Запись изображений

В последующие годы фирма Eastman Kodak внедрила еще целый ряд новшеств. Она была первой компанией, создавшей оборудование для домашней киносъемки и цветную пленку для слайдов (диапозитивов). В 1960 году фирма разработала кинопленку в кассетах, а в 1982 году - фотокамеры с автоматическим использованием фотовспышки в случае необходимости, с автоматической наводкой на резкость и автоматической перемоткой пленки после съемки каждого кадра. С их появлением девиз Д. Истмена "Нажмите кнопку, мы сделаем остальное!" приобрел буквальный смысл для миллионов даже самых неопытных фотолюбителей. Пункты фирмы Kodak по проявке фотопленок и печати фотографий с них существуют во многих странах мира, в том числе и в России.

Немецкий механик и изобретатель Оскар Барнак (1879-1936) создал в 1911-13 годах первую миниатюрную фотокамеру "Лейка" (Leica 1A), которая появилась в продаже в 1924 году.

Успех этой камеры привел к широкому распространению 35-мм камер во всем мире. О. Барнак установил стандарт кадра 24х36 мм для всех миниатюрных фотокамер, существующий и в наши дни.

Современные фотоаппараты полностью автоматизированы, снабжены встроенной фотовспышкой, сами производят наводку на резкость снимаемого объекта, определяют выдержку в зависимости от условий освещения, при необходимости включают фотовспышку, автоматически перематывают пленку на следующий кадр. Цветная фотопленка имеет очень высокую чувствительность, позволяющую снимать практически при любых условиях. Она теперь выпускается всего четырех градаций чувствительности 100, 200, 400 и 800 единиц, в кассетах на 12,24 и 36 кадров (рис. 6.9). Фотолюбителю нужно только выбрать объект съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Особенной популярностью пользуются у фотолюбителей миниатюрные фотоаппараты, шутливо называемые "мыльницами". Процессы проявления фотопленки и фотопечати на высококачественной цветной фотобумаге давно автоматизированы в многочисленных фотолабораториях всемирно известных фирм "Кодак" и "Фуджи". Поэтому домашние фотолаборатории почти исчезли в наши дни. Пластмассовые светонепроницаемые кассеты с фотопленкой вставляются в фотоаппараты и вынимаются из них с уже отснятой фотопленкой на свету (разумеется, после обратной перемотки в закрытом фотоаппарате). Поэтому фотолюбитель уже не нуждается в затемненном помещении для зарядки пленки в кассету.

Теперь у фотолюбителя только одна забота - правильно выбрать кадр для съемки и вовремя нажать на спусковую кнопку. Все остальное сделает за него современный фотоаппарат (рис. 6.10) - автоматически наведет на резкость, в зависимости от условий освещения выберет диафрагму и выдержку, применит, если нужно, фотовспышку, произведет экспозицию и даже перемотает пленку на следующий кадр после окончания съемки предыдущего. Когда же вся пленка кончится, аппарат автоматически перемотает всю экспонированную пленку обратно в кассету. Фотолюбителю остается только достать отснятую кассету и отнести ее в фотолабораторию для проявки и печати на автоматическом оборудовании. Поэтому качество любительской фотосъемки резко возросло. Когда в такой автоматизированный фотоаппарат вставляют новую кассету с неэкспонированной пленкой, то он автоматически перематывает ее на первый кадр и сам определяет чувствительность этой пленки. После этого аппарат снова готов к работе. Наиболее совершенные модели снабжены календарем и автоматически экспонируют на каждый кадр дату съемки.

В 1960-1980-е годы широкое распространение получила фотосъемка на диапозитивную цветную пленку (так называемые слайды). Их нужно рассматривать на просвет с помощью диапроектора. Слайды дают высокое качество изображения, но после появления за последние десятилетия высококачественной позитивной фотографии их популярность значительно снизилась.

Изобретатель и предприниматель Э. Лэнд разработал в 1947 году диффузионный фотографический процесс, при котором химико-фотографическая обработка негативного фотоматериала и получение позитива происходят одновременно. Другими словами, он изобрел одноступенчатый процесс проявления и печати в фотографии. На его основе он создал фотоаппарат моментальной фотографии, названный им Polaroid. Такое же название он дал и своей фирме. Проявление и фиксирование изображения происходит внутри разработанного им фотоаппарата. Для этого в аппарат Polaroid вставляется специальный картридж - фильмпакет, рассчитанный на получение 10 фотоснимков размером 8,8х10,7 см, с сухими химикалиями. Главное достоинство этого аппарата - оперативность съемки. Сразу же после нажатия на спусковую кнопку из аппарата появляется белый картонный квадрат, на котором в течение одной минуты проявляется готовое позитивное цветное фотоизображение. Но на этом достоинства кончаются: качество снимка значительно хуже, чем у современного обычного фотоаппарата, снимок - всего в одном экземпляре, размножить или увеличить его нельзя.

Лэнд Эдвин (1909-1991) - американский ученый и изобретатель, автор более 500 патентов. В 1932 году разработал поляризационный фильтр, названный им Polaroid, на основе субмикроскопических кристаллов, внедренных в пластик.

