Цифровые фото- и видеокамеры

Цель работы – рассмотреть  устройство и основные характеристики цифровых фото и видео камер.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие  задачи:

- рассмотреть устройство цифровых фотоаппаратов и видеокамер;

- перечислить основные технические характеристики цифровых фотоаппаратов и видеокамер;

- охарактеризовать форматы сжатия данных, применяемые в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.

Цифровой фотоаппарат – это фотоаппарат, в котором для получения изображения вместо фотоплёнки (фотопластинки) используется массив полупроводниковых светочувствительных элементов на твердотельной подложке, называемый фотоматрицей, на которую изображение фокусируется с помощью системы линз объектива. Полученное изображение в электронном виде сохраняется в виде файлов в памяти фотоаппарата или дополнительном носителе, вставляемом в фотоаппарат.

Сенсор (матрица)

Матрица или сенсор –  это полупроводниковая пластина, на которой расположены фотоэлементы, реагирующие на попадание света и вырабатывающие электрический сигнал, который зависит от интенсивности пришедшего света. Чтобы получить цветное изображение каждый пиксель покрывают одним из трех фильтров: красным, зеленым или синим.

Объектив

Именно благодаря объективу  свет попадает в камеру и формируется  изображение на матрице. От качества объектива во многом зависит качество получаемого изображения – четкость, резкость, отсутствие искажений и  т.п. Важными элементами объектива  являются линзы и диафрагма. Линзы  отвечают за характер света, а диафрагма  позволяет контролировать количество этого света. Закрывая диафрагму  до минимальных значений, мы можем  уменьшить количество света попадающего  на матрицу.

Затвор

В пленочном фотоаппарате затвор открывает и закрывает  шторки, которые ограничивают воздействие  света на пленку. В компактных цифровых фотоаппаратах затвора нет: его  роль выполняет электронное автоматическое устройство. В зеркальных цифровых фотоаппаратах, а также в некоторых  беззеркальных есть и электронное устройство, и механический затвор.

Дисплей фотоаппарата

Дисплей позволяет видеть картинку такой, какой она получится  на фотографии и заранее увидеть  недочеты в композиции, тенях, освещенности. Также дисплей служит интерфейсом для управления фотоаппаратом

Вспышка

Обычно каждый фотоаппарат  снабжается встроенной слабомощной вспышкой, способной подсветить передний план. Также вспышки снабжаются различными функциями подавления эффекта красных глаз и т.п. В профессиональных и полупрофессиональных камерах также присутствует контакт для подключения внешней вспышки.

Микропроцессор

управляет всеми процессами, происходящими в камере при подготовке к съемке, собственно съемке и просмотре отснятого материала. Скорость работы фотоаппарата во многом зависит от производительности микропроцессора. В этой связи в некоторых дорогих зеркальных цифровых фотоаппаратах используется сразу два процессора, которые проводят многие операции параллельно.

Накопитель

В подавляющем большинстве  фотоаппаратов для этой цели используют карты памяти типов SD, CompactFlash и т.п. Некоторые фотоаппараты имеют также встроенную память небольшого объема.

Внешние интерфейсы

Наиболее распространенным является USB интерфейс; в современных  камерах также используется HDMI подключение. Некоторые, очень немногие фотоаппараты имеют и беспроводные интерфейсы подключения к внешним устройствам

Основные  характеристики цифровых фотоаппаратов

Рассмотрим некоторые  основные характеристики цифровых фотоаппаратов.

У матрицы есть три важных параметра, которые влияют на качество изображения.

Разрешение матрицы измеряется в мегапикселях. Например, если у матрицы фотоаппарата 4 Мегапикселя (Мп), то это значит, что матрица состоит из 4-х миллионов пикселей (ячеек). Чем больше разрешение, тем больше мелких деталей может отразить фотоаппарат на снимке.

Размер матрицы. Большая матрица может зарегистрировать больше света (может передать больше оттенков)

Чувствительность  матрицы (ISO). Изменяется в диапазоне от 50 до 3200. Высокие значения чувствительности позволяют сделать четкий снимок в сумерках или даже ночью, правда при высоких значениях чувствительности неизбежно появление цифрового шума.

Основные характеристики объектива.

Светосила – это значение максимально открытой диафрагмы. Чем больше светосила объектива, тем лучше и дороже фотоаппарат. При одних и тех же условиях освещенности, объектив с большей светосилой позволяет снимать на более коротких выдержках.

Фокусное расстояние. От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и то, как далеко он «видит».

Угол обзора. Напрямую зависит от фокусного расстояния. Примерно соответствующим углу обзора глаза человека считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – широкоугольники, с большим – телеобъективы.

Зум (zoom). Зум объектива вычисляется очень просто: для этого нужно большее фокусное расстояние разделить на меньшее.

Стабилизатор  изображения. Стабилизатор изображения призван бороться с дрожанием рук при фотографировании на достаточно больших выдержках или при большом зуме.

Варианты стабилизации:

Оптическая стабилизация. Основана на том, что в объектив встроен подвижный стабилизирующий элемент, который искривляет путь света в нужном направлении. Также в объективе есть сенсоры, которые управляют движением этого элемента. В результате, при незначительных колебаниях фотоаппарата, проекция картинки на матрицу всегда остается неподвижной.

Anti-shake. В данной технологии стабилизации, в отличие от оптической, подвижным элементом является сама матрица. Главный плюс этого подхода состоит в независимости стабилизации от объектива, соответственно такая стабилизация может работать с любой оптикой.

