynnik, który organizmy żywe lub urządzenia automatyzowane mogą wykorzystać do bardziej sprawnego, celowego działania, np. sterowanie.

Porozumiewanie się w sposób „wirtualny” od kilku lat na całym świecie staje się procesem coraz bardziej zintensyfikowanym. Elektroniczna komunikacja to nie tylko telefony komórkowe czy poczta e-mailowa – coraz więcej osób w codziennym życiu wykorzystuje e- narzędzia: tekstowe lub głosowe komunikatory internetowe. Urządzeniem umożliwiającym takie właśnie porozumiewanie się są kamery internetowe.
Kamery internetowe
Stają się coraz popularniejsze. Ułatwiają komunikację (np. poprzez program Skype), stwarzając zupełnie nowe możliwości. Za ich pomocą można porozumiewać się z osobami na drugim końcu świata tak, by mogły nas widzieć (w czasie rzeczywistym). Kamery internetowe każdemu umożliwią uczestnictwo w telekonferencjach. Kiedyś uznawane za ekstrawagancję, dziś są ogólnodostępne. Są małe, najczęściej podłącza się je do komputera za pomocą portu USB. Niektóre komputery przenośne są w nie seryjnie wyposażone (zazwyczaj zamontowane są w klapie notebooka).Kamera internetowa (ang. webcam) - kamera cyfrowa podłączana bezpośrednio do komputera zazwyczaj za pomocą złącza USB. Kamera może transmitować obrazy statyczne (co pewien czas, zwany czasem odświeżania, przesyła pojedynczy obraz) lub transmisja może odbywać się w sposób ciągły (tzw. streaming cams). Najprostsze modele oparte są na tańszej matrycy CMOS, o niewielkich rozmiarach, 352x288 i przydadzą się użytkownikom mało wymagającym i mającym niezbyt wydajne łącze internetowe. Przeważnie spełniają swoje zadania ale jakość obrazu, wykonanie i szybkość działania pozostawiają wiele do życzenia. W słabszym oświetleniu pracuje wyraźnie gorzej.

7. Przykładowe kamery internetowe

Szybki rozwój techniki spowodował, że urządzenia przetwarzające obraz do postaci cyfrowej przestały być domeną dużych firm oraz bogatych użytkowników i stały się dostępne praktycznie dla każdego. Kamera internetowa umożliwiła przesyłanie obrazu przez Internet. Ta możliwość spowodowała, że sieć stała się jeszcze bardziej atrakcyjnym środkiem komunikacji. Rozmowy umożliwiające przekaz obrazu są tym, do czego zawsze dążono. Publikacje różnych wydarzeń przed szerokie grono obserwatorów przy pomocy Internetu oraz wideokonferencje stały się bardzo powszechne. Ale kamera podłączona do Internetu może być wykorzystana do bardziej profesjonalnych zastosowań. Obecnie najnowsze systemy alarmowe umożliwiają wykrycie przy pomocy kamery niepożądanej sytuacji oraz powiadomienie policji przy pomocy Internetu. Transmitowanie przebiegu poważnych operacji medycznych w odległe miejsca staje się coraz bardziej popularne. Co więcej przy pomocy kamery oraz Internetu przeprowadzono operację, podczas której chirurg znajdował się w zupełnie innym miejscu niż pacjent.

Obraz z sali operacyjnej transmitowany był do miejsca, gdzie chirurg przy pomocy manipulatora wysyłającego informacje przez Internet, sterował robotem wykonującym operację. Jak widać zastosowanie kamery oraz Internetu ma nieograniczone zastosowanie. Jedynym problemem może być tutaj opóźnienie w przesyłaniu informacji.

Ogólna zasada działania.
Szybki rozwój technologii mikrosystemów spowodował, że urządzenia takie jak kamery internetowe, wykorzystujące scalone przetworniki obrazu, stały się dostępne praktycznie dla każdego. Przy pomocy kamery internetowej oraz komputera klasy PC każdy może wykonać cyfrowe zdjęcie, nagrać amatorski film, przeprowadzić wideokonferencję itp. Jeszcze niedawno takie rzeczy były dostępne tylko dla firm lub bogatych użytkowników.

