www.svethardware.cz
>
>
>
>
>
>

Megatest webkamer pro USB - část první

Megatest webkamer pro USB - část první
, , recenze
V dnešní době moderních způsobů elektronické komunikace, začíná čím dál tím více lidí využívat nejen přenosu zvuku, ale rádi si k tomu přidají i obraz. A právě na to, jak obraz zaznamenávat, se dnes podíváme. Ukážeme si několik webkamer a porovnáme jejich parametry a kvality. Samozřejmě nebude chybět podrobné srovnání a soupis všech funkcí jednotlivých kamer.
reklama
Princip fungování webkamer

Prvně si vysvětlíme, jak taková kamera vůbec obecně pracuje a co pro přenesení a zaznamenání obrazu potřebuje. Je důležité si uvědomit, že jakákoliv web-kamera je prakticky obyčejný digitální fotoaparát s nízkým rozlišením a vysokou kompresí. Obraz je pak zaznamenán tak, že světlo, jež projde přes čočku, dopadá na elektronický čip. Nejčastěji je ve webkamerách CMOS (complementary metal oxide semiconductor) - tady je první rozdíl oproti digitálním fotoaparátům - ty nejčastěji pro snímání využívají čip CCD (charge coupled device). Takovýto čip je složen ze spousty malých fotovoltaických diod, které po dopadu částečky světla (fotonu) propustí elektrický náboj. Čím více světla na diodu dopadne, tím více elektrického náboje vytvoří.


Čipy CMOS, CCD a rozlišení

Vůbec první technologií, jež umožnila masivní nástup digitálních fotoaparátů a podobné techniky, byl bezesporu čip CMOS. Ten je podstatně méně nákladný na výrobu než CCD a právě proto je hojně využíván v zařízeních jako jsou právě web-kamery či mobilní telefony. Základním principem je na nějaké pole uspořádat co nejvíce diod, které zajistí velmi vysoké rozlišení a tím pádem i vysokou kvalitu výsledného obrazu. Jak u CMOS tak u CCD jsou pro to využívány složité vědecké postupy, díky nimž v dnešní době dokážeme na čip velikosti 1 x 1 cm vtěsnat těchto diod i více než 10 miliónů. Právě údaj, jenž nám říká, kolik diod bylo na čip vtěsnaných, je označován pod pojmem rozlišení. S tímto pojmem se dozajista každý již někdy setkal. Pro web-kamery jsou běžná především rozlišení 320x240 (65000 pixelů) a 640x480 (307200 pixelů). Je jasné, že čím větší rozlišení máme, tím kvalitnějších a detailnějších snímků můžeme dosáhnout - to je však ale samozřejmě svázáno s větším množstvím dat, které musí být s každým snímkem zpracovány


Čip CMOS.

Ačkoliv má sice CCD v dnešní době prakticky 90% zastoupení ve všech snímačích, je jeho budoucnost ne až tak jistá, neboť technologie CMOS se i přes své drobné nevýhody dostává opět na špičku. Ačkoliv CMOS za dobu svého vývoje nezaznamenaly skoro žádnou výraznou technickou změnu, začínají si výrobci opět všímat jeho výhod a drobné nevýhody dokáži docela snadno potlačit. Nesporné výhody jsou nízká spotřeba energie a tím pádem menší produkce tepla, dále zásadně levnější a rychlejší výroba s menší pravděpodobností chybovosti a nakonec také menší spotřeba křemíku. Posledním a jedním z nejpodstatnějších důvodů, proč se přiklonit k CMOS a ne k CCD, je rychlost, jakou dokáže čip CMOS přenést záznam na A/D převodník a tím získat prostor pro další focení (tento parametr je v dnešní době u profesionálů často limitujícím faktorem). Technologie CMOS je navíc daleko méně náchylná na "smear efekt".

Nejčastěji se dnes můžete setkat s digitalními zařízeními, jež jsou založeny na technologii CMOS právě ve webkamerách, mobilních telefonech a dnes čím dál tím častěji i v profesionálních digitálních zrcadlových fotoaparátech. Je tedy jasné, že CMOS si i přes své drobné nevýhody dokázal vybudovat silnou pozici a neustále ji zlepšuje - na druhou stranu si je ale třeba uvědomit, že i čipy CCD procházejí neustálým vývojem a jejich místo bude pravděpodobně i nadále v kompaktních a polo-profesionálních fotoaparátech.


Jak uchovat barvy

Dalším problémem je, jak uchovat barevný obraz. Diody jsou sice schopny zaznamenat světlo, ale to pouze v černo-bílém spektru (světlo buď svítí s jistou intenzitou a nebo nesvítí). Proto aby bylo možné zaznamenat i barvu, je potřeba použít nějakých filtrů, abychom kromě intenzity světla získali i údaj o třech základních složkách barevného spektra. Jakmile jsou barvy zaznamenány, je pro každý pixel uložena informace o hodnotách barevných složek - například 15% červené, 72% modré a 13% zelené. Tím je přesně dána výsledná barva jednotlivého pixelu.