В 1937 году основал корпорацию Polaroid Corp. в Кэмбридже (штат Массачусетс). В 1941 году разработал объемный кинопроцесс на основе поляризации света.

В 1947 году он продемонстрировал фотоаппарат, названный им Polaroid Land Camera, который печатал готовую фотографию через 60 секунд после съемки. Сначала был применен процесс, основанный на жидких химических реактивах ("мокрый" процесс), а позднее были использованы сухие реактивы - процесс стал "сухим". Первые фотографии Поляроида были черно-белыми, затем были получены цветные фотографии. Камера "Поляроид" благодаря простоте и быстроте получения готовых цветных фотографий стала одной из самых популярных в мире.

Итак, фотографический процесс получения изображений на поверхности стеклянной пластинки, пленки или бумаги, покрытой светочувствительным слоем солей серебра, основан на химическом действии света, вызывающем разложение этих солей. Изображение фотографируемого объекта в фотоаппарате с помощью объектива проецируется на светочувствительную поверхность пластинки или пленки, которая затем проявляется и фиксируется. На ней получается негативное изображение объекта. С этого негатива на светочувствительной фотобумаге печатаются фотографии.

После изобретения фотографии стало возможным получить движущиеся изображения. Для этого сначала фотографируют на кинопленку последовательные положения движущегося предмета, а затем также последовательно показывают эти кадры с помощью проектора. При перемещении пленки от одного кадра к следующему световой поток перекрывается скачковым механизмом (или обтюратором). Благодаря этому зритель видит только последовательный ряд размещенных на пленке неподвижных кадров. Если снимать, а потом показывать пленку со скоростью 16, а лучше 24 кадра в секунду, то зрители за счет инерционности зрения не замечают смену кадров и движение на экране кажется непрерывным.

Первым, кто создал оптический прибор для демонстрации движущихся картинок, был Томас А. Эдисон. Патент на свой прибор - кинетоскоп - он получил в 1891 году.

Кинетоскоп (от греческого кинетос - движущийся и скопио - смотреть) Эдисона представлял собой ящик с глазком-окуляром, с помощью которого смотреть фильм мог только один человек. Внутри ящика через систему роликов протягивалась пленка с фильмом длительностью около полминуты. Таким образом, кинетоскоп был прибором индивидуального пользования. В 1894 году Эдисон открыл зал "Кинетоскоп Парлор". В нем он установил 10 ящиков-кинетоскопов для демонстрации фильмов. Один сеанс стоил 25 центов. Однако смотреть фильм через глазок-окуляр было неудобно.

В 1895 году свой первый кинофильм в парижском кафе показали братья Люмьер. Демонстрировали они его с помощью кинопроектора, проецировавшего изображение на большом экране. Это дало возможность показывать фильм сразу многим зрителям. В результате кинетоскопы Эдисона для индивидуального просмотра фильмов не выдержали конкуренции и уступили место кинопроекторам.

Братья Огюст (1862-1954) и Луи (1864-1948) Люмьер - изобретатели кинематографа и постановщики первых в мире кинофильмов.

Отец их был художником, увлекавшимся фотографией. Собственно изобретателем кинематографа был Луи, но Огюст помогал брату и принимал активное участие в киносъемках.

Первый киносеанс братья Люмьер провели в парижском Гран-кафе на бульваре Капуцинов в 1895 году. За 1895-1896 годы они сняли около 50 короткометражных фильмов. Им принадлежит и само название "кинематограф". Снимали они документальные картины (например, знаменитое "Прибытие поезда на вокзал"), комедии ("Политый поливальщик"), и игровые картины. Киносеансы шли под аккомпанемент пианино или саксофона. Последний свой фильм братья Люмьер сняли в 1898 году, а всего ими было снято около 1800 кинолент.

Их изобретение быстро распространилось сначала в Европе, а затем и в Америке.

Братья Люмьер подарили миру не только кинематограф. Другой важной областью их исследовательской работы была фотография: сначала черно-белая, а затем и цветная. Работая многие годы, они разработали рецепт автохрома - пластинок для цветной фотографии. На стеклянную пластинку они наносили мелко размельченный крахмал, синий, красный и зеленый краситель, сажу, клей, фотоэмульсию, смешивали и высушивали их. Братья Люмьер разработали технологию и организовали промышленное производство пластинок автохрома. Фотолюбители получили стеклянные пластинки с позитивным изображением и яркими цветами. С них можно было напечатать фотографию или рассматривать снимки под лупой, их можно было вставить в диапроектор или сохранить в фотоальбоме.

Доступная цена, высокая по меркам начала века скорость съемки и натуральность получаемых снимков обеспечили коммерческий успех изобретению Люмьеров. Пластинки автохрома производили с 1907 до 1932 года.

До нашего времени сохранилось несколько десятков тысяч цветных фотографий, сделанных на пластинках автохрома в 50 странах мира.

В течение почти 30 лет кино оставалось немым, а затем стало звуковым. Для этого на кинопленке стали оптическим способом записывать звуковую дорожку, а при показе кинофильма считывать с нее звук с помощью фотоэлемента.