Kamera cyfrowa jest urządzeniem, które przekształca filmowany obraz do postaci sygnału cyfrowego, łatwego do obrobienia i przesyłania. Poniżej przedstawiono ogólny schemat blokowy kamery internetowej wraz z podłączeniem do komputera (rys. 1).

Przy pomocy obiektywu filmowany obraz rzutowany jest na scalony przetwornik obrazu (najczęściej CMOS), który wytwarza jego elektroniczną kopię. Elektroniczny obraz przesuwany jest za pomocą rejestrów przesuwnych do przetwornika analogowo – cyfrowego. Procesor obrabia sygnał z przetwornika A/C i przesyła obraz z kamery w postaci cyfrowej do komputera (najczęściej przy pomocy standardu USB). Odpowiednie sterowniki i oprogramowanie pozwalają na przetwarzanie obrazu. Filmowana scena może być wyświetlana na ekranie, zapamiętana w postaci zdjęcia lub sekwencji filmowej na dysku twardym, przesyłana do internetu itp. Jeżeli kamera posiada możliwość autonomicznej pracy to obrazy z kamery mogą być zapisywane w wewnętrznej pamięci.

Schemat blokowy kamery z podłączeniem do komputera rys.1

Scalone analizatory obrazu.

Zasada działania scalonych przetworników obrazu.

Od kilkunastu lat obserwujemy duży wzrost popularności urządzeń wykorzystujących scalone analizatory obrazu. Właśnie takie scalone przetworniki obrazu wykorzystywane są w cyfrowych aparatach fotograficznych jak i w kamerach internetowych. Urządzeniem, które zamienia filmowaną scenę na jej elektroniczną kopię jest sensor CCD (Charge Coupled Devices) lub CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Te dwa typy sensorów różnią się od siebie, jednak przy opisie zasady działania nie ma to większego znaczenia. Zasada działania scalonego przetwornika obrazu wyjaśniono na podstawie przetwornika CCD, lecz praktycznie wszystko o czym będzie mowa odnosi się również do sensora CMOS.
Scalone analizatory obrazu wykorzystują do przetwarzania efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Fotony padając na materiał światłoczuły uwalniają w nim elektrony (fotonośniki). Ilość uwolnionych elektronów zależy od natężenia oświetlenia (ilości fotonów) padającego na element światłoczuły. Wytworzone w strukturze fotonośniki są gromadzone w ściśle określonych obszarach, ograniczonych specjalnie wytworzonymi barierami potencjału. Każdy taki obszar stanowi pojedynczy element przetwarzająco-akumulujący i może być traktowany jak kondensator o elementarnej pojemności Cai. Ze względu na sposób wykonania bariery potencjału wyróżniamy kondensatory złączowe i MOS (Metal-Oxid-Silicon).
Kondensator złączowy wytwarzany jest jako niespolaryzowane złącze p-n.

Rys. 2 Kondensator złączowy.

Uwolnione fotonośniki mniejszościowe (dla danego obszaru) w obszarze tego kondensatora pozostają tam, gdyż nie mogą pokonać bariery potencjału złączowego.
Kondensator MOS powstaje w specyficznej strukturze wykonanej z trzech warstw:
• przewodnika (np. metal),
• izolatora (tlenek krzemu),
• półprzewodnika jako podłoża (monokryształ krzemu).

Rys..3. Kondensator MOS.
Aby ładunek mógł być akumulowany elektroda (warstwa wykonana z przewodnika) powinna być spolaryzowana napięciem zależnym od rodzaju podłoża (dla podłoża typu n napięcie ujemne, dla podłoża typu p napięcie dodatnie). Efektem przyłożonego napięcia do elektrody jest powstanie w powierzchniowej warstwie półprzewodnika na granicy styku półprzewodnik izolator, obszaru zubożonego, a następnie zmiana typu przewodnictwa na odwrotny niż podłoża. Efekt ten nazywany jest inwersją. Pojawienie się obszaru inwersji powoduje wystąpienie ujemnego skoku (w przypadku przedstawionym na rysunku) bariery potencjału, co jest równoznaczne z utworzeniem studni potencjału.
Jeżeli w zubożonym obszarze krzemu zostanie wytworzona przez światło (padające fotony) para elektron dziura to elektron zostanie wymieciony w głąb podłoża, a dziura zostanie uwięziona w studni potencjału.
Zgromadzony ładunek przesuwany jest do odpowiadającej mu komórki pamięci. Obraz filmowanej sceny otrzymuje się odczytując kolejno komórka po komórce informacje w nich zawartą. Następnie odczytany sygnał jest wzmacniany i konwertowany do postaci cyfrowej w przetwornikach analogowo – cyfrowych.

