W większości krajów świata kamery wideo od dawna są powszechne. Ludzie zabierają je na szkolne przedstawienia, imprezy sportowe, zjazdy rodzinne, a nawet narodziny. W miejscu popularnym wśród turystów można je zobaczyć wszędzie. Kamery zyskały silną pozycję w Stanach Zjednoczonych, Japonii i wielu innych krajach, ponieważ stanowią bardzo poszukiwaną technologię.
Ale jak tak małe urządzenie może tyle zrobić? Osoby urodzone przed latami 80. są zdziwione, że wysokiej jakości modele są teraz łatwo dostępne i tak łatwe w użyciu. W tym artykule opisano zasadę działania i urządzenie kamery wideo.
Podstawowa konstrukcja
Tradycyjna analogowa kamera wideo składa się z dwóch głównych części:
- Sekcja obejmująca silniki CCD, obiektywu i zoomu, ostrości i sterowania przysłoną;
- zmniejszony magnetowid.
Jak działa kamera wideopolega na tym, że odbiera informacje wizualne i przekształca je w sygnał elektroniczny. Magnetowid jest podobny do zwykłej nagrywarki podłączonej do telewizora: odbiera sygnał i nagrywa go na kasecie.
Trzeci element, wizjer, również odbiera obraz wideo, dzięki czemu użytkownik może zobaczyć, co jest filmowane. Jest to mały czarno-biały lub kolorowy wyświetlacz, ale wiele nowoczesnych modeli jest wyposażonych w duże, pełnokolorowe ekrany LCD. Istnieje wiele formatów kamer analogowych z wieloma dodatkowymi funkcjami, ale opisana konstrukcja jest najważniejsza. Różnią się one używanymi kasetami.
Urządzenie i zasada działania kamer cyfrowych są podobne do kamer analogowych, ale posiadają dodatkowy element konwertujący informacje na bajty danych. Zamiast rejestrować sygnał wideo jako ciągłą sekwencję impulsów magnetycznych, jest on zapisywany jako zera i jedynek. Kamery cyfrowe są popularne, ponieważ ułatwiają kopiowanie filmów bez utraty jakichkolwiek informacji. Nagrywanie analogowe „znika” z każdą kopią – oryginalny sygnał nie jest dokładnie odtwarzany. Informacje wideo w formie cyfrowej można pobrać na komputer, gdzie można je edytować, kopiować, wysyłać pocztą e-mail itp.
Czujnik obrazu
Tak jak kamera, kamera „widzi” świat przez obiektyw. Optyka jest potrzebna do skupienia światła ze sceny na kliszy potraktowanej światłoczułymi chemikaliami. W ten sposób kamera rejestruje to, co jestprzed nim. Zbiera więcej światła z jasnych części sceny, a mniej z ciemnych. Obiektyw kamery wideo również służy do ustawiania ostrości, ale zamiast filmu wykorzystuje mały półprzewodnikowy czujnik obrazu. Ten czujnik wykrywa światło za pomocą szeregu milionów maleńkich fotodiod. Każdy z nich mierzy liczbę fotonów, które trafiają w określony punkt i przekłada tę informację na elektrony (ładunki elektryczne): jaśniejszy obraz jest reprezentowany przez wyższy ładunek, a ciemniejszy obraz przez niższy. Podobnie jak artysta maluje scenę, podkreślając ciemne obszary jasnymi obszarami, czujnik tworzy wideo, wykrywając natężenie światła. Podczas odtwarzania informacje te sterują jasnością wyświetlanych pikseli.
Oczywiście pomiar strumienia świetlnego daje tylko obraz czarno-biały. Aby uzyskać kolor, musisz określić nie tylko ogólny poziom oświetlenia, ale także poziomy dla każdego koloru. Pełne widmo można odtworzyć łącząc tylko 3 z nich - czerwoną, zieloną i niebieską. Dlatego zasada działania kamer wideo opiera się na wykorzystaniu tylko tych kolorów.
Niektóre modele dzielą sygnał na 3 wersje tego samego obrazu dla poziomów światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Każdy z nich jest przechwytywany przez własny chip. Następnie są one dodawane do siebie, a kolory podstawowe są mieszane, aby utworzyć obraz w pełnym kolorze.
Ta prosta metoda pozwala uzyskać bogate, wysokiej rozdzielczości wideo.
CCD z fotodiodami są drogie, zużywają dużo energii i są używane3 czujniki znacznie zwiększają koszty produkcji. Większość kamer wideo jest wyposażona tylko w jeden czujnik ze stałymi filtrami barwnymi dla poszczególnych fotodiod. Niektóre z nich mierzą tylko poziomy czerwone, niektóre tylko poziomy zielone, a pozostałe mierzą poziomy niebieskie. Kolory są rozmieszczone we wzorze siatki (takim jak filtr Bayera), dzięki czemu procesor kamery może uzyskać wyobrażenie o poziomach kolorów we wszystkich częściach ekranu. Ta metoda wymaga interpolacji danych odebranych przez każdą fotodiodę poprzez analizę informacji odebranych przez jej sąsiadów.
Kształtowanie sygnału
Ponieważ kamery rejestrują ruchome obrazy, ich czujniki mają dodatkowe elementy, których nie ma w czujnikach aparatów cyfrowych. Aby stworzyć sygnał wideo, muszą wykonać wiele ujęć na sekundę, które następnie są łączone, dając wrażenie ruchu.
Aby to zrobić, kamera przechwytuje klatkę i nagrywa ją z przeplotem. Za przetwornikiem obrazu znajduje się kolejna warstwa przetwornika. Dla każdego pola przesyłane są do niego opłaty wideo, a następnie przesyłane sekwencyjnie. W analogowej kamerze wideo sygnał ten jest przesyłany do magnetowidu, który rejestruje go (wraz z informacją o kolorze) na taśmie wideo w postaci impulsów magnetycznych. Podczas gdy druga warstwa przesyła dane, pierwsza przechwytuje następny obraz.
Zasada działania cyfrowej kamery wideo jest zasadniczo taka sama, z wyjątkiem tego, że w ostatnim kroku przetwornik analogowo-cyfrowy przekształca sygnał na bajty danych. Kamera zapisuje je na nośniku, którym może być taśma magnetyczna, twardadysk, DVD lub pamięć flash. Modele cyfrowe z przeplotem przechowują każdą klatkę jako dwa pola w taki sam sposób, jak modele analogowe. Kamery ze skanowaniem progresywnym nagrywają wideo klatka po klatce.
Obiektyw
Jak wspomniano wcześniej, pierwszym krokiem w nagrywaniu obrazu wideo jest skupienie światła na czujniku. Zasada działania obiektywu aparatu jest następująca. Aby kamera uchwyciła wyraźny obraz obiektu znajdującego się przed nią, konieczne jest wyostrzenie optyki, czyli przemieszczenie jej tak, aby promienie emanujące z obiektu padły dokładnie na czujnik. Podobnie jak aparaty fotograficzne, kamkordery umożliwiają przesuwanie obiektywu w celu skupienia światła.
Autofokus
Większość ludzi musi poruszać się i fotografować różne obiekty z różnych odległości, a ciągłe ustawianie ostrości jest niezwykle trudne. Dlatego wszystkie kamery mają urządzenie z autofokusem. Jest to zwykle wiązka podczerwieni, która odbija się od obiektów w środku kadru i wraca do czujnika aparatu.
Aby określić odległość do obiektu, procesor oblicza, ile czasu zajmuje wiązka odbicia i powrotu, pomnóż tę wartość przez prędkość światła i podziel iloczyn przez dwa (ponieważ odległość przebyła dwukrotnie - do obiektu iz powrotem). Kamera posiada mały silnik, który przesuwa optykę, aby ustawić ostrość na obliczoną odległość. Zwykle działa to całkiem nieźle, ale czasami trzeba przedefiniować odległość – np. gdy chcesz skupić się na czymś, co nie jest w centrum kadru,ponieważ autofokus reaguje na to, co znajduje się bezpośrednio przed obiektywem.