Первую оптическую систему записи звука в кино создал американский изобретатель Ли де Форест (1873-1961).

Непрозрачная область кинопленки, смежная с изображением, содержит фотографическую фонограмму в виде звуковой дорожки, ширина которой изменяется в соответствии с изменениями звука. По мере воспроизведения копии через кинопроекционную установку, световой луч лампы кинопроектора, проходя через фонограмму, передает изменения на фотоэлемент, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот сигнал усиливается, обрабатывается с помощью фильтров и преобразовывается как звуковой. Оптический звук имеет ряд преимуществ, которые определили его универсальность. Прежде всего - экономичность при производстве, так как оптическая фонограмма печатается на пленке вместе с изображением. Срок жизни звуковой дорожки такой же, как и изображения, и может быть достаточно долгим. Оптическая считывающая головка, установленная в проекторе, - наиболее эффективная и простая в обслуживании технология из ныне существующих.

Впервые звук и изображение стали записывать на кинопленке, созданной Д. Истменом в конце XIX - начале XX века. Первый звуковой кинофильм "Звуки джаза" были выпущен в США в 1927 году. В нашей стране первый художественный звуковой фильм "Путевка в жизнь" был выпущен в 1931 году.

Фотографии и кинопленка многие годы были черно-белыми, а затем стали цветными, хотя первое цветное изображение француз Л. Дюко дю Орон получил еще в 1868-1869 годах.

Стандартный размер кадра 36-миллиметровой фото- и кинопленки составляет 24х36 миллиметров. По обеим сторонам кадра в ней имеются отверстия для ее протяжки при съемке и проекции на экран. Такая кинопленка используется в профессиональном кино. Для кинопередвижек применялась 16-миллиметровая кинопленка, а для любительского кино в 1960-1990-е годы широко использовалась 8-миллиметровая черно-белая и цветная кинопленка, в которой отверстия располагались с одной стороны. В последние годы с появлением любительских видеокамер любительская киносъемка после 30-40-летнего существования полностью "вымерла": наступил век магнитной видеосъемки.

Однако профессиональное кино продолжает жить и сегодня. Большой прогресс достигнут за последние десятилетия в звуковом сопровождении кинофильмов. Сегодня каждый зритель, в каком бы месте зала он не находился, смотрит кинофильм с пространственным звуком и специальными эффектами, например, раскатами грома.

Долби (Dolby) - это технология записи и воспроизведения многоканального звука, создающего "эффект присутствия". Основа этой технологии - принцип размещения звука на двух дорожках в пространстве, выделенном для записи стандартной оптической звуковой дорожки. Дорожки несут информацию не только для левого и правого каналов (внутренний стереозвук), но также и информацию для третьего (центрального) канала и, что наиболее важно, - для четвертого канала (surround) объемного звучания окружающего звука и специальных эффектов в зале (рис. 6.12).

Dolby Digital - это новейшая разработка в технологии кинозвука - шестиканальная цифровая оптическая запись дополнительно к четырехканальной аналоговой SR (surround) записи, размещенная на одной копии 35 mm. Цифровая дорожка расположена при этом справа на копии. Формат Dolby Digital доказал свои высокие качества, надежность и практичность в кинотеатрах всего мира.

Магнитная видеозапись

Изобретение съемочной видеокамеры и видеомагнитофона позволило записывать на магнитную пленку не только звук, но и движущееся изображение.

Однако при записи вдоль магнитной ленты потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10000 раз большая, чем при записи звука). Дело в том, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.

В 1951 г. В. Сэлстед, А. Понятов и М. Столяров (США) разработали конструкцию видеомагнитофона с вращающимися магнитными головками (рис. 6.13).

Идею применить вращающиеся головки подал Чарльз П. Гинзбург (1920-1992), который приступил к работе в компании А. Понятова Ampex в 1952-м. Приборы видеозаписи того времени работали на излишне высокой скорости - 6 м/с, поэтому расход видеопленки был очень большой.

В своем устройстве Ampex VRX-1000 Гинзбург применил записывающие головки, которые вращались на высокой скорости, что позволило значительно снизить скорость лентопротяжного механизма. Изобретение Гинзбурга предопределило будущее аналоговых аудио- и видеомагнитофонов.

Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с.

До изобретения магнитной видеозаписи все телевизионные передачи велись только в "прямом эфире". Это создавало целый ряд неудобств - ведь все ошибки сразу были видны зрителям. Видеозапись сразу дала возможность осуществлять видеомонтаж телевизионных программ, хранить их и передавать в любое удобное время. В наши дни съемочная видеокамера и видеомагнитофон стали не только непременным атрибутом телевизионных студий, но широко вошли в быт.

Любительские кинокамеры были практически вытеснены любительскими съемочными видеокинокамерами. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) уже не требуется.

В современных видеокамерах оптическое изображение преобразуется в электрическое с помощью полупроводниковой матрицы из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). В них не используется кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку.

Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. Так, наиболее современные цифровые камеры фирмы Sony формата DV (рис. 6.14) оснащены объективами фирмы Carl Zeiss. В дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием (так называемые трансфокаторы или ZOOM-объективы), обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно не сходя с места приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 и более раз, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.

Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры - с большой точностью и в широких пределах.

Первоначально в студийных передающих видеокамерах использовали в качестве преобразователя света в электрический сигнал (датчика изображения) видикон. Это вакуумный электронно-лучевой прибор, в котором фоточувствительная мишень служит для построчного считывания изображения.

Видеокамеры при этом имели большие габариты и высокую инерционность, плохую чувствительность, большую потребляемую мощность и короткий срок службы. Поэтому в современных ручных видеокамерах вместо видикона, так же как и в цифровых фотоаппаратах, применяют ПЗС-матрицы. Именно применение ПЗС-матриц обеспечивает им высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте - при свете костра или свечи.

В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку (рис. 6.15). Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - VHS (Video Home System - домашнее видео). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact. Для воспроизведения в видеомагнитофоне ее помещают в специальный адаптер, имеющий внешние размеры стандартной видеокассеты VHS. Выпускаются видеокассеты VHS с временем записи 120, 180, 195 и 240 минут. Запись на эти кассеты (в отличие от звуковых или аудиокассет) - односторонняя.

Бытовая видеоаппаратура VHS была разработана в 1976 году японской фирмой JVC (Japan Victor Company). Руководил разработкой Сидзуо Такано. Еще в 1974 году японская компания Sony создала бытовую видеоаппаратуру, однако ее система Betamax обеспечивала время записи всего 60 мин., этого было недостаточно для продолжительной записи кинофильмов и спортивных соревнований. Группе С. Такано удалось достичь времени записи сначала 120 мин., а затем 180 и 240 мин. Благодаря этому фирме JVC удалось победить компанию Sony в жесткой конкурентной борьбе. Ее поддержали крупнейшие японские компании Matsushita, Hitachi и Sharp. В результате VHS стала мировым стандартом в бытовой видеоаппаратуре. Все современные видеомагнитофоны рассчитаны на использование видеокассет VHS. Таких видеомагнитофонов в мире выпущено более 750 миллионов.

Современные видеомагнитофоны кроме основной скорости записи (SP) и воспроизведения имеют уменьшенную вдвое скорость - Long Play (LP). Это позволяет удвоить время записи и воспроизведения стандартной кассеты (правда, с небольшой потерей качества записи). Так, например, время записи наиболее распространенной кассеты на 180 минут при этом увеличивается до 360.

Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-8 (Hi8). Ширина пленки в них - 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них, для контроля изображения во время видеосъемки, кроме видоискателя снабжены миниатюрным цветным дисплеем на жидких кристаллах. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют с входом телевизора. Однако вставить миниатюрную видеокассету стандарта Video-8 в видеомагнитофон нельзя. Предварительно ее нужно переписать на обычную видеокассету стандарта VHS. При перезаписи видеокассет происходит потеря качества - значительно большая, чем у аудиокассет. Ведь на кассеты VHS и Hi8 видеозапись осуществляется по аналоговому методу.

Переход на цифровой метод записи, осуществленный в наиболее современных видеокамерах, позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи.

В 1995 году консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (Digital Video Cassette) ил DV (Digital Video). Уже в конце 1995 года Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.

DV представляет собой формат записи на магнитную ленту шириной 6,35 мм со скоростью передвижения 18,831 мм/с. Ширина ленты и скорость значительно меньше, чем в аналоговом стандарте VHS, поэтому кассета mini-DV имеет размеры всего 66х48х12,2 мм и рассчитана на время записи 60 мин, а время записи стандартной кассеты DV с габаритами 125х78х14,6 мм может составлять 120, 180 и даже 240 мин. Была предложена еще и DV-кассета с микросхемой памяти для хранения списка записанных видеосюжетов (в том числе временные коды начала и конца каждого видеофрагмента, монтажные метки и номера сцен и дублей).

Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм (рис. 6.17). На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. При этом они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и DV-видеомагнитофон Sony DHR-1000.

Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Hi8, применявшейся для аналоговой записи. Кассета Hi8 значительно дешевле цифровой кассеты DV, однако несколько больше ее по габаритам.

Цифровая запись на кассеты Hi8 осуществлена с помощью новых видеокамер Digital 8. Эти камеры можно подсоединять к компьютеру или другому DV-устройству, что дает возможность перезаписывать без потери качества и обеспечивает удобство монтажа записей. Кроме того, с помощью видеокамер Digital 8 можно перевести ранее сделанные аналоговые записи в цифровую форму и даже воспроизводить смешанную запись - и аналоговую, и цифровую. Более широкая лента Hi8 дает возможность записывать ту же информацию, что и в формате DV, но при этом информация о каждом кадре записывается на вдвое меньшем числе дорожек (6 вместо 12). Однако скорость движения ленты при этом увеличена в полтора раза, поэтому на 2-часовую кассету Hi8 помещается только 1 ч 40 мин цифровой записи.

