Ликбез: технологии в видеокамерах, статьи. Опции

[Николай Коломиец]

Ликбез: технологии в видеокамерах

В этой статье мы постараемся кратко и, по-возможности, просто рассмотреть некоторые из этих технологий, поскольку базовое понимание их сути, достоинств и недостатков, может сыграть не последнюю роль в выборе той или иной модели видеокамеры. Так что эту статью можно рассматривать в качестве дополнения к циклу статей, посвященному выбору видеокамеры.

CCD или CMOS?

Все большее количество видеокамер использует так называемые матрицы типа CMOS (по-русски эта аббревиатура пишется КМОП – Комплиментарная логика на транзисторах Металл-Оксид-Полупроводник) вместо широко распространенных матриц типа CCD (по-русски ПЗС – приборы с зарядовой связью). Сейчас на рынке встречаются как видеокамеры с CCD-матрицами, так и видеокамеры с CMOS-матрицами. В чем разница между ними? Что выбрать, чему отдать предпочтение?


В CCD матрице преобразование сигнала происходит одновременно для всех ячеек

В рамках этой статьи я не хотел-бы углубляться в недра самих технологий, каждый желающий может найти их подробные описания во многих местах (в том числе и в Интернете), а тут я остановлюсь на достоинствах и недостатках матриц на основе обеих технологий.

Основными достоинством матриц CMOS является низкое энергопотребление и возможность произвольного считывания ячеек (в то время как считывание в CCD-матрице происходит со всех ячеек за один раз). В частности, благодаря различию в способах считывания, у CMOS-матриц отсутствует так называемый эффект «смиринга» (от английского smearing – размазывание), присущий CCD-матрицам и проявляющийся в том, что на кадре возникают вертикальные «столбы света» от точечных ярких объектов (к примеру – фонарей на вечерней улице). Кроме того, поскольку значительная часть электроники в CMOS-матрицах перенесена непосредственно на ячейку, появляются очень широкие возможности по управлению матрицей (и, соответственно, изображением).


В CMOS матрице преобразование заряда в сигнал происходит в каждой ячейке. Считывание сигнала происходит построчно, из-за чего может возникать эффект rolling shutter

Впрочем, при всех достоинствах, у этой технологии хватает и недостатков. Главные из них – малый размер светочувствительного элемента относительно всей площади пикселя. Большая часть этой площади занята электроникой, встроенной в пиксель. А малая площадь светочувствительного элемента – малая чувствительность. Кроме того, перенос значительной части электронной обработки (предусиление сигнала, преобразование заряда в напряжение) непосредственно на пиксель приводит к увеличению шумов на картинке. Именно эти обстоятельства долгое время препятствовали применению CMOS-матриц в фото-видеокамерах. Но времена меняются, технология совершенствуется, достигнув к данному моменту такого уровня, что может успешно конкурировать с CCD, в том числе и по чувствительности.

Еще одной особенностью, вызванной способом сканирования CMOS-матриц в современных видеокамерах, является так называемый эффект «бегущего затвора» (rolling shutter). Дело в том, что считывание сигнала в CMOS-матрицах современных видеокамер происходит построчно, строка за строкой. Это похоже на вертикальное движение шторок затвора фотоаппарата. А теперь представьте, что вы быстро движетесь в горизонтальной плоскости и снимаете на камеру неподвижный вертикальный объект (к примеру – дерево из быстро движущейся машины). При этом сначала считываются верхние строки матрицы, а в конце – нижние. Но за время, прошедшее от считывания верхних строк до считывания нижних вы уже проедете заметное расстояние… в результате чего дерево на полученном видео будет уже не прямое, а наклонное. Очевидно, что этот эффект проявляется только при очень быстром относительном движении оператора и объекта съемки (время сканирования матрицы очень небольшое – порядка 1/50 сек.). «Бегущий затвор» в CMOS-матрицах может производить и другие неприятные эффекты, например, горизонтальные полосы на полученной картинке в том случае, если за время сканирования матицы резко изменялось освещение.

