Обзор Web-камер - Студенческий научный форум

XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Обзор Web-камер

Лебедева Я.В. 1
1БИТИ НИЯУ МИФИ
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире прочную популярность обрели устройства Web-камер. Прежде всего это связано с тем, что множество процессов автоматизируются. С развитием информационных технологий множество специалистов начали работать удаленно. Помимо активного использования веб-камер для организации процесса работы, эти устройства приобрели популярность за счет стремительного развития стриминговых площадок. Рядовые пользователи Интернета приобретают веб-камеры для видеосвязи с другими людьми.

Целью данной исследовательской работы является изучение устройства, принципа работы веб-камер, выделение их основных характеристик, а также обзор рынка современных устройств.

Для достижения цели данного исследования были поставлены следующие задачи:

определение понятия «Web-камера»;

изучение устройства веб-камеры и принципов ее работы;

выделение основных технических характеристик;

обзор рынка современных устройств;

выделение преимуществ и недостатков основных представителей веб-камер на современном рынке.

Предметом исследования является устройство веб-камера.

Методы исследования. На этапах исследовательской работы использованы различные методы исследования. Теоретические методы в рамках данной работы включали в себя анализ литературы и научных источников по теме исследования.

Практическая значимость работы заключается в приобретении знаний в области веб-камер и определение лучших устройств для использования в повседневной жизни.

УСТРОЙСТВО WEB-КАМЕРЫ

Что представляет собой Web-камера?

Веб-камера (также вебкамера) — небольшая цифровая видео- или фотокамера, которая способна захватить изображение в реальном времени для дальнейшей передачи по сети Интернет (в таких программах, как Skype, Instant Messenger или любом другом приложении).

Веб-камеры, которые доставляют изображения через Интернет, загружают изображения на веб-сервер по запросу непрерывно или через определенные промежутки времени. Это достигается посредством подключения камеры к компьютеру или использования возможностей самой камеры. Некоторые современные модели имеют аппаратное и программное обеспечение, которое позволяет камере работать как веб-сервер, FTP-сервер, FTP-клиент или самостоятельно отправлять фотографии по электронной почте.

Веб-камеры, предназначенные для видеоконференций, обычно представляют собой простые модели камер, которые подключаются к компьютеру с запущенной программой по типу Zoom или Instant Messenger.

Модели камер, используемые в целях безопасности, могут быть оснащены дополнительными устройствами и функциями (такими как датчики движения, подключение внешних датчиков и так далее).

1.2 Подключение и установка Web-камеры

Цифровая веб-камера – это сетевое устройство, состоящее из видеокамеры (ПЗС-матрицы), процессора компрессии и встроенного веб-сервера. Обычно веб-камера используется как устройство для организации видеосъемки, видеоконференций или видеонаблюдения и передачи видео по сети LAN/WAN/Интернету. Веб-камера не требует каких-либо специальных устройств или персонального компьютера для работы в сети. В зависимости от настроек все пользователи сети или только авторизованные могут получить доступ к видео, полученному веб-камерой.

Обычно веб-камеры имеют USB-интерфейс и подключаются к компьютеру через USB-порт с помощью кабеля. Помимо этого, есть модели с подключением через USB 3.0 и USB 2.0, поэтому важно заранее узнать, какая версия интерфейса установлена ​​в системном блоке, и только потом приобретать устройство.

Могут возникнуть проблемы с установкой из-за устаревшей версии USB или поврежденного порта. Важно сразу изучить технические характеристики видеокамеры, посмотреть, с какими операционными системами может работать устройство и какие требования предъявляет производитель.

Если камера оснащена модулем USB 2.0 или 3.0, она должна быть подключена через порт с соответствующим интерфейсом. Благодаря последним версиям USB камера будет создавать высококачественные изображения и быстрее передавать их.

Некоторые модели не требуют загрузки драйверов или устанавливают их самостоятельно после подключения устройства к компьютеру. Если этого не произошло, программное обеспечение гаджета можно скачать и установить следующим образом:

использовать компакт-диск из упаковки веб-камеры, если таковая имеется;

использовать официальный сайт производителя, скачать драйвер в Интернете;

посредством «Диспетчера устройств»;

загрузить программное обеспечение с помощью программы «Driver Booster» или аналогичного инструмента.

Таким образом, рассмотрен процесс установки веб-камеры и ее основное назначение.

Устройство и принцип работы веб-камеры

Современная веб-камера преобразует аналоговый видеосигнал в цифровой, сжимает цифровой видеосигнал и передает видео по компьютерной сети. Таким образом, веб-камера включает в себя 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.

