Введение.
Видеока́мера — первоначальное значение — комбинация телевизионной передающей камеры и устройства для видеозаписи. Впоследствии, слово «видеокамера» практически вытеснило слова «телевизионная камера» и «телекамера», 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, предназначенных для тележурналистики, слово «видеокамера» вошло и в профессиональный обиход.
Передаю́щая телевизио́нная ка́мера — электронное устройство, предназначенное для преобразования оптического изображения, получаемого при помощи объектива на мишени вакуумной передающей трубки или на светочувствительной матрице в телевизионный видеосигнал или цифровой поток видеоданных. Видеосигнал может передаваться по радио, кабельным сетям или по сети интернет, а также записываться на аналоговом или цифровом носителе для последующего воспроизведения.
Современные видеокамеры являются компактными устройствами, сочетающими в себе объектив, устройство, формирующее видеосигнал или цифровой видеопоток, устройство для получения звукового сигнала (микрофон и усилитель) и устройство для сохранения видео- и звуковых данных, преимущественно на неподвижном носителе. Также видеокамера оснащается электронным видоискателем, представляющим собой компактный видеомонитор. Профессиональные видеокамеры кроме видеосигнала и звука записывают временной код, позволяющий впоследствии синхронизировать изображение с нескольких камер и звук. Большинство современных цифровых фотоаппаратов сочетают в себе функции видеокамеры, позволяя сохранять на карте памяти видеофайлы, в том числе высокой четкости. Также видеокамерами оснащаются все современные сотовые телефоны. Видеокамеры, специально спроектированные для получения изображения кинематографического качества в стандартах цифрового кино, называются цифровыми кинокамерами и являются отдельным классом устройств.
Видеокамеры делятся на три основные категории:
1. бытовые:
обладают небольшим весом, компактностью и простым управлением, что позволяет пользоваться ими любому человеку, не обладающему профессиональными навыками съемки.
2. профессиональные:
камеры для профессионального использования на телевидении и в цифровом кинематографе, обычно значительного веса, от портативных, до устанавливаемых стационарно.
3. специальные:
узкоспециализированные, например медицинские видеокамеры (используемые в эндоскопии и других областях) или камеры видеонаблюдения. Как правило имеют предельно упрощенную конструкцию и миниатюрные габариты.
2. Дифференциация по разрешению.
2.1. Cтандартной чёткости (SD, Standard Definition):
для аналоговых видеокамер: 576 строк при 25fps (PAL) или 480 строк при 30fps (NTSC);
для цифровых видеокамер: 720x576 точек при 25 fps и 640x480 точек при 30 fps.
2.2. Высокой четкости (HD, High Definition):
HD Ready: 720 строк (1280x720 точек);
Full HD: 1080 строк (1920x1080 точек);
Некоторые типы видеокамер могут использоваться для съёмки цифрового кино, но кинематографические стандарты разрешения 2К, 4К и другие, поддерживают только цифровые кинокамеры.
Дифференциация по формату носителя данных.
Аналоговые видеокамеры.
3.1. Betacam SP/Betacam SX
Betacam — семейство форматов профессиональной видеозаписи, разрабатываемых фирмой Sony. Основано на наклонно-строчной магнитной записи на 1/2 дюймовую ленту в кассете. Широко распространён в телекомпаниях, многие годы «де факто» является стандартным профессиональным видеоносителем. Среди профессионалов телевизионной индустрии «Betacam» зачастую используется для обозначения видеокамер, видеокассет или видеомагнитофонов стандарта Betacam.
Во всех устройствах формата Betacam применяются видеокассеты одинаковой формы, что предполагает, при обновлении аппаратуры и переходе на новый формат, отсутствие необходимости заменять стеллажи и другое оборудование для хранения кассет.
3.2. Hi8
Video8 — аналоговый формат наклонно-строчной записи видеоизображения на 8-ми мм магнитную ленту, разработанный фирмой Sony. Представлен в 1985 году. Применялся в бытовых видеокамерах. Характеризуется повышенным качеством видеосигнала и звука относительно VHS и VHS-C, главными конкурентами на то время. Имеет горизонтальную чёткость 250 твл при частоте полей 50 Гц. Частотный диапазон канала звукового сопровождения 20—20000 Гц, динамический диапазон 50 дБ. Такие параметры достигнуты путём записи звукового сигнала на поднесущей 1,5 МГц с частотной модуляцией.
