Лабораторная работа №7 Видеокамеры
Цель работы: Изучение устройства и принципа работы цифровых видеокамер.
Задание на лабораторную работу:
изучить:
— структурную схему оптической части видеокамеры;
— устройство и принцип работы преобразователя изображения на приборе с зарядовой связью (ПЗС) и камерной головки;
— принципы аналоговой обработки сигнала;
— виды коррекций;
— интерфейс цифрой видеокамеры;
— основные параметры.
Ход работы
1 Структурная схема оптической части видеокамеры
На рисунке 1 изображена обобщенная функциональная схема видеокамеры. Оптическая часть
Рисунок 1
видеокамеры
функционально очень похожа на человеческий
глаз: изображение проходит через систему
линз (1), диафрагму (2) и проецируется
на фотоприемную ПЗС-матрицу (3). Далее,
в ПЗС-матрице (ПЗС – Прибор с Зарядовой
Связью) изображение преобразуется в
электрический сигнал, который поступает
уже в электронную часть (4) видеокамеры
и там подвергается обработке.
2 Камерная головка
К объективу цифровой видеокамеры предъявляются требования повышенной разрешающей способности из-за малого размера элемента разложения прибора с зарядовой связью (ПЗС).
Кроме
того, объектив должен быть легким,
надежным и формировать изображение с
наименьшими искажениями. Наилучшими
считаются объективы фирм Canon и Fujinon.
Объективы имеют регулируемые диафрагму,
трансфокатор и фокусировку. Они снабжаются
дополнительными сменными светофильтрами.
Основной блок видеокамеры — камерная
головка (рисунок 2), которая состоит из
узла преобразования «свет-сигнал»
и цифрового процессора обработки сигнала
изображения (рисунок 3). Узел преобразования
«свет-сигнал» и объектив составляют
оптическую часть видеокамеры и
представлены на рис. 4. Сразу за объективом
расположен фильтр нижних пространственных
частот и светоделительная призма с
цветными фильтрами, которая разделяет
световой поток на три спектральные
составляющие — красную (R), зеленую (G) и
синюю (B) — по числу преобразователей
изображения на ПЗС. Так как преобразователи
на ПЗС имеют максимальную чувствительность
в ИК-области спектра, а необходимо иметь
кривую спектральной чувствительности
камеры, близкую к кривой чувствительности
глаза, то в оптическую часть камеры
входит фильтр ИК-отсечки.
Рис. 2 — Камерная головка
Рис. 3 — Цифровой процессор сигнала
Рис. 4. Оптическая часть видеокамеры
РРисунок 5 — ПЗС со строчно-кадровым переносом, FIT CCD
Установка камер. Цифровые и аналоговые видеокамеры.
Цифровые и аналоговые видеокамеры: плюсы и минусы
Каждый, кто хоть немного интересовался темой видеонаблюдения, представляет, чем отличаются цифровое и аналоговое видеонаблюдение по технологии. Данная статья имеет целью разобраться не только в технических аспектах этих двух технологий, но и понять какие новые возможности дает цифра по сравнению с аналоговым видеонаблюдением, а так же усвоить принципы установки камер.
Аналоговые видеокамеры
Аналоговое видеонаблюдение в наше время используются в основном на малых объектах: дом, маленький офис, стоянка, дача то есть те объекты, где требуется установка камер в малом количестве.
Аналоговое видеонаблюдение до сих пор популярно благодаря своей цене, простоте настройки и эксплуатации. Аналоговые видеокамеры очень надежны, опытным путем неоднократно проверена их работоспособность в самых тяжелых условиях.
Работа аналоговой видеокамеры основана на следующем принципе: поток света, падая на объектив, проходит его, затем – через несколько линз попадает на матрицы ПЗС, эти матрицы преобразуют световой поток в видеосигнал, который в дальнейшем идет к видеорегистратору через коаксиальный кабель и на монитор. Существует возможность преобразования аналоговой видеокамеры в системе передачи сигнала – внедрение части преобразования, преобразующий аналоговый сигнал с видеокамеры в цифровой, что позволяет нам включить в цепь мультиплексор и использовать один видеорегистратор на несколько видеокамер аналогового типа.
Выбор аналоговых видеокамер широк. Каждый желающий сможет выбрать себе по вкусу: дизайн, размер, технические параметры. Кроме того удобно, что в одной системе видеонаблюдения можно совмещать видеокамеры аналогового типа разных производителей и они вполне совместимы друг с другом.
Простая установка данного вида камер станет дополнительным бонусом.
Большим минусом аналоговых систем видеонаблюдения является недостаточная защищенность от несанкционированного доступа. Сигнал при передаче можно перехватить или заменить на другой. Вы, наверное, много раз видели, как это делается в боевиках.
Кроме того, стандарты PAL и NTSC, используемые в аналоговых видеокамерах, имеют низкое разрешение, и по этой причине малые детали с помощью них рассмотреть невозможно, например: номер машины или лицо человека. В результате, система видеонаблюдения вроде бы есть, но рассмотреть с помощью нее кто поцарапал Вашу машину ночью не возможно. Такие системы срабатывают только тогда, когда злоумышленник подходит к камере и заглядывает в нее. И такое бывает.
