Обзоры видеокамер:

определения, терминология, пояснения.

 

 

Необходимость написания этой статьи назрела давно - в наших обзорах мы порой используем специальную терминологию, которая для человека, впервые заинтересовавшегося видеокамерами и начавшего читать эти обзоры, может показаться "китайской грамотой". Не один раз встречаются в форумах отзывы типа "читал, интересно, но почти ничего не понял..." А вновь и вновь пояснять в каждом обзоре значение того или иного термина просто нет никакого желания. Сразу хочу сказать, что эта статья не является FAQ-ом по вопросам связанным с видеокамерами и видеосъемкой вообще. Цель данной статьи - прояснить терминологию, которая встречается в публикуемых нами обзорах.  

Данная статья касается терминологии, которая встречается в первой части развернутых обзоров - "Субъективных тестах" , статья, поясняющая тесты в программе Imatest уже была опубликована ранее - вы можете ознакомиться с ней здесь.

 

Определение разрешения

 

Начиная с мая 2007 года в наших тестах больше не будет использоваться таблица EIA1956, разрешение (как по горизонтали, так и по вертикали) будет определяться с помощью программы Imatest. Измерения ведутся в LW/PH (число линий по высоте кадра) для уровня относительного контраста 50% (MTF50). Подробности вы можете прочитать в соответствующей статье, посвященной использованию Imatest в наших тестах.

 

 

Чересстрочный и прогрессивный режимы работы видеокамеры.

Режим frame

 

В большинстве случаев съемка на бытовую видеокамеру проходит в чересстрочном режиме. В этом режиме полный DV кадр (720х576) составлен из двух полукадров (720х288), сдвинутых по времени на 1/50 секунды. При этом, при составлении полного кадра строки идут в чередующемся порядке (1-я строка первого полукадра -  1-я строка второго полукадра - 2-я строка первого полукадра - 2-я строка второго полукадра - и.т.д.). При просмотре на телевизоре с чересстрочной разверткой такая картинка будет выглядеть нормально, поскольку телевизор тоже выводит полукадры последовательно с интервалом в 1/50 сек. (мы говорим о стандарте PAL). Но вот для просмотра на устройствах с прогрессивной разверткой (например - монитор компьютера или LCD телевизор) такой метод получения и вывода изображения уже не подходит. В таком устройстве сразу выводится полный кадр, а значит видео, снятое в чересстрочном режиме будет демонстрировать хорошо известную "гребенку" на движущихся объектах. Возникает она потому, что, как вы помните, второй полукадр снят с запаздыванием в 1/50 сек. по отношению к первому полукадру, а выводятся они на экран при прогрессивной развертке одновременно! То есть на движущихся объектах возникает сдвиг полукадров относительно друг друга и, соответственно, "гребенка". Для иллюстрации можно привести  кадр видео, снятого в чересстрочном режиме и показанный на мониторе компьютера:

 

Щелкните по картинке, чтобы увидеть изображение оригинального размера

 

Обратите внимание на птиц в правой части кадра. За 1/50 секунды быстро летящая птица успевает сместится настолько, что смещение полукадров друг относительно друга создает двойной силуэт птицы - один из нечетных, а другой из четных строк кадра! 

Для просмотра видео на устройствах с прогрессивной разверткой больше подходит прогрессивный режим видеосъемки. В этом режиме сразу строится полный DV кадр (720х576) и поэтому никакой "гребенки" не может быть по определению. При этом частота следования кадров составляет 25 кадров в секунду (такой режим часто обозначается как 25p, p - прогрессив. Соответственно, чересстрочный режим обозначают 50i, i - interlace, чередование). Помимо отсутствия "гребенки" прогрессивный режим имеет еще одно преимущество - при прочих равных условиях вертикальное разрешение в этом режиме выше, нежели в чересстрочном режиме. Ну а недостатком этого режима является малая частота смены кадров из-за чего относительно быстрое движение в нем выглядит немного стробоскопично, движение в кадре идет небольшими рывками.

