История создания веб камеры

  • автор:

История видеонаблюдения: путь от телевизора и Третьего рейха до облаков и нейросетей


Иконоскоп в экспозиции Чешского национального музея техники
Наблюдать за чем-то (или кем-то) бывает скучно, порой опасно, но зачастую необходимо. Люди постоянно придумывают и совершенствуют технические средства, способные облегчить жизнь и снизить риск для наблюдателя, а также повысить качество наблюдения. Историю систем удаленного наблюдения отсчитывают с момента зарождения электронного телевидения, или, точнее, с изобретения иконоскопа — электронной трубки, передающей изображение.
Впрочем, наблюдение как явление возникло гораздо раньше всех технических средств. Первобытные охотники, выглядывавшие из-под сводов пещеры, уже знали о важности постоянного контроля. В 19 веке полицейские посещали тюрьмы, где осматривали заключенных, запоминая их лица и внешность. С появлением фотографии, а затем и телевидения стало намного проще передавать важную информацию, но все еще не был решен вопрос с безопасностью сохранения данных. Видеонаблюдение должно было не только фиксировать важные события, но и по возможности сохранять их. Вечно.

Путь к иконоскопу


Попытки создать оборудование для приема и передачи телевизионного сигнала предпринимались по всему миру большим количеством исследователей. Еще в 1907 году была подана заявка на первый патент технологии электронного телевидения «Способ электрической передачи изображения». А в 1911 году русскому физику Борису Розингу удалось в своей лаборатории добиться приема изображений простейших фигур сконструированным им кинескопом. Но настоящим прорывом в четкости изображения электронного телевидения (и последним гвоздем в крышку гроба механического телевидения), стало появление передающей телевизионной трубки (иконоскопа), изобретенной в 1931 году нашим бывшим соотечественником, русско-американским инженером Владимиром Зворыкиным.
В 1919 году Зворыкин эмигрировал в США, где стал заниматься технологиями передачи изображения на расстояние. К 1923 году, работая в фирме «Westinghouse Electric» ему удается создать телевизионное устройство, основой которого являлась оригинальная передающая трубка с мозаичным фотокатодом. Однако изобретение не произвело на владельцев компании никакого впечатления и Зворыкину вскоре пришлось отправиться в «свободное плавание». Всего за несколько лет Зворыкин в одиночку создал множество важных устройств для будущего телевидения (фотоэлементы, систему записи звука и ряд других).
В 1928 году Зворыкин познакомился с еще одним эмигрантом из России, Давидом Сарновым, вице-президентом фирмы Radio Corporation of America (RCA). Возглавив лабораторию электроники RCA, изобретатель быстро закончил разработку собственной высоковакуумной телевизионной приемной трубки — кинескопа. Вслед за этим, усовершенствовав технологии накапливания заряда точечных фотоэлементов, Зворыкин создал иконоскоп. В 1932 году при помощи иконоскопа с передатчика мощностью 2,5 кВт, установленного на небоскребе Empire State Building, начались первые экспериментальные передачи электронного телевидения.


Кадр из фильма Леонида Парфенова «Зворыкин-Муромец»
Иконоскоп (c греческого: εἰκών «изображение» и σκοπεῖν «смотреть, видеть») состоит из вакуумной стеклянной колбы, внутри которой закреплены светочувствительная мишень, на которую объективом проецируется изображение, и электронно-лучевая пушка, размещенная сбоку или снизу от объектива. Изображение в иконоскопе попадает на пластину с мозаикой фотоэлементов, изолированных друг от друга. В те времена эту мозаику создавали из слюды с фоточувствительным слоем цезия. Но Зворыкин усовершенствовал метод: тонкую серебряную пленку обожгли на слюде, чтобы она свернулась во множество мельчайших капель. В пластине иконоскопа (6 на 10 см) используется 1 200 000 таких капель. Каждая капля — фотоэлемент; при освещении мишени под действием фотоэффекта капельки серебра приобретают положительный заряд, пропорциональный освещенности.
Владимир Козьмич не только занимался исключительно мирными системами телевещания, но и хотел построить «воздушную торпеду с электронным глазом», или, в современной терминологии, управляемую ракету. Для демонстрации концепции он в 1937 году водрузил большой иконоскоп на самолет и пустил его летать вокруг статуи Свободы. Военные на земле смогли во всех подробностях рассмотреть достопримечательность на экране телевизора, чем были изрядно впечатлены. RCA достался заказ на телеуправляемое оружие: планирующую авиабомбу и беспилотный самолет-камикадзе. Проект в итоге был признан провальным — телевизионный сигнал легко глушился противником, зато попутно ВВС и ВМС США получили несколько систем телевизионной разведки.

