Глава II. Цифровые видеокамеры

История создания видеокамеры

 

В начале XVIII в. в Англии невероятной популярностью пользовалась несложная игрушка: на внутренней стенке барабанчика с прорезями была многократно нарисована одна и та же фигурка в разных фазах движения. Если крутить барабанчик и смотреть на фигурку сквозь щели, кажется, что оно оживает и движется. Это так изумляло зрителей, что игрушку назвали «фантаскопом». В 1832г. похожее устройство (вместо барабана в нем было 2 диска) придумал венский ученый С. Стампфер. Применялось оно для исследований, и было названо «стробоскопом». Эти нехитрые конструкции могут по праву считаться предками кино.

Датой рождения кино считается 28 декабря 1895г., когда в подвале парижского «Гран – кафе» на бульваре Капуцинов братья Огюст и Луи Люмьеры продемонстрировали свои первые фильмы: «Выход рабочих с завода Люмьеров», «Прибытие поезда на вокзал Ла Сьота». Однако в 1892г. патент на способ съемки движущихся изображений и на аппарат для нее получил французский инженер Леон Були, который придумал и само слово «Кинематограф». Но средств на оплату патента он не имел и права на изобретение потерял.

Возможно, именно конструкция дискового стробоскопа натолкнула в 1882г. французского врача и физиолога Этьена Жюля Марея на мысль сконструировать своеобразное «фоторужье». Им подряд снимали 12 кадров на круглую пластинку. «Фоторужье» использовали для съемки в движении птиц и зверей, получались коротенькие фильмы.

И только после того, как в 1890г. изобрели целлулоидную пленку со светочувствительным слоем и двумя рядами отверстий по краям - перфорацией, техника кино стала походить на сегодняшнюю.

Важную роль играет научное и техническое применение кино. Покадровая регистрация медленно протекающих процессов позволяет в сотни раз “сжать” время их протекания. А благодаря кинокамерам, снимающим миллионы кадров в секунду, можно в деталях разглядеть явления, происходящие за доли секунды.

Видеокамерами давно снимают репортажи для телевидения. Магнитная запись удобна и практична: на одну кассету можно снимать многократно, а изображение сразу же просмотреть и при необходимости переснять.

Наряду с профессиональными сложноустроенными видеокамерами появились и более простые опционально, компактные и легкие любительские видеокамеры, которые получили широкое применение и признание у любителей видеосъемки. Первая любительская аналоговая видео камера была создана в 1980 году. Но настоящая война за потребителя начинается с 1985 года, когда Sony выпускает видео пленку аналогового стандарта Video 8, а JVC вводит аналоговый формат VHS-C - «компактную» версию аналогового формата VHS. Потребитель получает доступ к аппаратуре, соединяющей в одном корпусе и камеру, и записывающее устройство-рекордер. Еще совсем недавно любители видео ходили с двумя отдельными «коробками»: одна снимала, а другая записывала изображение. Так появилась видео камера-камкордер.

Самые первые видео камеры были аналоговыми, а качество изображения - заметно хуже того, что привычно видеть на экране телевизора. В телевидении Англии, Австралии и Новой Зеландии, а также и в некоторых странах Западной Европы принят стандарт цветного телевидения PAL, который формирует телевизионное изображение из 625 горизонтальных строк. Во Франции установился стандарт SECAM (также 625 строк), тогда как в США и Японии используется стандарт NTSC (525 горизонтальных строчек). Хотя не все строки используются для формирования изображения - некоторые просто несут служебную информацию, - тот факт, что формат Video 8 и формат VHS-C имеют разрешение примерно в 240 строчек, уже многое говорит о качестве того изображения, которое дают аналоговые видео камеры.

Несмотря на не очень качественное изображение, в конце 80-х и в начале 90-х годов видео камеры приобретают популярность. Все большее количество людей покупает их, радуясь возможности увидеть на видео себя и своих друзей. Продажа видео камер достигает своего пика в начале 90-х годов с появлением на рынке миниатюрных камер, имеющих большие технические возможности и более доступные цены. Свою лепту внесли и популярные телепрограммы, демонстрирующие любительские видео фильмы.

