Цифровые камеры

Основное предназначение цифровых камер состоит в съемке и по­следующем вводе в ЭВМ изображений (статических или движущихся в соответствии с типом камеры). Изобретения эти позволили отказа­ться от одной промежуточной стадии традиционных фото- и кино­процессов, связанной с обработкой (проявкой, закреплением и т. п.) пленок. В результате цифровое фото в первую очередь обрело по­пулярность у фотографов, занимающихся репортажной съемкой, и гораздо позже — у студийных фотографов-профессионалов.

Типичная цифровая фотокамера состоит из объектива, диафраг­мы, системы фокусировки (оптомеханическая часть) и матрицы ПЗС (фотоэлектронная часть), которая и производит фиксацию изобра­жения.

Для получения цветной фотографии каждый сенсор снабжен светофильтрами трех основных цветов (красный, зеленый, синий). Дискретность получаемого с датчика аналогового значения на­пряжения составляет 256 уровней, что позволяет снимать на фо­токамеру все те же 16,7 миллиона цветов.

В фото­аппаратах использу­ются ПЗС-матрицы двух ви­дов — чересстрочные либо последовательно-строчные. Первый вид был заимствован из телевидения: в нем сначала происходит считывание изображения четными рядами сенсоров, затем нечетными. При этом, чтобы не получить в результате «гребенку» за счет уже изменившегося сни­маемого изображения, используются специальные затворы. Второй вид матриц позволяет производить одновременно съемку и фик­сацию снятого изображения датчиками. Как правило, в последова­тельно-строчных матрицах каждый пиксель может иметь только один из трех основных цветов, а результирующие цвета изображения по­лучаются при помощи интерполяции. Поскольку зеленая часть ви­димого глазом спектра наиболее активна в формировании общей яркостной составляющей изображения, постольку число сенсоров с зеленым светофильтром в матрице, как правило, делается вдвое больше, чем число сенсоров с красным и синим фильтрами.

Наиболее важными с точки зрения цифровой фотосъемки па­раметрами матрицы являются ее разрешение, чувствительность, ди­намический диапазон, уровень шумов, точность цветопередачи.

Под термином «разрешение камеры» чаще всего подразумева­ется пиксельный размер матрицы. Его можно найти, умножив друг на друга количества датчиков по горизонтали и вертикали. Реаль­ное же разрешение можно узнать, поделив количество сенсоров по каждому из измерений на соответствующий физический линей­ный размер матрицы. Кстати, линейный размер, а точнее, длина диагонали матрицы, является немаловажным параметром, опреде­ляющим результирующее фокусное расстояние камеры. Отметим, что по этому параметру цифровым камерам пока далеко до ана­логовых, ибо диагональ кадра 35-миллиметровой пленки составля­ет около 43см, а диагональ хороших полупрофессиональных ци­фровых моделей колеблется в районе 18-20 мм.

Следующей характеристикой является чувствительность матри­цы, измеряемая в соответствии со стандартом ISO. Нормальный ее диапазон составляет порядка 200-400 единиц при дневном свете и около 600-1000 — при искусственном. Трудность достижения вы­соких значений чувствительности состоит в том, что для ее увели­чения, как правило, необходимо увеличение размеров отдельных сенсоров, что уменьшает общее разрешение матрицы. В этом случае необходим разумный компромисс. Цифровая камера, в отличие от аналоговой, позво­ляет выставлять значение чув­ствительности для каждого снимка индивидуально, поэтому перед съемкой имеет смысл произвести анализ снимаемой сцены и приблизительно определить необхо­димый для нее уровень чувствительности.

Что такое динамический диапазон и в чем состоит его важ­ность, мы уже упоминали в главе, посвященной сканерам. Заметим только, что матрицы с малым динамическим диапазоном, как правило, имеют высокий уровень собственных шумов, что не позволяет им с уверенностью раз­личать детали фотографируемо­го изображения.

Итак, после подбора необходимых параметров чувствительности, необходимого расстояния до снимаемого объекта, ручной подстройки диафрагмы и вы­держки (хорошие модели должны позволять такую ре­гулировку) нажимается завет­ная кнопка.

ПЗС-матрица запечат­левает изображение, значе­ния напряжения отдельных ее датчиков снимаются, квантуются и при помощи АЦП переводятся в цифровой вид. Отметим, что в профессиональных цифровых камерах разрядность АЦП обычно больше 8 и составляет порядка 10-14 бит на пиксель по тем же сооб­ражениям, по которым хорошие сканеры делают 48-битными.

Отснятый материал компрессируется и сохраняется в памяти камеры на флэш-картах. Их на сегодняшний момент существует нес­колько типов, самыми распространенными из которых являются МеmoryStick, CompasctFlash, MultiMedia Card и SmartMedia. Значение ем­кости подобной карты составляет 16-32 Мб; самые вместительные и дорогие имеют емкость до 1 Гб. Для сохранения фотографий каме­ра подключается к компьютеру при помощи интерфейса USB либо карта вынимается из камеры и используется совместно со специаль­ным картоводом, подключающимся к ЭВМ таким же образом.

Формат JPG, разработанный группой фотографов Joint Photo­graphic Experts Group, является форматом сжатия изображений с потерями. Он был создан спе­циально для компрессии фото­графий с учетом особенностей человеческого зрения, в частно­сти того, что яркостная соста­вляющая изображения на поря­док важнее для восприятия, чем хроматические (цветовые) ком­поненты.

При внимательном рассмо­трении изображений, сжатых по стандарту JPG, становится видна структура типа квадратиков. Чем больше степень сжатия, тем боль­ше изображений можно сохра­нить на одной карте, но и тем заметнее становятся дефекты, возникшие при сжатии. Некоторые современные камеры уже могут сохранять фотографии в формате JPEG2000, обеспечивающем луч­шее сжатие при отсутствии квадратных артефактов (он также иска­жает оригинальное изображение, но несколько другим образом).

В случае, когда дефекты на изображении недопустимы, можно воспользоваться форматом TIF, обеспечивающим меньшую степень сжатия, но не допускающим потерь в качестве. В таком случае на одну карту поместится гораздо меньше фотографий.

Формат DPOF используется, когда снимаемые изображения пла­нируется впоследствии печатать в цифровых фотолабораториях. Перед использованием этого формата необходимо проверить, дей­ствительно ли его поддерживает выбранный вами фотолаб.

Обратимся теперь к цифровым видеокамерам. Для любитель­ской цифровой видеосъемки в настоящее время существует три стандарта - MiniDV, MicroMV и Digital 8. Первый из них наибо­лее распространен и включает в свой модельный ряд как самые простые модели стоимостью от 500 евро, так и близкие к профес­сиональным — стоимостью до 4000 евро. По причине его наиболь­шей популярности он будет описан подробно чуть ниже.

Камеры стандарта MicroMV, как и следует из названия, обла­дают очень малым весом и размерами, а также достаточно высокой стоимостью как самой камеры, так и кассеты к ней. Это не опечатка. Действительно, достаточно большой объем информации, который несет в себе видеосигнал, пока не позволяет использо­вать серьезно для хранения цифрового видео что-то отличное от магнитных лент. Не последнюю роль здесь играет и фактор цены: кассеты с магнитной лентой (5-20 евро), гораздо дешевле винчестеров. Возвра­щаясь к стандарту MicroMV, от­метим, что использовать ее не очень удобно: почти не чувствую­щая веса камеры рука может самопроизвольно водить камерой, сбивая ее с объекта съемки.

Еще один стандарт, по которому выпускаются только цифровые видеокамеры Sony, — Digital 8. Фактически камеры этого стандар­та являются просто переделкой аналогового формата Hi-8 для за­писи отснятого видео в цифровой форме. Сами камеры достаточ­но велики, поскольку для записи используются кассеты большого формата.

Рассмотрим подробнее, какими параметрами характеризуются цифровые видеокамеры.

Одним из первых параметров, приводимых в документации и рекламных проспектах, является коэффициент оптического увели­чения (optical zoom), иначе говоря, насколько позволяет увеличи­вать изображение объектив камеры. Коэффициент этот обычно ко­леблется в пределах от 10 до 25, причем большие его значения могут иметь и дешевые камеры, исклю­чительно за счет ухудшения качества увеличенного изображения. Только элит­ные экземпляры камер могут похвастать оптическим зумом в 25 раз при сохра­нении высочайшего качества изобра­жения.

Второй параметр камер — это тоже уровень увеличения, но только не оптического, осуществляемого объективом, а цифрового, который производится путем интерполяции. Ввиду того, что для осу­ществления такого увеличения требуется исключительно вычисли­тельная мощность, зачастую коэффициент цифрового зума доходит до 100 и выше. Однако реальной пользы от него практически нет. Более того, многие опытные операторы предпочитают сразу при покупке и проверке камеры немедленно выключить цифровое увеличение, поскольку интеллектуальные камеры обычно переходят в режим цифрового увеличения по мере исчерпания реальных воз­можностей объектива, не предупреждая об этом оператора.

Третий важный параметр видеокамер — количество сенсоров в ПЗС-матрице (именно она используется в качестве светочувстви­тельного элемента). Как правило, телестандарты достаточно жестко определяют необходимое количество пикселей изображения (число это составляет порядка 420 тысяч пикселей для систем PAL и SECAM и около 350 тысяч для американского стандарта NTSC). Большие значения числа датчиков, как правило, используются для работы си­стем электронной стабилизации изображения (устранения влияния «трясущихся рук»), но не дают реального увеличения качества изо­бражения. Некоторые модели камер позволяют использовать полное количество пикселей матрицы для мгновенного запечатления стоп-ка­дров, но записать эти кадры возможно только в формате JPG или TIF. Иначе говоря, полное количество пикселей матрицы использует­ся только в режиме цифровой фотографии, а в видеорежиме — нет.

Четвертой характеристикой камеры служит ее чувствительность, измеряемая в люксах от 0 до 15. Теоретически чем меньше это значение, тем лучше камера будет снимать в условиях слабой освещенности. Но на деле ввиду отличий в методике измерений этого параметра у камер различных фирм и отсутствия указания уровня шумов, выдаваемых камерой при данном значении освещенности, этот параметр превращается в необъективный и практически камеру не характеризующий. Ина­че говоря, цифры, указанные в руководстве, необходимо субъек­тивно проверять путем реальной съемки в условиях плохой освещенности.

Вес камеры также имеет значение. При большом весе камеры рука будет быстро уставать, а при слишком маленьком будет возрастать влия­ние фактора «трясущихся рук», причем в самых запущенных случаях не будет помогать даже элек­тронный стабилизатор изображения.

Остальные параме­тры (общее качество съемки, удобство рабо­ты, общая эргономика и т. п.) являются субъективными и зависят от самого пользователя камеры. Поэтому при покупке всегда следует пробовать понравив­шиеся экземпляры в те­чение 1-2 часов в деле для съемки нескольких сцен с разной динамикой и освещенностью.

Итак, чуть подробнее о формате DV. По качеству записи он чуть-чуть не дотягивает до распространенного аналогового формата Веtacam SP, а по некоторым параметрам (отношение сигнал/шум) да­же превосходит его.

Записываемый на кассету сигнал предварительно сжимается по алгоритму MJPEG (по сути, эквивалентному простой последователь­ности кадров в формате JPG) и дополняется специальными кода­ми для коррекции ошибок, позволяющими правильно воспроизве­сти сигнал при проценте ошибочно считанных данных вплоть до 15-20%. Камеры MiniDV под­ключаются к компьютеру при по­мощи скоростного интерфейса Firewire (о нем будет рассказа­но в главе, посвященной сред­ствам обмена информацией).

Другим, более дешевым и простым решением для тех, кому не нужно слишком высокое качество и разрешение, будут так называемые веб-камеры.

Это устройство является почти идеальным для проведе­ния онлайн-видеоконференций, передаваемых по локальным или глобальным сетям. Оно, как правило, не имеет собственного накопителя для записи видеосиг­нала, а передает данные (напрямую либо через встроенный кэш), используя шину USB 1.1. В результате получается видеопоток с ча­стотой около 15 кадров в секунду при разрешении 640x480 то­чек, либо 25-30 кадров в секунду при разрешении 320 х 240. Что в принципе можно рассматривать как достоинство: в результате трансляции такого потока по сети нет излишней нагрузки на кана­лы передачи. К тому же эти устройства чрезвычайно дешевы.

3. Итоги

4. Домашнее задание: Подготовка сообщения об одном из периферийных устройств.

22