 |
|
Назначение, устройство, основные характеристики цифровых видеокамер
Для производства видео нужно многое: разнообразное оборудование, сценарии и документы, специализированные компьютерные программы. Начнём с цифровой видеокамеры (функциональная схема на рис. 1.1).
Видеокамера - это сложное электронно-оптическое устройство, преобразующее изображение и звук в электрический видео и аудиосигнал, который записывает на устройство хранения информации: магнитную ленту, оптический диск, жесткий диск, флэш-память.
Рис. 1.1 Функциональная схема видеокамеры
Камкордер — видеокамера, которая сохраняет данные в цифровом формате и умеет передавать записанную информацию.
Цифровые видеокамеры состоят из целого ряда сложных узлов, каждый из которых имеет своё назначение и характеристики (рис. 1.1).
Объектив — оптико-механическое устройство, создающее изображения на светочувствительной матрице (рис. 1.2). Он должен обеспечить попадание на матрицу как можно большего количества света от снимаемого объекта, чтобы получить достаточную яркость изображения. Для ограничения светового потока при хорошей освещенности в объективах есть диафрагма (англ. iris). Диафрагма обычно представляла из себя несколько металлических пластин, которые двигаясь по спирали могут менять диаметр отверстия, через которое свет падает на матрицу. Она хорошо видна на объективах старых фотоаппаратов, но не стоит и пытаться разглядеть её в 
видеокамерах, особенно в новых. Диафрагма (если она вообще есть) запрятана глубоко внутрь, и снаружи её не видно. Регулируется она автоматически, в зависимости от освещения, и пользователь повлиять на неё может только настройкой экспозиции.
Основные характеристики объектива:
Фокусное расстояние – это расстояние от плоскости, на которую фокусируется изображение до тонкой линзы объектива. Например, f=3,6~36 mm. Две цифры – указывают на то, что объектив имеет переменное фокусное расстояние. При уменьшении фокусного расстояния увеличивается угол обзора камеры (рис. 1.3).
Оптическое увеличение,или способность камеры "приближать" удаленные объекты (ZOOM). Легко вычисляется делением большего значения фокусного расстояния на меньшее. Записывается, например 12х.
Светосила - отношение яркостей объекта и изображения объекта, полученного с помощью объектива. Светосила определяется отношением диаметра объектива к фокусному расстоянию D/f. Записывается на объективе как дробь, например 1:1.8 или проще 1.8 (рис. 1.2). Чем меньше знаменатель дроби, тем более светосилен объектив, а значит позволяет получить более качественное изображение при слабом освещении.
Рис. 1.3 Примерная зависимость угла обзора и фокусного расстояния фотообъектива
Матрица видеокамеры – это полупроводниковый прибор (микросхема) на электронной плате, состоящий из большого числа фотоэлементов (пикселей) и преобразующий падающий на неё свет в электрические сигналы (рис. 1.4, 1.5).
Наиболее распространены матрицы типа CCD (англ. CCD – Charge Couple Device), или ПЗС (прибор с зарядовой связью), однако на сегодняшний день всё больше используются CMOS-матрицы (англ. Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor), или КМОП (К-МОП; комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник). CCD-матрицы устанавливаются в видеокамеры с 1970-х годов, они обеспечивают гораздо более низкий уровень шумов изображения, особенно при низком освещении. Основные различия между матрицами CCD и CMOS:
- CCD-матрица преобразует заряды пикселей в аналоговый сигнал, а CMOS-матрица в цифровую информацию (биты);
- на CMOS-матрице могут быть выполнены некоторые обрабатывающие функции видеокамеры, при использовании CCD-матрицы эти функции приходиться выполнять на отдельных процессорах;
- CCD-матрицы обеспечивают более низкий уровень шумов и более высокое качество изображения, но их использование технологически сложнее;
- CMOS-матрицы давали чрезвычайно плохое изображение при низкой освещенности, но они потребляют меньше электроэнергии и дешевле и проще в производстве.
Основные характеристики матриц видеокамер.