 

Характеристика видеокамеры

 

Уже больше века прошло с тех пор, как братья Люмьер продемонстрировали публике свой первый фильм. Однако кино по-прежнему остается для нас важнейшим из искусств. Долгое время киносъемка была уделом профессионалов - для создания оптимального видеоряда требовалось множество людей, сил и времени. Любительские съемки - дело настолько сложное и хлопотное, что мало кто решался посвятить свой досуг столь дорогостоящему хобби. Гораздо проще было обзавестись фотоаппаратом и колдовать по вечерам с фотоувеличителем при свете красной лампочки.

Несмотря на то, что фотография лет на семьдесят старше кино, приход цифровых технологий в киноискусство начался раньше. Поспособствовало этому развитие телевидения, где были необходимы простые в эксплуатации мобильные устройства для записи видеоизображения.

На сегодняшний день основными игроками на рынке цифровых видеокамер можно назвать такие компании, как Canon, JVC, Panasonic, Samsung и Sony.

 

Форматы видеозаписи

Перед тем как рассказать о конструкционных особенностях видеокамер, необходимо сказать несколько слов о способах кодирования видеосигнала. Наиболее актуальными являются DV и MPEG2.

Родоначальником стандарта DV считается формат Motion JPEG (MJPEG). Его особенность заключается в том, что к каждому кадру изображения применяется алгоритм сжатия JPEG. Качество результата напрямую зависит от коэффициента компрессии. При малом сжатии получается изображение с хорошей проработкой деталей, однако «весит» такой ролик прилично. При большой компрессии объем записываемой информации значительно уменьшается, но вместе с этим ощутимо ухудшается качество картинки.

Разработчики DV предложили варьировать коэффициент сжатия в пределах одного кадра. Разнородные участки с большим количеством деталей ужимают в щадящем режиме с малыми коэффициентами, а к сплошным областям применяют более сильное сжатие. При этом для всех кадров общий коэффициент компрессии остается постоянным - 5:1. DV-кодирование используется в устройствах со стандартами miniDV и Digital 8. Последняя технология в свое время была разработана компанией Sony как переходный вариант от аналоговых камер к miniDV. Этот стандарт поддерживал использование Video8 и Hi8-касет, хотя информацию на них писали в DV-формате.

MPEG2 - этот вид кодирования базируется на совершенно иных принципах. Основу видеопотока составляют так называемые ключевые I-кадры (interframe), которые представляют собой полноценные изображения в формате JPEG - такие же, как и в DV. При этом доля ключевых кадров в общей массе довольно мала. Кроме I-кадров, в информационном потоке содержатся особые P-кадры (P-frames) и B-кадры (B-frames).

Р-кадры (от англ. predicted - «предсказанные») получаются с использованием алгоритмов компенсации движения и предсказания вперед по предшествующим кадрам. Если сравнивать их с I-кадрами, то здесь достижимая степень сжатия видеоданных в три раза выше. В-кадры (от англ. bidirectional - «двунаправленные») получаются четырьмя различными алгоритмами в зависимости от характера видеоданных. Они содержат изменения относительно предыдущих и последующих кадров, используемых в качестве опорных. Это наиболее сжатые кадры.

Описывая эти типы кодирования видеоинформации, можно провести аналогию с мультипликацией, когда художник-аниматор обрисовывает только ключевые моменты движения фигуры. В случае с MPEG получается, что видеопоток состоит из сжатых данных о различиях между текущим и ключевым кадром, а также текущим и последующими кадрами.

Какому из форматов отдать предпочтение? Ответ на этот вопрос зависит от того, что нужно получить в результате. Данные в DV идеально подходят для дальнейшей обработки и редактирования, однако в большинстве случаев занимают большой объем. К тому же стоит учесть, что при записи динамичных сюжетов с интенсивно чередующимися сценами предсказать, какой из способов сжатия даст лучшие результаты, весьма затруднительно. MPEG2 прекрасно подходит для хранения информации, однако в процессе монтажа возможна потеря качества изображения.

