Малый физический практикум
по материалам пресс-конференции,
посвященной камере CASIO Exilim EX-F1

11 февраля компания Casio провела большую пресс-конференцию, озаглавленную «Революция в цифровой фотографии». На ней был продемонстрирован целый ряд камер, но, безусловно, самым интересным было увидеть в работе аппарат Exilim F1, анонсированный как самая скоростная в мире цифровая камера. Впервые об этой камере фирма заговорила уже давно и мы о ней писали в Новостях, поэтому приведу только несколько предоставленных компанией фотографий.

Технические же характеристики камеры можно найти на русском сайте компании. Поскольку я сам ее еще не тестировал, то мне трудно их комментировать, однако, кроме технических характеристик, на пресс-конференции были розданы и серии снимков, снятых этой камерой со скоростью 60 кадров в секунду. Анализ этих снимков показался мне более занимательным, чем очередной пересказ технических характеристик, тем более что некоторые из этих снимков вызвали вопросы уже в течение пресс-конференции. В частности, публику заинтересовала форма мяча на серии снимков, запечатлевших удар по футбольным воротам.  Во время пресс-конференции подчеркивалось, что раньше скоростная съемка была  уделом научных лабораторий, теперь же это может быть доступно всем. Поскольку школьное образование у нас всеобщее, я решил провести маленькую школьную лабораторную работку. Итак, рассмотрим 6 снимков, снятых с интервалом в 1/60 секунды.

Поскольку известно, что диаметр футбольного мяча составляет примерно 22 см, то сразу подсчитаем скорость падающего мяча и скорость мяча после удара.

Снимки наложены друг на друга. Масштаб приведенного фрагмента 40%.

До удара за 1/60 с мяч пролетал половину своего диаметра, после удара -  полтора. Отсюда получаем, что его скорость до удара была 7 м/с, а после удара ногой увеличилась до 20 м/с или, для тех, кому лень переводить в уме, это 72 км/час. Сравнив крупным планом изображение мяча при его вертикальном падении и при его горизонтальном движении после удара, мы увидим, что его форма существенно изменилась.

До удара


После удара

Это связано с тем, что камера осуществляет запись не последовательности кадров, а последовательности строк, т.е. последняя строка кадра записана через  1/60 с после первой. а первая строка следующего кадра - сразу за ней. Т.е. горизонтально летящий мяч снят действительно с интервалом в 1/60 секунды. Но поскольку мяч занимает примерно 300 строк, то верхний его край снят на 1/400 с раньше, чем нижний. При скорости 20 м/с за 1/400 c мяч пролетел 5 см, что привело к его существенной эллиптичности на нашем снимке. Вертикально падающий мяч тоже искажен, поскольку за время его регистрации он успел чуть чуть пролететь вниз, но поскольку скорость его относительно невелика, то это мало заметно. В заголовках снимка можно обнаружить и выдержку, с которой производилась съемка. Она равна для рассматриваемых кадров 1/2500 с. Это время экспозиции одной строки за которое горизонтально летящий мяч пролетает менее сантиметра, но тем не менее этот смаз заметен на снимках. На мой вопрос, всегда ли камера снимает последовательность не строк, а кадров, и есть ли у нее  механический затвор, чтобы реализовать эту возможность, мне было сказано, что затвор механический есть, и при скорости до 7 кадров/с он используется. Кажется, что процесс перехода от съемки нескольких кадров в секунду к съемке до сотен кадров в секунду происходит очень плавно. На самом деле в камере реализованы два существенно разных режима. В одном случае мы можем снимать кадры относительно редко, но с выдержкой много короче, чем интервал между кадрами, и с одновременной регистрацией всей площади кадра.Таким образом, мы получаем последовательность кадров. Во втором же случае мы получаем последовательность строк, при которой каждая строка экспонируется быстро, однако весь кадр в целом, - за 1/60 с. Последовательность строк непрерывна, в любой момент какая-то из строк снимается, однако время относится уже не к целому кадру, а к его участкам. Нельзя сказать, какой из режимов съемки предпочтительнее. Просто при последующей обработке кадров надо помнить о специфике постановки эксперимента.

Камера оснащена осветителями двух типов. При скорости до 7 кадров/с может использоваться вспышка в стробоскопическом режиме, при более же скоростной видеосъемке осуществляется подсветка непрерывно горящими светодиодами.

Перед конференцией неоднократно подчеркивалось, что камера размывает грань между видео и фотосъемкой. Камера позволяет снимать видео в режиме FHD с разрешением 1920 х 1080 пикселей с частотой 60 кадров/с, а может снимать по сути то же самое видео, но уже с размером кадра 2816х2112  пикселей, с той же частотой 60 кадров/с, но в течение всего одной секунды.

На этом мы закончим лабораторную работу и перейдем к практическим занятиям по арифметике.

Камера может снимать видео в следующих режимах:

Из этой последовательности чисел видно, что камера может регистрировать 96 строк за 1/1200 сек. Именно этим параметром и определяется высота кадра. Умножим: 96х2, получаем 192, 192х2 - получаем 384, и 384х5 -  получаем1920.

Т.е. из нашего ряда выбиваются только первые два режима. Тот режим, который называется HD видео, в силу того, что этот стандарт существовал до этой камеры и с ее конструкцией не связан, и режим фото, который, хотя буквально и  не совпадает с желаемым числом, но тем не менее достаточно близок.  Т.е во всех этих случаях каждая строчка должна была бы считываться за 1/115200 с.   А в случае фотокадра на 1 строчку камера должна была бы затрачивать 1/126720 с. 

Исходя из того, что  в формате RAW при 8-битном представлении цвета кадр занимает столько же байт, сколько пикселей в матрице, соответственно 60 кадров должны занимать 360 Мб. И это минимальный размер буфера, который необходимо иметь в этой камере.

На пресс-конференции было сказано, что используется 16-разрядный АЦП. В этом случае минимальный размер буфера должен был бы составлять уже 720 Мб. Поэтому, вероятно, цифра 16 относится к файлу RAW (DNG), а не к АЦП. Скорость передачи данных в 720 Mбайт в секунду представляется трудно реализуемой, и вероятно, происходит одновременное считывание нескольких строк с разумной скоростью.

При  1200 кадрах в секунду за секунду записывается 39 Мб,  при 600 - 50 Мб, при 300 - 59 Мб, т.е. в этих режимах у буфера даже есть запас, чтобы записать более одной секунды, но я не знаю, реализована ли эта возможность.

С высотой кадра все более или менее ясно, он лимитируется скоростью считывания строк, а вот с шириной я не вижу однозначного объяснения. Теоретически она могла быть больше, хотя отношение 3:1 при скорости 1200 кадров в секунду уже достаточно экзотический формат, и фирма, возможно, просто решила не шокировать публику еще большим отношением сторон.

P.S.

Наша лабораторная работа продемонстрировала, что камера осуществляет фотосъемку с частотой 7 кадров в секунду и видеосъемку  с частотой 126720 строк в секунду и с максимальным числом точек в строке 2816. Со всеми присущими этому виду съемки особенностями. Необычность получаемых изображений может удивить некоторых фотографов, но привычна для видеооператоров. В камере, похоже, реализовано еще несколько очень интересных решений, но писать о них, не попробовав самому, так же сложно, как уследить за манипуляциями фокусника, выступавшего на пресс-конференции, даже при наличии скоростной съемки:-)