Digitalna video kamera

Izvor: Vidipedija
Skoči na: orijentacija, traži
Profesionalna digitalna video kamera Sony HDR-FX1
Digitalne video kamere su elektronički uređaji za spremanje slike i zvuka u digitalnom obliku. Digitalizirana slika i zvuk spremaju se na medij za pohranu, najčešće traku ali postoje i modeli koji snimaju izravno na CD/DVD medije ili memorijske kartice.

Povijest digitalnih kamera

Već osamdesetih godina prošlog stoljeća pokušavalo se objediniti video kamere i video rekorder u jedinstvenu cjelinu. Za uspjeli pokušaj stvaranja neodvojive funkcionalne cjeline udomaćen je naziv Camcorder, što se može zahvaliti tvrtki Kodak koja je u veljači 1984. predstavila 8 mm format Camcordera popularnog imena KodaVision 2000. Od tog trenutka brojni su proizvođači uključeni u utrku stvaranja kompaktnog, laganog, malog i jednostavnog uređaja za svačiju ruku. Iz povijesti možemo izdvojiti nekoliko manje i više uspješnih pokušaja, od kojih su neki postali inovativni i nametnuli se vremenom kao standard. Interesantno je spomenuti kako Sharp od 1992. godine slovi kao prvi proizvođač kamere sa LCD zaslonom u boji koji je ponudio kao zamjenu za tada nezamjenjivo optičko tražilo. Tvrtka Panasonic 1995. isporučila je na tržište prvu miniDV kasetu nakon koje je počela revolucija digitalnog videa.

Principi prirode u digitalnoj kameri

Proces digitalnog snimanja započinje sa optikom kamere i mikrofonom koji hvataju sliku i zvuk video isječka koji snima i šalje te analogne signale valnog oblika na CCD čip radi analogno/digitalne konverzije, pri čemu se analogni signali pretvaraju u niz nula i jedinica, odnosno digitalni oblik. Tako obrađeni audio/video signali prosljeđuju se na čip za kompresiju i dekompresiju podataka koji reducira količinu podataka potrebnih za kasniju rekonstrukciju, odnosno zapisivanje audio i video signala. U usporedbi sa ljudskim organom vida, leća na kameri može se usporediti sa lećom oka koja upravo fokusira željenu sliku. CCD čip u ovom slučaju poistovjećuje se sa mrežnicom oka, složeni konvergentni sustav koji kod živog bića stvara realnu (i obrnutu sliku). CCD chip prezentira primljenu sliku u analognom RGB obliku. A/D konverter u kameri baš poput optičkog živca prosljeđuje sliku u pojednostavljenim digitalnim vrijednostima nula i jedinica. Sučelje CCD čipa sortira i pohranjuje u međuspremnik dobivene digitalne vrijednosti te ih šalje dalje u sistemski dio sa mikroprocesorom, glavni upravljački dio kamere koji koordinira brojne interakcije hardvera i softvera. Snimanje video zapisa na traku može se pojednostaviti na 4 koraka: slika objekta prolazi kroz leće, biva "uhvaćena" na CCD čipu, a potom se pretvara u binarni kod, te konačno prebacuje na medij.

Svjetlost i boje

Digitalni video koristi principe ljudskog vida koji su poznati još od početaka analogne TV i video tehnike. Bilo koja boja spektra može se dobiti miješanjem određenih iznosa osnovnih boja. Analogne video kamere proizvode tri različita kontinuirana signala: po jedan za R, G i B komponentu. Ova tri signala (crveni, zeleni i plavi) mogu se pretvoriti u druga tri: signal luminacije (osvjetljenja ili intenziteta) Y, koji sadrži informaciju o osvjetljenju, a druga dva su signali za razlikovanje boja (R-Y, G-Y). Kako je ljudsko oko manje osjetljivo na boju nego na osvjetljenje, signali boja mogu se prenositi i prikazati sa manjom preciznošću od luminantnih signala. Signal osvjetljenja i signali razlike boja izračunati su iz RGB signala pomoću pojednostavljene linearne transformacije. U digitalnoj tehnici, iz tog razloga, signali boja mogu biti uzorkovani na nižim frekvencijama od luminantnog signala. Spomenuta tehnika se naziva poduzorkovanje (subsampling). Primjerice, omjer 4:1 ukazuje da je svaka razlika boje uzorkovana na četvrtinu frekvencije od luminacije. Za DV u studijskoj kvaliteti, prema ITU-R BT.601, luminantni signal ima 720 uzoraka po liniji i 486 do 576 aktivnih linija po sličici, a horizontalna brzina uzorkovanja signala razlikovanja boja je prepolovljena. Poduzorkovani omjer time je 4:2:2, što je čest slučaj kod mnogih profesionalnih sustava. High Definition video koristi omjer 4:2:0, NTSC digital video 4:1:1, a neki Highend video formati podržavaju omjer 4:4:4.