 

Технологии

Пионером во внедрении технологии DVD стала компания Hitachi, затем подобные модели появились и у других производителей. Изображение в DVD-камерах записывается на диск miniDVD (80 мм) в формате MPEG2. Этих дисков хватало примерно на полчаса видео в хорошем качестве, то есть они проигрывали даже стандартным видеокассетам на 60 минут. Однако у DVD было одно существенное преимущество - такой диск можно просматривать на любом DVD-плеере, предварительно закрыв сессию записи (finalize). Если в камере стоял DVD-R диск, то его нельзя повторно использовать после финализации. Есть и альтернатива - диски DVD-RW, однако их стоимость существенно выше.

Эксперты считают, что DVD доживает последние дни - на рынок активно выходят новые прогрессивные стандарты Blue-Ray и HD-DVD.

 

Flash или жесткий диск (HDD)

Полупроводниковая память на сегодняшний день считается общедоступной и наиболее перспективной технологией. Основных стандартов немного - CompactFlash, SD/MMC, xD Picture Card и Memory Stick. Себестоимость хранения одного мегабайта информации отличается от формата к формату. Пока самый массовый и дешевый стандарт - SD/MMC. Стоит отметить, что карта памяти сама по себе является промежуточным источником данных. Окончательное архивирование все равно придется выполнять на тех же CD/DVD/Blue-Ray/HD-DVD-дисках.

Для хранения больших объемов данных в походных условиях разработчики предлагают банки данных. Если не вдаваться в детали - это гибрид кард-ридера и винчестера. Некоторые из них позволяют просматривать ролики на встроенных экранах, другие выполняют исключительно перезапись информации на внутренний жесткий диск (такой же, как в ноутбуках).

Пока эти виды памяти, включая модели камер с HDD (разработка JVС), конкурируют только с miniDVD, где объемы записываемых данных ограничены форматом диска.

Специализированные кассеты miniDV с объемом памяти около 13 Гб, рассчитанные на час видеозаписи в DV-формате. На сегодняшний день - оптимальные носители как по стоимости хранения 1 Мб информации, так и по вместительности.

Оптика

Свойства видеоизображения во многом зависят от качества оптики. Существует мнение, что создать отличный объектив так же просто, как изваять гениальную статую, для этого нужно лишь взять подходящую глыбу мрамора и отсечь от нее все лишнее. В объективе отсекание сводится к подбору различной формы линз, которые следует расположить в строго определенных местах оправы. Однако есть еще одна проблема - стекло отражает свет, а это ведет к появлению «вуали», «зайчиков» и прочих ненужных спецэффектов.

Качественный прорыв произошел в середине прошлого века, когда было изобретено специальное напыление на стекло, призванное снизить отражение света от поверхности линзы. В среднем отражение от поверхности стекла составляет 4-11%. А если в оптической схеме используется полдесятка линз, то потери будут от 16 до 55%. Судите сами, что будет с современными объективами, где оптических элементов может насчитываться более десяти.

Все это означает, что нельзя ожидать отличных результатов от камеры с дешевым объективом, в котором стоят пластиковые линзы. Дешевые полимеры со временем теряют свои оптические свойства, и картинка становится более мутной и затемненной.

Любой объектив характеризуют два основных параметра - светосила и фокусное расстояние. Эта информация маркируется на оправе, например 1,8/5,1-51. Первое число обозначает величину светосилы - способность оптической системы собирать свет. Чем ближе это значение к единице, тем лучше.

Фокусное расстояние характеризует угол зрения и приближение. Меньшее число соответствует широкому углу. Этот параметр особенно важен для съемки в помещении. Большее значение используется для съемки удаленного объекта крупным планом.