На рисунке 1 представлена схема устройства веб-камеры.

Рисунок 1 – Устройство веб-камеры

В качестве фотоприемника в большинстве веб-камер используется ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью) – прямоугольная светочувствительная полупроводниковая пластина с соотношением сторон 3:4, преобразующая падающий на нее свет в электрический сигнал. ПЗС-матрица состоит из большого количества светочувствительных ячеек. Для увеличения светочувствительности ПЗС-матрицы часто формируют структуру, которая образует микролинзы перед каждой из ячеек. В технических параметрах веб-камеры обычно указывается формат CCD (длина диагонали матрицы в дюймах), количество эффективных пикселей, тип сканирования (построчная или чересстрочная развертка) и чувствительность.

Объектив – это система линз, предназначенная для проецирования изображения объекта наблюдения на светочувствительный элемент веб-камеры. Объектив является неотъемлемой частью камеры, поэтому качество получаемого камерой видеоизображения зависит от правильного выбора и установки объектива. Довольно часто веб-камера оснащается линзой. Объективы характеризуются рядом важных параметров, таких как фокусное расстояние, диафрагма (F), глубина резкости, тип крепления (C, CS), формат.

Оптические инфракрасные фильтры, которые устанавливаются в веб-камеры, представляют собой оптически точные плоскопараллельные пластины, которые устанавливаются наверху ПЗС-матрицы. Они работают как оптические фильтры нижних частот с частотой среза около 700нм, близкой к красному. Они отсекают инфракрасную составляющую световых волн, обеспечивая правильную цветопередачу веб-камеры. Однако многие черно-белые камеры не имеют таких фильтров, что делает монохромные камеры более чувствительными.

Плата видеозахвата веб-камеры (блок оцифровки) преобразует аналоговый электрический сигнал, генерируемый ПЗС-матрицей, в цифровой формат. Процесс преобразования сигнала состоит из трех этапов:

Дискретизация;

Квантование;

Кодирование.

Дискретизация – это считывание амплитуды электрического сигнала через определенные промежутки времени (периоды). Этот этап преобразования сигнала характеризуется частотой дискретизации.

Квантование – это процесс оцифровки результатов выборки. Изменение уровня электрического сигнала в течение периода дискретизации представлено 8-, 10- или 12-битным кодовым словом, что дает 256, 1024 и 4096 уровней квантования соответственно. Точность цифрового представления сигнала зависит от количества уровней квантования.

Кодирование. В дополнение к информации об изменении уровня сигнала, полученной на предыдущем этапе, в процессе кодирования генерируются биты, оповещающие о конце синхроимпульса и начале нового кадра, а также дополнительные биты защиты от ошибок.

Блок компрессии веб-камеры сжимает оцифрованный видеосигнал в один из форматов сжатия (JPEG, MJPEG, MPEG-1/2/4, Wavelet). Сжатие уменьшает размер видеокадра. Это необходимо для хранения и передачи видео по сети. Если локальная сеть, к которой подключена веб-камера, имеет ограниченную полосу пропускания, то во избежание перегрузки сетевого трафика рекомендуется уменьшить объем передаваемой информации, уменьшив частоту кадров сети или разрешение кадров. Большинство форматов сжатия, используемых веб-камерами, обеспечивают разумный компромисс между двумя решениями проблемы передачи видео по сети. Известные в настоящее время форматы сжатия позволяют получить оцифрованный поток объемом от 64 Кбайт до 2 Мбайт (с такой емкостью видеопотоки могут работать параллельно с другими потоками данных в сетях).

Сжатие видеоизображений в веб-камере может быть как аппаратным, так и программным. Программная реализация сжатия дешевле, но из-за высокой вычислительной мощности алгоритмов сжатия малоэффективна, особенно когда нужно смотреть видео с веб-камеры онлайн. Поэтому большинство ведущих производителей выпускают веб-камеры с аппаратным сжатием. Например, каждая сетевая камера AXIS Communications оснащена процессором сжатия ARTPEC, который с высокой скоростью сжимает видеоизображения в формат JPEG / MJPEG.

Центральный процессор – это вычислительное ядро ​​веб-камеры, выполняющее операции по выводу оцифрованного и сжатого видео, а также отвечающего за функции встроенного веб-сервера и программ управления веб-камерой.

Интерфейс Ethernet используется для подключения веб-камеры к сети Ethernet 10/100 Мбит/с.

