2.3 Матрица web-камеры

Это основа web-камеры, впрочем, как и любого цифрового оптического устройства. Различаются матрицы технологией изготовления. Сегодня широкое развитие и применение получили две технологии - CMOS и CCD. Основное отличие в том, что матрицы CCD выдают более качественную картинку и создают меньше «шумов» (помех), чем матрицы на CMOS-сенсорах. Но и стоят дороже.

Помимо сенсорной технологии, стоит учитывать такой важный параметр, как разрешающая способность. От разрешения матрицы зависит качество передаваемого изображения. Интервал значений лежит в диапазоне от 0,1 до 2 мегапикселей (Мпикс), но наиболее популярно разрешение VGA, составляющее 0,3 Мпикс. (размере кадра при этом - 640x480). Для проведения интернет-видеоконференций хватит разрешения в 320 x 240 пикселей. Стандартные 640 х 480 пикселей, которые предлагают все камеры, идеально подойдут для записи небольших видеороликов, которые можно отправить по электронной почте. Наиболее дорогие модели располагают матрицей с разрешением 1280 х 960 пикселей и позволяют делать крупномасштабные фотоснимки.

Чувствительность матрицы – это параметр, который определяет минимальную освещенность, при которой камера может снимать. Измеряется чувствительность в Люксах (lux). Особо стоит подчеркнуть, что независимо от стоимости, практически все камеры, даже с CCD-сенсорами начинают «шуметь», создают помехи, если на матрицу попадает недостаточно света.

2.4. Принцип действия web-камер

Светочувствительный сенсор – это своего рода сердце любой цифровой камеры. Именно он позволяет преобразовывать свет в электрические сигналы, доступные для дальнейшей электронной обработки. Основной принцип действия и ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоров одинаков: под воздействием света в полупроводниковых материалах рождаются носители заряда, которые впоследствии преобразуются в напряжение. Различие между ПЗС и КМОП-сенсорами заключается прежде всего в способе накопления и передачи заряда, а также в технологии преобразования его в аналоговое напряжение. Не вдаваясь в подробности конструкции различных типов сенсоров, отметим лишь, что КМОП-сенсоры являются значительно более дешевыми в производстве, но и более «шумными».

Принцип работы Web-камеры схож с принципом работы любой цифровой камеры или фотоаппарата. Кроме оптического объектива и светочувствительного ПЗС-матрицу или КМОП-сенсора обязательным является наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), основное назначение которого – преобразовывать аналоговые сигналы светочувствительного сенсора, то есть напряжение в цифровой код. Кроме того, необходима система цветоформирования. Другим важным элементом камеры является схема, отвечающая за компрессию данных и подготовку к передаче в нужном формате. В Web-камерах видеоданные передаются в компьютер по USB-интерфейсу, то есть заключительной схемой камеры должен быть контроллер USB-интерфейса.

Аналого-цифровой преобразователь занимается дискретизацией непрерывного аналогового сигнала. Такие преобразователи характеризуются как частотой отсчетов, определяющих промежутки времени, через которые производится замер аналогового сигнала, так и своей разрядностью. Разрядность АЦП – это количество бит, использующихся для представления сигнала. Например, если используется 8-разрядный АЦП, то для представления сигнала имеется 8 бит, которые позволяют задать 256 различных значений. При использовании 10-разрядного АЦП имеется возможность дискретно задавать 1024 различных уровня сигнала.

Учитывая низкую пропускную способность USB-шины (всего 12 Мбит/с, из которых Web-камера использует не более 8 Мбит/с), данные необходимо сжимать перед непосредственной передачей в компьютер. Очевидность этого следует из простого расчета. При разрешении кадра 320×240 пикселей и глубине цвета 24 бита размер кадра в несжатом виде будет составлять 1,76 Мбит. При ширине полосы пропускания USB-канала 8 Мбит/с в несжатом виде можно передавать кадры со скоростью не более 4,5 кадров/с. Однако для получения качественного видео необходима скорость передачи 24 или более кадров/с. Таким образом, становится понятно, что без аппаратного сжатия передаваемой информации функционирование камеры было бы невозможно. Поэтому любой контроллер камеры должен обеспечивать необходимую компрессию данных для передачи их по USB-интерфейсу. Собственно компрессия – это и есть основное назначение USB-контроллера. Обеспечивая необходимую компрессию в реальном времени, контроллер, как правило, позволяет передавать видеопоток со скоростью 10-15 кадров/с при разрешении 640×480 и со скоростью 30 кадров/с при разрешении 320×240 и меньшем.