Цифровой фотоаппарат и цифровая фотография

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное автономное

учреждение высшего профессионального образования

"ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Технологический институт в г. Таганроге

Радиотехнический факультет

Кафедра РПрУиТВ

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

Цифровой фотоаппарат и цифровая фотография

Выполнил: ст.гр. Р-48

Проверил: к.т.н.,

доцент каф. РПрУ и ТВ

Мелешкин С.Н..

Таганрог 2011

Содержание

1.Линзы и объектив

.ПЗС матрицы

.1 Внутренний фотоэффект

.2 Матрицы с буферизацией столбцов

. ПЗС-матрицы камер формата DV

. Камеры с одной и тремя ПЗС-матрицами

Список использованных материалов

1.Линзы и объектив

Объектив - немаловажный компонент, который часто недооценивают. Тем не менее именно объектив отвечает за формирование изображения, и никакая повышенная чувствительность матрицы не сможет компенсировать неправильно сформированное изображение. Отдельным элементом объектива является линза. Линзы производятся из стекла, но в недорогих камерах, как правило, используют линзы из пластика. Естественно, это хуже, потому что диапазон света, пропускаемого пластиковой линзой, меньше, чем у стеклянной.

Линзы объединяются в группы по несколько элементов в каждой. Обычно в объективе смонтировано не меньше трех линз. В сложных объективах может быть до 10-15 элементов в трех-четырех группах. Увеличение количества элементов позволяет компенсировать искажения, вносимые объективом, т.е. как правило, чем сложнее объектив, тем более качественное изображение он формирует. Искажения, привносимые объективом, называются аберрацией. Аберрация может быть геометрической, например бочкообразные и подушкообразные искажения изображения, а может быть хроматической, т.е. искажением цветопередачи. К таким искажениям относится синяя или пурпурная кайма на границе сильно контрастных областей изображения. Данные дефекты иногда наблюдаются в дешевых камерах. Геометрическая аберрация возникает из-за искажения направления движения света при проходе через линзы. Свет частично поглощается материалом линз, частично рассеивается, частично преломляется. Все это влияет на количество и качество света, проходящего через объектив и попадающего на матрицу.

Хроматическая аберрация вызвана тем, что волны разной длины с различной скоростью проходят через стекло: одни быстрее, другие - медленнее. В результате происходит разложение света по спектру. Этот эффект всем знаком на примере прохождения света через призму. Как раз для компенсации хроматической аберрации используют множество линз в объективах. Теоретически, чем больше линз, тем лучше они компенсируют хроматическую аберрацию. Но на самом деле при увеличении их количества возникает множество потерь, связанных с поглощением, рассеянием и искажением. К тому же такая система требует тщательной сборки объектива и точности изготовления линз, что приводит к существенному увеличению цены. Объективы ничем не различаются у пленочных и цифровых фотокамер, кроме электронной системы управления. Принципы работы со светом никак не зависят от метода фиксирования изображения. Основными характеристиками объективов являются фокусное расстояние, апертура, выдержка, чувствительность и светосила.

Фокусное расстояние

Этот термин многим знаком еще со школы. Под фокусным расстоянием объектива понимается расстояние, измеряемое в миллиметрах, от линзы до фокальной плоскости объектива. Фокальная плоскость параллельна плоскости линзы и проходит через ее фокус. Фокус - точка, в которой собираются лучи, проходящие через линзу (для выпуклой, собирающей линзы). В фотоаппарате в фокальной плоскости располагается либо пленка, либо матрица. Таким образом, объектив собирает свет и фокусирует его на светочувствительную поверхность. От фокусного расстояния прямо зависит коэффициент увеличения линзы (или объектива). Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличение объектива и тем меньше угол зрения. В зависимости от фокусного расстояния объективы бывают широкоугольными или длиннофокусными. Широкоугольные объективы зрительно отдаляют объект, делают его меньше, но угол охвата изображения у них больше, поэтому они и называются широкоугольными. Длиннофокусные объективы приближают объект и сужают поле зрения.

Фокусировка в камере зависит от размера светочувствительного элемента. Для традиционных камер этот размер соответствует ширине пленки - 35 мм. Теперь размеры матриц не только меньше, но еще и различны для разных камер. Поэтому параметры фокусного расстояния объектива цифровой камеры часто приводятся относительно стандартных 35 мм. Это позволяет сравнивать различные объективы по фокусному расстоянию, не принимая во внимание размеры матрицы, а также позволяет однозначно определить следующее: • Объектив с фокусным расстоянием 50 мм примерно соответствует нормальному углу зрения человека и подходит для съемок средних планов, например па улице. • Фокусное расстояние 90-130 мм подходит для портретной съемки. Снимать ими можно с достаточно большого расстояния, и из-за небольшой глубины резкости они «скрадывают» мелкие морщины. • С 200 мм начинаются телеобъективы. Их назначение - съемка на большом расстоянии, например, спортивных состязаний, пугливых птиц и животных. Они имеют сложную оптическую систему с большими линзами для обеспечения минимальных искажений. • Объективы с 28-35 мм фокусного расстояния называются «средними широкоугольннками» и обеспечивают приемлемые искажения при увеличенном угле зрения. Они подходят для съемки в помещениях с ограниченной свободой перемещения. Часто используются в недорогих камерах. • При фокусном расстоянии менее 20 мм искажения уже явно заметны. Такие объективы называют «рыбий глаз» из-за кажущегося трехстороннего «охвата» объекта съемки. Используются только как особый художественный прием.

В цифровых камерах обычно используются объективы с переменным фокусным расстоянием, т.е. они могут быть и широкоугольными, и длиннофокусными в зависимости от установленного значения фокусного расстояния. Часто эта возможность называется зум (Zoom - увеличение). Увеличение может быть оптическим и цифровым. Оптическое увеличение достигается возможностями оптики объектива, как раз изменением фокусного расстояния, поэтому оно не приводит к ухудшению качества. Максимальное значение зума легко рассчитать, прочитав на объективе диапазон доступных фокусных расстояний. Например, если на объективе указан диапазон 5,4-16,2 мм, то максимальное увеличение будет 16,2/5,4=3 - трехкратный зум.

Как узнать фокусное расстояние объектива

Очень просто. Фокусное расстояние указывается на оправе объектива, рядом указывается его светосила. На фотографии мы видим старый советский объектив Гелиос 44к-4, который имеет фокусное расстояние 58 мм, а светосилу f2 (обозначена 1:2). Фокусное расстояние я указал на фотографии жёлтой стрелочкой.

Что ещё можно рассказать про объектив, глядя на его обозначения? Немного.

Эта модель Гелиоса имеет байонетное крепление "К" (пойдёт под зеркалку Pentax без всяких адаптеров), многослойное просветление, постоянное фокусное расстояние 58 мм, светосилу f2, посадочную резьбу для светофильтров - М52x0,75, сам объектив выпускался для фотоаппаратов Зенит с байонетом "К" на Красногорском механическом заводе, о последнем говорит значок призмы с преломлённым лучом... Можно, конечно, рассказать про данную оптику значительно больше, чем говорят её обозначения - но это выходит за рамки статьи про фокусное расстояние...

