Камкордер. История современности
Как известно, под термином «камкордер» понимают камерную систему, которая конструктивно включает в себя камерную головку и видеомагнитофон (ВМ). В семействе камкордеров различают моноблоки, в которых рекордер через специальный адаптер жёстко крепится к камере, образуя единый блок. Другой тип — системы со съемным магнитофоном, позволяющие в случае необходимости технологически использовать камерную головку в студийном и внестудийном тракте через различные линии связи (триаксиальные, коаксиальные, оптические) для записи электронного изображения.
Изначально камкордеры разрабатывались специально для внестудийной съемки и новостного производства. Вскоре они завоевали широкую популярность и стали применяться для съемки телефильмов, сериалов, документального кино, а с развитием формата HD и для кинопроизводства.
С момента появления первого профессионального камкордера прошло 27 лет. В моделях первого и нескольких последущих поколений камкордеров в качестве носителей использовались (и используются) кассеты (Betacam, DV, miniDV, DVCPRO, HDCAM и др.). Сначала в них применялась аналоговая, а с начала 1990-х – цифровая запись на магнитную ленту. В начале XXI века в камкордерах для записи сигнала стали использоваться безленточные решения (съемные оптические/жесткие диски и твердотельные полупроводниковые накопители), которые значительно потеснили ленточные носители.
Камкордеры можно охарактеризовать по следующим основным параметрам: стандарт разложения, количество преобразователей свет-сигнал, размер преобразователя свет-сигнал (отсюда — размер кадра), чувствительность, отношение сигнал-шум, динамический диапазон (фотографическая широта), формат записи, тип медианосителей.
Сразу отметим, что целью данной статьи не является сравнение технических характеристик цифровых камер тех или иных производителей. Мы постараемся проследить за эволюцией ручных профессиональных камерных систем. И прежде, чем говорить о существующих камкордерах, думаю, что необходимо сказать несколько слов о появлении первых ручных профессиональных видеокамер.
Первая ручная
Одна из первых ручных видеокамер – KCN-9P была создана в конце 1960-х фирмой Bosch Fernseh. Камера представляла собой эдакий триптих, состоящий из камерной головки (со съемной оптикой), блока обработки и коррекции видеосигнала (камерный канал) и первого переносного четырехголовочного видеомагнитофона Ampex VR-3000 (формат А, или квадроплексный формат). Все три блока подключались друг к другу через коаксиальный кабель. В устройстве имелась функция автоматического синхронного запуска ВМ и камеры.
Камерный канал KCN-92
Переносной видеомагнитофон Ampex VR-3000
Но все же система была достаточно громоздкая и тяжелая: камера весила 3,5 кг, камерный канал 5 кг, рекордер 6 кг – в сумме почти 15 кг. Съемочная группа работавшая с KCN-9P состояла из 2-3 человек, которые несли на себе эту конструкцию. Камерный канал размещался на спине оператора, а камера была в руках или на плече. Бедный оператор!
В начале 70-х камера KCN-9P была модернизирована и появилась модель KCN-92, которая хорошо себя зарекомендовала на мюнхенской «Олимпиаде-72», позволив получить интересные и необычные для того времени кадры в движении (в том числе и со стедикама) и верхние ракурсы.
Одна из первых ручных профессиональных камер Bosch Fernseh KCN-92
Плюмбикон и компания
Последующие 15-20 лет ручные камерные системы строились таким образом, что блок обработки видеосигнала, синхрогенератор, кодирующее устройство, словом все, что необходимо для преобразования свет-сигнал, конструктивно объединялось в одном корпусе. Созданием профессиональных ручных камер занимались фирмы RCA, Bosch Fernseh, Ampex, Sony, Thomson CSF, Ikegami и другие. При этом вес камеры в среднем составлял 7 кг.
Это была эра вакуумных преобразователей свет-сигнал. Сначала использовались видиконы, длина которых составляла 10 см. Затем стали применяться плюмбиконы, в которых, в отличие от видиконов, использовалась окись свинца в полупроводниковой мишени, что давало минимальные темновые токи, а следовательно минимальные шумы и минимальные искажения в черном. Вскоре стали применять плюмбиконы с диодным прожектором, где считывающий с мишени элемент имел очень малую площадь в сечении, тем самым мелкие детали воспроизводились лучше, апертурные искажения были меньше, а четкость повышалась до значения 650 твл в центре кадра. После плюмбиконов появились сатиконы. По сравнению с плюмбиконами, они имели иной принцип развертки, которая была основана на электростатическом отклонении и фокусировке, в отличие от применявшихся ранее магнитных. В дальнейшем это позволило уменьшить размеры преобразователя свет-сигнал с 10 см до 5-7 см – это были уже сатикон-дифлектроны.
Все эти новации в итоге привели к оптимальной конструкции камеры, которая была сбалансирована по весу и эргономике.
По мере технологического усовершенствования самих преобразователей, помимо улучшения качественных характеристик изображения (улучшение разрешения, уменьшение шумов), все это привело к уменьшению конструктивно-линейной базы самой камеры.
В конце 1970-х появились ручные видеокамеры RCA TK76 и Ikegami HL-77, которые стали доминировать в новостном производстве. Запись в этих камерных системах велась на портативный магнитофон U-matic (лента 3/4»).
В 1978 году компания Bosch Fernseh разработала ручную профессиональную камеру KCA-90, которая использовалась с портативным рекордером BCN 20 (формата B). Это была не единственная камера такого рода в мире, однако на московской «Олимпиаде-80» съемки в движении (велоспорт, гребля, спортивная ходьба), осуществлялись передвижными репортажными комплексами АРТС (на шасси Mercedes 250), которые были оснащены камерами KCA-90. Первоначально планировалось использовать американские камеры фирмы RCA, но в виду бойкота США московской Олимпиады, контракт был «переброшен» Bosch Fernseh и в арсенале «Телевизионного технического центра им. 50-летия Октября» появились камеры KCA-90. Тогда же две KCA-90 были куплены и во ВГИК.
-Камера Bosch Fernseh KCA-90 (фото слева)
-Видеосистема Bosch Fernseh KCA-PK9: камера KCA-90 и переносной магнитофон BCN 20 формата B (1980 год) (фото по центру)
-Портативный профессиональный магнитофон BTS BCN 20 (формат B) (фото справа)
Betacam
Следующий технологический прорыв в производстве ручных профессиональных камер произошел с появлением компонентной технологии производства видеоизображения (съемка и монтаж). В 1982 году компания Sony представила аналоговый формат записи Betacam.
Запись осуществлялась по компонентной технологии: записывался не полный цветной видеосигнал, а так называемый компонентный, который представлял собой яркостной сигнал Y и два цветоразностных B-Y и R-Y. Применялась магнитная лента 3/4». За один проход «лента-головка» записывался один полукадр: одна головка писала яркость (все яркостные строки), другая головка – по полстроки красной и синей составляющих. Принцип модуляции цвета позволял так записывать, информация сохранялась при этом.
Это был прорыв в технологиях записи изображения и монтажа. Компонентная технология не требовала постоянной перекодировки изображения (как того требовала система цветного ТВ SECAM), если нужно было сделать комбинированный кадр, ввести наплывы или наложить титры.
Формат записи Betacam позволил конструктивно построить первый ручной камкордер, протип которого был продемонстрирован в 1982 году. В 1983 году Sony представила камеры BVP-3 формата Betacam на основе трех трубок сатикон. К этой камере пристыковывался рекордер Betacam BVV-1. Система получила название BVW-1. Это был первый в мире профессиональный камкордер. Его масса составляла приблизительно 11 кг (камера – 7 кг, рекордер – 4 кг).
Первый профессиональный камкордер Sony BVW-1
Камера регистрировала изображение с разрешением 600 твл в центре кадра, но в процессе записи изображения полоса сокращалась за счет конструктивных особенностей ферромагнитного слоя ленты и на выходе получалось 480 твл.
В 1986 году формат Betacam был усовершенствован — появился Betacam SP. Магнитный носитель был усовершенствован за счет металл-оксидного покрытия, что улучшило характеристики гитсерезиса (скорость перемагничивания пленки). Это позволило получать на выходе рекордера уже полное разрешение 600 твл в центре.
