Dla większości z nas obsługa codziennych urządzeń elektronicznych, takich jak telewizory, magnetowidy a kamery są tajemnicze. Chociaż wielu z nas może mieć mgliste pojęcie o tym, jak obraz przechodzi z obiektywu na taśmę, większość z nas po prostu przyjmuje za pewnik, że obraz pojawia się na ekranie, gdy odpalamy nasze kamery i wciskamy przycisk nagrywania.
Jednak jako czytelnik Videomaker prawdopodobnie masz więcej niż przelotne zainteresowanie sposobem działania kamery. Na przykład możesz być ciekaw, dlaczego Twoje zdjęcia czasami wyglądają na wyraźne i nieskazitelne, a dlaczego czasami są mętne i ziarniste.
W tym artykule dobrze przyjrzyj się, jak kamera zamienia światło wpadające do obiektywu na sygnał, który Twój telewizor może zinterpretować. Dobrze podążaj za tym sygnałem przez kamerę, na kabel i do dowolnego rodzaju sprzętu, który wybierzesz, aby go przekręcić. Dobrze pokryj trochę technicznego gruntu, ale nie martw się – nie będziemy zagłębiać się w szczegóły. Po prostu spróbuj doprowadzić Cię do punktu, w którym lepiej zrozumiesz sygnał wideo i ścieżki elektroniczne, zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz kamery, dzięki którym magia wideo się dzieje.
Najpierw jest światło i dźwięk
Zanim kamera będzie mogła wytworzyć sygnał reprezentujący ruchome obrazy i dźwięk, musi najpierw zebrać światło i dźwięk, które zwykle widzimy i słyszymy naszymi oczami i uszami. Zamiast oczu kamera ma obiektyw. W praktyce obiektyw działa w podobny sposób, jak twoje oko:zbiera światło, które odbija się od obiektu i skupia je na ostrym obrazie na kamerze CCD (Charge Coupled Device), podobnie jak światło wpadające do twojego oka jest koncentruje się na twojej siatkówce. Zamiast uszu kamera ma mikrofon, który również działa podobnie do swojego ludzkiego odpowiednika. Mikrofon, podobnie jak ludzkie ucho, wychwytuje zmiany ciśnienia powietrza i przetwarza je na sygnał elektryczny.
Dwa urządzenia przetwarzające zdarzenia w świecie przyrody na sygnał elektryczny – CCD i mikrofon – należą do klasy obiektów zwanych przetwornikami. Nazywa się je przetwornikami, ponieważ przenoszą lub zmieniają energię z jednej formy w drugą. W ten sposób energia świetlna i ciśnienie powietrza stają się fluktuacjami prądu elektrycznego, które Twój sprzęt wideo interpretuje i odtwarza na obrazy i dźwięk.
Rola CCD
Jak wspomniano powyżej, urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) znajduje się pośrodku aparatu do tworzenia obrazu kamery. Składa się z setek tysięcy światłoczułych pikseli ułożonych w prostokątną siatkę. Każdy z tych pikseli przechowuje ładunek elektryczny proporcjonalnie do ilości i czasu trwania uderzenia światła. Co 60 sekundy (pół klatki lub jedno pole wideo) kamera odczytuje te ładunki i łączy je w celu utworzenia sygnału.
Jeśli kamera mierzyła tylko ilość i czas trwania światła padającego na piksele CCD, to nadal robilibyśmy zdjęcia czarno-białe. Innymi słowy, CCD jest z natury urządzeniem dla daltonistów. Kamery uzyskują informacje o kolorze z czujników monochromatycznych na jeden z dwóch sposobów. Te różne podejścia do ekstrakcji kolorów podzieliły pole kamery na dwa obozy.
Kamery z pojedynczym CCD wykorzystują jeden czujnik CCD do obsługi wszystkich zadań związanych z tworzeniem obrazu. Taka kamera czerpie informacje o kolorze z czujnika, przykrywając go szeregiem kolorowych soczewek nazywanych filtrem mozaikowym. Oznacza to, że gdybyś mógł bardzo uważnie przyjrzeć się tarczy CCD, zobaczyłbyś, że jest ona pokryta czerwonymi, zielonymi i niebieskimi soczewkami. Za pomocą tych obiektywów i inteligentnego przetwarzania elektronicznego kamera może pobierać zarówno sygnał jasności (luminancji), jak i koloru (chrominancja) z pojedynczego układu CCD.
Inną, znacznie lepszą metodą wydobywania koloru jest konstrukcja z trzema chipami. Kamery trzychipowe wykorzystują trzy przetworniki CCD, z których każdy specjalizuje się w określonym kolorze. Wykorzystując złożony blok pryzmatyczny lub układ luster i filtrów, kamkorder z 3 matrycami CCD dzieli światło wpadające przez obiektyw na trzy składowe kolorów. Światło z każdego z kolorów (czerwonego, zielonego i niebieskiego) trafia do własnego czujnika. Kamera łączy wyjście tych trzech układów, aby stworzyć pełnokolorowy sygnał wideo.
Systemy obrazowania z pojedynczym CCD są mniejsze, lżejsze, mniej złożone i tańsze. Systemy z trzema matrycami CCD, choć większe i droższe, zazwyczaj zapewniają dokładniejszy kolor w wyższej rozdzielczości. Projekty z trzema matrycami CCD mogą również zapewnić trudną do zdefiniowania poprawę głębi i realizmu obrazu. Kamery z trzema matrycami CCD często mają lepsze obiektywy niż ich jednoukładowe odpowiedniki, aby nadążyć za zwiększoną rozdzielczością i odwzorowaniem kolorów.
Ostatnie lata przyniosły trend w kierunku coraz mniejszych przetworników obrazu w kamerach, od 1/2 cala do 1/3 cala do dzisiejszych małych konstrukcji 1/4 cala. Mniejszy przetwornik CCD oznacza nie tylko mniejszy zespół czujnika; oznacza to również mniejszy obiektyw. Każdy aspekt konstrukcji obiektywu wskazuje na to, jak duży obraz jest potrzebny do stworzenia. Jeśli obiektyw musi zanurzyć w świetle czujnik 1/4 cala zamiast czujnika 1/2 cala, projektanci mogą znacznie zmniejszyć zespół soczewki. Przekłada się to na mniejsze, tańsze i bardziej kompaktowe kamery.
Ponieważ czułość CCD jest proporcjonalna do powierzchni każdego piksela, mniejszy czujnik będzie mniej czuły na światło, jeśli wszystkie inne zmienne będą równe. W rzeczywistości jednak zmienne nie są sobie równe. Producenci CCD znaleźli sposoby na zebranie większej ilości światła na mniejszym czujniku. Daje to dzisiejszym mniejszym projektom CCD niską czułość na światło porównywalną z czułością większych czujników.
Rozdzielczość czujnika ma również wpływ na jakość obrazu, do pewnego momentu. Gdy rozdzielczość czujnika przekroczy rozdzielczość systemu nagrywania i formatu taśmy, niewiele można zyskać, zwiększając liczbę pikseli czujnika. Przetwornik CCD o rozdzielczości 270 000 pikseli zapewnia wystarczającą rozdzielczość dla standardowego formatu, takiego jak 8 mm lub VHS. Czy czujnik o rozdzielczości 470 000 pikseli zapewni ostrzejsze obrazy w tych formatach? Prawdopodobnie nie. Tam, gdzie można dobrze wykorzystać dodatkowe piksele, jest zoom cyfrowy i stabilizacja obrazu.
Przetwarzanie sygnału
Jak widzieliśmy, zadaniem CCD jest zebranie światła, zmierzenie go i przekształcenie go w sygnał elektroniczny. Po zakończeniu tego zadania nadal pozostaje kilka obręczy, przez które sygnał musi przeskoczyć, zanim zostanie nagrany na taśmę lub opuści kamerę przez gniazda wyjściowe.
W ogólnym nagłówku przetwarzania sygnału obejmujemy wszystkie procesy, które powodują masowanie sygnałów wideo i/lub audio. Procesy te obejmują m.in. tytułowanie, efekty specjalne i zysk. Przyjrzyjmy się każdemu z nich po kolei.
Za każdym razem, gdy używasz programu tytułowego kamery, a nawet jego znacznika czasu i daty, przerywasz sygnał wideo i wprowadzasz zmiany (dodawanie znaków alfanumerycznych). Stwarza to okazję, aby hałas dostał się do sygnału.
Efekty w aparacie również przerywają sygnał wideo i wprowadzają subtelne zmiany w nagranym wideo. Większość efektów specjalnych w aparacie uzyskuje się poprzez digitalizację sygnału pojedynczo o jedną klatkę (lub pole) i manipulowanie nim, gdy jest on redukowany do ciągu liczb. Wszystkie jednak dodają trochę szumu do sygnału.
Niektóre kamkordery mają funkcję o nazwie Gain Up, która zwiększa poziom napięcia całego sygnału, aby był jaśniejszy. Celem Gain jest umożliwienie filmowania w warunkach słabego oświetlenia, ale zwykle powoduje znaczne zakłócenie sygnału.
Lekcja, której należy się tutaj nauczyć, jest prosta:za każdym razem, gdy manipulujesz sygnałem wideo, bez względu na to, jak subtelnie, do obrazu dodawany jest więcej szumu. Po przetworzeniu sygnału przez kamerę jest on gotowy do nagrania na taśmę.
Magia magnesu
Aby nagrać sygnał na taśmę wideo, kamera używa magnesów. Składa się z bębna, który zawiera oddzielne głowice rejestrujące na taśmie informacje wideo, audio i sterujące. Taśma wideo, jeśli jeszcze tego nie wiesz, jest plastikowa, z powłoką aktywną magnetycznie. Kiedy głowice stykają się z taśmą, za pomocą magnesów organizują cząsteczki na taśmie w oddzielne ścieżki. Kamera wideo lub magnetowid wykorzystuje co najmniej dwie głowice nagrywające, po jednej dla każdego pola wideo w ramce. Wiele z nich używa czterech lub więcej głowic do nagrywania, zwykle w celu zapewnienia lepszych trybów pauzy i zatrzymania. Jak wiesz, porównując w kamerze nagrania nagrane przy standardowych ustawieniach odtwarzania (SP) i długiego odtwarzania (LP), im szybciej taśma przewija się przez głowice nagrywające, tym lepszy obraz uzyskasz. Większa prędkość zapewnia więcej miejsca na taśmie dla danej ilości sygnału. Aby zmaksymalizować ilość miejsca, jaką głowice mogą wykorzystać na zapis sygnału, taśmy wideo wykorzystują system znany jako skanowanie spiralne.
Skanowanie spiralne działa w ten sposób:ścieżki na taśmie układane są po przekątnej (patrz rysunek 3a). Bęben zawierający głowice nagrywające jest również ustawiony pod kątem. Gdy taśma mija głowice w bębnie, świeża część taśmy jest zawsze gotowa do nagrania. Odtwarzanie przebiega podobnie, ale bez konieczności reorganizacji przez głowice cząstek magnetycznych na taśmie. Podczas odtwarzania głowice odtwarzające odczytują tylko ścieżki. Następnie konwertuje ścieżki na taśmie na inny sygnał wideo, który może wyjść z kamery.
Poza kamerą
Gdy sygnał opuszcza kamerę, staje się jeszcze bardziej podatny na zakłócenia. Wkracza w okrutny świat wypełniony zabłąkanym promieniowaniem elektromagnetycznym, pozornie dochodzącym ze wszystkich kierunków jednocześnie.
Pomyśl o tym:sygnał biegnie wzdłuż długiego przewodu, który w rzeczywistości jest niczym innym jak wielką anteną, która wychwytuje wszelkie wahania, jakie mogą w danym momencie krążyć w widmie. Ekranowanie kabli wideo i audio jest pomocne, ale nie eliminuje całkowicie problemu.
W tym momencie sygnał wideo prawdopodobnie nadal można oglądać; choć trochę pogorszyła się od oryginalnego kształtu, w jakim była, kiedy zeszła z kamery CCD. Jednak filmowcy domowi są znani z tego, że poddają swoje sygnały wideo wszelkim formom okrucieństwa znanego człowiekowi, zanim pozwolą komukolwiek je obejrzeć. Dodają tytuły, generatory efektów specjalnych (SEG), komputery i inne urządzenia do ścieżki sygnału, a często, próbując stworzyć olśniewający film, w końcu wprowadzają do swojego sygnału dużo szumu. Po zakończeniu ich zdjęcia wyglądają na ziarniste, a dźwięk jest przytłumiony i niewyraźny.
Aby nie przydarzyło się to Twoim sygnałom, możesz podjąć kilka środków ostrożności. Prawdopodobnie najprostszym sposobem jest unikanie umieszczania zbyt wielu urządzeń na ścieżce sygnału. Na przykład należy dołączać tytuły i grupy SEG tylko wtedy, gdy są potrzebne. I powinieneś całkowicie unikać procesorów sygnału, ponieważ próbując poprawić jakość sygnału, niezmiennie tworzą odwrotny efekt, dodając szum.
Nie myśl, że edytujesz za pomocą komputera, że jesteś beztroski. Każdy system cyfrowy wykorzystujący analogowe wejścia wideo (w tym wejścia kompozytowe i S-video) naraża obrazy na zwiększone szumy, nie wspominając o artefaktach kompresji. W takich sytuacjach używaj połączeń S-video, gdy tylko jest to możliwe, aby zminimalizować uszkodzenia. Oto dlaczego:zwykłe kable wideo w stylu RCA są kablami kompozytowymi, co oznacza, że przenoszą sygnał będący mieszanką lub kompozytem czarno-białych i kolorowych informacji wideo. Większość urządzeń wideo (w tym kamera) przetwarza czarno-białą część sygnału oddzielnie od części kolorowej sygnału. Aby przesłać sygnał złożony kablem, dwie części sygnału muszą przejść przez proces znany jako modulacja. Podobnie, zanim sprzęt na drugim końcu będzie mógł zinterpretować sygnał, musi zostać zdemodulowany. Za każdym razem, gdy modulujesz lub demodulujesz sygnał, zgadnij, co się dzieje? Zgadza się:więcej hałasu.
Kable S-video oddzielają kolorową i czarno-białą część sygnału wideo. Oznacza to, że nie musisz się martwić dodatkowym szumem pochodzącym z modulacji i demodulacji. Jednak nadal musisz się martwić o zakłócenia, które wynikają z przypadkowego EMR napotykającego kabel, więc ekranowany kabel S-video jest wart zainwestowania.
Z drugiej strony kable FireWire przenoszą sygnał cyfrowy, który jest bardzo odporny na zakłócenia. Przesyłając sygnał czysto cyfrowy, możesz otrzymać obraz prawie tak nieskazitelny, jak wtedy, gdy pochodził z CCD. Oznacza to, że możesz przesyłać sygnał wideo z kamery cyfrowej do komputera, dodawać wszelkiego rodzaju fantazyjne tytuły i efekty, a następnie zrzucać go z powrotem na taśmę cyfrową praktycznie bez utraty jakości sygnału.
Jeśli działasz całkowicie w środowisku cyfrowym, łącząc swój sprzęt przez FireWire, nie masz się czym martwić. Twoje sygnały wideo i audio, będąc cyfrowymi, będą w stanie wytrzymać wiele kopii bez ulegania złu, jakim jest hałas.
Podsumowanie
Kiedy wszystko zostało powiedziane i zrobione, w kamerze jest o wiele więcej niż na pierwszy rzut oka. Nawet najbardziej podstawowy model zawiera wysoce zaawansowany system obrazowania, który jest niczym innym jak naukowym cudem.