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.

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.

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.

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

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

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