От «Фау-2» к VHS


Электронная телекамера «Olympia-Kanone» во время прямой трансляции с Берлинского стадиона на летних Олимпийских играх в 1936 году
В итоге упорного труда ученых разных стран телевизионные системы быстро развивались, а вслед за ними появлялось и настоящее видеонаблюдение в современном понимании. Немецкий электротехник и пионер телевидения Вальтер Брух в 1941 году установил CCTV-систему (Сlosed Circuit Television — система телевидения замкнутого контура) на полигоне в Пенемюнде, где испытывали знаменитое «оружие возмездия» — ракеты «Фау-2».

Запуск «Фау-2» летом 1943 года
В исследовательском центре Третьего рейха ракеты на старте частенько взрывались, а две установленные камеры позволяли следить за запуском с безопасного расстояния в 2,5 км. Данные видеонаблюдения о неполадках сильно могли бы помочь ракетостроителям, но не хватало возможности фиксировать наблюдения. Передавать изображение умели, записывать — нет. Оператор должен был неотлучно сидеть перед монитором, чтобы чего-нибудь не пропустить.

Первый видеомагнитофон «Ampex VR 1000B», созданный под руководством инженера и инноватора Александра Понятова
В 1951 году появились первые VTR (VideoTape Recorder) устройства, записывающие изображение на магнитную ленту. Размером они были с письменный стол, а стоили «как чугунный мост». Первый видеомагнитофон, созданный в 1956 году, был способен полноценно производить запись звука и изображения на магнитную ленту при помощи магнитных видеоголовок, но стоил при этом 50 000 долларов. Для сравнения: автомобиль Chevy Corvette стоил около 3000 долларов. Однако это не помешало быстрому росту популярности устройства — уже через полгода аппарат стал использоваться во всех ведущих телестудиях США.


Визит тайской королевской семьи в Лондон в июле 1960 года
С конца 50-х годов камеры стали ставить на дорогах, в людных местах, на важных объектах. В 1960 году полиция Лондона установила две камеры на Трафальгарской площади — специально, чтобы наблюдать за толпой, собравшейся посмотреть на официальный визит тайской королевской семьи. После визита камеры сняли — такого рода аппаратура в те времена обходилась в миллионы долларов.

Система мониторинга в центральном пункте управления Мюнхенской полиции, 1973 год
К концу десятилетия были изобретены дистанционно управляемые поворотные механизмы для камер, что позволило ставить одну камеру там, где раньше было нужно несколько. И все же посты видеонаблюдения оснащались десятками мониторов — каждой камере был нужен свой. Операторам приходилось постоянно пробегать глазами по всему массиву мониторов, их внимание рассеивалось.
Первое устройство, обеспечивающее возможностью телефонной видеосвязи, было представлено 20 апреля 1964 года
В 1969 году выдан патент на домашнюю систему безопасности (видеодомофон), позволяющую видеть на экране телевизора, кто находится за дверью, и дистанционно отпирать замок.

