Цифровые видеокамеры

В этом докладе рассказывается об устройствах, с помощью которых в последнее время облегчился процесс обработки и передачи изображений. Я говорю о цифровых фото- и видеокамерах. Для удобства я разбил доклад на две части, относящиеся соответственно к фото- и видеотехнике. 
1. Цифровые Видеокамеры. 
Наиболее популярный вопрос, который возникает при выборе видеокамеры: "в чем различие цифровых и аналоговых видеокамер?" Все больше людей приобретают видеокамеры, и все чаще звучит вопрос: "Как выбрать видеокамеру?" Начнем с перечисления наиболее важных на наш взгляд преимуществ цифровой видеокамеры. Первое и самое главное - цифровые видеокамеры дают настолько великолепное качество изображения, что о большем Вы вряд ли мечтали. Далее - возможно многократное копирование, при этом каждая последующая копия получается ничуть не хуже первой. Кроме того, немаловажно, что от момента съемки до момента просмотра Вашего фильма проходит минимум времени, а если Вы захотите распечатать фотографию с отдельного кадра, то при наличии компьютера и цветного принтера (что необязательно, т.к. такие услуги оказывают и в салонах) это займет всего несколько минут. Качество фотографий, полученных таким путем весьма высокое (это конечно определяется качеством вашей камеры). 
Вот теперь мы подошли к самому главному. Как выбрать видеокамеру наиболее оптимально, чтобы она максимально удовлетворяла Вашим запросам и не была бы слишком дорогой? Ваш выбор во многом будет зависеть от формата видеокамеры.  
Форматы видеокамер: 
1.1. Видеокамеры формата VHS-C.  
Данный формат видеокамер является одним из наиболее распространенных среди любительских камер. Основными производителями, поддерживающими этот формат, являются Panasonic и JVC. Главным преимуществом данного формата является возможность проигрывания записанных кассет на видеомагнитофоне стандарта VHS с использованием специального адаптера (который обычно имеется в комплекте с видеокамерой). Следовательно, у Вас нет необходимости использовать камеру для проигрывания сделанных записей, что довольно удобно, и позволяет продлить срок ее службы. Основным недостатком в сравнении с Video8 является меньшее время записи на кассету. Основная масса кассет VHS-С имеет продолжительность записи в 30 и 45 минут на стандартной скорости против 90 и 120 минут на кассетах Video8. 
1.2. Видеокамеры формата Video8.  
Изобрела и продвигает этот формат фирма Sony. Все камеры Sony начальной серии используют этот формат. Также распространены камеры Video8 производства Hitachi и Samsung. Можно отметить, что габариты кассеты стали меньше, чем у кассеты VHS-C, что позволило несколько уменьшить размеры камеры. Достоинства и недостатки этого формата являются зеркальным отражением достоинств и недостатков формата VHS-C. Компания Sony выпускает также несколько улучшенный формат Video8 XR (eXtra Resolution). Основное отличие - увеличенное количество линий (примерно на 10%). Кассета остается прежней. 
1.3. Видеокамеры формата SVHS и Hi8.  
Возникновение этих форматов связано с неудовлетворением пользователей качеством изображения, получаемого с помощью камер VHS-C и Video8. Значительное увеличение качества получаемой картинки привело к увеличению стоимости как камер, так и кассет. Однако игра стоит свеч. Улучшение качества хорошо заметно визуально, хотя доступно при проигрывании записей только на самой камере. Покупка же специального видеомагнитофона SVHS или Hi8 обойдется Вам в приличную сумму. 
Необходимо также отметить, что на этих камерах обычно записывается стереозвук, хотя выпускаются и варианты со звуком моно. Видеокассеты SVHS-С и Hi8 выглядят абсолютно так же, как и их младшие собратья и отличаются только типом используемой ленты. Подобно Video8 XR существует формат Hi8 XR. Спрашивается, чем этот Сyпеp-VHS лучше просто VHS'а? Среди технических характеристик было объявлено и воплощено в железе горизонтальное разрешение картинки 400 тв строк вместо 250 в VHS, улучшенное соотношение сигнал/шум (от 43 до 60 dB), полоса видеосигнала в 5MHz (вместо 4.5 в VHS - это как раз и дает улучшение картинки), лучшее разделение цветовой и черно-белой составляющей, как следствие - "до 5 копий без потери качества", лучшее управление аппаратурой на основе тайм-кода... ну и т.д. Ко всему добавили совместимость" снизу вверх" для VHS. Для принятого у нас телевизионного стандарта 625 строк/50 полей 1 МГц частоты видео сигнала соответствует разрешающей способности по горизонтали 78 твл. В соответствии с этим стандартом полоса частот видео сигнала вещательного телевидения ограничена 6 МГц. Следовательно, максимальная разрешающая способность телевизионного изображения по горизонтали ограничена величиной 468 твл. ...разрешающая способность современных телевизоров не хуже 450 твл. В связи с тем, что частота видео сигнала 1МГц соответствует разрешающей способности по горизонтали 78 твл, можно легко определить, что при полосе пропускания по сигналу яркости всего лишь до 3 МГц с ВМ формата VHS невозможно получить изображение с четкостью, превышающей 240 твл. Основное преимущество ВМ формата S-VHS по сравнению с VHS - более высокая разрешающая способность по горизонтали (400 твл, а в VHS-240), меньшие перекрестные помехи и более высокое отношение сигнал/шум. Эти преимущества достигаются в основном благодаря существенному расширению полосы частот сигнала яркости... в ВМ формата S-VHS частота поднесущей ЧМ сигнала яркости увеличена до 6,2 МГц (VHS-4,3). Девиация частоты в формате S-VHS увеличена до 1,6 МГц (VHS-1МГц). (диаграммы набрать не могу) В ВМ формата VHS при изменении яркости передаваемого изображения от уровня вершин синхроимпульсов до номинального уровня белого принято изменение частоты ЧМ сигнала от 3,8 до 4,8 МГц. В S-VHS этому диапазону яркости соответствует изменение частоты ЧМ сигнала от 5,4 до 7 МГц. Это позволило повысить отношение сигнал/шум, и, следовательно, улучшить контраст изображения. Сигнал цветности в обоих форматах выделяется полосовым фильтром с центральной частотой 4,43 и полосой пропускания 1 МГц и преобразуется в сигнал с низкочастотной поднесущей 629,95 (Pal),т.е. сигнал цветности переносится в область нижних частот. При этом сигнал цветности в S-VHS имеет несколько более широкую полосу. Нижняя боковая полоса ЧМ сигнала яркости в обоих форматах простирается до полосы частот сигнала цветности, перенесенного в область нижних частот. Поэтому в VHS максимальная частота в сигнале яркости достигает 3,2 МГц, что соответствует разрешающей способности по горизонтали 240 твл. В S-VHS ширина нижней боковой полосы ЧМ сигнала яркости достигает 5 МГц, что соответствует 400 твл. (По материалам журнала "ТКТ"). 
1.4 Видеокамеры формата Digital8 (D8). 
С появлением цифровых видеокамер формата miniDV оказалось, что видео любители, стремящиеся к повышению качества изображения, должны отказаться от старых, накопленных годами архивов, записанных на кассетах Hi8. Компания Sony пошла навстречу требованиям рынка и выпустила промежуточный вариант цифровой видеозаписи на кассетах формата Hi8 (возможно, хотя и не рекомендуется использовать кассеты Video8). Правда, пришлось поступиться временем записи (на кассете Hi8 можно записать видео в стандарте D8 на треть меньше по времени). Оправдывается это значительным улучшением качества изображения (оно приближается к вещательному) и различными преимуществами, такими как цифровые эффекты, цифровой порт по стандарту IEEE 1394 и др. Да, надо добавить, что режим LP в этих камерах не предусмотрен. Естественно, что камера D8 может использоваться для просмотра старых кассет Hi8 и Video8. При этом, стоимость такой камеры находится в пределах 700-1000 долларов, что несколько дешевле камер miniDV. 
1.5. Видеокамеры формата MiniDV. 
Мы переходим серьезный рубеж и попадаем в мир цифрового видео. Теперь изображение и звук в Вашей камере будет храниться только в цифровой форме. Вы сможете пользоваться всеми преимуществами цифрового видео в полном объеме. Наиболее важные из них это:  
- возможность многократной перезаписи без потери качества изображения и звука (с использованием порта IEEE-1394); 
- возможность обработки видеоматериалов с помощью персонального компьютера полностью в цифровой форме; 
- использование режима LP (long play - замедленная скорость воспроизведения/записи) без потери качества; 
- малый размер и высокая емкость кассеты и др. 
Качество изображения таких камер практически не уступают вещательному, а по некоторым параметрам и превосходят профессиональный формат Betacam-SP. Малые размеры кассеты позволили драматически уменьшить размеры камер, последние экземпляры практически умещаются на ладони. Излишне говорить, что все модели видеокамер записывают стереозвук, причем с качеством CD. Основным недостатком видеокамер miniDV является цена, она редко опускается ниже $1000, хотя вы не пожалеете о подобном приобретении. Реально сэкономить можно приобретая такие камеры в интернет-магазинах, где "накрутка" минимальная. 
2. Цифровые фотокамеры. 
Согласно хронологии создания цифровых фото камер, первыми были созданы профессиональные фотокамеры, а затем на основе CCD чипов (далее ПЗС матрица) были созданы относительно дешевые бытовые фото камеры бизнес назначения. До недавнего времени было принято делить цифровые фото камеры на два вышеуказанных класса, но с появлением цифровых фото камер Kodak DC-120 и Olympus C-1400XL, произошло дополнительное деление, появился, так называемый, полупрофессиональный класс. Сегодня же, существенный прогресс в области производства TTL линейных и нелинейных полнооконных цифровых фото матриц усилил это деление и поднял класс бытовых и полупрофессиональных камер по разрешению получаемых кадров и ПЗС матриц к младшим камерам профессионального класс, но отличие до сих пор осталось. Так как же отличить эти три класса и как выбрать себе камеру? 
Я предлагаю Вам, на мой взгляд, основные признаки позволяющие отличить профессиональные цифровые фотокамеры от полупрофессиональных и от бытовых фотокамер. 
2.1 Глубина цвета и разрешение ПЗС матриц. 
Почти все профессиональные цифровые фотокамеры выполнены на базе нелинейных ПЗС матриц с глубиной цвета 10 или 12 бит на цветовой канал со светофильтрами, препятствующими эффекту сатурации. Эти ПХ матрицы, как правило, изготовлены по технологии "Full-frame" с элементами квадратной формы и реализуют алгоритм "Frame after Frame". В полупрофессиональных и бытовых камерах используются более дешевые 24- битные RGB ПЗС матрицы (лишь по 8 бит на цветовой канал). Обычно, в бытовых камерах используются линейные матрицы с элементами эллипсоидной формы, а в полупрофессиональных как линейные, так и нелинейные ПЗС матрицы с элементами квадратной формы. Иногда производители используют более качественные, нелинейные ПХ матрицы и в бытовых камерах. Еще год назад можно было четко сказать: "профессиональные камеры имеют высокое разрешение (от 1024 х 1280 точек до 2008 х 3040 точек), а остальные низкое (от 640 х 480 точек до 1280 х 960), то сегодня это уже не так актуально. Сейчас, полупрофессиональные и бытовые цифровые фотокамеры имеют разрешение матриц от 1,3 миллиона точек до 2,5 миллиона точек и разрешение кадров до 3,3 миллиона точек, а профессиональные от 1,5 миллиона точек до 10 миллионов точек. Поэтому, при выборе камеры исходите из реально необходимого для решения ваших задач разрешения ПЗС матрицы. Зачем вам камера на 2,11 миллиона точек, если Вы хотите разместить свой туристический фотоальбом в Интернете, Вам будет достаточно для этой цели всего лишь 1,3 миллиона точек. 
2.2. Формат сохранения информации. 
Традиционно профессионалы (фотохудожники, репортеры, полиграфисты, рекламные и дизайнерские студии) для работы с оцифрованным изображением используют широкий не компрессионный формат хранения графической информации TIFF позволяющий работать с 30-ти, 32-х или с 36-ти разрядными CMYK изображениями формата не менее А4 и плотностью изображения 300 х 300 точек на дюйм. Именно этим требованиями и обусловлена высокая разрядность ПЗС матриц профессиональных камер. Профессионал должен получить готовый TIFF файл. Поэтому все профессиональные камеры сохраняют изображение в формате TIFF и только некоторые из них имеют возможность работать с компрессионными форматами типа JPEG. 
Бытовые же камеры наоборот, работают только с компрессионными форматами JPEG или FlashPix, т.к. для рядового пользователя очень важно сохранить максимальное количество кадров в минимальном объеме памяти камеры. Полупрофессиональные камеры используют в качестве формата записи изображений как компрессионные форматы JPEG, FlashPix, так и не компрессионные форматы TIFF или BMP. Из кадра, полученного полупрофессиональной камерой, вы без труда сможете получить CMYK изображение с плотностью 300 х 300 точек на дюйм размером 10 х 15 см, и использовать его в профессиональных полиграфических работах. 
2.3. Оптика. 
На профессиональную цифровую фотокамеру Вы сможете установить свой любимый объектив с Вашей пленочной зеркальной камеры, будь то Nikkor, Canon или Sigma. Бытовые и полупрофессиональные фотокамеры конструктивно устроены так, что невозможно поменять установленную производителем оптическую систему. Поэтому, для улучшения качества съемки, производители камер оснащают бытовые и полупрофессиональные цифровые фото камеры оптическими и цифровыми "Zoom" системами. Уже стало традиционно, что цифровая фото камера имеет комбинированную "Zoom" систему, например: 2-х кратный цифровой умножитель плюс 3-х кратный оптический или 2,5 кратный цифровой плюс 2-х кратный оптический и т.д. Некоторые камеры, например камеры Sony, оснащены мощными 10 или даже 14 кратными оптическими "Zoom" системами. Самые простые бытовые камеры имеет лишь цифровой умножитель или вообще его не имеют ни какого. В полупрофессиональных цифровых фотокамерах конструктивно предусмотрена установка на оптическую систему дополнительных преобразовательных линз для макро, теле-фото или панорамной съемки. 
2.4. Функциональность. 
Профессиональные цифровые фотокамеры производятся на базе широко известных корпусов профессиональных зеркальных 35 мм пленочных репортажных камер и 4х5 студийных фотокамер, таких как: Nikon, Canon, Mamiya, Hasselblad, Sinar, Toyo, Area Swiss и т.д. Другими словами производители профессиональных фотокамер берут популярные зеркальные фотокамеры, "удаляют все ненужное" оставляя механический затвор, начиняют их ПЗС матрицей вместе со "всякой" электроникой, что позволяет сохранить все профессиональные, ручные и автоматические, функции вышеперечисленных фотокамер и удовлетворить требования взыскательным профессионалов фотодела. Некоторые производители производят и оригинальные профессиональные фотокамеры на базе собственных корпусов фотокамер и дизайнерских решений. Бытовые цифровые фотокамеры максимально автоматизированы и адаптированы к рядовому пользователю. Фактически надо только нажать кнопку и готово. Большинство камер этого класса "Focus Free" (свободная Фокусировка). 
Полупрофессиональные цифровые фотокамеры тоже максимально автоматизированы, но они в обязательном порядке имеет ручные режимы настройки. Для этого класса цифровых фотокамер обязательно наличие таких функций как: пошаговый многоступенчатый Auto Focus (автоматический фокус) с возможностью выбора режима съемки: макро-, телефото или панорама, а так же преобразовательные линзы; ручные режимы выбора экспозиции, ручной баланс белого цвета, расширенный диапазон скоростей электронной диафрагмы (от 16 секунд до 1/10000 секунды) с ручной настойкой и так далее. 
2.5. Интерфейс и носитель информации. 
Из-за большого размера получаемых изображений от 3,5МВ до 15МВ, профессиональные камеры оснащены SCSI интерфейсом или интерфейсом IEEE 1394. Полупрофессиональные и бытовые цифровые фотокамеры дают кадры существенно меньшего размера, и как правило оснащены RS232 (RS422) интерфейсом на последовательный порт ПК и телевидео выходом стандарта PAL/NTSC, некоторые из них дополнительно оснащены USB интерфейсом и инфракрасным портом IrDA 1.0 Носителем информации для профессиональных камер являются PCMCIA карты 2-го, 3-го типа большой емкости, а так же микродрайвы. Полупрофессиональные и бытовые цифровые фотокамеры в качестве носителя информации используют АТА карты 1-го типа стандарта Compact Flash или интеллектуальные карты SmartMedia, а так же всем известные 3,5' Floppy диски (Sony). 
3. Технические характеристики. 
3.1 Структурная схема . 
Ни одна из самых совершенных систем анализа изображений не заменит квалифицированного исследователя. Это связано с тем, что современная наука не может создать аппаратуру, характеристики которой приближались бы к характеристикам человеческого глаза и которая могла бы заменить человеческий мозг. Вместе с тем системы анализа и обработки изображений, бурно развивающиеся в последние десятилетия, позволяют при участии квалифицированного исследователя на порядки увеличить производительность труда и оперативно получать результаты высокого качества. 
Любая современная система анализа изображений включает в себя три сопряженных между собой блока. Во-первых, это оптическое устройство, формирующее изображение, такое как стереомикроскоп или микроскоп. Второй блок - блок передачи и хранения информации, включающий в себя видеокамеру, цифровую фотокамеру или сканер, подключенные к компьютеру. Тип решаемых задач, особенности обработки и форма представления результатов определяет третий компонент системы - ЭВМ и установленное на ней программное обеспечение. При этом блоки должны быть согласованны между собой так, чтобы изображение, сформированное микроскопом или другим прибором, в процессе его передачи на компьютер и последующей обработки испытывало минимальные искажения.  
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.1 - Структурная схема системы автоматического анализа изображений. 

 
Видеокамера, фотокамера, видеобластер и сканер (в системе может использоваться либо подсистема "фотокамера-сканер" либо подсистема "видеокамера-видеобластер") являются важными составляющими частями системы и предназначены сохранить и передать полученное от микроскопа изображение с минимальными искажениями в ЭВМ. Естественно чем выше разрешение и чувствительность камеры, а также разрешение видеобластера или сканера, тем более полно изображение, которое они формируют, соответствует оригиналу.  
Необходимая разрешающая способность видеокамеры определяется размерами исследуемых объектов изображения. При минимальном линейном размере элемента анализируемого изображения l (мм) разрешение видеокамеры должно быть не менее 1*5/l*e (пикселей на мм) при условии, что для однозначного распознавания объекта изображения на него должно приходиться не менее пяти пикселей разрешения видеокамеры. 
Компьютер и установленное на нем программное обеспечение должны обеспечивать передачу и обработку оцифрованного изображения в реальном масштабе времени с минимальными искажениями. 
Разрешающая способность и другие характеристики монитора, вплоть до размера экрана, соответствуют устанавливаемой видеокамере и задачам для решения которых используется система. 
Принцип работы системы состоит в следующем: изображение снимается с объекта, так как отражение и поглощение света для различных фаз, вследствие наличия особенностей в химическом составе, различное, то в результате получается полутоновое изображение; полученное изображение передается видеокамерой в персональный компьютер, который под управлением специально разработанного программного обеспечения осуществляет автоматический или полуавтоматический анализ полученного изображения. 
 
Предварительный анализ изображений позволяет сделать вывод о том, что: 
* Во-первых, большинство изображений, в процессе их формирования (фотографирования сканирования и т.д.), подвергаются влиянию ряда негативных факторов (вибрация фотокамеры, неравномерность движения сканирующего элемента и т.д.), приводящих к смазанности, появлению малоконтрастных и зашумленных участков и т.д. 
* во-вторых, подавляющее большинство методов основано на выделении объектов на изображении и дальнейшем их анализе.  
4. Принципы действия цифровых фотокамер. 
В цифровой, в отличие от оптической, фототехнике роль светочувствительного элемента выполняют CCD-матрицы или CCD-линейки, преобразующие изображение в последовательность электрических импульсов цифрового кода. 
Механической основой для цифровых камер с CCD-матрицей служат полупрофессиональные и профессиональные фотоаппараты ведущих мировых производителей, в которых CCD-матрица ставится на место светочувствительной пленки. Такие фотоаппараты имеют сменную оптику, съемное запоминающее устройство, встроенную вспышку. Затвор таких камер отрабатывает выдержки от 1/40000 до нескольких секунд. Они применяются в основном для оперативной фотосъемки. 
Принцип действия цифровой фотокамеры с CCD-линейкой аналогичен планшетному сканеру. Принимающий элемент (CCD-линейка) движется вдоль чувствительной зоны камеры, постоянно сканируя заданное пространство. Таким образом, принцип действия цифровой фотокамеры состоит в следующем: пучок лучей света от объекта съемки, проходя через линзу (или систему линз) объектива и диафрагму, попадает на матрицу CCD (Charged Coupled Device). Матрица CCD или, как ее еще называют, ПЗС (преобразователь свет-сигнал) представляет собой прямоугольную матрицу из светочувствительных элементов. Луч света, попадая на чувствительный элемент, преобразуется в аналоговый электрический сигнал. Аналоговые сигналы от CCD преобразуются в цифровые, обрабатываются и записывается в память. Преобразование сигналов в цифровую форму производится с помощью аналого-цифрового преобразователя ADC. 
Кроме CCD, ADC и памяти в электрическую схему цифровой фотокамеры входят процессор DSP, который формирует изображение из цифровых потоков, и конвертор JPEG, сжимающий изображения для увеличения количества хранимых кадров. 
Несколько слов об общих чертах современного цифрового фотоаппарата. 
Широкий выбор уровней разрешения регистрируемых кадров от максимального в 1712 x 1368 до стандартного 1280 x 1024 и низкого 320 x 240, в основном ориентированного на задачи Internet. Использование для хранения изображений сменных карт флэш-памяти значительной емкости (не менее 8 MB). Здесь основными стандартами являются Smart Media, Compact-Flash, Memory Stick. В настоящее время предлагаются Smart Media карты емкостью от 2 до 32 MB. Однако в последнее время наметилась тенденция усиления позиций стандарта Compact-Flash. IBM удивила мир микродиском емкостью 340 MB. Столь высокая емкость позволяет записывать сотни кадров с максимальным разрешением (размер не компрессированного кадра 1600 x 1200 составляет около 4 MB). 
Сменные карты не исключают наличия встроенной памяти. Она используется как буфер для ускорения процессов внутренней обработки кадров и записи последовательных кадров. 
Стандартный набор функций автоматической установки параметров съемки: фокуса, выдержки, экспозиции, диафрагмы, расстояния фокусировки, ручной коррекции экспозиции. Почти обязательной чертой оптического видоискателя является возможность диоптрийной коррекции. Встроенная вспышка (до 5-6 различных режимов) дальностью действия не менее 3 м. Все чаще цифровые камеры оснащаются дополнительным цифровым USB выходом. Скорость передачи данных при этом возрастает в десятки раз, процесс перекачки больших кадров занимает всего несколько секунд. 
В большинстве камер имеется дополнительный выход для просмотра изображения на TV. 
Возможность съемки последовательных кадров через заранее заданные интервалы времени от 10-30 секунд до 3 часов. Автоматический выбор лучшего кадра из последовательно снятой серии одного объекта. Реализация панорамных съемок, когда несколько кадров объединяются в одно широкоугольное изображение. 
 
Заключение: 
В заключение хочется сказать, что прежде чем совершить покупку следует четко определить для себя цели и задачи, которые вы собираетесь решать с помощью этого оборудования, так как его цена на порядок превышает цену оптической техники.