Web-камера — это цифровая видеокамера, состоящая из ПЗС-матрицы, встроенного web-сервера и процессора компрессии. Назначение Web-камеры в установке видеонаблюдения и трансляции видеоизображения по сетям Internet/WAN/LAN. Для нормальной работы web-камеры в сети не обязательна установка каких-либо специальных устройств и персонального компьютера. Доступ к видеоизображению, полученному с web-камеры, может быть открыт, как только авторизованным пользователям, так и для всех пользователей сети.

Установка и подключение web-камеры

К сети Internet Web-камеры подсоединяются через порт 10BaseT/100BaseTX/1000BaseTX Ethernet или через последовательный порт при помощи модема. После подсоединения web-камеры к сети ей присваивается IP-адрес. Нередко по умолчанию у web-камеры нет IP-адреса, он вводится либо командой DOS, либо с помощью надлежащей функции обычного web-браузера. Сегодня фирмы-производители занимаются разработкой особого программного обеспечения для web-камер, делающего проще операцию присвоения IP-адреса web-камере (например, программа IP Installer фирмы AXIS Communications). Web-камера подсоединяется напрямую к Internet/WAN/LAN сети и функционирует в ней как независимое сетевое устройство, так как имеет встроенное программное обеспечение для FTP-клиента, FTP-сервера, web-сервера, e-mail клиента и др. Это выгодно отличает web-камеры от рядовых компьютерных камер, требующих обязательного подсоединения к ПК через LPT или USB порт. К тому же, web-камеры могут работать с JAVA-апплетами и пользовательскими скриптами. Ряд производителей устанавливает в корпус камеры крепеж, специально для размещения ее на поворотные устройства, кронштейны, потолки и стены при установке web-камеры в помещении или на улице.

Принцип работы web-камеры, ее устройство

В наше время web-камера являет собой цифровое устройство, осуществляющее видеосъемку, оцифровку, сжатие и передачу данных по электронной сети.
Состоит web-камера из следующих частей: последовательные порты, тревожные входы/выходы, сетевой интерфейс, флэш-память, ОЗУ, встроенный web-сервер и центральный процессор, блок компрессии (сжатия) видеоизображения, плата видеозахвата, оптический фильтр, объектив, ПЗС-матрица.

Функции фотоприемника в подавляющем большинстве web-камер исполняет ПЗС-матрица (CCD прибор с зарядовой связью — ПЗС) — светочувствительная полупроводниковая прямоугольная пластина с большим числом ячеек со сторонами 3:4, преобразующая свет, падающий на нее, в электрический сигнал. Чтобы увеличить световую чувствительность ПЗС-матрицы, часто создают структуру, которая перед каждой из ячеек формирует микролинзу. Обычно в технических параметрах камеры пишут число эффективных пикселей, формат ПЗС-матрицы (длина матрицы в дюймах по диагонали), тип развертки (чересстрочная или построчная) и чувствительность.

Объектив - система линз, осуществляющая перенос изображения объекта наблюдения на ПЗС-матрицу web-камеры. Объектив является обязательной частью web-камеры, и от верности его установки и выбора зависит то, какого качества будут получаемые web-камерой изображения. В основном объектив включен в комплект поставки web-камеры. Параметры, характеризующие объектив: тип крепления (C, CS), относительное отверстие (F), фокусное расстояние, формат, глубина резкости.

Оптические инфракрасные отсекающие фильтры, устанавливаемые в web-камеры, - это плоскопараллельные оптически точные пластинки, устанавливаемые сверху ПЗС-матрицы. Они действуют как низкочастотные оптические фильтры с частотой среза приблизительно 700 нм вблизи красного цвета. Они отделяют инфракрасный спектр световых волн, делая возможным точную цветопередачу web-камеры. Но такие фильтры не используются во многих черно-белых web-камерах, чтобы увеличить чувствительность камеры.

Блок оцифровки (плата видеозахвата) преобразует аналоговый электрический сигнал, созданный ПЗС-матрицей, в формат цифрового видео. Порядок преобразования сигнала состоит из следующих этапов: Дискретизация, Квантование, Кодирование.

Дискретизацией называется считывание амплитуды электрического сигнала за равный период. Характеризуется частотой дискретизации.

Ход представления результатов дискретизации в цифровой форме называется квантованием. Изменение за период дискретизации уровня электрического сигнала передается в виде кода из 12, 10 или 8 бит, которые соответствуют 4096, 1024 и 256 уровням квантования. Точность представления сигнала в цифровой форме зависит от числа уровней квантования.

При кодировании принимается полученная на предыдущем этапе информация об изменении уровня сигнала, а также в ходе процесса формируются: дополнительные биты защиты от ошибок; биты, которые сообщают об окончании синхроимпульса и начале нового кадра.

Блок компрессии осуществляет сжатие оцифрованного видеосигнала в различные формы представления изображения (MPEG-1/2/4, MJPEG, JPEG, Wavelet). Вследствие сжатия размер видеокадра сокращается, что нужно для передачи видеоизображения по сети и для хранения. Если сеть, к которой подключена web-камера, имеет небольшую полосу пропускания, то во избежание перегрузки сети рационально сокращать объем передачи, снизив разрешение кадров либо частоту их передачи по сети. В настоящее время различные форматы сжатия разрешают получить поток, преобразованный в цифровую форму, с полосой пропускания от 64 Кб до 2 Мб (при такой полосе видеоданные могут проходить в сетях единовременно с другими потоками данных).

Сжатие видеоизображения в web-камере может происходить как программно, так и аппаратно. Программное исполнение компрессии дешевле, но она малоэффективна из-за большой вычислительной емкости алгоритмов, применяемых для сжатия, особенно когда нужно просматривать видеоизображение с камеры в реальном времени. Поэтому большая частьизвестных производителей изготавливают web-камеры с аппаратным осуществлением сжатия. Например, компания AXIS Communications выпускает все сетевые камеры, оборудованные процессором компрессии ARTPEC, выполняющим быстрое сжатие изображения в формат JPEG/MJPEG.

