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1 LICENCE PROFESSIONNELLE GESTION DE PRODUCTION INDUSTRIELLE SPECIALITE VISION INDUSTRIELLE Projet bibliographique Description d une webcam BREZAN Grigore-Lucian et CARPENTIER Clement 13/12/2010 Année 2010/2011

2 Sommaire l) Généralités...3 1) Définition 3 2) Applications...3 ll) Description du fonctionnement...6 1) Optique...6 2) Capteurs.7 a) CCD...7 b) CMOS 8 3) Interfaces 10 a) Le port USB...10 b) Le port FIREWIRE.11 c) Le port parallèle ou le port série..12 d) Sur un réseau Ethernet 13 e) Sur un réseau Wi-Fi (sans fil)..13 4) Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) ) L obturateur..15 lll) Limites de la webcam.16 1) La résolution en mode vidéo.16 2) Avantages et inconvénients..16 a) Avantages...16 b) Inconvénients.16 3) Evolution..17 Conclusion..18 Références bibliographiques...19 Description d une webcam Page 2

3 I) Généralités : 1) Définition : Une webcam est une caméra numérique miniaturisée conçue pour être utilisée comme un périphérique d'ordinateur, destinée à enregistrer et à diffuser, généralement en direct, des images animées sur un site Internet dont la finalité n est pas d atteindre une haute qualité. La webcam n est pas un caméscope : elle n enregistre pas. Elle doit impérativement être reliée à un ordinateur ou à un micro-ordinateur. ordinateur. Elle est équipée de milliers de capteurs CCD (Charged Coupled Device ce qui signifie Artifice Double Chargé) qui numérise en direct l image. On peut ainsi facilement capturer des images, animées ou non. 2) Applications : Initialement utilisée par des étudiants d une université américaine pour surveiller, à partir de leur écran d ordinateur, la cafetière de la salle de repos afin d éviter un déplacement inutile, la Webcam s est démocratisée au point de devenir un support de site Internet à part entière. Aujourd hui, de nombreux sites proposent les images d une caméra vidéo reliée en permanence sur le réseau, relatant aux internautes du monde entier les moindres événements qui entrent dans son champ d observation. Vu leur faible prix, les webcams ont été souvent détournées de leur fonction primitive. Aujourd hui il existe plusieurs types d utilisation : - La prise de photos ou la capture périodique d une image : la faible résolution des webcams n est pas un réel frein pour prendre des photos, tant que celles-ci ci sont destinées à un usage spécifique et utilisées par les particuliers ou les industriels. Description d une webcam Page 3

4 - La vidéoconférence ou visioconférence : la webcam peut filmer et donc produire un flux vidéo classique. Vous pouvez discuter de vive voix en direct avec votre correspondant et le voir pour peu que vous ayez tous deux une webcam équipée d un micro et bien sûr le même logiciel, via la messagerie instantanée, ou encore via des sites spécifiques, (exemples : MSN ou YAHOO) partout dans le monde ; - La vidéosurveillance : la webcam filme simplement un endroit spécifique et la détection de mouvement est assurée par un programme analysant les différences entre les images successives. Elle est souvent utilisée dans le domaine de la sécurité mais aussi dans le domaine industriel ; - Jeux vidéo : La webcam peut aussi servir pour contrôler les mouvements qu'elle détecte chez le joueur permettant de piloter le jeu. Ceci a par exemple été utilisé dans Kinect pour la XBOX 360 où il n y a plus de manette, juste vous et tout votre corps, des pieds à la tête. - Météocam, Astrocam : L'application la plus connue est l'astrocam, une webcam dépouillée de son optique et placée dans un télescope, mais cela reste des utilisations peu connues et peu utilisées. Intégration de la webcam dans un mécanisme industriel Description d une webcam Page 4

5 - checker : C est une La vision industrielle (le capteur de vision cognex checker) webcam équipé d une technologie très avancée, avancée, d où son prix très élevé et elle est utilisée seulement par les industriels. Le capteur de vision Checker est un capteur de vision tout-en-un tout un avec caméra, processeur, éclairage, optiques et Entrées/Sorties intégrés capable de détecter et d'inspecter plus de pièces par minute, le tout dans un boîtier suffisamment petit pour tenir dans les espaces les plus plus réduits. Les capteurs de vision Checker permet de réduire les coûts de production et d optimiser la qualité en : Réduisant les rebuts Réduisant les arrêts machine et la maintenance Facilitant l'installation et la maintenance pour le personnel de l'usine Simplifiant la conception globale du système Affichant et enregistrant les images Éliminant le besoin d'une indexation coûteuse Éliminant la programmation de l'api cognex checker Description d une webcam Page 5

6 II) Description du fonctionnement : Une webcam est composée : d un objectif dont dépend la qualité de la photo ; d un capteur CCD ou CMOS qui définit la résolution de l image ; d un ensemble de logiciels qui va permettre d une part la retouche, la gestion et le stockage des images ; d autre part la gestion de tout ce qui touche le côté transmission, mise en relation avec son correspondant, rencontre en visiophonie, etc. d un Convertisseur Analogique Numérique (CAN) ; d un obturateur (pas disponible sur toutes les webcams) ; d'électronique de liaison avec l'ordinateur. 1) Optique : Les images captées par une webcam sont principalement destinées à être transmises par le biais d'un réseau. Pour ne pas dépasser le débit d'un tel réseau, l'image produite est compressée pour obtenir une image de faible qualité, tant en définition (souvent moins de points), qu'en taux de rafraîchissement (nombre d'images par seconde). Le rôle d un système optique est de guider les rayons lumineux jusqu au capteur. L image ainsi formée au niveau du capteur pourra être traitée. Aujourd hui le système optique d une webcam est composé simplement d une lentille. Pour obtenir des images d une netteté suffisante, il est essentiel de pouvoir modifier la distance entre la lentille et le capteur. Ce réglage manuel peut être réalisé seulement sur certains types de webcams. Pour obtenir une bonne qualité d image, les conditions doivent être optimales afin de réduire au maximum les défauts de celle-ci. Ces conditions sont les suivantes : Ne pas placer la webcam trop proche de l objet ; Placer la webcam en face de l objet ; Bien éclairer le sujet filmé. Ces quelques réglages vont permettre de garantir une qualité d image suffisante, même s il y a d autres paramètres à prendre en compte. Description d une webcam Page 6

7 2) Capteurs : Il existe deux types de capteurs : le CCD (charge coupled device) et le CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) qui sont deux technologies différentes pour la capture d'images numériques. En général, les capteurs CMOS sont de moins bonne qualité que les CCD, bien que les différences s amenuisent actuellement. Si ce paramètre n est pas à négliger, d autres paramètres essentiels sont à prendre en compte. Donc tous deux ont leurs avantages et inconvénients suivant leurs applications. Il n y a pas un meilleur capteur que l autre. Ces deux types de capteurs convertissent la lumière en charge électrique pour ensuite la transformer en un signal électrique. a) Le Capteur CCD : C est le capteur qui est le plus simple à fabriquer et qui était le plus rependus jusqu en Celui-ci possède une bonne sensibilité mais cependant il reste assez lent en ce qui concerne le transfert d information. Ce type de capteur est plus particulièrement utilisé pour les camera ou les appareils photo. Fonctionnement : Le Capteur CCD absorbe les photons lumineux qu il reçoit aux zones de captures et qui sont stockés dans les zones de stockage (voir l image ci-après). Une fois l exposition terminée, les charges sont transférées colonne par colonne jusqu au registre. A cet endroit les charges sont transformées en tension proportionnellement au nombre d électrons. Cette tension est ensuite envoyée à l extérieur du CCD pour rejoindre un convertisseur pour être numérisé (CAN). Description d une webcam Page 7

8 Avantages : La surface de calculs de photons permettant de capter une image, est beaucoup plus grande sur un capteur CCD que sur un CMOS. Le CMOS lui, comporte des transistors qui occupent beaucoup plus de place, donc moins de photons reçus. Il y a moins de composant électroniques dans ce capteur, ce qui permet d avoir moins de bruit lors de son utilisation. Le CCD a une meilleure linéarité car il ne possède pas de Convertisseur Analogique numérique. Inconvénients : Une complexité au niveau des composants électroniques ce qui lui donne le besoin d horloges pour le transfert des charges et de tensions. Ce capteur envoi plus d électricité statique, donc plus vulnérable à la poussière. b) Le capteur CMOS : Description d une webcam Page 8

9 Celui-ci a été inventé bien plus tard que le CCD grâce à des photodiodes. Contrairement à l autre capteur, celui-ci est un peu plus complexe en termes de fabrication notamment sur le fait qu il est composé de micro-technologie. Ces capteurs peuvent être beaucoup plus grand au niveau de la pixellisation (jusqu à 24 Megapixels). Fonctionnement : Avantages : L image captée est converti directement du capteur grâce à ses CAN (Convertisseur analogique numérique). Consommation plus faible que le CCD. Il chauffe moins que le CCD. Possibilité d avoir des capteurs de plus en plus petit ; Coût moins élevé ; Vitesse de lecture plus rapide que le CCD. Inconvénients : Beaucoup plus complexe pour la fabrication. Bruit plus important que le CCD. Peu sensible quand il y a peu de luminosité. Description d une webcam Page 9

10 3) Interfaces : L interface est le moyen utilisé pour relier votre webcam à un ordinateur. Aujourd hui, la majorité des webcams possède une seule interface qui est le port USB. Celui-ci permet une installation facile de votre webcam, mais limite son utilisation. Une webcam peut se connecter à un ordinateur via : a) Le port USB (Universal Serial Bus) : L USB, le plus souvent utilisé pour la connexion d une webcam, est adapté pour des applications nécessitant une vitesse de transfert de données normale, et dont le coût doit être réduit. Le protocole USB est une norme très souple ; une interface unique suffit pour commander plusieurs périphériques, il suffit juste de posséder le bon driver. Le bus USB permet de connecter des périphériques «à chaud» et en bénéficiant du Plug and Play (branche et utilise). Il peut alimenter certains périphériques en énergie, il autorise des débits allant de 1,5 Mbit/s à 480 Mbit/s (dans la version 2 qui est la version la plus utilisée aujourd hui). La longueur maximale du câble, autorisée par la norme, est de 3 mètres. L USB supporte 3 vitesses : Low Speed à 1.5Mbit/s (USB 1.0 & 1.1) Full Speed à 12Mbit/ s (USB 1.0 & 1.1) High Speed à 480Mbit/ s (USB 2.0) Super Speed à 6 Gbit/s (USB 3.0) Description d une webcam Page 10

11 La bande passante (intervalle de fréquences) est partagée temporellement entre tous les périphériques connectés. Le temps est subdivisé en frames ou micro frames pendant lesquels plusieurs transferts peuvent avoir lieu. La communication entre l ordinateur et les périphériques se fait selon un protocole basé sur l'interrogation successive de chaque périphérique par l'ordinateur. La communication entre l ordinateur et les périphériques se fait selon un protocole basé sur l'interrogation successive de chaque périphérique par l'ordinateur. Lorsque l ordinateur désire communiquer avec un périphérique, il émet ; un paquet de données, contenant l adresse du périphérique, codée sur sept bits, désignant un périphérique. Si le périphérique reconnait son adresse, il envoie un paquet de données (de 8 à 255 octets) en réponse. Les données ainsi échangées sont codées selon le codage NRZI (Non Return to Zero Inverted). Puisque l adresse est codée sur 7 bits, 128 périphériques peuvent être connectés simultanément à un port de ce type. Mais cela reste de la théorie, car cette possibilité n est valable que pour le branchement de périphérique qui utilise très peu de bande passante telle que des claviers, des capteurs ou des souris. Son utilisation dans le domaine de la Vision reste spécifique il est plus souvent utilisé par le grand public. b) Le port FireWire : FIREWIRE est une Norme de bus fonctionnant en mode série, permettant le branchement de périphériques externes et supportant le plug-and-play (branche et utilise). Le débit maximal est de 3200 Mbits/s. Description d une webcam Page 11

