Сделай Web-камеру своим помощником

Юрий Морзеев

Современная Web-камера

Игры с Web-камерами

Видеоохрана

Web-камера как средство доступа и авторизации

Виртуальный помощник по хозяйству

Видеоконференции и дистанционное обучение

Окно в мир

«Взрослые» Web-камеры

Больше решений хороших и разных

О web-камерах в нашем журнале рассказывается достаточно часто, что вполне понятно: число пользователей этого незамысловатого и доступного (средняя цена Web-камер сегодня колеблется в пределах 40-50 долл.) большинству владельцев персональных компьютеров устройства постоянно и уверенно растет. И это несмотря на предрекавшееся несколько лет назад падение интереса к Web-камерам! В чем же секрет роста популярности Web-камер, как их можно применять в повседневной жизни, где и в чем они могут стать помощниками человека, и даже заменить его? Ответить на эти и другие, не менее интересные вопросы мы постараемся в настоящей статье.

Современная Web-камера

режде всего рассмотрим функциональные возможности Web-камер. Современная Web-камера представляет собой сложное устройство, которое производит не только видеосъемку, но и сжатие и передачу видеоизображений. В состав любой Web-камеры входят ПЗС- или КМОП-матрица, объектив, оптический фильтр, блок компрессии изображения, модуль видеозахвата, ОЗУ, флэш-память, сетевой интерфейс и центральный процессор.

Область применения Web-камер достаточно широка (рис. 1). Web-камеры предназначены для организации видеонаблюдения, передачи видеоизображения, проведения компьютерных игр и видеоконференций в режиме онлайн и для решения многих других задач.

Рис. 1. Примеры современных Web-камер

Подключить камеру к компьютеру несложно. Для этого достаточно соединить камеру с USB-портом компьютера с помощью специального кабеля и запустить программу установки драйверов. Далее процесс предельно автоматизирован. Большинство приложений без труда находят на персональном компьютере инсталлированный видеодрайвер. И вот уже пользователь может запустить одно из готовых приложений или написать и протестировать свое собственное.

Игры с Web-камерами

огда web-камеры получили широкое распространение, появились игровые приложения для них. Отличительная особенность таких игр — принципиально новый интерфейс управления игрой, предоставляемый камерой, — так называемый бесконтактный интерактивный интерфейс, которым пользователь управляет на расстоянии.

Принцип работы большинства игровых приложений следующий. При запуске игрового приложения происходит автоматическая калибровка камеры на условия работы (наряду с этим во всех игровых приложениях существует возможность ручной настройки чувствительности камеры, когда пользователь сам может более точно настроить чувствительность работы программы). В большинстве случаев сначала пользователю предлагается обучающая программа, которая показывает, каким образом осуществляется управление во время игры. Как правило, пользователь управляет игрой с помощью жестов или на основе технологии motion detection (детектирования наличия движения). Далее пользователю предлагается выбрать одну из четырех-пяти игр. Наиболее распространенные игры — баскетбол, волейбол, карате, прыжки через препятствия, слалом и т.п.

Выбрав одну из игр, пользователь двигается в поле зрения камеры, которая осуществляет интерактивную связь с компьютерной программой (рис. 2).

Рис. 2. Игровой интерфейс компании SeeStorm

Отличительная особенность таких игр заключается в том, что в них одновременно могут играть несколько человек, что привносит в игры азарт и желание победить соперника. Более того, эти игры не дают пользователям сидеть перед компьютером, лениво нажимая на кнопки и двигая мышью, — во время игры им приходится активно двигаться. И это, на мой взгляд, одно из главных преимуществ такого рода игр.

К недостаткам большинства подобных игр относится жесткое требование к неподвижности фона. Причина этого кроется в базовой технологии компьютерного зрения, которая лежит в основе данных программ. За исключением приложений, использующих непосредственное распознавание жестов, все они чувствительны к наличию постороннего движения в поле зрения камеры.

В заключение отметим, что пионером в данном сегменте рынка была американская компания Reality Fusion, выпустившая в 1998 году пакет игр GameCam для камер фирмы Logitech. К сожалению, эта компания уже прекратила свое существование. Из российских компаний на рынке одной из первых в конце 90-х годов начала в распространять свой игровой пакет под управлением Web-камеры фирма SeeStorm (www.seestorm.com/cv/#md).

