Устинов В.А.
Совершенствование теле- и
видеокамер
(сокращенный
вариант)
Придет ли КМОП-матрица
на смену ПЗС-матрице?
Относительно недавно
произошел необратимый переход от
передающих трубок в съемочных
камерах к ПЗС-матрицам, имеющим
меньшие размеры, стоимость и
повышенную надежность. Однако
появились признаки того, что в
ближайшие годы на смену
ПЗС-матрицам придут КМОП-матрицы,
которые обеспечат значительное
снижение стоимости камер и
формирование изображения более
высокого качества и с более высоким
разрешением (см. ТКТ, 2003, № 6, с. 3).
Фирма Arri (Германия) выпустила
экспериментальную камеру D20 на
одной КМОП-матрице с растром Байера
(см. ТКТ, 2003, № 11, с. 7), которая может
успешно конкурировать с
изображением на кинопленке. На
выставке IBC2003 фирма JVC представила
работающий образец HD-камеры на трех
КМОП-матрицах (там же, с. 9). Фирма
Thomson также ощутила большой
потенциал, заложенный в новой
технологии видеосъемки. Один из
ведущих специалистов этой фирмы
сообщил: «Еще рано говорить о том,
полностью ли заменит КМОП-матрица
ПЗС-матрицу, которая также
подвергается значительным
усовершенствованиям. У
КМОП-датчиков есть ряд ограничений
по эксплуатационным параметрам,
что может серьезно повлиять на
массовое внедрение их в сектор
производства высококачественных
видеокамер».
После проведения серьезной
научно-исследовательской работы по
оценке эксплуатационных
параметров матриц с
КМОП-структурой фирма Arri впервые в
мировой практике использовала
КМОП-кристалл при разработке
нового считывающего блока для
телекинодатчика (ТКД) Arriscan (там же,
с. 9).
Камера D20 модульной конструкции
была разработана с частичным
привлечением средств из фонда ЕС,
финансировавшего работы по проекту
MetaVision. Она имеет
усовершенствованную шину данных на
скорость 10 Гбит/с, которая снабжена
тремя выходами: сигнал ТВЧ
реального времени (качество
изображения выше, чем у
выпускающихся ТВЧ-камер), сигнал
ТСЧ и «сырые» данные с частотой 24
кадр/с, требующие постобработки, но
дающие изображение высокого
качества. В специальном режиме
съемки (72 кадр/с) данные о движении
на дополнительных кадрах помогают
получить замедленное движение
изображения высокого качества, а
также плавно переходить на другую
скорость кадров.
ТКД Arriscan для 16- и 35-мм кинопленок
используют КМОП-матрицу с
получением полного разрешения 6348 x
2162 отсчетов. Кристалл может
считывать информацию с
перфорационных дорожек, и это
является важным параметром для
архивного хранения киноматериала,
так как физическое состояние
кинопленки может быть плохим из-за
надрывов, вызванных действием
значительных механических усилий
грейферного механизма и зубчатого
барабана на кинопленку. ТКД снабжен
узлом ЖК-подсветки, обеспечивающим
двукратный анализ каждого кадра с
разной экспозицией. Это
способствует получению копий
изображения с более высокой
плотностью и позволяет
использовать 16-бит дискретизацию.
Анализ изображения происходит с
разрешением 2К или 3К при скорости
считывания 1 кадр/с, а при скорости
0,25 кадр/с – с разрешением 4К или 6К.
Изготовление промышленного
образца ТКД Arriscan ожидается к весне
2004 г.; его стоимость составит 330 тыс.
евро.
Фирма Ikegami рассматривает
возможность использования
КМОП-структур для своих HD-камер
следующего поколения. Главный
специалист по вещанию фирмы
сообщил: «У нас была одна проблема,
сдерживающая разработку
мультистандартной камеры:
отсутствие собственного
производства ПЗС-матриц». До
недавнего времени производство
камер на фирме Ikegami ограничивалось
выпуском камер одного формата.
Теоретически КМОП-структура может
работать в любом стандарте, так как
считывается каждый элемент
матрицы, но при этом возникает
проблема структурного шума.
Поскольку такой шум
«фиксированный», то его можно легко
удалить с помощью цифровой
обработки. При изменении
температуры, однако, этот метод
подавления шума менее эффективен.
Фирма Arri использует специальные
алгоритмы для подавления любых
видов структурного шума.
Фирма JVC выпустила HD-камеру КН-F870
стандарта 1080i на КМОП-матрицах ProCam HD
с 2,2 млн элементов фирмы Rockwell Scientific.
По утверждению специалистов фирмы
JVC, КМОП-структуры быстро
совершенствуются по параметрам
отношения сигнал-шум и
чувствительности, кроме того, они
превосходят ПЗС-матрицы по
потреблению энергии. Например,
камера КН-F870 на КМОП-матрицах
потребляет 200 мВт, что составляет
примерно 20% мощности, потребляемой
аналогичной камерой на
ПЗС-матрицах.
Как сохранять данные
при съемке цифровыми
видеокамерами?
35-мм негативная пленка,
которая сейчас является
стандартным носителем записи при
высококачественном
кинопроизводстве, содержит данные
об изображении с разрешением
примерно 4000 x 3000 отсчетов (в каждом
из трех цветовых каналов).
Экспозиционная широта пленки
насчитывает более 4000 делений, что
соответствует 12-бит квантованию.
Наконец, стандартные кинокамеры
имеют скорость до 150 кадр/с.
Цифровая камера с аналогичными
параметрами может передавать
данные с максимальной скоростью 64,8
Гбит/с.
Первичное устройство записи
цифровых изображений должно иметь
емость, соответствующую 5–10 мин
воспроизведения при скорости 24
кадр/с. Это необходимо для того,
чтобы отвечать параметрам обычной
киносъемки на кинопленку.
Устройство хранения данных должно
крепиться непосредственно на
камере, не снижая ее мобильность. В
идеальном случае камера должна
функционировать без внутреннего
кабельного соединения в течение
всего периода съемки. Важно, чтобы
после записи материала устройство
хранения данных можно было быстро и
легко заменить на новое без
прерывания производственного
процесса более чем на 1 мин.
Сохранение последовательности
этапов фильмопроизводства
заключается в необходимости
хранения первоначальных данных,
которые могут значительно
отличаться от конечного продукта.
Если данные сохранять в первичных
устройствах хранения, то это
обойдется относительно дешево. В то
же время устройства хранения
должны быть надежными в работе и
безопасными для того, чтобы данные
можно было сохранять и передавать в
течение длительного периода
времени.
Скорость передачи данных.
Максимальным требованием является
скорость передачи 64,8 Гбит/с, но в
настоящее время и в ближайшем
будущем эта скорость останется
недостижимой. Поэтому необходимо
установить более реальные скорости
на основе параллельных каналов и
технологии сжатия без потерь. Ранее
было показано, что степень сжатия 5:1
вполне допустима, так как исходный
материал практически не
претерпевает никаких изменений.
RAID-технология позволяет
распределить содержимое (контент)
по нескольким дисководам, снизить
вероятность потери данных и
благодаря избыточности
осуществить коррекцию ошибок, даже
если один дисковод откажет.
Дублирование данных на
вторичном носителе.
Дублирование материала можно
выполнить в нереальном времени, что
представляет собой единственное
неудобство, имеющее практическую
пользу при работе с камерой. На
обычном кинопроизводстве
существует практика проявлять
кинопленку ночью и просматривать
утром. Поэтому те кадры, которые мы
сняли днем, можно увидеть не ранее,
чем через 12 часов. Днем снимается до
60 мин художественного материала, и
перегонка материала на электронный
носитель со скоростью в 12 раз ниже
скорости в реальном времени,
означает работу в течение всей
ночи, и результаты мы можем увидеть,
как при обычном кинопроизводстве,
лишь утром. Используя сеть Gigabit Ethernet
на скорость 100–500 Мбит/с, передача
материала продолжительностью 1 ч
займет 25 часов.
Возможность первичного
хранения. Допустим, что в
каждом накамерном блоке записи
должно сохраняться 5–10 мин только
что снятого видеоматериала. Тогда
для хранения 10-мин контента с
5-кратным сжатием емкость блока
должна составить 1 Тбайт, с
сохранением оптимальных габаритов
блока. Ясно, что для хранения
количества данных, отвечающего 10
мин съемки, необходимо повысить
емкость устройства хранения в
несколько раз.
Количество первичных
устройств хранения. Хотя
предполагается, что дисковая
упаковка может быть использована
вновь, из-за очень долгого времени
перегона дневной нормы съемки,
возможно, занимающей 12 упаковок, на
один день нужно иметь 24 упаковки.
Стоимость. Чтобы
определить максимально допустимую
стоимость электронного накопителя,
необходимо допустить, что один
рулон кинопленки стоит около 350
евро, плюс 500 евро нужно заплатить
за проявку и обработку, с
получением первого промежуточного
позитива. График съемки на
протяжении 10 недель, по 1 ч в среднем
в день, даст 50 ч съемки или 300
рулонов пленки. Таким образом,
стоимость хранящейся кинопленки
будет равна 255 тыс. евро. Если эту
цифру сравнить со стоимостью
хранения в электронном виде, то для
съемки можно использовать всего
10–20 дисковых упаковок с ежедневной
перезаписью отснятого материала на
новый носитель, в то время как
кинопленку можно использовать
всего один раз.
Надежность первичных
накопителей. Накопители
должны быть надежными, не допуская
возможность появления
катастрофических отказов. Любое
устройство хранения данных должно
иметь показатель MTBF («среднее время
наработки на отказ»), равный 100–200
неделям непрерывной работы.
Накопители должны быть прочными,
так как они могут падать, и
невыгодно использовать
специальную технику для
предохранения непрочного
оборудования от поломки при
съемках.
Технологии записи и
возможные варианты их применения в
цифровых видеокамерах
Для использования в
устройствах записи можно
проанализировать такие носители,
как магнитный диск форматов 2,5" и
3,52", магнитная лента и оптические
устройства, в основном DVD. Кроме
того, можно использовать
твердотельные устройства памяти,
но они плохо конкурируют по емкости
с традиционными устройствами.
Магнитные диски
На рынке имеется множество
носителей с форм-фактором 3,5", с
различными приводами. Так как
емкость диска постоянно растет, а
производство привода с несколькими
головками довольно сложное,
по-видимому, приводные устройства с
несколькими дисками постепенно
исчезнут, уступив дорогу одиночным
дисководам, но имеющих очень
высокую плотность записи. В течение
последних лет емкость дисков
заметно увеличилась, а стоимость 1
Гбайта записанной на дисках
информации значительно снизилась.
Магнитная лента
Было замечено, что в 1999 г. рынок
магнитной ленты начал тормозиться
и поэтому, несмотря на появление
кассет с более высокой емкостью
(например, с лентой типа DLТ), цена 1
Гбайт осталась практически
прежней, не дав того же результата,
полученного для дисковых
носителей. Скорость данных для
ленты не превышала 10–15 Мбайт/с.
Недавно появился лентовод SAIT-1 (см.
ТКТ, 2003, № 9, с. 52), который имеет
скорость передачи данных 30 Мбайт/с
и емкость одной кассеты 4 Тбайт.
Этот носитель появился в продаже в
2003 г. Также необходимо отметить, что
стоимость лентоводов SAIT-1
начинается с 13 тыс. долл., а кассета
с лентой стоит 250 долл., что не дает
преимуществ перед дисководами.
Диски DVD
Существует несколько форматов
дисков DVD, включая DVD-RОM, DVD-R, DVD-RAM, DVD-RW
и DVD+RW. Как правило, их емкость равна
4,7 Гбайт, а скорость передачи данных
составляет 2,6 Мбайт/с. Самой большой
емкостью обладает диск DVD-18, имеющий
по 2 рабочих слоя с каждой стороны, с
общей емкостью 17 Гбайт, однако
производство этих дисков сопряжено
с большими трудностями.
Самым последним достижением в этой
области является диск стандарта
Blu-ray Disc (см. ТКТ, 2003, № 8, с. 5),
разработанный специалистами
консорциума, в который входят такие
фирмы, как Sony, Philips, Toshiba Corp., Samsung,
Thomson, LG, Matsushita, Sharp и Pioneer. Новый
стандарт создан для нужд ТВЧ, имеет
емкость диска 23–27 Гбайт, скорость
переноса данных достигает 36
Мбайт/с.
Скорость передачи
данных
Максимальная скорость переноса
данных для современных магнитных
лент составляет 64 Гбит/с, а у
дисковых носителей – 80 Мбайт/с.
Преимущества особенно заметны при
использовании параллельных
дисковых массивов с обеспечением
доступа через шины SCSI и АТА,
позволяющих осуществлять доступ со
скоростью до 360 Мбайт/с, а при
последовательном расположении шин
АТА – до 600 Мбайт/с. Однако эта
скорость все еще почти в 3 раза
отстает от требуемой скорости
переноса данных для современных
целей, которая равна 1,5 Гбайт/с для
того, чтобы передавать изображение
с самым высоким возможным
качеством. Таким образом, и в этом
случае требуется некоторое сжатие
данных.
Прогнозы на будущее
Многие виды носителей записи
информации продолжают развиваться,
хотя развитие магнитных лент
замедлилось. Может случиться так,
что по эксплуатационным
характеристикам новые дисковые
носители превзойдут
магнитооптические носители еще до
того момента, когда они станут
доступными на рынке. Возможно,
новые магнитные носители будут
совершенствоваться, согласно
закону Мура, еще лет 7. С другой
стороны, развитие DVD технологии в
настоящее время застопорилось
из-за ограничений в длине волны
пишущего (синего) лазера.
Стоимость
Стоимость жестких дисков (ЖД)
останется на прежнем уровне, но
стоимость 1 Гбайт информации,
записанной на ЖД, будет значительно
меньше. Наоборот, стоимость
ленточных ЛПМ и картриджей на ленте
останется прежней, что приведет к
появлению заметной разницы между
двумя технологиями.
Заключение
Из приведенного обзора видно, что
наиболее вероятным носителем для
цифровых видеокамер станут
устройства, состоящие из
нескольких дисков диаметром 3,5",
но с одной рабочей поверхностью. В
любом случае поток данных
потребует небольшого сжатия для
того, чтобы использовать
предложенную полосу частот.
Магнитная лента хранится дольше,
однако с точки зрения стоимости
конкуренцию ленте могут составить
DVD-диски и технология АОD. Появление
новой технологии записи с высокой
плотностью следует ожидать в
ближайшие 5–6 лет.
Полный текст - в № 3 журнала "ТКТ" за 2004 г.