Metod na oddělení barevných složek se dnes používá několik. První a nejlepší metodou je tzv. beam splitter (dělič paprsků). Jeho funkci si nejlépe představíme na poněkud odlišném principu. Řekněme, že máme kohoutek, přes který proudí voda. Na tento kohoutek tedy nasadíme dělič a výsledný proud rozdělíme do tří nezávislých toků, které ale mají všechny stejnou velikost. Na čip nám tedy dopadají tři nezávislé proudy o stejných hodnotách. Nyní stačí na každý z těchto tří proudů nasadit barevný filtr a propustit tak pouze jednu základní barvu. Tato metoda je sice velice přesná a spolehlivá, avšak je také velmi drahá a rozměrná.



Názorná ukázka funkce Beam splitteru.

Druhou metodou je způsob zaznamenávání díky sérii otáčejících se modrých, zelených a červených filtrů před každým jednotlivým pixelem. V praxi to vypadá tak, že na čipu není žádný záznam. V tu chvíli, jak dojde k otevření závěrky, se provede snímek skrze červený filtr, kruh se pootočí a vytvoří se záznam zelené barvy a nakonec po otočení je zaznamenána barva modrá. Tyto tři obrázky jsou složeny dohromady a tím je získán výsledný barevný obrázek. Tento pixel tedy zaznamená tři obrázky (každá složka zvlášť) ve velmi rychlém časovém intervalu. Tato metoda ale vyžaduje, aby všechny tři snímky byly zaznamenány naprosto stejně a fotografovaný objekt se mezi tím vůbec nepohnul. Je tedy jasné, že není příliš vhodná pro kompaktní fotoaparáty či kamery.

Nejekonomičtější a nepraktičtější způsob záznamu barvy je permanentní umístění filtrů přes jednotlivé pixely. Díky rozdělení senzoru na mnoho nezávislých modrých, zelených a červených sub-pixelů je možno získat prakticky věrný barevný záznam. Výsledná barva jednotlivého pixelu je pak získána odhadem podle barvy na vedlejších pixelech - tento proces se nazývá Interpolace.

Nejčastěji je však v dnešní době v zařízeních jako jsou web-kamery používána metoda Bayerova filtru. Tato metoda střídá řady červeno-zelených filtrů s řadami modro-zelených filtrů. Pixely však nejsou rozděleny rovnoměrně - zelených je přesně tolik, kolik je modrých a červených dohromady. Říkáte si, zda to není nějaké divné? Vězte, že je tomu proto, neboť lidské oko není schopno vnímat všechny základní složky stejně a proto je potřeba přidat více pixelů zelené barvy, aby byl výsledný vjem opravdu rovný realistickým barvám. Díky těmto filtrům je možné všechny informace zaznamenat na čip v tu samou chvíli a tudíž může zařízení být menší, levnější a především schopné snímat prakticky za všech podmínek. Možná si také říkáte, jak je možné, že kamera získá barevné schéma jednotlivého pixelu, když pro určení jeho barvy potřebuje pixely čtyři. K tomu slouží speciální algoritmus, který z barevné mozaiky utvoří snímek v true colour. Základním klíčem k úspěchu je, že každý získaný pixel může být použit více než jednou. Skutečné barvy jednotlivého bodu jsou pak získány z průměrné barvy všech pixelů, které se nachází po jeho stranách.



Bayeruv filtr - všimněte si množství červených a modrých v poměru k zeleným pixelům.


Digitalizace získaných dat

V předešlé části jsme si ukázali, jak je obraz zaznamenán a jakým způsobem jsou získány barvy. Už víte, že světlo je měněno v elektrický náboj v CMOS nebo CCD, ale tento signál není ten, který je možné zobrazit na PC nebo ve fotoaparátu. Samotný signál musí nejdříve projít konvertorem a být přeměněn z analogového na digitální. Poté je obraz interpolován v zabudovaném mikroprocesoru. Zařízení vlastně zjišťuje množství náboje, které se na jednotlivých částech čipu vytvořilo a podle jeho velikosti zapíše pro tento čip binární informaci do paměti (čím více světla na pixel dopadlo, tím větší náboj je v něm vytvořen a tím je světlejší). Takže velikost náboje je analogová informace, zatímco výsledná binární hodnota, kterou tento náboj prezentuje, je informace digitální.