Цифровые видеокамеры (IP-камеры)
Цифровые видеокамеры появились сравнительно недавно, но уже хорошо зарекомендовали себя с точки зрения безопасности и технических характеристик.
Они дороже аналоговых видеокамер, но в некоторых случаях альтернативы цифровым системам нет.
Принцип работы цифровой камеры
Поток света à объектив àлинзыà световой поток проецируется на матрицу чувствительную к свету, которая преобразует световой сигнал в сигнал электрический, затем видеосигнал передается в процессор, происходит обработка и только после этого по проводной (витая пара) или беспроводной (Wi-Fi) сети видеосигнал передается к мультиплексору и видеорегистратору. Видеорегистратор записывает видео на жесткий диск (винчестер).
Возможности цифровой видеокамеры
Во многих моделях цифровых видеокамер встроенный микрофон и динамик для голосовой двухсторонней связи с объектом наблюдения, и даже если нет интеграции этой системы, то есть возможность подключения. Таких возможностей нет у аналоговой видеокамеры. Но и к аналоговой камере есть возможность подключения «аудиоблока», но для этого потребуется ещё один коаксиальный кабель, в то время как цифровая камера передает и звук и видео по одной линии связи.
Многие модели IP-камер оборудованы оперативной памятью, на которой хранятся настройки, программное обеспечение (ПО), кроме того могут быть записаны циклические видеокадры.
Возможность подключения к локальной вычислительной сети (ЛВС)
Каждую IP-камеру можно подключить к ЛВС, что дает ряд преимуществ. Цифровые камеры оборудованы своим процессором и ПО и поэтому их можно настраивать в соответствие с задачами конкретного заказчика. Система может быть укомплектована датчиком движения, который позволяет включать камеру, когда есть что снимать. При срабатывании датчика движения камера сохраняет последние кадры видеозаписи и отсылает их на FTP-сервер, при этом отправляется уведомление на e-mail или SMS. Получив уведомление, Вы можете посмотреть эти кадры с любого компьютера подключенного к Интернету.
Минусы IP-камер
Однако у IP-камер есть и недостатки. Заключаются они в том, что цифровые записи «округляются», поэтому есть вероятность, что камера не запишет доли секунды, поэтому объекты, которые требуют записи самых мелких нюансов, все же вынуждены использовать аналоговые системы с кассетными видеорегистраторами.
Какую выбрать камеру: цветную или чёрно-белую?
Особой разницы нет в выборе камеры по параметру цветности. У цветной камеры два «недостатка» – высокая нагрузка на канал передачи данных и высокие требования по размеру жесткого диска для хранения записи. По остальным параметрам цветные камеры превосходят черно-белые. Что касается цены, то лет 5 назад может быть и стоило на это обращать внимание, но сегодня разница между ними не превышает 20%. Установка IP камер не составит большего труда даже у человека не знакомого с цифровой техникой.
Вывод
По сумме характеристик цифровые системы видеонаблюдения, даже со всеми своими минусам, предпочтительнее аналоговых систем, так как интеграция в системы любой сложности возможна только лишь для цифровых систем. Системы видеонаблюдения, основанные на IP-камерах, сравнимы по цене с аналоговым только в случае, когда система состоит из 16 камер и больше. Возможности IP-видеокамер намного выше, iP-видеонаблюдение это сегодняшний день и перспектива на будущее.
В ближайшие несколько лет аналоговое видео исчезнет с рынка совсем. Поэтому если Вы планируете основать музей, то сейчас самое время начать коллекционировать аналоговые видеокамеры.
Как работают цифровые видеокамеры?
Поскольку технологии продолжают развиваться, более новое и сложное мультимедийное оборудование становится доступным для широкой публики. Цифровые видеокамеры не являются исключением. Так же быстро, как пленочная камера стала устаревшей для среднестатистического фотографа, видеокамеры VHS также ушли по пути динозавров. Все, кажется, стало цифровым, и удобство — лишь одна из многих причин. Более новые цифровые видеокамеры также отличаются компактностью, лучшим качеством изображения и более быстрыми возможностями просмотра.
Те же действия, которые были записаны на громоздкие видеокамеры 1980-х и начала 1990-х годов, популярны и сегодня. Детские спортивные мероприятия, церемонии награждения, семейные встречи, спектакли и другие особые моменты — это воспоминания, которые люди хотят сохранить.
Отличие теперь заключается в доступности изображений и возможности делиться ими с людьми по всему миру за считанные секунды. Но как работают цифровые видеокамеры?
Для технарей и технофилов нет никакой тайны в работе большинства цифровых устройств. Но для среднего потребителя даже базовые операции могут вызывать недоумение. Вот посмотрите, как работают несколько различных типов цифровых видеокамер.
Как и в пленочных камерах и аналоговых видеокамерах, в цифровых видеокамерах для просмотра записываемых изображений используется объектив. Эти линзы преобразуют различные элементы изображения перед камерой в информацию, которую можно обрабатывать и записывать. В видеомагнитофоне эти линзы фокусируют яркие цвета на полупроводниковом датчике изображения. Этот датчик называется устройством с зарядовой связью или ПЗС. Чем их больше у камеры, тем лучше качество изображения. Последний шаг в работе с цифровыми видеокамерами — это то, что отличает их от старых видеокамер. Информация превращается в байты данных.