3.3. VHS-C
Ви-Эйч-Эс, VHS (англ. Video Home System) — кассетный аналоговый формат наклонно-строчной видеозаписи, разработанный корпорацией JVC и представленный на японском рынке в 1976 году. Один из первых бытовых форматов, использующих видеокассету. С 1980-х годов занял лидирующую позицию в войне форматов с «Бетамаксом» от Sony и Video 2000 от компаний «Grundig» и «Philips». Основными причинами победы называют отсутствие лицензионных сборов, наполнение рынка дешёвыми и надёжными видеомагнитофонами и отказ конкурентов поддерживать порноиндустрию. Также, формат VHS основан на механизме «М-образной» заправки магнитной ленты в лентопротяжный тракт, более простом и надёжном, чем «U-образная» заправка формата «Бетамакс. Широкое распространение формат получил в СССР, с появлением первых советских и зарубежных видеомагнитофонов. О событиях тех лет и сопротивлении японского министерства торговли снят документальный фильм «Рассвет нового дня: человек и VHS» (англ. Dawn of a New Day: The Man Behind VHS). На 2002 год, по оценкам JVC, в мире было продано свыше 900 млн видеоустройств этого формата и ещё больше видеокассет. С середины 2000-х уступил лидирующую позицию оптическим видеодискам DVD.
3.4. Video8
Video8 — аналоговый формат наклонно-строчной записи видеоизображения на 8-ми мм магнитную ленту, разработанный фирмой Sony. Представлен в 1985 году. Применялся в бытовых видеокамерах. Характеризуется повышенным качеством видеосигнала и звука относительно VHS и VHS-C, главными конкурентами на то время. Имеет горизонтальную чёткость 250 твл при частоте полей 50 Гц. Частотный диапазон канала звукового сопровождения 20—20000 Гц, динамический диапазон 50 дБ. Такие параметры достигнуты путём записи звукового сигнала на поднесущей 1,5 МГц с частотной модуляцией.
4. Цифровые видеокамеры с аналоговыми носителями.
DV (англ. Digital Video) — семейство цифровых форматов наклонно-строчной магнитной видеозаписи, а также тип видеокомпрессии, разработанный совместными усилиями крупнейших производителей видеооборудования: Sony, Panasonic, Philips, Hitachi и JVC и представленный в 1995 году.
В формате DV используется 8-битный цифровой компонентный видеосигнал с разрешением 720х576 пикселей и частотой выборки (цветовой субдискретизацией)4:2:0 для сигналов яркости и цветности (для NTSC - 720х480 4:1:1). Для уменьшения избыточности сигнала используется внутрикадровая компрессия на основе дискретного косинусного преобразования (ДКП). Коэффициент компрессии сигнала - 5:1. Скорость потока данных: 25 Мбит/с видео, 1,5 Мбит/с аудио и 3.5 Мбит/с служебной информации. Поддерживается запись двух каналов звукового сопровождения с частотой дискретизации аудиосигнала 48 кГц при 16-битном квантовании или четырех каналов звука с парамертами 32 кГц/12 бит. В служебной области производится запись даты и времени.
5. Цифровые видеокамеры с цифровыми носителями
5.1. Blu-ray
Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray — синий луч и disc — диск; написание blu вместо blue — намеренное) — формат оптического носителя, используемый для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Современный вариант представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.
5.2. DVD
DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск; также англ. Digital Video Disc — цифровой видеодиск) — носитель информации, выполненный в форме диска, имеющего такой же размер, как и компакт-диск, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны и линзы с большей числовой апертурой.
5.3. HDD
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск, в компьютерном сленге «винче́стер» — запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.
В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм[1]), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.
Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.
5.4. HDV
HDV (англ. High Definition Video) — это стандарт записи видео высокой чёткости на магнитную ленту шириной 0,25 дюйма. При этом видео записывается на обычную miniDV кассету со сжатием MPEG-2 с битрейтом 25 Мбит/c. Необходимость обеспечить такой битрейт для видео обусловила возможности записи только одной стереодорожки аудио (в отличие от DV, где есть возможность записать две 12-битные стереодорожки). Степень межкадровой компрессии такого видео ниже, чем, например, у формата H.264. Разрешение HDV составляет 1440х1080 пикселей, но с соотношением 16:9. Такое соотношение достигается «растягиванием пикселей» по горизонтали, с 1440 до 1920. Поэтому для полноценного просмотра HDV также требуется телевизор FullHD, с разрешением экрана 1920х1080.
Разумеется, качество видео в формате HDV ниже, чем HD 1080 (размер кадра 1920х1080 пикселей), но тем не менее формат HDV сейчас широко распространён среди пользователей. Причина заключается в том, что формат HDV был изобретён раньше, и было разработано и выпущено много видеотехники, поддерживающей только 1440х1080. Кроме того, сыграла немалую роль и распространённость носителей, ранее использовавшихся для записи видео стандартного разрешения. Первые фильмы высокого разрешения, записанные на диски HD DVD и Blu-Ray имели такое же разрешение, как и HDV — 1440х1080.
5.5. MiniDV
Внутрикадровое сжатие означает, что каждый кадр сжимается независимо, и никак не связан с предыдущим или последующим (в отличие, например, от MPEG-сжатия). При сжатии кадр разбивается на блоки 8×8 пикселей, и каждый из таких блоков сжимается индивидуально, в соответствии с алгоритмом дискретного косинусного преобразования (DCT).
Общий коэффициент сжатия DV — 5:1. Формат DV изначально предусматривал запись данных на магнитную ленту. На кадр приходится по 12 наклонных дорожек записи (для NTSC — 10), и изображение равномерно распределяется между ними. При этом данные записываются с некоторой избыточностью, что позволяет восстанавливать первоначальное изображение, даже если одна или две из меток (дорожек) записались с дефектами.
Объём MiniDV составляет около 13 гигабайт на один час видео.
5.6. XDCAM
В формате XDCAM используется множество методов видеосжатия и форматов медиаконтейнеров.
Видео может записываться в форматах DV, MPEG-2 Part 2 или MPEG-4. Компрессия DV используется для видео стандартной чёткости, MPEG-2 для сжатия видео стандартной и высокой чёткости, MPEG-4 применяется для создания дополнительной копии видео (Proxy AV) с низким битрейтом.
Звук записывается в несжатом ИКМ-формате для всех форматов, за исключением дополнительного видео.
Устройство записи профессиональных оптических дисков PFD сохраняет цифровые аудио/видео потоки в контейнер MXF. Безленточные видеокамеры, которые записывают на твердотельные накопители SxS Memory Card, сохраняют аудио и видео высокой чёткости в контейнере MP4, и DV видео в контейнере DV-AVI. В видеокамерах JVС формата XDCAM EX также возможна запись в контейнер QuickTime с применением контейнера MP4.
6. Web камеры.
Принцип работы Web-камеры схож с принципом работы любой цифровой камеры или фотоаппарата. Кроме оптического объектива и светочувствительного ПЗС- или КМОП-сенсора обязательным является наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП), основное назначение которого — преобразовывать аналоговые сигналы светочувствительного сенсора, то есть напряжение в цифровой код. Кроме того, необходима система цветоформирования. Другим важным элементом камеры является схема, отвечающая за компрессию данных и подготовку к передаче в нужном формате. В Web-камерах видеоданные передаются в компьютер по USB-интерфейсу, то есть заключительной схемой камеры должен быть контроллер USB-интерфейса.
Аналого-цифровой преобразователь занимается дискретизацией непрерывного аналогового сигнала. Такие преобразователи характеризуются как частотой отсчетов, определяющих промежутки времени, через которые производится замер аналогового сигнала, так и своей разрядностью. Разрядность АЦП – это количество бит, использующихся для представления сигнала. Например, если используется 8-разрядный АЦП, то для представления сигнала имеется 8 бит, которые позволяют задать 256 различных значений. При использовании 10-разрядного АЦП имеется возможность дискретно задавать 1024 различных уровня сигнала.
Учитывая низкую пропускную способность USB-шины (всего 12 Мбит/с, из которых Web-камера использует не более 8 Мбит/с), данные необходимо сжимать перед непосредственной передачей в компьютер. Очевидность этого следует из простого расчета. При разрешении кадра 320×240 пикселов и глубине цвета 24 бита размер кадра в несжатом виде будет составлять 1,76 Мбит. При ширине полосы пропускания USB-канала 8 Мбит/с в несжатом виде можно передавать кадры со скоростью не более 4,5 кадров/с. Однако для получения качественного видео необходима скорость передачи 24 или более кадров/с. Таким образом, становится понятно, что без аппаратного сжатия передаваемой информации функционирование камеры было бы невозможно. Поэтому любой контроллер камеры должен обеспечивать необходимую компрессию данных для передачи их по USB-интерфейсу. Собственно компрессия — это и есть основное назначение USB-контроллера. Обеспечивая необходимую компрессию в реальном времени, контроллер, как правило, позволяет передавать видеопоток со скоростью 10-15 кадров/с при разрешении 640×480 и со скоростью 30 кадров/с при разрешении 320×240 и меньшем.
