Подробная информация о ПЗС-матрицах цифровых видеокамер.

Подробная информация о ПЗС-матрицах цифровых видеокамер.

От количества и размера ПЗС-матриц во многом зависит качество изображений, которое может быть получено камерой. Особенности ПЗС-технологии, ее возможности и недостатки рассматривает автор статьи.

Для тех, кто серьезно занимается цифровым видео (DV), модели видеокамер с тремя ПЗС являются действующим стандартом. Процесс разделения цветов в видеокамерах с одним кристаллом не позволяет получать изображение профессионального качества, так как сенсоры красного, зеленого и синего цветов в них расположены на одном пикселе увеличенного размера, размещенного на поверхности датчика. Но зато они существенно дешевле, чем аналогичные по функциональным возможностям модели с тремя кристаллами.

В моделях с тремя ПЗС, с помощью призмы, расположенной позади объектива, красная, зеленая и синяя составляющие изображения направляются на соответствующие мишени матрицы. В результате формируются обособленные каналы RGB, которыми можно манипулировать с величайшей точностью.

ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать видеокамера. ПЗС-матрицы, применяемые в видеокамерах стандарта DV, обеспечивают меньшее разрешение, чем 35-миллиметровые кинокамеры, а вот плотность размещения пикселей в некоторых профессиональных моделей фотоаппаратов (с ПЗС на 9 магапикселей и выше) уже приближается к пленочному стандарту.

Расположение пикселей

Всем ПЗС-матрицам свойственно наличие наведенных помех, так как индивидуальные пиксели размещаются по поверхности не непрерывно, а с промежутками, которые не позволяют камере захватывать непрерывное изображение с хорошим разрешением.

Дискретный рисунок решетки не позволяет достичь разрешения, характерного для кинофильмов, но если пиксели укладывать ровными аккуратными рядами, то существенно снизится способность матриц к записи мелких деталей и возникнут другие побочные эффекты, в том числе эффект ступенчатости тонких вертикальных линий.

Для подавления помех такого рода была использована технология, которую назвали "пространственное смещение". Суть ее заключается в том, что ПЗС-матрицы для красного, зеленого и синего цветов не должны быть идеально выровненными: ПЗС-матрица для зеленого цвета смещается приблизительно на полпикселя по отношению к матрицам для красного и зеленого цветов. Для операторов со стажем, которые еще помнят филигранно изготовленные камеры с электронно-лучевыми трубками, идея повышения разрешения за счет осознанного сдвига ПЗС-матрицы с плоскости регистра, кажется нелогичной. Но при таком способе организации, на самом деле, достигается максимальная эффективность в подавлении помех.

Но и у этой маленькой хитрости под названием "пространственное смещение", есть свои отрицательные стороны. Так, при съемках видеокамерой формата DV изображений, насыщенных мелкими деталями, например обширных пространств, покрытых сочной травой, для существенной части изображения не произойдет сдвига в канале зеленого цвета, что приведет к появлению ярко выраженного эффекта ступенчатости и другим помехам.

В некоторых цифровых видеокамерах (например, в JVC GY-DV300), подобные недостатки зеленого канала подавляются за счет оптического низкочастотного фильтра, расположенного между объективом и призмой. Незначительный блюр, который образуется благодаря фильтру, помогает подавлять большинство нежелательных дефектов.

Закон Найквиста

Меломанам, знакомым с принципами цифровой записи звука, хорошо известен закон Найквиста. Он гласит, что аналоговые волновые формы можно безошибочно восстанавливать по выборке при преобразовании в два раза превышающей частоту аналогового сигнала. Но специалисты, разрабатывающие цифровые видеокамеры, находятся под сильным гнетом экономии битов и байтов. Поэтому среди инженеров, работающих на Sony, Panasonic или JVC, вряд ли найдутся приверженцы удвоения частоты выборки, которая приведет к увеличению размера файла. Главное преимущество технологии пространственного смещения заключается в том, что она позволяет увеличить разрешение без обращения к более высокой частоте выборки.

Для многих цифровых видеокамер характерно появление заметного красного оттенка в затемненных участках. Это связано с неравномерностью сжатия по красному, зеленому и синему каналам на слабо освещенных участках. Этот эффект особенно заметен при передаче телесных оттенков кожи, в которых преобладают красные тона.

Гамма-коррекция

В идеале на экране яркость и цвета должные отражаться один к одному, но как всегда экономические реалии вносят свои ограничения. Самые распространенные и дешевые бытовые телевизоры, построенные на основе недорогих люминофоров, не способны достоверно отражать на экранах изображение во всем цветовом спектре.

Кривая, которая описывает цветовые характеристики обычного монитора NTSC и степень его контрастности, является функцией от мощности и имеет логарифмическую зависимость: для инициализации первоначальных характеристик пикселя требуется напряжение с высоким пороговым значением. Это напоминает управление Понтиаком 1980 года выпуска: слегка поворачиваешь руль - автомобиль не реагирует, поворачиваешь его еще чуть-чуть - он опять не реагирует, но стоит повернуть руль еще немного, и автомашина слетит с дороги. То же происходит и при розжиге пикселя. Для преодоления его инерции следует приложить небольшое напряжение, а когда пиксель разжегся, он будет реагировать равномерно и эффективно. Характеристики яркости и контрастности бытовых телевизоров, которые далеки от идеальных, значительно осложняют передачу деталей в затененных областях, так как компрессия этих областей и в видеокамерах связана с определенными проблемами.

Точность цветопередачи телевизионных приемников приносится в жертву коммерческим интересам - продать как можно больше телевизоров по минимальным ценам. Производители считают, что потребители не захотят платить лишние тысячи долларов за системы с более точной системой воспроизведения.

Поэтому эту проблему придется решать разработчикам видеокамер и самым находчивым операторам. ПЗС-матрицы, смонтированные внутри видеокамер, способны к прямолинейному отклику, но в сегодняшнем мире это их свойство еще не востребовано. Если обычные телевизионные приемники стандарта NTSC имеют искаженную цветопередачу, то видеокамера должна идеально ее компенсировать. Этот процесс называется "гамма-коррекцией", но эта функция успешно реализована не во всех цифровых видеокамерах. В качестве примеров камер с очень хорошей гамма-коррекцией могут служить модели Sony DSR-PD150 и JVC GY-DV300. Гамма-коррекция применяется в отношении каналов цветности, чем отличается от описанной выше функции смещения черного, которая реализуется на канале яркости.

При существующем изобилии различных моделей бытовых телевизоров оператор не в состоянии контролировать точное воспроизведение изображения. Тем не менее, каждый оператор, стремящийся снимать высокопрофессиональные фильмы в формате DV, должен понимать, как работает функция гамма-коррекции. За счет нее черные цвета должны быть достаточно широко растянуты, чтобы компенсировать как компрессию в видеокамере, так и недостаток контрастности на экране телевизора. Телевизоры без ЭЛТ, особенно с плоскими экранами, должны искусственным образом быть скорректированы для того, чтобы изображение выглядело максимально похожим на то, что дают телевизоры с ЭЛТ. В будущем, в связи с неизбежным отмиранием экранов с электронно-лучевой трубкой необходимость проводить в камере гамма-коррекцию отпадет.

Для видеокамер с недостаточной гамма-коррекцией характерны излишняя затемненность, повышенная общая контрастность и изменение цветового фона. Такие искажения особенно заметны при передаче телесных тонов (например, цвет кожи людей приобретает красноватый оттенок), так как в темных областях изображения зеленый цвет сжимается существенно сильнее, чем красный.

Большая часть изображения, в котором присутствует много мелких деталей в зеленых тонах, остается несбалансированной, что увеличивает вероятность появления в таких изображениях эффекта чересстрочности (сглаживания).

Частотные характеристики

Разработчики цифровых процессоров сигналов для видеокамеры могут очень точно настраивать их частотные характеристики (отк- лики), усилить высокие или низкие частоты, и даже смешивать их. В результате коррекции на высоких частотах пики видеосигнала могут проявляться в виде тонких линий вокруг объекта съемки и приводить к тому, что DV-изображение станет раздражающе жестким.

Избыточная регулировка на низких частотах может проявиться в виде толстого черного контура вокруг предметов. Бездумное применение корректировки по высоким частотам и по низким не прибавят славы оператору, поэтому меню установок гамма-коррекции и/или корректировок деталей следует изучать очень внимательно.

Различные модели камер значительно отличаются по характеристикам на низких частотах. В видеокамере Canon XL1S сильная зарегулированность низких частот приведет к тому, что изображение будет выглядеть жестким. А для моделей производства Sony или JVC присущ подъем на низких частотах, что позволяет не прибегать к существенным регулировкам.

Частотные отклики камеры JVC GY-DV300 до 200 МГц соответствуют таковым модели Sony PD150, а модель производства JVC, благодаря встроенному 12-битному процессору, имеет преимущество в диапазоне 200-540 МГц, который характерен для формата DV.

Конечно, оператора больше интересует то, что происходит в той полосе частот, которая может быть практически записана на пленку, т. е. ниже 540 МГц. В этом отношении модели видеокамер с 12-битным процессором обеспечивают лучшее (почти на 70%) разрешение, чем с 8-битным

Сжатие в области белого

Функция сжатия сигнала в области белого отвечает за сохранение максимального количества ярко освещенных деталей, так как без серьезного сжатия данные с яркостью выше 100% могут быть полностью потеряны.

В отдельных RGB-каналах процесс сжатия различных цветов проходит неравномерно - так, например, для некоторых моделях Sony характерно наиболее заметное сжатие красного канала. А модель PD150 превращает ярко-оранжевый цвет в нечто, напоминающее лимонный, так как красный канал подвергается более глубокой компрессии, чем каналы зеленого и синего. Искажение цветопередачи, обусловленное сжатием сигнала в области белого - одна из очень веских причин, из-за которой не рекомендуется применять цифровые видеокамеры для съемок сцен с насыщенными красками при ослепительном полуденном Солнце.

