Устройство сбора данных: web-камера

Министерство образования и науки Российской Федерации

КП 230 101.12.83.22 ПЗ

ГОУ СПО ИАТ

УСТРОЙСТВО СБОРА ДАННЫХ: WEB-КАМЕРА

Пояснительная записка

Руководитель Черепанов В.В.

Студент Ткачев А.

Содержание Введение

1. Общая часть

1.1 Техническое задание

1.2 Устройство видеокамеры

1.3 Устройство IP видеокамеры

2. Специальная часть

2.1 Описание работы схемы принципиальной Заключение Список информационных источников

Введение

Телевидение — это передача изображения на расстояние с помощью электронных устройств. При передаче изображения формируются электрические сигналы элементов изображения, при этом один кадр изображения разбивается на строки. Количество строк строго фиксировано по стандарту 625/50 или 575/60. При формировании отдельных строк элементы изображения преобразуются в электрические сигналы аналоговой или цифровой формы. Для преобразования элементов изображения в сигнал применяют приёмопередающие элементы, которые позволяют преобразовать квант световой энергии в электрический сигнал.

В основе телевидения лежат три физических процесса: преобразование световой энергии в электрические сигналы; передача и прием электрических сигналов; преобразование электрических сигналов в оптическое изображение.

Исходя из вышесказанного, в курсовом проекте требуется рассмотреть принципы построения и функционирования основных блоков схемы, показать прохождение сигналов и произвести расчет элементов схемы.

1. Общая часть

1.1 Техническое задание Рассмотреть устройство и принцип работы web — камеры, современные промышленные образцы и их характеристики.

Разработать принципиальную схему webкамеры и описать ее работу.

1.2 Устройство видеокамеры В 1970;х, когда появились первые персональные компьютеры, начались эксперименты с полупроводниковыми электронными компонентами — приборами с зарядовой связью — которые вначале предполагалось использовать в качестве запоминающих устройств.

Сегодня ПЗС не используются в качестве запоминающих устройств, а только в качестве фотоприемников.

Основной принцип работы ПЗС заключается в сохранении информации электрических зарядов в фотоэлементах, а затем, когда потребуется, передаче этих зарядов на выходной каскад.

Если ПЗС-матрица используется в качестве фотоприемника, то концепция сдвига остается прежней, но вместо использования зарядовых пакетов для хранения цифровой информации присутствует фотоэлектронная генерация электронов пропорционально количеству света, падающего на область формирования изображения, затем эти заряды сдвигаются вертикально и/или горизонтально.

Зарядовые пакеты — как только они сформировались в фотоэлементах матрицы — «стекают» на выходной каскад при использовании методов зарядовой связи. Таким образом электрическая связь обеспечивается управлением элементом изображения (пиксел).

На рисунке 1 представлена схема передачи света на фоточувствительный элемент. На рисунке 2 представлено увеличенное изображение матрицы видеокамеры, на рисунке 3 представлен принцип работы светочувствительного элемента.

Рисунок 1 — Принцип получения изображения Рисунок 2 — Принимающая матрица Рисунок 3 — принцип работы фоточувствительного элемента Важным преимуществом современного телевидения является его переход на цифровой видеосигнал, что обеспечивает это возможность цифровой обработки и хранения информации. Под этим подразумевается улучшение изображения, его сжатие, различные коррекции. Крайне существенным является то, что копия и оригинал ничем не отличаются по качеству изображения. Сколько бы копий цифрового изображения не делалось (1,2 или 10), качество всегда будет оставаться таким же, как у оригинала. И последним (не по степени важности) преимуществом цифрового видео является возможность проверки подлинности копии. Эта функция часто называется нанесением «водяных знаков» (water-mark) и позволяет защитить информацию, записанную в цифровой форме от подделки, что крайне важно для индустрии видеонаблюдения. На рисунке 4 представлен процесс преобразования аналогового сигнала с видеокамеры, его оцифровка и передача в оцифрованном (сжатом) виде на расстояние.

Рисунок 4- Аналого-цифровое преобразование и передача изображения На рисунке 5 приведен пример небольшой гибридной системы видеонаблюдения с некоторым количеством аналоговых телекамер, подключенных к 3 цифровым видеорегистраторам. Также в системе видеонаблюдения имеется две сетевые телекамеры, три видеомонитора и компьютерный дисплей для двух операторов.