Формат  сохранения данных

Цифровые фотокамеры обычно предлагают несколько форматов сохранения изображения: JPEG, TIFF и RAW.

Формат JPEG использует алгоритм сжатия данных, при котором происходит необратимая потеря информации, зато размер файла получается сравнительно небольшой.

Формат TIFF использует сжатие без потерь, но цена за это достаточно высока – файлы TIFF занимают слишком  много места.

Итак, перед нами встает дилемма  – либо качество изображения, либо размер файла. Решением в данном случае становится формат RAW (raw переводится с английского как «сырой»). Этот формат содержит даже больше информации, чем TIFF, занимая при этом гораздо меньший объем (у того же Nikon D100 – 9 Мб)¹. К сожалению, этот формат поддерживают не все цифровые камеры.

2. ЦИФРОВАЯ ВИДЕОКАМЕРА.

2.1. Устройство  цифровых видеокамер

Грань между фотоаппаратом  и видеокамерой размыта: современная  видеоаппаратура, как правило, может  делать статичные снимки, а фотоаппараты – записывать видеоряд со звуком и  выводить его в телевизионном  формате.

Современные видеокамеры  являются компактными устройствами, сочетающими в себе объектив, устройство, формирующее видеосигнал или  цифровой видеопоток, устройство для получения звукового сигнала (микрофон и усилитель) и устройство для сохранения видео- и звуковых данных, преимущественно на неподвижном носителе.

Матрица – это 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.

Стабилизатор изображения необходим для компенсации дрожания цифровой видеокамеры при съемке и, как следствие, колебаний изображения. Бывает оптический и электронный:

• оптический стабилизатор состоит из подвижных сенсоров и линз, которые компенсируют дрожание камеры. Качество работы оптических стабилизаторов превосходно. Однако у таких стабилизаторов относительно высокая стоимость.
• электронный стабилизатор основывается при своей работе на том, что разрешение матрицы цифровой видеокамеры намного больше, чем необходимо для съемки. При съемке видеокамера выбирает центр кадра и при любом смещении старается «вернуть» его на свое место.

Стоимость электронных стабилизаторов намного меньше, чем оптических. Однако качество съемки видеокамерой с электронным стабилизатором ниже, к тому же он может не сработать  при малой освещенности помещения.

ЖК-дисплей необходим для просмотра отснятого видеокамерой материала, а также используется при выборе настроек и параметров цифровой видеокамеры. Может использоваться в качестве видоискателя.

Увеличение производится в цифровой видеокамере с помощью зума, бывает оптическое и цифровое:

• оптическое увеличение производится с помощью сложной системы линз и позволяет изменить расстояние между Вами и объектом съемки. При этом качество изображения остается прежним.

цифровое увеличение производится по принципу лупы – часть изображения растягивается на полный экран, создавая иллюзию увеличения, однако при этом сильно страдает качество.

Звук цифровая видеокамера может записывать звук в двух форматах – 2.0 стерео и 5.1-канальный звук через встроенный микрофон. Также можно подключить внешний микрофон через соответствующий разъем видеокамеры.

Основные характеристики цифровых видеокамер

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 000². Если видеокамера поддерживает более высокое разрешение, это значит, что остальные пиксели используются для работы электронного стабилизатора изображения.

В зависимости от используемого  формата, цифровые видеокамеры бывают нескольких типов.

Видеокамеры Mini DV и Digital8

Эти видеокамеры основаны на использовании формата DV. MiniDV видеокамеры записывают информацию на видеокассеты miniDV, тогда как видеокамеры Digital8 используют для записи кассеты формата Video8 и Hi8 для аналоговых видеокамер.

Оба типа видеокамер записывают информацию в цифровом виде. При  этом камеры Digital8 более дешевы, поскольку  в них внедряют меньше инновационных  технологий.

Видеокамеры DVD, MicroMV, Flash, HDD

Основаны на MPEG2-технологии записи. Степень сжатия получаемого  видео в цифровых видеокамерах всех подтипов также примерно одинаковая. Говорить можно лишь о разнице  используемых видео-носителей:

• DVD-диск – мини-диск диаметром 80мм, позволяют просмотреть сделанную запись сразу после съемки.

Относительными недостатками таких дисков можно назвать маленькую  емкость (1,4 Гб) и высокую стоимость  перезаписываемых дисков, использовать которые удобнее, чем диски с однократной записью – вам не придется ждать заполнения всего диска, чтобы посмотреть запись на DVD-плеере. Обязательная финализация диска перед просмотром на DVD-плеере также отнимает некоторое время.

• MicroMV – кассеты, куда информация записывается в цифровом виде в формате MPEG2. Такая запись на компьютере занимает вдвое меньше места, чем запись с MiniDV-видеокамеры.

MicroMV-камеры имеют очень компактные размеры, что может быть не всегда удобным при использовании. Также для конвертирования записи требуется специальная программа, а стоимость кассет относительно высока.

• Flash-карта – карта памяти. Удобна тем, что позволяет записывать видео большей длительности, чем на других носителях. Также Вам не придется постоянно покупать новые кассеты или диски.
• HDD-камера – использует жесткий диск в качестве носителя информации. Он обладает самой большой емкостью по сравнению с другими носителями, не требует замены. HDD-камера проста в использовании и позволяет минимизировать время, затраченное на обработку видео.

Однако в силу конструктивных особенностей HDD-видеокамеры боятся ударов и механических повреждений  – жесткий диск достаточно хрупок.

Форматы сжатия видео 

Основных форматов сжатия видео в цифровых видеокамерах два  – DV и MPEG2. Остальные форматы – производные от них и различаются лишь деталями: