Урок 2. Матрица, процессор и что нужно об этом знать.

Урок 2. Матрица, процессор и что нужно об этом знать.

Владислав Медведев апреля 06, 2019 Be the first to comment!

Для того, чтобы мы понимали зависимости разных параметров и могли оперативно вносить изменения в настройки камеры для улучшения качества картинки, нам необходимо рассмотреть основные узлы камеры. После чего мы разберем как влиять на эти узлы и сможем понимать смысл многих действий видеографов, операторов и других людей, взаимодействующих с камерой.

К основным узлам относится:

  1. Светочувствительная матрица
  2. Буфер
  3. Процессор обработки изображений и видео
  4. Карта памяти или другой информационный носитель

Пока что мы не будем разбирать все что связано с объективами, только сама камера. И прежде, чем приступить к изучению матрицы, необходимо обозначить два больших кластера камер и их конструктивной особенности. Мы обсудим зеркальные и беззеркальные камеры.

lesson2 1

Раньше, до появления зеркалок, в камерах делались отдельные окошки с небольшими линзами, которые помогали очень примерно сориентироваться куда смотри камера и что попадет в видоискатель. Проблема была в том, что разные объективы обладают разными оптическими эффектами, разным фокусным расстоянием и так далее. Чтобы предоставить возможность фотографу видеть «почти финальное» изображение используя глазок (видоискатель), производители поставили зеркало под 45 градусов между матрицей и объективом. Таким образом, до нажатия на спусковую кнопку изображение из объектива перенаправлялось в видоискатель, а при нажатии шторка с зеркалом поднималась и свет без препятствий попадал на матрицу.

С развитием технологий мы научились достаточно энерго и тепло эффективно снимать изображение с матрицы в лайв режиме и показывать его на дисплее. Надобность в системе зеркал отпала, так и появились беззеркальные камеры.

Конечно, до сих пор есть множество поклонников именно зеркалок. Их любят за более продолжительную работу в режиме фото, более эргономичный дизайн и привычку смотреть в глазок.

  1. Светочувствительная матрица

Матрица – микросхема с размещенными на ней светочувствительными элементами – фотодиодами. Основная задача матрицы – запечатлеть количество и качество света, попадающего на нее.

Есть разные типы матриц, два самых популярных CCD и CMOS. Мы не будем вдаваться в технические особенности, эти понятия нам нужны для общего развития.

Исторически сложилось, что матрицы бывают разных, но довольно определенных размеров. Самые популярные из них:

  • Полноразмерная матрица 35мм – соответствует по размеру оригинальной пленке и сходится по размерам.
  • Матрицы серии APS – матрицы размером меньше полного в 1,5 - 1,7 раза.
  • Формат Micro 4/3 – матрицы меньше полного кадра примерно в 2 раза.

Таким образом, матрицы делятся на два больших класса – полноформатные (полноразмерные, фуллфрейм) и кропнутые (обрезанные, все что меньше полного кадра). Для того, чтобы сравнивать между собой матрицы было введено понятие «Кроп-фактор» - число, которое отображает отношение конкретной матрицы к полному кадру.

К примеру, матрица камеры Sony A6500 –  APS-C, имеет размер 23,5 × 15,7 (диагональ 28.4, а полный кадр это 36 × 24 (диагональ 43.27). Кроп фактор матрицы APS-C  1.52= 43.27 / 28.4

Новые стандарты матриц меньшего (по сравнению с полным кадром) размера появились не просто так. Матрица меньшего размера менее требовательна к питанию, она меньше греется и, соответственно, имеет меньший размер. Более того, некоторые «артефакты» больших матриц так же исправляются размером. Даже объективы на кропнутые («обрезанные») матрицы стоят дешевле. Однако, стоит не забывать, что есть некоторые физические явления, препятствующие повсеместной замене матриц на маленький формат. В основном это оптические эффекты, на больших матрицах сильнее проявляются размытия фона и глубина картинки в целом.

Чтобы понять, как развивалась мысль человека, давайте немного окунемся в историю.

В 2008 году произошла небольшая, но революция в мире видео. Компания Canon выпустила камеру Canon 5D Mark II. Переворот заключался в том, что это была первая полупрофессиональная камера с полнокадровой матрицей и функцией записи видео. Именно с этой камеры пошла эпоха полупрофессионального кино. Мы получили такие важные, но очень дорогие в профессиональном мире функции, как сменные доступные объективы, полноформатную матрицу, маленький корпус. Хоть сейчас такими плюшками никого не удивишь, тогда это было уму не постижимо.

Следующая революция произошла только в 2014 году, когда корпорация Sony анонсировала выход Sony A7S. Публике была представлена полноформатная камера, которая могла писать FullHD картинку в 120 кадрах в секунду и 4K на внешний рекордер в 4:2:2 8bit (об этом чуть позже). Конечно, революция была не в этих характеристиках, а в том с каким рабочим диапазоном ISO она справлялась. Предельный диапазон ISO упирался в 409 600 единиц, а используемым до 12 000 единиц.

