Webová kamera - 'oko' notebooku

23. 9. 2009 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Aleš Lalík

Webkamera je v dnešní době součástí standardní výbavy prakticky každého notebooku a své využití najde nejen při videohovorech. I přes svou relativní jednoduchost je zde mnoho faktorů ovlivňujících snímání obrazu. Co se skrývá uvnitř webkamery poodhalí dnešní článek.

Svým principem a součástkami vychází webová kamera z digitálních fotoaparátů a společně s jejich rozšiřováním se také webkamery začaly více usídlovat na tradičním místě ve víku nad displejem notebooků. Kromě klesající ceny umožnila jejich použití prostorová nenáročnost, ovšem vykoupená přítomnosti jednoduchého objektivu bez optického zoomu.

Samotná webkamera je tvořena několika základními součástmi, z nichž tou nejviditelnější je právě objektiv. Běžně je vyroben z plastu s omezenými možností polohování pro zaostření, přičemž přibližování obrazu je řešeno v naprosté většině případů pouze softwarovým způsobem.

Zaznamenání obrazu má na starost snímač společně s podpůrnou elektronikou, jež jsou konkrétněji popsány níže. Dlouhou dobu bývá u webkamery samozřejmostí přítomnost mikrofonu, eliminující nutnost připojovat externí například pro videohovory.

Běžným způsobem připojení webové kamery k počítači, ať už v interní nebo externí podobě, je skrze USB port. Setkat se lze také s tzv. síťovými kamerami, připojitelnými do sítě přes Wi-Fi nebo ethernet rozhraní. Z pohledu operačního systému lze k webkameře přistupovat přes univerzální rozhraní USB video device class (také USB video class neboli UVC), dostupné pro Windows XP od Service Packu 2, Linuxu s kernelem 2.6.26 a novějším, Mac OS X od verze 10.4.3 a samozřejmě Visty. I přesto dodávají výrobci webkamer své samostatné ovladače, většinou rozšiřující možnosti webkamery o různé funkce a efekty.

CCD vs. CMOS

Ke snímání obrazu, tedy převádění dopadajícícho světla na elektrické signály, může posloužit jeden ze dvou typů snímačů: technologie CCD (charge-coupled device) nebo CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor). Pokaždé je snímač rozdělen na velké množství jednotlivých pixelů, z nichž každý zachycuje dopadající světlo, které je následně převáděno na elektrický signál. Zde nastává zásadní rozdíl mezi oběma technologiemi.

U CCD je náboj z každého pixelu předáván postupně napříč snímačem až do výstupní jednotky umístěné na jeho okraji. Tato jednotka kumuluje získané informace, a jelikož zpracovaný signál opouštějící snímací část každé z technologií je v analogové podobě, dalším krokem je převod na digitální formu. K tomu slouží analogově-digitální převodník, u něhož je jedním z důležitých parametrů množství rozeznatelných úrovní signálu, podílející se na výsledné kvalitě fotografie.

CCD snímač

Naproti tomu CMOS technologie patří mezi tzv. aktivní pixelové snímače (Active Pixel Sensor - APS). Převod dopadajícího světla, resp. fotonů, na elektrické napětí probíhá přímo v každém pixelu a z čipu již odchází finální signál v upravené podobě. CMOS proto nabízí rychlejší možnost snímání, a vzhledem k vyšší integraci jednotlivých komponent i nižší výrobní náklady společně s menšími rozměry.

CMOS snímač

Výhodou je rovněž možnost produkce CMOS snímačů stávajícími technikami používanými u výroby dalších polovodičových komponent, což údajně vede k jejich nižší výrobní ceně ve srovnání s CCD, vyžadujícími odlišný postup. Tradiční doménou CMOS je taktéž nižší spotřeba, na druhou stranu CCD se vyznačují lepší světelnou citlivostí a umožňují snímání i za horších světelných podmínek.

Barevný svět

Samostatný snímač, ať už CCD nebo CMOS, je schopen zaznamenat pouze černobílý obraz. Získání jednotlivých barev snímaného obrazu lze docílit několika způsoby, z nichž levným a často používaným řešením je Bayerova maska. Tato metoda sestává z barevného filtru umístěného před snímačem, kde filtr je tvořen mozaikou třech základních barev: červená, zelená a modrá (Red, Green, Blue – RGB). Vzhledem ke zvýšené citlivosti lidského oka na zelenou barvu je na filtru nanesen dvojnásobný počet zelených buněk ve srovnání s červenými a modrými. Výsledné barevné podání snímku je pro každý pixel interpolováno ze sousedních buněk, děje se tak při zpracování v elektronické části webkamery.

Bayerova maska

Kromě Bayerova existuje několik dalších barevných filtrů, lišících se použitými barvami a jejich rozmístěním. Princip je ale stále stejný, a sice výpočet finální barvy ze sousedních pixelů.

Logickým přístupem je rovněž naskládání trojice senzorů na sebe, čímž bude každý pixel schopen snímat jedním ze tří senzorů světlo o různé vlnové délce. Tuto technologii převedla do komerčního senzoru X3 společnost Foveon, čímž mělo být ve srovnání s běžnými CCD dosaženo výrazně kvalitnějšího barevného podání obrazu. V praxi se ale tento čip zatím nedočkal přílišného úspěchu.

snímač Foveon X3

HD kam se podíváš

Vlna přechodu na vysoké rozlišení (High Definition - HD) postihuje také webkamery, umožňující postupně pořizovat video v HD ready rozlišení a vyšším, ovšem hlavně v dostatečné rychlosti alespoň 30 snímků/sekundu (frames per second - fps).

Kromě navyšování rozlišení začali výrobci přicházet s využitím webkamery například pro přihlašování k počítači, konkrétně ve spojení se software pro rozpoznání obličeje, do budoucna se tak možná dočkáme ještě dalších neobvyklých způsobů použití.

Zdroj: dcviews.com, foveon.com