Rys.4. Koncepcja odczytu informacji w scalonym analizatorze obrazu.
W taki sposób linia po linii tworzony jest obraz filmowanej sceny.
Matryca CCD lub CMOS daje informacje o jasności obrazu natomiast nie daje żadnych informacji o kolorze. W celu uzyskania kolorowego obrazu używa się filtrów w formie mozaiki w trzech podstawowych kolorach:- zielonym, niebieskim i czerwonym. Jest to tzw. dyskretny filtr optyczny (DFO) typu addytywnego.
Jest kilka metod uzyskiwania kolorów przy pomocy filtrów. Jedna z nich to zastosowanie trzech osobnych przetworników scalonych, każdy z filtrem innego koloru. Specjalne układy optyczne powodują, że każdy z tych czujników rejestruje tę samą scenę i każdy z nich daje informacje o jednym z podstawowych kolorów. Zaletą tej metody jest to, że każdy piksel matrycy daje informacje o trzech kolorach podstawowych. Jednak ten sposób uzyskania barwnego obrazu jest dość kosztowny i stosowany jest w drogim sprzęcie.
Inna metoda uzyskiwania barw przy pomocy jednego scalonego przetwornika obrazu to przesuwanie przed nim kolejno czerwonego, niebieskiego i zielonego filtru. Metoda ta pozwala również uzyskać informacje o wszystkich trzech kolorach dla każdego piksela, jednak informacja o barwie pobierana jest w trzech krokach. Powoduje to obniżenie efektywnej częstotliwości przetwarzania klatek.
Kolejna metoda syntezy obrazu barwnego przy pomocy filtrów polega na umieszczeniu nad każdym elementem światłoczułym w matrycy, jednokolorowego filtru. W takim układzie każdy piksel matrycy daje informacje o jednym kolorze podstawowym, ale jednocześnie odpowiada jednemu pikselowi otrzymywanego obrazu. Jest to możliwe dzięki temu że położone obok siebie piksele analizują wszystkie trzy składowe podstawowe koloru. Dzięki interpolacji danych o składowych koloru pochodzących z sąsiednich pikseli możliwe jest dość dokładne określenie barwy danego piksela. Tak otrzymana informacja o kolorze obrabiana jest jeszcze w wyspecjalizowanym procesorze.
Filtry z trzema podstawowymi kolorami ułożone są na przetworniku w kształcie mozaiki (DFO). Jednym z najczęściej stosowanych filtrów jest filtr Bayer’a.
Rys. 5. Filtr Bayera.
Jak widać w każdym wierszu mozaiki występuje kolor zielony (na przemian z kolorem czerwonym lub niebieskim), natomiast pozostałe dwa kolory występują w co drugim wierszu. Sygnały luminancji i chrominancji uzyskuje się przez zsumowanie informacji z dwóch sąsiednich linii: bieżącej i poprzedniej. Sygnał luminancji, rekonstruowany na podstawie koloru zielonego (kolor, dla którego czułość oka jest największa) wykazuje niemal pełną rozdzielczość, wynikającą z liczby pikseli w mozaice. Sygnały chrominancji mają obniżoną rozdzielczość lecz nie obniża to ostrości obrazu. Jest to metoda bardzo ekonomiczna, choć jakość obrazu jest nieco gorsza niż w systemach trój- i dwu-przetwornikowych.
Do tej pory pojęcie piksela obrazu i elementu światłoczułego matrycy CCD oznaczało praktycznie to samo. Jednak w praktyce liczba pikseli obrazu może być różna od ilości pojedynczych elementów światłoczułych. Na przykład przy pomocy scalonego przetwornika obrazu liczącego 2,1 megapikseli można wykonywać zdjęcia z rozdzielczością 1600x1200. Wynika z tego, że liczba pikseli wynosi 1,92 megapikseli. Ta różnica wynika z tego że niektóre z elementów matrycy są zaciemniane i wykorzystywane jako obwody elektroniczne wykorzystywane na przykład do przetwarzania analogowo – cyfrowego.
Typowy sensor CCD zawierający powyżej 2 megapikseli ma wymiary 4,4 mm x 6,6mm (przekątna 8 mm, tj. przetwornik 1/2’’, przekątna 6 mm dotyczy przetwornika 1/3” – oznaczenia historyczne). Natomiast przetwornik zawierający powyżej 8 megapikseli może mieć rozmiar typowego filmu 24 x 36 mm. Oczywiście wraz z rozwojem techniki wymiary te ulegają ciągłym zmianom (zmniejszaniu).
Rozdzielczość otrzymywanych obrazów zależy od liczby pikseli w sensorze. W droższym sprzęcie stosowane są przetworniki posiadające około 5-8 milionów pikseli. Natomiast w kamerach internetowych najczęściej stosowane są tańsze sensory, które
umożliwiają jednak otrzymywanie obrazów o rozdzielczości powyżej 640X480, tj. o liczbie pikseli przekraczającej 307200.

