516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

При студийном использовании к видеокамере кроме повышенных качественных характеристик предъявляются особые требования к функциональному оснащению и видеоинтерфейсам. В первую очередь, при использовании в процессе телесъемки нескольких камер необходимо обеспечить синхронность выдаваемых ими сигналов, для чего подается внешний ведущий сигнал и камеры переводятся в ведомый режим (Genlock). Для удобства работы оператора в студии в качестве видоискателя к видеокамерам дополнительно прикрепляются специальные видеомониторы с размером экрана по диагонали не менее 5 дюймов (12,7 см). При многокамерных съемках программ особенно в прямом эфире очень важно обеспечить синхронную работу как технического персонала в аппаратной и студии, так и дикторов, поэтому на видеокамере могут быть установлены индикаторы «Tally», в результате при выходе источника в эфир на соответствующей камере загорается сигнальная лампа.

Современные студийные телекамеры практически не нуждаются в периодической подстройке основных электрических параметров как было раньше (при использовании трубочных датчиков или в камерах с полностью аналоговой обработкой сигналов). Это гарантируется как очень высокой стабильностью самих ПЗС или КМОП-датчиков, так переходом на полностью цифровую обработку сигналов.

3.4.Аналоговая обработка видеосигналов в телекамерах

3.4.1.Использование схемы двойной коррелированной выборки

Видеосигнал, снимаемый с ФПМ, содержит характерные искажения и шумы, связанные с работой его выходного устройства. Чтобы найти пути, позволяющие избавиться от этих последствий, рассмотрим особенности формирования выходного видеосигнала. Как показано на рис. 3.5, выходной сигнал, например, матрицы ПЗС, имеет три уровня:

уровень, определяемый импульсами сброса, проникающими в выходной сигнал через паразитные емкости (Reset Level);

уровень фиксации, определяемый постоянным напряжением на стоке транзистора сброса с шумовой добавкой (Feed-Through Level);

уровень сигнала с той же шумовой добавкой, вызванной цепями узла детектирования выходного устройства матрицы ПЗС (Signals).

Выше названные шумы включают в себя:

шумы сброса;

низкочастотные 1/f-шумы повторителя на МОП-транзисторе;

тепловой шум.

Устранить данную шумовую добавку Uш, в принципе можно, так как ее величина в момент импульса фиксации tф (когда информационный заряд еще не поступил в выходное устройство) и в момент импульса выборки tвыб (когда информационный зарядный пакет уже слился с этой шумовой добавкой) остается неизменной. Именно операцию устранения шумовой добавки осуществляет

Рис. 3.5. Осциллограммы сигналов в основных точках матрицы ПЗС и схемы ДКВ

Рис. 3.6. Структурная схема устройства ДКВ

схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) или, в английской интерпре-

тации, CDS (Correlated Double Sampling) (рис. 3.6) [37]. Название схемы про-

изошло от используемого метода двойной выборки зарядового сигнала ПЗС. Схема ДКВ работает следующим образом. В момент времени фиксации tф,

когда на выходе матрицы ПЗС еще нет полезного сигнала, но есть шумовая составляющая Uш, схема выборки осуществляет выборку и запоминание этой составляющей, которая передается на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ). Схема выборки 1 осуществляет выборку и запоминание сигнала в момент времени tвыб, когда сигнал на выходе матрицы ПЗС уже содержит полезную составляющую Uс и ту же самую, что и в момент времени tф, шумовую составляющую Uш. Схема выборки 3 производит выборку шумовой составляющей Uш в момент времени tвыб, переписывая значение шума с выхода схемы выборки 2 на инвертирующий вход ОУ. В результате, с момента выборки tвыб до следующей выборки на неинвертирующем входе ОУ будет присутствовать полезный сигнал с шумом Uс + Uш, а на инвертирующем – Uш. На вы-

Рис. 3.7. Принципиальная схема устройства двойной коррелированной выборки с усилителями выборки и хранения

ходе схемы ДКВ получим значение сигнала без шума Uс. Таким образом, использование схемы ДКВ позволяет устранять шумы сброса, обусловленные сопротивлением канала полевого ключа сброса, бóльшую часть низкочастотных 1/f – шумов мерцания и теплового (белого) шума.