Матрица

Цветовая модуляция матрицы большинства дешевых бытовых камер устанавливается специалистами на заводе с учетом особенностей восприятия цветов человеком, а в видеокамерах среднего и верхнего сегмента рынка, оператор может выбирать настройки для цветовой модуляции матрицы.

Так, в модели Panasonic AG-DVX100 предлагается три цветовых настройки: "Нормальная" (Normal) - для съемок вне помещений или с лампами накаливания; "Флуоресцентная" (Fluorescent) - для съемок в помещениях, освещаемых флуоресцентными лампами; "Как в кино" (Cine-Like) - для воспроизведения цветов, присущих кинопленки. Даже в относительно недорогой модели GY-DV300 производства JVC оператору предлагается возможность выбрать цветовую модуляцию матрицы. Цветовые настойки матриц разных производителей несколько отличаются, поэтому при выборе видеокамеры вам все же придется полагаться на собственное восприятие цветов.

Подробная информация о ПЗС-матрицах цифровых видеокамер.

От количества и размера ПЗС-матриц во многом зависит качество изображений, которое может быть получено камерой. Особенности ПЗС-технологии, ее возможности и недостатки рассматривает автор статьи.

Для тех, кто серьезно занимается цифровым видео (DV), модели видеокамер с тремя ПЗС являются действующим стандартом. Процесс разделения цветов в видеокамерах с одним кристаллом не позволяет получать изображение профессионального качества, так как сенсоры красного, зеленого и синего цветов в них расположены на одном пикселе увеличенного размера, размещенного на поверхности датчика. Но зато они существенно дешевле, чем аналогичные по функциональным возможностям модели с тремя кристаллами.

В моделях с тремя ПЗС, с помощью призмы, расположенной позади объектива, красная, зеленая и синяя составляющие изображения направляются на соответствующие мишени матрицы. В результате формируются обособленные каналы RGB, которыми можно манипулировать с величайшей точностью.

ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать видеокамера. ПЗС-матрицы, применяемые в видеокамерах стандарта DV, обеспечивают меньшее разрешение, чем 35-миллиметровые кинокамеры, а вот плотность размещения пикселей в некоторых профессиональных моделей фотоаппаратов (с ПЗС на 9 магапикселей и выше) уже приближается к пленочному стандарту.

Расположение пикселей

Всем ПЗС-матрицам свойственно наличие наведенных помех, так как индивидуальные пиксели размещаются по поверхности не непрерывно, а с промежутками, которые не позволяют камере захватывать непрерывное изображение с хорошим разрешением.

Дискретный рисунок решетки не позволяет достичь разрешения, характерного для кинофильмов, но если пиксели укладывать ровными аккуратными рядами, то существенно снизится способность матриц к записи мелких деталей и возникнут другие побочные эффекты, в том числе эффект ступенчатости тонких вертикальных линий.

Для подавления помех такого рода была использована технология, которую назвали "пространственное смещение". Суть ее заключается в том, что ПЗС-матрицы для красного, зеленого и синего цветов не должны быть идеально выровненными: ПЗС-матрица для зеленого цвета смещается приблизительно на полпикселя по отношению к матрицам для красного и зеленого цветов. Для операторов со стажем, которые еще помнят филигранно изготовленные камеры с электронно-лучевыми трубками, идея повышения разрешения за счет осознанного сдвига ПЗС-матрицы с плоскости регистра, кажется нелогичной. Но при таком способе организации, на самом деле, достигается максимальная эффективность в подавлении помех.

Но и у этой маленькой хитрости под названием "пространственное смещение", есть свои отрицательные стороны. Так, при съемках видеокамерой формата DV изображений, насыщенных мелкими деталями, например обширных пространств, покрытых сочной травой, для существенной части изображения не произойдет сдвига в канале зеленого цвета, что приведет к появлению ярко выраженного эффекта ступенчатости и другим помехам.

В некоторых цифровых видеокамерах (например, в JVC GY-DV300), подобные недостатки зеленого канала подавляются за счет оптического низкочастотного фильтра, расположенного между объективом и призмой. Незначительный блюр, который образуется благодаря фильтру, помогает подавлять большинство нежелательных дефектов.

Закон Найквиста

Меломанам, знакомым с принципами цифровой записи звука, хорошо известен закон Найквиста. Он гласит, что аналоговые волновые формы можно безошибочно восстанавливать по выборке при преобразовании в два раза превышающей частоту аналогового сигнала. Но специалисты, разрабатывающие цифровые видеокамеры, находятся под сильным гнетом экономии битов и байтов. Поэтому среди инженеров, работающих на Sony, Panasonic или JVC, вряд ли найдутся приверженцы удвоения частоты выборки, которая приведет к увеличению размера файла. Главное преимущество технологии пространственного смещения заключается в том, что она позволяет увеличить разрешение без обращения к более высокой частоте выборки.

Для многих цифровых видеокамер характерно появление заметного красного оттенка в затемненных участках. Это связано с неравномерностью сжатия по красному, зеленому и синему каналам на слабо освещенных участках. Этот эффект особенно заметен при передаче телесных оттенков кожи, в которых преобладают красные тона.