В большинстве стран мира видеокамеры давно стали привычным явлением. Люди берут их на школьные спектакли, спортивные мероприятия, семейные встречи и даже на роды. В популярном у туристов месте их можно увидеть повсюду. Видеокамеры завоевали прочные позиции в США, Японии и многих других странах, поскольку представляют собой очень востребованную технологию.
Но как такое маленькое устройство может делать так много? Родившихся до 1980-х удивляет то, что качественные модели теперь легко доступны, и что они настолько просты в использовании. В этой статье рассмотрен принцип работы и устройство видеокамеры.
Базовая конструкция
Обычная аналоговая видеокамера состоит из двух основных частей:
- Секции, включающей ПЗС-матрицу, объектив и двигатели управления зумом, фокусировкой и диафрагмой;
- уменьшенного в размерах видеомагнитофона.
Принцип работы видеокамеры заключается в том, что она получает визуальную информацию и превращает ее в электронный сигнал. Видеомагнитофон похож на обычный, подключаемый к телевизору: на него поступает сигнал, и он записывает его на кассету.
Третий компонент, видоискатель, тоже получает видеоизображение, поэтому пользователь может видеть, что снимает. Это маленький черно-белый или цветной дисплей, но многие современные модели дополнительно оборудуются большими полноцветными ЖК-экранами. Существует много форматов аналоговых видеокамер со множеством дополнительных функций, но описанный дизайн является основным. Различаются они в том, какие кассеты в них используются.
Устройство и принцип работы цифровых видеокамер сходны с аналоговыми, но у них есть дополнительный элемент, преобразовывающий информацию в байты данных. Вместо записи видеосигнала как непрерывной последовательности магнитных импульсов, он сохраняется как нули и единицы. Цифровые видеокамеры популярны, поскольку позволяют легко копировать видео без потери какой-либо информации. Аналоговая же запись «исчезает» с каждой копией – исходный сигнал не воспроизводится точно. Видеоинформация в цифровой форме может быть загружена на компьютер, где ее можно редактировать, копировать, отправлять по электронной почте и т. д.
Сенсор изображения
Как и фотоаппарат, видеокамера «видит» мир через объектив. Оптика необходима для фокусировки света со сцены на пленку, обработанную светочувствительными химическими веществами. Таким образом, фотоаппарат фиксирует то, что находится перед ним. Он собирает больше света от ярких участков сцены и меньше от темных. Объектив видеокамеры также служит для фокусировки, но вместо пленки в ней используется небольшой полупроводниковый датчик изображения. Этот сенсор регистрирует свет с помощью матрицы из миллионов крошечных фотодиодов. Каждый из них измеряет количество фотонов, которое попадает в определенную точку, и переводит эту информацию в электроны (электрические заряды): более яркое изображение представлено более высоким зарядом, а более темное – низким. Подобно тому как художник рисует сцену, выделяя темные области светлыми, сенсор создает видео путем регистрации интенсивности света. Во время воспроизведения эта информация управляет яркостью пикселей дисплея.
Конечно, измерение светового потока дает только черно-белое изображение. Чтобы получить цветное, необходимо определить не только общий уровень освещенности, но также уровни для каждого цвета. Полный спектр можно воссоздать, комбинируя всего 3 из них – красный, зеленый и синий. Поэтому принцип работы видеокамер основан на использовании только этих цветов.
В некоторых моделях сигнал разделяется на 3 варианта одного и того же изображения для уровней красного, зеленого и синего света. Каждый из них захватывается собственным чипом. Затем они складываются, и основные цвета смешиваются для получения полноцветного изображения.
Этот простой метод позволяет получить насыщенное видео с высоким разрешением.
Фотодиодные ПЗС-матрицы стоят дорого и потребляют много энергии, а использование 3 датчиков значительно увеличивает производственные издержки. Большинство видеокамер оборудуется только одним сенсором с постоянными цветовыми фильтрами для отдельных фотодиодов. Определенная их часть измеряет только уровни красного, другая – зеленого, а остальные – синего. Цвета распределены в виде сетки (например, фильтра Байера), так что процессор видеокамеры может получить представление о цветовых уровнях во всех частях экрана. Этот метод требует интерполяции данных, поступающих на каждый фотодиод, путем анализа информации, полученной его соседями.
Формирование сигнала
Поскольку видеокамеры снимают движущиеся изображения, их сенсоры имеют дополнительные фрагменты, которых нет в датчиках цифровых камер. Для создания видеосигнала они должны ежесекундно делать множество снимков, которые затем объединяются, создавая впечатление перемещения.
Для этого видеокамера захватывает кадр и чересстрочно записывает его. За датчиком изображения находится другой сенсорный слой. Для каждого поля видеозаряды переходят на него, а затем последовательно передаются. В аналоговой видеокамере этот сигнал поступает на видеомагнитофон, который его записывает (вместе с информацией о цвете) на видеопленке в виде магнитных импульсов. Пока второй слой передает данные, первый захватывает очередное изображение.
Принцип работы видеокамеры цифрового типа в основном такой же, за исключением того, что на последнем этапе аналого-цифровой преобразователь превращает сигнал в байты данных. Камера записывает их на носитель, который может быть магнитной лентой, жестким диском, DVD или флеш-памятью. Цифровые модели с чересстрочной разверткой сохраняют каждый кадр в виде двух полей так же, как и аналоговые. Камеры с прогрессивной разверткой записывают видео покадрово.
Объектив
Как упоминалось ранее, первым шагом при записи видеоизображения является фокусировка света на матрице. Принцип работы объектива видеокамеры заключается в следующем. Чтобы камера могла записать четкую картину объекта перед ней, необходимо сфокусировать оптику, то есть переместить ее так, чтобы лучи, исходящие от объекта съемки, попадали точно на сенсор. Подобно фотоаппаратам, видеокамеры позволяют перемещать объектив, чтобы фокусировать свет.
Автофокусировка
Большинству людей нужно двигаться и снимать разные объекты на разных расстояниях, и постоянная перефокусировка чрезвычайно сложна. Вот почему на всех видеокамерах есть устройство автоматической фокусировки. Обычно это инфракрасный луч, который отражается от объектов в центре кадра и возвращается к датчику камеры.
Чтобы определить расстояние до объекта, процессор вычисляет, сколько времени требуется, чтобы луч отразился и вернулся, умножает это значение на скорость света и делит произведение на два (потому что он прошел расстояние дважды – к объекту и назад). В видеокамере есть небольшой двигатель, который перемещает оптику, фокусируя ее на вычисленное расстояние. Обычно это работает достаточно хорошо, но иногда приходится дистанцию определять заново – например, когда требуется сфокусироваться на чем-то не в центре кадра, поскольку автофокус реагирует на то, что находится прямо перед объективом.
Оптический и цифровой зум
Видеокамеры также оснащены зум-объективом. Благодаря этому можно приблизить сцену, увеличив фокусное расстояние (между оптикой и пленкой или сенсором). Объектив с оптическим зумом представляет собой единый блок, который позволяет переходить от одного увеличения к другому. Диапазон масштабирования говорит о максимальном и минимальном увеличении. Чтобы зум было проще использовать, большинство видеокамер оборудовано двигателем, который перемещает оптику в ответ на нажатие кнопки на ручке. Одно из преимуществ этого заключается в том, что можно легко управлять увеличением, не используя вторую руку. Кроме того, мотор перемещает объектив с постоянной скоростью, и масштабирование получается более плавным. Однако двигатель истощает заряд батареи.
Некоторые видеокамеры имеют т. н. цифровой зум. Пользователи не советуют его использовать, поскольку он вообще не связан с объективом, а просто увеличивает часть снимка, захваченного сенсором. При этом приносится в жертву разрешение, т. к. используется только часть площади датчика. В итоге видео получается менее четким.
Экспозиция
Одной из замечательных особенностей камеры является автоматическая подстройка к разным уровням освещенности. Сенсор очень чувствителен к пере- или недоэкспонированию, поскольку диапазон сигналов, поступающих от каждого фотодиода, ограничен. Видеокамера контролирует их уровень и регулирует диафрагму, уменьшая или увеличивая поток света через линзы. Процессор постоянно поддерживает хороший контраст, чтобы изображения не выглядели слишком темными или размытыми.
Принцип работы видеокамер наблюдения
Такие камеры пригодятся тем, кто желает знать, что происходит во время их отсутствия. Необходимость в них может возникнуть по разным причинам. Например, родители могут захотеть наблюдать за спящим ребенком и уменьшить риск опасного падения из кроватки. А камеры вокруг дома позволят видеть людей, которые подходят к входной двери и, возможно, даже помогут найти преступника, совершившего взлом.
Выходной сигнал камеры передается, обрабатывается, снова преобразуется в изображение и при необходимости записывается. Передать видео можно по коаксиальному кабелю или витой паре, а также по беспроводной сети. Обработка сигнала производится в видеорегистраторе, сервере или ПК с платой захвата видео. Изображение выводится на монитор.
Принцип работы видеокамер наружного наблюдения заключается в том, что они устанавливаются на воротах, зданиях, других сооружениях с целью мониторинга происходящего в режиме реального времени. Как правило, это большие, заметные устройства, сам вид которых дает посторонним понять, что они находятся под наблюдением.
Принцип работы беспроводных видеокамер основан на трансляции изображения по беспроводной сети. Однако другие устройства, такие как Wi-Fi-роутеры и мобильные телефоны способны прерывать их сигнал. Кроме того, беспроводная передача может быть перехвачена, что противоречит целям обеспечения безопасности. Поэтому пользователи советуют убедиться в наличии надежного шифрования сигнала.
Принцип работы скрытых видеокамер основан на использовании объективов точечного типа с выходным отверстием в несколько миллиметров и широким углом обзора. Это позволяет устанавливать их в бытовую технику и предметы интерьера.
Советы по выбору аналоговых форматов
Аналоговые камеры записывают видео и аудио в виде аналоговой дорожки магнитной ленты. Эксперты не рекомендуют ими пользоваться, т. к. при копировании качество изображения и звука неизбежно снижается. Кроме того, в аналоговых форматах отсутствует ряд функций цифровых видеокамер. Основное различие между ними заключается в типе кассеты и разрешении. К основным форматам аналоговых видеокамер относятся:
- Стандарт VHS. В камерах данного типа используется та же магнитная лента, что и в обычных видеомагнитофонах. Это упрощает просмотр отснятого материала. Такие кассеты недороги и обеспечивают длительное время записи. Основным недостатком формата VHS является необходимость в громоздком дизайне видеокамеры. Разрешение составляет 230–250 горизонтальных строк, что является нижним пределом в устройствах данного типа.
- В VHS-C-камерах используется стандартная VHS-лента, но в более компактной кассете. Запись можно воспроизводить на обычном видеомагнитофоне, но для этого требуется полноразмерный адаптер. В принципе, работа видеокамеры формата VHS-C похожа на VHS. Меньший размер кассеты позволяет создавать более компактные конструкции, но время записи сокращается до 30–45 минут.
- Super VHS-камеры имеют примерно те же размеры, что и VHS, потому что они используют картриджи того же формата. Различие заключается в том, что записываемое разрешение равно 380-400 строкам. Такие кассеты нельзя воспроизвести на видеомагнитофоне, но саму камеру можно подключить непосредственно к телевизору.
- Super VHS-C соответствует стандарту VHS, но это более компактная версия, использующая картридж меньшего размера.
- 8-мм видеокамеры тоже отличаются небольшими кассетами. Это позволяет выпускать более компактные модели, обеспечивающие разрешение, которое соответствует стандарту VHS, с немного лучшим качеством звука. Длительность записи – около 2 ч.
- Стандарт Hi-8 похож на 8-мм, но обеспечивает гораздо большее разрешение – около 400 строк.
Советы по выбору цифровых форматов
Принцип работы цифровых видеокамер отличается от аналоговых тем, что информация в них записывается в цифровом виде, благодаря чему изображение воспроизводится без потери качества. Такое видео можно загрузить на компьютер, где его можно отредактировать или опубликовать в интернете. Оно имеет гораздо лучшее разрешение. Широко используются следующие форматы:
- MiniDV отличается компактными кассетами, которые вмещают 60–90 минут видеоматериала с разрешением 500 строк. Камеры данного типа чрезвычайно легкие и компактные. Возможен захват неподвижных изображений.
- Формат Sony MicroMV работает так же, но использует кассеты меньшего размера.
- Digital8 использует стандартную Hi-8mm-пленку на 60 минут записи. Модели данного типа, как правило, немного больше, чем DV.
- DVD-камеры сохраняют видео непосредственно на маленькие оптические диски. Основным преимуществом этого формата является запись каждого сеанса отдельным треком. Вместо перемотки и быстрой перемотки, можно сразу перейти к требуемой части видео. Помимо этого, DVD-камеры довольно близки к моделям MiniDV, но могут хранить больше видео – от 30 мин до 2 ч.
- DVD-R и DVD-RAM составляют 3/4 размера дисков DVD. Недостатком является то, что записывать на них можно только один раз. Их нельзя воспроизводить на обычных DVD-проигрывателях. Подобно кассетам MiniDV, нужно либо использовать камеру в качестве проигрывателя, либо скопировать фильм в другой формат.
- Карта памяти – наиболее популярный способ видеозаписи. Ролики сохраняются непосредственно на твердотельные карты, такие как флэш-память, Memory Stick или SD.
В заключение
Сегодня каждый может приобрести недорогую камеру, а программы редактирования упрощают процесс обработки до такой степени, что каждый в состоянии его быстро освоить.
Даже низкокачественные аналоговые модели обладают многими полезными функциями, которые несложно освоить и создавать качественные фильмы. Технология, которая когда-то была эксклюзивной областью профессионального телевидения, стала доступна для любителей. Новейшие видеокамеры, безусловно, могут предложить многое и желающим запечатлеть день рождения или концерт, и начинателям амбициозных видеопроектов.