Принципиальная схема устройства ДКВ представлена на рис. 3.7. Операционный усилитель (ОУ) А1 имеет дифференцированный вход и может быть включен как в инвертирующей, так и в неинвертирующей конфигурации. В данной схеме ДКВ все усилители выборки и хранения (УВХ) включены как буферы с единичным усилением с резистором 50 Ом в цепи обратной связи. Выходные сигналы УВХ управляют положительными и отрицательными входами дифференциального ОУ А1.

3.4.2. Применение предварительного регулируемого видеоусилителя

После схемы ДКВ сигнал поступает на регулируемый видеоусилитель, который обеспечивает заданный размах сигнала перед подачей его на АЦП, а также стабилизацию уровня черного и Shading-коррекцию (коррекция проработки деталей изображения в местах со слабой освещенностью). Регулировка осуществляется путем задания необходимого уровня смещения, которое поступает на видеоусилитель с цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Глубина регулировки усиления обычно составляет от 6 до 30 дБ. В видеоусилителе осуществляется также регулировка, обеспечивающая постоянство уровня черного и уровня белого во всех трех каналах цветоделенных сигналов.

3.4.3. Электронные способы управления контрастом

Матрицы ПЗС в телекамере воспринимают световое излучение и превращают изменения его яркости в изменения выходного видеосигнала. Для создания минимально заметного видеосигнала требуется определенный уровень освещенности. При освещенности светочувствительной поверхности матрицы ПЗС ниже

Рис. 3.8. Световая (передаточная) характеристика матрицы ПЗС

этого уровня камера формирует уровень черного видеосигнала (рис. 3.8). По мере увеличения освещенности выходной видеосигнал пропорционально увеличивается до тех пор, пока не наступит ограничение и видеосигнал перестанет изменяться, как бы ни увеличивалась освещенность. Эта точка называется уровнем ограничения белого и характеризует максимально достижимый уровень видеосигнала. Любой сигнал, значение яркости которого превышает этот уровень, будет отображен как пик белого, то есть сигнал будет «обрезан» (см. рис. 3.8). Изменения яркости объектов съемки будут отражены в видеосигнале, только если отраженный от них свет по уровню попадет между уровнями черного и белого.

Рис. 3.9. Световая характеристика матрицы ПЗС с фиксированной точкой перегиба

Рис. 3.10. Световая характеристика матрицы ПЗС с переменной точкой перегиба

На практике линейную зависимость выходного видеосигнала от освещенности объекта с целью расширения воспринимаемого диапазона яркостей снимаемых объектов модифицируют путем уменьшения наклона верхней части световой (передаточной) характеристики матрицы ПЗС (Knee Correction) [37]. Данная операция называется методом изменения перегиба световой характеристики матрицы ПЗС (рис. 3.9, 3.10). Точка, откуда начинается перегиб, и угол наклона световой характеристики после перегиба влияют на то, как телекамера справляется с обработкой изображений ярко освещенных мест. При уменьшении наклона световой характеристики сжимается избыточный диапазон яркостей, при этом ярко освещенные участки видны раздельно, не сливаясь в одно сплошное «белое».

Если участок световой характеристики с перегибом представляет собой плавную кривую, то сжатие динамического диапазона производится нелинейно, и переход в режим перегрузки – более плавный.

Во многих телекамерах введена возможность расширения области темного, которая помогает показать детали в темных областях. Однако при этом появляются дополнительные шумы.

3.4.4. Система автоматического баланса белого

Каждый окрашенный объект воспринимается по-разному в зависимости от того освещения, при котором его рассматривают. Глаз человека, в известных пределах, обладает способностью компенсировать различие спектрального состава цвета и правильно распознавать цветовой тон объекта независимо от того, освещен ли он солнечным светом или светом лампы накаливания, но видеокамеры не имеют такой способности. Если съемка объекта была произведена без регулировки цветности, освещение будет оказывать влияние на цветность воспроизводимого изображения, придавая ему голубоватую или красноватую окраску.

Поэтому для правильного воспроизведения цвета объекта съемки необходимо, чтобы основные цвета, формируемые на выходе преобразователя свет-сигнал, в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении, определяемом коэффициентами колориметрического уравнения. Видеокамеры оборудованы системой баланса белого (WB – White Balance), основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры.

Вкачестве датчика обычно используется инфракрасный фотодиод. На основании показаний датчика цветовой температуры происходит корректировка сигналов основных цветов, поступающих с матрицы ПЗС [40].

От восхода до захода солнца спектральный состав дневного света подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и особенно в предвечерние часы

всоставе солнечного света содержится значительно больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем в середине дня. Такие колебания находятся также в зависимости от атмосферных условий, времени года и географической широты места съемки.

Взависимости от температуры накала нити искусственных источников света спектральный состав излучаемого света также изменяется, и разница не всегда уловима глазом, поскольку наш глаз обладает способностью компенсировать ее. Так как матрице ПЗС не присуща способность компенсации, то, если спектральный состав света одной лампы отличается от спектрального состава другой, это может проявиться при записи сигнала цветности на карту памяти.

Спектральный состав источника света принято характеризовать цветовой температурой, которая определяет спектральный состав света, полученного путем температурного излучения. Цветовая температура – это температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника света. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре 12 000…25 000°К, то есть гораздо выше температуры солнца. Свет от лампы имеет желтый оттенок, если, например, напряжение в сети значительно ниже номинального, а если намного выше, то вольфрамовая нить становится синевато-белой, то есть повышение температуры накала нити влечет за собой изменение ее цвета в сторону приближения к белому цвету, цветовая температура повышается.

Метод измерения цветовой температуры основан на сравнении спектрального состава света данного источника со спектральным составом идеального температурного излучателя, температура накала которого выражается в градусах Кельвина (°К). Причем термин «цветовая температура» можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный спектр: электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а также солнце. К лампам тлеющего разряда, так называемым газосветным (ртутным, неоновым, аргоновым, натриевым и др.), имеющим характерный линейный спектр, термин «цветовая температура» неприменим.

При проведении видеосъемки цветовая температура имеет большое значение. Если видеокамера (с помощью ручной регулировки баланса белого) сбалансирована для дневного освещения, то при съемке при свете лампы накали-

вания в изображении будут преобладать оранжево-красные цветные тона. Лица людей будут неестественно красными, а синие и зеленые тона – приглушенными. Для получения изображения с правильным воспроизведением цветов необходимо использовать специальные фильтры, приводящие спектральный состав света, которым в данный момент освещается объект съемки, к тому распределению энергии в спектре, для которого сбалансирована видеокамера.

Если белый свет воспроизводится правильно, то все остальные цвета тоже будут воспроизводиться точно. Поэтому при правильном воспроизведении цветного изображения говорят о балансе белого (White Balance).

Система баланса белого может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. Функции регулировки баланса белого осуществляют настройку камеры на чисто белый цвет при различных источниках освещения. После установки белого цвета система WB корректирует вклад каждого из основных цветов в общий спектр освещения. А так как белый цвет является основой всех цветов, в случае, если регулировка выполнена правильно, возможна съемка сцен с натуральной цветностью практически при любых условиях освещения.