Ну а в заключение этого раздела можно сказать, что в настоящее время, несмотря на отмеченные выше недостатки, матрицы типа CMOS уже составляют достойную конкуренцию по качеству изображения матрицам типа CCD, по крайней мере на рынке бытовых видеокамер. Так что выбирать видеокамеру только по критерию «CCD или CMOS» было бы неправильным – надо смотреть на конкретные результаты, показанные той или иной видеокамерой в тестах.

[Николай Коломиец]

Ликбез: технологии в видеокамерах

В этой статье мы постараемся кратко и, по-возможности, просто рассмотреть некоторые из этих технологий, поскольку базовое понимание их сути, достоинств и недостатков, может сыграть не последнюю роль в выборе той или иной модели видеокамеры. Так что эту статью можно рассматривать в качестве дополнения к циклу статей, посвященному выбору видеокамеры.

CCD или CMOS?

Все большее количество видеокамер использует так называемые матрицы типа CMOS (по-русски эта аббревиатура пишется КМОП – Комплиментарная логика на транзисторах Металл-Оксид-Полупроводник) вместо широко распространенных матриц типа CCD (по-русски ПЗС – приборы с зарядовой связью). Сейчас на рынке встречаются как видеокамеры с CCD-матрицами, так и видеокамеры с CMOS-матрицами. В чем разница между ними? Что выбрать, чему отдать предпочтение?


В CCD матрице преобразование сигнала происходит одновременно для всех ячеек

В рамках этой статьи я не хотел-бы углубляться в недра самих технологий, каждый желающий может найти их подробные описания во многих местах (в том числе и в Интернете), а тут я остановлюсь на достоинствах и недостатках матриц на основе обеих технологий.

Основными достоинством матриц CMOS является низкое энергопотребление и возможность произвольного считывания ячеек (в то время как считывание в CCD-матрице происходит со всех ячеек за один раз). В частности, благодаря различию в способах считывания, у CMOS-матриц отсутствует так называемый эффект «смиринга» (от английского smearing – размазывание), присущий CCD-матрицам и проявляющийся в том, что на кадре возникают вертикальные «столбы света» от точечных ярких объектов (к примеру – фонарей на вечерней улице). Кроме того, поскольку значительная часть электроники в CMOS-матрицах перенесена непосредственно на ячейку, появляются очень широкие возможности по управлению матрицей (и, соответственно, изображением).


В CMOS матрице преобразование заряда в сигнал происходит в каждой ячейке. Считывание сигнала происходит построчно, из-за чего может возникать эффект rolling shutter

Впрочем, при всех достоинствах, у этой технологии хватает и недостатков. Главные из них – малый размер светочувствительного элемента относительно всей площади пикселя. Большая часть этой площади занята электроникой, встроенной в пиксель. А малая площадь светочувствительного элемента – малая чувствительность. Кроме того, перенос значительной части электронной обработки (предусиление сигнала, преобразование заряда в напряжение) непосредственно на пиксель приводит к увеличению шумов на картинке. Именно эти обстоятельства долгое время препятствовали применению CMOS-матриц в фото-видеокамерах. Но времена меняются, технология совершенствуется, достигнув к данному моменту такого уровня, что может успешно конкурировать с CCD, в том числе и по чувствительности.

Еще одной особенностью, вызванной способом сканирования CMOS-матриц в современных видеокамерах, является так называемый эффект «бегущего затвора» (rolling shutter). Дело в том, что считывание сигнала в CMOS-матрицах современных видеокамер происходит построчно, строка за строкой. Это похоже на вертикальное движение шторок затвора фотоаппарата. А теперь представьте, что вы быстро движетесь в горизонтальной плоскости и снимаете на камеру неподвижный вертикальный объект (к примеру – дерево из быстро движущейся машины). При этом сначала считываются верхние строки матрицы, а в конце – нижние. Но за время, прошедшее от считывания верхних строк до считывания нижних вы уже проедете заметное расстояние… в результате чего дерево на полученном видео будет уже не прямое, а наклонное. Очевидно, что этот эффект проявляется только при очень быстром относительном движении оператора и объекта съемки (время сканирования матрицы очень небольшое – порядка 1/50 сек.). «Бегущий затвор» в CMOS-матрицах может производить и другие неприятные эффекты, например, горизонтальные полосы на полученной картинке в том случае, если за время сканирования матицы резко изменялось освещение.