Betacam SP стал главенстующим форматом на ТВ и весь мир в течение 20 лет работал, в основном, с ним. В некоторых российских региональных студиях до сих пор можно встретить аналоговые камеры и магнитофоны Betacam SP.
Сделано в СССР
Стоит отметить, что в 1985 году в СССР на базе формата записи Betacam SP тоже был создан камкордер. Модель называлась КТ-190.
В середине 1980-х «ТТЦ им. 50-летия Октября», особенно его внестудийная служба, были оснащены съемочными комплексами на базе камер иностранного производства. В связи с этим было принято решение на уровне Совета министров страны о создании отечественного оборудования для тележурналистики под лозунгом «Оружие журналиста – это не только перо, но и камера».
База камеры связана не только с преобразователем свет-сигнал, но и с другими специальными микросхемами, которые позволяют на одном чипе построить камерный канал. Подобные микросхемы, конфигурируемые определенным образом, применялись в советской оборонной промышленности. Но по целому ряду причин, даже не смотря на инструкции сверху по возможному применению этих технологий, гражданская промышленность эту базу не получила.
Камера Sony BVP-300, послужившая прототипом для советского камкордера КТ-190
В итоге была построена камера КТ-190, база которой (камерная головка) была по своей конструкции похожа на существующую ручную камеру Sony BVP-300. Конструктивно в едином блоке с магнитофоном Betacam BVV-3, КТ-190 была как камкордер неудобна в эксплуатации.
Камкордер КТ-190
В 1985 году автор статьи испытывал самый первый камкордер КТ-190 в Красноярске на «Спартакиаде народов СССР». Камера снимала старт-финиш и прекрасно отработала на морозе. Это был опытный образец, но когда камера «пошла» в серийное производство возникло большое количество нареканий. Изображение она давала хорошее, но конструктивно были далека от совершенства. В ТТЦ было очень много КТ-90, но постепенно от них избавились и они перекочевали в арсенал российских региональных телестудий, где проработали до конца 1990-х. В Москве же снимать на КТ-90 считалось наказанием для оператора: ее вручали, если он опаздывал или был заметен в том, что на работе «по утрам жадно пил холодную воду».
Твердотельные матрицы
В 1986 году появились первые преобразователи свет-сигнал, построенные на твердотельных матрицах по технологии CCD (ПЗС — приборы с зарядовой связью). Благодаря этой технологии размер и вес камкордеров уменьшились, а съемочные характеристики значительно улучшились.
Различают два основных типа матриц CCD: IT (Interline Transfer, строчный перенос зарядов), FT (Frame Transfer, кадровый перенос зарядов) и Frame IT с кадрово-строчным переносом.
В преобразователях CCD IT заряды из зоны светочувствительных элементов попадают в регистр сдвига за очень короткое время. В итоге эффект смаза (ветрикальные тянущиеся продолжения от ярких объектов на изображении) существенно уменьшается.
В преобразователях CCD FT заряды из секции накопления переносятся в секцию хранения во время обратного хода полевой развертки. Из секции хранения в выходной регистр заряды переносятся в интервале строчного гасящего импульса. Серьезным недостатком CCD FTявляется довольно сильный эффект смаза для устранения которого применяют обтюратор.
Матрицы CCD Frame IT основаны на кадрово-строчным переносе зарядов и в них эффект смаза практически незаметен.
Камкордеры формата Betacam SP: Ampex CVC-5 и Ikegami Unicam HL-99А
На момент появления формата Betacam SP все фирмы-производители профессиональных ручных камер, среди которых были Thomson, Ampex, Bosch, Ikegami и другие, купили лицензию на производство рекордеров Betacam. Например, в 1987 году Bosch (к тому времени уже как BTS/Philips) создала свой первый камкордер LDK-90 на базе трех матриц CCD FT. Тогда же Ikegami выпустила линейку камер Unicam с хорошей колориметрией, которая очень точно передавала тон лица.
Цифровые камкордеры
В 1986 году Sony и BTS представили первый цифровой видеоформат D1. В 1992 году компания Ampex, используя форм-фактор формата D1, разработала первый цифровой стандарт DCT (discrete cosine transform), который позволял записывать компрессированный видеосигнал. Алгоритм компрессии основывался на дискретном косинусном преобразовании, которое стало активно применяется в цифровых видеоформатах.