Вот и настало время разобраться, что такое ISO, как им пользоваться и на что влияет.

Каждая матрица состоит из фотоэлементов, которые чувствительны к попадающему свету. Фотон, попадая на приемник возбуждает в нем электрическую активность (потенциал), чем больше фотонов – тем больше потенциал. То, на сколько приемник будет чувствителен к возбуждению может быть задано программно. Регулируется это по средствам показателя ISO.

Таким образом, ISO 100 – означает, что матрица воспринимает попадающий на нее свет на 100 единиц. ISO 6400 – усиливает восприимчивость к свету в 64 раза по сравнению с ISO 100.

Однако, электроника не идеальна, и фотоны не распространяются только по прямой, они могут быть много раз отражёнными. Поэтому чрезмерное усиление сигнала может начать производить фантомные возбуждения на приемнике. Именно эти фантомные возбуждения называются шумом. Шум может появляться как от задранного значения ISO, так и из-за конструктивных особенностей, в частности размера матрицы и плотности фотодиодов на ней.

Возвращаясь к революции Sony хочется объяснить, что их заслуга была в том, что вместо погони за количеством мегапикселей (как делали другие компании), они сделали ставку на полупрофессиональных кинолюбителей и видеографов. Камера обладала полноразмерной матрицей 35мм с максимальным разрешением в 12 мегапикселей против 21 мегапикселя у того же Canon 5D Mark II (вышедшего на 6 лет раньше). Снижение плотности пикселей и увеличение физических размеров каждого фотодиода, позволило существенно снизить шумы картинки. Более того, благодаря обновленной линейке процессоров Sony удалось настроить программное шумоподавление на уровне «я не вижу шум, боже куда он делся, дайте лупу».

Резюмируя блок, размер матрицы влияет на кроп. Фактор. Далее, вы узнаете почему кроп фактор важен при выборе объектива и чем чревато отсутствие этой информации. Более того, мы разобрались за что отвечает переменная ISO и что её всегда лучше держать у минимального значения, но зная особенности своей камеры можно иметь свободу в определенных пределах.

Помимо светочувствительности, в режиме записи видео на зеркальных и беззеркальных камерах есть и другая переменная, которая называется «Скорость затвора» или “ShutterSpeed”, иногда в русском языке его называет «Выдержка». Скорость затвора помогает понять, в течении какого времени данные с матрицы будут записываться. Все показатели измеряются в секундах, поэтому показатель «1/25» будет соответствовать одной двадцать пятой части секунды.

И тут мы упираемся в некоторые ограничения. Если данные с матрицы будут забираться процессором камеру в течении слишком долгого промежутка времени, то сам объект может уже сместиться и давать с течением времени все более и более разную информацию. Так происходит, когда мы пытаемся сфотографировать быстро движущийся объект (например, пикирующую птицу или пролетающий поезд) на больших выдержках (1/25). И хоть мы не фотографируем, а снимаем видео, все равно объекты в кадре становятся менее четкими и более смазанными. И наоборот, если мы сделаем фотографию любого объекта на малой выдержке (1/400), то он будет очень четким. В видео это так же может быть не уместно в силу смысла сцены. При спокойной сцене, где не нужна динамика, а необходимо показать плавность картинки.

Из этого в сфере киношников появилось негласное правило двойной частоты кадров или Double Framrate. Суть правила проста. Опытным путем стало понятно, что для глаза человека приятней, когда скорость затвора работает с удвоенной частотой относительно количества кадров. Например, при съемке 25 кадров в секунду выдержка должна быть 1/50, а при съемке 30 кадров в секунду 1/60 и так далее.

В разделе особенностей матриц так же необходимо затронуть артефакты, которые напрямую с ними связаны. Одним из таких артефактов является эффект плавающего затвора или Rolling Shutter. Суть этого эффекта сводится к тому, что процессор опрашивает матрицу построчно и разница во времени опроса верхней строки и нижней достаточно высока из-за большого количества строк. Поэтому быстро движущийся объект успевает смещаться при переходе к каждой новой строке. Проверить скорость опроса своей камеры можно просто взять камеру в руки и на запись поболтав ей в разны стороны. Если вы увидите, что вертикальные линии начинают наклоняться и картинка как будто плывет, то это и будет эффектом плавающего затвора.

Об авторе

Владислав Медведев

Владислав Медведев

Всем привет, меня зовут Влад. Я один из учередителей видеопродакшена MKS YGLT. Надеюсь мой контент Вам полезен и очень жду комментариев, спасибо) 

Leave a comment

Ваш адрес не будет использован для рассылок. Пожалуйста заполните все поля, помеченные знаком - *



© MKS YGLT

Все права зарегистрированы

Консоль отладки Joomla!

Сессия

Результаты профилирования

Использование памяти

Запросы к базе данных