Принцип роботи відеокамери: опис, будова, характеристики

У більшості країн світу відеокамери давно стали звичним явищем. Люди беруть їх на шкільні вистави, спортивні заходи, сімейні зустрічі і навіть на пологи. В популярному у туристів місці їх можна побачити всюди. Відеокамери завоювали міцні позиції в США, Японії і багатьох інших країнах, оскільки являють собою дуже затребувану технологію. Але як таке маленьке пристрій може робити так багато? Народилися до 1980-х дивує те, що якісні моделі тепер легко доступні, і що вони настільки прості у використанні. У цій статті розглянуто принцип роботи і пристрій відеокамери.

Базова конструкція

Звичайна аналогова відеокамера складається з двох основних частин: Секції, що включає ПЗС-матрицю, об'єктив і двигуни управління зумом, фокусуванням і діафрагмою; зменшеного в розмірах відеомагнітофона. Принцип роботи відеокамери полягає в тому, що вона отримує візуальну інформацію і перетворює її в електронний сигнал. Відеомагнітофон схожий на звичайний, підключається до телевізору: на нього надходить сигнал, і він записує його на касету.


Третій компонент, видошукач, теж отримує відеозображення, тому користувач може бачити, що знімає. Це маленький чорно-білий або кольоровий дисплей, але багато сучасні моделі додатково обладнуються великими кольоровими РК-екранами. Існує багато форматів аналогових відеокамер з безліччю додаткових функцій, але описаний дизайн є основним. Розрізняються вони в тому, які касети в них використовуються. Пристрій і принцип роботи цифрових відеокамер схожі з аналоговими, але у них є додатковий елемент, перетворюють інформацію в байти даних. Замість запису відеосигналу як безперервної послідовності магнітних імпульсів, він зберігається як нулі та одиниці. Цифрові відеокамери популярні, оскільки дозволяють легко копіювати відео без втрати будь-якої інформації. Аналогова ж запис «зникає» з кожною копією – вихідний сигнал не відтворюється точно. Відеоінформація в цифровий формі може бути завантажена на комп'ютер, де його можна редагувати, копіювати, відправляти по електронній пошті і т. д.

Сенсор зображення

Як і фотоапарат, відеокамера «бачить» світ через об'єктив. Оптика необхідна для фокусування світла зі сцени на плівку, оброблену світлочутливими хімічними речовинами. Таким чином, фотоапарат фіксує те, що знаходиться перед ним. Він збирає більше світла від яскравих ділянок сцени і менше від темних. Об'єктив відеокамери також служить для фокусування, але замість плівки в ній використовується невеликий напівпровідниковий датчик зображення. Цей сенсор реєструє світло з допомогою матриці з мільйонів крихітних фотодіодів. Кожен з них вимірює кількість фотонів, яке потрапляє у певну точку, і переводить цю інформацію у електрони (електричні заряди): більш яскраве зображення представлено більше високим зарядом, а більш темний – низьким. Подібно до того як художник малює сцену, виділяючи темні області світлими, сенсор створює відео шляхом реєстрації інтенсивності світла. Під час відтворення ця інформація керує яскравістю пікселів дисплея.
Звичайно, вимірювання світлового потоку дає тільки чорно-біле зображення. Щоб отримати кольорове, необхідно визначити не тільки загальний рівень освітленості, а також рівні для кожного кольору. Повний спектр можна відтворити, комбінуючи лише 3 з них – червоний, зелений і синій. Тому принцип роботи відеокамер заснований на використанні тільки цих квітів. У деяких моделях сигнал розділяється на 3 варіанти одного і того ж зображення для рівнів червоного, зеленого і синього світла. Кожен з них захоплюється власним чіпом. Потім вони складаються, і основні кольори змішуються для отримання повнокольорового зображення. Цей простий метод дозволяє отримати насичене відео з високою роздільною здатністю. Фотодіодні ПЗС-матриці коштують дорого і споживають багато енергії, а використання 3 датчиків значно збільшує виробничі витрати. Більшість відеокамер обладнується лише одним сенсором з постійними кольоровими фільтрами для окремих фотодіодів. Певна їх частина вимірює тільки рівні червоного, інша – зеленого, а решта – синього. Кольори розподілені у вигляді сітки (наприклад, фільтра Байера), так що процесор відеокамери може отримати уявлення про колірних рівнях у всіх частинах екрану. Цей метод вимагає інтерполяції даних, що надходять на кожен фотодіод, шляхом аналізу інформації, отриманої його сусідами.

Формування сигналу

Оскільки відеокамери знімають рухомі зображення, їх сенсори мають додаткові фрагменти, яких немає в датчиках цифрових камер. Для створення відеосигналу вони повинні щомиті робити безліч знімків, які потім об'єднуються, створюючи враження переміщення. Для цього відеокамера захоплює кадр і черезрядково записує його. За датчиком зображення знаходиться інший сенсорний шар. Для кожного поля видеозаряды переходять на нього, а потім послідовно передаються. В аналогової відеокамери цей сигнал надходить на відеомагнітофон, який записує його (разом з інформацією про кольорі) на відеоплівці у вигляді магнітних імпульсів. Поки другий шар передає дані, перший захоплює чергове зображення. Принцип роботи відеокамери цифрового типу в основному такою ж, за винятком того, що на останньому етапі аналого-цифровий перетворювач перетворює сигнал в байти даних. Камера записує на носій, який може бути магнітною стрічкою, жорстким диском, DVD або флеш-пам'яттю. Цифрові моделі з чересстрочной розгорткою зберігають кожен кадр у вигляді двох полів так само, як і аналогові. Камери з прогресивною розгорткою записують відео покадрово.

Об'єктив

Як згадувалося раніше, першим кроком при запису відеозображення є фокусування світла на матриці. Принцип роботи об'єктива відеокамери полягає в наступному. Щоб камера могла записати чітку картину об'єкта перед нею, необхідно сфокусувати оптику, тобто пересунути її так, щоб промені, які виходять від об'єкта зйомки, потрапляли точно на сенсор. Подібно фотоапаратів, відеокамери дозволяють переміщати об'єктив, щоб фокусувати світло.

Автофокусування

Більшості людей потрібно рухатися і знімати різні об'єкти на різних відстанях, і постійна перефокусування надзвичайно складна. Ось чому на всіх відеокамерах є пристрій автоматичного фокусування. Зазвичай це інфрачервоний промінь, що відбивається від об'єктів в центрі кадру і повертається до датчика камери. Щоб визначити відстань до об'єкта, процесор обчислює, скільки часу потрібно, щоб промінь відбився і повернувся, примножує це значення на швидкість світла і ділить твір на два (тому що він пройшов відстань двічі – до об'єкта і назад). У відеокамері є невеликий двигун, який переміщує оптику, фокусуючи її на обчислене відстань. Зазвичай це працює досить добре, але іноді доводиться дистанцію визначати заново – наприклад, коли потрібно сфокусуватися на чомусь не в центрі кадру, оскільки автофокус реагує на те, що знаходиться прямо перед об'єктивом.

Оптичний і цифровий зум

Відеокамери також оснащені зум-об'єктивом. Завдяки цьому можна наблизити сцену, збільшивши фокусна відстань (між оптикою і плівкою або сенсором). Об'єктив з оптичним зумом являє собою єдиний блок, який дозволяє переходити від одного збільшення до іншого. Діапазон масштабування говорить про максимальному і мінімальному збільшенні. Щоб зум було простіше використовувати, більшість відеокамер обладнано двигуном, який переміщує оптику у відповідь на натискання кнопки на ручці. Одна з переваг цього полягає в тому, що можна легко керувати збільшенням, не використовуючи другу руку. Крім того, мотор переміщує об'єктив з постійною швидкістю, і масштабування виходить більш плавним. Однак двигун виснажує заряд батареї.
Деякі відеокамери мають т. зв. цифровий зум. Користувачі не радять його використовувати, оскільки він взагалі не пов'язаний з об'єктивом, а просто збільшує частина знімка, захопленого сенсором. При цьому приноситься в жертву дозвіл, оскільки використовується лише частина площі датчика. У результаті відео виходить менш чітким.

Експозиція

Однією з чудових особливостей камери є автоматичне підстроювання до різних рівнів освітленості. Сенсор дуже чутливий до пере - або недоэкспонированию, оскільки діапазон сигналів, що надходять від кожного фотодіода, обмежений. Відеокамера контролює їх рівень і регулює діафрагму, зменшуючи або збільшуючи потік світла через лінзи. Процесор постійно підтримує хороший контраст, щоб зображення не виглядали занадто темними або нечіткими.

Принцип роботи відеокамер спостереження

Такі камери стануть в нагоді тим, хто бажає знати, що відбувається під час їх відсутності. Необхідність в них може виникнути з різних причин. Наприклад, батьки можуть захотіти спостерігати за сплячою дитиною і зменшити ризик небезпечного падіння з ліжка. А камери навколо будинку дозволять бачити людей, які підходять до вхідних дверей і, можливо, навіть допоможуть знайти злочинця, який вчинив злом. Вихідний сигнал камери передається, обробляється, знову перетворюється в зображення і при необхідності записується. Передати відео можна по коаксіальному кабелю або кручений парі, а також по бездротовій мережі. Обробка сигналу проводиться відеореєстраторові, сервері або комп'ютер із платою захоплення відео. Зображення виводиться на монітор. Принцип роботи відеокамер зовнішнього спостереження полягає в тому, що вони встановлюються на воротах, будівлях, інших спорудах з метою моніторингу відбувається в режимі реального часу. Як правило, це великі, помітні пристрої, сам вигляд яких дає стороннім зрозуміти, що вони знаходяться під наглядом. Принцип роботи бездротових відеокамер засновано на трансляції зображення по бездротовій мережі. Однак інші пристрої, такі як Wi-Fi-роутери та мобільні телефони здатні переривати їх сигнал. Крім того, бездротова передача може бути перехоплена, що суперечить цілям забезпечення безпеки. Тому користувачі радять переконатися в наявності надійного шифрування сигналу. Принцип роботи прихованих відеокамер заснований на використанні об'єктивів точкового типу з вихідним отвором в кілька міліметрів і широким кутом огляду. Це дозволяє встановлювати їх в побутову техніку і предмети інтер'єру.

Поради щодо вибору аналогових форматів

Аналогові камери записують відео і аудіо у вигляді аналогової доріжки з магнітної стрічки. Експерти не рекомендують користуватися ними, оскільки при копіюванні якість зображення і звуку неминуче знижується. Крім того, в аналогових форматах відсутній ряд функцій цифрових відеокамер. Основна відмінність між ними полягає в типі касети і дозволі. До основних форматів аналогових відеокамер відносяться: Стандарт VHS. В камерах даного типу використовується та ж магнітна стрічка, що і в звичайних відеомагнітофонах. Це спрощує перегляд відзнятого матеріалу. Такі касети недорогі і забезпечують тривалий час запису. Основним недоліком формату VHS є необхідність у громіздкому дизайні відеокамери. Дозвіл складає 230-250 горизонтальних рядків, що є нижньою межею в пристроях цього типу. У VHS-C-камерах використовується стандартна VHS-стрічка, але в більш компактній касеті. Запис можна відтворювати на звичайному відеомагнітофоні, але для цього потрібно повнорозмірний адаптер. В принципі, робота відеокамери формату VHS-C схожа на VHS. Менший розмір касети дозволяє створювати більш компактні конструкції, але час запису скорочується до 30-45 хвилин. Super VHS-камери мають приблизно ті ж розміри, що і VHS, тому що вони використовують картриджі того ж формату. Відмінність полягає в тому, що записуване дозвіл одно 380-400 рядками. Такі касети не можна відтворити на відеомагнітофоні, але саму камеру можна підключити безпосередньо до телевізора. Super VHS-C відповідає стандарту VHS, але це більш компактна версія, яка використовує картридж меншого розміру. 8-мм відеокамери теж відрізняються невеликими касетами. Це дозволяє випускати більш компактні моделі, що забезпечують дозвіл, яке відповідає стандарту VHS, з трохи кращою якістю звуку. Тривалість запису – близько 2 ч. Стандарт Hi-8 схожий на 8-мм, але забезпечує набагато більшу роздільну здатність – близько 400 рядків.

Поради з вибору цифрових форматів

Принцип роботи цифрових відеокамер відрізняється від аналогових тим, що інформація в них записується у цифровому вигляді, завдяки чому зображення відтворюється без втрати якості. Таке відео можна завантажити на комп'ютер, де його можна відредагувати або опублікувати в інтернеті. Воно має набагато краще дозвіл. Широко використовуються наступні формати: MiniDV відрізняється компактними касетами, які вміщують 60-90 хвилин відеоматеріалу з дозволом 500 рядків. Камери цього типу надзвичайно легкі й компактні. Можливий захоплення нерухомих зображень. Формат Sony MicroMV працює так само, але використовує касети меншого розміру. Digital8 використовує стандартну Hi-8mm-плівку на 60 хвилин запису. Моделі даного типу, як правило, трохи більше, ніж DV. DVD-камери, що зберігають відео безпосередньо на маленькі оптичні диски. Основною перевагою цього формату є запис кожного сеансу окремим треком. Замість перегляду і швидкого перемотування, можна одразу перейти до потрібної частини відео. Крім цього, DVD-камери досить близькі до моделей MiniDV, але можуть зберігати більше відео – від 30 хв до 2 ч. DVD-R і DVD-RAM складають 3/4 розміру дисків DVD. Недоліком є те, що записувати на них можна тільки один раз. Їх можна відтворювати на звичайних DVD-програвачах. Подібно касетам MiniDV, потрібно або використовувати камеру в якості програвача або скопіювати фільм в інший формат. Карта пам'яті – найбільш популярний спосіб відеозапису. Ролики зберігаються безпосередньо на твердотілі карти, такі як флеш-пам'ять, Memory Stick або SD.

На закінчення

Сьогодні кожен може придбати недорогу камеру, а програми редагування спрощують процес обробки до такої міри, що кожен в змозі його швидко освоїти. Навіть низькоякісні аналогові моделі володіють багатьма корисними функціями, які нескладно освоїти і створювати якісні фільми. Технологія, яка колись була ексклюзивною областю професійного телебачення, стала доступна для любителів. Новітні відеокамери, безумовно, можуть запропонувати багато і бажаючим запам'ятати день народження або концерт, і начинателям амбітних вимог.