На меньшей матрице - при одном и том же фокусном расстоянии - кадр будет обрезан, а угол зрения меньше

Цифровой зум позволяет повысить кратность увеличения, но приводит к ухудшению качества, поэтому не рекомендуется к применению. Точно такое же увеличение вы можете впоследствии сделать на компьютере. Механизмы цифрового зума и увеличения фотографии на компьютере идентичны. В обоих случаях процессор рассчитывает, пиксели каких цветов и в каких местах надо добавить при увеличении изображения. Ухудшение происходит из-за того, что эти пиксели не были восприняты светочувствительной матрицей изначально, т.е. их не было в исходном изображении. А процессор вычисляет их с помощью аппроксимации (вычисление среднего значения), анализируя соседние существующие пиксели.

Апертура и выдержка

Каждый объектив регулирует интенсивность и продолжительность воздействия света на матрицу или пленку. Интенсивность регулируется с помощью ирисовой диафрагмы, которая состоит из тонких металлических лепестков. Эти лепестки могут уменьшать и увеличивать отверстие, через которое проходит свет в объективе, тем самым увеличивая или уменьшая его количество. Степень открытия диафрагмы иногда называется апертурой. В русскоязычной литературе по фотографии используется термин диафрагма. Измеряется диафрагма в единицах отношения фокусного расстояния к диаметру открытия диафрагмы. Соответственно, чем больше икдекс диафрагмы, тем меньше диаметр. Диафрагма обозначается посредством чисел, которые являются членами некой фиксированной последовательности, например f4, f8, П6 и т.п. В пленочных камерах использовались механические затворы, которые открывали отверстие объектива на определенное время для засветки пленки. При этом длительность облучения пленки светом зависит от времени, в течение которого затвор остается открытым. Это время называется выдержкой. Выдержка измеряется в секундах и долях секунды. Значения выдержки тоже образуют стандартный ряд: 1/500, 1/250, 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8 и т.д. При съемке неподвижных объектов можно использовать большие значения выдержки, а при низкой освещенности объекта выдержка сильно возрастает. Ведь необходимо время, чтобы нужное количество света попало на пленку. И, наоборот, при съемке движущихся объектов или при хорошей освещенности выдержка должна быть маленькой, чтобы успеть заснять объект или чтобы количество попавшего света не было слишком большим. Таким образом, между выдержкой и диафрагмой существует связь. Разберем это на примере и заодно посмотрим, когда автоматическая работа камеры может не дать нужного результата. Современные камеры имеют встроенные средства измерения для автоматического замера экспозиции и выдержки. Предположим, вы снимаете спортивные состязания и автоматические измерения при этих условиях дали вам диафрагму П6 и выдержку 1/60. Эти параметры пригодны для съемки неподвижных изображений, поэтому выдержка слишком большая. Если же вы собираетесь снимать бегуна с такой выдержкой, то его фотография получится размазанной. За то время, пока затвор будет открыт, бегун переместится, и это движение успеет зарегистрировать ваша камера. Поэтому выдержку надо уменьшить, например, в 2 раза. Уменьшаем ее вручную до 1/125. Но теперь затвор будет открыт очень ненадолго, и света может не хватить для экспонирования пленки. Чтобы избежать этого, надо увеличить отверстие диафрагмы в два раза - до f8. Теперь количество света будет в 2 раза больше. Таким образом вы сможете получить не смазанный снимок спортсмена с правильно подобранной экспозицией. Хотя мы привели пример для пленочной камеры, для цифрового аппарата выбор правильной экспозиции проводится аналогичным образом.

Чувствительность

Для пленочных фотоаппаратов выпускались пленки с различной чувствительностью. Под этим термином понимается восприимчивость пленки к свету. Более чувствительная пленка воспринимает даже небольшое количество света. Это особенно полезно при плохом освещении. Традиционно чувствительность измеряется в единицах ISO: ISO100, ISO 200, ISO 400, ISO 800. Чем больше число ISO, тем чувствительнее пленка. Большая чувствительность плоха тем, что пленка имеет большую зернистость, которая впоследствии дает шумы на фотографии. К сожалению, этот недостаток имеется не только в пленочных, но и в цифровых камерах. Хотя эти фотоаппараты и не имеют пленки, чувствительность в них существует. Она либо выставляется вручную, либо определяется камерой автоматически. И недостаток сохранился - чем больше чувствительность, тем больше шумов дает матрица. Параметр чувствительности связан с диафрагмой и выдержкой. Чем больше чувствительность, тем меньше надо света, чтобы проэкспонировать пленку или матрицу, а значит, можно уменьшить диафрагму или выдержку. И наоборот. Если вы хотите уменьшить чувствительность, чтобы сократить шумы матрицы, то увеличьте либо диафрагму, либо выдержку.

Светосила Под светосилой объектива понимается отношение освещенности на светочувствительной матрице к яркости снимаемого объекта. Чем выше светосила, тем габариты камеры больше и тем выше ее чувствительность. Естественно, камеры с большей светосилой более дорогие. Светосила указывает максимально возможное значение диафрагмы при конкретном значении фокусного расстояния. Если на объективе встретилась вот такая маркировка: 7-21мм /2,0-2,8 диафрагма 2,0-8,0, то это расшифровывается таким образом: • Объектив имеет переменное фокусное расстояние от 7 до 21 мм. • При фокусном расстоянии 7 мм он имеет диапазон диафрагм f2-f8, соответственно светосила - 2 (максимально возможное значение диафрагмы). • При фокусном расстоянии 21 мм он имеет диапазон диафрагм f2,8-f8, светосила-2,8.

Некоторые особенности объективов

Объективы могут иметь резьбу на торце для крепления насадок и фильтров. Некоторые фирмы используют корпуса объективов для размещения различных органов управления камерой. Фирма Sony сделала объектив, меняющий угол наклона в вертикальной плоскости относительно корпуса самой камеры. В профессиональных и дорогих любительсикх камерах есть возможность смены объективов. Для этого корпус камеры имеет отверстие с резьбой, в которое ввинчивается объектив или фиксируется другим способом. Более простые камеры имеют объективы, втягивающиеся в корпус. Это удобно для недорогих камер, которые можно всегда носить с собой и не бояться повредить объектив. Однако стоит отметить, что характеристики таких объективов не высоки.

Наличие автофокуса, помимо более резкого изображения близкорасположенных объектов съёмки, обеспечивало и более высокую светосилу объективов. Дело в том, что в объективах со свободным фокусом, которыми оборудованы Kodak DC-20 и DC-210, используется такое оптическое свойство, как гиперфокальное расстояние - минимальное расстояние от съемочного объектива до воображаемой плоскости в пространстве. При фокусировке объектива на эту плоскость дальняя граница изображаемых им резко объектов оказывается в бесконечности, а ближняя граница (то есть минимальная дистанция съемки) оказывается на расстоянии, равном половине гиперфокального расстояния.

Поскольку величина гиперфокального расстояния прямо пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива и обратно пропорциональна его диафрагме, производители, стремясь уменьшить ближнюю границу съемки (хотя бы до 1,5 метров), используют объективы с максимально закрытой диафрагмой, которые совершенно не приспособлены для съёмки при недостаточной освещённости.

