Эдуард Е.Уильямс

Камеры: какие особенности ПЗС-технологии необходимо знать и на какие пользовательские характеристики камеры следует обращать внимание при ее покупке?

Основы технологии ПЗС

В первую очередь, следует помнить, что ПЗС не является цифровым устройством. На его выходе формируется строка отдельных аналоговых напряжений, которые соответствуют количеству света, падающего на фотодиоды массива. При попадании фотона на фотодиод, генерируются носители заряда (электрон и дырка), которые изменяют напряжение. Возникающие отдельные напряжения обрабатываются -- оцифровываются в камерах с цифровой обработкой сигнала, полученные данные, сохраняются и выводятся из камеры.

Заряд каждого фотодиода переносится на конденсатор – вертикальный сдвиговый регистр. Эти заряды перемещаются в горизонтальный сдвиговый регистр, а затем выводятся из устройства. На этом этапе проявляется различие между матрицами со строчным (IT) и со строчно-кадровым (FIT) переносом зарядов. В чипах IT защита вертикального сдвигового регистра слабее, и утечка света или тока между соседними пикселями может вызвать вертикальное смазывание изображения. Чипы FIT защищены лучше за счет экранирования вертикальных сдвиговых регистров.

Важной характеристикой ПЗС является время интеграции -- т. е. время, которое необходимо для накопления и считывания заряда. Максимальное его значение может составлять 1/30 секунды, а минимальное -- не ограничивается, но оно должно быть достаточным, чтобы уловить некоторое число фотонов и создать изображение. Управлять временем интеграции позволяют электронные затворы. Качество современных ПЗС настолько высоко, что в некоторых камерах электронные затворы обеспечивают хорошее изображение при скорости до 1/2500 секунды.

Чтобы правильно оценивать пользовательские характеристики камеры необходимо знать, как устроен массив фотодиодов. Число пикселей ПЗС не совпадает с числом фотодиодов на поверхности чипа. В образовании каждого пикселя принимает участие несколько фотодиодов. ПЗС телевизионной камеры с 650000 пикселями может состоять из 2,5 миллионов отдельных фотодиодов. Эффективность работы ПЗС определяется количеством фотодиодов, опрашиваемых для составления одного пикселя, и тем, как в камере с помощью созданных таким образом “виртуальных” пикселей обеспечивается управление размером отдельного пикселя.

В своих устройствах производители камер используют чипы собственного производства и созданные другими фирмами. Современные ПЗС имеют практически одинаковое число пикселей, близкие шумовые характеристики, а также очень высокие показатели перетекания и вертикального смазывания. Типичные ПЗС содержат микролинзы, мощные средства для подавления перекрестных утечек, имеют размер 2/3 дюйма как в камерах с соотношением сторон кадра 4:3 и 16:9, так и в двухрежимных устройствах.

Еще недавно операторы приобретали камеры с чипами IT только при крайней стесненности в средствах, так как у этих устройств были существенные проблемы с перетеканием, а вертикальное смазывание происходило даже при умеренной освещенности. Чипы FIT лишены этих недостатков, но они стоят дороже и значительно усложняют саму камеру.

Чипы IT намного проще в изготовлении и дешевле, поэтому производители постоянно стремятся к их усовершенствованию. Современные чипы IT имеют показатели вертикального смазывания –120 дБ (у чипов FIT: -140 -- -145 дБ) и обеспечивают возможность работы при очень малой освещенности, они дают вполне приемлемое качество изображения практически в любых условиях съемки.

В некоторых матрицах ПЗС сейчас используются диодные накопители дырок (HAD) -- фотодиоды с дополнительным напряжением, лучше реагирующие на синие цвета и обладающие меньшей задержкой. Торговая марка Sony “Hyper-HAD” на изделиях компании означает, что в них реализована эта технология и добавлены оптические микролинзы, фокусирующие свет на фотодиодах и отводящие его от блока считывания и регистров сдвига. Другие фирмы тоже используют эту технологию, но без товарного знака, поскольку он принадлежит компании Sony.

Одна из самых популярных возможностей современных камер -- изменение соотношения сторон кадра (4:3 или 16:9). Для реализации этой функции используются три различных метода, но в любом из них применяется физическая матрица ПЗС 16:9, содержащая 500--700 тыс. пикселей, и по вертикали используются все пиксели.

В первом данные считываются с ПЗС в разных режимах с разной скоростью. В режиме 4:3 “вырезаются” средние 400 тыс. пикселей и только они поступают на цифровой сигнальный процессор (DSP). Такой метод позволяет упростить конструкцию DSP, но для поддержки правильного горизонтального поля зрения для каждого соотношения сторон необходима специальная оптическая насадка для объектива.

Во втором методе для получения изображения 4:3 тоже используется только часть изображения 16:9, считывание проходит с постоянной скоростью, и на блок DSP посылаются данные всех пикселей. Изменение соотношения выполняется в процессе цифровой обработки сигналов. Данные с “боковых панелей” слева и справа от области изображения 4:3 на первом этапе обработки просто отбрасываются. Этот метод упрощает управление ПЗС, но несколько усложняет цифровую обработку сигнала. В некоторых камерах на основе рассмотренного метода реализуется возможность вывода сигналов 4:3 и 16:9, но оптический адаптер для поддержания правильного горизонтального поля зрения необходим и в этом случае.

Третий метод основан на том, что для кадров 4:3 используются все пиксели изображений 16:9. Но в режиме 4:3 отдельные пиксели становятся шире и меняют фазу считывания чипа. В результате при считывании в трехфазном режиме один пиксель формирует меньшее число фотодиодов. Если считывание производится в четырехфазном режиме, для каждого пикселя используется больше фотодиодов. DSP при обработке нисходящего потока, если это необходимо, растягивает и добавляет черные полосы сверху и снизу. Преимущество данного метода состоит в том, что для поддержания горизонтального поля зрения не требуется дополнительная линза, его применяют для реализации в камерах возможности получения кадров с соотношением сторон 16:9 и 4:3.

Никакого сканирования, подобного выполняемому в ЭЛТ, в ПЗС не происходит: все используемые пиксели чипа активны в любом режиме. Наиболее просто в ПЗС реализуется прогрессивный режим: он предусматривает последовательное считывание напряжений с отдельных фотодиодов (один за другим, строка за строкой). Чтобы обеспечить чересстрочная развертку используются два способа: вывод строк через одну и “псевдочересстрочный” вывод, когда нижний ряд фотодиодов одной строки становится верхним рядом для следующей строки.

ПЗС обеспечивают и такую возможность, как улучшение вертикального разрешения за счет считывания отдельных строк фотодиодов с различной частотой и формой волн. Для увеличения или уменьшения полученного вертикального разрешения строки датчиков могут прибавляться к отдельным строкам пикселей или вычитаться из них.

Цифровую обработку сигналов для растяжения изображения в области черного, автоматической коррекции насыщенности и регулировки цветового баланса начали использовать еще в конце 80-х годов. Современные же DSP позволяют не только управлять практически любыми функциями камеры, но и включать в более дешевые устройства даже такие сложные возможности, которые ранее были доступны только в самых дорогих моделях.

Обработка деталей -- одна из функций, которая недавно появилась в камерах и позволяет регулировать изображение деталей по горизонтали, вертикали и даже диагонали, в том числе в динамическом режиме.

Новые возможности появились и в базовых функциях, например, опция коррекции телесных тонов теперь включает автоматическую регулировку в зависимости от настройки объектива. Считывая фокусное расстояние и дальность фокусировки, DSP определяет, какой план вы снимаете -- крупный или общий. Система автоматически может настроить телесные тона, сделав их максимально мягкими для съемок “вплотную” и наиболее жесткими для общего плана. Такая функция камеры помогает избежать эффекта “пластиковой маски”, который возникает при использовании сильной коррекции телесных тонов в кадрах общего плана.

Выбирая камеру, следует внимательно изучить не только применяемые электронные схемы, но и возможности, которые она обеспечивает. Вызов необходимых функций должен быть простым и удобным. То, что на одной камере является основной функцией и вызывается простым нажатием кнопки, в другой может быть запрятано в меню и ее поиск потребует значительного времени.

Если вы занимаетесь съемкой новостей, то самой важной возможностью будет одинаковая настройка всех используемых камер. Сохранить все настройки и скопировать их с камеры на камеру, чтобы все они работали одинаково, позволяют встроенные карты памяти.

Вы часто меняете объективы? Одеваете порой полупрозрачную зеркальную насадку на объектив вместо телесуфлера? Если вы работаете в мобильной студии, это приходится делать ежедневно. В некоторых камерах есть предустановленные наборы параметров для конкретных объективов. Это позволяет выставлять нужные установки, когда на объектив одевают полупрозрачную насадку-суфлер, чтобы скомпенсировать влияние лишнего слоя стекла. Сняв насадку, вы просто возвращаете прежний набор параметров. Так же можно хранить наборы параметров для определенных фильтров, комплектов освещения и т.п.

Хотите делать некоторые операции непосредственно на камере, не откладывая их до постпродукционных работ? Некоторые высококачественные студийные камеры предлагают возможность воздействовать на каждую составную часть цветового сигнала. Можно даже снять черно-белую сцену с единственным ярко-красным яблоком в вазе для фруктов. Конечно, эти опции понадобятся вам только в исключительных случаях, но они наглядно иллюстрируют возможности DSP современных камер.

Некоторые производители выпускают камеры с переключателями на передней панели, которым можно назначать различные функции, в том числе те, которые запрятаны глубоко в меню. Функции таких программных переключателей также хранятся на картах-памяти камер.

Еще одна возможность, которая появилась в некоторых камерах в последнее время, -- имитация киносъемки за счет включения специального набора предустановленных настроек.

На рынке сегодня представлены модели, которые смогут удовлетворить самого требовательного покупателя. Возможности предлагаемых камер и их выбор столь широки, что жертвовать одними характеристиками ради других больше не нужно. А что же пробные съемки в студии? Пожалуй, они все-таки необходимы, хотя бы для того, чтобы перед покупкой какое-то время подержать камеру в руках.