Для работы в сети веб-камера может иметь последовательный порт для подключения модема и работать в коммутируемом режиме при отсутствии локальной сети. Последовательный порт также позволяет подключать периферийные устройства к веб-камере.

ОЗУ используется для хранения временных данных, генерируемых во время выполнения управляющих программ и пользовательских скриптов. Многие веб-камеры имеют так называемый видеобуфер. Это часть ОЗУ, которая зарезервирована для записи и временного хранения видео, снятого веб-камерой. Информация в видеобуфере обновляется циклически, то есть новый кадр перезаписывается поверх самого старого. Эта функция важна для видеонаблюдения с веб-камеры, поскольку она позволяет восстанавливать события до и после тревоги с датчиков безопасности, подключенных к веб-камере. Тревожные входы/выходы используются для подключения тревожных датчиков к веб-камере. При срабатывании одного из датчиков генерируется тревога, в результате чего процессор камеры собирает набор кадров, записанных в видеобуфер до, после и во время тревоги.

Таким образом, на данном этапе исследовательской работы рассмотрено устройство веб-камеры и охарактеризованы основные составляющие технических устройств.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ WEB-КАМЕР

О качестве веб-камеры можно судить по ее параметрам: типу матрицы, разрешению, фокусировке, углу обзора, частоте кадров, оптическому зуму, интерфейсу подключения и длине кабеля.

Тип матрицы. Пожалуй, один из самых важных параметров при выборе веб-камеры. Качество изображения при передаче фото- и видеоданных полностью зависит от типа матрицы, так как пропускная способность интернет-канала не всегда решает все проблемы. Как правило, производители оснащают веб-камеры матрицей CCD и CMOS. Наиболее распространенным в сегменте частных камер является CMOS-сенсор, поскольку он является более дешевым аналогом CCD-матрицы. Веб-камеры, оснащенные матрицей CCD, характеризуются высоким качеством изображения, улучшенной цветопередачей и низким уровнем шума. Видеокамеры CCD в основном используются в системах видеонаблюдения. Однако не стоит отрицательно относиться к CMOS-сенсорам, так как они почти сравнялись по качеству изображения с CCD.

Разрешение. Параметр указывает на максимально возможное разрешение фото и видео с веб-камеры. Когда дело доходит до выбора этого наружного блока, это как раз тот случай, когда не стоит гнаться за высокой производительностью. Вполне приемлемое разрешение для видеоконференцсвязи – 640х480, а для фоторежима – 1280х1024.

Фокусировка. Второй по важности параметр веб-камеры. Есть два типа фокусировки: автоматический и ручной. Принцип автофокусировки заключается в следующем: если объект случайно покидает зону фокусировки, система автоматически настраивает оптику, чтобы изображение снова стало резким. Веб-камера с автофокусом обеспечивает наилучшее качество изображения. На недорогих моделях веб-камер обычно нет автофокуса. При ручной фокусировке фокус приходится настраивать вручную, вращая кольцо объектива.

Угол обзора. Угол обзора указывает на размер площади, которая будет захвачена в кадре, и зависит от физического размера сенсора и оптики объектива веб-камеры. Чем больше угол обзора, тем больше свободы передвижения перед камерой во время видеоконференции.

Частота кадров. Параметр определяет качество передачи видео, диапазон которого составляет 9-90 Гц. Веб-камера с низкой частотой кадров в лучшем случае способна передавать размытое изображение, а в худшем – превращать общение в аудио-слайд-шоу. Слишком высокая частота кадров может привести к отсутствию видео, если интернет-канал недостаточно быстр для передачи видео на этой частоте. Наиболее рациональным выбором будет веб-камера со средней частотой кадров около 40-70 Гц.

Оптический зум (zoom). Наличие зума позволяет увеличивать или уменьшать масштаб объекта, что очень полезно, поскольку веб-камеру можно установить слишком близко или далеко в процессе организации рабочего места или досуга. Коэффициент оптического увеличения указывает, во сколько раз изображение может быть увеличено.

Интерфейс подключения. Обычно для подключения веб-камеры к компьютеру используется USB-интерфейс. К этому добавляются Wi-Fi-камеры и IP веб-камеры – они подключаются к сетевым устройствам, так как у них есть встроенная сетевая карта. Чем выше версия USB, тем быстрее выполняется передача данных. Если интернет-канал обладает хорошей скоростью, появляется возможность организовать видеоконференции высокой четкости с высокой частотой, что обеспечит наилучшее качество изображения.

Длина кабеля. Фактор, который влияет на удобство использования веб-камеры, давая свободу выбора места установки веб-камеры. Длина кабеля может быть ограничена версией интерфейса ПК. Так, для версии USB 2.0 длина варьируется от 0,5 до 2 метров.

Таким образом, существует ряд характеристик, на которые стоит обратить особое внимание при выборе веб-камеры.

СОВРЕМЕННЫЙ РЫНОК WEB-КАМЕР

В современном мире популяризации работы и учебы дома на рынке представлен огромный выбор веб-камер – тысячи бюджетных камер выглядят почти одинаково. Как правило, веб-камеры классифицируются по разрешению (720p, 1080p, 4K). Другой важной особенностью является частота кадров, которая часто является наиболее важной для большинства покупателей. Большое внимание пользователи обращают на функционал устройства, определяющий, подходит ли камера для покупателя или нет.

В первую очередь при покупке устройства необходимо определиться, с какой целью планируется использовать веб-камеру.

Офисным работникам и домашним пользователям нужна камера для запуска таких программ, как Zoom и Microsoft Teams, а они, в свою очередь, ограничивают свои трансляции до 1080p со скоростью 30 кадров в секунду. Google делает шаг вперед и ограничивает качество до 720p, чтобы сохранить пропускную способность.

Если сфера применения веб-камеры ограничивается организацией видеочатов, связанных с работой, нет надобности переплачивать за видеокамеру 4K, это не имеет значения. Системы световой и цветовой коррекции различаются от камеры к камере, разница всегда видна, поэтому следует обратить внимание на эту особенность.

Создателям видеороликов для стриминговых площадок (YouTube и Twitch) доступны несколько мощных веб-камер, некоторые из которых способны снимать видео 4K со скоростью 60 кадров в секунду. Такие камеры – излишек для обычного пользователя, но с такими функциями, как регулируемое разрешение и масштаб, дополнительные траты могут стать стоящим вложением в хобби.

Для более детального обзора рынка современных веб-камер необходимо более подробно рассмотреть наиболее популярных представителей этих устройств.

Logitech C920. Данное устройство по праву считается одним из лучших в мире по соотношению цена-качество. Разрешение камеры составляет 1080p. Из особенностей устройства можно выделить удаление фонового изображения, коррекцию недостатка света, видеозапись 720р/60 FPS в режиме потока, стереозвук, автоматический фокус, автоматическая свето-коррекция. Цена данной модели на 2021 год составляет 3700 рублей.

Веб-камера от компании Logitech обладает рядом преимуществ перед другими представителями таких устройств:

отличная съемка в условиях плохого света;

Full HD 1080p;

поддерживает поток в 720р/60 FPS.

Однако среди недостатков веб-камеры следует отметить отсутствие потока в 720р/60 FPS и отсутствие возможности поворота (фиксированное положение).

Logitech C920 остается одной из лучших веб-камер на рынке с момента ее выпуска в январе 2012 года, превосходя камеры конкурентов, которые каждый раз предлагали либо доступную цену, либо лучшую производительность. Эта камера остается фаворитом большинства стримеров, создателей контента и офисных работников. Когда при выборе следует учесть цену, качество и производительность веб-камеры, C920 остается лучшим сочетанием. На рисунке 2 представлено изображение веб-камеры.

Рисунок 2 – Logitech C920

Microsoft LifeCam HD-3000. Достойный вариант для использования в Skype. В качестве особенностей устройства можно выделить цветокоррекцию и шумоподавление. Несомненными преимуществами веб-камеры является ее стоимость (1800 рублей). Среди недостатков выделяется разрешение только в 720p.

Если пользователю требуется что-то недорогое для Skype, Discord, Facebook, серия LifeCam от Microsoft предлагает достаточную производительность за доступную цену. Веб-камера не даст изображения в разрешении 1080p, но пользователь получит автоматическую коррекцию цвета, шумоподавление встроенного однонаправленного микрофона и подставку, подходящую для пользователей ноутбуков и настольных персональных компьютеров. Внешний вид веб-камеры представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Microsoft LifeCam HD-3000

Razer Kiyo. Веб-камера «все в одном». Данное устройство дает изображение с разрешением 1080p. Из особенностей особенно выделяется наличие кольца подсветки. Преимуществом камеры является простота использования. Однако веб-камеру нельзя отнести к бюджетным устройствам. Ее стоимость составляет 10500 рублей.

Дизайн веб-камеры поначалу может показаться довольно странным. Такое решение объясняется подходом компании Razer к дизайну всей своей продукции. Камера Kiyo является одним из лучших устройств для потовой трансляции, которая на сегодняшний день является одной из самых популярных. Веб-камера Razer Kiyo сосредотачивается на тех показателях, которые для стимеров являются одними из самых важных – отличное качество изображения и наличие подсветки, реализованной с помощью специализированного Light Ring. Наличие подсветки помогает решить проблему долгого подбора хорошего освещения для проведения онлайн-трансляций. На рисунке 4 представлен внешний вид веб-камеры.

Рисунок 4 – Razer Kiyo

Livestream Mevo Plus. Данная веб-камера дает изображение в разрешении 2160p и позволяет производить запись в качестве 4K. Помимо этого, камера совместима с мобильными устройствами, позволяет редактировать видео и аудио в режиме реального времени и обладает поддержкой Bluetooth 4.1. Существенным достоинством веб-камеры является ее портативность и совместимость. Однако устройство достаточно дорогое – 9000 рублей на 2021 год.

Веб-камера позволяет транслировать видео профессионального уровня на различные стриминговые сервисы, такие как YouTube, Twitch, Twitter, Facebook, lifestream и vimeo. Возможность вырезать, панорамировать и масштабировать видео сразу в прямом эфире без каких-либо дополнительных инструментов для монтажа делает камеру Livestream Mevo Plus поистине находкой на рынке веб-камер. Компактность камеры так же делает ее один из самых удобных и производительных устройств. На рисунке 5 представлено изображение веб-камеры.

Рисунок 5 – Livestream Mevo Plus

Microsoft LifeCam Studio. Веб-камера позволяет записывать видео в разрешении 1080p. Из особенностей следует выделить цветокоррекцию, встроенный Hi-Fi микрофон. Несомненными достоинствами устройства являются широкий угол обзора и широкополосный микрофон. Из недостатков можно выделить нахождение данного устройства в среднем ценовом сегменте – 5700 рублей.

LifeCam Studio ориентирована на пользователей с большими мониторами. Устройство осуществляет запись видео в качестве 1080p и 720p для видеоконференций. Камера вращается на 360 градусов, позволяет произвести установку на штатив. Помимо этого, веб-камера предоставляет возможность устанавливать автофокус с диапазоном от десяти сантиметров до бесконечности. Широкополосный микрофон обеспечивает кристально чистый звук. Система TrueColor от Microsoft автооматически регулирует экспозицию. Данное устройство отлично подходит для организации онлайн конференций. Внешний вид камеры представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Microsoft LifeCam Studio

Logitech Brio. Последним устройством, рассмотренным в рамках исследовательской работы, стала веб-камера от компании Logitech, которая позволяет записывать изображение в разрешении 2160p. Преимуществами устройства являются возможность записи в качестве 4K, наличие х5 HD Zoom. Недостатком камеры является ее высокая стоимость – 18500 рублей.

Благодаря потрясающему разрешению в 2160р и HDR, веб-камера Logitech Brio приносит производительность 4К HDR на современный рынок веб-камер. Удобная стойка камеры позволяет разместить ее в любом удобном месте. На рисунке 7 представлено изображение камеры.

Рисунок 7 – Logitech Brio

Таким образом, в рамках исследовательской работы рассмотрены наиболее популярные представители веб-камер на современном рынке технических устройств. Обзор камер, находящихся в разном ценовом сегменте и отличающихся по основным характеристикам, позволяет каждому пользователю подобрать наиболее подходящее под его цели устройство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проведения данной исследовательской работы достигнуты полученные цели и задачи. Результатом работы является получение знаний в области изучения устройства веб-камеры и принципов ее работы и приобретение практических навыков выбора оптимального веб-устройства с учетом целей использования.

Для того, чтобы сделать выбор в пользу оптимального устройства, которое полностью подходит для определенной сферы деятельности необходимо иметь представление о характеристиках, на которые следует обратить внимание при приобретении веб-камеры. С этой целью в рамках исследовательской работы проведен анализ основных характеристик устройств.

Изучение разновидностей веб-камер позволило оценить масштаб рассматриваемой области. Широкий ассортимент таких устройств на рынке объясняется тем, что веб-камеры применяются в разнообразных областях жизнедеятельности человека. Помимо этого, можно выделить несколько ценовых категорий для разных групп пользователей. В современном мире наблюдается тенденция к популяризации разнообразных сфер деятельности, где процесс работы переведен в онлайн-формат. Именно этим объясняется востребованность веб-камер на современном рынке.

Таким образом, в современном мире веб-камеру можно назвать обязательным атрибутом пользователя, организующего процесс своей работы или обучения посредством интернет-пространства.

Просмотров работы: 59