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]

Электронная и оптическая стабилизация изображения

Как известно, на современных бытовых камерах встречаются оба типа стабилизации изображения (компенсации дрожания камеры, и, соответственно, изображения, которое особенно заметно при съемке с рук на средних и больших значениях зума). При этом оптические стабилизаторы являются особенностью камер высшего ценового диапазона (я говорю о бытовых камерах). В чем же разница между этими двумя типами стабилизации, каковы достоинства и недостатки каждого из них?

1. Электронная стабилизация (её еще называют цифровой стабилизацией)

В этом способе часть пикселей на матрице камеры отводится на стабилизацию и не участвуют в формировании изображения (например из 800К пикселей на матрице камеры Sony DCR-HC15E только 400К участвуют в формировании картинки). "Лишние" пиксели служат своеобразным буфером - при дрожании камеры картинка "плавает" по матрице, электроника камеры фиксирует эти колебания, используя эти "буферные" пиксели и вносит необходимую коррекцию, компенсируя дрожание картинки. При этом важно, чтобы при своем дрожании картинка всегда находилась в пределах матрицы, не уходя за буферную зону, иначе электроника не сможет вычислить и применить необходимые поправки. Как мы видим, основной особенностью электронного стабилизатора является то, что стабилизация происходит с помощью самой матрицы и электроники обработки изображения. При этом включение стабилизации влияет на работу этой системы, в частности могут измениться экспопараметры - многие владельцы камер отмечают, к примеру, что включение электронного стабилизатора часто приводит к уменьшению выдержки до 1/100 сек.

2. Оптическая стабилизация

В этом способе матрица не участвует в стабилизации, стабилизация осуществляется на уровне оптической системы, с помощью системы линз и гироскопов (ну и управляющей электроники конечно, но она не связана с матрицей). То есть на матрицу изображение приходит уже после стабилизации и для формирования картинки можно использовать всю площадь матрицы. Таким образом при оптической стабилизации влияние стабилизатора на получение и обработку изображения минимально, что является несомненным плюсом этого способа.

Итак, плюсами электронной стабилизации является компактность (она практически не вносит габаритных узлов в конструкцию видеокамеры), отсутствие механики, а значит высокая надежность и отказоустойчивость, малый уровень энергопотребления, низкая (по сравнению с оптической стабилизацией) стоимость реализации. Ну а про минусы мы уже сказали - включение системы стабилизации неизбежно сказывается на процессе формирования и обработки изображения с матрицы. Это приводит к различного рода артефактам изображения, наиболее известным из которых является "залипание" картинки при панорамировании камеры - стабилизатор не сразу её "отпускает", отчего картинка движется рывками. Тот же эффект может проявиться и при съемке движущихся предметов - система электронной стабилизации может решить, что это перемещение относится ко всей картинке и начнет "стабилизировать" изображение, пытаясь вернуть перемещающиеся объекты "на место". Кроме того неэффективно используется матрица - до половины пикселей на ней не участвуют в формировании изображения.

А вот с плюсами-минусами оптической стабилизации дело обстоит как раз наоборот. Основной плюс - неучастие матрицы в процессе стабилизации, не влияние работы системы стабилизации на получение и обработку картинки с матрицы, так что все пиксели на матрице могут быть использованы для формирования изображения. А минусы - оптический стабилизатор является отдельным узлом конструкции видеокамеры, а значит увеличивает её в размерах и утяжеляет. Оптический стабилизатор содержит в себе механические части, а значит потребляет больше энергии и более подвержен поломкам. Ну и стоимость реализации оптического стабилизатора в видеокамере значительно выше, нежели электронного.

Что же выбрать? Очевидно, что по возможности приоритет надо отдавать оптической стабилизации, как дающей лучшее качество. На рынке появляется все большее и большее число бытовых видеокамер, оснащенных оптическими стабилизаторами, правда цена этих камер довольно велика.