Если приходится снимать в помещении со слабым источником света, либо на улице в сумерках, то оптика должен быть как можно более светосильной. Как правило, таковым считается объектив, минимальное значение диафрагменного числа которого 2,8 и ниже. Производители вариообъективов считают "светосильной" оптику с самыми разными параметрами, однако правильнее всего называть этим термином такой объектив, у которого при "коротком" фокусе максимальное относительное отверстие эквивалентно f/2,0-f/2,8, а при "длинном" фокусе - f/2,5-f/3,0. Такая оптика обеспечивает более интенсивный световой поток, чем обычные объективы, поэтому можно использовать "короткие" выдержки и уменьшить риск "сдёргивания" кадра. Кроме того, светосильные объективы более "спокойно" переносят установку различных насадок - насадочных линз и светофильтров, так как ослабление светового потока этими насадками ограничивает их использование совместно с обычными объективами.

Casio EXILIM EX-Z3 (Разрешение 2048X1536, объектив 35-105 мм, f/2,6-f/4,8)

Так или иначе, большинство современных компактных цифровых фотокамер снабжаются вариообъективами обычной, хотя и довольно миниатюрной, конструкции. А вот схема объективов первых цифровых фотоаппаратов с оптикой высокой (порядка 10Х) кратности по-настоящему интересна с инженерной точки зрения.

Дело в том, что чем больше фокусное расстояние объектива, тем "короче" максимальная допустимая выдержка. Такое ограничение вызвано тем, что при колебании объектива относительно его продольной оси световой поток, отраженный от объекта съемки, в процессе экспонирования смещается от оптической оси, в результате кадр получается "смазанным". Чтобы избежать этого, применяется так называемое "правило обратной пропорциональности", согласно которому соотношение фокусного расстояния и выдержки, не вызывающей "смазанности", обратно пропорционально. То есть при фокусном расстоянии 200 мм выдержка не должна быть продолжительнее 1/200 секунды.

Избежать ограничения по минимальной выдержке можно использованием штатива, однако он представляет собой довольно громоздкое устройство, поэтому объективы, предназначенные для телесъёмки, зачастую оснащают системами оптической стабилизации.

Конструкция данного устройства достаточно сложная, чтобы описывать ее детально, а основной принцип состоит в использовании линзы, перемещающейся перпендикулярно оптической оси.

Принцип работы системы оптической стабилизации Canon Image Stabilizer

Стабилизация посредством перемещения линзы осуществляется как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Система гироскопических сенсоров определяет как направление, так и скорость смещения. Для перемещения корректирующей линзы используется соленоид, поскольку такие приводы отличаются малыми габаритами и весом, быстрой реакцией и скромным энергопотреблением. Определение текущей позиции линзы осуществляется инфракрасными датчиками, а вся работа управляется высокопроизводительным микропроцессором.

При использовании системы Image Stabilizer выдержку можно увеличивать примерно в 4 раза относительно правила обратной пропорциональности. Например, выдержка в 1/50 может успешно применяться при фокусном расстоянии 200 мм.

2. ПЗС-матрицы

Основные параметры ПЗС-матриц

В последние годы в околокомпьютерной (и не только) прессе довольно часто встречаются восторженные обзоры, посвящённые очередному «технологическому чуду, призванному революционным образом повлиять на будущее цифровой фотографии»- это обобщённый вариант фразы, в той или иной форме встречающейся в каждой из подобного рода статей. Но что характерно- спустя всего год первоначальный ажиотаж постепенно сходит на «нет», а большинство производителей цифровой фототехники вместо «передовой разработки» предпочитают использовать проверенные решения.

Рискну предположить, что причина такого развития событий довольно проста - достаточно обратить внимание на «гениальную простоту» того или иного решения. В самом деле, разрешения матрицы недостаточно? А давайте пикселы не столбцами и строками, а диагональными линиями располагать, а потом «повернём» программным путём «картинку» на 45 градусов- вот у нас разрешение сразу в два раза вырастет! Неважно, что таким образом повышается чёткость только строго вертикальных и горизонтальных линий, а наклонные и кривые (из которых и состоит реальное изображение) остаются без изменений. Главное, что эффект наблюдается, значит и громогласно заявить об этом можно.

К сожалению, современный пользователь «избалован мегапикселями». Ему невдомёк, что каждый раз при увеличении разрешения разработчикам «классических» ПЗС-матриц приходится решать сложнейшую задачу по обеспечению приемлемого динамического диапазона и чувствительности сенсора. А вот «решения» вроде перехода с прямоугольной на октагональную форму пикселов рядовому фотолюбителю кажутся вполне понятными и обоснованными- ведь об этом так доступно написано в рекламных буклетах…

Цель данной статьи - попытаться на самом простом уровне объяснить, от чего зависит качество изображения, получаемого на выходе с ПЗС-матрицы. При этом от качества оптики совершенно спокойно можно абстрагироваться- появление уже второй по счёту «зеркалки» стоимостью менее 1000 долларов (Nikon D 70) позволяет надеяться, что дальнейший рост разрешения сенсоров для камер приемлемой ценовой категории не будет ограничиваться «мыльничными» объективами.

.1 Внутренний фотоэффект

Итак, сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых-преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий- он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только фотон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается- необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p - типа оснащается каналами из полупроводника n -типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма , назначение которой- хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра- то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD - matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя- при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full - frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame - transfer CCD).

Матрица с буферизацией кадра

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания- строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

3.2 Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра- в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром- его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров- не менее 30кадров секунду.

Матрица с буферизацией столбцов

Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline » (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй- чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной разверткой(interlace scan).

Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же попадают в буферный регистр, который не подвергается «фотонной бомбардировке», «размазывание» заряда в матрицах с буферизацией столбцов (smear) также происходит. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы «светочувствительного» ПЗС-элемента в потенциальную яму «буферного», особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях заряда, когда освещённость пикселя очень высока. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, портящая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании сенсора «светочувствительный» и буферный столбцы располагают на большей дистанции друг от друга. Разумеется, это усложняет обмен зарядом, а также увеличивает временной интервал данной операции, однако вред, который наносит изображению «размазывание», не оставляет разработчикам выбора.

Как уже было сказано ранее, для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы сенсор не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы (около 30 срабатываний в секунду) может быстро выйти из строя. К счастью, благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор, который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхмалые (до 1/10000секунды) значения выдержки, особенно критичные для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа ит.д.). Однако электронный затвор требует также, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы, впрочем, обо всём будет рассказано по порядку.

За всё приходится платить, и за возможность сформировать видеосигнал- тоже. Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС_матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Микролинзы

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо эффективнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, со временем этими устройствами стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и полнокадровые матрицы. Впрочем, микролинзы тоже нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение чаще всего это выражается в потере чёткости у мельчайших деталей кадра- их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение отнюдь не всегда нежелательно - в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость (aliasing)- назначение пикселу определённого цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti -aliasing filter), а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Если объект съёмки освещён недостаточно хорошо, рекомендуется максимально открыть диафрагму. Однако при этом резко возрастает процент лучей, падающих на поверхность матрицы под крутым углом. Микролинзы же отсекают значительную долю таких лучей, поэтому эффективность поглощения света матрицей (то, ради чего и открывали диафрагму) сильно сокращается. Хотя надо отметить, что падающие под крутым углом лучи тоже являются источником проблем- входя в кремний одного пиксела, фотон с большой длиной волны, обладающий высокой проникающей способностью, может поглотиться материалом другого элемента матрицы, что в итоге приведёт к искажению изображения. Для решения этой проблемы поверхность матрицы покрывается непрозрачной (например, металлической) «решёткой», в вырезах которой остаются только светочувствительные зоны пикселов.

