Магнитная видеозапись
Изобретение съемочной видеокамеры и видеомагнитофона позволило записывать на магнитную пленку не только звук, но и движущееся изображение.
Однако при записи вдоль магнитной ленты потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10000 раз большая, чем при записи звука). Дело в том, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.
В 1951 г. В. Сэлстед, А. Понятов и М. Столяров (США) разработали конструкцию видеомагнитофона с вращающимися магнитными головками (рис. 6.13).
Рис. 6.13. А. Понятов
Идею применить вращающиеся головки подал Чарльз П. Гинзбург (1920-1992), который приступил к работе в компании А. Понятова Ampex в 1952-м. Приборы видеозаписи того времени работали на излишне высокой скорости - 6 м/с, поэтому расход видеопленки был очень большой.
В своем устройстве Ampex VRX-1000 Гинзбург применил записывающие головки, которые вращались на высокой скорости, что позволило значительно снизить скорость лентопротяжного механизма. Изобретение Гинзбурга предопределило будущее аналоговых аудио- и видеомагнитофонов.
Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с.
До изобретения магнитной видеозаписи все телевизионные передачи велись только в "прямом эфире". Это создавало целый ряд неудобств - ведь все ошибки сразу были видны зрителям. Видеозапись сразу дала возможность осуществлять видеомонтаж телевизионных программ, хранить их и передавать в любое удобное время.
В наши дни съемочная видеокамера и видеомагнитофон стали не только непременным атрибутом телевизионных студий, но широко вошли в быт.
Любительские кинокамеры были практически вытеснены любительскими съемочными видеокинокамерами. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) уже не требуется.
В современных видеокамерах оптическое изображение преобразуется в электрическое с помощью полупроводниковой матрицы из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). В них не используется кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку.
Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. Так, наиболее современные цифровые камеры фирмы Sony формата DV (рис. 6.14) оснащены объективами фирмы Carl Zeiss. В дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием (так называемые трансфокаторы или ZOOM-объективы), обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно не сходя с места приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 и более раз, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.
Рис. 6.14. Современная цифровая видеокамера MiniDV фирмы Sony
Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры - с большой точностью и в широких пределах.
Первоначально в студийных передающих видеокамерах использовали в качестве преобразователя света в электрический сигнал (датчика изображения) видикон. Это вакуумный электронно-лучевой прибор, в котором фоточувствительная мишень служит для построчного считывания изображения.
Видеокамеры при этом имели большие габариты и высокую инерционность, плохую чувствительность, большую потребляемую мощность и короткий срок службы.
Поэтому в современных ручных видеокамерах вместо видикона, так же как и в цифровых фотоаппаратах, применяют ПЗС-матрицы. Именно применение ПЗС-матриц обеспечивает им высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте - при свете костра или свечи.
В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку (рис. 6.15). Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - VHS (Video Home System - домашнее видео). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact. Для воспроизведения в видеомагнитофоне ее помещают в специальный адаптер, имеющий внешние размеры стандартной видеокассеты VHS. Выпускаются видеокассеты VHS с временем записи 120, 180, 195 и 240 минут. Запись на эти кассеты (в отличие от звуковых или аудиокассет) - односторонняя.
Бытовая видеоаппаратура VHS была разработана в 1976 году японской фирмой JVC (Japan Victor Company). Руководил разработкой Сидзуо Такано. Еще в 1974 году японская компания Sony создала бытовую видеоаппаратуру, однако ее система Betamax обеспечивала время записи всего 60 мин., этого было недостаточно для продолжительной записи кинофильмов и спортивных соревнований. Группе С. Такано удалось достичь времени записи сначала 120 мин., а затем 180 и 240 мин. Благодаря этому фирме JVC удалось победить компанию Sony в жесткой конкурентной борьбе. Ее поддержали крупнейшие японские компании Matsushita, Hitachi и Sharp. В результате VHS стала мировым стандартом в бытовой видеоаппаратуре. Все современные видеомагнитофоны рассчитаны на использование видеокассет VHS. Таких видеомагнитофонов в мире выпущено более 750 миллионов.
Рис. 6.15. Современная цифровая видеокамера MiniDV фирмы Sony
Современные видеомагнитофоны кроме основной скорости записи (SP) и воспроизведения имеют уменьшенную вдвое скорость - Long Play (LP). Это позволяет удвоить время записи и воспроизведения стандартной кассеты (правда, с небольшой потерей качества записи).
Так, например, время записи наиболее распространенной кассеты на 180 минут при этом увеличивается до 360.
Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-8 (Hi8). Ширина пленки в них - 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них, для контроля изображения во время видеосъемки, кроме видоискателя снабжены миниатюрным цветным дисплеем на жидких кристаллах. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют с входом телевизора. Однако вставить миниатюрную видеокассету стандарта Video-8 в видеомагнитофон нельзя. Предварительно ее нужно переписать на обычную видеокассету стандарта VHS. При перезаписи видеокассет происходит потеря качества - значительно большая, чем у аудиокассет. Ведь на кассеты VHS и Hi8 видеозапись осуществляется по аналоговому методу.
Рис. 6.16. Современный видеомагнитафон
Переход на цифровой метод записи, осуществленный в наиболее современных видеокамерах, позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи.
В 1995 году консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (Digital Video Cassette) ил DV (Digital Video). Уже в конце 1995 года Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.
DV представляет собой формат записи на магнитную ленту шириной 6,35 мм со скоростью передвижения 18,831 мм/с. Ширина ленты и скорость значительно меньше, чем в аналоговом стандарте VHS, поэтому кассета mini-DV имеет размеры всего 66х48х12,2 мм и рассчитана на время записи 60 мин, а время записи стандартной кассеты DV с габаритами 125х78х14,6 мм может составлять 120, 180 и даже 240 мин. Была предложена еще и DV-кассета с микросхемой памяти для хранения списка записанных видеосюжетов (в том числе временные коды начала и конца каждого видеофрагмента, монтажные метки и номера сцен и дублей).
Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм (рис. 6.17). На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. При этом они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и DV-видеомагнитофон Sony DHR-1000.
Рис. 6.17. Схема видеозаписи на цифровую видеокассету DV (Digital Video) и на аналоговую видеокассету Hi8 по цифровой технологии Digital 8
Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Hi8, применявшейся для аналоговой записи. Кассета Hi8 значительно дешевле цифровой кассеты DV, однако несколько больше ее по габаритам.
Цифровая запись на кассеты Hi8 осуществлена с помощью новых видеокамер Digital 8. Эти камеры можно подсоединять к компьютеру или другому DV-устройству, что дает возможность перезаписывать без потери качества и обеспечивает удобство монтажа записей. Кроме того, с помощью видеокамер Digital 8 можно перевести ранее сделанные аналоговые записи в цифровую форму и даже воспроизводить смешанную запись - и аналоговую, и цифровую. Более широкая лента Hi8 дает возможность записывать ту же информацию, что и в формате DV, но при этом информация о каждом кадре записывается на вдвое меньшем числе дорожек (6 вместо 12). Однако скорость движения ленты при этом увеличена в полтора раза, поэтому на 2-часовую кассету Hi8 помещается только 1 ч 40 мин цифровой записи.
Фирма Hitachi выпустила первую любительскую цифровую видеокамеру без видеокассеты. Изображение в ней записывалось на жесткий съемный диск (так называемый "винчестер") емкостью 260 Мбайт.
Его хватало на 20 минут видеозаписи. Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональном компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Но эту же камеру можно использовать и в качестве цифрового фотоаппарата. Тогда этого объема памяти хватает на 3000 цветных фотоснимков или на 1000 цветных снимков с закадровым звуковым комментарием. Запись ведется со сжатием информации в формате MPEG/JPEG, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера. Главная особенность этой камеры - возможность комбинировать видеофрагменты и фотографии.
В любой современной видеокамере есть фоторежим, дающий возможность записывать стоп-кадры на видеоленту, а в самых новых - на флэш-карту. В новейших цифровых фотоаппаратах появился режим видеосъемки коротких видеофрагментов. Но обычно качество фотографий в видеокамерах и сделанного фотоаппаратом видео - невысокое.
Фирма Panasonic выпустила камеру-"трансформер", способную превращаться в фотоаппарат или видеокамеру. Она состоит из общего оптического модуля, включающего в себя объектив с преобразователем, жидкокристаллический дисплей и видоискатель, и два отдельных функциональных блока: фотоблок со встроенной вспышкой и видеоблок с лентопротяжным механизмом и батареей питания. В оптическом модуле применяется ПЗС-матрица на 1,08 млн пикселей, обеспечивающая высокое качество как фотографий, так и видеосъемки.
До недавнего времени самой компактной кассетой была miniDV. Но ей на смену приходит новый формат MICRO MV Sony. Эта фирма впервые использовала в бытовых видеокамерах более эффективный метод сжатия информации. Благодаря этому размер новой видеокассеты втрое меньше, чем у miniDV (рис. 6.18).
Рис. 6.18. Видеокарта формата Micro MV фирмы Sony
Особенностью этих миникамер является возможность записи изображения на карты флэш-памяти Memory Stick.
При этом на карту Memory Stick емкостью 8 Мбайт входит 5 минут видеозаписи, а на 128-мегабайтную - 82 минуты видеозаписи.
В наиболее совершенных видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические DVD-RW диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в DVD-плейер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных, с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на DVD-диске составляет 30 мин., а в режиме "экономии" - 60 мин, с некоторым понижением качества видеоизображения. На таком диске объемом 4,7 Гбайта помещается до 2000 фотографий высокого качества. DVD-технология обеспечивает мгновенный доступ к любому кадру, в отличие от "пленочных" камер, в которых для просмотра нужного кадра магнитную пленку нужно предварительно перемотать. С помощью специальных программ DVD-видеокамеры обеспечивают удобный компьютерный монтаж видеофильмов. Снимать рекомендуется на перезаписываемый диск DVD-RW, несмотря на его более высокую цену, а хранить записи - на обычных записываемых дисках DVD-R.
Все перечисленные модели видеокамер содержат сложные механизмы лентопротяжки или привода DVD-дисков.
Наиболее революционной моделью в настоящее время является сверхминиатюрная видеокамера Panasonic SV-AV100E, вообще не содержащая механических подвижных узлов. Запись видео и фотоснимков в ней осуществляется на карту флэш-памяти SD. Форматы записи - MPEG-2 или MPEG-4. В режиме максимального разрешения MPEG-2 (705х576 точек) картинка сопоставима по качеству с записью на DVD-диск. Камера оснащена ЖК-дисплеем с диагональю 2,5 дюйма. Карта флэш-памяти SD объемом 512 Мбайт обеспечивает время видеосъемки 10 мин с максимальным разрешением. При съемке в формате MPEG-4 с заметно пониженным разрешением этой карты хватает на 10 ч записи. Габариты видеокамеры - всего 33х90х65 мм, а вес - 156 г.
Рис. 6.19. Видеокамера фирмы Sony с записью на DVD
Рис. 6.20. Цифровая видеокамера Panasonic SV-AV100E с записью на карту флэш-памяти
Именно таким цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее.
Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.
Для того чтобы сделать снимок, нужно получить оптическое изображение и уметь его закрепить. За первый процесс "отвечает" физика, а за второй - химия. Но это касается традиционного фотографического процесса.
В новейшей так называемой цифровой фотографии закрепить оптическое изображение также позволяет физика, а не химия. Для этого оно превращается в электрический сигнал. Вместо традиционной фотопленки в ней используются современные носители информации - матрицы, которые состоят из множества микроскопических элементов - пикселей. Это так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС).
В 1975 году инженер Стив Сассон, работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1981 году Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica имела разрешение 570x490 пикселей (0,28 Мп). Устройством цифровой памяти в нем служила широко распространенная дискета. Но объем ее памяти составлял всего 1,44 Мб. Поэтому все дальнейшие цифровые фотокамеры используют в качестве устройства цифровой памяти карточки флэш-памяти. Это позволило не только значительно увеличить память, но и значительно уменьшить габариты цифровых фотокамер.
Рис. 6.21. ПЗС-матрица
Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера.
Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.
А дальше эти запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей доходит до 3-4 и даже 7 миллионов (мегапикселей).
Цифровой фотоаппарат снабжен дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки (рис. 6.22). Никакого проявления и закрепления изображения при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно "стереть" и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив и камера-обскура, в которой помещается светочувствительная ПЗС-матрица.
Рис. 6.22. Цифровой фотоаппарат
В цифровой фотографии полностью исключается использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра, существующих уже более 100 лет!
Еще одно преимущество цифровых фотокамер - это возможность делать не только фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью несколько минут, причем со звуком. Для этого большая часть цифровых фотокамер снабжается встроенным микрофоном.
Качество "цифровых" снимков быстро догоняет качество обычных. Можно смело предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.
Такие носители информации, как бумага, перфолента и перфокарта, грампластинка, магнитная пленка, фотографическая бумага и кинопленка, были самыми распространенными в середине XX века.