Фирма Hitachi выпустила первую любительскую цифровую видеокамеру без видеокассеты. Изображение в ней записывалось на жесткий съемный диск (так называемый "винчестер") емкостью 260 Мбайт. Его хватало на 20 минут видеозаписи. Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональном компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Но эту же камеру можно использовать и в качестве цифрового фотоаппарата. Тогда этого объема памяти хватает на 3000 цветных фотоснимков или на 1000 цветных снимков с закадровым звуковым комментарием. Запись ведется со сжатием информации в формате MPEG/JPEG, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера. Главная особенность этой камеры - возможность комбинировать видеофрагменты и фотографии.

В любой современной видеокамере есть фоторежим, дающий возможность записывать стоп-кадры на видеоленту, а в самых новых - на флэш-карту. В новейших цифровых фотоаппаратах появился режим видеосъемки коротких видеофрагментов. Но обычно качество фотографий в видеокамерах и сделанного фотоаппаратом видео - невысокое.

Фирма Panasonic выпустила камеру-"трансформер", способную превращаться в фотоаппарат или видеокамеру. Она состоит из общего оптического модуля, включающего в себя объектив с преобразователем, жидкокристаллический дисплей и видоискатель, и два отдельных функциональных блока: фотоблок со встроенной вспышкой и видеоблок с лентопротяжным механизмом и батареей питания. В оптическом модуле применяется ПЗС-матрица на 1,08 млн пикселей, обеспечивающая высокое качество как фотографий, так и видеосъемки.

До недавнего времени самой компактной кассетой была miniDV. Но ей на смену приходит новый формат MICRO MV Sony. Эта фирма впервые использовала в бытовых видеокамерах более эффективный метод сжатия информации. Благодаря этому размер новой видеокассеты втрое меньше, чем у miniDV (рис. 6.18).

Особенностью этих миникамер является возможность записи изображения на карты флэш-памяти Memory Stick.

При этом на карту Memory Stick емкостью 8 Мбайт входит 5 минут видеозаписи, а на 128-мегабайтную - 82 минуты видеозаписи.

В наиболее совершенных видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические DVD-RW диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в DVD-плейер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных, с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на DVD-диске составляет 30 мин., а в режиме "экономии" - 60 мин, с некоторым понижением качества видеоизображения. На таком диске объемом 4,7 Гбайта помещается до 2000 фотографий высокого качества. DVD-технология обеспечивает мгновенный доступ к любому кадру, в отличие от "пленочных" камер, в которых для просмотра нужного кадра магнитную пленку нужно предварительно перемотать. С помощью специальных программ DVD-видеокамеры обеспечивают удобный компьютерный монтаж видеофильмов. Снимать рекомендуется на перезаписываемый диск DVD-RW, несмотря на его более высокую цену, а хранить записи - на обычных записываемых дисках DVD-R.

Все перечисленные модели видеокамер содержат сложные механизмы лентопротяжки или привода DVD-дисков.

Именно таким цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее. Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.

Для того чтобы сделать снимок, нужно получить оптическое изображение и уметь его закрепить. За первый процесс "отвечает" физика, а за второй - химия. Но это касается традиционного фотографического процесса.

В новейшей так называемой цифровой фотографии закрепить оптическое изображение также позволяет физика, а не химия. Для этого оно превращается в электрический сигнал. Вместо традиционной фотопленки в ней используются современные носители информации - матрицы, которые состоят из множества микроскопических элементов - пикселей. Это так называемые приборы с зарядовой связью (ПЗС).

В 1975 году инженер Стив Сассон, работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1981 году Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica имела разрешение 570x490 пикселей (0,28 Мп). Устройством цифровой памяти в нем служила широко распространенная дискета. Но объем ее памяти составлял всего 1,44 Мб. Поэтому все дальнейшие цифровые фотокамеры используют в качестве устройства цифровой памяти карточки флэш-памяти. Это позволило не только значительно увеличить память, но и значительно уменьшить габариты цифровых фотокамер.

Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует и фокусирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в каждом пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется количество снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др.

А дальше эти запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей доходит до 3-4 и даже 7 миллионов (мегапикселей).

Цифровой фотоаппарат снабжен дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки (рис. 6.22). Никакого проявления и закрепления изображения при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно "стереть" и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив и камера-обскура, в которой помещается светочувствительная ПЗС-матрица.

В цифровой фотографии полностью исключается использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра, существующих уже более 100 лет!

Еще одно преимущество цифровых фотокамер - это возможность делать не только фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью несколько минут, причем со звуком. Для этого большая часть цифровых фотокамер снабжается встроенным микрофоном.

Качество "цифровых" снимков быстро догоняет качество обычных. Можно смело предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.

Такие носители информации, как бумага, перфолента и перфокарта, грампластинка, магнитная пленка, фотографическая бумага и кинопленка, были самыми распространенными в середине XX века.