Исторически сложилось так, что полнокадровые сенсоры применяются в основном в студийной технике, а матрицы с буферизацией столбцов- в любительской. В профессиональных камерах встречаются сенсоры обоих типов.

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, чувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной чувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (back -illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, а чтобы обеспечить требуемый внутренний фотоэффект подложка шлифовалась до толщины 10-15 микрометров. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации.

Матрица с обратной засветкой

Очевидно, что при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются по большей части в астрономической фотографии.

3. ПЗС-матрицы камер формата DV

От количества и размера ПЗС-матриц во многом зависит качество изображений, которое может быть получено камерой. Особенности ПЗС-технологии, ее возможности и недостатки рассматривает автор статьи.

Для тех, кто серьезно занимается цифровым видео (DV), модели видеокамер с тремя ПЗС являются действующим стандартом. Процесс разделения цветов в видеокамерах с одним кристаллом не позволяет получать изображение профессионального качества, так как сенсоры красного, зеленого и синего цветов в них расположены на одном пикселе увеличенного размера, размещенного на поверхности датчика. Но зато они существенно дешевле, чем аналогичные по функциональным возможностям модели с тремя кристаллами.

В моделях с тремя ПЗС, с помощью призмы, расположенной позади объектива, красная, зеленая и синяя составляющие изображения направляются на соответствующие мишени матрицы. В результате формируются обособленные каналы RGB, которыми можно манипулировать с величайшей точностью.

ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать видеокамера. ПЗС-матрицы, применяемые в видеокамерах стандарта DV, обеспечивают меньшее разрешение, чем 35-миллиметровые кинокамеры, а вот плотность размещения пикселей в некоторых профессиональных моделей фотоаппаратов (с ПЗС на 9 магапикселей и выше) уже приближается к пленочному стандарту.

Расположение пикселей

Всем ПЗС-матрицам свойственно наличие наведенных помех, так как индивидуальные пиксели размещаются по поверхности не непрерывно, а с промежутками, которые не позволяют камере захватывать непрерывное изображение с хорошим разрешением.

Дискретный рисунок решетки не позволяет достичь разрешения, характерного для кинофильмов, но если пиксели укладывать ровными аккуратными рядами, то существенно снизится способность матриц к записи мелких деталей и возникнут другие побочные эффекты, в том числе эффект ступенчатости тонких вертикальных линий.

Для подавления помех такого рода была использована технология, которую назвали «пространственное смещение». Суть ее заключается в том, что ПЗС-матрицы для красного, зеленого и синего цветов не должны быть идеально выровненными: ПЗС-матрица для зеленого цвета смещается приблизительно на полпикселя по отношению к матрицам для красного и зеленого цветов. Для операторов со стажем, которые еще помнят филигранно изготовленные камеры с электронно-лучевыми трубками, идея повышения разрешения за счет осознанного сдвига ПЗС-матрицы с плоскости регистра, кажется нелогичной. Но при таком способе организации, на самом деле, достигается максимальная эффективность в подавлении помех.

Но и у этой маленькой хитрости под названием «пространственное смещение», есть свои отрицательные стороны. Так, при съемках видеокамерой формата DV изображений, насыщенных мелкими деталями, например обширных пространств, покрытых сочной травой, для существенной части изображения не произойдет сдвига в канале зеленого цвета, что приведет к появлению ярко выраженного эффекта ступенчатости и другим помехам.

В некоторых цифровых видеокамерах (например, в JVC GY-DV300), подобные недостатки зеленого канала подавляются за счет оптического низкочастотного фильтра, расположенного между объективом и призмой. Незначительный блюр, который образуется благодаря фильтру, помогает подавлять большинство нежелательных дефектов.

Закон Найквиста

Меломанам, знакомым с принципами цифровой записи звука, хорошо известен закон Найквиста. Он гласит, что аналоговые волновые формы можно безошибочно восстанавливать по выборке при преобразовании в два раза превышающей частоту аналогового сигнала. Но специалисты, разрабатывающие цифровые видеокамеры, находятся под сильным гнетом экономии битов и байтов. Поэтому среди инженеров, работающих на Sony, Panasonic или JVC, вряд ли найдутся приверженцы удвоения частоты выборки, которая приведет к увеличению размера файла. Главное преимущество технологии пространственного смещения заключается в том, что она позволяет увеличить разрешение без обращения к более высокой частоте выборки.

Для многих цифровых видеокамер характерно появление заметного красного оттенка в затемненных участках. Это связано с неравномерностью сжатия по красному, зеленому и синему каналам на слабо освещенных участках. Этот эффект особенно заметен при передаче телесных оттенков кожи, в которых преобладают красные тона.

Аналоговая и цифровая обработка сигнала

То, что ПЗС-матрицы, которые располагаются внутри цифровых видеокамер, по сути, являются аналоговыми устройствами, сбивает с толку очень многих. В цифровой DV-видеокамере ряд преобразований аналогового сигнала, получаемого с ПЗС-матрицы, происходит до выборки и конвертации в цифровой поток. Так, на этапе сдвига уровня в соответствии с предпочтениями оператора или существующими телевизионными стандартами задается уровень черного. В Соединенных Штатах уровень черного для NTSC обычно устанавливается, равным 7,5 ИРИ, а в Японии, где также используется стандарт NTSC, - 0 ИРИ.

На этапе сдвига усиления средняя чувствительность пикселя может быть увеличена или уменьшена в пределах от −3 дБ до +18 дБ в соответствии с внешними условиями. В видеокамерах, предназначенных для профессионального использования, эта опция устанавливается вручную.

Пытаться представить процесс оцифровки прекрасных аналоговых изображений может только психически нездоровый человек: полный мельчайших оттенков аналоговый мир специалисты описывают в виде нулей и единичек.

Но на эту загадку аналогово-цифрового преобразования можно посмотреть и под другим углом. Встаньте на железнодорожную колею перед приближающимся грузовым составом: рев и грохот будут нарастать в ушах постепенно, по мере приближения локомотива. Это точный аналоговый опыт. Но, когда локомотив Boston & Maine, издавая страшный грохот, несется вперед, ваши глаза захватывают приближающееся чудовище только сериями сэмплов, вспыхивающих в мозгу со скоростью 15 кадров в секунду. Таким образом, «сигнальный процессор» мозга сглаживает движение приближающегося локомотива, а это уже ближе цифровому преобразованию. Поэтому мир, в котором мы живем, является одновременно и аналоговым, и цифровым, также как и используемые нами цифровые видеокамеры.

Изложенная выше аналогия с грузовым составом хорошо подходит для рассмотрения соответствия изображения на входе тому изображению, которое появляется на экране телевизионного монитора. Или, другими словами, идеальная система видеокамера - дисплей должна обеспечивать абсолютно точное совпадение того, что «видит» видеокамера и того, что в конечном итоге выводится на экран телевизора.