В любительской фототехнике применяют оптику с переменным фокусным расстоянием. Многие компании выпускают видеокамеры с 20-ти и даже 30-кратным оптическим увеличением. Чем это грозит? В первую очередь - падением качества изображения. Так что нужно запомнить: оптика с фантастическими возможностями стоит очень больших денег, а для современных видеокамер оптимально 10-кратное оптическое увеличение. HDTV (High-Definition Television) - это новый телевизионный стандарт, способный обеспечить лучшее качество изображения по сравнению с существующими аналоговыми и цифровыми ТВ-стандартами.

Стандартные разрешения для HDTV это 1920x1080 (1080i - от «interlaced» чересстрочная (полукадровая) развертка) и 1280x720 (720p - «progressive scan» прогрессивная (полнокадровая) развертка). HDTV не имеет стандартов для передачи видео в формате 4:3 - только 16:9.

HDTV поддерживает скорость до 60 прогрессивных кадров в секунду, в то время как стандартное телевидение использует 25/30 кадров в секунду (или 50/60 полукадров в секунду). Также HDTV поддерживает различные цифровые аудиоформаты (вплоть до Dolby Digital 5.1).

Пока камеры для видеосъемки подобного формата стоят довольно дорого (больше полутора тысяч долларов США). Для воспроизведения такого изображения нужны высококачественные HDTV-устройства с соотношением сторон 16:9. Ощутимая разница между новым и старым стандартами видна только на высококачественном ЖК-телевизоре, плазменной панели или HDTV-проекторе.

 

Сенсоры

Сенсоры отвечают за получение картинки - именно они являются тем элементом камеры, где свет из потока фотонов превращается в электрические импульсы. От технических качеств сенсорной системы во многом зависит результат видеосъемки.

Этот конструкционный элемент окружает, пожалуй, наибольшее количество мифов. Для начала - основы получения изображения, которые помогут в дальнейшем найти правильные ответы.

Сами по себе сенсоры не способны различать цвет. При попадании квантов света на полупроводник создается потенциал, равный порции полученного света (монохромная информация). На помощь приходит всем известная аддитивная система цветового синтеза (RGB). Проще говоря, смешение трех основных цветов - красного, синего и зеленого. Чтобы получить информацию о каждом цвете, на пути светового потока нужно поставить светофильтр и замерить яркость каждой точки изображения. Только так можно получить информацию по каждому цветовому каналу.

Существуют два основных технических решения этой задачи: одноматричная (CCD) и трехматричная (3CCD) системы.

В первом случае применяется байеровская модель RGBG. Это означает, что над каждым светочувствительным элементом расположена микролинза и светофильтр одного из упомянутых цветов. Основную часть яркостной информации несет зеленый канал (это связано с особенностью человеческого зрения), поэтому зеленых элементов в два раза больше, чем красных или синих. Соотношение выглядит так: R=1/4, B=1/4, G=2/4=1/2.

Информация о каждой точке вычисляется на основе данных соседних пикселей (интерполируется). В процессе интерполяции часть полезной информации может быть потеряна.

Особенность 3CCD-системы в том, что световой поток разделяется специальной оптической схемой на три части. Каждая из них проходит через свой цветовой фильтр (красный, синий или зеленый) и попадает на отдельный сенсор. В результате информация о каждой точке изображения вычисляется на основе реальных данных. Негативная сторона: значительное усложнение конструкции, увеличение энергопотребления и как следствие рост стоимости всего устройства.

До недавнего времени трехматричные системы устанавливали только в дорогую профессиональную съемочную технику, пока небезызвестная компания Matshushita Electric (Panasonic) не выпустила трехматричную видеокамеру среднего ценового диапазона (около 500$). Это и породило споры о том, что лучше: камера с одним, но большим сенсором (как правило, в спецификациях приводится размер диагонали в дюймах), либо с тремя, но маленькими. Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Самый лучший вариант, конечно же, с тремя и большими. Дело в том, что уменьшение сенсора ведет к увеличению шумов. Это означает, что с ухудшением освещения будет существенно падать качество картинки. Можно предположить, что преимущества СDD или 3CCD (в одном ценовом диапазоне) будут проявляться в зависимости от условий съемки. К тому же огромную роль играет качество других компонентов видеокамеры: оптики, электроники и алгоритмов обработки данных.