Надо отметить, что честный прогрессив в бытовых видеокамерах встречается крайне редко. Связано это со сложностью реализации и чересстрочного и прогрессивного сканирования на одной матрице, это стоит денег, производители же стремятся снизить цену своих продуктов. Поэтому чаще всего в качестве прогрессивного режима нам предлагается некий суррогат под общим названием "frame mode". Я не имею возможности описать принципы действия этого режима, каждый производитель организует его по своему и детали этой организации мне не известны. Но у всех этих режимов есть одно общее свойство - они "стартуют" от чересстрочного режима и, с помощью различных ухищрений, устраняют "гребенку" при просмотре на экране с прогрессивной разверткой. Простейшая реализация такого режима - съемка в чересстрочном режиме с выдержкой 1/25 сек. (владельцы видеокамер с ручной регулировкой выдержки могут легко это проверить). При такой выдержке оба полукадра должны браться из одного кадра (снятого с выдержкой 1/25 = 1/50 + 1/50), а значит соседние полукадры не сдвинуты по времени относительно друг друга и "гребенки" не будет! На самом деле этот режим в видеокамерах разных производителей реализован более сложно, позволяя не ограничиваться одним значением выдержки, но общий принцип тот же - модификация чересстрочного сканирования матрицы. И отсюда следует основное его свойство - в режиме frame не происходит увеличения вертикального разрешения по сравнению с чересстрочным режимом (один из существенных плюсов честного прогрессивного режима), более того - зачастую происходит даже падение вертикального разрешения!

В наших обзорах мы не знаем заранее - честный ли прогрессивный режим реализован в той или иной модели видеокамеры, или же одна из разновидностей режима "frame" (а производители обычно это скромно умалчивают). Поэтому нам остается лишь руководствоваться вышеозвученным правилом - если при переходе в прогрессивный режим у камеры возрастает вертикальное разрешение - значит, скорее всего, прогрессив на ней реализован честно. Если не возрастает (а то и падает) - значит под прогрессивом на ней понимается одна из разновидностей режима "frame".

 

Широкоэкранный режим:

леттербокс и анаморф, "правильный" и "неправильный" 16:9

 

В этом разделе я не буду объяснять, что такое широкоэкранный режим и зачем он нужен, думаю, что читатель этой статьи уже знает ответ на эти вопросы. А тут мы с вами кратко поговорим о принципах формирования широкоэкранного изображения в современных miniDV видеокамерах.

И начнем мы с основополагающего факта - формат DV жестко задает размер кадра итогового видео - 720x576. И он должен быть таким в любом режиме, будь то нормальный режим 4:3, будь то широкоэкранный режим 16:9. И если с первым все более-менее ясно, то со вторым возникает проблема - как привести кадр с пропорциями 16:9 к заданному размеру? Путей тут два. Первый, наиболее простой, заключается в том, чтобы взяв исходную картинку 16:9 "дорисовать" её до нужного размера кадра, добавив снизу и сверху пустые области (черные полоски).  Называется это леттербоксным преобразованием  широкоэкранной картинки. Его проблема заключается в нерациональном использовании кадра - ведь значительную часть кадра занимают области, не несущие никакой информации (черные полосы). Более того, при обработке в видеоредакторах эти области тоже рассматриваются как часть кадра, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Например, к ним также будут применяться выбранные вами эффекты - последствия этого могут быть весьма плачевны. Второй путь более сложен в реализации, но лишен присущих леттербоксному преобразованию недостатков. В нем широкоэкранная картинка сжимается по горизонтали до нужных пропорций. При этом, без дополнительной обработки, она выглядит растянутой по вертикали, с искаженными пропорциями предметов.  А широкоэкранный телевизор (или телевизор формата 4:3 с включенным широкоэкранным режимом) опять растягивает её по горизонтали - так что в итоге мы получаем нормальное широкоэкранное изображение, без всяких искажений картинки. Такое преобразование широкоэкранной картинки называется анаморфным преобразованием и оно, очевидно, лишено основных недостатков преобразования леттербоксного, поскольку в нем используется вся площадь кадра. Нижеприведенные иллюстрации наглядно показывают суть обоих преобразований:

 

Картинка в режиме 16:9

 

Картинка в режиме 4:3

 

 

Леттербоксное представление широкоэкранного режима

 

Анаморфное представление широкоэкранного режима

 

 

Ну а теперь настал черед поговорить о том, как режим 16:9 реализуется на уровне матрицы видеокамеры. Сразу хочу сказать, что единственный правильный способ реализации широкоэкранного режима на этом уровне - матрица с соотношением сторон 16:9. Но я не знаю ни одной бытовой камеры, которая бы имела подобную матрицу(матрицы). Так что нам придется рассмотреть способы формирования широкоэкранного изображения на матрице с соотношением сторон 4:3, то есть нам надо найти способы создания "подматрицы" с соотношением сторон 16:9 внутри матрицы с соотношением сторон 4:3. А их, по сути своей, только два - либо сузить используемую площадь матрицы по вертикали, либо расширить её по горизонтали. Тут надо учесть, что на матрицах современных видеокамер всегда есть излишек пикселей, который используется для фоторежима и/или электронной стабилизации изображения. Вот за счет этого излишка и можно реализовать второй способ. В первом способе мы получим сужение поля зрения по вертикали и уменьшение вертикального разрешения матрицы, во втором - расширение поля зрения по горизонтали при сохранении вертикального разрешения. Эти способы часто называют "неправильным" и "правильным". Наглядно они проиллюстрированы на нижеприведенных рисунках:

 

Реализация широкоэкранного режима на уровне матрицы

 

"Неправильная"

"Правильная"

 

На этих рисунках красной рамкой обозначена общая площадь матрицы, синей - площадь матрицы, используемая в режиме 4:3, зеленой -  площадь матрицы, используемая в режиме 16:9.

Надо отметить, что на этих рисунках изображены крайние варианты, на самом деле реализация широкоэкранного режима на большинстве современных видеокамер представляет нечто среднее между ними (то есть широкоэкранный режим образуется одновременно как за счет некоторого сужения используемой площади матрицы по вертикали, так и за счет некоторого расширения этой площади по горизонтали).

Хочу особо обратить ваше внимание на тот факт, что анаморф и леттербокс формально никак не связаны с "правильным" и "неправильным" использованием матрицы. То есть вполне возможен "правильный" леттербокс или "неправильный" анаморф.

Оценка использования матрицы в наших обзорах происходит путем сравнения величины поля зрения видеокамер (которое прямо пропорционально эффективной площади матрицы) в различных режимах. Для оценки поля зрения используется следующая таблица:

 

 

Именно по ней оценивается поле зрения видеокамер в различных режимах и строятся схемы использования матрицы в этих режимах, подобные вышеприведенным.

 

 Экспозиционные параметры - некоторые определения

 

Основными параметрами, характеризующими экспозицию, для видеокамер являются выдержка, диафрагма и усиление

Выдержка - это время экспонирования матрицы, время, в течении которого она находится под воздействием света и копит заряд (измеряется это время в секундах). Тут есть одна тонкость, которую многие видеолюбители не понимают или не принимают во внимание. Дело в том, что стандарт PAL подразумевает смену 50 полей в секунду (в чересстрочном режиме) и эта цифра не может быть изменена. Если выдержка составляет 1/50 секунды - проблем нет, в этом случае время экспонирования матрицы совпадает с частотой смены полей. А как быть, если вам необходимо сделать выдержку в 1/100 секунды? В этом случае экспозиция и будет длиться 1/100 секунды, но частота смены полей остается 50 Гц (50 полей в секунду, а отнюдь не 100) и мы получаем следующую картину - кадры с выдержкой 1/100 следующие друг за другом через 1/50 секунды. При выдержке 1/1000 сек. мы будем иметь кадры с выдержкой 1/1000 следующие друг за другом опять же через 1/50 секунды! Я думаю, что вы уже понимаете, к чему это приведет. Чем меньше будет выдержка - тем более скачкообразным будет выглядеть быстрое движение, оно потеряет плавность (хотя сама картинка будет оставаться четкой, из-за малой выдержки "смаза" изображения не будет). Ну а что будет, если нам нужна выдержка больше 1/50 секунды? Пример, как происходит формирование изображения в чересстрочном режиме на выдержке в 1/25 сек мы уже рассматривали выше. В качестве второго примера рассмотрим выдержку 1/3 сек. (типичную для камер Sony в режиме Super NightShot). Общее правило осталось неизменным - нам нужно обеспечить 50 полей в секунду. Но у нас выдержка больше в 16.7 раза! Что делать?! Решение просто - взять 16 полей (8 полных кадров) из одного кадра, без смещения во времени. Выдержка, правда, получается чуть меньше - 0.32 сек. (так оно и есть на самом деле, камера при показе экспопараметров округляет её до 1/3 сек.). А вот "гребенки", присущей чересстрочному режиму, не будет и тут. Её вообще не будет ни на одной выдержке, большей 1/50 сек. 

Но единственной выдержкой, синхронизованной по длительности с частотой смены полей является 1/50 сек. и автоматическая регулировка экспозиции на камерах старается удержать её как можно дольше, меняя сначала другие экспопараметры.

Диафрагма - это величина, обратная относительному отверстию объектива видеокамеры (относительное отверстие - отношение диаметра объектива к его фокусному расстоянию). То есть если вы видите значение диафрагмы f 1.8, то это означает, что диаметр объектива видеокамеры и его фокусное расстояние находятся в соотношении 1/1.8, фокусное расстояние в 1.8 раза длиннее диаметра объектива. При этом очевидно, что чем большее значение диафрагмы мы (или автомат камеры) выставляем - тем меньше будет, при неизменном фокусном расстоянии объектива, его эффективный диаметр и тем меньше света он пропустит через себя. Более того - освещенность матрицы зависит от величины диафрагмы квадратично - к примеру освещенности матрицы при диафрагмах f 4 и f 5.6 будет различаться в два раза (в два раза больше при f 4).

Усиление - электроника камеры способна усиливать величину сигнала с матрицы для получения более яркого изображения в условиях недостатка света. Измеряется усиление в децибелах (dB) и его можно определить по формуле:

,

где в скобках стоит отношение усиленного сигнала к первоначальному. То есть усиление в 6 dB означает увеличение электронным образом величины сигнала в 2 раза, а усиление в 18 dB - в 8 раз! Но надо помнить, что усиление сигнала не проходит бесследно - с его ростом растет и зашумленность картинки, уровень яркостных шумов. Так что применять его надо только тогда, когда разумный ресурс по другим экспопараметрам уже исчерпан.

 

Баланс белого

 

В повседневной своей практике мы как-то не задумываемся над тем, что спектральный состав освещающего нас света (соотношение в нем красной, синей и зеленой компонент) меняется в зависимости от типа источника света. То есть белый лист нам кажется белым всегда, независимо от того, освещен ли он лампочками нашей люстры или же светом голубого неба в солнечный день, хотя освещение в двух этих случаях весьма сильно отличается по спектральному составу. Обязаны мы этим нашему мозгу - он компенсирует избыток красного цвета в первом случае  и избыток синего - во втором. Очевидно, что в видеокамеру тоже должен быть встроен подобный механизм, иначе цветопередача нашего видео будет, мягко говоря, весьма далека от идеала. И такой механизм есть, называется он балансом белого.  

Немного теории. Спектральный состав света можно оценить по так называемой цветовой температуре - температуре абсолютно черного тела (которое ничего не отражает, только само испускает свет) при которой спектральный состав излучаемого им света соответствует спектральному составу нашего источника света. Измеряется цветовая температура в градусах Кельвина, масштаб шкалы Кельвина совпадает с масштабом шкалы Цельсия, но нулевая точка у них разная, у шкалы Кельвина ноль соответствует абсолютному нулю температуры, -273 С. В таблице ниже приведены цветовые температуры для некоторых наиболее распространенных источников света:

 

Источник света Цветовая темп.
Голубое небо, тень

12000K — 18000K

Дымка, тень

9000K — 12000K

Пасмурно 6500K — 7500K
Обычная летняя тень 6000K
Дневной свет Фотовспышка 5500K(от 5400К до 5600К)
Голубая фотолампа 4900K
Солнечный свет — два часа после восхода или два часа перед закатом 3850K — 4100K
Солнечный свет, час после восхода 3450K — 3750K
Фотолампы
накаливания, тип А
3400K
Фотолампы
кварцевые, тип В
3200K
Восход и закат 3050K — 3150K
Домашние
галогенные
лампы
2200K — 3000K
Лампа 200Вт 3000K
Лампа 100Вт 2900K
Лампа 75Вт 2800K
Компактные
люминисц.
лампы CFL
2700K
Свеча 1200K — 1850К
Пламя спички 1700K

 

Итак, что такое установка баланса белого в видеокамере? Это процедура, в которой видеокамера подбирает поправочные коэффициенты к основным цветам (красный, зеленый, синий) таким образом, чтобы обеспечить естественную цветопередачу для данных световых условий (спектрального состава света). Делается это тремя основными способами - автоматическая установка баланса белого, предустановки (обычно - Indoor и Outdoor) и ручная установка баланса белого. Рассмотрим каждую из них по отдельности.

Автоматическая установка 

В этом случае происходит следующее. Электроника камеры оценивает цветовую температуру света (или по сигналу с матрицы камеры или с помощью отдельного датчика) и "заглядывает" в специальную таблицу, хранящуюся в памяти камеры, в которой для наиболее распространенных значении цветовой температуры хранятся искомые поправочные коэффициенты к основным цветам. То есть эти коэффициенты не вычисляются, в памяти видеокамеры храниться некий их набор и камера берет их оттуда. Плюс такого подхода состоит в простоте и быстроте - камера может настроить баланс белого очень быстро. Ну а минус тоже очевиден. Количество хранимых в таблице значений цветовой температуры (и поправочных коэффициентов) ограничено. Что будет, если цветовая температура источника света, измеренная камерой, не будет соответствовать ни одному табличному значению? В этом случае камера возьмет поправочные коэффициенты из ячейки с наиболее близким к измеренному значением цветовой температуры. То есть точного соответствия не будет, а это неизбежно приведет к ошибкам цветопередачи.

Предустановки Indoor (искусственное освещение) и Outdoor (естественное освещение)

В этом случае все очень просто - камера хранит всего один набор поправочных коэффициентов (для каждой предустановки) и считывает их, когда вы её (соответствующую предустановку) выбираете. В спецификациях камер обычно указывают, какой цветовой температуре источника света соответствует та или иная предустановка, например для видеокамер фирмы Sony предустановка Indoor соответствует 3200К, а предустановка Outdoor - 5500К.

Ручная установка баланса белого (в терминологии Sony - One-Push, установка баланса белого одним нажатием)  

Ну а это - наиболее совершенный, но и наиболее сложный из рассматриваемых способов установки баланса белого. В этом случае камера наводится на белый (а точнее нейтральный, серый, для которого соблюдается равенство между основными цветами - R=G=B) лист, который должен быть освещен именно тем же источником света, что и снимаемая сцена. При нажатии на соответствующую кнопку камера вычисляет поправочные коэффициенты к основным цветам так, чтобы сделать белый лист белым в данных световых условиях, для данного спектрального состава света (сравнивая его с эталонным белым, хранящимся в памяти видеокамеры). При этом считается, что если мы привели белое к белому, то мы автоматически привели красное к красному, зеленое к зеленому, синее к синему. Плюс такого способа установки очевиден - мы получаем точные значения поправочных коэффициентов именно для данной цветовой температуры. Ну а минус - необходимость наличия белого листа, нажатия на кнопку (собственно, только в этом и заключается участие оператора, так что терминология Sony - One-Push - более правильна) и определенного времени на вычисление поправочных коэффициентов.

 

 

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 оптичесткие 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 этих типов?

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 и 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.

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 влияния стабилизатора на получение и обработку изображения минимально, что является несомненным плюсом этого способа.

Что касается плюсов и минусов каждого способа, то надо отметить, что 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. Кроме этого 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. 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. 

 

Заключение

 

В этой статье я постарался дать объяснение терминам, наиболее часто встречающимся в наших обзорах и могущих представлять определенную сложность для неискушенного читателя, который выбирает себе первую видеокамеру и вынужден, для осознанного выбора, "окунуться" в наши тесты. Как вы наверное уже заметили, данная статья не претендует на роль некоего "научного труда" по видеотехнике, наоборот, я постарался максимально упростить изложение. Так что "продвинутые" видеолюбители скорее всего не найдут в этой статье ничего нового и неизвестного для себя, а вот что касается остальных - буду рад, если этот труд сможет расширить ваши знания о видеокамерах и поможет вам в понимании наших тестовых обзоров - как уже существующих, так и будущих. 

 

 

 

Использованные материалы:

 

  1. Схема образования широкоэкранного изображения 16:9 в видеокамерах

  2. Что такое цветовая температура и как бороться с её вредными проявлениями

  3. Тесты видеокамер, проводимые на базе магазина "Видеомакс" - каталог

 

Хотелось бы выразить глубокую признательность магазину «Видеомакс»  (www.videomax.ru), который предоставляет камеры для проведения тестов, а также его сотрудникам, принимающим деятельное участие в тестировании.

 

Алексей Попов (popov_al@mx.ihep.su)

 

Последние изменения: 26.04.2007