Конечно, цифровые видеокамеры еще очень далеки от совершенства, но даже дешевые модели в сочетании и с еще более недорогими телевизорами иногда дают неплохие результаты. Операторам, которые работают, в основном с цифровыми видеокамерами, следует четко понимать ограничения, которые накладываются самым слабым звеном - телевизором стоимостью в 69 долларов. ПЗС-матрица и видоискатель видеокамеры - это аналоговые приборы, поэтому при их работе с устройствами, обеспечивающими аналогово-цифровые и обратные преобразования, могут возникать определенные проблемы.

Процессор для обработки сигнала

Процессор для обработки сигнала (DSP) переводит аналоговый уровень яркости каждого пикселя в дискретную цифровую величину.

При аналогово-цифровой конвертации увеличение количество бит обычно приводит к повышению разрешения и точности выборки. Истоки этого следует искать в природе атома кремния. Кремний представляет собой наиболее распространенный на Земле элемент и является основным составляющим песка. Он имеет очень интересную особенность - относится к группе элементов, называемых «полупроводниками», потому, что в зависимости от наличия или отсутствия одного электрона на внешней орбите атома они могут проводить, а могут и не проводить электрический ток. Если электрон присутствует, то кремний будет проводить электричество, если электрона нет, то этот элемент будет непроводником.

На двух состояниях атома кремния основаны все современные компьютеры и цифровые медиаустройства. Инженеры, используя эти необычные свойства кремния, присваивают атому, на внешней орбите которого присутствует электрон, значение 1, а атому, у которого электрон отсутствует - значение 0. Поэтому компьютеры и цифровые процессоры сигнала видеокамер способны считывать только в двоичной системе (Base 2) и выполняют сложнейшие расчеты в соответствии с относительной проводимостью бесчисленных миллиардов атомов кремния.

Чтобы понять, что такое цифровой процессор сигналов видеокамеры, нужно четко понимать, что атом кремния может существовать только в одном из двух состояний: ноль или единица. Никаких иных оттенков или нюансов быть не может.

Давайте рассмотрим, как работает однобитный цифровой процессор сигналов. Пиксели, аналоговые значения которых составляют от 0% до 50%, он округляет до черного цвета, а пиксели со значениями от 51% до 100% - до белого. Естественно, что такой процессор не в состоянии обеспечить хороших результатов.

Использование второго бита для описания яркости пикселя существенно улучшает точность выборки. В этом случае пиксели могут принимать одно из четырех значений: 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1. Легендарная бытовая видеокамера с 2-битным цифровым процессором сигнала, которая была выпущена в 1989 г., вызвала много шума, так как она обеспечивала значительно лучшее разрешение.

В современных моделях цифровых видеокамер используются 10-, 12- или 14-битные процессоры. Чем больше количество бит, с помощью которых описывается пиксель, тем выше точность выборки. Цифровые процессоры сигналов на одном бите могут описывать пиксель только одной или двумя величинами, а 12-битный цифровой процессор, который используется в некоторых моделях JVC, позволяет получать ошеломляющее количество значений - 4096. Подобная точность выборки еще несколько лет назад казалась недостижимой. Она отражает общую тенденцию к повышению разрядности в битах для процессоров, использующихся в цифровых камерах среднего и высшего уровня.

Цифровые видеокамеры с 10-битным процессором могут описать каждый пиксель выборки с помощью 1024 возможных значений, а 8-битные модели, которыми оснащаются подавляющее большинство цифровых видеокамер, представленных на рынке, должны обходиться только 256 значениями.

Конечно, при оценке работы видеокамеры только на разрядности процессора зацикливаться не следует. Существует и ряд других факторов, имеющих столь же большое значение. Несмотря на кажущуюся логичность, некоторые специалисты оспаривают преимущества, которые дает увеличение разрядности процессора. В качестве аргумента они выдвигают тот факт, что человеческий глаз способен различать вариации, содержащие не более 230-250 пикселей на выборку, поэтому, по их мнению, создание видеокамер с разрешением, существенно превышающим эти значения, нет смысла. Они считают, что вполне достаточно 8-битного процессора, а стремление оснастить цифровые видеокамеры самыми совершенными процессорами - всего лишь хитроумный маркетинговый ход.

Тем не менее, на практике доказано, что 12-битный процессор может существенным образом расширить динамический диапазон видеокамеры. При яркости самой яркой точки в сцене 100%, 12-битный цифровой процессор теоретически способен увеличит ее в четыре раза. Это приводит к увеличению числа распознаваемых деталей в ярко освещенных зонах, что с точки зрения оператора цифровой видеокамеры может толковаться как очень полезная функция. Обратите внимание, что эта выборка производится в аналоговом пространстве до аналогово-цифровой конвертации.

ПЗС-матрица цифровой видеокамеры захватывает значительно больше информации, чем в конечном итоге записывается на пленку. Видеокамеры с 10-, 12- и 14-битными цифровыми процессорами сигнала сжимают ярко освещенные детали, чтобы уложиться в полосу частот, соответствующую формату DV. В затемненных участках, красный, зеленый и синий цвета сжимаются не равномерно, что может привести к некоторым весьма значительным цветовым сдвигам. Апельсины на этом изображении выглядят как лимоны, в результате более высокого коэффициента сжатия красного на ярко освещенных участках.

Смещение черного в ярких участках изображения

Видеокамеры с 8-битным процессором, такие как Sony DSR-PD150 или Canon XL1S, обеспечивают вполне приемлемое качество изображения за счет применения специальных функций. Некоторые 8-битные камеры Sony имеют динамический диапазон, сопоставимый с 12-битными моделями JVC, несмотря на те ограничения, которые теоретически накладываются цифровым процессором сигнала, встроенным в видеокамеру.

Увеличение разрядности процессора может способствовать сохранению ярко освещенных деталей, но детали, расположенные в затемненных участках - это совершенно иное дело. В современных моделях цифровых видеокамер, таких как Sony DSR-570, предусматривается специальная функция смещения черного (Black Stretch), с помощью которой можно переназначить приоритеты сжатия и переместить акцент с наиболее ярких и средне освещенных участков изображения на затемненные зоны. В результате такого смещения данные в затененных участках изображения лучше сохраняются в процессе выборки. Но растянуть черные участки одной части изображения можно только за счет несколько большей степени их сжатия в другой. Иного способа не существует, и поэтому опытный оператор порой напоминает хирурга, выполняющего пластическую операцию.

Гамма-коррекция

Кривая, которая описывает цветовые характеристики обычного монитора NTSC и степень его контрастности, является функцией от мощности и имеет логарифмическую зависимость: для инициализации первоначальных характеристик пикселя требуется напряжение с высоким пороговым значением. Это напоминает управление Понтиаком 1980 года выпуска: слегка поворачиваешь руль - автомобиль не реагирует, поворачиваешь его еще чуть-чуть - он опять не реагирует, но стоит повернуть руль еще немного, и автомашина слетит с дороги. То же происходит и при розжиге пикселя. Для преодоления его инерции следует приложить небольшое напряжение, а когда пиксель разжегся, он будет реагировать равномерно и эффективно. Характеристики яркости и контрастности бытовых телевизоров, которые далеки от идеальных, значительно осложняют передачу деталей в затененных областях, так как компрессия этих областей и в видеокамерах связана с определенными проблемами.

Точность цветопередачи телевизионных приемников приносится в жертву коммерческим интересам - продать как можно больше телевизоров по минимальным ценам. Производители считают, что потребители не захотят платить лишние тысячи долларов за системы с более точной системой воспроизведения.

Поэтому эту проблему придется решать разработчикам видеокамер и самым находчивым операторам. ПЗС-матрицы, смонтированные внутри видеокамер, способны к прямолинейному отклику, но в сегодняшнем мире это их свойство еще не востребовано. Если обычные телевизионные приемники стандарта NTSC имеют искаженную цветопередачу, то видеокамера должна идеально ее компенсировать. Этот процесс называется «гамма-коррекцией», но эта функция успешно реализована не во всех цифровых видеокамерах. В качестве примеров камер с очень хорошей гамма-коррекцией могут служить модели Sony DSR-PD150 и JVC GY-DV300. Гамма-коррекция применяется в отношении каналов цветности, чем отличается от описанной выше функции смещения черного, которая реализуется на канале яркости.

При существующем изобилии различных моделей бытовых телевизоров оператор не в состоянии контролировать точное воспроизведение изображения. Тем не менее, каждый оператор, стремящийся снимать высокопрофессиональные фильмы в формате DV, должен понимать, как работает функция гамма-коррекции. За счет нее черные цвета должны быть достаточно широко растянуты, чтобы компенсировать как компрессию в видеокамере, так и недостаток контрастности на экране телевизора. Телевизоры без ЭЛТ, особенно с плоскими экранами, должны искусственным образом быть скорректированы для того, чтобы изображение выглядело максимально похожим на то, что дают телевизоры с ЭЛТ. В будущем, в связи с неизбежным отмиранием экранов с электронно-лучевой трубкой необходимость проводить в камере гамма-коррекцию отпадет.

Для видеокамер с недостаточной гамма-коррекцией характерны излишняя затемненность, повышенная общая контрастность и изменение цветового фона. Такие искажения особенно заметны при передаче телесных тонов (например, цвет кожи людей приобретает красноватый оттенок), так как в темных областях изображения зеленый цвет сжимается существенно сильнее, чем красный.

Большая часть изображения, в котором присутствует много мелких деталей в зеленых тонах, остается несбалансированной, что увеличивает вероятность появления в таких изображениях эффекта чересстрочности (сглаживания).

Функция смягчения мелких деталей

Аналоговому миру не присущи резкие границы, все предметы в нем имеют плавные тени. Такие непрерывные плавные переходы смогли бы отра- зить только бесконечно малые пиксели, поэтому для их воспро- изведения разработчикам видео- камер пришлось придумывать специальные функции. Для смягчения резких границ был внедрен механизм коррекции за счет обрезания пиков синусоидальной волны, но в резуль- тате такого обрезания изображение становится слишком жестким. Предусмотренная в некоторых моделях функция смягчения деталей, добавляет небольшую размытость (блюр) по границе перехода, которая повышает избыточность пикселей в важных зонах, что позволяет цифровому алгоритму сжатия работать более эффективно.

Но при этом происходит некоторая потеря разрешения, поэтому режим смяг- чения деталей следует приме- нять очень осторожно и ограниченно, только для предотвращения появления черного канта вокруг предметов. Подобная функция (Unsharp Mask) есть в программе Photoshop, она предназначена для работы с циф- ровыми фотографиями.

Еще совсем недавно функция смягчения деталей предлагалась только в дорогих профессиональных студийных камерах, но сегодня она появилась и в цифровых видео- камерах, которые стоят менее 4000 долларов.

Частотные характеристики

Разработчики цифровых процессоров сигналов для видеокамеры могут очень точно настраивать их частотные характеристики (отк- лики), усилить высокие или низкие частоты, и даже смешивать их. В результате коррекции на высоких частотах пики видеосигнала могут проявляться в виде тонких линий вокруг объекта съемки и приводить к тому, что DV-изображение станет раздражающе жестким.

Избыточная регулировка на низких частотах может проявиться в виде толстого черного контура вокруг предметов. Бездумное применение корректировки по высоким частотам и по низким не прибавят славы оператору, поэтому меню установок гамма-коррекции и/или корректировок деталей следует изучать очень внимательно.

Различные модели камер значительно отличаются по характеристикам на низких частотах. В видеокамере Canon XL1S сильная зарегулированность низких частот приведет к тому, что изображение будет выглядеть жестким. А для моделей производства Sony или JVC присущ подъем на низких частотах, что позволяет не прибегать к существенным регулировкам.

Частотные отклики камеры JVC GY-DV300 до 200 МГц соответствуют таковым модели Sony PD150, а модель производства JVC, благодаря встроенному 12-битному процессору, имеет преимущество в диапазоне 200-540 МГц, который характерен для формата DV.

Конечно, оператора больше интересует то, что происходит в той полосе частот, которая может быть практически записана на пленку, т. е. ниже 540 МГц. В этом отношении модели видеокамер с 12-битным процессором обеспечивают лучшее (почти на 70%) разрешение, чем с 8-битным.

Сжатие в области белого

Функция сжатия сигнала в области белого отвечает за сохранение максимального количества ярко освещенных деталей, так как без серьезного сжатия данные с яркостью выше 100% могут быть полностью потеряны.

В отдельных RGB-каналах процесс сжатия различных цветов проходит неравномерно - так, например, для некоторых моделях Sony характерно наиболее заметное сжатие красного канала. А модель PD150 превращает ярко-оранжевый цвет в нечто, напоминающее лимонный, так как красный канал подвергается более глубокой компрессии, чем каналы зеленого и синего. Искажение цветопередачи, обусловленное сжатием сигнала в области белого - одна из очень веских причин, из-за которой не рекомендуется применять цифровые видеокамеры для съемок сцен с насыщенными красками при ослепительном полуденном Солнце.

Особенности цветовосприятия человека

Разработчики видеокамер все-таки очень умные люди. Иногда перед ними ставятся такие проблемы, для решения которых приходиться обманывать зрение человека, которому кажется, что он видит тысячи цветов, а на самом деле их всего только три. Специалисты добиваются этого эффекта за счет смешения в определенных пропорциях трех основных цвета видео - красного, зеленого и синего. На техническом сленге это называется «трехцветной системой», суть которой сводится к тому, что цифровая видеокамера с тремя ПЗС-матрицами должна разделять входящий композитный сигнал на составные части - RGB-компоненты.

Еще несколько десятилетий в результате экспериментов по оценке цветовосприятия человека был выявлен ряд закономерностей. Чтобы испытуемые правильно воспринимали синий цвет, его нужно было смешивать с красным. После добавления красного, синий цвет соответствовал тому значению, которые воспринимали тестируемые. Все это достаточно сложно, но специалисты, разрабатывающие видеокамеры, обязаны каким-то образом учитывать эти особенности зрения человека к восприятию цветов. Хотя в результате других тестов было установлено, что большинство людей не в состоянии правильно определить соотношение красного, зеленого и синего в образце, поэтому один и тот же цвет мы можем воспринимать по-разному.

Матрица

Цветовая модуляция матрицы большинства дешевых бытовых камер устанавливается специалистами на заводе с учетом особенностей восприятия цветов человеком, а в видеокамерах среднего и верхнего сегмента рынка, оператор может выбирать настройки для цветовой модуляции матрицы.