В середине 1990-х подошла к концу эра аналогового телепроизводства (подчеркну, не телевещания, а именно производства). Появилась аппаратура цифрового кодирования. Изображение в камерах стало оцифровываться, что привело к качественному улучшению характеристик изображения: значительно понизился уровень шумов, уменьшилось количество артефактов, свзанных с чресстрочной разверткой. Стало возможным записывать изображение многократно без потери качества. Например, в аналоговом формате записи Betacam SP пятая копия давала значительное ухудшение качества. Кроме того, в появившихся тогда системах нелинейного монатажа работать с цифровым исходником было гораздо проще. В результате цифровые камкордеры постепенно вытеснили с рынка аналоговых собратьев.
В 1993 году был представлен формат Digital Betacam, который быстро завоевал популярность и де-факто стал стандартом для телепроизводства. В дальнейшем различными фирмами был разработан целый ряд цифровых форматов: DVCPRO 25, DVCPRO 50, DVCAM, Betacam SX, MPEG IMX, XDCAM. Все они позволяли записывать компрессированный видеосигнал в стандарте разложения 625 строк и были использованы в целом ряде камерных систем.
Камкордеры ТВЧ
Следующий этап развития камкордеров относится к началу эры телевидения высокой четкости (ТВЧ). На рынке появились камкордеры, которые стали применяться не только для электронного сбора новостей, но и для более широких задач в телепроизводстве: съемка сериалов, документальных фильмов и т.п.
В камкордерах ТВЧ, как и в камкордерах предыдущего поколения, стали применяться преобразователи свет-сигнал, построенные по технологии CCD (матрицы 2/3»). В таких кристаллах полупроводниковая пиксельная структура, стоится по технологии HAD (HoleAccumulation Diode), благодаря которой скорость рекомбинации носителей в полупроводнике значительно увеличилась, по сравнению с матрицами CCD предыдущего поколения. Стало возможным коммутировать более высокие кванты света и тем самым увеличить разрешение.
Вскоре появилась технология Super HAD, которая позволила на каждом пикселе разместить микролинзу, что значительно увеличило чувствительность и разрешение.
Позднее была разработана технология Power HAD, позволившая оптимизировать темновые токи. В полупроводнике всегда есть эффект, который заключается в том, что если даже на входе кристалла света отсутствует, то на выходе всегда возникает паразитный темновой ток. Технология Power HAD позволяет отсечь темновой ток, вседствие чего уровень черного на выходе прозрачен и не искажен. Следовательно, разрешение и чувствительность еще более увеличились.
Новые камеры ТВЧ позволили получать изображение со стандартом разложения 1080 х 1920 (представлен Sony) и 720 х 1280 (представлен Panasonic).
В современных камкордерах ТВЧ применяются два вида компресии — MPEG-2 и MPEG-4 и два основных вариантах записи сигнала — пленочный (запись на видеоленту) и твердотельный.
Эргономика камкордеров нового поколения была значительно усовершенствоована с сохранением уже привычной внешней конфигурации и расположения переключателей, но при этом с гораздо большими возможностями управления характеристиками изображения через меню.
Наиболее активно на рынке производства камкордеров ТВЧ сразу стали проявлять себя компании Panasonic и Sony.
В 1997 году Sony анонсировала пленочный формат записи высокой четкости HDCAM с алгоритмом компрессии на базе MPEG-4, а в 1998 году появились первые камкордеры HDCAM HDW-F900, известные также как CineAlta.
В 2000 году Panasonic представила формат DVCPRO HD на базе кодека AVC (сжатие MPEG-4). В дальнейшем AVC был модифицирован и появился AVC-Intra, также базирующийся на алгоритме компрессии H.264/MPEG-4. Вскоре Panasonic представил свой первый камкордерAJ-HDC27, положивший начало линейке Varicam. В настоящее время камкордеры формата DVCPRO HD являются одними из самых популярных и составляют серьезную конкуренцию камерам Sony.
Стоит отметить, что на момент появления первых камкордеров ТВЧ производители профессиональной оптики еще не выпускали объективы высокого разрешения. Поэтому производители камер, наряду с объективами стандартного разрешения, стали применять кинооптику, которая устанавливалась через специальные адаптеры, оснащенные системой пересчета фокусного расстояния с 35 мм на 2/3».