Zoom optyczny i cyfrowy
Kamery są również wyposażone w obiektyw zmiennoogniskowy. Pozwala to na zbliżenie sceny poprzez zwiększenie ogniskowej (pomiędzy optyką a filmem lub czujnikiem). Obiektyw z zoomem optycznym to pojedyncza jednostka, która umożliwia przechodzenie od jednego powiększenia do drugiego. Zakres zoomu wskazuje maksymalne i minimalne powiększenie. Aby ułatwić korzystanie z zoomu, większość kamkorderów jest wyposażona w silnik, który przesuwa optykę w odpowiedzi na naciśnięcie przycisku na uchwycie. Jedną z zalet jest to, że możesz łatwo kontrolować powiększenie bez użycia drugiej ręki. Dodatkowo silnik porusza obiektywem ze stałą prędkością, a zoom jest płynniejszy. Jednak silnik rozładowuje akumulator.
Niektóre kamery mają tzw. zoom cyfrowy. Użytkownicy nie radzą jej używać, ponieważ w ogóle nie jest kojarzona z obiektywem, a po prostu powiększa część obrazu uchwyconego przez czujnik. Poświęca to rozdzielczość, ponieważ wykorzystywana jest tylko część obszaru czujnika. W rezultacie obraz jest mniej wyraźny.
Ekspozycja
Jedną ze wspaniałych funkcji aparatu jest automatyczne dostosowanie do różnych poziomów oświetlenia. Czujnik jest bardzo czuły na prześwietlenie lub niedoświetlenie, ponieważ zakres sygnałów z każdej fotodiody jest ograniczony. Kamera monitoruje ich poziom i dostosowuje przysłonę, aby zmniejszyć lubzwiększenie przepływu światła przez soczewki. Procesor przez cały czas utrzymuje dobry kontrast, dzięki czemu obrazy nie są zbyt ciemne lub wyblakłe.
Zasada działania kamer monitorujących
Takie kamery przydadzą się tym, którzy chcą wiedzieć, co dzieje się podczas ich nieobecności. Potrzeba ich może powstać z różnych powodów. Na przykład rodzice mogą chcieć obserwować śpiące dziecko i zmniejszać ryzyko niebezpiecznego wypadnięcia z łóżeczka. A kamery wokół domu pozwolą Ci zobaczyć ludzi podchodzących do drzwi wejściowych, a może nawet pomogą Ci znaleźć włamywacza.
Dane wyjściowe z kamery są przesyłane, przetwarzane, konwertowane z powrotem na obraz i nagrywane w razie potrzeby. Wideo może być przesyłane kablem koncentrycznym lub skrętką, a także przez sieć bezprzewodową. Przetwarzanie sygnału odbywa się w rejestratorze wideo, serwerze lub komputerze PC z kartą przechwytującą wideo. Obraz jest wyświetlany na monitorze.
Zasada działania zewnętrznych kamer monitorujących polega na tym, że są one instalowane na bramach, budynkach i innych konstrukcjach w celu monitorowania tego, co się dzieje w czasie rzeczywistym. Z reguły są to duże, rzucające się w oczy urządzenia, których sam widok uświadamia osobom postronnym, że są pod obserwacją.
Zasada działania bezprzewodowych kamer wideo opiera się na przesyłaniu obrazu przez sieć bezprzewodową. Jednak inne urządzenia, takie jak routery Wi-Fi i telefony komórkowe, mogą zakłócać ich sygnał. Ponadto transmisja bezprzewodowa może zostać przechwycona, cosprzeczne z celami bezpieczeństwa. Dlatego zaleca się użytkownikom upewnienie się, że sygnał jest bezpiecznie zaszyfrowany.
Zasada działania kamer ukrytych opiera się na zastosowaniu obiektywów typu punktowego z otworem wyjściowym o długości kilku milimetrów i szerokim kącie widzenia. Pozwala to na zainstalowanie ich w sprzęcie AGD i elementach wyposażenia wnętrz.
Wskazówki dotyczące wyboru formatów analogowych
Kamery analogowe rejestrują obraz i dźwięk jako analogową ścieżkę na taśmie. Eksperci nie zalecają ich używania, ponieważ podczas kopiowania jakość obrazu i dźwięku nieuchronnie spada. Ponadto formatom analogowym brakuje wielu funkcji cyfrowych kamer wideo. Główną różnicą między nimi jest typ kasety i rozdzielczość. Główne formaty kamer analogowych to:
- Standard VHS. Ten typ kamery wykorzystuje tę samą taśmę magnetyczną, co konwencjonalne magnetowidy. Ułatwia to przeglądanie materiału filmowego. Te kasety są niedrogie i zapewniają długi czas nagrywania. Główną wadą formatu VHS jest konieczność zastosowania nieporęcznej konstrukcji kamery. Rozdzielczość to 230-250 linii poziomych, co stanowi dolny limit dla tego typu urządzeń.
- Kamery VHS-C używają standardowej taśmy VHS, ale w bardziej kompaktowej kasecie. Nagranie można odtworzyć na zwykłym magnetowidzie, ale wymaga pełnowymiarowego adaptera. W zasadzie działanie kamery VHS-C jest podobne do VHS. Mniejszy rozmiar kasety pozwalatworzyć bardziej zwarte struktury, ale czas nagrywania skraca się do 30-45 minut.
- Kamery Super VHS są mniej więcej tego samego rozmiaru co VHS, ponieważ wykorzystują kasety o tym samym formacie. Różnica polega na tym, że rozdzielczość zapisu wynosi 380-400 linii. Tych taśm nie można odtwarzać na magnetowidzie, ale samą kamerę można podłączyć bezpośrednio do telewizora.
- Super VHS-C jest zgodny ze standardem VHS, ale jest bardziej kompaktową wersją wykorzystującą mniejszą kasetę.
- 8mm kamkordery są również wyposażone w małe kasety. Pozwala to na produkcję mniejszych modeli, które dostarczają rozdzielczości zgodne ze standardem VHS z nieco lepszą jakością dźwięku. Czas nagrywania - około 2 godziny.
- Standard Hi-8 jest podobny do 8mm, ale zapewnia znacznie wyższą rozdzielczość, około 400 linii.
Wskazówki dotyczące wyboru formatów cyfrowych
Zasada działania cyfrowych kamer wideo różni się od analogowych tym, że zawarte w nich informacje są zapisywane w postaci cyfrowej, dzięki czemu obraz jest odtwarzany bez utraty jakości. Taki film można pobrać na komputer, gdzie można go edytować lub opublikować w Internecie. Ma znacznie lepszą rozdzielczość. Powszechnie stosowane są następujące formaty:
- MiniDV zawiera kompaktowe kasety, które mieszczą 60-90 minut materiału filmowego w 500 liniach. Ten typ aparatu jest niezwykle lekki i kompaktowy. Przechwytywanie nieruchomych obrazów jest możliwe.
- Format Sony MicroMVdziała tak samo, ale używa mniejszych kaset.
- Digital8 używa standardowej taśmy Hi-8mm do 60 minut nagrywania. Modele tego typu są zwykle nieco większe niż DV.
- Kamery DVD zapisują wideo bezpośrednio na małych dyskach optycznych. Główną zaletą tego formatu jest to, że każda sesja jest nagrywana jako osobna ścieżka. Zamiast przewijać do tyłu i do przodu, możesz przejść bezpośrednio do żądanej części filmu. Poza tym kamery DVD są bardzo zbliżone do modeli MiniDV, ale mogą przechowywać więcej wideo od 30 minut do 2 godzin.
- DVD-R i DVD-RAM mają rozmiar 3/4 płyt DVD. Minusem jest to, że możesz do nich napisać tylko raz. Nie można ich odtwarzać na konwencjonalnych odtwarzaczach DVD. Podobnie jak w przypadku kaset MiniDV, musisz użyć aparatu jako odtwarzacza lub skopiować film do innego formatu.
- Karta pamięci to najpopularniejszy sposób nagrywania wideo. Klipy są zapisywane bezpośrednio na kartach półprzewodnikowych, takich jak pamięć flash, Memory Stick lub SD.
Na zakończenie
Dziś każdy może kupić niedrogi aparat, a programy do edycji upraszczają proces montażu do tego stopnia, że każdy może go szybko opanować.
Nawet modele analogowe niskiej jakości mają wiele przydatnych funkcji, które są łatwe do nauczenia i tworzenia wysokiej jakości filmów. Technologia, która kiedyś była wyłączną domeną profesjonalnej telewizji, jest teraz dostępna dla hobbystów. Najnowsze kamery z pewnością mają wiele do zaoferowania i dla tych, którzy chcą uwiecznić urodziny lubkoncert i start-upy ambitnych projektów wideo.