Так, в модели Panasonic AG-DVX100 предлагается три цветовых настройки: «Нормальная» (Normal) - для съемок вне помещений или с лампами накаливания; «Флуоресцентная» (Fluorescent) - для съемок в помещениях, освещаемых флуоресцентными лампами; «Как в кино» (Cine-Like) - для воспроизведения цветов, присущих кинопленки. Даже в относительно недорогой модели GY-DV300 производства JVC оператору предлагается возможность выбрать цветовую модуляцию матрицы. Цветовые настойки матриц разных производителей несколько отличаются, поэтому при выборе видеокамеры вам все же придется полагаться на собственное восприятие цветов.

4. Камеры с одной и тремя ПЗС-матрицами

Компания JVC недавно выпустила новые модели недорогих камер GR-HD1 и JY-HD10 с одной ПЗС-матрицей. Автор статьи подробно рассматривает новые технологии, реализованные в этих камерах, и проводит детальный анализ качества получаемых изображений, сравнивая его с тем, что дают камеры с тремя ПЗС.

После появления новых портативных цифровых видеокамер компании JVC GR-HD1 и JY-HD10 вновь разгорелась дискуссия о том, какие технологические решения - на основе одной или трех ПЗС-матриц, лучше подходят для захвата и записи высококачественного изображения.

Видеокамерами на одной ПЗС-матрице сейчас снимают очень многие, и, с моей точки зрения, они дают изображение превосходного качества. Компании Foveon удалось разработать такую технологию, которая позволяет с помощью одной ПЗС-матрицы захватывать изображение, по качеству сопоставимое с тем, что обеспечивает кинокамера для 35-ти миллиметровой пленки. Для этого используется трехслойный светочувствительный датчик, который внедрен в силиконовую подложку: верхний слой записывает синий, средний - зеленый, а нижний - красный свет. Таким образом, в разработанной специалистами Foveon матрице на месте расположения каждого пикселя находится стек из трех светодетекторов.

В видеокамерах с одной ПЗС-матрицей применяется одна из трех схем фильтрации: Bayer Mosaic Filter, Complementary-Primary Mosaic Filter или Hybrid Complementary-Primary Mosaic Filter. Но во всех этих схемах для считывания информации о яркости и цветонасыщенности используются ПЗС-матрицы с минимальными элементами кластера 2х2 (рис. 1).

цифровой фотоаппарат видеокамера объектив

Рис. 1.

Так как нас интересует модель JVC JY-HD10, для сравнения камер с одной и тремя ПЗС-матрицами я буду использовать ее характеристики. В этой модели для достижения максимального вертикального разрешения, присущего видеокамерам с прогрессивным сканированием (480p или 720p), применяются нейтральные зеленые, голубые и желтые светофильтры.

Рис. 2

В матрице фильтров предусмотрены два дополнительных цветофильтра (желтый или голубой) и один основной (зеленый) фильтр. Какое воздействие на белый цвет оказывает введение любых двух дополнительных цветов (Mg, Ye или Cy), показано на рис. 2, а то, как генерируются люма- (Ln) и хрома-составляющие (RGBn) элементами ПЗС-матрицы (En), - на рис. 3.

Рис. 3

Люма-составляющая определяется по следующей формуле: Y = 0,29R + 0,59G + 0,11B или Y = R + 2G + B, а нечетные люма-ряды рассчитываются по уравнению Yнечет. = W + G. При этом белый, конечно, равен R + G + B. Таким образом, сочетание элементов белого и зеленого фильтров дает Yнечет. = R + 2G + B. Четные ряды люма-составляющих определяются как Yчетн. = Cy + Ye, где Cy = G + B, а Ye = R + G. Таким образом, при сочетании элементов голубого фильтра с элементами желтого фильтра Yчетн. = R + 2G + B.

На рис. 3 показано как из 16 (H?V) элементов генерируются 12 люма-составляющих (H-1?V). В соответствии с приведенной формулой чип JVC в режиме 720p способен сгенерировать 842,861 люма-составляющих из 659 рядов ПЗС-матрицы. (Максимальное количество линий, на которое цифровой процессор сигналов раскладывает изображение, равно 720).

Как работает ПЗС-матрица в новых видеокамерах JVC

В процессе хрома-генерации для верхнего ряда ПЗС-матрицы из каждой пары рядов ПЗС должна быть задержана одна видеолиния. В последствии эта линия может быть скомбинирована с текущей строкой. Красный цвет образуется следующим образом: R = W - (G + B), где (G + B) = Cy. Для достижения лучшей чувствительности и равномерного распределения цветовых составляющих по матрице используются все четыре фильтра: R = (W + Ye) - (G + Cy).

Голубой цвет образуется следующим образом: B = W - (R + G), где (R + G) = Ye. При использовании всех четырех фильтров B = (W + Cy) - (G + Ye). Зеленый цвет получается так: G = W - (B + R), где (B + R) = Mg. Фильтр Mg отсутствует, но можно одновременно применять B- и R-составляющие. А при использовании всех четырех фильтров для достижения лучшей чувствительности и равномерного распределения цветовых составляющих по матрице G = (G + Cy + Ye) - W.

Чтобы сравнить количество генерируемых люма- и хрома-составляющих камерами с одной и тремя ПЗС, посмотрим на данные, приведенные в табл. 1. Девять хромасоставляющих (H-1 ? V-1) генерируются из 16 (H ? V) элементов, а одна ПЗС в режиме 720p генерирует 841,582 RGB хрома-элементов. Обратите внимание на очень малое различие между видеокамерами с одной или тремя ПЗС-матрицами в режиме 720р.

Таблица 1. Количество люма- и хрома-составляющих, генерируемых камерами с одной и тремя ПЗС

Но, чтобы разобраться с характеристиками видеокамеры, следует не просто сравнивать количество элементов, генерируемых ПЗС-матрицей, а проанализировать пространственное расположение элементов, которые участвуют в создание изображения. В результате такого сравнения можно определить то количество генерируемых пикселей, которое определяет разрешение видеокамеры по горизонтали и по вертикали.

Давайте начнем с обычной ПЗС-матрицы для NTSC, которая захватывает 481 ряд информации в течение временного промежутка, определяемого установками обтюратора, выставленными на видеокамере. За 1/60 секунды ПЗС-матрица выводит данные, начиная с верхнего ряда и заканчивая нижним. Из верхних 480 рядов формируется один полукадр чересстрочной разверстки. Для захвата второго полукадра, дополняющего первый до полного кадра, ПЗС-матрица вновь проводит захват изображения в течение времени экспозиции, которая задается обтюратором, а затем в течение следующей 1/60 секунды с ПЗС-матрицы считываются нижние 480 рядов.

Каждый элемент ряда задерживается на период строчной разверстки и затем добавляется к эквивалентному элементу следующей линии. В процессе добавления информации с двух последовательных рядов создается фильтр, который смягчает горизонтальные границы, снижая межстрочный шум мерцания. После завершения суммирования сигналов с двух элементов ПЗС-матрицы происходит усиление полученного сигнала, а затем такая его фильтрации, чтобы на выходе видео получалось 240 линий - именно такое количество линий требуется для формирования полукадра в формате NTSC.