Još uvijek je aktualna standardna DVD rezolucija od 768 x 576 piksela. HDV modeli endemska su vrsta, njihovu malobrojnu ponudu prati i viša cijena, no prosječni korisnici time nisu zakinuti - standardna DV rezolucija ima još štošta za ponuditi, snimanje i uređivanje zapisa je poprilično pojednostavljeno, a konačan rezultat je kvalitetan DVD medij, čak i za zahtjevnijeg korisnika. Osnova uspjeha digitalnog videa sastoji se u tzv. simetričnoj kompresiji, odnosno sposobnosti komprimiranja videozapisa u dva smjera na magnetnu traku, te dekomprimiranja sa nje u realnom vremenu uporabom jeftinog hardvera dostupnog najširem broju korisnika. Unaprijeđeni MPEG2 algoritam koristi DCT transformaciju, s namjenom pretvaranja i kompresije video signala u osnovne frekvencije. DCT, diskretna kosinusna transformacija to čini pretvaranjem vrijednosti slike u koeficijentnu matricu od 8 x 8 piksela, pri čemu se koriste tri signala, X, Y i Z (X i Y predstavljaju koordinate piksela na zaslonu a Z vrijednost pojedinog piksela, od 0 do 255). Uporaba većih blokova u spomenutoj matrici (16 x 16, 64 x 64 ili većih) nema većeg smisla, jer bi se time vrijeme obrade i procesorsko vrijeme znatno povećalo, a kvaliteta komprimirane slike umanjila.

Dijelovi digitalne kamere

Shematski prikaz dijelova digitalne kamere
Unutarnji dijelovi video kamere
Vanjski dijelovi digitalne kamere.
Digitalna kamera se sastoji od optičkog sustava – objektiva i CCD čipa – najvažnijeg dijela u čijem su sastavu optički senzor, leća i jedan ili više zoom elektromotora. Uz kvalitetan objektiv, CCD čip je ključan dio digitalne kamere. Postoje modeli kamera sa jednim ili tri CCD čipa. Za razliku od jednog koji prima mozaik boja, modeli sa tri CCD čipa imaju po jedan čip za svaku od osnovnih boja (pojedinačno za R, G i B), takvi modeli su skuplji, ali i mnogo vjerniji u prikazu boja. Drugi dio najčešće čini dio za zvuk, jedan ili dva usmjerena mikrofona s prednje, vanjske strane okvira objektiva. Kasetni mehanizam treći je dio, tipičan sklop za miniDV kamere, sa rotirajućom glavom za zapisivanje u helikoidnom obliku. Kasetni mehanizam precizno je izrađen, uglavnom otporan na prašinu ali i trošenje rotirajućih dijelova. MiniDV kasete koriste vrlo tanak premaz posebnog suhog sredstva za podmazivanje statičkih i pokretnih dijelova mehanizma, zbog kojeg se ne preporučuje miješanje kaseta različitih proizvođača, prvenstveno zbog mogućnosti koaguliranja na rotirajuće glave i osjetljive dijelove mehanike. Kod DVD kamera umjesto kasetnog mehanizma nalazi se sustav za prihvat DVD medija i leće lasera, optički sustav za višekratno zapisivanje DVD-R i/ili na DVD-RAM medij "phase change" tehnologijom. Kod nekih proizvođača, u novije vrijeme, kasete i 8 cm DVD mediji zamjenjuju se tvrdim diskom i flash memorijom (najčešće MMC i SD kartice), što pojednostavljuje proizvodnju. Obrada slike i zvuka, u četvrtoj spomenutoj cjelini čini se u elektronskom sklopu sa mikroprocesorom na tiskanoj pločici koja dominira unutrašnjim dijelom kamere. Kontrole za korisnika, LCD zaslon i vanjski konektori za analogno i digitalno sučelje (audio, video, USB 2.0 i FireWire), zadnji su peti dio bez kojeg ni jedan digitalni Camcorder ne bi mogao funkcionirati.