Dalším důležitým prvkem, jež je třeba si objasnit, je skutečný počet pixelů a světločivých jednotek - doposud jsem obě věci považoval za sobě rovné pro zjednodušení. Jistě jste si někdy všimli, že udávaný počet pixelů zcela nesedí s maximálním udávaným rozlišením. Například digitální fotoaparát s 2,1Mpix slibuje snímat fotky v maximálním rozlišení 1600 x 1200. Pokud si ale rozlišení roznásobíme, získáme hodnotu 1 920 000. Tento rozdíl opravdu není žádnou chybou ani nekalým reklamním trikem - tyto dvě čísla se od sebe ve skutečnosti odlišují. Pokud je na kameře napsáno, že obsahuje 2,1Mpix, pak to znamená, že ve snímacím čipu je zhruba 2 100 000 světločivých jednotek. Ty jednotky, jež nejsou přímo využity jako snímací plocha, slouží pro porovnání s osvětlenými jednotkami. Jelikož se jedná o analogový proces, je potřeba, aby systém měl informaci o tom, jakou hodnotu má považovat za nulovou (v tomto případě jsou to právě ty neosvětlené jednotky).


Komprese

Posledním pro nás důležitým faktorem je komprese. Jelikož fotografie, jež jsou s vyšším rozlišením než 1,2Mpix, zabírají již velmi mnoho místa, je potřeba, aby byla jejich velikost nějakým způsobem zmenšena a to pokud možno s co nejmenší ztátou kvality. Tato komprese je založena na dvou základních principech jimiž jsou Repetition (opakování) a Irrelevancy (bezvýznamnost). Prakticky na každé fotografii je mnoho odstínů různých barev, které se často opakují (například fotografie oblohy apod.). Díky opakování lze pak uložit informaci o tom, kde se podobná data vyskytují a díky tomu ušetřit mnoho místa bez toho, aby byla fotografie při rekonstrukci nějakým způsobem znehodnocena. Druhá metoda vychází z faktu, že lidské oko není schopno postřehnout mnoho detailů jež jsou na fotografii obsaženy a tudíž je nahradí průměrným okolím a nebo je zcela odstraní. Většina fotoaparátů i web-kamer obsahuje několik stupňů této komprese, kdy je na úkor kvality snižována výsledná velikost záznamu.

Myslím, že toto je jako úvod bohatě dostačující a většina čtenářů si nyní dokáže udělat objektivní obrázek o funkci a možnostech jednotlivých technologií. Pokud by měl někdo zájem, tak není problém si o této problematice najít detailnější informace - to ovšem není náplní tohoto článku. Berte jej spíše jako první nastínění této problematiky. Nyní se tedy vrhneme na detailní rozbor všech kamer. V jednotlivých kapitolách si je postupně rozebereme, popíšeme si jejich klady a zápory a opomenut nezůstane ani obslužný software.
reklama
Nejnovější články
Orange Pi 3 zaútočí na Raspberry Pi 3 Orange Pi 3 zaútočí na Raspberry Pi 3
Konkurence pro počítače Raspberry Pi už je dost, ale další na výběr snad neuškodí. Nyní přichází model Orange Pi 3, který už dle svého názvu chce oslovit zákazníky, kteří by jinak mohli sáhnout po modelu Raspberry Pi 3. 
Dnes, aktualita, Jan Vítek
Fortnite se stává oblíbeným způsobem praní špinavých peněz Fortnite se stává oblíbeným způsobem praní špinavých peněz
Praní špinavých peněz přes herní a jiné podobné digitální platformy není ničím až tak novým. S rostoucí popularitou hry Fortnite se ale právě ta stává jedním z nejoblíbenějších způsobů, jak vyčistit kradené peníze.
Dnes, aktualita, Milan Šurkala
Autoři malwaru natěžili na počítačích obětí Monero za 57 mil. USD Autoři malwaru natěžili na počítačích obětí Monero za 57 mil. USD
Monero je nejoblíbenější kryptoměnou, pokud jde o cryptojacking, tedy jejich těžbu pomocí malwaru na napadených počítačích obětí, A jde o dosti výnosný byznys. Jedna studie totiž tvrdí, že si takto útočníci přišli na 57 milionů USD.
Dnes, aktualita, Milan Šurkala
GDPR udeřilo na Google, čeká jej pokuta 50 milionů EUR GDPR udeřilo na Google, čeká jej pokuta 50 milionů EUR
Google už opět vyhrává závod v rekordních pokutách. Francie mu za porušení nařízení GDPR napařila takovou pokutu, že dosavadní rekord za porušení nařízení GDPR překonala více než 100násobně.
Včera, aktualita, Milan Šurkala
Nightdive ukazují svůj pokrok na remaku System Shocku Nightdive ukazují svůj pokrok na remaku System Shocku
Vypadá to, že po téměř fatálním škobrtnutí jsou Nightdive Studios ve vývoji notně přepracovávaného System Shocku opět na správné cestě. Můžeme se tak i podívat na video, které ukazuje záběry z pre-alpha verze. 
Včera, aktualita, Jan Vítek