Контрастность и цвета преобразуются в двоичный код (1 и 0), и эти данные сохраняются в виде цифрового видео.
Большинство цифровых видеокамер, представленных на рынке, от основных брендов используют ленту MiniDV, которая обрабатывает и записывает информацию в цифровом виде. Эти ленты в разы меньше старых кассет VHS. Цифровое видео является стандартом для домашнего и полупрофессионального видеопроизводства и иногда используется средствами массовой информации. Профессиональные цифровые видеокамеры начального уровня имеют три ПЗС и записывают на ленты DV CAM или MiniDV.
Цифровые видеокамеры имеют порт FireWire на задней панели камеры, который подключается непосредственно к компьютеру. Данные с камеры отправляются на жесткий диск компьютера. Затем видеофайлы можно редактировать с помощью соответствующего программного обеспечения, если это необходимо.
Существуют чрезвычайно компактные цифровые видеокамеры с ограниченной продолжительностью записи (примерно 60 минут) и возможностями объектива.
Они удобны для быстрого и удобного обмена видео и позволяют очень легко транспортировать. Они не требуют карты памяти и подключаются непосредственно к компьютеру с помощью USB-разъема. Для более длительной записи или лучшего качества видеокамеры MiniDV являются лучшим выбором.
Цифровые системы начального уровня, не использующие ленты, записывают в формате MPEG-4 как цифровую память. В некоторых более дорогих версиях вместо этого используются жесткие диски или карты памяти. Это позволяет хранить больше данных и, следовательно, обеспечивает лучшее качество изображения.
Большинство производителей цифровых видеокамер ориентируются на наиболее часто используемые компьютерные операционные системы. Компьютеры на базе Windows и Mac обычно совместимы с большинством камер, представленных на рынке. Помимо этого, потребители могут столкнуться с проблемами. Некоторые безленточные записывающие устройства несовместимы ни с чем, кроме Windows, поэтому потребители должны обязательно проверить детали перед покупкой.
Как работают цифровые камеры?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Не так давно цифровая камера была бедным родственником по сравнению с пленкой на химической основе. Но в последние годы, с развитием технологий и снижением цен, цифровые камеры стали повсеместными. Большое количество людей носят с собой камеры, куда бы они ни пошли, либо в телефоне, либо в карманных устройствах типа «наведи и снимай». Цифровые зеркальные камеры высокого класса обогнали пленку для профессиональной фотографии, а пленочные камеры для фотосъемки устаревают.
В основе всех цифровых камер лежит датчик изображения, который преобразует световую информацию, передаваемую через объектив, в электрический сигнал, который затем может быть сохранен и позже вызван компьютером, который отображает его как фотографию. Существуют различные технологии, используемые в датчиках изображения, но, безусловно, наиболее популярными являются устройства с зарядовой связью (ПЗС).
ПЗС-матрица представляет собой набор конденсаторов, чувствительных к свету. Когда вы слышите рекламу камер по их разрешению, имеется в виду количество этих конденсаторов. Когда частицы света (фотоны) ударяются о конденсаторы, они генерируют электроны. Это создает общий заряд, который затем можно считать показателем интенсивности света.
ПЗС-матрицы не считывают цвет света, а только его интенсивность, поэтому для получения цветных фотографий должен быть способ различать интенсивность различных цветов падающего света. Эти цвета известны как аддитивные основные цвета: зеленый, синий и красный. Все цвета, которые вы видите на цифровой фотографии, состоят из этих цветов. Один из способов сделать это, и самый дорогой, состоит в том, чтобы иметь три ПЗС-матрицы в каждой камере и использовать призму для разделения света, прежде чем направлять каждый цвет на другой датчик. Менее затратный метод заключается в использовании цветной решетки, называемой мозаикой байесовского фильтра, которая похожа на трехцветную шахматную доску.
Каждая секция решетки 2 x 2 состоит из пары зеленых квадратов, расположенных по диагонали друг напротив друга, и красного и синего квадратов. Есть два зеленых квадрата из-за того, как работает человеческий глаз; он определяет интенсивность, используя в основном зеленый свет. Фильтр пропускает свет только этих цветов на ПЗС, поэтому каждый конденсатор измеряет интенсивность одного цвета. Затем камера — или компьютер, на который загружены изображения — должна использовать алгоритм демозаики, чтобы заполнить недостающую информацию. По иронии судьбы, фильтр Байеса был разработан в лабораториях компании Kodak Eastman, которая недавно объявила о банкротстве, поскольку ее основной бизнес по производству пленки больше не является жизнеспособным.
Качество изображения цифровой камеры зависит не только от разрешения сенсора. Размер сенсора тоже влияет. Меньшие камеры, такие как в телефонах и камерах типа «наведи и снимай», поставляются с меньшими датчиками, обычно около 6 мм, что приводит к плохой работе при слабом освещении.