Вивчення конструкції, роботи та характеристик цифрових відеокамер

Лабораторна робота 8

Завдання до роботи: ознайомитись з будовою, принципами роботи і можливостями сучасних цифрових відеокамер, дослідити їх характеристики.

Прилади і матеріали: електронно-обчислювальна машина.

Ще одним чудом сучасної техніки і одночасно видом інтелектуальних електричних сенсорів є цифрові відеокамери – сенсори для сприйняття зображень, які динамічно змінюються, для перетворення їх у послідовність відеосигналів з метою подальшого зберігання, передачі, обробки і відтворення на екрані. Оскільки зміни візуальних картин можуть відбуватися дуже швидко, то задачі, які потрібно тут розв’язувати, значно складніші, ніж у випадку цифрових фотоапаратів. Якщо там експозиція одного кадру може тривати до 1 с і більше, то у відео камері на це відводиться не більше 20 мс, а бажано і значно менше. Тому світлочутливі матриці і організація зчитування і обробки отриманих сигналів повинні мати тут значно вищу швидкодію.

Значно вищими стають тут і вимоги до об’єму вбудованої пам’яті. Якщо в цифрових фотоапаратах достатньо об’єму пам’яті в десятки-сотні мегабайт, то у відеокамерах, де кожну секунду потрібно фіксувати декілька десятків кадрів, мова йде вже про гігабайти пам’яті.

На рис.8.1 зліва показано зовнішній вигляд однієї з типових представниць таких сенсорів – відеокамери SONY DCR-VX2100E.

Вона вважається «напівпрофесійною», тобто призначена як для спеціалістів, так і для широкого кола досвідчених любителів. Світлочутливими елементами в ній є матриці ПЗЗ на 400 тис. пікселів. Зображення на чутливій поверхні матриці формується високоякісним об’єктивом Carl Zeiss Vario-Sonnar. Його світлосили вистачає для роботи навіть при освітленості лише в 1 люкс. Вбудований мікрокомп’ютер не тільки організує усі процеси покадрового зчитування інформації з матриць ПЗЗ, її аналого-цифрового перетворення і кодування в стандартному форматі, паралельному цифровому запису звукових сигналів, фіксації запису на жорсткий диск чи CD, відеокасету чи на карти пам’яті. Він може також виконувати автоматичне фокусування зображення, регулювання світлової експозиції, оптичну стабілізацію зображення. Мікрокомп’ютер забезпечує також можливість виведення отриманої відеоінформації на вбудований кольоровий рідкокристалічний екран з 5 мільйонами пікселів, двосторонній зв’язок із зовнішньою мережею по стандарту iLINK DV. Основний корпус відеокамери має масу 1, 5 кг і габаритні розміри 120× 159× 393 мм. При живленні від акумулятора NP-F960 його ресурсу вистачає на 9 годин автономної роботи.

Рис. 8.1. Зліва – відеокамера SONY DCR-VX2100E; справа – «кишенькова» відеокамера

На рис.8.1 справа показана мініатюрна («кишенькова») відеокамера Panasonic SDR-S150. Розміром 80× 50× 97 мм і масою 240 г, вона вміщується на долоні і разом з тим має систему з трьох світлочутливих матриць на 800 тис. пікселів кожна, автофокусування, оптичний стабілізатор зображення, автоматичну корекцію білого, вбудований кольоровий рідкокристалічний дисплей на 210 тис. пікселів. Карти пам’яті SDHC на 4 Гбайта вистачає для високоякісного відеозапису тривалістю до 50 хв.

А «на черзі» уже цифрові відеокамери з Х3 світлочутливими матрицями. Розробники американської компанії Foveon запропонували цікаву технологію виготовлення кольорових світлочутливих КМДН матриць [1]. Вона базується на тому, що кремній поглинає видиме світло тим сильніше, чим коротша довжина його хвилі. Тому синє світло з найкоротшими довжинами хвиль поглинається уже тонким шаром поблизу поверхні кремнію, жовто-зелене проникає дещо глибше, ще глибше проникає червоне світло. Розробники компанії Foveon, використовуючи епітаксійне нарощування шарів кремнію, розмістили кремнієві фотодіоди на трьох рівнях. Найнижчий з них знаходиться на глибині проникнення червоного світла, середній – на глибині проникнення жовто-зеленого, верхній – на глибині проникнення синього світла. Розділення світла за кольором відбувається природним шляхом. Завдяки цьому відпадає необхідність у застосуванні складного кольорового світлофільтра з мільйонів елементів, виготовлення котрого вимагає до 24 окремих технологічних операцій. Це значно здешевило виробництво кольорових світлочутливих матриць. Помітно зменшилась також і площа, яку займає кожний піксель на кристалі, завдяки чому підвищилась роздільна здатність матриці.

У співдружності з компанією National Semiconductor фірма Foveon на основі 0, 18-мікронної КМДН технології організувала масове виробництво Х3 матриць (так названі матриці тільки що описаного типу) у двох варіантах. Одна – це 1, 3-мегапіксельна Х3 матриця, яка має таку ж роздільну здатність, як нинішні 2-мегапіксельні звичайні матриці, а друга – 3, 5-мегапіксельна Х3 матриця для особливо високоякісної і тому дорогої відеотехніки.

Якщо для обробки одного кольорового пікселя у «звичайних» матрицях мікропроцесор повинен виконувати порядку 100 обчислювальних операцій, то тут – значно менше. Це дозволяє істотно підвищити швидкість обробки зображень, знизити затрати енергії акумуляторів, підвищити якість «гібридних» цифрових камер, які об’єднують в собі цифровий фотоапарат і відеокамеру одночасно. Таке об’єднання було деколи і раніше, але цифрові фотоапарати не можуть забезпечити прийнятну якість відеофільмів, а відеокамери дозволяли отримувати лише посередні фотознімки.

Ще одна перевага, яку дають Х3 світлочутливі матриці, це можливість у випадку необхідності «на ходу» підвищувати свою чутливість за рахунок об’єднання груп окремих пікселів (2× 2, 3× 3, 4× 4 і так далі) у «великі» штучні пікселі. Чутливість при цьому буде зростати в 4, 9, 16 разів відповідно, а роздільна здатність чи розміри знімку будуть зменшуватися лише в 2, 3, 4 рази.