dtcinema

Назад
Вперёд
Группа в контакте
F.A.Q.
О журнале
Главная
Контакты
Карта сайта
Главная

06.03.11

Какие камеры - с одной или тремя ПЗС-матрицами - дают лучшее качество изображения?

Стив Мулен

 

Компания JVC недавно выпустила новые модели недорогих камер GR-HD1 и JY-HD10 с одной ПЗС-матрицей. Автор статьи подробно рассматривает новые технологии, реализованные в этих камерах, и проводит детальный анализ качества получаемых изображений, сравнивая его с тем, что дают камеры с тремя ПЗС.

 

После появления новых портативных цифровых видеокамер компании JVC GR-HD1 и JY-HD10 вновь разгорелась дискуссия о том, какие технологические решения - на основе одной или трех ПЗС-матриц, лучше подходят для захвата и записи высококачественного изображения.

 

Видеокамерами на одной ПЗС-матрице сейчас снимают очень многие, и, с моей точки зрения, они дают изображение превосходного качества. Компании Foveon удалось разработать такую технологию, которая позволяет с помощью одной ПЗС-матрицы захватывать изображение, по качеству сопоставимое с тем, что обеспечивает кинокамера для 35-ти миллиметровой пленки. Для этого используется трехслойный светочувствительный датчик, который внедрен в силиконовую подложку: верхний слой записывает синий, средний - зеленый, а нижний - красный свет. Таким образом, в разработанной специалистами Foveon матрице на месте расположения каждого пикселя находится стек из трех светодетекторов.

 

В видеокамерах с одной ПЗС-матрицей применяется одна из трех схем фильтрации: Bayer Mosaic Filter, Complementary-Primary Mosaic Filter или Hybrid Complementary-Primary Mosaic Filter. Но во всех этих схемах для считывания информации о яркости и цветонасыщенности используются ПЗС-матрицы с минимальными элементами кластера 2х2 (рис. 1).

 

Рис. 1.

1

 

Так как нас интересует модель JVC JY-HD10, для сравнения камер с одной и тремя ПЗС-матрицами я буду использовать ее характеристики. В этой модели для достижения максимального вертикального разрешения, присущего видеокамерам с прогрессивным сканированием (480p или 720p), применяются нейтральные зеленые, голубые и желтые светофильтры.

 

Рис. 2.

 2

 

В матрице фильтров предусмотрены два дополнительных цветофильтра (желтый или голубой) и один основной (зеленый) фильтр. Какое воздействие на белый цвет оказывает введение любых двух дополнительных цветов (Mg, Ye или Cy), показано на рис. 2, а то, как генерируются люма- (Ln) и хрома-составляющие (RGBn) элементами ПЗС-матрицы (En), - на рис. 3.

 

Рис. 3.

 3

 

Люма-составляющая определяется по следующей формуле: Y = 0,29R + 0,59G + 0,11B или Y = R + 2G + B, а нечетные люма-ряды рассчитываются по уравнению Yнечет. = W + G. При этом белый, конечно, равен R + G + B. Таким образом, сочетание элементов белого и зеленого фильтров дает Yнечет. = R + 2G + B. Четные ряды люма-составляющих определяются как Yчетн. = Cy + Ye, где Cy = G + B, а Ye = R + G. Таким образом, при сочетании элементов голубого фильтра с элементами желтого фильтра Yчетн. = R + 2G + B.

 

На рис. 3 показано как из 16 (H?V) элементов генерируются 12 люма-составляющих (H-1?V). В соответствии с приведенной формулой чип JVC в режиме 720p способен сгенерировать 842,861 люма-составляющих из 659 рядов ПЗС-матрицы. (Максимальное количество линий, на которое цифровой процессор сигналов раскладывает изображение, равно 720).

 

Как работает ПЗС-матрица в новых видеокамерах JVC

 

В процессе хрома-генерации для верхнего ряда ПЗС-матрицы из каждой пары рядов ПЗС должна быть задержана одна видеолиния. В последствии эта линия может быть скомбинирована с текущей строкой. Красный цвет образуется следующим образом: R = W - (G + B), где (G + B) = Cy. Для достижения лучшей чувствительности и равномерного распределения цветовых составляющих по матрице используются все четыре фильтра: R = (W + Ye) - (G + Cy).

 

Голубой цвет образуется следующим образом: B = W - (R + G), где (R + G) = Ye. При использовании всех четырех фильтров B = (W + Cy) - (G + Ye). Зеленый цвет получается так: G = W - (B + R), где (B + R) = Mg. Фильтр Mg отсутствует, но можно одновременно применять B- и R-составляющие. А при использовании всех четырех фильтров для достижения лучшей чувствительности и равномерного распределения цветовых составляющих по матрице G = (G + Cy + Ye) - W.

 

Чтобы сравнить количество генерируемых люма- и хрома-составляющих камерами с одной и тремя ПЗС, посмотрим на данные, приведенные в табл. 1. Девять хромасоставляющих (H-1 ? V-1) генерируются из 16 (H ? V) элементов, а одна ПЗС в режиме 720p генерирует 841,582 RGB хрома-элементов. Обратите внимание на очень малое различие между видеокамерами с одной или тремя ПЗС-матрицами в режиме 720р.

 

Таблица 1. Количество люма- и хрома-составляющих, генерируемых камерами с одной и тремя ПЗС

ПЗС 1280х659 Элементы ПЗС Люма-составляющие Хрома-составляющие
Камеры с тремя ПЗС 843,520 843,520 843,520
Камеры с одной ПЗС 843,520 841,861 841,582

 

Но, чтобы разобраться с характеристиками видеокамеры, следует не просто сравнивать количество элементов, генерируемых ПЗС-матрицей, а проанализировать пространственное расположение элементов, которые участвуют в создание изображения. В результате такого сравнения можно определить то количество генерируемых пикселей, которое определяет разрешение видеокамеры по горизонтали и по вертикали.

 

Давайте начнем с обычной ПЗС-матрицы для NTSC, которая захватывает 481 ряд информации в течение временного промежутка, определяемого установками обтюратора, выставленными на видеокамере. За 1/60 секунды ПЗС-матрица выводит данные, начиная с верхнего ряда и заканчивая нижним. Из верхних 480 рядов формируется один полукадр чересстрочной разверстки. Для захвата второго полукадра, дополняющего первый до полного кадра, ПЗС-матрица вновь проводит захват изображения в течение времени экспозиции, которая задается обтюратором, а затем в течение следующей 1/60 секунды с ПЗС-матрицы считываются нижние 480 рядов.

 

Каждый элемент ряда задерживается на период строчной разверстки и затем добавляется к эквивалентному элементу следующей линии. В процессе добавления информации с двух последовательных рядов создается фильтр, который смягчает горизонтальные границы, снижая межстрочный шум мерцания. После завершения суммирования сигналов с двух элементов ПЗС-матрицы происходит усиление полученного сигнала, а затем такая его фильтрации, чтобы на выходе видео получалось 240 линий - именно такое количество линий требуется для формирования полукадра в формате NTSC.

 

Фильтр, обеспечивающий совмещение рядов уменьшает разрешение по вертикали почти на 25% - до 180 линий на полукадр. Таким образом, эффективное разрешение по вертикали для кадра чересстрочной разверстки в формате NTSC снижается до 360 линий. Но цифровая видеокамера производства JVC в режиме формата DV, тоже выдает разрешение по вертикали 360 линий.

 

При записи изображения в формате чересстрочной разверстки, фильтр, обеспечивающий совмещение рядов, используется в камерах и с одной, и тремя ПЗС-матрицами. А вот при записи прогрессивного изображения не зависимо от количества ПЗС-матриц для получения информации о яркости этот фильтр не используется. (Хотя, например, в камере Panasonic AG-DVX100 его можно включить.) Поэтому, если видеокамера JVC переключена в режим 480p, то ее разрешение по вертикали составит 480 линий.

 

Все видеокамеры с одной ПЗС-матрицей генерируют люма-элементы фильтра, обеспечивающего совмещение рядов, который двигается поперек пар колонок ПЗС-матрицы. Этот фильтр снижает разрешение по горизонтали более чем на 25%. Таким образом, 720 элементов, задействованных в режиме DV, формируют видеоряд с 540 пикселями, 941 элемент в режиме SD образуют видеоряд с 706 пикселями, а 1280 элементов в режиме HD дают видеоряд с 960 пикселями. Но конечное разрешение будет меньше, чем было получено в результате подсчетов пикселей. Дело в том, что для сглаживания зубцов (алиасинга), которые возникают в процессе отбора разовых проб изображения массой элементов, составляющих ПЗС-матрицу, используются оптические и электронные низкочастотные фильтры. Такая фильтрация не затрагивает разрешение по вертикали, так как частота отсечки задается для значительно большего количества горизонтальных элементов ПЗМ-матрицы.

 

Мозаично размещенные элементы на передней части единственного кристалла ПЗС обусловливают необходимость сильного сглаживания с более низкой частотой отсечки, что приводит к падению разрешения. В камере JVC предусмотрен сглаживающий фильтр, который снижает разрешение для мелких деталей (но только для мелких) на величину порядка 25% как для режима 480p, так и для режима 720p. В табл. 2 приведены значения измеренных разрешений по вертикали и горизонтали для компактной цифровой видеокамеры JVC. Данные о горизонтальных разрешениях для режимов SD и HD отражают два последовательных 25%-х снижения в мелких деталях.

 

Таблица 2. Значения измеренных разрешений для различных режимов

Режим Ряды ПЗС Вертикальные пиксели Вертикальные пиксели (измеренное количество) Столбцы ПЗС Горизонтальные пиксели Горизонтальные пиксели (измеренное количество)
480i 480 360 360 720 540 540
480p 480 480 480 940 706 525
720p 659 659 650 1280 960 700

 

А какого максимального разрешения можно было бы достичь, если использовать видеокамеру с тремя, а не с одной ПЗС, если не принимать во внимание воздействие сглаживающего фильтра? В отсутствие фильтра, сглаживающего движение (слайдинг-фильтра), возможное значение горизонтального разрешения должно возрасти в режиме 720р с 960 до 1280 пикселей. Но это значение характеризует яркость изображения, а большинство претензий, выдвигаемых в отношении видеокамер с одной ПЗС-матрицей, относятся к плохой цветонасыщенности.

 

Поэтому, давайте, сравним видеокамеры с тремя и одной ПЗС-матрицами. Соотношение пикселей цветности и яркости характерно для видеокамеры с тремя ПЗС-матрицами равно 1:1 или 1. Одна ПЗС-матрица в камере JVC позволяет получать 632400 пикселей (960?659 пикселей). Каждый элемент RGB формируется из информации, полученной с двух столбцов ПЗС с применением фильтра, сглаживающего движение. Таким образом, разрешение по горизонтали уменьшается на 25% - с 1280 до 960 пикселей. Слайдинг-фильтр применяется и в вертикальном направлении. Разрешение хрома по вертикали уменьшается на величину порядка 25% - с 659 до 494 RGB пикселей. В результате, суммарное разрешение RGB-хрома составит 474240 пикселей. Соотношение хрома- и люма-пикселей равно 0,75 (474240 : 632640). Таким образом, получается, что коэффициент хрома/люма у камеры JVC ниже, чем у видеокамер с тремя ПЗС-матрицами.

 

Детали цветонасыщенности должны быть еще один раз уменьшены до того, как они будут записаны в виде данных о цветовой контрастности. Требуемое уменьшение одинаково для форматов DV (4:1:1) и MPEG-2 (4:2:0). Это уменьшение необходимо как для видеокамер с одной ПЗС-матрицей, так и для видеокамер с тремя ПЗС-матрицами.

 

Перед записью RGB хрома-информация подвергается еще двум процессам. Красная, зеленая и голубая составляющие комбинируются (0,29R + 0,59G + 0,11B) для генерирования чередующихся люма-элементов - Y'. Затем эти люма-элементы комбинируются с красной и голубой составляющей для создания двух компонентов цветовой контрастности R-Y' и B-Y'.

 

Для обоих режимов компрессий - DV и MPEG-2, детали, отвечающие за цветонасыщенность, подвергаются еще одному уменьшению на 25%. Следовательно, в структуре сэмплирования DV 4:1:1 цветовые элементы R-Y' и B-Y' записываются для каждого четвертого пикселя яркости в каждой строке. В формате MPEG-2 Main Profile со структурой сэмплирования 4:2:0 запись цветовых элементов R-Y' и B-Y' производится для каждого второгоо пикселя яркости в каждой строке. В обоих методах сэмплирования уменьшение хрома-разрешения происходит по схеме дискретизации 4:2:0.

 

Итак, так ли необходимо использовать три ПЗС-матрицы для получения высококачественного видео? Видеокамеры с тремя ПЗС-матрицами на самом деле обеспечивают более высокое качество цветопередачи, а также снижают цветовые искажения, которые могут возникать при съемке быстро движущихся объектов. Но при достаточном запасе разрешения и видеокамеры с одной ПЗС-матрицей будут поддерживать выборку с запасом по частоте дискретизации, которая обеспечит устранение нежелательных эффектов фильтрации, проводимых до сжатия и перекодирования. (Например, Sony уже сейчас предлагает портативные цифровые видеокамеры с ПЗС-матрицей на 2,11 мегапикселей.)

 

К сожалению, стремление к уменьшению размера и использованию многомегапиксельных ПЗС-матриц приводит к понижению светочувствительности и сужению световых угловых характеристик камер. Недостаток светового потока, попадающего на матрицу, увеличивает вероятность потери затемненных деталей или засвечивания ярко освещенных, а недостаток чувствительности в условиях плохой освещенности может привести к появлению большого количества шумов на изображении.

 

Я не сомневаюсь в том, что технологический прогресс может привести к тому, что одна ПЗС-матрица будет использоваться не только в недорогих портативных цифровых видеокамерах. Три матрицы и оптическая призма увеличивают объем и стоимость камеры. Призма также ограничивает количество значений диафрагмы объектива. Помимо этого, если снимается в основном видео, а не фильмы, то работать с неглубокой фокусировкой, характерной для современных видеокамер с тремя ПЗС-матрицами, нежелательно. Одна 35-миллиметровая матрица на 4000х2000 пикселей (8 мегапикселей), опытный образец которой был представлен компанией Dalsa, в состоянии разрешить все эти проблемы. Я не знаю, маленьким или большим ПЗС-матриц будет отдано предпочтение в будущем, но в том, что качество изображения будет определять не их количество, я уверен.

 

Steve Mullen/ CCD Counting, Still Needed?/VideoSystems, 2003, май.

 

Информационный источник:  http://www.digitalvideo.ru/archiv/034/3401.htm

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить