Дипломная (вкр): Применение цифровых фотокамер для осуществления регулярной видеосъемки в образовательных учреждениях

Рисунок 2. Первая полноматричная фотокамера с функцией видеосъемки 5D mark II (сентябрь 2008 года)

Возможность вручную выставить параметры экспозиции дало огромные возможности в самовыражении. Благодаря отличному качеству получаемой видеозаписи, этот фотоаппарат стал первым, который начали применять для съемки малобюджетных кинофильмов и телесериалов. Из-за большого размера матрицы, значительно превосходящей по размерам матрицу формата «Супер-35», применяемую в большинстве цифровых кинокамер, Canon EOS 5D Mark II стал их малобюджетной альтернативой. Качественные фотообъективы обеспечивают характер изображения, аналогичный профессиональным киносъемочным объективам и недостижимый в видеокамерах с маленькой матрицей.

Таким образом, несмотря на то, что Canon не была первой компанией, которая включила функции съемки в режиме видео в зеркальные фотоаппараты, но именно ее новая линейка зеркальных цифровых фотоаппаратов, стала реальным конкурентом цифровым кинокамерам. И если модель 5D Mark II, как первенец, лишь взорвала рынок, то следующая модель 7D стремительно погнала волну во все сферы малобюджетного кино.

Несмотря на то, что матрица у 7D несколько меньше, все же, грубо, этот размер приближается к кинокадру 35 мм и соизмерим с размером матрицы камеры RED. Но наиболее важно, что в этой модели фотоаппарата появилась возможность снимать видео с частотой 24 кадра в секунду, так как в классическом кинематографе. И эта возможность для камеры ценой $1600 сделала ее экстремально популярной.

На сегодняшний день рынок видео-DSLR стремительно развивается, миллионы любителей и профессионалов снимают видео с помощью «зеркалок», получая за небольшие деньги дорогую и качественную картинку.

.2 Различия между видео- и фотокамерами

.2.1 Видеокамера и ее устройство

Видеокамера - это комбинация телевизионной передающей камеры и устройства для видеозаписи. Впоследствии, слово «видеокамера» практически вытеснило слова «телевизионная камера» и «телекамера» (ТВ-камера), заменив их. Впервые слово «видеокамера» стало использоваться применительно к миниатюрным ручным телекамерам, предназначенным для записи домашнего видео на бытовой видеомагнитофон. После появления комбинации передающей ТВ-камеры и видеомагнитофона - камкордеров (англ. camcorder), предназначенных для тележурналистики, слово «видеокамера» вошло и в профессиональный обиход [100]. Таким образом, говоря более простым языком, видеокамера - это устройство записи подвижного изображения и звука в «телевизионном» формате, т.е. в виде, пригодном для последующего просмотра на телевизоре.

В настоящее время на рынке представлено более трех сотен моделей любительских и полупрофессиональных видеокамер, и около сотни профессиональных моделей. Несмотря на такое разнообразие, функционально устройство всех видеокамер очень похоже и представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная схема цифровой видеокамеры

Разберем каждый блок в отдельности, и рассмотрим его влияние на качество получаемого материала.

Объектив - создает изображение на светочувствительной матрице и должен обеспечить попадание как можно большего количества света на нее с тем, чтобы получить достаточную яркость изображения в условиях плохой освещенности. Для съемки в условиях хорошей и избыточной освещенности в объективах имеется диафрагма для ограничения светового потока. Одна из основных характеристик объектива так и называется - "светосила", это есть отношение яркостей объекта и изображения объекта, полученного с помощью объектива. Светосила объектива прямо пропорциональна т.н. "относительному отверстию" объектива, которое представляет собой отношение D/f, где D-диаметр входной линзы или другого "узкого места" для светового пучка, проходящего через объектив, а f-фокусное расстояние объектива.

Это выражение обычно приводится к виду, когда числитель дроби приведен к 1, например, 1:1,8. Так обычно пишут на объективе наряду с диапазоном изменения зума. Чем меньше знаменатель дроби, тем более светосилен объектив.

Другие важные характеристики объектива - это «зум» («увеличение») и «разрешающая способность» («разрешение»). Зум, или кратность увеличения, обозначают либо двумя цифрами, например, 0,5-8х, либо одной, являющейся делением второй цифры на первую, то есть, в этом примере, 16х. Как относительное отверстие, так и зум обратно пропорциональны разрешающей способности объектива, то есть его способности раздельно отображать мелкие объекты на матрице. С ростом относительного отверстия и зума растут размеры и стоимость объектива, а также искажения (аберрации), вносимые объективом.

Вследствие того, что стандартом видеоизображения предусмотрена меньшая цветовая четкость, нежели четкость по яркости, допустимые по цене и габаритам величины относительного отверстия и зума для видеообъективов шире, чем для фотообъективов и достигают приблизительно 1:1,8 и 12х соответственно. Фотографирование через эти объективы делает заметными аберрации, из-за того, что в фоторежиме разрешение по трем составляющим RGB (Red-Green-Blue) одинаковое. Из-за этого сравнивать фотографии, сделанные с помощью видеокамеры и с помощью фотоаппарата некорректно, к тому же еще не слишком дорогие фотоаппараты оснащаются объективами с меньшим относительным отверстием и меньшим зумом (обычно около 3х) и большей по размерам матрицей, что позволяет получить более качественное изображение. Правда, компания Samsung, например, решила эту задачу "в лоб" и выпустила линейку видеокамер "DuoCam" с раздельными объективами и матрицами для видео и фото, напоминающими старинные кинокамеры с объективами на турели.

Разрешение собственно объективов видеокамер обычно нигде не приводят, в том числе потому, что разрешение полученного изображения зависит от разрешения светочувствительной матрицы, а также от способа сохранения полученного изображения, о чем будет сказано далее.

В профессиональных моделях видеокамер, между объективом и матрицей установлено несколько (от 2 до 5) фильтров нейтральной плотности (ND), которые не влияют на спетральный состав проходящего через них света, ослабляя лишь мощность светового потока. Это позволяет в условиях с ярким освещением не закрывать диафрагму и не уменьшать выдержку (при сильном закрытии диафрагмы падает разрешающая способность объектива, и исчезает возможность использовать глубину резкости для расстановки «акцентов» в изображении, а очень короткие выдержки приводя к так называемому «стробу» - лишает изображение плавности).

Световой пучок, проходя через оптический стабилизатор (O.I.S.) изображения, фокусируется на светочувствительной матрице (иногда их три по числу основных цветов, что обеспечивает лучшую цветопередачу, хотя и удорожает камеру). Вообще, внутри самой камеры применяются два типа устройств, позволяющих конструктивными методами уменьшить влияние дрожания камеры при съемке. Лучший из них - это уже упомянутый выше оптический стабилизатор изображения, который обычно состоит из гиростабилизированных оптических элементов, позволяющих при колебаниях камеры в пространстве сохранять на светочувствительной матрице неподвижную картинку. Недостаток такого стабилизатора всего один - высокая стоимость изготовления, поскольку оптический стабилизатор - это высокоточное оптико-механическое устройство. Поэтому он используется только в профессиональных видеокамерах и любительских камерах высшей ценовой категории. В более дешевых камкордерах используется электронный стабилизатор изображения (E.I.S.), который включается в блок обработки сигналов.

Для того чтобы обеспечить работу электронного стабилизатора изображения, приходится ставить светочувствительную матрицу с увеличенным количеством элементов. Вследствие тряски изображение на матрице перемещается относительно ее центра, однако цифровой сигнальный процессор по характерным точкам изображения, определенным в результате предыдущего сканирования матрицы, определяет, в какую сторону сместилось изображение, и пытается сохранить изображения на прежнем месте. Отсюда следуют недостатки электронной стабилизации изображения:

Повышается число пикселей в матрице на величину, большую, нежели необходимо для формирования видеоизображения (например, 720х576=414720 для PAL), что ведет к уменьшению размера самого пикселя матрицы и, следовательно, его светочувствительности, пропорциональной количеству фотонов света, попадающих на пиксель.

На анализ и компенсацию сдвига требуется время, вследствие чего снижается время экспозиции матрицы (выдержка), что снижает яркость полученного изображения.

Поскольку направление движения камеры, как правило, беспорядочное, его компенсация является не такой простой задачей, приводящей к потере разрешения картинки (до 40% против 10% у оптического стабилизатора). В случае же упорядоченного движения камеры (панорамирования) возможен эффект "залипания" изображения, когда камера движется равномерно, а картинка - рывками.

Основные характеристики светочувствительной матрицы - это ее размер (обычно его измеряют в дюймах - например, 1/4", и количество элементов (пикселей) в ней.

Как было сказано - чем больше размер пикселя матрицы, тем выше его светочувствительность и, следовательно, при фиксированном количестве элементов матрицы, чем больше размер матрицы, тем лучше. Однако с ростом размера матрицы растут размеры и стоимость объектива, и, соответственно, размеры самой камеры. Следует отметить, что производители часто "стесняются" рекламировать размер матрицы, в отличие от количества "мегапикселей" в ней. Все мегапиксели, конечно, используются в фоторежиме, их часть - для работы электронного стабилизатора. Некоторое (примерно до 0.7 Мп) увеличение числа элементов матрицы, участвующей в формировании видеоизображения, сверх необходимых 0,414Мп, положительно сказывается на четкости видеоизображения, но чрезмерное увеличение "мегапикселей" приводит к снижению светочувствительности видеокамеры. Снижение размеров матрицы до 1/6 дюйма вызывает значительный рост шумов на изображении при съемке в условиях недостаточной освещенности, что в любительских условиях весьма частое явление.

Как показано на рис. 3, сигнал с матрицы поступает на блок обработки сигналов, который в современной любительской видеокамере, как правило, включает в себя функцию цифрового увеличения изображения, которая является практически чисто маркетинговым трюком и очень редко востребованной функцией в реальной видеосъёмке.

Кроме приема сигналов с матрицы (матриц) блок обработки сигналов принимает сигналы с микрофона и иногда также с входных разъемов видео и звука для записи на носитель для видео, если это предусмотрено конструкцией камеры. Входные и выходные разъемы сейчас зачастую конструктивно объединены и переключение запись/воспроизведение (если оно есть) располагается в меню камеры.

Во всех видеокамерах блок обработки сигналов позволяет также обрабатывать видеосигнал с целью получения различных видеоэффектов при съемке - вход и выход в затемнение, сепия, черно-белое изображение и проч.

Выходные сигналы блока обработки:

Видеосигнал для просмотра на телевизоре или для перезаписи на другой носитель.

Видео для видоискателя и/или жидкокристаллического монитора. Большинство видеокамер имеет как видоискатель, так и жидкокристаллический монитор, однако некоторые производители в погоне за экономией и миниатюризацией оставляют на камере только ЖК монитор, что не есть хорошо - при ярком солнечном освещении на маленьком экранчике видимость оставляет желать лучшего.

Аудиосигнал воспроизведения, используемый также для перезаписи и наушников. Иногда на камере находится и миниатюрный громкоговоритель для предварительного просмотра и прослушивания отснятого материала без наушников.

Сигнал для записи на носитель фотоизображений (иногда фото записывается на тот же носитель, что и видео).

Сигнал для записи видео, соответствующий способу хранения видео в устройстве для хранения видео.

На сегодняшний день флеш-память практически вытеснила все остальные цифровые устройства хранения информации, оставив разве что, небольшую долю HDD и кассетному формату DV, до сих пор имеющего большую популярность на телеканалах.

.2.2 Фотокамера, устройство и основные отличия от видеокамеры

Фотоаппарат (фотографический аппарат, фотокамера) - устройство для получения и фиксации неподвижных изображений материальных объектов при помощи света. Цифровой фотоаппарат - это фотоаппарат, в котором для получения изображения вместо фотоплёнки (фотопластинки) используется массив полупроводниковых светочувствительных элементов на твердотельной подложке, называемый фотоматрицей, на которую изображение фокусируется с помощью системы линз объектива. Полученное изображение, в электронном виде сохраняется в виде файлов в памяти фотоаппарата или дополнительном носителе, вставляемом в фотоаппарат.

Таким образом в отличие от видеокамеры, которая предназначена для записи подвижного изображения и звука, фотокамера предназначена для фиксации неподвижных изображений. Но так ли велика разница между фотоаппаратом и видеокамерой, ведь мы знаем, что современная видеоаппаратура может делать статичные снимки, а фотоаппараты записывать видеоряд. Где же грань между фото- и видеокамерой? Давайте рассмотрим схему устройства цифрового фотоаппарата (рис. 4).

Рисунок 4. Упрощенная схема цифровой фотокамеры

Мы видим практически те же блоки, что и в видеокамере (объектив, видоискатель/ЖК экран, матрица, носитель информации, микропроцессор и т.д.). Давайте попробуем более подробно сравнить две системы, изначально предназначенных для разных задач, для того, чтобы увидеть ту самую грань различия между фото- и видеокамерой (табл. 1). Серым цветом выделены блоки, в которых имеются отличия.

Как мы можем видеть эта самая грань очень тонкая, и фактически принципиальное отличие имеют только конструкция корпуса, наличие видоискателя, встроенные ND-фильтры, и наличие специализированных разъемов ввода вывода. Эти отличия не влияют на саму возможность видеосъемки, ограничивая лишь дополнительный функционал и удобства. Да и то если сравнивать любительский сегмент видеокамер эти отличия практически полностью нивелируются.

Таблица 1. Различия составных блоков фото- и видеокамер