Без ленты
В безленточных камкордерах в качестве медиа-носителей, используются съемные оптические диски, съемные карты памяти, либо жесткий диск. Такой способ записи обеспечивает произвольный (оперативный) доступ к отснятому материалу и предъявляет меньшие требования по хранению данных, чем ленточные носители.
Пионером в этой области стала компания Ikegami, которая, совместно с Avid, еще в 1996 году впервые применила безлентоные носители (жесткий диск и карты памяти) в профессиональном камкордере EditCam. Формат записи EditCam (затем EditCam HD) основан на базе кодека Avid DNxHD, вследствие чего записанный материал был совместим только с монтажными системами Avid и не читался другими NLE. В дальнейшем Ikegami, выпустила безленточное оборудование серии GFCam, где этот недостаток был устранен.
В 2003 году Sony представила камкордеры формата XDCAM (а затем XDCAM HD) с записью на оптические диски. В линейке полупрофессиональных камкордеров XDCAM EX запись осуществляется на съемные карты памяти SxS.
В 2004 году Panasonic представила формат P2, который дает возможность записывать видеосигнал на съемные твердотельные накопители. В дальнейшем P2 получил очень широкое распространение и сейчас является одним из основных в телепроизводстве.
Цифровые камеры для электронного кинематографа
Во всех камкордерах использовались матрицы CCD. Появившаяся впоследствии технология CMOS (КМОП) позволила строить преобразователи свет-сигнал размером, соответствующим размеру кадра Super 35. Аббревиатура CMOS расшифровывается какcomplementary metal oxide semiconductors, или по-русски: «комплементарная пара метал-оксид-полупроводник», КМОП.
В каждой ячейке матрицы CMOS находится два кремниевых транзистора (n-канальный и p-канальный – комплементарная пара), которые потребляют мало энергии и имеют высокую скорость носителей: электронов и «дырок». Каждый транзистор индивидуально обрабатывает и снимает информацию, исключая этим эффект смаза. Кроме того, технология CMOS разместить на одном чипе гораздо больше элементов, чем технология CCD, обеспечивая тем самым большее разрешение, достоверность цветопередачи и контраста.
Целый ряд камер построен на основе этой технологии: Arri D21, Red one, Dalsa, SI-2K и другие. Так как размер кадра матрицы CMOSможет соответствовать размеру кадра 35 мм, с такими камерами можно использовать объективы класса prime и кинооптику, не получая при этом искажений в изображении.
Полупрофессиональные камкордеры
Существует целый ряд форматов: HDV, DV, miniDV, AVCHD, которые востребованы в полупрофессиональных камкордерах с матрицами 1/2» или 1/3». Такие камкордеры, имея меньший размер кадра, чем камеры на базе CCD 2/3» или CMOS, проигрывают им по таким характеристикам, как цветопередача, разрешение и отношение сигнал-шум. Изображение, получаемое с таких камкордеров, зачастую удовлетворяют требованиям целого ряда региональных и центральных телекомпаний. Благодаря своим небольшим габаритам и массе полупрофессиональные камкордеры востребованы в сложных условиях съемки: в горячих точках, в длительных экспедициях и т.п. Основные производители таких камер: Sony, Panasonic, JVC, Canon.
Заключение
Технологическая схема, по которой строится любая камерная головка, была разработана в 1970-е годы и с тех пор никак не изменилась по своей сути. Основные ее элементы – преобразователь свет-сигнал, усиление, обработка и кодирование в цвет этого сигнала, остались и являются неотъемлемыми атрибутами любой цифровой камеры. В течение 30 лет осуществлялось только их совершенствование.
Съемочное оборудование технологически развивается за счет усовершенствования характеристик преобразователя свет-сигнал. Так как само преобразование является первым этапом получения скрытого электронного изображения, в котором заложены основные фотографические и живописные характеристики объекта съемки, то вероятно, по прошествии 10-15 лет появятся преобразователи свет-сигнал, или какие-то иные преобразователи оптического изображения, с физическими характеристиками близкими к физическим характеристикам восприятия объекта съемки глазом человека.