Цифровое кино

За последние годы бурно развивается цифровое кино. Цифровой кинематограф - это процесс производства, распространения и демонстрации кинофильма в кинотеатре на основе цифровых технологий без применения традиционной кинопленки. Съемка цифровых кинофильмов ведется с помощью высококачественных цифровых видеокамер, а демонстрация - с помощью цифровых видеопроекторов, полностью заменяющих съемочные кинокамеры и кинопроекторы. Цифровые жидкокристаллические видеопроекторы применяются и в домашних кинотеатрах.

С момента появления около 30 лет назад первого видеомагнитофона замена традиционной 35-мм кинопленки на систему электронной цифровой проекции стала лишь вопросом времени. Системы цифровой проекции кинофильмов уже появились в кинотеатрах, качество цифровой проекции сравнялось с качеством традиционного пленочного, а во многих случаях даже превзошло качество обыкновенной тиражной копии кинофильма. Для киностудий - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество изображения и звука кинофильма как в студии, так и в кинотеатре. Зрители видят фильм именно так, как это задумал режиссер. Именно благодаря этим возможностям цифрового кино многие ведущие кинорежиссеры, такие как Джордж Лукас, активно пропагандируют цифровые технологии. Есть у цифрового кино и противники среди кинорежиссеров, которые заявляют, что никогда не откажутся от использования кинопленки. Это напоминает время перехода от немого кино к звуковому, когда даже Чарли Чаплин не хотел переходить к использованию звука, но затем все-таки начал снимать звуковые фильмы.

Внедрение цифрового кинематографа позволяет только за счет тиражирования фильмов сэкономить более 1 млрд долларов для мировой киноиндустрии. Технология цифрового кино значительно увеличивает защиту кинофильма от пиратства - можно применять для защиты методы шифрования, используемые в банковской сфере и системах национальной безопасности. Цифровой кинематограф позволяет организовывать доставку фильма в любой уголок планеты с помощью спутниковых систем, тем самым обеспечивая одновременно сотни и тысячи кинотеатров мира премьерными кинофильмами.

Для владельцев кинотеатров цифровые системы позволяют наряду с традиционными фильмами демонстрировать на большом киноэкране:

В нашей стране благодаря системам цифрового кинематографа становится возможно "доставить" любой фильм, любую программу в самый отдаленный кинотеатр, будь он на Дальнем Востоке или на Крайнем Севере.

Для кинозрителей - цифровое кино обеспечивает одинаково высокое качество демонстрации фильмов как в день премьеры, так и после сотен просмотров. Ведь у цифрового изображения не бывает царапин и грязи, потери кадров при обрыве пленки, дрожания картинки и выцветания цветов.

Голография

Стереоскопическая съемка за счет получения одновременно двух изображений на фото- или кинопленке (отдельно для правого и левого глаза) позволила создать у зрителя ощущение объемности изображения. Однако стереоскопическое изображение не дает возможности рассмотреть предмет с разных сторон.

Такая возможность появилась после изобретения голографического метода получения изображений Д. Габором в 1948 году. Он основан на волновой природе света, явлениях дифракции и интерференции.

Фотография дает только плоское изображение предметов, то есть неполную информацию о нем. Дело в том, что свет - это волна, характеризующаяся двумя основными величинами - амплитудой и фазой. Фотография дает информацию только об амплитуде излученной фотографируемым предметом световой волны, а о ее фазе ничего не сообщает. Значит, для получения полной информации о предмете нужно еще уловить фазу этой волны. Ведь именно фаза дает информацию об объемности предмета. Вот эту задачу и удалось решить Деннису Габору.

Габор Деннис (1900-1979), физик. Родился в Венгрии. С 1927 живет в Германии, с 1934 - в Великобритании, с 1967 - в США. Построил общую теорию голографии и получил первые голограммы. Нобелевская премия (1971).

Он осветил предмет (это был полупрозрачный кубик) светом ртутной лампы. В то время это был самый лучший источник световых волн с постоянной длиной волны, так называемый когерентный источник. На пути световых волн от ртутной лампы, которые отразил предмет (кубик), Габор поставил фотопластинку. Волна от лампы сложилась с волной от предмета. В результате их интерференции появилась суммарная волна, которая и была зафиксирована на фотопластинке в виде чередующихся черных и светлых полос. Ее Габор назвал голограммой. Для того чтобы вместо интерференционной картины увидеть изображение предмета, Габор поставил справа от голограммы ту же самую ртутную лампу, только теперь свет от нее шел в обратном направлении. В результате дифракции слева от голограммы возникли те же волны, которые ее создали, а в результате интерференции произошло вычитание волн, направленных навстречу друг другу, и осталась только волна от предмета. Заглянув в голограмму, Габор увидел за ней парящий в воздухе кубик - первое голографическое изображение.

Слово голография - греческое. Оно состоит из двух частей: голо - по-гречески "полный, целый, весь" и графо - "пишу". То есть слово "голография" означает "полное описание", что полностью соответствует физическому смыслу этого термина.