Вычислительным ядром web-камеры является центральный процессор. Он выполняет функции управляющей программы и встроенного web-сервера для web-камер, а также совершает действия по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения.

Интерфейс для Ethernet предназначен для подсоединения цифровой камеры к сети стандарта Ethernet 10/100 Мбит/с. Также web-камера может быть оснащена последовательным портом для подсоединения модема, чтобы при отсутствии локальной сети работать в режиме коммутируемого соединения. Если Вам нужно подключить периферийное оборудование к web-камере, то это также можно сделать через последовательный порт.

Карта флэш-памяти дает возможность обновлять управляющие web-камерой программы и хранить HTML-страницы.

Для хранения временных данных, которые возникают при выполнении пользовательских скриптов и управляющих программ, служит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Так называемый видеобуфер имеют многие интернет-камеры. Это часть ОЗУ, выделенная специально для временного хранения отснятых web-камерой видеокадров. Информация в ОЗУ обновляется циклически, самый старый кадр затирается новым. Данная функция нужна при установке web-камеры для выполнения охранного наблюдения, так как дает возможность восстанавливать события перед и после сигнала тревоги с охранных датчиков, подключенных к web-камере.

Для подключения датчиков тревоги служат тревожные входы/выходы. При включении одного из датчиков возникает сигнал тревоги, процессор тут же начинает составлять в единое целое набор кадров, которые были записаны в видеобуфер до, в момент и после возникновения сигнала тревоги. Эти кадры могут отправляться по FTP или на заданный e-mail адрес.

Функции и дополнительные возможности web-камеры

Программный модуль, задачей которого является выявление движущихся объектов в охватываемой объективом веб-камеры зоне - это детектор движения. Он не только выявляет движение в поле зрения, но и определяет скорость и габариты движущегося объекта. В зависимости от назначения видеонаблюдения детектор можно настроить на выявление перемещений с минимизацией ошибочных включений (фильтрацией помех), установить гибкую логику для обработки тревог (интеграция с другим охранным оборудованием, тревожная запись).

Дополнительный аудио модуль, подключенный к web-камере, осуществляет передачу по сети аудиосигнала. Например, чтобы расширить функциональные возможности своих web-камер, компания AXIS Communications создала специальный аудио модуль AXIS 2191, работающий с большинством web-камер.

Для ограничения доступа к web-камере служит защита паролем. Ограничить число лиц, которые имеют доступ к просмотру изображений с web-камеры, можно введя пароль на уровне пользователя. Во многих web-камерах имеется поддержка многоуровневой защиты для администрирования и разграничения прав доступа. Если этого не сделать, то на камере будут стоять настройки по умолчанию, а это значит, что видеоизображение, получаемое веб-камеры, можно будет просматривать с любого компьютера, подключенного к сети, с установленным web-браузером (Netscape Navigator, Internet Explorer и т.п.).

Как подключить к сети web-камеры

Существует несколько способов подключения web-камеры к сети, эти способы имеют различные стандарты передачи данных.

10/100 Mbit Ethernet

Этот способ передачи данных самый популярный. Есть два стандарта сетей 10 Mbit Ethernet: с использованием витой пары (10BaseT) и с использованием коаксиального кабеля (10Base2). Так как коаксиальный кабель чувствителен к внешним помехам, то 10Base2 применяется чрезвычайно редко. Использующий витую пару стандарт 100BaseTX дает скорость передачи данных в 100 Мбит/с.

1000 Mbit Ethrnet

Стандарт 1000BaseTX - это улучшенная версия 100BaseTX. В основном он используется для построения магистралей локальных сетей.

Стандартные телефонные модемы

Телефонные модемы - достаточно распространенный и недорогой способ подключения web-камеры к глобальной сети. Низкая скорость передачи данных является основным недостатком этого способа подключения (максимальная скорость подкачки - 33,6 кбит/с, максимальная скорость загрузки данных - 56 кбит/с). Web-камера подключается к модему через последовательный порт.

ISDN модемы

Стандарт Integrated services Digital Network (ISDN) применяется для передачи аудио и видеоинформации, оцифрованной графики и других данных в цифровом формате по общим или частным цифровым телефонным сетям. Передача данных происходит по двум каналам с максимальной скоростью 128 кбит/с.

xDSL модемы

Технология Digital Subscriber Line (DSL), предоставляющая широкую полосу пропускания по простым телефонным проводам. В зависимости от провайдера, скорость передачи данных может быть разной. В среднем она составляет: для подкачки — 250 кбит/с и 1 Мбит/с — для загрузки данных.

Кабельные модемы

Кабельный модем - модем, предоставляющий по сетям кабельного телевидения доступ к Internet. Эти модемы применяют асимметричную технологию, которая наилучшим образом подходит для доступа к Internet. Максимальная скорость приема данных может доходить до 40 Мбит/с, скорость передачи данных — до 10 Мбит/с.

Сотовые модемы

Используя сотовый модем, можно подключить к Internet web-камеру. Обычно скорость передачи данных составляет от 5 до 20 кбит/с.

Программы для web-камер

Как правило, используя обычный web-браузер (Netscape Navigator, Internet Explorer и др.), можно просматривать изображение с web-камеры. Но сегодня многими компаниями разрабатываются специальные программы для web-камер. Эти программы объединяют в себе функции web-браузера и управляющего ПО, используемого для настройки, управления и просмотра изображений с web-камеры (например, программа для администрирования сетевых устройств линии V.Networks - AXIS Camera Explorer).