СОВЕТЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ. НА ЗАМЕТКУ

Миллион кадров в секунду!

Многие, наверное, видели увлекательные кадры научно-популярных фильмов, где в очень медленном темпе показаны быстротечные процессы. Падающая капля воды, продавливающая образованную силами поверхностного натяжения пленку. Футбольный мяч, сминаемый ступней игрока почти до середины своего диаметра при очень сильном ударе. Пуля, медленно пробивающая апельсин. Кажется, само время приостанавливает свой бег в таких кадрах.

Некоторые зрители ошибочно называют этот эффект "замедленной съемкой", но на самом деле съемка тут используется как раз ускоренная. Ведь для того, чтобы показать какое-либо действие в десять раз медленнее, чем оно протекает в реальном времени, потребуется в десять раз больше кадров, чем при обычной съемке. Для научных исследований технология просто незаменима - как иначе исследовать быстрые процессы? Но кроме исследований, она применяется как в художественной съемке - для придания драматизма или эффектности кадрам, так и в спортивных трансляциях - показать, к примеру, гол во всей красе.

В чем сложность?

Сразу можно выделить две сложности - большее количество кадров и меньшее время выдержек. Самым простым решением было бы снять видеоряд как обычно и показать его в замедленном темпе. Но для того чтобы движение выглядело непрерывным, а не напоминало перелистывание альбома, в каждую секунду должно сменяться не менее 24 кадров. Если замедлить воспроизведение всего в четыре раза, то получится видео с частотой 6 кадров в секунду и движение на экране будет "дерганным". О замедлении видео в 10 раз и говорить не приходится. Два кадра в секунду - это уже слайд-шоу, а не видео.

Для чего нужны "короткие" выдержки? Дело в том, что чем меньше время выдержки, тем на меньшее расстояние успеет сдвинуться объект съемки в момент экспозиции. А значит - тем более отчетливым он будет на каждом карде. И чем больше скорость объекта, тем менее короткой должна быть выдержка. Кроме того, чем быстрее может снимать камера, тем меньшее время остается на экспозицию каждого отдельного кадра. Например, если камера снимает для дальнейшего сорокакратного замедления, то выдержка даже теоретически не может быть длиннее одной тысячной секунды, а на практике - и короче.

Миллион - это много

Услышав впервые о миллионе кадров в секунду, сразу вспоминаешь о том, что в наше время чаще берут маркетингом, чем инженерной мыслью. Но узнав, что видеокамера с такой частотой съемки является детищем японской компании NHK, понимаешь, что это не просто рекламная выдумка. "Истина где-то рядом" - камера такая уже есть и, в то же время, снять на нее семейное застолье вряд ли удастся.

Основных компромиссов два. Первый - в то время как HDTV готовится вытеснить телевидение стандартной четкости, представленная камера даже чуточку не дотягивает до обычного SD. Второй компромисс более серьезный - снимать камера может короткой серией кадров. При скоростях съемки до миллиона кадров в секунду, серия может состоять всего лишь из 144 кадров, а при скоростях до 1,000 кадров в секунду - из 5,000. Длительность съемки на скорости 1,000,000 кадров/сек составит 144 микросекунды - за это время даже звук в воздухе не успеет пролететь и пяти сантиметров! Но все это, ни в коей мере не умаляет достоинств устройства, способного "замедлить время" более чем в тридцать тысяч (!) раз. А выбор режимов и скоростей съемки позволяет записать процессы длительностями от 144 микросекунд почти до 3 минут.

Краткие характеристики камеры:

В 2003 году в научно-исследовательской лаборатории компании NHK была разработана первая цветная камера на базе высокочувствительного, ультравысокоскоростного прибора с зарядовой связью (ПЗС или CCD - Charge-Coupled Device) с разрешением 312х260 пикселей. Камера позволяла снимать на скоростях до 1,000,000 кадров в секунду (серией до 103 кадров) и имела чувствительность на порядок выше, чем стандартные скоростные камеры. К 2007 году уже была разработана камера на базе нового ПЗС, разрешением 413х360 и серией до 144 кадров. В камере применяется два таких ПЗС, состыкованных по широким сторонам в единую матрицу.

Каким же образом удалось достичь таких выдающихся скоростей? Матрица (300,000 пикселей) на базе новых ПЗС имеет уникальную структуру с внутренней памятью. По трудоемкости это также сложно, как сделать матрицу в 40,000,000 пикселей, поскольку ячейки памяти должны соотноситься с размерами пикселей. На рисунке показаны различия в работе обычных ПЗС (а) и ПЗС ультравысокоскоростного типа (б). В обычном ПЗС заряды должны пройти длинный путь (1000 и более шагов), чтобы оказаться на выходе матрицы. В новом же приборе, каждый пиксель (фотодиод) имеет внутренний массив памяти для сигналов изображения, что резко снижает количество необходимых для передачи сигналов шагов. Это и позволяет достичь такой невероятной скорости записи - вплоть до миллиона кадров в секунду. Такая работа называется режимом ISIS (In-situ Storage Image-Sensor - сенсор изображения с памятью в ячейках пикселей).

Кроме режима ISIS, камера может работать и в режиме "внешней памяти". Скорость съемки в таком режиме может составлять от 30 до 1,000 кадров в секунду, длительность серии увеличивается до 5,000 кадров. Стоит заметить, что "внешней" эта память является по отношению к матрице ПЗС, конструктивно же она находится внутри самой камеры. Это обычное оперативное запоминающее устройство SDRAM-типа объемом 2 гигабайта.

Скоростное видео высокой четкости

Видеокадры высокой четкости и на обычной скорости производят впечатление. А уж замедленные впятеро - просто поражают. Увеличенная впятеро площадь кадра, помноженная на пятикратную скорость записи, дает в 25 раз возросшие потоки обрабатываемой информации. Возникающие при этом технологические сложности сопоставимы со случаем разработки ультравысокоскоростной камеры.

Первую свою высокоскоростную видеокамеру высокой четкости (на ЭЛТ) корпорация NHK представила на Олимпийских Играх в Барселоне в 1992 году. Это была полноформатная HDTV видеокамера (2.2 мегапикселя) со скоростью съемки до 180 кадров в секунду. Использовалась она для трансляции забегов на 100 метров. Камера была способна записать 30 секунд видео, втрое превышающее обычную скорость, во внешний блок полупроводниковой памяти, весящий порядка 200 кг, при собственном весе камеры в 16 кг.

В 1998 году появилась вторая высокоскоростная камера, на четырех ПЗС матрицах - 2 для канала зеленого и по одной для красного и синего каналов. На Зимних Олимпийских Играх в Нагано камера использовалась при трансляции соревнований по прыжкам с трамплина. Для работы были необходимы по три видеомагнитофона и стандартных модуля управления видеокамерой. Все это весило более 200 кг и потребляло 3 киловатта электроэнергии.

Последняя разработка NHK в этой области - HDTV камера с пятикратной скоростью записи. В камере применены КМОП матрицы (CMOS - complementary metal-oxide semiconductor или комплементарный металл-оксидный полупроводник). Это снизило энергопотребление и позволило повысить скорость съемки путем параллельного считывания сигнала с ячеек. Для борьбы с более высокими, чем в CCD, шумами были применены специальные процессоры.

Краткие характеристики камеры HDTV 1080/300p:

Когда будете смотреть спортивную трансляцию, обратите внимание на замедленные повторы - насколько они стали резче, плавнее и... медленнее!

Арсен Газимагомедов