Однако развиваться голография стала только в 1960-х годах с появлением лазера, дающего идеальное когерентное излучение. В 1962-1963 гг. американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые применили лазер в качестве источника света для получения голограммы. При голографической съемке фотопластинка освещается опорным лазерным лучом и одновременно отраженным от снимаемого предмета светом. В результате сложения световых волн в плоскости пластинки возникает картина, содержащая всю информацию об отраженной световой волне. Если после проявления фотопластинки осветить ее лазерным лучом, возникает голографическая картина - голограмма. Объект съемки не только кажется объемным, но при повороте головы его действительно можно рассмотреть с разных сторон - справа, слева, сверху и снизу!

Наиболее необычное свойство голограммы состоит в том, что любой ее участок содержит информацию обо всем запечатленном на ней предмете. Причина в том, что практически на каждую точку поверхности фотопластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Если разорвать фотографию на несколько кусков, то каждый кусок будет содержать информацию только о части предмета. В то же время, если голограмму разделить на несколько фрагментов, то каждый из них будет содержать информацию обо всем предмете. В этом смысле голограмма больше похожа на зеркало, чем на фотографию. Ведь каждый кусочек разбитого зеркала отражает весь предмет. Этот факт натолкнул ученых на некоторое сходство голограммы с памятью человека. Такая аналогия ни в коей мере не является прямой, однако голографические принципы хранения информации могут быть полезными для раскрытия механизмов человеческой памяти.

Способ получения голограммы на фотопластинке с толстым слоем эмульсии, разработанный в 1962-1963 гг. Ю.Н. Денисюком, позволяет рассматривать голограмму при освещении ее обычным осветителем или солнечным светом. Толщина слоя эмульсии намного больше длины световой волны, поэтому интерференционная картина встречных предметного и опорного пучков света возникает в толще эмульсии и образует объемную голограмму. При проявлении изображение формируется в ней в виде микроскопических зеркал. Такую голограмму можно рассматривать только в отраженном белом свете. Голографическое изображение "по Денисюку", подобно фотографическому, занимает всю поверхность голограммы. Этим оно отличается от голографического изображения "по Габору". Объемную голограмму записывают в слое светочувствительного пластика - фоторезиста. С помощью химической обработки на пластмассовой пластинке формируют рельеф. Затем ее покрывают никелем и превращают в матрицу, с помощью которой на тонкой ленте штампуют копии голограмм. Такие радужные наклейки можно помещать на товарные упаковки и документы для защиты от подделки.

Денисюк Юрий Николаевич (1927 г.р.) - советский физик, член-корр. АН СССР с 1970 года. Разработал метод объемной голографии. Лауреат Ленинской (1970) и Государственной (1982) премий.

В наше время голографические методы играют значительную роль в самых различных областях науки, техники и искусства.

Так, методы голографии позволяют получать объемные цветные изображения предметов искусства, голографические портреты. Голографические изображения могут вызвать в недалеком будущем целый переворот в музейном деле: представьте себе, что в любом провинциальном музее будет находиться объемная голографическая копия Венеры Милосской. Методы голографии успешно используются в физике для визуализации акустических и электромагнитных полей, для исследования движущихся частиц. Голография в оптическом диапазоне позволяет получить изображения только внешнего вида предметов. Ультразвуковая голография дает возможность увидеть и внутренние органы.

Виртуальная реальность

Понятие искусственной реальности было впервые введено М. Крюгером в конце 1960-х. В 1989 году Д. Ланьер ввел более популярный ныне термин "виртуальная реальность". Первой системой виртуальной реальности стала "Кинокарта Аспена", созданная в Массачусетском Технологическом Институте в 1977 году. Эта компьютерная программа симулировала прогулку по городу Аспен, штат Колорадо, давая возможность выбрать между разными способами отображения местности. Летний и зимний варианты были основаны на реальных фотографиях.

С помощью компьютерной технологии можно создавать образы реальных объектов и процессов природы - "виртуальную" т.е. кажущуюся или возможную реальность (Virtual Reality - VR). Если стереофотография и стереокино делают изображение объемным, а голограмма позволяет осмотреть изображение с разных сторон, то виртуальная реальность позволяет оказаться внутри этого виртуального мира. При этом возможно, моделировать и реально существующие объекты, и любые синтетические миры, которые можно вообразить. Это может быть поверхность любой планеты или звезды, кабина самолета, космического корабля или любой орган человека, модель молекулы.

С этой точки зрения виртуальная реальность может рассматриваться как новейшая информационная технология, как результат сближения человека и компьютера. Для того, чтобы "попасть" в этот призрачный мир, нужна специальная экипировка. Возможно полное и неполное погружение в виртуальный мир. Для полного погружения нужны шлем, силовой жилет, перчатки и сапоги. Создан специальный шлем с дисплеями для каждого глаза, с наушниками и датчиками, дающими информацию о положении головы. Силовой жилет, перчатки и сапоги также снабжены специальными датчиками.

Надев такой "костюм", Вы попадаете в виртуальный мир, например, на дно океана, поверхность Марса или ... в спроектированную по Вашему желанию квартиру. При этом Вы можете поворачивать голову, оглядываться, ходить, дотрагиваться рукой или ногой до предметов, поднимать их, ощущать их тяжесть и температуру. То есть созданный компьютером виртуальный мир способен обманывать Ваши органы чувств. Система виртуальной реальности непрерывно отслеживает положение головы наблюдателя и показывает ему только ту часть виртуальной сцены, которую он может видеть в данной точке пространства и данном угле зрения.