Когда видеонаблюдение захватило мир

Новая эпоха видеонаблюдения началась с изобретением в начале 70-х бытовых видеомагнитофонов. Видеозапись стала доступной частным лицам, и камеры начали появляться повсеместно: в домах, магазинах, банках, учебных заведениях. Теперь свидетелю не надо было в суде голословно утверждать, что узнает в подсудимом воришку — к делу приобщали VHS-кассету с записью инцидента.
С появлением мультиплексоров, позволяющих показывать изображение с нескольких камер на одном мониторе и записывать его на одну кассету, видеонаблюдение стало по-настоящему удобным. Но предела совершенству нет: в 80-х годах получают распространение камеры, основанные уже не на электронно-лучевой трубке, а на ПЗС-матрице (ПЗС, прибор с зарядовой связью — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника). Разрешение матриц первых ПЗС-камер оставляло желать лучшего, зато они были меньше и в разы светочувствительнее старых камер.
Очередной качественный скачок в видеонаблюдении случился в 90-е годы, когда появились полностью цифровые системы. Видеорегистраторы, оснащенные жесткими дисками, научились записывать изображение по кругу, когда «хвост» записи затирает начало, а также включать запись при обнаружении движения. Видеокамеры появляются в банкоматах, на рынок выпущена первая видеоняня, а персональные компьютеры получили принципиально новое периферийное устройство — веб-камеру. Камеры оснащаются датчиками и ведут запись по детекции движения или звуку.
Новое тысячелетие — новый виток развития видеонаблюдения, которое стало сетевым. IP-камеры передают изображение через сеть как локальную, так и через интернет, а видеорегистратор может быть расположен где угодно, или же можно обойтись вообще без него, приспособив для хранения записей компьютер. Параллельно с этим в 2000-е получили признание системы видеоаналитики, способные распознавать объекты и события в кадре, за счет чего наблюдение и анализ видеозаписи упростился и ускорился многократно.

Современность и будущее

IP-камера, сохраняющая архив в облаке
Бум «облаков» начала 2010-х дал свои плоды, облачные технологии пришли во многие отрасли, в том числе и в видеонаблюдение. Камера, поддерживающая облачные технологии, разительно отличается от классической IP-камеры: легкость развертывания и настройка абсолютно без заморочек, минимум обслуживания, доступность записей в любое время в любом месте, интеграция практически с любыми веб-сервисами. Там, где раньше городили развесистую IP-систему с видеорегистраторами и серверами видеоаналитики, теперь достаточно повесить современные облачные камеры, отставив всю головную боль на долю сервис-провайдера.
Но главная инновация, привнесенная облачными системами, заключается не в этом. Радикально изменился способ хранения записей. Локальные видеорегистраторы уязвимы и потенциально ненадежны — их жесткие диски выходят из строя или просто заполняются, а чтобы украсть записи, злоумышленнику достаточно иметь физический доступ к устройству. В облачном хранилище данные зашифрованы, резервированы, и гарантированно доступны (если, конечно, ваш интернет-канал работает) — при этом хранятся они теоретически вечно. Облачный провайдер отвечает за качество услуги своими деньгами, а, значит, можно рассчитывать, что никакие случайности, вроде самодеятельности администратора, перегрева или заполнения жесткого диска, или даже проникновения посторонних лиц в помещение, не приведут к утрате или компрометации записей.
Инженер Nvidia отучил котов гадить на газон, используя систему видеонаблюдения, машинное зрение и глубокое обучение
Может показаться, что системы видеонаблюдения достигли «потолка» развития. Однако если продолжить хронологический ряд инноваций в этой отрасли, становится понятно, что уже к 2020 году следует ожидать нового прорыва, который вновь радикально изменит идеологию удаленного наблюдения. Скорее всего, новый виток развития будет связан с совершенствованием систем распознавания поведения объектов. Уже сейчас нейронные сети могут проводить быстрый анализ определенных объектов во время трансляции. Через несколько лет они смогут выявлять множество событий — например, противоправные действия — и автоматически подстраивать всю систему под меняющиеся условия в режиме реального времени. Камеры наблюдения с нейросетями и облаками станут по-настоящему умными: не только зафиксируют события, но и примут решение, что делать дальше: отправить уведомление администратору систему, вызвать помощь, сохранять пассивное наблюдение и т. д.