Видеоохрана

настоящее время Web-камеры весьма редко используются в профессиональных охранных системах видеонаблюдения по нескольким причинам. Во-первых, для этого есть чисто технические препятствия, связанные с ограниченной длиной кабеля для проводной камеры и малой зоной удаления для беспроводной. Во-вторых, в настоящий момент существуют ограничения аппаратного характера на количество камер, которые можно одновременно подключить к одному и тому же персональному компьютеру. В-третьих, Web-камеры имеют слишком низкое разрешение и, как следствие, низкую скорость передачи видео с предельным разрешением (с максимально возможным разрешением 640Ѕ480 пикселов Web-камера позволяет передавать через интерфейс USB 1.0 не более двух-трех кадров в секунду; с появлением интерфейса USB 2.0 эта проблема снимается). В-четвертых, оптические характеристики Web-камер существенно хуже, чем у камер, традиционно используемых в охранных комплексах, — Web-камерам не хватает четкости и резкости. В-пятых, внутренняя логика автоматической адаптации камер к условиям освещенности существенно затрудняет их применение в профессиональных системах; к тому же у многих Web-камер невозможно отключить автоматический режим работы. В-шестых, встраиваемые алгоритмы сжатого предоставления видеосигнала (большинство камер кодирует RGB-сигнал в YUV) недостаточны для компактного хранения данных. Все вышеперечисленное, наряду с тем, что кадр, выдаваемый Web-камерой, состоит из двух полукадров (это не позволяет считать его достоверным), делает применение этих устройств в охранных системах весьма ограниченным, сводя его к использованию лишь в системах обзорного, а не охранного наблюдения.

Однако каждый пользователь может легко построить на основе Web-камеры охранную систему, которая, например, будет дистанционно охранять его припаркованный под окнами автомобиль (рис. 3) или выдавать предупредительный сигнал при обнаружении посторонних в охраняемой зоне (входная дверь, коридор, лестничный пролет и т.п.). Такую задачу можно решить, используя алгоритмы детектирования наличия движения, для надежности сделав их нечувствительными к периодическому и хаотическому движению, к засветке, к движению с малой или большой скоростью. Это можно сделать и на основе сравнения «пустого» эталонного изображения с изображением, регистрируемым в каждый момент времени. Для этого надо навести подсоединенную к персональному компьютеру камеру на нужный объект и запустить программу слежения — стандартную от компании-разработчика или самостоятельно разработанную пользователем персонального компьютера.

Рис. 3. Пример работы системы, детектирующей движение автомобиля

Безусловно, такая самодельная система никогда не сравнится с профессиональной охранной системой, включающей еще с десяток различных датчиков. Но элементарные охранно-предупредительные функции она вполне способна выполнять. При этом очевиден тот факт, что система с удаленной камерой малоуязвима, так как ее работоспособность целиком зависит от работы персонального компьютера, который находится вне охраняемой зоны.

Рассмотрим несколько примеров охранных Web-камер. В 2001 году корпорация Sony анонсировала новую подключаемую к компьютерной сети Web-камеру SNC-RZ30N, имеющую собственный Web-сервер (рис. 4). Камера, передающая данные по протоколу TCP/IP, может быть использована как в системах безопасности и наблюдения, так и в любых других приложениях, где осуществляется мониторинг с помощью локальной сети или Интернета. Камера может работать с разрешением до 640Ѕ480 пикселов. Максимальная скорость съемки — 30 кадров в секунду. Предусмотрены режимы «день» и «ночь»; для стабилизации изображения применяется фирменная технология Sony SteadyShot. Web-сервер обеспечивает одновременное подключение до 50 пользователей, дистанционное управление наклоном и увеличением. Среди поддерживаемых протоколов — FTP, DHCO, SNMP, SMTP.

Рис. 4. Камера SNC-RZ30N от компании Sony

Web-камера DCS-5300 компании D-Link и ее беспроводная версия DCS-5300W (рис. 5) оснащены высококачественными стеклянными линзами, обеспечивающими ясное и четкое изображение с разрешением 640Ѕ480 пикселов даже в слабоосвещенных местах. В новых камерах реализована передовая технология сенсоров Charge Coupled Device (CCD). Через Web-браузер можно следить за происходящим дома, рассматривать детали интерьера и т.д., так как на аппаратном уровне предусмотрено управление камерой: поворот и изменение масштаба. Интересно, что встроенный сервис DDNS позволяет задать камере персональный Интернет-адрес, например www.myhome.ru. Затем достаточно зайти на сайт, чтобы получить видеопоток.