Другой способ полного погружения - с помощью специальной виртуальной комнаты, в которой пол, стены и потолок снабжены экранами, на которые проектируются изображения. Моделируются движение и звуки (например, автомобиля, самолета, поезда или космического корабля). Все это очень важно для создания специальных тренажеров для пилотов, космонавтов, водителей автомобилей, операторов ядерных реакторов. Созданы также агрегаты, действующие на вестибулярный аппарат человека. Примером могут служить вращающиеся кабины для тренировки космонавтов. Именно необходимость создания таких тренажеров, приближающих обстановку к реальной, и вызвала к жизни создание систем виртуальной реальности. Первыми заказчиками и потребителями были военные - им нужны были тренажеры для обучения стрельбе, подготовки пилотов истребительной авиации к ведению воздушных боев, водителей танков. Космонавты при подготовке к полетам могут потренироваться в стыковке космических аппаратов, а хирурги - подготовиться к будущим сложным, еще не освоенным операциям. Уже созданы тренажеры для всех сред, в которых передвигается человек - имитаторы воздушных, космических, водных и наземных транспортных средств. Тренажеры используют для замены реальной машины более дешевым и безопасным аналогом при воссоздании сложной или опасной для человека среды или ситуации. В каждом тренажере есть механическая часть, имитирующая кабину автомобиля, самолета или танка, и передающая ускорения и вибрацию, и компьютерная, которая создает иллюзию движения.

Существуют развлекательные системы с использованием виртуальной реальности. С их помощью можно "осуществить" скоростной полет на самолете и спуск на американских горках, походить по залам музеев и картинных галерей, около египетских пирамид или Ниагарского водопада.

В инженерной деятельности виртуальные прототипы дают возможность отказаться от натурных моделей; провести виртуальную сборку сложного прибора и проверить степень стыковки множества деталей до начала реальной сборки; заменить реальные испытания с разрушением на виртуальные.

В медицине виртуальная реальность дает возможность создать трехмерную модель опухоли и облегчить диагностику. При обучении медицинских работников уже используются виртуальные анатомические атласы, имитирующие различные органы человека. Практика на виртуальных "трупах" дешевле, чем на реальных, и гуманнее, чем на подопытных крысах или кроликах. При планировании операций появляется возможность моделировать виртуальный скальпель в виртуальной перчатке.

В архитектуре виртуальная реальность дает возможность заказчику, инвестору и разработчику увидеть будущее здание или сооружение и снаружи, и изнутри.

Виртуальный шлем полностью изолирует глаза от окружающего мира. Для этого перед каждым глазом в нем расположен маленький жидкокристаллический экранчик. Компьютер подает на них синтезированные им картинки, вместе составляющие стереоизображение. С помощью оптической системы это изображение человек видит на расстоянии полуметра от своего лица. Шлем снабжен стереонаушниками и датчиками, следящими за поворотом головы. Эти датчики (они могут быть инфракрасными, ультразвуковыми или микроволновыми) передают в компьютер информацию о положении головы. В соответствии с ней компьютер формирует картинку, соответствующую ориентации головы. В результате у человека и возникает иллюзия нахождения в виртуальной среде. Объем переработки информации в реальном времени при этом очень велик. Если компьютер будет запаздывать в создании этой иллюзии, то у человека может возникать чувство неуверенности, головокружения. Поэтому справиться с выполнением такой сложной задачей способен только суперкомпьютер, обладающий громадным быстродействием и объемом памяти.

Наиболее совершенные шлемы снабжены устройствами, следящими за вращением глазных яблок и даже о положении зрачков человека в данный момент.

Силовой жилет создает усилия на мышцы туловища и рук человека, имитируя иллюзию взаимодействия с предметами в виртуальном пространстве - например, поднятие тяжелого предмета и перенос его с места на место. Для этого жилет снабжен специальными силовыми приводами, получающими команды от компьютера.

Специальные перчатки и обувь, оснащенные датчиками, дающими информацию о движении рук, ног и даже отдельных пальцев, дополняют костюм погружения в виртуальную реальность. Они могут дополняться устройствами, имитирующими осязание. Для этого пьезоэлектрические вибраторы передают на нервные окончания пальцев ощущения, имитирующие прикосновение к виртуальным "предметам".

При частичном погружении в виртуальную среду человек не полностью изолируется от окружающего пространства. На голове у него укрепляются датчики, дающие информацию о поворотах его головы и направлении его взгляда. При этом у него создается впечатление, что он только заглядывает в окно виртуального мира, а вне этого окна продолжает видеть окружающую обстановку.

Уже существует множество виртуальных игр. Но, по мнению ряда ученых, чрезмерное увлечение ими опасно, особенно для детской психики. Поэтому играть в них можно лишь очень недолго - во избежание неприятных последствий для здоровья.