Kodiranje audio i video sadržaja

Digitalni video koristi Interframe (isključivo prostornu, Spatial) kompresiju, koja bilježi razlike između svake pojedinačne zapisane sličice, što rezultira boljim omjerom kompresije i manjim utroškom procesorskog vremena, te u konačnici nudi izravno više resursa za kompresiju i dekompresiju. Za razliku od MPEG1 koji ima brzinu prijenosa do 1,5 Mbit/s, MPEG2 je široko prihvaćen standard namijenjen videosignalima s progresivnim analiziranjem i videosignalima koji koriste analiziranje s proredom (kod kojeg se slika dijeli na dvije poluslike). Rezolucija slike kod progresivnog analiziranja (bez proreda) označava se malim slovom "p", dok se prored (Interlace) označava s malim "i".

Audio zapis, kao dio digitalnog videa, koristi pulsnokodnu modulaciju (PCM) kao način enkodiranja sa frekvencijom uzorkovanja od 32 kHz, 44.1 kHz ili 48 kHz, pri 12-bitnoj nelinearnoj ili 16-bitnoj i 20-bitnoj linearnoj kvantizaciji, te maksimalnim brojem do 8 audio kanala. Svi audio, video i sistemski podaci kod digitalnog videa ukomponirani su u svaki pojedini frame.

DV specifikacija i formati digitalnog videa

1994. godine usuglašena je DV specifikacija zbog nužnosti kreiranja digitalnog video standarda za potrebe krajnjih korisnika i tako je nastao popularni Blue Book, odnosno IEC 61834 koji je definirao DV codec (kompresiju i dekompresiju) i formate uporabe. Malo je poznato da postoji podjela tog standarda na komercijalni i profesionalni. Amaterski dio pokriva DV kamere i digitalne snimače prema IEC 61834 i IEC 61883 standardu. Specifikacija profesionalne opreme bazirana je na IEC 61834 normi i objavljena pod nazivom SMPTE 306M i 304M. DV kompresija video i audio formata izvorno je definirana za sustav rotirajućih glava sa helikoidnim načinom zapisivanja na magnetni medij, tj. traku kasete. Spomenuti IEC 61834 i IEC 61883 standardi pokrivaju mnoge aspekte komercijalne uporabe digitalne video opreme, uključujući specifikaciju kasete, format snimanja, sustav korekcije grešaka na magnetnoj traci te način enkodiranja MPEG2 video i audio formata, te brojne druge. Zanimljiv je i Interface dio IEC 61883 norme sa definiranim IEEE 1394 (FireWire) sučeljem. Profesionalni dio razlikuje se u sustavu uzorkovanja, a karakteriziraju ga veće video rezolucije i bitrateovi.

DV vs. miniDV

Prema važećim normama razlikuje se nekoliko video formata: standardni SD-VCR (525/60, 625/50), visokodefinicijski HD-VCR (1125/60, 1250/50) te standardni "dugi" format SDL-VCR (525/60, 625/50) za komercijalnu uporabu i šest profesionalnih SMPTE standarda za D-7 (DVCPRO) i D-9 (Digital-S) video sustave: 306M (525/60, 625/50), 314M 25 Mbps (525/60, 625/50) i 314M 50 Mbps (525/60, 625/50). (Brojevi u zagradama označavaju broj linija horizontalne rezolucije i frekvenciju prema NTSC i PAL normama.) Za komercijalnu primjenu danas se najčešće koristi miniDV, dok je DV format rezerviran pretežno za profesionalnu primjenu. Jedan sat zapisa u miniDV obliku zauzima oko 12,7 GB na tvrdom disku, za razliku od DV-a kojem je potrebno gotovo 36 GB. Vodeći proizvođač DV kaseta je Panasonic Digital Media sa približno 70% udjela na tržištu (isto porijeklo imaju Canon i JVC trake), Sony Corporation je na drugom mjestu sa 25 % udjela, dok TDK zauzima 5%. Kasete se čuvaju na sobnoj temperaturi, zaštićene od vlage i generatora magnetnih polja poput zvučnika, CRT monitora i energetskih kabela.