Рис. 5. Камера DCS-5300W от компании D-Link

Web-камера как средство доступа и авторизации

eb-камеры можно использовать не только для охраны объектов, но и в качестве средства контроля доступа как в различные помещения, так и к персональному компьютеру. Рассмотрим эти способы применения Web-камер подробнее.

В настоящее время в крупных российских городах повсеместно практикуется установка на дверях подъездов электронных замков и домофонов. Каждый день миллионы людей вынуждены использовать специальные ключи или вводить кодовый пароль для того, чтобы войти в свой подъезд. Казалось бы, простая операция, но порой она способна вызвать раздражение, когда, например, возвращаясь домой с полными сумками или опаздывая, мы вынуждены судорожно искать в карманах заветный ключ. Однако один из таких «ключей», позволяющих идентифицировать личность, мы носим всегда с собой. С помощью этого «ключа» нас узнают в кругу друзей, в коллективе, в толпе, при прохождении паспортного контроля. Думаю, что большинство читателей уже догадались, что речь идет о лице. Именно лицо — та часть тела, которую, в отличие от других биометрических объектов, человек предъявляет безо всякого напряжения.

В своих предыдущих статьях, посвященных анализу биометрических систем, автор подчеркивал тот факт, что системы, основанные на распознавании лица, являются далеко не самыми надежными. Несмотря на прошедшие с момента публикации несколько лет, ситуация пока не изменилась к лучшему. Однако для видеодомофона эта технология подходит, ведь в данном случае речь идет не о распознавании тысяч или сотен тысяч людей по изображению их лиц, а о паре-тройке десятков соседей. В рамках такого объема изображений задача авторизованного доступа имеет совершенно другой контекст. Более того, в отличие от систем безопасности, здесь не требуется абсолютно надежное решение. Для повышения же надежности можно предложить жильцу ввести на консоли номер квартиры. В качестве простого и надежного устройства ввода видеоинформации для видеодомофона может служить Web-камера.

Этим способом область применения возможности использования Web-камер в качестве средств доступа не ограничивается. Например, многим родителям приходится бороться с чрезмерным увлечением своих детей компьютерными играми и с их бесконечными путешествиями по Интернету, особенно если это начинает сказываться на их здоровье и на результатах учебы. Помимо простых и доступных каждому паролей на BIOS, которые дети уже научились преодолевать, помочь могут замки нового поколения для компьютера — видеозамки, построенные на основе технологии распознавания лица.

Кроме того, на базе Web-камер можно создать приложение, которое будет сообщать владельцу персонального компьютера о том, кто в его отсутствие пытался воспользоваться компьютером. Программу для Web-камеры можно построить таким образом, чтобы она сохраняла фотопортреты злоумышленников и предъявляла их хозяину после авторизации последнего. С помощью этого же средства можно запретить или ограничить доступ детей как к персональному компьютеру, так и к отдельным программам. Чтобы лимитировать присутствие ребенка за компьютером, можно установить для него и временные рамки.

Виртуальный помощник по хозяйству

рименение Web-камер для персональных компьютеров в домашних условиях не ограничивается вышеперечисленными примерами. В настоящее время все чаще Web-камеры и персональные компьютеры используются для удаленного наблюдения за домом или офисом, а также за детьми. В последнем случае достаточно разместить камеру в игровой, детской или в саду перед домом и настроить зоны чувствительности камеры (например, по границам изображения) таким образом, чтобы не только осуществлялся удаленный визуальный контроль, но и фиксировался момент, когда дети покидают зону наблюдения. При этом компьютер, на котором стоит специальная программа, издаст тревожный сигнал и тем самым привлечет внимание взрослого. Весьма быстрыми темпами по всему миру ведется разработка мобильных систем, которые могут не только следить, но и передвигаться вслед за объектами слежения, причем некоторые модели таких роботов могут даже подниматься по ступенькам. Оборудованные поворачивающимися Web-камерами и специальными шасси, эти механизмы могут получать удаленные команды, посылаемые с персонального компьютера даже через Интернет. Таким образом, мама, сидя на работе, может отправить механическую «няньку» в ту или иную комнату, чтобы получить изображение на своем компьютере. А сам аппарат может согласно внутренним алгоритмам компьютерного зрения вырабатывать сигнал тревоги и через беспроводную сеть внутри дома связываться с удаленными персональными компьютерами родителей и передавать им видеоинформацию.

