Устройство цифровой видеокамеры

Этот формат применяется  в DVD и HDD-видеокамерах, а также во flash-   видеокамерах стандартного разрешения. Размер кадра, как и в формате DV, составляет 720х576 точек (исключение — видеокамеры Panasonic, у которых этот размер равен 704х576 точек).

 

5.Форматы записи видео высокого разрешения

 

Видео высокого разрешения (далее, HD-видео, от англ. High Definition — высокая четкость) уверенно входит в нашу жизнь. Его распространению способствует увеличивающаяся популярность ЖК и плазменных телевизоров с большой диагональю, на которых видео стандартного разрешения смотрится уже "не очень". И если еще два года назад все бытовые HD-видеокамеры были представлены одной моделью — Sony HDR-HC1E, то сегодня все основные производители видеокамер (Sony, Panasonic, Canon, JVC) выпускают и постоянно расширяют свои линейки HD-видеокамер. Но при всем разнообразии моделей львиную долю на рынке бытовых видеокамер занимают только два формата видео высокого разрешения: HDV и AVCHD, к рассмотрению которых мы сейчас и перейдем.

 

        HDV — формат HD-видео, первым проникший на бытовой рынок (именно в этом формате снимала вышеупомянутая Sony HC1). Перед разработчиками стандарта HDV стояла задача, во-первых, значительно увеличить разрешение финального видео по сравнению с видео  стандартного разрешения, а во-вторых, оставить величину видеопотока сравнимой с той, что мы имеем в формате DV, это дало бы возможность записывать HD-видео на те же кассеты miniDV, не жертвуя при этом временем съемки на одну кассету. Для решения этой задачи разработчики стандарта HDV (в качестве которых выступили Sony, Canon, JVC и Sharp) использовали уже знакомый нам формат  компрессии MPEG-2. При этом величина видеопотока осталась такой же, как и для DV, — 25 Мбит/с. Это было достигнуто, помимо использования более высокой степени компрессии, с помощью анаморфного преобразования. Его суть в том, что первоначальный кадр, имеющий размер 1920х1080 точек, перед записью на ленту, помимо прочего, еще и сжимается по горизонтали до 1440 точек, так что размер кадра готового видео составляет 1440х1080 и оно "сплюснуто" по горизонтали, его пропорции нарушены. При воспроизведении такого видео устройство воспроизведения (например, программа-плеер на компьютере или сама видеокамера в режиме воспроизведения) производит обратное преобразование 1440->1920, восстанавливая при этом нарушенные пропорции. Анаморфное преобразование позволяет "уложиться" в поток 25 Мбит/с, не прибегая к "запредельным" коэффициентам компрессии, а значит, сохраняя высокое качество видео. А оборотной стороной его использования является сниженное горизонтальное разрешение,информация, потерянная во время преобразования 1920->1440, при обратном преобразовании уже не восстанавливается.  Остальные характеристики формата: чересстрочное видео с размером кадра 1920х1080 (1080i, i — interlaced, чересстрочное), форматное соотношение 16:9, видеопоток в 25 Мбит/с, формат компрессии MPEG-2, носитель видео — кассета miniDV.

 
HDV видеокамера, записывает  видео в формате MPEG-2 высокого  разрешения на кассету miniDV

 

        AVCHD — формат HD-видео, совместно предложенный Sony и Panasonic летом 2006 года. Необходимость появления этого формата была обусловлена двумя основными факторами. Во-первых, явным дисбалансом между устройствами записи/просмотра видео высокой четкости и устройствами его воспроизведения, сложившимся на современном рынке. Действительно, на рынке в достаточном количестве и по относительно приемлемым ценам присутствуют ЖК и плазменные телевизоры высокой четкости, а также кинотеатральные проекторы, для которых стандартного разрешения уже явно не хватает. Нет недостатка и в видеокамерах высокой четкости. А носителей, на которые можно было бы записывать видео высокой четкости, которые были бы достаточно вместительны для этой цели — практически нет. Затянувшееся противостояние HD-DVD и Blu-Ray снижает интерес пользователей к обоим форматам, да и производство приводов на "синем" лазере еще не отлажено в должной мере, а цена на уже имеющиеся на рынке приводы пока еще неоправданно высока. Их мало и они слишком дороги... Во-вторых, необходимость появления формата AVCHD обусловлена отказом большинства пользователей (на бытовом рынке, конечно) воспринимать кассету как средство хранения цифрового видео, мы уже говорили об этом выше.  А значит, учитывая фактор номер один (малую распространенность приводов и дисков на основе "синего" лазера), надо придумать формат, который позволит записывать HD-видео на обычные DVD-диски и flash-карточки, и не жертвуя качеством этого видео в придачу. Так на сцене и появляется AVCHD. В его основу был положен формат компрессии H.264/AVC (его еще называют MPEG4 Part 10). Он использует более "продвинутые" и эффективные алгоритмы компрессии, чем рассмотренный нами выше MPEG-2, а значит, говоря проще, позволяет записать на носитель больше видео и в лучшем, нежели MPEG2 качестве. Что, собственно, нам и требовалось!