Такая система называется гибридной, так как аналоговые телекамеры подключены к цифровым видеорегистраторам, а сетевые телекамеры подключены к коммутатору. Таким образом, запись ведется в цифровом виде, но по-прежнему используются аналоговые телекамеры, как и в большинстве современных систем видеонаблюдения. Кроме того, сетевой принтер и сетевая система хранения (NAS) также подключены к сетевому коммутатору.

Такая конфигурация предполагает перемещение записей цифровых видеорегистраторов в долгосрочный архив сетевой системы хранения (NAS), тогда как сами цифровые видеорегистраторы ведут запись «по кругу», стирая самые старые данные. Также на схеме изображена поворотная телекамера, которая управляется с основного рабочего места оператора через клавиатуру, подключенную к последовательному порту компьютера. Кроме того, телекамерой можно управлять и программно с помощью клавиатуры и мыши компьютера, например, на втором рабочем месте оператора.

Рисунок 5-Гибридная система видеонаблюдения Более перспективным направлением в системе цифрового охранного телевидения является его перевод на технологию IPвозможность работы устройств данной системы в вычислительных сетях, работающих по протоколу IP. Довольно распространенным стало включение в одну камеру не только функций видеорегистратора: цифроаналоговое преобразование, сжатие, накопление видеоданных, но и функции систем охранно-пожарных сигнализаций, за счет программного обеспечения.

1.3 Устройство IP видеокамеры На рисунке 7 представлена блок-схема IP видеокамеры. Основные узлы камеры:

— объектив с линзами;

— видеопроцессор, выполняющий цифроаналоговое преобразование, обработку изображения и его компрессию;

— набор микропроцессорной логики, реализующий функции WEB сервера, встроенный контроллер Ethernet, для подключения к вычислительным сетям.

Рисунок 7- Устройство WEB (IP) видеокамеры Матрицы

CCD (charge-coupled device), и CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor) матрицы (светочуствительные сенсоры) предназначены для преобразуют световой поток в электрический сигнал.

Четыре главных различия между CCD и CMOS матрицами:

— CCD дает качественное изображение с низким уровнем шума. CMOS традиционно дает более зашумленное изображение.

— CCD потребляет до 100 раз больше энергии, чем аналогичная CMOS матрица.

— CMOS чипы постоянно дешевеют, в отличие от сравнимых по характеристикам CCD.

Основные типы систем телевещания:

— NTSC (National Television Standards Committee) — используется в Северной Америке и в Японии. Разрешение — 525 строк, 30 кадров в секунду.

— PAL (Phase Alternating Line) и SECAM (Sequentiel Couleur a Memoire) — стандарты, применяемые в остальных странах. Разрешение — 625 строк, 25 кадров в секунду.

IP-камеры с CMOS матрицей должны при настройке учитывать тип вещания и частоту переменного тока (50Гц или 60Гц) для получения хорошего изображения.

— Видеои аудионаблюдение

— Двухсторонняя передача звука

— Дистанционное управление и мониторинг (ЛВС, интернет, Wi-Fi)ю

— WEB-интерфейс управления, комплектное ПО (контроль до 16 IP-камер одновременно, запись видео на жёсткий диск) ю

— Отправка кадров и служебной информации по электронной почте

— Загрузка кадров на FTP сервер

— Контроль и управление системами сигнализации

— Встроенный датчик движения (до трёх окон обнаружения) ю

— Работа по расписанию

— Автоматическая и ручная настройка изображения и звука Современные IP видеокамеры могут работать как автономно, так и совместно с элементами систем охранно-пожарных сигнализаций:

— извещатели (датчики дыма, инфракрасные датчики объема);

— звуковой и световой индикации.

В этом случае роль пульта управления ложится на прогаммное обеспечение видеокамеры, которое анализируя видеопоток и сигналы с датчиков, реагирует на изменение параметров помещения (проникновение или пожар). Эта возможность позволяет сократить количество проводных сетей для целей охраны, снизить затраты на организацию охраны в целом (рисунок 8).

Рисунок 8 — Организация охранно-пожарной сигнализации с применением IP видеокамеры

2. Специальная часть

2.1 Описание работы схемы принципиальной На схеме электрической Э3 представлена схема, разрабатываемой webкамеры. Ядром системы является микроконтроллер AVR_MEGA₃₂ (IC4).