Ну а в заключение этого раздела можно сказать, что в настоящее время, несмотря на отмеченные выше недостатки, матрицы типа CMOS уже составляют достойную конкуренцию по качеству изображения матрицам типа CCD, по крайней мере на рынке бытовых видеокамер. Так что выбирать видеокамеру только по критерию «CCD или CMOS» было бы неправильным – надо смотреть на конкретные результаты, показанные той или иной видеокамерой в тестах.

[Николай Коломиец]

Мегапиксели, мегапиксели...

Мы все неравнодушны к большим числам, подсознательно считая, что если процессор - то многогигагерцовый, а если матрица - то многомегапиксельная. И продолжается технологическая гонка за мегапикселями, гигагерцами, гигабитами... И звучат в форумах недоуменные вопросы типа: "А почему вы говорите, что камера А лучше камеры В, ведь у камеры В больше пикселей на матрице?!" Но всегда ли "больше" означает "лучше"? Давайте попробуем дать ответ на этот вопрос в конкретной сфере - сфере бытовых видеокамер, которые, кстати, более всех остальных видеокамер подвержены этой гонке за мегапикселями.

Начнем с того, что такой важный параметр как чувствительность матрицы определяется размером (площадью) пикселя - чем он больше, тем больше чувствительность, чем он меньше - тем, соответственно, чувствительность меньше. Уже из этого факта легко понять, что гонка за мегапикселями неизбежно будет вести к потере чувствительности видеокамеры, ведь размер матрицы ограничен и, увеличивая количество пикселей на ней, мы уменьшаем их размер, а значит и чувствительность камеры. Где тут оптимум? Для определенности будем говорить о стандарте DV, который в своей PAL-реализации имеет размер кадра 720х576 (это, кстати, относится и к большинству MPEG2 камер). А это значит, что для достижения оптимального результата нам необходимо всего 720 х 576 = 414720 пикселей! Так? Да, так, но только для 3CCD системы с оптическим стабилизатором, который не требует излишка пикселей для своей работы (далее мы еще вернемся к вопросу о стабилизаторах). Если же мы говорим об одноматричной системе, то, как вы помните, из 400000 пикселей на зеленый цвет придется всего 200000, а на синий с красным - по 100000 пикселей, что явно мало. То есть надо увеличить количество пикселей, чтобы обеспечить приемлемые условия для цветовой интерполяции. Если же стабилизатор на матрице электронный, то число пикселей на ней должно быть еще больше. Практика показывает, что оптимумом для одноматричной DV камеры с электронным стабилизатором является 1-1.3 Мп. на матрице. Ну а как тогда относиться к 2, 3, а последнее время и 4 мегапиксельным видеокамерам? Надо признать, что эти камеры - продукт этой самой "гонки за мегапикселями", не несущей ничего хорошего собственно качеству видео (про фоторежим я тут пока не говорю).

Хотя нельзя не сказать об одном интересном свойстве многомегапиксельных видеокамер, вернее, видеокамер у которых в видеорежиме (PAL) используется 720 х 576 х 4 = 1658880 и более пикселей (видеокамеры Canon с матрицей в 2.2 Мп., видеокамеры Sony с 3 Мп. матрицей). Дело в том, что на картинке с таких видеокамер каждая точка конечного 720 х 576 изображения приходится как раз на один Байеровский RGGB блок (4 пикселя) на матрице камеры. А это, в свою очередь означает, что каждая точка финальной картинки несет в себе законченную цветовую информацию (почти как в 3CCD системе)! То есть мы получаем, в некотором роде, "псевдотрехматричность", что благотворно сказывается на цветопередаче и разрешении таких камер. Ну а с недостатком чувствительности, обусловленным малым размером одной ячейки на такой матрице, можно отчасти бороться, усредняя сигналы с соседних пикселей (пикселей много и простора для такой обработки предостаточно). При этом можно заметно снизить уровень яркостных шумов ("зерна" на изображении, хорошо заметного при недостаточном освещении), что эквивалентно повышению чувствительности.

Но все же лучшей системой для съемки видео формата DV остается система 3CCD, с числом пикселей на каждой матрице около 400000 и оптическим стабилизатором. Только вот любительских камер, обладающих подобными характеристиками, уже не осталось...