12 Très rarement utilisée pour la connexion d une webcam à cause de son prix élevé, la connexion FIREWIRE est plus rapide et plus flexible que l USB et mieux adaptée pour le transfert vidéo et d autres utilisations où la vitesse de transfert est importante. Avec FIREWIRE, on peut envoyer l information à plusieurs périphériques à la fois contrairement à l USB. Ce type de bus dit Hot Plug (branchement à chaud) permet la connexion ou la déconnexion d'un périphérique qui déclenche un événement «bus reset» chez tous les autres périphériques : ainsi tout le monde sait à tout moment qui est présent sur le bus. Tout périphérique peut ainsi être root (chef du bus) contrairement à l'usb où ce rôle est assuré par l'ordinateur auquel les périphériques sont reliés. FIREWIRE sert le plus souvent à connecter des disques durs ou des caméscopes pour réaliser des montages vidéo, ainsi que pour réaliser des captures audio via des cartes sons externes, ce port peut aussi, pour des besoins ponctuels, servir à relier deux machines en réseau. Il fait partie des périphériques de «Connexions réseau». La longueur du câble pour tous les protocoles FireWire est comprise entre 5 et 10 mètres. Il existe également une transmission par fibre optique, vraiment très coûteuse mais permettant d'atteindre 100 mètres. L alimentation se fait en général par le câble lui-même. Dans le monde industriel, le FireWire est plus utilisé que l USB. Ayant un meilleur niveau de standardisation grâce à sa connexion Plug & Play, il est plus performant. c) Le port parallèle ou le port série : Ces types d interfaces pour la connexion d une webcam ont été abandonnés à cause de leurs trop bas débits et ils sont aujourd'hui en cours de remplacement progressif par des interfaces de type USB et FireWire, dans tous domaines. Ils existent seulement sur les anciens modèles de webcams et non pas sur les nouveaux. Description d une webcam Page 12

13 d) Sur un réseau Ethernet : Ce type de connexion permet des fils beaucoup plus longs mais seulement en haut de gamme et il est très peut utiliser pour la connexion d une webcam. Ethernet est un protocole de réseau local à commutation de paquets. Dans un réseau Ethernet, le câble diffuse les données à toutes les machines connectées, de la même façon que les ondes radiofréquences parviennent à tous les récepteurs. e) Sur un réseau Wi-Fi (sans fil) : Ce type de connexion est sans fil et très peu utilisé pour la connexion d une webcam à cause de son prix qui est élevé. Ce type de webcam est souvent utilisé dans le domaine de la sécurité mais aussi dans le domaine militaire. Elle transmet des images en temps réel via Internet, c est donc un système de sécurité avancé qui permet d observer et d écouter à distance. Wi-Fi est un ensemble de protocoles de communication sans fil régit par les normes du groupe IEEE (ISO/CEI ). Un réseau Wi-Fi permet de relier sans fil plusieurs appareils informatiques (ordinateur, décodeur Internet, etc.) au sein d'un réseau informatique. En Wi-Fi ou en Ethernet, il sera plus facile d installer la webcam dans un endroit propice à la vidéosurveillance. Description d une webcam Page 13

14 4) Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) : Le convertisseur analogique-numérique convertit une tension analogique en un signal codé numérique. Plus il y a de bits, plus le CAN est précis. La précision du CAN permet un meilleur rendu des couleurs. Chaque photosite (un substrat de silicium dopé sur lequel on a ajouté un isolant et une électrode ce qui représente un pixel en couleur dans un CCD ou un CMOS) se voit attribuer un mot qui correspond à la donnée des valeurs sur chacun des bits de sortie du CAN. Si nous considérons que chaque photosite renvoie une charge proportionnelle à la quantité de lumière reçue, nous ne pouvons que reconstituer l image en niveaux de gris. La connaissance de la répartition des trois couleurs primaires (RVB) va permettre par la suite d ajouter de la couleur à l image. Pour connaître la répartition de chacune des trois couleurs dans une partie de l image, il faut utiliser trois photosites voisins. Sur chacun d eux nous utilisons un filtre qui ne laisse passer qu une seule des trois couleurs. Lors de la lecture, chaque trinôme composera un seul point de l image numérique finale. La reconstitution n de l image en couleur se fait soit sur l ordinateur, soit directement par les composants de votre webcam. Il va de soi que le traitement des informations reste le même dans les deux cas. Filtre RVB Description d une webcam Page 14