Różnice między technologia CCD i CMOS.

Ogólna koncepcja przetwarzania obrazu do postaci cyfrowej w przetwornikach CCD i CMOS jest taka sama. Różnice między nimi występują tylko w budowie i procesie produkcji.
Najważniejszą różnicą między przetwornikami CCD i CMOS jest to, że elementem przetwarzająco – akumulującym w czujniku CCD jest kondensator złączowy, a w czujniku CMOS kondensator MOS. Technologie produkcji obu sensorów są różne. Przetworniki CMOS wytwarzane są praktycznie na tych samych liniach technologicznych co większość układów scalonych takich jak mikroprocesory czy pamięci RAM. Uniwersalność tej technologii czyni sensory CMOS dużo tańszymi od sensorów CCD.
Technologia produkcji przetworników CCD jest bardziej skomplikowana, ponieważ musi umożliwić rzeczywisty przepływ ładunków w poprzek chipu. Urządzenia do produkcji sensorów CCD są tak specjalistyczne, że nie mogą być wykorzystane do produkcji innych urządzeń. Czyni to technologię CCD dość drogą.
Jednak tak wyspecjalizowana technologia sprawia że parametry przetworników CCD są lepsze od parametrów przetworników CMOS. Przede wszystkim czułość sensorów CCD jest dużo większa od czułości sensorów CMOS. CCD wykazuje też mniejsze szumy. Jest to spowodowane lepszymi parametrami złącz p-n jako obszarów przetwarzająco-akumulujących. W przypadku przetwornika CMOS, każdemu pikselowi przyporządkowane są tranzystory odpowiadające za wzmocnienie i transport ładunku, co powoduje szumy związane z niestabilnością punktów ich przełączania. Wynika z tego, że sensory CCD lepiej pracują przy słabym oświetleniu niż sensory CMOS. Jednakże fakt iż w przetworniku CMOS każdy piksel posiada osobną elektronikę czyni go bardziej uniwersalnym ze względu na to że, każdy piksel może być obsługiwany (odczytywany) indywidualnie.
Zaletą przetworników CMOS jest to że pobierają dużo mniej energii niż przetworniki CCD. Czujnik CCD zużywa około sto razy więcej energii niż odpowiadający mu czujnik CMOS.
Reasumując, sensory CCD są droższe od czujników CMOS lecz mają lepsze parametry jeżeli chodzi o przetwarzanie obrazu. Determinuje to dziedziny ich zastosowania.
Czujniki CMOS są stosowane w sprzęcie domowym i pół profesjonalnym, dzięki niskiej cenie urządzenia te są popularne i szeroko dostępne. Jednakże prowadzone przez cały czas badania mogą spowodować, że sensory CMOS zaczną konkurować z sensorami CCD jeśli chodzi o jakość przetwarzania obrazu.
Czujniki CCD mają zastosowanie w sprzęcie profesjonalnym. Technologia CCD opanowana jest już od dłuższego czasu i podąża w kierunku dalszego polepszania jakości otrzymywanych obrazów.