Устройство и принцип работы веб-камеры.

Веб-камеры. Назначение, принцип работы и основные характеристики.

РЕФЕРАТ

по дисциплине (специализации) «Аппаратные средства вычислительной техники»

Проверила,

Никольская К.Ю.

27 сентября 2014г.

Автор работы

студент группы ПС-170

Бадалова А.А.

Реферат защищен

с оценкой

27 сентября 2014 г.

Челябинск 2014

Цель реферата – узнать о назначении, принципах работы и основных характеристиках веб-камер.

Задачи реферата – изучить устройство и принцип работы веб-камер, научиться устанавливать веб-камеры и подключать их к сети, узнать о значении веб-камер в современном мире.

Рассмотрены основные характеристики веб-камер, способы подключения к сети. Рассказано о программах для веб-камер и о том, как подключить веб-камеру к сети.

1. Введение (стр. 4)

2. Определение (стр. 5)

3. История создания веб-камеры (стр. 6)

4. Устройство и принцип работы веб-камеры (стр. 7-11)

5. Дополнительные возможности и функции веб-камер (стр.12)

6. Подключение веб-камеры к сети (стр. 13-15)

7. Способы применения веб-камер (стр. 16-17)

8. Программы для веб-камер (стр. 18)

9. Заключение (стр. 19)

10. Библиографический список (стр. 20).

Введение.

Веб-камеры всё прочнее входят в нашу жизнь. Их используют для построения видеосистем как на территориально больших, так и для малых объектов. Особенно они становятся незаменимы при контроле и мониторинге удалённых точек, где существует необходимость применения необслуживаемого оборудования. Когда срочно требуется установить «временные» камеры, веб-камеры незаменимы, ведь для их установки не требуется тянуть отдельные провода, и поэтому монтаж будет быстрым и лёгким.

Целью моей работы является задача узнать о назначении, принципах работы и основных характеристиках веб-камер.


Для этого я изучу историю возникновения, устройство и основные характеристики, а также сферы применения веб-камер, узнаю, как их устанавливать и подключать к сети.

Понятие веб-камера.

Цифровая веб-камера представляет собой сетевое устройство, которое состоит из видео камеры (ПЗС-матрицы), процессора компрессии и встроенного веб-сервера. Как правило, веб-камера используется как устройство для организации видеосъемки, видеоконференций или видеонаблюдения и передачи видеоизображения по сети LAN/WAN/Internet. Для работы веб-камеры в сети не требуется специальных устройств и персонального компьютера. В зависимости от настроек, доступ к видеоизображению, полученному веб-камерой, может быть открыт всем пользователям сети или только авторизованным пользователям.

История создания веб-камеры.

Все началось в одной из компьютерных лабораторий Кембриджа еще в начале 90-х годов прошлого века, когда Глобальная паутина только-только начинала свое победоносное шествие по планете. Группа ученых, человек 15-20, работала над проектом в области сетевых технологий. Условия работы были спартанскими — на всю команду приходилась всего одна кофеварка, которая не могла удовлетворить потребности всего коллектива. Основная работа велась в лаборатории, персонал жил в этом же здании, но в другой его части. Чтобы подхлестнуть мыслительный процесс чашечкой бодрящего напитка, участники научного проекта были вынуждены часто посещать коридор, находившийся этажом выше, где и располагалась кофеварка. Зачастую такие походы терпели крах, так как некоторые коллеги уже успевали опорожнить вожделенную емкость. Ситуация требовала нестандартного решения, и оно было найдено.
Один из компьютеров в лаборатории имел устройство видеонаблюдения (frame grabber). К нему подключили камеру, которая была направлена на объект наблюдения. Этот же компьютер играл роль web-сервера за счет специально написанного программного обеспечения. Желающие знать, есть ли кофе, должны были запустить на своем компьютере клиентское ПО, соединяющееся с сервером. В результате на удаленном компьютере в маленьком окошке выводилось черно-белое изображение, обновляющееся три раза в минуту. Заметка об этом интересном комплексе была опубликована в журнале Comm-Week 27 января 1992 года. С момента появления первых прототипов IP камер прошло не так уж много времени, но они уже превратились во вполне сформировавшийся, отдельный класс устройств, делающих повседневную жизнь проще, удобнее и веселее.