Фильтр, обеспечивающий совмещение рядов уменьшает разрешение по вертикали почти на 25% - до 180 линий на полукадр. Таким образом, эффективное разрешение по вертикали для кадра чересстрочной разверстки в формате NTSC снижается до 360 линий. Но цифровая видеокамера производства JVC в режиме формата DV, тоже выдает разрешение по вертикали 360 линий.

При записи изображения в формате чересстрочной разверстки, фильтр, обеспечивающий совмещение рядов, используется в камерах и с одной, и тремя ПЗС-матрицами. А вот при записи прогрессивного изображения не зависимо от количества ПЗС-матриц для получения информации о яркости этот фильтр не используется. (Хотя, например, в камере Panasonic AG-DVX100 его можно включить.) Поэтому, если видеокамера JVC переключена в режим 480p, то ее разрешение по вертикали составит 480 линий.

Все видеокамеры с одной ПЗС-матрицей генерируют люма-элементы фильтра, обеспечивающего совмещение рядов, который двигается поперек пар колонок ПЗС-матрицы. Этот фильтр снижает разрешение по горизонтали более чем на 25%. Таким образом, 720 элементов, задействованных в режиме DV, формируют видеоряд с 540 пикселями, 941 элемент в режиме SD образуют видеоряд с 706 пикселями, а 1280 элементов в режиме HD дают видеоряд с 960 пикселями. Но конечное разрешение будет меньше, чем было получено в результате подсчетов пикселей. Дело в том, что для сглаживания зубцов (алиасинга), которые возникают в процессе отбора разовых проб изображения массой элементов, составляющих ПЗС-матрицу, используются оптические и электронные низкочастотные фильтры. Такая фильтрация не затрагивает разрешение по вертикали, так как частота отсечки задается для значительно большего количества горизонтальных элементов ПЗМ-матрицы.

Мозаично размещенные элементы на передней части единственного кристалла ПЗС обусловливают необходимость сильного сглаживания с более низкой частотой отсечки, что приводит к падению разрешения. В камере JVC предусмотрен сглаживающий фильтр, который снижает разрешение для мелких деталей (но только для мелких) на величину порядка 25% как для режима 480p, так и для режима 720p. В табл. 2 приведены значения измеренных разрешений по вертикали и горизонтали для компактной цифровой видеокамеры JVC. Данные о горизонтальных разрешениях для режимов SD и HD отражают два последовательных 25%-х снижения в мелких деталях.

Таблица 2. Значения измеренных разрешений для различных режимов

А какого максимального разрешения можно было бы достичь, если использовать видеокамеру с тремя, а не с одной ПЗС, если не принимать во внимание воздействие сглаживающего фильтра? В отсутствие фильтра, сглаживающего движение (слайдинг-фильтра), возможное значение горизонтального разрешения должно возрасти в режиме 720р с 960 до 1280 пикселей. Но это значение характеризует яркость изображения, а большинство претензий, выдвигаемых в отношении видеокамер с одной ПЗС-матрицей, относятся к плохой цветонасыщенности.

Поэтому, давайте, сравним видеокамеры с тремя и одной ПЗС-матрицами. Соотношение пикселей цветности и яркости характерно для видеокамеры с тремя ПЗС-матрицами равно 1:1 или 1. Одна ПЗС-матрица в камере JVC позволяет получать 632400 пикселей (960?659 пикселей). Каждый элемент RGB формируется из информации, полученной с двух столбцов ПЗС с применением фильтра, сглаживающего движение. Таким образом, разрешение по горизонтали уменьшается на 25% - с 1280 до 960 пикселей. Слайдинг-фильтр применяется и в вертикальном направлении. Разрешение хрома по вертикали уменьшается на величину порядка 25% - с 659 до 494 RGB пикселей. В результате, суммарное разрешение RGB-хрома составит 474240 пикселей. Соотношение хрома- и люма-пикселей равно 0,75 (474240 : 632640). Таким образом, получается, что коэффициент хрома/люма у камеры JVC ниже, чем у видеокамер с тремя ПЗС-матрицами.

Детали цветонасыщенности должны быть еще один раз уменьшены до того, как они будут записаны в виде данных о цветовой контрастности. Требуемое уменьшение одинаково для форматов DV (4:1:1) и MPEG-2 (4:2:0). Это уменьшение необходимо как для видеокамер с одной ПЗС-матрицей, так и для видеокамер с тремя ПЗС-матрицами.

Перед записью RGB хрома-информация подвергается еще двум процессам. Красная, зеленая и голубая составляющие комбинируются (0,29R + 0,59G + 0,11B) для генерирования чередующихся люма-элементов - Y'. Затем эти люма-элементы комбинируются с красной и голубой составляющей для создания двух компонентов цветовой контрастности R-Y' и B-Y'.

Для обоих режимов компрессий - DV и MPEG-2, детали, отвечающие за цветонасыщенность, подвергаются еще одному уменьшению на 25%. Следовательно, в структуре сэмплирования DV 4:1:1 цветовые элементы R-Y' и B-Y' записываются для каждого четвертого пикселя яркости в каждой строке. В формате MPEG-2 Main Profile со структурой сэмплирования 4:2:0 запись цветовых элементов R-Y' и B-Y' производится для каждого второгоо пикселя яркости в каждой строке. В обоих методах сэмплирования уменьшение хрома-разрешения происходит по схеме дискретизации 4:2:0.

Итак, так ли необходимо использовать три ПЗС-матрицы для получения высококачественного видео? Видеокамеры с тремя ПЗС-матрицами на самом деле обеспечивают более высокое качество цветопередачи, а также снижают цветовые искажения, которые могут возникать при съемке быстро движущихся объектов. Но при достаточном запасе разрешения и видеокамеры с одной ПЗС-матрицей будут поддерживать выборку с запасом по частоте дискретизации, которая обеспечит устранение нежелательных эффектов фильтрации, проводимых до сжатия и перекодирования. (Например, Sony уже сейчас предлагает портативные цифровые видеокамеры с ПЗС-матрицей на 2,11 мегапикселей.)

К сожалению, стремление к уменьшению размера и использованию многомегапиксельных ПЗС-матриц приводит к понижению светочувствительности и сужению световых угловых характеристик камер. Недостаток светового потока, попадающего на матрицу, увеличивает вероятность потери затемненных деталей или засвечивания ярко освещенных, а недостаток чувствительности в условиях плохой освещенности может привести к появлению большого количества шумов на изображении.

Я не сомневаюсь в том, что технологический прогресс может привести к тому, что одна ПЗС-матрица будет использоваться не только в недорогих портативных цифровых видеокамерах. Три матрицы и оптическая призма увеличивают объем и стоимость камеры. Призма также ограничивает количество значений диафрагмы объектива. Помимо этого, если снимается в основном видео, а не фильмы, то работать с неглубокой фокусировкой, характерной для современных видеокамер с тремя ПЗС-матрицами, нежелательно. Одна 35-миллиметровая матрица на 4000х2000 пикселей (8 мегапикселей), опытный образец которой был представлен компанией Dalsa, в состоянии разрешить все эти проблемы. Я не знаю, маленьким или большим ПЗС-матриц будет отдано предпочтение в будущем, но в том, что качество изображения будет определять не их количество, я уверен.

Список использованных материалов

http://www.vsesovety.info/

Steve Mullen/ CCD Counting, Still Needed?/VideoSystems://www.64bita.ru://www.3dnews.ru/://www.delta-studio.ru/