Nowa technologia FOVEON.

Pod koniec 2000 roku amerykańska spółka FOVEON wyprodukowała nowy, rewolucyjny scalony przetwornik obrazu CMOS.
Podstawową zaletą tego sensora obrazu jest to, że każdy piksel daje informacje o wszystkich trzech kolorach podstawowych czerwonym, zielonym i niebieskim. Na rys.6 porównano klasyczny przetwornik z nowym przetwornikiem Foveon X3.
Przetwornik Foveon X3

Rys. 6. Budowa i zalety przetwornika obrazu Foveon X3 w porównaniu z klasycznym przetwornikiem jednowarstwowym.

Scalony przetwornik obrazu Foveon X3 wykonany jest w krzemie w postaci trzech warstw sensorów. Krzem absorbuje różne długości fali na różnej głębokości. Dzięki temu każdy piksel matrycy tego sensora daje informacje o wszystkich trzech kolorach podstawowych w przeciwieństwie do klasycznego jednowarstwowego przetwornika w którym każdy piksel matrycy daje informacje tylko o jednym kolorze podstawowym. Taka budowa sensora Foveon X3 pozwala na uzyskiwanie bardziej prawdziwych kolorów i zmniejsza ilość przekłamań w informacji o kolorze w stosunku do klasycznego sensora. W jednowarstwowym przetworniku CMOS pełną informacje o kolorze uzyskuje się dzięki interpolacji sygnałów z trzech sąsiednich pikseli. Dlatego każdy piksel takiego przetwornika posiada tylko jedną trzecią prawdziwej informacji o kolorze, dwie trzecie to informacja uzyskana z obliczeń. Powoduje to straty w szczegółach obrazu i przekłamania kolorów. W przypadku przetwornika Foveon X3 skrócony został martwy czas pomiędzy przechwytywaniem kolejnych obrazów dzięki temu, że sensor ten nie potrzebuje czasu na obliczenia kolorów.

Publikacja obrazów w Internecie

Poniżej przedstawiono wydruk przygotowanej strony z zaznaczonymi procedurami odpowiadającymi za wstawienie i różne wykorzystanie obrazów graficznych.
Formuła pierwsza (1) powoduje że na stronie umieszczone zostanie zdjęcie z pliku o nazwie „zdjecie1.jpg” znajdujące się w katalogu o adresie względnym „obrazy/”. Zdjęcie wyświetli się natychmiast po załadowaniu strony.
Formuła druga (2) spowoduje wyświetlenie sekwencji filmowej zapisanej w pliku „sekwencja1.avi”, który znajduje się w katalogu o adresie względnym „obrazy/”. Sekwencja wyświetlana będzie natychmiast po załadowaniu strony.
Formuła trzecia (3) wyświetli na stronie zdjęcie zapisane w pliku o nazwie „zdjecie1.jpg”, które będzie odnośnikiem do zdjęcia zapisanego w pliku o nazwie „zdjecie2.jpg”. Kliknięcie na ten odnośnik spowoduje wyświetlenie zdjęcia drugiego. Oba pliki ze zdjęciami znajdują się w katalogu o adresie względnym „obrazy/”.
Formuła czwarta (4) powoduje, że na stronie wyświetlone zostanie zdjęcie zapisane w pliku o nazwie „zdjecie1.jpg”, które będzie odnośnikiem do sekwencji filmowej zapisanej w pliku „sekwencja1.avi”. Kliknięcie na ten odnośnik spowoduje odtworzenie sekwencji pierwszej. Plik ze zdjęciem i plik z sekwencją filmową znajdują się w katalogu o adresie względnym „obrazy/”.
Ważne jest aby zdjęcia i sekwencje filmowe były zapisane pod odpowiednimi nazwami i w odpowiednim miejscu, zgodnie z nazwami i adresami zawartymi w stronie internetowej.
Wydruk procedur strony WWW