ПЗС-матрицы камер формата DV

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.

Аналоговая и цифровая обработка сигнала

То, что ПЗС-матрицы, которые располагаются внутри цифровых видеокамер, по сути, являются аналоговыми устройствами, сбивает с толку очень многих. В цифровой DV-видеокамере ряд преобразований аналогового сигнала, получаемого с ПЗС-матрицы, происходит до выборки и конвертации в цифровой поток. Так, на этапе сдвига уровня в соответствии с предпочтениями оператора или существующими телевизионными стандартами задается уровень черного. В Соединенных Штатах уровень черного для NTSC обычно устанавливается, равным 7,5 ИРИ, а в Японии, где также используется стандарт NTSC, — 0 ИРИ.

На этапе сдвига усиления средняя чувствительность пикселя может быть увеличена или уменьшена в пределах от −3 дБ до +18 дБ в соответствии с внешними условиями. В видеокамерах, предназначенных для профессионального использования, эта опция устанавливается вручную.

Пытаться представить процесс оцифровки прекрасных аналоговых изображений может только психически нездоровый человек: полный мельчайших оттенков аналоговый мир специалисты описывают в виде нулей и единичек.

Но на эту загадку аналогово-цифрового преобразования можно посмотреть и под другим углом. Встаньте на железнодорожную колею перед приближающимся грузовым составом: рев и грохот будут нарастать в ушах постепенно, по мере приближения локомотива. Это точный аналоговый опыт. Но, когда локомотив Boston & Maine, издавая страшный грохот, несется вперед, ваши глаза захватывают приближающееся чудовище только сериями сэмплов, вспыхивающих в мозгу со скоростью 15 кадров в секунду. Таким образом, «сигнальный процессор» мозга сглаживает движение приближающегося локомотива, а это уже ближе цифровому преобразованию. Поэтому мир, в котором мы живем, является одновременно и аналоговым, и цифровым, также как и используемые нами цифровые видеокамеры.

Изложенная выше аналогия с грузовым составом хорошо подходит для рассмотрения соответствия изображения на входе тому изображению, которое появляется на экране телевизионного монитора. Или, другими словами, идеальная система видеокамера — дисплей должна обеспечивать абсолютно точное совпадение того, что «видит» видеокамера и того, что в конечном итоге выводится на экран телевизора.

Конечно, цифровые видеокамеры еще очень далеки от совершенства, но даже дешевые модели в сочетании и с еще более недорогими телевизорами иногда дают неплохие результаты. Операторам, которые работают, в основном с цифровыми видеокамерами, следует четко понимать ограничения, которые накладываются самым слабым звеном — телевизором стоимостью в 69 долларов. ПЗС-матрица и видоискатель видеокамеры — это аналоговые приборы, поэтому при их работе с устройствами, обеспечивающими аналогово-цифровые и обратные преобразования, могут возникать определенные проблемы.

Процессор для обработки сигнала

Процессор для обработки сигнала (DSP) переводит аналоговый уровень яркости каждого пикселя в дискретную цифровую величину.

При аналогово-цифровой конвертации увеличение количество бит обычно приводит к повышению разрешения и точности выборки. Истоки этого следует искать в природе атома кремния. Кремний представляет собой наиболее распространенный на Земле элемент и является основным составляющим песка. Он имеет очень интересную особенность — относится к группе элементов, называемых «полупроводниками», потому, что в зависимости от наличия или отсутствия одного электрона на внешней орбите атома они могут проводить, а могут и не проводить электрический ток. Если электрон присутствует, то кремний будет проводить электричество, если электрона нет, то этот элемент будет непроводником.

На двух состояниях атома кремния основаны все современные компьютеры и цифровые медиаустройства. Инженеры, используя эти необычные свойства кремния, присваивают атому, на внешней орбите которого присутствует электрон, значение 1, а атому, у которого электрон отсутствует — значение 0. Поэтому компьютеры и цифровые процессоры сигнала видеокамер способны считывать только в двоичной системе (Base 2) и выполняют сложнейшие расчеты в соответствии с относительной проводимостью бесчисленных миллиардов атомов кремния.

Чтобы понять, что такое цифровой процессор сигналов видеокамеры, нужно четко понимать, что атом кремния может существовать только в одном из двух состояний: ноль или единица. Никаких иных оттенков или нюансов быть не может.

Давайте рассмотрим, как работает однобитный цифровой процессор сигналов. Пиксели, аналоговые значения которых составляют от 0% до 50%, он округляет до черного цвета, а пиксели со значениями от 51% до 100% — до белого. Естественно, что такой процессор не в состоянии обеспечить хороших результатов.

Использование второго бита для описания яркости пикселя существенно улучшает точность выборки. В этом случае пиксели могут принимать одно из четырех значений: 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1. Легендарная бытовая видеокамера с 2-битным цифровым процессором сигнала, которая была выпущена в 1989 г., вызвала много шума, так как она обеспечивала значительно лучшее разрешение.

В современных моделях цифровых видеокамер используются 10-, 12- или 14-битные процессоры. Чем больше количество бит, с помощью которых описывается пиксель, тем выше точность выборки. Цифровые процессоры сигналов на одном бите могут описывать пиксель только одной или двумя величинами, а 12-битный цифровой процессор, который используется в некоторых моделях JVC, позволяет получать ошеломляющее количество значений — 4096. Подобная точность выборки еще несколько лет назад казалась недостижимой. Она отражает общую тенденцию к повышению разрядности в битах для процессоров, использующихся в цифровых камерах среднего и высшего уровня.

Цифровые видеокамеры с 10-битным процессором могут описать каждый пиксель выборки с помощью 1024 возможных значений, а 8-битные модели, которыми оснащаются подавляющее большинство цифровых видеокамер, представленных на рынке, должны обходиться только 256 значениями.

Конечно, при оценке работы видеокамеры только на разрядности процессора зацикливаться не следует. Существует и ряд других факторов, имеющих столь же большое значение. Несмотря на кажущуюся логичность, некоторые специалисты оспаривают преимущества, которые дает увеличение разрядности процессора. В качестве аргумента они выдвигают тот факт, что человеческий глаз способен различать вариации, содержащие не более 230-250 пикселей на выборку, поэтому, по их мнению, создание видеокамер с разрешением, существенно превышающим эти значения, нет смысла. Они считают, что вполне достаточно 8-битного процессора, а стремление оснастить цифровые видеокамеры самыми совершенными процессорами — всего лишь хитроумный маркетинговый ход.

Тем не менее, на практике доказано, что 12-битный процессор может существенным образом расширить динамический диапазон видеокамеры. При яркости самой яркой точки в сцене 100%, 12-битный цифровой процессор теоретически способен увеличит ее в четыре раза. Это приводит к увеличению числа распознаваемых деталей в ярко освещенных зонах, что с точки зрения оператора цифровой видеокамеры может толковаться как очень полезная функция. Обратите внимание, что эта выборка производится в аналоговом пространстве до аналогово-цифровой конвертации.

ПЗС-матрица цифровой видеокамеры захватывает значительно больше информации, чем в конечном итоге записывается на пленку. Видеокамеры с 10-, 12- и 14-битными цифровыми процессорами сигнала сжимают ярко освещенные детали, чтобы уложиться в полосу частот, соответствующую формату DV. В затемненных участках, красный, зеленый и синий цвета сжимаются не равномерно, что может привести к некоторым весьма значительным цветовым сдвигам. Апельсины на этом изображении выглядят как лимоны, в результате более высокого коэффициента сжатия красного на ярко освещенных участках.

Смещение черного в ярких участках изображения

Видеокамеры с 8-битным процессором, такие как Sony DSR-PD150 или Canon XL1S, обеспечивают вполне приемлемое качество изображения за счет применения специальных функций. Некоторые 8-битные камеры Sony имеют динамический диапазон, сопоставимый с 12-битными моделями JVC, несмотря на те ограничения, которые теоретически накладываются цифровым процессором сигнала, встроенным в видеокамеру.

Увеличение разрядности процессора может способствовать сохранению ярко освещенных деталей, но детали, расположенные в затемненных участках — это совершенно иное дело. В современных моделях цифровых видеокамер, таких как Sony DSR-570, предусматривается специальная функция смещения черного (Black Stretch), с помощью которой можно переназначить приоритеты сжатия и переместить акцент с наиболее ярких и средне освещенных участков изображения на затемненные зоны. В результате такого смещения данные в затененных участках изображения лучше сохраняются в процессе выборки. Но растянуть черные участки одной части изображения можно только за счет несколько большей степени их сжатия в другой. Иного способа не существует, и поэтому опытный оператор порой напоминает хирурга, выполняющего пластическую операцию.

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).

Функция смягчения мелких деталей

Аналоговому миру не присущи резкие границы, все предметы в нем имеют плавные тени. Такие непрерывные плавные переходы смогли бы отра- зить только бесконечно малые пиксели, поэтому для их воспро- изведения разработчикам видео- камер пришлось придумывать специальные функции. Для смягчения резких границ был внедрен механизм коррекции за счет обрезания пиков синусоидальной волны, но в резуль- тате такого обрезания изображение становится слишком жестким. Предусмотренная в некоторых моделях функция смягчения деталей, добавляет небольшую размытость (блюр) по границе перехода, которая повышает избыточность пикселей в важных зонах, что позволяет цифровому алгоритму сжатия работать более эффективно.

Но при этом происходит некоторая потеря разрешения, поэтому режим смяг- чения деталей следует приме- нять очень осторожно и ограниченно, только для предотвращения появления черного канта вокруг предметов. Подобная функция (Unsharp Mask) есть в программе Photoshop, она предназначена для работы с циф- ровыми фотографиями.

Еще совсем недавно функция смягчения деталей предлагалась только в дорогих профессиональных студийных камерах, но сегодня она появилась и в цифровых видео- камерах, которые стоят менее 4000 долларов.

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.

Особенности цветовосприятия человека

Разработчики видеокамер все-таки очень умные люди. Иногда перед ними ставятся такие проблемы, для решения которых приходиться обманывать зрение человека, которому кажется, что он видит тысячи цветов, а на самом деле их всего только три. Специалисты добиваются этого эффекта за счет смешения в определенных пропорциях трех основных цвета видео — красного, зеленого и синего. На техническом сленге это называется «трехцветной системой», суть которой сводится к тому, что цифровая видеокамера с тремя ПЗС-матрицами должна разделять входящий композитный сигнал на составные части — RGB-компоненты.

Еще несколько десятилетий в результате экспериментов по оценке цветовосприятия человека был выявлен ряд закономерностей. Чтобы испытуемые правильно воспринимали синий цвет, его нужно было смешивать с красным. После добавления красного, синий цвет соответствовал тому значению, которые воспринимали тестируемые. Все это достаточно сложно, но специалисты, разрабатывающие видеокамеры, обязаны каким-то образом учитывать эти особенности зрения человека к восприятию цветов. Хотя в результате других тестов было установлено, что большинство людей не в состоянии правильно определить соотношение красного, зеленого и синего в образце, поэтому один и тот же цвет мы можем воспринимать по-разному.

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.

Автор: Барри Брейверм; Журнал «Цифровое Видео» #3/2003