15 5) L obturateur : L'obturateur évite le brouillage. Nous avons recours à un obturateur pour éviter que des photons ne provenant pas de l objet ne viennent brouiller l image voulue. Une fois l image enregistrée dans les photosites, l obturateur va interdire à d autres photons de perturber l image acquise. Très peut de webcams sont équipé de cette technologie. Ce principe explique le flou quand le temps d acquisition est trop long, l image étant brouillée par des photons parasites. Malheureusement, il est difficilement possible de modifier cette durée d acquisition avec une webcam, ce qui explique une qualité moindre comparent celle des caméscopes et des appareils photo. Description d une webcam Page 15

16 III) Limites de la webcam : 1) La résolution en mode vidéo : La vidéo étant plus lourde à gérer que la photo, il faut alléger le traitement afin de garder une bonne fluidité. Pour cela, il est possible de ne pas analyser toutes les informations acquises par le capteur CCD, ce qui permet aussi d alléger le poids des images par la réduction de sa définition. 2) Avantages et inconvénients : a) Avantages : - Le prix : il existe tout un panel de webcams, de très bas de gamme au haut de gamme donc on peut acheter un produit bon marché en fonction de ses besoins. - Les webcams actuelles peuvent se connecter à un ordinateur via les diverses interfaces, ce qui assure la rapidité de transmission et la facilité de branchements. - La webcam est contrôlable par logiciel donc à distance. - Le volume et le poids facilitent l intégration de la webcam dans un endroit voulu. - Il est facile de détourner les webcams de leur fonction primitive donc il existe une diversification des applications. b) Inconvénients : - Les Webcams sont de piètre qualité en terme de vidéo : les images sont saccadées parce qu elles se connectent en grande majorité sur un port USB. - Faible taux de transfert qui ne permet pas une fluidité accrue sur la vidéo en plein écran avec une cadence d images par seconde faible. - Nécessite un équipement supplémentaire (PC). - Pas de diaphragme donc pas de possibilité de réglages d ouverture. - Pas d'autofocus donc pas possibilité de réglages de la netteté du sujet. - Pas de viseur donc pas de possibilité de cadrer l image. Description d une webcam Page 16

17 3) Evolution : En 1996, Apple et d'autres producteurs de matériel informatique commencent à produire des webcams intégrées dans l'ordinateur portable et des écrans de bureau en évitant l'utilisation de l'usb et FireWire, etc. L ajout d un micro est l un des premiers compléments réalisé sur une webcam. Cela a facilité réellement la communication en combinant sans ajout d accessoires supplémentaires, le son et l image. Actuellement, il existe sur certaines webcams un système de carte de type mémoire flash de stockage d images pour en faire un mini appareil photo numérique. Moins répandue sur le marché, une webcam équipée d un logiciel de reconnaissance d identité visuelle est capable de verrouiller ou de déverrouiller l accès à votre ordinateur. Une augmentation du taux de transfert est possible (en MB/s) ce qui permet une fluidité accrue sur la vidéo en plein écran avec une cadence d images par seconde supérieure. Elle permet également d augmenter le temps de capture de vidéo avec audio, ou d enregistrer de la musique. Des sortes d'interphones à écran dont vous pourrez composer le numéro soit en le disant ou en le tapant qui remplacera le téléphone ou bien une Webcam capable d effectuer un scan du corps pour avoir une image de la personne en trois dimensions peuvent devenir un jour des utilisations complémentaires. Description d une webcam Page 17

18 Conclusion : La modicité du prix d achat d une webcam en fait un accessoire très utile pour celui qui est équipé d une liaison internet, et qui veut communiquer dans le monde entier. Il est possible de détourner les webcams de leur fonction basique et ainsi d en accentuer la diversification des applications. Il n est pas nécessaire d investir dans le haut de gamme pour l achat d une webcam, il s agit d acheter un produit en fonction de ses besoins. Description d une webcam Page 18

19 Références bibliographiques : Site internet & documentation diverse : awrhdwlkzt03jmlkq2xhc3nldxi9mte=.htm - awrhdwlkzt03jmlkq2xhc3nldxi9mtimawrsdwjyaxf1zt0ynq==.html Description d une webcam Page 19