Помимо этого все чаще предпринимаются попытки использовать Web-камеры в интеллектуальных домах. Многие ведущие компании, такие как Samsung, LG, Sony и т.п., ведут серьезные разработки по оснащению камерами различной бытовой техники, начиная от пылесосов, которые в автоматическом режиме могут убирать помещения, и заканчивая телевизорами, которыми можно удаленно управлять с помощью различных жестов, обозначающих стандартные команды увеличения/уменьшения громкости, переключения на другую программу и т.д.

Видеоконференции и дистанционное обучение

истемы видеоконференц-связи известны уже давно и неоднократно рассматривались на страницах данного журнала. На протяжении многих лет видеоконференции ассоциировались исключительно с профессиональным дорогостоящим оборудованием. Бурное развитие сетевых технологий и увеличение вычислительной мощности персональных компьютеров сделали возможной организацию видеоконференций в домашних условиях. Производством программного обеспечения для видеоконференций занимаются многие компании, среди которых Microsoft, Intel, White Pine, Picture Tel, Vocaltec и др.

Целый ряд пакетов, поставляемых с Web-камерами, уже содержит специальные программные приложения для организации и проведения видеоконференций. Наряду с этим существует бесплатная программа для проведения видеоконференций — NetMeeting, которую можно скачать через Интернет с сайта компании Microsoft. Кроме видеоконференций, программа поддерживает такие полезные функции, как совместное использование приложений, совместная работа с данными (whiteboard), функция Remote Desktop Sharing, позволяющая совместно использовать рабочий стол Windows и удаленного персонального компьютера.

Помимо этого существует ряд других приложений, обеспечивающих дистанционную работу. Например, посредством программы VideoLink Mail (www.smithmicro.com) можно разослать подготовленный с помощью Web-камеры видеоролик, учебный фильм или видеопрезентацию. А инструментальная программа Webcam32 позволяет пересылать полученные с использованием Web-камеры снимки через Интеренет.

В последние годы Web-камеры стали активно применяться для систем дистанционного обучения, весьма актуального для удаленных районов, где нет квалифицированных преподавателей. Высокий уровень развития телекоммуникаций и расширение образовательного пространства позволяют значительно изменить образовательную систему. Ключевыми факторами успешного внедрения новых технологий являются дешевизна оборудования и низкие требования к пропускной способности каналов передачи данных. Поэтому зачастую и в составе систем видеоконференций, и в системах передачи так называемого синтетического видео в начальный момент времени транслируется трехмерный персонаж, а впоследствии передаются лишь управляющие этим объектом команды. Причем такие системы могут распознавать не только повороты головы человека, сидящего перед камерой на передающей стороне, но и его эмоции (радость, грусть, удивление). Вследствие этого существенно снижаются требования к каналам передачи данных и становится возможной удаленная работа с помощью стандартного модема.

Окно в мир

eb-камеры по-прежнему используются для организации так называемых окон в мир, когда пользователи персональных компьютеров подключают свои Web-камеры и через Глобальную сеть передают изображения с камеры на специальные серверы, откуда все желающие могут эти кадры получить. Таким образом, каждый пользователь, имеющий доступ в Интернет, может увидеть такие места, которые он вряд ли когда-нибудь посетит. Ежеминутно в мире тысячи Web-камер направлены на разные объекты. Сейчас трудно найти столицу государства или крупный город , где не было бы постоянной Web-трансляции. Обычно люди нацеливают Web-камеры на себя или на своих близких, но есть и более интересные объекты, например муравейник или городское такси. Более того, пользователям Интернета доступна камера NASA, транслирующая изображение Земли.

Существуют сайты со списками камер, например www.earthcam.com, где можно подключить свою камеру к трансляции. Для этого необходимо, имея подсоединенную к персональному компьютеру камеру, зарегистрироваться на Интернет-сайте и установить связь с сервером, после чего ваши изображения станут доступны всему миру (если, конечно, вы не введете пароль на ограничение доступа).

«Взрослые» Web-камеры

ак уже отмечалось, несмотря на дешевизну и доступность, Web-камеры имеют ряд существенных недостатков: низкое качество входных изображений, отсутствие оптического увеличения и других атрибутов, присущих дорогим современным камерам. Поэтому у многих пользователей домашних компьютеров возникает естественный вопрос: можно ли в качестве Web-камеры использовать цифровой фотоаппарат или видеокамеру? Как правило, большинство из перечисленных устройств не требуют специальной установки драйверов для Windows XP или 2000, работая с совместимыми драйверами. Однако иногда отдельная установка драйверов видеозахвата необходима.

Рассмотрим несколько цифровых фотоаппаратов и видеокамер, с которыми можно работать как с обычной Web-камерой (рис. 6). К примеру, модель PhotoClip от компании Daisy Technology выполняет функции фотокамеры, РС-камеры, МР3-плеера и диктофона. В технической литературе описаны два варианта комплектации этой камеры — VGA (640Ѕ480) CMOS-сенсором Hewlett-Packard либо 1,3-мегапиксельной CCD-матрицей. Устройство снабжено 16 Мбайт встроенной памяти и слотом для карт CompactFlash. Объектив камеры имеет постоянное фокусное расстояние и обеспечивает съемку с расстояния от 50 см до бесконечности. С помощью PhotoClip можно записывать не только JPEG-картинки, но также AVI-клипы и голосовые комментарии. При USB-подключении к ПК аппарат выполняет функции Web-камеры.

Рис. 6. Примеры цифровых аппаратов и видеокамер, которые можно использовать как Web-камеры

Камера Fuji FinePix 6900 Zoom умеет захватывать 6-мегапиксельные изображения. В комплект поставки входит док-станция Picture Cradle, в которую камера устанавливается для зарядки аккумулятора и USB-связи c ПК. FinePix 6800 Zoom может также использоваться в режиме подключенной Web-камеры.

Камера Creative PC-CAM 550 одноименной фирмы (www.creative.com) является комбинацией Web-камеры и цифровой камеры с разрешением 1280Ѕ1024 пикселов.

Большинство современных цифровых видеокамер ведущих мировых производителей, например фирмы Sony, также поддерживают USB-интерфейсы и могут быть использованы в качестве Web-камер.

Подключая данные устройства к ПК через USB-интерфейс, пользователь может создавать интересные видеоархивы, электронные фотоальбомы или просто использовать видеокамеру либо фотоаппарат вместо Web-камеры.

Больше решений хороших и разных

настоящее время владельцы Web-камер не только являются потребителями готовых решений и приложений, о которых шла речь выше, но и уже научились самостоятельно создавать решения, основываясь на открытых библиотеках типа Open CV, предоставляемой компанией Intel. Такие библиотеки содержат низкоуровневые процедуры обработки и анализа изображений, а также примеры готовых решений. При этом библиотеки включают базисные функции не только для алгоритмов двумерного зрения, то есть любой пользователь с помощью пары Web-камер сможет построить решения и в области стереозрения.

Взяв за основу рекомендуемые высокоуровневые алгоритмы из этих библиотек, достаточно легко создать собственное приложение, которое будет уникальным, а значит, вызовет интерес у других пользователей. При этом от пользователя не требуются глубокие знания в области компьютерного зрения и в прикладных областях. Необходима лишь математическая эрудиция и приличное знание программирования. Дальше все зависит от фантазии и целеустремленности пользователя.

В России рынок услуг по поставке решений, основанных на технологии компьютерного зрения, уже сложился. Многие компании имеют библиотеки решений, сравнимые, а порой и значительно превосходящие открытую библиотеку Intel. К таким компаниям можно отнести IITVision (www.iitvision.ru), SeeStorm (www.seestorm.com), «Альпари Софт» (www.alparysoft.ru) и др. Все они уже давно и успешно поставляют на рынок готовые решения в области технологий компьютерного зрения, в том числе и для Web-камер.

Таким образом, потенциал Web-камер не исчерпан — наоборот, они находятся на пике своего развития и требуют все новых и новых решений. И быть может, экспериментируя сегодня дома с Web-камерой, завтра кто-то предложит решение, которое потрясет весь компьютерный мир.

КомпьютерПресс 6'2004