High Definition Video HDV je svjetlo dana ugledao 2003. godine, a za njegov razvoj zaslužni su JVC i Sony. Razvoj su partnerski podržale još dvije tvrtke, Canon i Sharp. JVC GR-HD1 Camcorder bio je prvi model koji je imao mogućnost snimanja DV (480i linija) i HDV zapisa (720p linija, omjer 16/9). U rujnu 2004. korporacija Sony plasirala je na tržište HDR-FX1 sa 1080i linija. Sony je nastavio uspješan HDV niz: HVR-A1E Camcorder predstavljen je u rujnu 2005. a HDR-FX7 prošle godine. Sony HVR-V1E bila je prva kamera sa podržanom 1080i rezolucijom u malom (miniDV) formatu. JVC je nastavio u pravcu razvoja ProHD formata (720p) u rujnu 2005. Canon se nešto kasnije pojavio na tržištu HDV kamera, u lipnju 2006. sa profesionalnom modularnom izvedbom legendarne XL H1 kamere. U isto vrijeme Panasonic se prihvatio razvoja vlastitog DVCPRO HD formata. Pošto HDV koristi isti bitrate kao i DV, te dijeli isti format kazete (miniDV) i vrijeme snimanja, fokus proizvođača je usmjeren na poboljšanje optike, CCD čipa te prostornoj (Spatial) i vremenskoj (Temporal) kompresiji podataka uz neka manja inferiorna ograničenja audio bitratea na 384 Kbps. Princip kompresije kod HDV sličan je opisanom kod DV videa, ali uz važnu razliku temporalne kompresije, odnosno promjenjive veličine pojedine sličice (u ovisnosti od prethodnog i slijedećeg). Zbog znatno višeg stupnja kompresije, u praksi kod HD videa češći je slučaj pojave greške i gubitka sličice, odnosno ispuštanja, što je primjerice jedan od glavnih razloga zašto britanski BBC, kao jedan vrlo respektabilan medijski faktor, ograničava produkciju i kupnju HDV video materijala. Rezolucija od 720i označava 1280x720 piksela a 1080i, 1440 x 1080 piksela (rastegnuti 16:9 omjer). Stvarni 1080i HDV format ima rezoluciju 1920 x 1080 piksela. Sa stanovišta utroška sistemskih resursa, kod uređivanja video materijala, HDV je gotovo nezasitan i zahtijeva snažna računala sa puno radne memorije.

Analogni video formati

  • VHS (1) je najpoznatiji analogni video format, predstavljen od tvrtke JVC krajem sedamdesetih i jedan od najpoznatijih video formata uopće. Brojni su kućni videorekorderi desetljećima nosili tu oznaku i gotovo da nema osobe koja ga ne poznaje. 240 minuta u SP načinu rada sa 240 linija horizontalne rezolucije i 12,7 mm širine magnetne trake tehnički je maksimum spomenutog formata.
  • VHS-C (1) zapamćen kao prvi kazetni sustav namijenjen isključivo za videokamere, sadržava VHS traku vremenskog trajanja 30 minuta u kućištu kasete koja je približno dvostruko manja od izvornika. Za reprodukciju i snimanje u standardnom VHS videorekorderu nužan je VHS-C adapter.
  • S-VHS (1) ili Super VHS tehnička je nadogradnja na VHS sustav, a od njega se razlikuje visokom kvalitetom slike, te dvostrukim brojem horizontalnih TV linija, njih 480.
  • S-VHS-C (2) ekvivalent je varijanti S-VHS sustava sa isključivom primjenom u Camcorderima.
  • 8 mm traka za video kamere nudi višu kvalitetu u usporedbi sa VHS i VHS-C formatom, no nije je moguće reproducirati u standardnom videorekorderu, prilikom kopiranja na VHS traku zamjetna je degradacija snimke i smanjenje rezolucije. 8 mm širine, 120 minuta reprodukcije i 240 horizontalnih linija osnovni su parametri formata.
  • Hi8 predstavlja analognu nadogradnju 8 mm video sustava sa povećanom horizontalnom rezolucijom od 400 TV linija.
  • Betacam SP (1) (Superior Performance) je razvio Sony 1986. godine. Betacam SP je najpopularniji profesionalni analogni format. Daleko je napredniji u odnosu na sve analogne formate. Rezolucija je 340 horizontalnih TV linija. Na traku se upisuju odvojeno Y signal i R-Y ili B-Y signali primjenom Chroma Time Division Multiplex (CTDM) metode.