 

Прочие характеристики

Телевизионная картинка в формате PAL (720x576) состоит из 414720 точек, в NTSC (720x480) и того меньше - 345600. Это означает, что для формирования изображения достаточно всего 0,4 Мп. Однако это возможно, если у нас 3CCD-система, если же на руках имеется только камера с одним сенсором, то эту величину нужно умножить на четыре (точка в кадре формируется по четырем точкам RGBG-матрицы). В результате получаем 1,6 миллионов пикселей, своеобразный муляж трехматричной системы - три цветовых компонента в одной.

Для чего же устанавливают в камеры двух, а то и трехмегапиксельные матрицы? Это нужно для реализации системы электронной стабилизации изображения. К тому же камеры с такими сенсорами способны делать вполне приличные фотоснимки.

Как видно, реальной необходимости в увеличении разрешения сенсоров нет. При выборе видеокамеры важнее обращать внимание на физический размер сенсора, нежели на дополнительное количество пикселей.

Минимальная освещенность измеряется в люксах и обозначает минимальный уровень освещенности, который способна зарегистрировать камера. К этой цифре нужно относиться осторожно, поскольку возможность снимать при нулевой освещенности (в полной темноте) не гарантирует качества получаемой картинки. Так что стоит полагаться только на объективные тесты видеокамер и собственные глаза.

Некоторые модели имеют режим ночной съемки. Сенсоры камер в силу своих физических характеристик чувствительны к инфракрасному диапазону. Это свойство активно эксплуатируется в продукции компании Sony. Например, достаточно в режиме NightShot убрать ИК-фильтр - и появится возможность снимать практически в полной темноте. О высоком качестве картинки речь не идет, скорее это просто интересная дополнительная возможность.

Без помощи стабилизации изображения системе обойтись сложно, особенно при съемке в длиннофокусном положении объектива. Возможны два варианта стабилизации видеокартинки: оптическая и электронная.

Оптическая стабилизация - более дорогая, но и более эффективная. Она состоит из специальных гиросенсоров, отслеживающих вибрации камеры, и плавающих линз, которые на основании информации от этих датчиков корректируют световой пучок, удерживая его в одной точке матрицы. Достоинство оптической стабилизации в том, что матрица получает ровное изображение, за качество которого отвечает отдельная высокоточная система. К тому же для формирования изображения используется вся полезная площадь сенсора. Есть, конечно, и минусы - например, дополнительные электронно-механические узлы и повышенное энергопотребление.

Электронная стабилизация реализуется за счет избыточной площади матрицы. Изображение хоть и смещается, но все же остается в ее поле зрения. Специальные алгоритмы отслеживают эти смещения и вносят соответствующие поправки в результирующее изображение.

Главный плюс этого решения - цена. Все реализуется только за счет алгоритмов обработки. Однако минусы более ощутимы - работа системы стабилизации сказывается на качестве картинки. Нередки случаи «залипания» изображения, когда электроника не в состоянии распознать умышленное движение видеокамеры. Встречаются казусы и со съемкой движущихся объектов, которые электронный стабилизатор пытается удержать на одном месте.

Очень важный момент - передача данных, поскольку от наличия определенных входов и выходов во многом зависит функциональность всей камеры. На всех без исключения видеокамерах присутствует аналоговый аудио/видеовыход, такой как S-Video и «тюльпан» (композитный выход). Эти интерфейсы позволяют подключать камеру к любым устройствам с видеовходами, например к телевизору. Однако соединение S-Video предпочтительнее композитного.

Цифровые интерфейсы представлены двумя стандартами: DV на базе IEEE 1394 (FireWire, i.Link) и USB. Не все современные компьютеры по умолчанию поддерживают DV, однако этот вопрос легко решается - достаточно приобрести специальную плату IEEE 1394 ($15-20), которая обеспечивает высокоскоростное соединение для передачи данных с видеокамеры на ПК. Можно, конечно, подключиться и к DVD-рекордеру, однако в этому случае все преимущества DV-качества будут утеряны, так как произойдет преобразование информации в MPEG2. Поэтому этот вариант рекомендуется применять только в том случае, если вы в дальнейшем не собираетесь серьезно редактировать эту видеосъемку.

С USB могут возникнуть сложности. Если в MPEG2-камерах данные по этому интерфейсу передаются без проблем, то в случае miniDV все не так просто, если камера не умеет конвертировать DV в MPEG-формат либо данные передаются на компьютер в сыром виде (по аналогии с IEEE 1394), то преобразование данных в MPEG, грозит потерей качества.

И еще важная ремарка - техника, предназначенная для ввоза в Европу, как правило, лишена входов для записи видеоизображения. Это связано с вопросами налогообложения. В связи с этим, купив камеру за рубежом, можно впоследствии неприятно разочароваться.

При покупке камеры обязательно нужно проконтролировать наличие входов. Для DV-камер обязательно наличие IEEE 1394. Он необходим для записи смонтированных данных с компьютера обратно на кассету.

Аналоговый вход не так жизненно необходим, как цифровой, но он может понадобиться, например, для перезаписи Video8 или VHS-кассет на цифровой носитель.

Результат видеосъемки во многом зависит от удобства работы с камерой. Выбирая устройство, обратите внимание на то, как оно лежит в руке. Важную роль играет и его вес. Пристального внимания заслуживает управление и отображение съемочной информации. У вас должна быть возможность съемки при ярком солнце, при этом вы должны четко видеть получаемую картинку. Необходим и поворотный экран для ракурсной съемки.

В идеале за настройку фокусировки, экспозиции и баланса белого должны отвечать отдельные клавиши на корпусе камеры. Это тот минимум, который позволит четко управлять съемочным процессом.

 

Заключение

 

Старые пленочные технологии отошли в прошлое. На смену пришла новая цифровая фототехника, которую предлагают фирмы-производители всего мира, ежегодно внедряя новые разработки в свои модели фото и видеокамер. Цифровые фотоаппараты способны удовлетворить запросам самого придирчивого фотографа. Видеокамеры новых поколений снимают не только бытовое видео, но и небольшие объекты, перемещающиеся с высокими скоростями, осуществляют съемку в условиях недостаточной освещенности. Запись производится как на уже устаревшие видеокассеты или 8 см диски, так и более совершенные жесткие диски, карты памяти, DVD которые помогают поддерживать высокое качество съемки и имеют значительно больший запас времени.

На сегодняшний день, у каждого крупного производителя электронной техники имеется в наличии как минимум несколько фотоаппаратов различных классов (любительские, профессиональные, полноформатные). Разобраться в этом многообразии зачастую без сомнения очень непросто. Что же касается видеокамер, они тоже продолжают совершенствоваться, причем не столько по характеристикам матрицы (достигнутого уровня в 10—12 мегапикселей более чем достаточно для фотолюбителя), сколько по удобству использования. Производители оснащают свои устройства дополнительными функциями, превращающими простой фотоаппарат в разумное устройство, весьма практически не требующее вмешательства в фотопроцесс со стороны владельца.

Преимущества цифровой записи видны невооруженным глазом: эта технология сводит к минимуму число помех и искажений изображения, сохраняет качество изображения при копировании, позволяет записывать качественный звук, к тому же разрешение картинки у цифровых камер вдвое выше, чем у их аналоговых собратьев. Но самое главное преимущество цифрового формата видеозаписи возможности быстрого и легкого ее редактирования. И этот процесс единственный, требующий общения цифровой видеокамеры с ПК.

 

Список литературы

 

1. MIGnews.com.ua.

2. PO4EMU.RU.

3. www.cifrovaya-tehnika.ru.

4. www.digitalzoom.ru.

5. www.electrohit.ru.

6. www.familyvideo.ru.

7. www.fotografiya.ru.

8. www.foto-katalog.ru.

9. www.mobi.ru.

10. www.photohistory.ru.