В оглавление свежего номера

Обратно

Хлебородов В.А.
Выставка NAB2003: телекамеры, видеокамеры и телекинодатчики для ТВ стандартной и высокой четкости

Несмотря на спад мировой экономики и иракские события, последняя выставка в Лас-Вегасе несомненно побила все рекорды по числу новых экспонатов, многие из которых отличались оригинальностью технических решений. Сектор камеростроения не стал исключением в этом отношении.
Во всех передовых странах сейчас горячо обсуждаются перспективы и проблемы цифрового кинематографа (ЦКМ), поэтому представление на выставке «настоящей» кинотелекамеры (КТК) Origin (рис. 1,а) Dalsa Digital Cinema (Канада), созданной на основе пожеланий профессиональных кинооператоров из Голливуда, явилось подлинной сенсацией. Новое изделие (образец) концептуально отличается от трехматричной видеокамеры HDW-F900 Sony с разрешающей способностью 1920 отсчет/строка, которая успешно применяется для съемки цифровых кинофильмов. Однако «истые» кинематографисты считают такое разрешение явно недостаточным, настаивая на значении 4К.
Origin — первая в мире цветная КТК на одной FIT-матрице Cinema Sensor (рис. 1,б) 35-мм формата, содержащей 4096х2048 элементов (из них 4046х2048 активных; 50 столбцов оптически неактивных элементов служат для создания опорного «оптического черного»). Элементы новой матрицы почти втрое крупнее элементов 17-мм (2/3") матрицы, поэтому они накапливают больше зарядов с соответствующим увеличением отношения сигнал-шум. Матрица, действующая в режиме прогрессивной развертки, позволяет варьировать частоту кадров от 0 до 48 Гц при сохранении всех качественных показателей изображения.
Для формирования светоделенных изображений на все элементы матрицы наносится мозаичный растр Байера (Bayer pattern) (рис. 1,в), который в начале 80-х годов предложил д-р Байер из Kodak. Как видно, половина элементов чувствительна к зеленому, к красному или синему — только четверть элементов. Сигналы, соответствующие пропущенным элементам основных цветов RGB, восстанавливаются способом интерполяции, причем обычно применяются адаптивные интерполяционные алгоритмы, позволяющие избежать появления интенсивных муаров и зубчатости наклонных границ. Интерполяция может производиться как внутри камеры, так и вне ее в процессе компоновки программы. Интерполированные сигналы RGB или YCBCR пригодны для отображения на экране стандартных видеомониторов.

а

б, в

Рис. 1. Кинотелекамера Origin Dalsa:
а – общий вид;
б – ПЗС-матрица Cinema Sensor;
в – растр Байера

Цифровые сигналы, формируемые КТК Origin, совместимы с появляющимися системами изготовления цифровых дубликатов (Digital Intermediate), имеющих разрешение 2К, 3К и 4К. Цифровой дубликат — это один или несколько цифровых файлов, полученных в результате развертки фильма — обычно негатива — в телекинодатчике, которые поступают в цифровую кинолабораторию (digital laboratory) для монтажа, ввода спецэффектов и цветокоррекции.
Применение матрицы Байера 35-мм формата позволило, во-первых, обойтись без дорогого и сложного светоделительного призменного блока, во-вторых, пользоваться стандартными 35-мм кинообъективами с оправой PL, к которым «приросли» профессиональные кинооператоры. Поэтому Origin не имеет проблем с глубиной резкости, характерных для телекамер с объективами 17-мм формата, операторы которых ограничены в творческом отношении.
Кинооператоры также отстояли применение в Origin зеркальной (reflex) системы наведения с оптическим видоискателем (ВИ), резонно считая, что любой электронный ВИ с небольшим экраном неизбежно имеет ограниченную разрешающую способность и поэтому не способен адекватно отобразить снимаемую сцену (напомним, что ПЗС-матрица Байера содержит 8,2 млн элементов). Известно, что операторы ТВЧ-камер с электронными ВИ испытывают трудности с фокусировкой, особенно при наличии движущихся объектов.
На стенде Sony Electronics (США) демонстрировалась малогабаритная КТК HDC-F950 стандарта 1080/24р (рис. 2,а) — достойное пополнение популярного комплекса ТВЧ CineAlta. Эта универсальная камера разработана по просьбе кинематографистов, занимающихся подготовкой кинофрагментов со сложными спецэффектами, и продюсеров, создающих высокохудожественную рекламу для кино и телевидения. Новую часть своих «Звездных войн» Джордж Лукас планирует снимать с ее помощью.
В HDC-F950 применены три широкоформатные (16:9) FIT-матрицы 17-мм формата с 2,2 млн элементов в каждой, связанные с призменным светоделительным блоком (F1,4). КТК обеспечивает разрешение 1000 твл и номинальную чувствительность 2000 лк (F10,0) при отношении С-Ш 54 дБ, минимальная освещенность 10 лк (F1,4) при усилении +12 дБ (возможны также значения –3, 0, +3 и +6 дБ), уровень вертикальной тянучки –135 дБ. На частоте 27,5 МГц (800 твл) глубина модуляции превышает 45% в случае применения типичного вариообъектива. Скорость электронного затвора HDC-F950 может иметь значения 1/32, 1/48, 1/96, 1/125,
1/250, 1/500 и 1/1000 с. В режиме несинхронной съемки Extended Clear Scan (1080/24p) частота срабатывания затвора варьируется в пределах 24-2200 Гц. У диска приводных светофильтров 5 положений: Cross (A), 3200 K (B), 4300 K (C), 6300 K (D) и 8000 K (E); диск нейтрально-серых светофильтров имеет положения «прозрачно», 1/4 ND, 1/8 ND, 1/16 ND и 1/64 ND. Камера рассчитана на вариообъективы со штыковой оправой Sony.

а б

Рис. 2. Кинотелекамера HDC-F950 Sony:
а – общий вид; б – гибридная 3-Гбит система передачи

Камера вырабатывает равномерно квантованные 10-бит сигналы RGB, которые дискретизируются с частотой 74,25 МГц (22:22:22) для получения разрешения 1920 отсчет/строка (Рек. ITU-R BT.709). Неравномерность АЧХ составляет ±0,5 дБ в полосе частот 10 Гц—25 МГц и ±1,0 дБ в полосе 25 Гц—30 МГц. Эти несжатые сигналы передаются к новому БУК HDCU-F950 или адекватной аппаратуре цифровой видеозаписи по гибридной (оптоволокно/медный кабель) 3-Гбит системе передачи с двумя интерфейсами HD SDI, имеющая статус стандарта SMPTE 372M. Она используется также для передачи звуковых сигналов, сигналов операторской связи, напряжения питания, сигналов управления камерой и цифровых видеосигналов стандарта 22:11:11 («11» соответствует частоте 37,125 МГц) обратного канала (рис. 2,б).
Конструкция HDC-F950 позволяет одновременно пользоваться двумя цветными ЖК-видоискателями — стандартным HDVF-C750W с 152-мм (6") экраном и новым HDVF-C30W, 69-мм (2,7") экран которого имеет 960х540 элементов, обеспечивает яркость 300 кд/м2 и контраст 200:1. В последнем реализована функция увеличения изображения вдвое для облегчения наводки камеры на резкость, что особенно полезно при использовании фиксированных объективов (prime lenses), а также функция отображения серой шкалы, облегчающая установку экспозиции.
Факультативно поставляется унифицированный выносной ПЗС-блок HKC-T950 (см. «ТКТ» № 6, 2002, с. 5), удаляемый на расстояние до 50 м. Благодаря этому возможности видеосъемки значительно расширяются. Например, можно показывать под необычным углом зрения объекты, находящиеся на полу студии или в ограниченном пространстве.
Габариты камеры 133 х 276 x 360 мм, масса 5,1 кг (без вариообъектива и ВИ), напряжение питания 10,5 – 17 В, максимальный потребляемый ток 200 мА. Диапазон рабочих температур –20 — +45 °C.
HDC-F950 предоставляет оператору широкие возможности при установке параметров гамма-коррекции, оптимальных с точки зрения фильмопроизводства или получения искомых художественных эффектов. Специализированная программа для ОС Windows позволяет буквально «начертить» требуемую кривую гамма-коррекции на экране компьютерного видеомонитора, записать полученные данные в модуль Memory Stick и перенести их в КТК (модуль памяти рассчитан на пять кривых).
Введена новая функция «увеличенное время экспонирования», позволяющая работать в условиях низкой освещенности сцены и эмулировать режим малокадровой киносъемки. Отображение видеопоследовательностей, снятых таким образом, с частотой кадров 24 Гц вызывает эффект убыстренного движения. Оценить степень нерезкости (смаза) изображения, возникающую при этом, можно по приведенным в таблице более «осязаемым» значениям частоты киносъемки.
КТК Viper FilmStream Thomson (см. «ТКТ» № 6, 2002, с. 5) — первая в мире камера, в которой использовались несжатые логарифмированные сигналы RGB и сдвоенный интерфейс HD SDI (стандарт SMPTE 372M). Напомним, что камера выполнена на трех 17-мм FIT-матрицах HD-DPM+ с 4320х1920 элементами в каждой (см. «ТКТ» № 7, 2001, с. 3). Суммируя заряды «шестерок», «четверок» и «троек» вертикальных элементов матрицы, обеспечивают работу по стандартам 720p/1920/16:9, 1080p/1920/16:9 и 1080p/1920/2,37:1 соответственно. При разработке ЦОС для Viper был принят врачебный принцип «Не навреди!», то есть была поставлена задача сделать ее максимально «прозрачной».
Представитель Thomson Broadcast and Media Solutions (США) пояснил, что новая модель (рис. 3,а) претерпела значительные измерения как в отношении аппаратного (многие алгоритмы теперь воплощены в кремнии), так и программного обеспечения. К сожалению, сохранилась 12-бит разрядность исходного аналого-цифрового преобразования сигналов RGB.
Дело в том, что «сырые» видеоданные преобразуются (mapping) в логарифмированные 10-бит данные (рис. 3,б) с помощью кодирующих таблиц (Look Up Table), которые затем либо записываются в неизменном виде, либо поступают в монтажные системы, где они вновь превращаются в линейно кодированные данные. Чтобы искажения результирующего изображения были незначительными, исходное аналого-цифровое преобразование должно выполняться с разрядностью не менее13-бит. Таким образом, кривая «10-bit log», составляющая основу файлового формата Cineon (расширение .cin) Kodak и упомянутого формата DPX SMPTE, аппроксимируется не совсем точно.

а

Рис. 3. Кинотелекамера Viper FilmStream:
а – общий вид;
б – преобразование 4096 исходных уровней квантования

В новой модели Viper реализован ряд функций, значительно облегчающих работу с ней. Установить правильную экспозицию можно по экрану ВИ, где отмечаются «засвеченные» участки изображения. Если такие участки отсутствуют или приходятся на сюжетно несущественные участки, можно без опасения увеличить экспозицию и использовать весь динамический диапазон ПЗС-матриц. Цифровые системы калибровки непрерывного действия гарантируют правильную установку уровней черного и насыщения матриц, независимо от температуры и влажности окружающей среды, срока службы камеры и других факторов. Временное увеличение вдвое изображения на экране ВИ способствует повышению точности наводки камеры на резкость.
Учитывая новизну и актуальность тематики представленных материалов, целесообразно снабдить их кратким комментарием.
Характеристики одноматричной кинотелекамеры Origin безусловно позволяют присвоить ей высшую категорию качества. Однако некоторую настороженность вызывает применение растра Байера с неизбежной интерполяцией элементов изображения, которая принципиально приводит к снижению разрешающей способности, появлению муаров и зубчатости наклонных границ.
Создается впечатление, что Sony ранее недооценивала перспективность RGB-камер и поспешила присоединиться к лагерю камер во главе с Thomson, прибегнув к паллиативу: она просто доработала свою портативную телекамеру HDC-950 (см. «ТКТ» № 7, 2000, с. 3). Cтрого говоря, HDC-F950 нельзя считать полноценной кинотелекамерой, поскольку в ней не применяется логарифмическое квантование Cineon.
Некоторым недостатком «классической» КТК Viper FilmStream является применение 12-бит аналого-цифрового преобразование сигналов RGB, тогда как для точного формирования кривой Cineon требуется 13-бит преобразование.

Приложение
В основополагающей Рекомендации ITU-R BT.601 по ТВ стандартной четкости, в разработке которой посчастливилось участвовать автору, цифры «4:4:4» означают, что широкополосные сигналы RGB или YCBCR дискретизируются с одной и той же частотой 13,5 МГц, равной четырем «единицам»
3,375 МГц. С появлением аппаратуры ТВЧ 1125-строчного стандарта стали условно считать, что те же цифры означают использование частоты дискретизации 74,25 МГц. В справочнике The Digital Fact Book (Edition 10) Quantel Limited (Великобритания) на с. 8 записано: «4 представляет 13,5 МГц
(74,25 МГц для ТВЧ) — частоту дискретизации Yѕ».
Хотя такая условность противоречит принципу однозначности терминов, ее можно было бы временно принять. Но вот в оригинальном описании кинотелекамеры Origin стандарта 4К цифры «4:4:4» представляют уже третью частоту 297 МГц. Несправедливо принуждать читателя играть в игру «Угадай с трех раз!». Избежать потенциальной путаницы можно, если вернуться к истокам, а именно — выразить частоты 297, 74,25 и 13,5 МГц через единичную частоту 3,375 МГц. Тогда получим однозначные обозначения 88:88:88, 22:22:22 и 4:4:4. Такая система обозначений принята в представленном выше обзоре экспонатов выставки NAB2003.
Полезно связать эти частоты дискретизации с формируемыми цифровыми потоками (табл. 1 обзора). Базовым будем считать кадр 2К (ТВЧ), параметры которого хорошо известны (см. «ТКТ» № 9, 1999, с. 13). При частоте дискретизации
74,25 МГц в каждой строке формируется 2750 отсчетов, из них 1920 активных. Из 1125 строк в кадре только 1080 являются активными. Коэффициент использования кадра определится как (1920х1080)/(2750х1125) = 0,67.
В случае кадра Супер 2К коэффициент использования больше: (2048х1080)/(2750х1125)=0,715. Кадр 4К формируется в результате учетверения частоты дискретизации и удвоения полного числа строк. Коэффициент использования равен: (4096х2048)/(5500х2250)=0,678.
Рассчитаем значения шести цифровых потоков, формируемых при передаче кадров 4К, Супер 2К и 2К (ТВЧ) при различной разрядности квантования сигналов, приведенных в табл. 1 обзора:

Те же результаты можно получить, пользуясь частотами дискретизации и коэффициентами использования кадра:

С учетом только активной части кадра получаем:
Для КТК HDC-F950 (Sony)

Для КТК Viper (Thomson)

Полный видеопоток, пропускаемый двумя ВОЛС-интерфейсами HD SDI, равен: 74,25х10х3=2227,5 Мбит/с

Продолжение следует

Обратно

В оглавление свежего номера