Рисунок 1. Снимок с первой веб-камеры

Устройство и принцип работы веб-камеры.

Современная веб-камера представляет собой цифровое устройство, производящее видеосъемку, преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, сжатие цифрового видеосигнала и передачу видеоизображения по компьютерной сети. Поэтому в состав веб-камеры входят следующие компоненты:

ПЗС-матрица,

объектив,

оптический фильтр,

плата видеозахвата,

блок компрессии (сжатия) видеоизображения,

центральный процессор и встроенный веб-сервер,

ОЗУ,

флэш-память,

сетевой интерфейс,

последовательные порты,

тревожные входы/выходы.

·
В качестве фотоприемника в большинстве веб-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 веб-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 веб-камеры. Объектив является неотъемлемой частью веб-камеры, поэтому от правильности его выбора и установки зависит качество видеоизображения, получаемого веб-камерой. Достаточно часто веб-камера комплектуется объективом. 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 веб-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 веб-камере правильную цветопередачу. Однако, на многие черно-белые веб-камеры такие фильтры не устанавливают, благодаря чему монохромные веб-камеры имеют более высокую чувствительность.

· Плата видеозахвата веб-камеры (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 веб-камеры 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 веб-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, которые используют веб камеры, 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).

· Центральный процессор является вычислительным ядром веб-камеры. Он осуществляет операции по выводу оцифрованного и сжатого видеоизображения, а также отвечает за выполнение функций встроенного веб-сервера и управляющей программы для веб-камер.

· Интерфейс для Ethernet служит для подключения веб-камеры к сети стандарта Ethernet 10/100 Мбит/с.

· Для работы в сети веб-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 веб-камере периферийное оборудование.

· Карта флэш-памяти позволяет обновлять управляющие программы веб-камеры 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 веб-камерой видеокадров. Информация в видеобуфере обновляется циклически, т.е. новый кадр записывается вместо самого старого. Эта функция необходима, если веб-камера выполняет охранное видеонаблюдение, поскольку позволяет восстанавливать события, предшествующие и следующие за сигналом тревоги с подключенных к веб-камере охранных датчиков.

· Тревожные входы/выходы служат для подключения к веб-камере датчиков тревоги. При срабатывании одного из датчиков генерируется сигнал тревоги, в результате чего процессор веб-камеры 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.

Рисунок 2. Устройство веб-камеры.

5. Дополнительные возможности и функции веб-камеры

· Детектор движения — это программный модуль, основной задачей которого является обнаружение перемещающихся в поле зрения веб-камеры на объекте видеонаблюдения. 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 веб-камеры 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 веб-камере дополнительного аудио модуля. Например, компания AXIS Communications для расширения функциональных возможностей веб-камер выпускает специальный аудио модуль AXIS 2191, совместимый с большинством веб-камер AXIS.

· Защита паролем служит для ограничения доступа к веб-камере лицами, не имеющими права доступа.

По умолчанию видеоизображение с веб-камеры можно просматривать с любого сетевого компьютера, на котором установлен стандартный веб-браузер, например, Internet Explorer или Netscape Navigator. Однако можно ограничить число лиц с правами доступа к веб-камере, введя пароль на уровне пользователя. Многие веб-камеры поддерживают многоуровневую защиту паролем для разграничения прав доступа и администрирования.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *