Количество ПЗС-матриц — 1 или 3?

Еще не так давно этот вопрос перед большинством видеолюбителей не стоял — камеры 3CCD были уделом профессионалов из-за их высокой цены. Но стараниями фирмы Matsushita (торговая марка Panasonic) на рынке появились недорогие камеры 3CCD и вопрос «что выбрать — 1CCD или 3CCD?» все чаще встречается в форумах видеолюбителей, причем ответы на него варьируются от «любая 3CCD камера на голову лучше любой 1CCD камеры» до «3CCD — ерунда, маркетинговый трюк, не более того». Попробуем разобраться — где же истина, в чем камеры 3CCD действительно превосходят 1CCD и стоит ли за это платить.

Начнем с того, что CCD-матрица является монохромным прибором — сама по себе она не воспринимает цвета. Так как же тогда получить цветное изображение? Наиболее естественный путь — установить три матрицы и цветоделительную систему так, чтобы разделить световой поток на три основные цветовые компоненты (красную, зеленую и синюю) и каждую компоненту направить на свою отдельную матрицу. При этом на каждой из трех матриц мы получим картину в, соответственно, красных, зеленых и синих лучах. Приписав ей соответствующий цвет и наложив эти картины друг на друга мы получим полноцветное изображение. Именно так работает 3CCD система.

Преимущества такого подхода очевидны — это наиболее естественный путь получения цветовой информации при котором практически не происходит её потери. Недостаток тоже лежит на поверхности — три матрицы стоят дороже, чем одна. Прибавим к этому стоимость цветоделительной системы, юстировки матриц, прецизионного изготовления всего блока... Да и размер такой системы по определению будет больше соответствующей 1CCD системы. Понятно, почему системы 3CCD долгое время были уделом лишь профессионалов. А что оставалось делать любителям? Им оставалось иметь дело с 1CCD (одноматричными камерами)... Как образуется цветная картина на них?

А образуется она следующим образом — перед каждой ячейкой матицы стоит цветной светофильтр. Наиболее распространенной является Байеровская система светофильтров (её еще часто называют RGGB системой).

Она состоит из красных, зеленых и синих фильтров на ячейках. Причем «зеленых» ячеек (ячеек под зеленым фильтром) вдвое больше, чем «красных» и «синих». Это связано с тем, что человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Как вы можете видеть, в такой системе каждая ячейка матрицы отвечает только за один цвет. Но как же тогда построить полноцветную картину, ведь для этого нужно иметь информацию о всех цветах для данной ячейки, а изначально мы имеем информацию только об одном цвете? И тут на помощь приходит цветовая интерполяция. Возьмем, к примеру, «зеленую» ячейку. Изначально для неё мы имеем информацию только о зеленой компоненте, но мы можем приписать этой ячейке и информацию о красной и синей компоненте, проводя интерполяцию по соседним красным и синим ячейкам. Простейшие схемы такой цветовой интерполяции показаны на нижеприведенном рисунке

В результате такой интерполяции и получается полноцветная картина на одной матрице — после интерполяции каждая точка имеет все три цветовые компоненты.

И теперь, после того как мы вкратце ознакомились с формированием цветной картины в системах 3CCD и 1CCD, мы сможем ответить на главный вопрос — чем же система 3CCD лучше системы 1CCD. И здесь мы должны сделать основополагающее для ответа на этот вопрос замечание — 1CCD (в отличии от 3CCD) теряет цветовую информацию. Действительно, что произойдет, если «красный» (то есть имеющий соответствующую красному цвету длину волны) фотон попадет на «зеленую» (или «синюю») ячейку (ячейку под зеленым или синим светофильтром)? Ответ очевиден — он будет поглощен этим фильтром и не будет зарегистрирован матрицей. То же самое можно сказать и о «зеленом» фотоне и «красной» («синей») ячейке или «синем» фотоне и «зеленой» («красной») ячейке. В результате этого в одноматричной системе теряется до ¾ цветовой информации (в отличии от трехматричной, где каждый фотон будет зарегистрирован на соответствующей матрице)! Недостаток цветовой информации одноматричная система вынуждена восполнять с помощью уже упоминавшейся выше цветовой интерполяции, но это «нечестный» путь, мы приписываем данной ячейке две цветовые компоненты, строго говоря, не относящиеся к ней, взятые с других ячеек, других точек картины! Результатом этого является (при прочих равных условиях) худшая цветопередача и худшее разрешение одноматричной системы по сравнению с трехматричной. В частности, на картинке, полученной с трехматричных камер практически не бывает цветовых шумов, в то время как на одноматричных камерах такие шумы встречаются довольно часто. С разрешением тоже все понятно. К примеру, в 3CCD системе с 800000 пикселями на одну матрицу, на зеленый цвет придется 800000 пикселей, на красный — 800000, на синий — 800000. А как обстоит дело в одноматричной системе с 800000 пикселей на матрице? На зеленый в ней придется... 400000 пикселей, а на красный с синим и того меньше — по 200000 пикселей. И у кого после этого будет выше цветовое (да и яркостное тоже) разрешение? Ответ очевиден...

Так значит правы те, кто заявляет «любая камера 3CCD на голову лучше любой камеры 1CCD»? Нет. Не надо забывать, что качество итоговой картинки зависит не только от матрицы. Оно складывается из трех «китов» — оптики, матрицы и электроники камеры. Кроме того, и сами матрицы в системах 1CCD и 3CCD могут весьма различаться по своим характеристикам. А потому одноматричная камера, но с лучшей оптикой и электроникой и большей матрицей, вполне может давать картинку лучшего качества, чем трехматричная. Но при прочих равных условиях камеры 3CCD выглядят более предпочтительными и дают картинку лучшего качества нежели камеры 1CCD.

Вывод: Лучше приобретать камеру с 3 матрицами (3CCD)

Увеличение (Zoom)

Увеличение может быть оптическим и цифровым, и обозначается на видеокамерах словом «Zoom».

Оптическое увеличение. При оптическом увеличении изменяется изображение проецируемое непосредственно на матрицу, т.е. меняется фокусное расстояние (линзы удаляются или приближаются к объективу). Вспомните детские опыты с линзой, когда её удаляешь или приближаешь к объекту – то видишь его то более увеличенным, то менее. Аналогично работает и объектив с переменным фокусным расстоянием (только линз там больше и механизм их перемещения более сложный).

Цифровое увеличение. При цифровом увеличении проецируемое изображение остаётся без изменений, а увеличение происходит программными методами видеокамеры, т.е. изображение на матрице остаётся прежним, но из него выбирается часть, и «растягивается» на весь экран.

Попробуйте, например, на компьютере открыть jpeg-файл программой просмотра, и установите масштаб изображения 200%, 400%, 1000%. Что вы видите? Вместо чёткой картинки — отдельные крупные точки.

Изображение при этом стало крупнее, вот только разглядеть детали всё равно невозможно, т.к. чёткость стала значительно хуже.

Аналогичный результат вы получите и при цифровом увеличении. Вроде бы изображение увеличилось, но на самом деле мелкие детали разглядеть не удастся.

Поэтому в установках видеокамер существует возможность ограничить увеличение только оптическим.
Вывод: обращаем внимание только на оптическое увеличение, и не обращаем на цифровое.

Камера с параметрами «zoom 25/100» предпочтительнее, чем «zoom 15/1000» – т.к. в первом случае оптическое увеличение в 25 раз, а во втором – всего 15.

Фоторежим видеокамеры

По правде говоря, видеокамера покупается для того, чтобы снимать видео, а не фото... Но с распространением в нашей жизни устройств «все в одном» (наиболее яркий пример — мобильные телефоны) видеолюбители стали все чаще обращать внимание на фотовозможности современных видеокамер. Вкратце остановимся на них и мы.

Во-первых, надо учесть, что даже если видеокамера обладает 3 Мп.матрицей и может снимать 3 Мп. фото — в большинстве случаев качество этих фотографий будет несколько хуже, нежели фотографий снятых хорошим 3 Мп. цифровым фотоаппаратом. Происходит это потому, что для обработки фото и видеоизображений нужны во многом разные алгоритмы и применение алгоритмов видеообработки к фотографиям дает не самое лучшее качество. Впрочем, в современных видеокамерах начали применять раздельную обработку фото и видео (пример — процессор Digic DV от Canon), что заметно улучшило качество фоторежима.

Но все же... Когда заходит речь о фоторежиме, надо помнить, что хороший фоторежим скорее всего будет злом для видеорежима. Ведь для хорошего фоторежима надо много пикселей на матрице, что ведет к уменьшению размера одной ячейки, а следовательно — к уменьшению чувствительности. Для фото это не играет решающей роли — мы всегда можем использовать вспышку. А вот для видео это гораздо более критично. Вспомним, что для реализации DV, даже в одноматричной системе, достаточно примерно 1-1.3 Мп., и непомерное увеличение числа мегапикселей будет негативно сказываться на чувствительности камеры.

Так что, отказаться от фоторежима вообще?! Не дадут... Большинство выпускаемых сейчас видеокамер имеют фоторежим и нам никуда от этого не деться. Так что выходов у нас с вами два — либо просто не обращать на него внимание, сосредоточившись на качестве видео у выбираемой камеры и предоставив фото цифровому фотоаппарату (что, наверное, правильно). Либо брать видеокамеру с количеством пикселей, достаточным для реализации режима «псевдотрехматричности» (о котором я писал выше, обсуждая мегапиксели) — это хоть как то скрасит недостаток чувствительности. В принципе — это тоже выход, фоторежим у этих камер неплох и вполне может сойти для замены цифрового фотоаппарата в критических случаях (когда этого самого аппарата под рукой нет). Правда стоят эти видеокамеры недешево...