 
HDD видеокамера, записывающая  видео в формате AVCHD на встроенный  жесткий диск

 

Формат позволяет, как  проводить анаморфное преобразование 1920->1440, так и не проводить его, работая с разрешением 1920х1080 на протяжении всех этапов кодирования вплоть до записи на носитель. Максимальный видеопоток, предусматриваемый форматом, составляет 24 Мбит/с, что почти соответствует потоку HDV при более совершенных алгоритмах компрессии, а значит, потенциально более высоком качестве. Правда, в видеокамерах выпуска 2007 года эти возможности формата еще не были использованы: видеопоток ограничивался  15 Мбит/с, и всегда использовалось анаморфное преобразование. Но эти возможности вполне могут быть использованы в будущих AVCHD-видеокамерах, так что тут есть куда расширяться, формат это позволяет.

 
Камера, записывающая видео  в формате AVCHD на карту памяти Secure Digital

 

Пора поговорить и о  недостатках. А они состоят в  том, что, во-первых, применение формата H.264/AVC для кодирования видео требует  очень и очень немалых (даже для  сегодняшнего дня) компьютерных ресурсов. В частности, только для просмотра  такого видео Sony рекомендует (минимально — на самом деле, видео в такой конфигурации будет подтормаживать, проверено на опыте) двухъядерный процессор на ядре NetBurst (Pentium 4) с частотой 2.8 ГГц (и  1 Гигом оперативки) или одноядерный Pentium 4 с частотой от 3.6 ГГц и выше. А что уж говорить о редактировании? Тут без Core 2 Duo E6600 и выше не обойтись! Так что если вы решили покупать видеокамеру формата AVCHD, то вам стоит задуматься — а не произвести ли для начала апгрейд домашнего компьютера... Во-вторых, из-за высокой степени компрессии, которую обеспечивает формат сжатия AVCHD, потери качества видео при рекомпрессии (которая всегда производится в местах вставки титров, переходов, эффектов) будут выше, нежели для формата HDV. Ведь H.264/AVC создавался как формат конечного хранения видео (то есть вы редактируете видео в каком-то другом формате, а потом сохраняете результат в H.264 с однократной компрессией) и, по-хорошему, не предназначен для редактирования. В-третьих, раз уж мы заговорили о редактировании, то надо сказать, что поддержка формата AVCHD в нормальных видеоредакторах пока менее широка, нежели поддержка формата HDV. Но для домашнего пользователя, который не очень "заморачивается" сложным редактированием своего видео, этот формат вполне подходит, тем более что видео в нем записывается на "прогрессивные" носители — диски miniDVD, жесткие диски, а также flash-карточки. Да и поддержка этого формата в современных "монтажках" постоянно расширяется, так что расширяются и возможности для редактирования AVCHD.

 

 

6. Важные характеристики

 
Очевидно, что для правильного  выбора цифровой видеокамеры недостаточно знать только формат записи видео. Поэтому мы рассмотрим некоторые характеристики цифровых видеокамер, играющие ключевую роль. 
 
                                                            

 6.1.Матрица

 

Матрица - специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.

• Предназначена для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
• Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.
• Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

 
Ключевая деталь любой цифровой видеокамеры. Без матрицы сделать  запись невозможно. Матриц может быть одна или три.  
 
Одна матрица воспринимает все цветовые составляющие изображения одновременно (красную, синюю, зеленую - RGB) – а потому происходит некоторое ухудшение цветопередачи и четкости картинки. 
 
Три матрицы в современных цифровых видеокамерах призваны улучшить качество и четкость изображения, поскольку каждая цветовая составляющая его воспринимается отдельно, «своей» матрицей. Это существенно улучшает цветопередачу. 
 
                                                       
 
Матрица цифровой видеокамеры обладает несколькими важными характеристиками:

• Размер матрицы тесно связан с ее чувствительностью. Чем крупнее матрица, тем больше чувствительных элементов может быть на ней расположено, соответственно выше чувствительность.
• чувствительность – способность матрицы воспринимать объекты при различных условиях освещения. Измеряется в люксах и обычно находится в диапазоне от 0 до 15 люкс. Чем меньше значение чувствительности, тем меньше видеокамере требуется света для работы. Так, например, при чувствительности 0 люкс Вы можете вести съемку практически в полной темноте.
• количество пикселей (разрешение) – необходимое количество пикселей зависит исключительно от системы телевидения – PAL или NTSC. Максимальное требуемое для съемки количество пикселей – около 415 000. Если видеокамера поддерживает более высокое разрешение, это значит, что остальные пиксели используются для работы электронного стабилизатора изображения.

 

6.2.Различия 1CCD-матрицы и 3CCD-матрицы

 

Еще не так давно этот вопрос перед большинством видео любителей не стоял - камеры 3CCD были уделом профессионалов из-за их высокой цены. Но стараниями фирмы Matsushita (торговая марка Panasonic) на рынке появились недорогие камеры 3CCD и вопрос "что выбрать - 1CCDили 3CCD?" все чаще встречается в форумах видео любителей, причем ответы на него варьируются от "любая 3CCD камера на голову лучше любой 1CCD камеры" до "3CCD - ерунда, маркетинговый трюк, не более того". Попробуем разобраться - где же истина, в чем камеры 3CCDдействительно превосходят 1CCD и стоит ли за это платить.

Начнем с того, что CCD-матрица является монохромным прибором - сама по себе она не воспринимает цвета. Так как же тогда  получить цветное изображение? Наиболее естественный путь - установить три матрицы и цветоделительную систему так, чтобы разделить световой поток на три основные цветовые компоненты (красную, зеленую и синюю) и каждую компоненту направить на свою отдельную матрицу. При этом на каждой из трех матриц мы получим картину в, соответственно, красных, зеленых и синих лучах. Приписав ей соответствующий цвет и наложив эти картины друг на друга мы получим полноцветное изображение. Именно так работает 3CCD система.

Преимущества такого подхода  очевидны - это наиболее естественный путь получения цветовой информации при котором практически не происходит её потери. Недостаток тоже лежит на поверхности - три матрицы стоят дороже, чем одна. Прибавим к этому стоимость цветоделительной системы, юстировки матриц, прецизионного изготовления всего блока... Да и размер такой системы по определению будет больше соответствующей 1CCD системы. Понятно, почему системы 3CCD долгое время были уделом лишь профессионалов. А что оставалось делать любителям? Им оставалось иметь дело с 1CCD (одноматричными камерами)... Как образуется цветная картина на них?

А образуется она следующим  образом - перед каждой ячейкой матицы стоит цветной светофильтр. Наиболее распространенной является Байеровская система светофильтров (её еще часто называют RGGB системой).

Она состоит из красных, зеленых  и синих фильтров на ячейках. Причем "зеленых" ячеек (ячеек под зеленым фильтром) вдвое больше, чем "красных" и "синих". Это связано с тем, что человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Как вы можете видеть, в такой системе каждая ячейка матрицы отвечает только за один цвет. Но как же тогда построить полноцветную картину, ведь для этого нужно иметь информацию о всех цветах для данной ячейки, а изначально мы имеем информацию только об одном цвете? И тут на помощь приходит цветовая интерполяция. Возьмем, к примеру, "зеленую" ячейку. Изначально для неё мы имеем информацию только о зеленой компоненте, но мы можем приписать этой ячейке и информацию о красной и синей компоненте, проводя интерполяцию по соседним красным и синим ячейкам. Простейшие схемы такой цветовой интерполяции показаны на нижеприведенном рисунке

В результате такой интерполяции и получается полноцветная картина на одной матрице - после интерполяции каждая точка имеет все три цветовые компоненты.

И теперь, после того как  мы вкратце ознакомились с формированием  цветной картины в системах 3CCD и 1CCD, мы сможем ответить на главный вопрос - чем же система 3CCD лучше системы 1CCD. И здесь мы должны сделать основополагающее для ответа на этот вопрос замечание - 1CCD (в отличии от 3CCD) теряет цветовую информацию. Действительно, что произойдет, если "красный" (то есть имеющий соответствующую красному цвету длину волны) фотон попадет на "зеленую" (или "синюю") ячейку (ячейку под зеленым или синим светофильтром)? Ответ очевиден - он будет поглощен этим фильтром и не будет зарегистрирован матрицей. То же самое можно сказать и о "зеленом" фотоне и "красной" ("синей") ячейке или "синем" фотоне и "зеленой" ("красной") ячейке. В результате этого в одноматричной системе теряется до 3/4 цветовой информации (в отличии от трехматричной, где каждый фотон будет зарегистрирован на соответствующей матрице)!  Недостаток цветовой информации одноматричная система вынуждена восполнять с помощью уже упоминавшейся выше цветовой интерполяции, но это "нечестный" путь, мы приписываем данной ячейке две цветовые компоненты, строго говоря, не относящиеся к ней, взятые с других ячеек, других точек картины! Результатом этого является (при прочих равных условиях) худшая цветопередача и худшее разрешение одноматричной системы по сравнению с трехматричной. В частности, на картинке, полученной с трехматричных камер практически не бывает цветовых шумов, в то время как на одноматричных камерах  такие шумы встречаются довольно часто. С разрешением тоже все понятно. К примеру, в 3CCD системе с 800000 пикселями на одну матрицу, на зеленый цвет придется 800000 пикселей, на красный - 800000, на синий - 800000. А как обстоит дело в одноматричной системе с 800000 пикселей на матрице? На зеленый в ней придется... 400000 пикселей, а на красный с синим и того меньше - по 200000 пикселей. И у кого после этого будет выше цветовое (да и яркостное тоже) разрешение? Ответ очевиден...