Digitalni video formati

  • Sonyjev Digital8 predstavlja digitalni ekvivalent analognog Hi8 video formata. S tom razlikom što Digital8 može reproducirati/zapisivati i analogne i digitalne trake od 8 mm. Ovaj format karakterizira maksimalno 120 minuta analognog ili 60 minuta digitalnog zapisa.
  • miniDV (3) najpoznatiji je format digitalnog videa današnjice. Karakterizira ga mala veličine kasete, u trajanju od 33, 48, 63 ili 96 minuta (SP mod). U "s" kućištu dimenzija 65 x 48 x 12 mm nalazi se traka širine 6,35 mm, vrlo tanka (tanja od vlasi kose!), izrađena od "metal evaporated" ME DLC filma, trake polimera čvrstih mehaničkih svojstava. Zanimljivo je spomenuti kako je traka kasete premazana posebnim suhim sredstvom za podmazivanje u vrlo tankom sloju od svega nekoliko mikrona, koji čuva rotirajuće glave. Širina traga helikoidnog zapisa iznosi od 6,6 do 15 µm, u ovisnosti od brzine rada (SP ili LP). Popularnost miniDV formata krije je se u činjenici kako je kvaliteta zapisa kod tog sustava usporediva sa Sony Betacamom.
  • DV, veliki brat prethodno spomenutog formata nastao je suradnjom konzorcija proizvođača video opreme kojega čine Panasonic, JVC, Philips, Sony, Sanyo, Thompson, Hitachi, Sharp, Mitsubitshi i Toshiba. Kaseta kod tog formata postoji samo u kućištu "l" veličine, dimenzija 120 x 90 x 12 mm. Širina trake također iznosi 6,35 mm, odnosno četvrtinu inča. Izrađuje se u trajanju od 96, 124, 186 i 276 minuta (SP mod). Pojedine DV i miniDV kazete dolaze sa ugrađenim memorijskim čipom (MIC) koji se upotrebljava za markiranje točaka uređivanja kod nastavka snimanja.
  • microDV je Sonyjeva ponuda da tržištu koje traži nesvakidašnje u puno manjem obliku, čak i do te mjere ako već postoji nešto slično. MicroDV, kao što to samo ime govori, predstavlja pokušaj znatne minijaturizacije miniDV kaseta, jer čak je 70% manji od miniDV-a.
  • DVD-R/DVD-RAM (4), za njihovu prisutnost zaslužan je Hitachi. DVD mediji promjera 80 mm, kapaciteta 1,40 ili 2,80 GB, vremena snimanja 60 minuta (DVD-R) i 120 minuta (DVD-RAM). DVD-RAM može se brisati, kako tvrdi proizvođač čak i do 100.000 puta.
  • DVCPRO (D-7) format predstavio je Panasonic 1996. godine. Namijenjen za profesionalnu video produkciju. Kao i kod DV formata, primijenjena je MPEG kompresija. Video materijal se upisuje sa 25 Mbps uz kompresiju u odnosu 5:1. DVCPRO spada u 4:1:1 sisteme. Philips je kasnije otkupio licencu od Panasonica i ima vlastitu proizvodnju DVCPRO opreme.
  • Digital-S (D-9) je razvio JVC. Predstavlja pokušaj konkuriranja Panasonicovom DVCPRO formatu, ali i analognom Sonijevom Betacam SP formatu koji je još uvijek u primjeni. Spada u formate širine trake 12,7 mm i u 4:2:2 sisteme poduzorkovanja. Kompresija iznosi 3,3:1. Video materijal se upisuje na traku sa 25 Mbps. Podržava stereo ton (16 bitni na 48 kHz). D-9 playeri omogućavaju i reprodukciju S-VHS formata.

Vanjske poveznice

  • Tekst je preuzet iz časopisa VIDI