Количество матриц в видеокамере и их тип. В любительских видеокамерах, как правило, есть только одна матрица, а в профессиональных – их обычно три, но бывает и четыре. Три матрицы позволяют заметно улучшить качество изображения (точность цветопередачи прежде всего). Камеры с несколькими матрицами являются уже профессиональными или как минимум полупрофессиональными и стоят существенно дороже.
Геометрический размер матрицы по диагонали, выражаемый в долях дюйма. Основные значения: 1/6, "1/4", 1/3”, 1/2”, 2/3” и 1”.
Количество светочувствительных ячеек (фотоэлементов), преобразующих свет в электрические заряды. Такие ячейки проще называются пикселями (рис. 1.6).
Световая (пороговая) чувствительность характеризует минимальную освещенность объекта, при которой возможна съемка (камера все еще «видит» изображение). Освещенность измеряется в люксах (лк) на матрице. Обычной чувствительностью считается 0,1-0,5 лк для черно-белых и 1-3 лк для цветных камер. В системах, предназначенных для наблюдения слабоосвещенных объектов, используются камеры высокой чувствительности (0,01 лк и менее). Типичные уровни освещенности:
· 0,0001 лк – тёмная облачная ночь;
· 0,001 лк – ясная безлунная ночь;
· 0,01 лк – молодой месяц;
· 0,1 лк - полнолуние;
· 1-10 лк – уличное освещение;
· 100 – 1 000 лк – домашнее, офисное освещение;
· 100 - 10 000 лк – облачный день;
· 10 000 - 100 000 лк – частичная облачность;
· 100 000 лк – ясный день.
От количества фотоэлементов и геометрического размера матриц зависит ее чувствительность и качество изображения. Матрица большого размера в мегапикселах – это далеко не всегда хорошо. Гораздо важнее большой размер фотоэлементов (рис. 1.7). Геометрический размер матриц ограничен, а увеличение количества фотоэлементов приводит к уменьшению их размера, что снижает чувствительность и качество изображения.
Рис. 1.7 Зависимость геометрического размера матрицы и фотоэлемента
Какое же количество пикселей оптимально? Размер кадра телевизионного стандарта PAL 720х576, что соответствует 720 х 576 = 414720 пикселам! Но точно такого количества для одноматричной камеры недостаточно. Для работы системы стабилизации, алгоритмов цветовой интерполяции число пикселей на матрице должно быть больше. Практика показывает, что для одноматричной DV камеры с электронным стабилизатором оптимально иметь размер 1-1.3 мегапиксела. Двух-, трёх-, четырёхмегапиксельные матрицы обычно являются продуктом бездумной "гонки за мегапикселями", не несущей ничего хорошего собственно качеству видеоизображения. Хотя есть и исключения, когда используются новые технологии и алгоритмы обработки сигналов с матрицы.
Стабилизатор изображения предназначен для компенсации дрожания или случайных незначительных перемещений камеры, обусловленных естественным тремором рук. Стабилизаторы бывают оптические и электронные.
Электронные стабилизаторы могут называться EIS (англ. Electronic Image Stabilization) или DIS (англ. Digital Image Stabilization). Электронная стабилизация основана на избыточности CCD матрицы, то есть несколько большем размере матрицы, чем физический размер падающего на неё изображения снимаемого объекта (рис. 1.8 а). Вследствие чего кадр изображения может в некоторых пределах перемещаться по поверхности избыточной матрицы, что отслеживается камерой (рис. 1.8 б). Пока кадр полностью попадает на матрицу, он выводится неподвижным, вне зависимости от того, где именно он расположен физически. Это и позволяет компенсировать мелкие дрожания камеры.
Рис. 1.8 Понятие электронной стабилизации изображения: 1 - матрица, 2 - центральная часть матрицы, формирующая изображение при отсутствии дрожания камеры, 3 - смещение области формирования изображения из-за дрожании камеры.
Есть две способа добиться избыточности. Первый - это из обычного кадра «вырезать» его часть несколько меньшего размера, а записывать эту часть полным кадром, немного увеличив цифровым способом. Края кадра, «отрезаемые» с четырёх сторон и образующие как бы ободок, не записываются и используются для работы стабилизатора. Недостаток этого способа – некоторое снижение четкости видео.
Второй метод лишен недостатка первого – матрица изначально делается избыточной, её геометрические размеры больше, чем падающее на неё изображение. Поэтому кадр полный и не «обрезается» с четырёх сторон. Это, конечно, предпочтительнее.
Однако, наряду с несомненными преимуществами, электронная стабилизация имеет свои недостатки. Так, при съёмке медленных панорам она не позволит получить плавное движение. Стабилизатор будет удерживать картинку неподвижной сколько сможет, после чего изображение резко прыгнет, что повторится снова и снова. Кроме этого, если в кадре нет контрастных объектов, такой стабилизатор «не понимает», что именно надо удерживать. В результате всё может окончиться маленьким землетрясением в кадре.
Оптические стабилизаторы - это электронно-оптические системы, состоящие из датчиков положения камеры и оптического блока, в котором имеется подвижный элемент (обычно призма). Его перемещением управляет специальное устройство, получающее сигналы с датчиков. Этот элемент отклоняет оптическую ось объектива для компенсации дрожания камеры. В результате кадр изображения не перемещается по матрице и «стоит» на ней неподвижно. Качество изображения при использовании оптического стабилизатора практически не ухудшается. Видеокамеры с таким типом стабилизации стоят дороже.
Впервые оптический стабилизатор был представлен компанией Sony ещё в 1962 году, и назывался SteadyShot. Sony до сих пор использует это название для своего электронного стабилизатора. Но только в начале 90 годов компании Canon и Sony доработали технологию и существенно снизили цену, размеры и энергопотребление оптических стабилизаторов. Что сделало возможным их использование в сравнительно недорогих камерах.
Качественный звук – важная составляющая практически любого фильма. Он может быть получен двумя способами: либо сохранен «вживую» на съемочной площадке, либо записан впоследствии при озвучивании фильма. Оба способа достаточно трудны для видеолюбителя. Для записи на съемочной площадке требуются хорошие микрофоны, микшерский пульт и грамотный звукооператор. А для озвучивания фильма после съёмок нужна как минимум студия звукозаписи и библиотека звуков.
На любительских камерах для записи звука обычно используется встроенный микрофон. В большинстве случаев этим способом невозможно записать хороший звук. Встроенный микрофон пишет шум работающего механизма видеокамеры, звуки срабатывания органов управления видеокамеры, на которые воздействует оператор. Как правило, такие микрофоны невысокого качества. Для записи качественного звука нужно использовать хороший внешний микрофон, подключаемый к разъёмам XLR. Камера может быть оборудована креплением для внешнего микрофона, который также можно устанавливать и на отдельной стойке, ближе к источнику звука.
Все цифровые видеокамеры способны писать стереозвук. В них имеется возможность выбора качества звука. Можно записать звук с качеством CD (PCM stereo - 48 кГц/16 бит) на два канала или звук с каждого микрофона – отдельно в соответствующем канале. Затем все это можно смикшировать с оптимальным стерео и даже объемным звучанием.
Блок обработки сигналов (БОС) принимает сигналы с матрицы (матриц), с микрофона, также с входных разъемов видео и звука для записи на носитель видео и выдачи сигналов на выходные разъёмы. Сейчас всё меньше и меньше камер имеет возможность записи с внешних видео-аудио разъемов. Входные и выходные разъемы зачастую конструктивно объединены и переключение запись/воспроизведение (если оно есть) "спрятано" где-то в меню камеры. (Уменьшение на рынке количества камер, имеющих аналоговые и иные входы, помимо прочих факторов, также связано с политикой в области авторского права. Так, в Европе продажа подобных устройств зачастую либо запрещена, либо облагается непосильными для производителя и продавца сборами).
Во всех видеокамерах БОС позволяет при съемке получить различные видеоэффекты — вход и выход в затемнение, сепию, черно-белое изображение и другие, но особого внимания этим эффектам при покупке камеры уделять не стоит — все они (гораздо больше и качественней) есть практически в любом компьютерном видеоредакторе. В профессиональной съёмке эти эффекты, как правило, не используются вообще.