Laboratorul 3

Echipamente de achizitie a imaginilor Camere foto si video digitale

Continut:

1. Introducere
2. Senzori de imagine
3. Camere foto digitale
4. Camere video digitale
5. Standardul IEEE 1394
6. Camera web digitala Gembird*
7. Camera video digitala Viewcam*
8. Teste

* Camerele ViewCam și Gembird sunt studii de caz și pot fi înlocuite în partea aplicativă cu orice tip de cameră video/web aflată la dispoziția studenților, cu precizarea tipului și caracteristicilor acesteia

5. Standardul IEEE 1394

Comunicatiile care implica transfer de imagini au nevoie de banda de frecventa mare, rata de transfer mare, viteza de prelucrare mare. Camerele analogice se cupleaza la calculator printr-o placa de achizitie (frame grabber, video blaster) care face si conversia analog-numerica. Alte camere, camerele numerice, includ conversia analog-numerica si ofera direct valorile numerice corespunzatoare nivelelor de gri sau culorilor.

O solutie pentru cuplarea acestor camere la calculator este magistrala numerica seriala IEEE 1394 (DV pentru piata de camere video, Firewire pentru Apple, iLink pentru Sony). IEEE 1394 ofera solutia standardizata pentru videoconferinte, transmitand sunet si imagine in timp real. Conform estimarilor de la nivelul anului 2000, anul 2003 este anul in care despre IEEE 1394 se va vorbi ca despre NTSC sau PAL. Acest standard a fost dezvoltat din dorinta de a oferi o solutie universala de conectare simpla pe aceeasi magistrala seriala a perifericelor si echipamentelor video si ofera rate de transfer de ordinul sutelor de megabiti pe secunda (100, 200 sau 400 Mbps). Configurarea se face automat (Plug&Play), iar reconfigurarea este dinamica. Cablu utilizat este subtire si flexibil, suficient pentru a conecta 63 de dispozitive conectate inlantuit (daisy-chain) sau arborescent (tree).

Fig. 42 Conectarea camerei video la un calculator

Standardul suporta simultan (figura 39) canale sincrone (date in timp real, audio, video) si asincrone (pentru controlul traditional al perifericelor). Se pot conecta camere video, CD-ROM, imprimante, dispozitive de stocare in masa, camere video cu caseta, videorecordere. Traficul sincron nu este afectat de cel asincron. In cadrul standardului IEEE 1394 se poate implementa comunicatie bidirectionala si punct-la-punct, care nu foloseste memorie sau resurse CPU.

Fig. 43 Exemplu de ciclu 1394 pentru 3 dispozitive pe magistrala

La 100 Mbps se pot transporta date audio si video comprimate MPEG, lasand loc suficient si pentru controlul asincron. La 200 Mbps se pot transmite imagini in timp real pentru o rezolutie 640×480. La 400 Mbps se poate asigura traficul necesar dispozitivelor de stocare in masa.

Traditional, camerele ofera semnal analogic sau numeric care este convertit in analogic, acesta este transmis pe cablu, iar in calculator trebuie reconvertit numeric, la 26 sau 30 fps (frames per second - cadre/secunde). Fiecare conversie si compresie scade calitatea imaginii. Mentinerea calitatii si a numarului de cadre pe secunda este o sarcina dificila. IEEE 1394 fiind complet numeric, permite eliminarea conversiilor intermediare.

In 1995, SONY a prezentat prima camera numerica cuplata pe 1394, CCM-DS250 la 30 fps si rezolutie 640×480. Exista un singur conector pentru interfatarea camerei pe IEEE 1394 pentru toate semnalele (inclusiv controlul camerei: focus, zoom, stralucire, nuanta, culoare, amplificare, iris, shutter); se transmite si alimentarea in curent continuu.

Fig. 44 CCM-DS250

La nivelul inferior, IEEE 1394 este un standard de comunicatie numerica de foarte mare viteza, asemanator cu FastEthernet. Fata de standardul 100BaseT exista trei diferente:

· Comunicatia se face pe distante mici la viteze mari (intre 400 Mbps si cativa Gbps), dar distanta poate creste cu hub-uri si repetoare ca la IEEE 802.3 Ethernet.

· Se garanteaza banda de frecventa. Pentru canalele sincrone se deschide o banda de frecventa fixa intre cele doua dispozitive, ceea ce permite transmisii video fara intreruperi.

· Este o interfata standardizata pentru camere. Cu mesaje standard se detecteaza o camera conectata si posibilitatile ei de lucru (moduri video, rezolutii, filtre, shutter, parametri de conversie analog-numerica).

Calculatoarele, inclusiv cele portabile, ofera porturi IEEE 1394 si exista placi PCI cu astfel de porturi. O diferenta intre sistemele de achizitie si prelucrare de imagini este data de locul in care se face conversia. Initial, la nivelul senzorului, se numara de fapt electronii acumulati, iar ulterior la citirea sarcinilor din senzor se genereaza un semnal analogic pentru o linie din imagine. Daca conversia are loc in camera, atunci transmisia semnalului se face sub forma numerica care este imuna la zgomot. Varianta alternativa, mai veche, presupune ca se transmite semnalul analogic, mai usor afectat de zgomot si se converteste acest semnal in numeric pe o placa din calculator.

Un alt avantaj mare sustinut de acest standard este posibilitatea cuplarii unui hard-disk cu o camera pe un canal dedicat. Astfel se asigura un transfer sincron de mare viteza, neperturbat, care nu este posibil intr-o cuplare traditionala.

IEEE 1394 are potentialul unui standard de comunicatie numerica. Astfel se pot cupla nu numai camere, ci si hard-disk-uri. Exista firme care produc sisteme de supraveghere si control pentru aplicatii robotice si care dezvolta aplicatii in care sunt cuplate, pe magistrale IEEE 1394, dispozitive de intrare-iesire pentru masini-unelte si roboti ca si dispozitivele de control al miscarii. Se reduce astfel costul cablarii si instalarii ceea ce e mare avantaj pentru integratorii de sistem.

O intrebare fireasca care se pune este daca IEEE 1394 va elimina necesitatea placilor de achizitie si prelucrare de imagini (frame grabber) din calculator. Pentru a raspunde la aceasta intrebare, se remarca faptul ca functiile unui frame grabber (figura 42) pot fi impartite in doua grupe:

· front-end: interfata cu exteriorul, achizitia datelor de la camera, controlul camerei (shutter, controlul expunerii, reset asincron etc.), receptia sincronizarilor si declansarilor externe, controlul procesului prin semnale I/O numerice, controlul luminii stroboscopice;

· back-end: interfata cu calculatorul, primirea instructiunilor de programare, transferul imaginilor numerice, afisarea imaginilor.

Fig. 45 Frame grabber

Standardul IEEE 1394 ofera multe din functiile front-end, dar nu pe toate. In plus, IEEE 1394 ofera un mod de a interfata frame grabber-ele cu camerele. In mod curent aceasta interfata este una analogica RS-170, dar ea poate sa fie inlocuita cu IEEE 1394. Exista circuite integrate care ofera intr-un cip si interfata IEEE 1394 si interfata PCI cu calculatorul. Astfel se pot dezvolta interfete sau frame grabber-e ieftine. Totusi, acestea nu au eliminat frame grabber-ele pentru ca nu ofera toate functiile front-end (de exemplu, declansare externa) si pentru ca functiile back-end nu sunt performante (de exemplu, transferul imaginilor). Performanta frame grabber-lor este critica in ceea ce priveste transferul si prelucrarea imaginilor pentru aplicatii de grafica sintetica, deci IEEE 1394 nu le va elimina.

La nivelul anului 2001 s-a scris foarte mult despre competitia dintre USB 2.0 (Universal Serial Bus) si IEEE 1394. USB 2.0 la 480 Mbps a fost asteptat si practicat a devenit standard pe majoritatea calculatoarelor personale si pentru toate dispozitivele care au nevoie de magistrala de comunicatie de banda larga. Dintre aceste dispozitive multe sunt folosite in aplicatii industriale si stiintifice care utilizeaza imagini. Pana la impunerea definitiva a standardului USB, IEEE 1394 (FireWire pentru Apple si i.Link pentru Sony) la 400 Mbps ramane singura solutie de conectare de mare viteza si se apreciaza ca va ramane solutia viabila pentru comunicatia intre dispozitivele care manipuleaza imagini. O posibila impartire a aplicatiilor ar putea fi:

· USB pentru perifericele calculatoarelor personale;

· FireWire pentru dispozitivele electronice casnice (consumer electronics): camere video numerice, videocasetofoane numerice, videodiscuri, televiziune numerica.

IEEE 1394 este cu doi ani in avans fata de USB, un standard respectat de majoritatea camerelor video digitale, de multe camere foto digitale si de alte dispozitive electronice de consum. Se pune intrebarea de ce a mai fost nevoie sa se caute un alt standard pentru comunicatia de mare viteza. Nu se poate mentiona vreun avantaj particular pentru USB 2.0 in afara vitezei mai mari, 480 bps fata de 400 bps, si a compatibilitatii cu USB 1.1 (care a pornit de la 12 Mbps). S-ar putea totusi mentiona ca USB este un produs Intel, in timp ce IEEE 1394 nu este un astfel de produs, USB fiind promovat de un grup de firme din care fac parte Compaq, HP, Intel, Lucent, Microsoft, NEC si Philips.