Atmega32/L является КМОП 8-битным микроконтроллером построенным на расширенной AVR RISC архитектуре. Используя команды исполняемые за один машинный такт, контроллер достигает производительности в 1 MIPS на рабочей частоте 1 МГц, что позволяет разработчику эффективно оптимизировать потребление энергии за счёт выбора оптимальной производительности.

AVR ядро сочетает расширенный набор команд с 32 рабочими регистрами общего назначения. Все 32 регистра соединены с АЛУ, что обеспечивает доступ к двум независимым регистрам на время исполнения команды за один машинный такт. Благодаря выбранной архитектуре достигнута наивысшая скорость кода и соответственно высокая производительность в 10 раз превосходящая скорость соответствующего CISC микроконтроллера.

ATmega32/L содержит 32Кбайт внутрисистемно программируемой FLASH памяти программ, допускающей чтение во время записи, 1024 байт EEPROM, 2К байт SRAM, 32 рабочих регистра, JTAG интерфейс сканирования внутренних регистров, встроенную систему отладки и программирования, три гибких таймерасчётчика с модулем сравнения, внутренние и внешние прерывания, последовательный программируемый интерфейс USART, байт-ориентированный двухпроводный последовательный интерфейс, 8-и канальный, 10-и битный АЦП с дифференциальным программируемым усилителем (рисунок 9).

Микросхемы выпускаются при использовании Atmel технологии энергонезависимой памяти высокой плотности. Встроенная ISP FLASH память позволяет перепрограммировать область программной памяти внутрисистеммно через последовательный SPI интерфейс стандартным программатором, или используя загрузочную программу из энергонезависимой памяти работающую в AVR ядре. Комбинация расширенной 8- и битной RISC архитектуры ЦПУ и твёрдотельной FLASH памяти обеспечивают Atmega32 высокую гибкость и экономическую эффективность во встраиваемых системах управления.

Рисунок 9- Внешний вид корпуса микросхемы ATMega32

На рисунке 10 представлена структурная схема микроконтроллера ATMega32

Рисунок 10 — Блок схема ATMega32

К выводам PD0, PD1 (RxD, TxD) микроконтроллера подключена IR Jpeg камера ITC-M-328 (рисунок 11).

На рисунке 12 представлена блок схема IR Jpeg камеры.

Рисунок 11

Рисунок 12

К выводам PB4-PB6 подключается SD Memory Cardкарту памяти, куда сохраняется изображение при автономной работе web-камеры. Выводы PB5, PB6 являются также выводами, используемыми для внутрисхемного программирования микроконтроллера.

К выводам PA0- PA3 подключаются светодиоды LD1-LD4 для индикации работы устройства.

Для электропитания, разрабатываемого устройства необходимо два уровня напряжения питания 5 В, 3,3 В. Источник питания собран на двух стабилизаторах LM2936 (IC3) — формирует 5 В, LM1117 (IC2) — формирует 3,3 В. На конденсаторах CB1-CB5 собран фильтр цепи питания модулей web-камеры: микроконтроллер, карта памяти, цепи управления.

Разрабатываемое устройство имеет две схемы синхронизации:

— 7,326МГц частота синхронизации ядра микроконтроллера;

— 32 КГц частота для синхронизации АЦП в микроконтроллере.

На рисунке 13 представлен внешний вид промышленного образца webкамерыотладочная плата YMDV с возможностью подключения web камеры.

Рисунок 13

Заключение

Целью проекта было изучение цифровой системы сбора информацииweb камеры, рассмотреть устройство и принцип работы цифровой видеокамеры.

В проекте осуществлена попытка разработать протатип действующего устройства — IP видеокамеры, представлены этапы проектирования данной системы.

web камера изображение передача

Список информационных источников

1. http://kunegin.narod.ru/ref3.htm

2. http://www.it2b.ru/it2b3/html

3. http://www.regt72/ru/

4. http://www.mascom.ru/

5. http://www.agentura.ru

6. http://spk.ru/security/

7. http://web.poltava.ua/firms/arkadi/book/index.html

8. httplib. ruNTLrel04_w6.txt

9. httpwww.catalog.radio-shop.rucatalog23010101

10. httplib. ruNTLrel04_w6.txt