Датчик цветовой температуры tWB обычно представляет собой систему, состоящую из двух фоточувствительных элементов, перед которыми расположены красный и синий светофильтры. Таким образом, на выходе датчика формируются два сигнала, характеризующие уровень красной и синей спектральных составляющих освещения снимаемой сцены. Так как диапазоны длин волн этих составляющих находятся на краях видимой части спектра, то это позволяет оценить характер всего спектра освещения снимаемой сцены.

Иногда в качестве датчика цветовой температуры используется только один фоточувствительный элемент в красном или инфракрасном диапазоне длин волн, а уровень синей спектральной составляющей измеряется по сигналу синего (В), формируемому на выходе матрицы ПЗС.

Значение параметра tWB получают из отношения сигналов ER и EB, формируемых на выходе матрицы ПЗС. Набор корректирующих коэффициентов для наиболее часто встречающихся условий освещения хранится в памяти процессора системы WB видеокамеры. Параметр для каждого источника света, а также соответствующие ему значения корректирующих коэффициентов определяются опытным путем.

Автоматический режим работы системы WB заключается в определении спектрального состава цвета освещения путем сравнения показаний датчика tWB и выбора подходящих значений коэффициентов из памяти. Поскольку в памяти хранятся оптимальные установки только для некоторых типов источников света, в других условиях функция автоматического баланса белого может работать неточно и следует использовать режим ручной регулировки баланса белого. С помощью ручной регулировки баланса белого можно подрегулировать цветовую окраску изображения по специальному белому колпачку на объективе. Система WB определяет, насколько белый цвет колпачка при данном освещении отличается от чисто белого, коэффициенты которого хра-

нятся в памяти камеры. Режим ручного баланса белого необходим, если при освещении снимаемой сцены используется несколько источников света, если снимаемая сцена находится на улице, а съемка ведется изнутри помещения и при съемке в очень темном месте.

Иногда камеры позволяют выбрать один из трех режимов съемки: днем в облачный день; в солнечный день; при освещении вольфрамовой лампой.

3.4.5. Аналого-цифровое преобразование видеосигналов

Сигналы с выхода блоков ПЗС-матриц остались практически последними аналоговыми сигналами современной телекамеры.

АЦП осуществляет преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, выбранной разрядности и частоты дискретизации, для дальнейшей цифровой обработки.

Оценим разрядность АЦП, применяемого в цифровых видеокамерах. Стандартный видеосигнал в соответствии с Рекомендацией Международного союза электросвязи МСЭ-Р ВТ.601-5 на выходе видеокамеры должен быть восьмиразрядным. В то же время к современным видеокамерам предъявляется требование передачи динамического диапазона по освещенности, как минимум в шесть раз превышающей номинальную. С учетом этого динамический диапазон АЦП должен быть, как минимум, на 2,5 разряда больше. С учетом нелинейности гамма-характеристики, требующей дополнительного четырехкратного усиления в черном, потребуется дополнительно еще два разряда. Таким образом, общая размерность АЦП должна была бы составлять 13 разрядов. Создание такого АЦП, работающего на частоте преобразования видеосигнала (13,5 МГц), является в настоящее время достаточно сложной задачей. Поэтому разработчики видеокамер идут по пути сжатия динамического диапазона за счет регулировки режимов матрицы ПЗС, используя метод изменения перегиба световой характеристики (Knee Correction), и обеспечения запаса по усилению в предварительном видеоусилителе (рис. 3.11).

Этими способами удается сузить динамический диапазон видеосигнала и ограничиться 10…12 разрядным АЦП. Учитывая, что в большинстве видеокамер используются три матрицы ПЗС – по одной на каждый из основных цветов – общее число АЦП в видеокамере равно трем (на каждый из цветоделенных сигналов).

В большинстве передающих телевизионных камер высокого разрешения используются АЦП конвейерного типа, обладающие высоким быстродействием.

Конвейерный АЦП (рис. 3.12) состоит из нескольких последовательных каскадов, число которых зависит от количества разрядов. С функциональной точки зрения отдельные каскады АЦП подобны, причем один каскад реализует только один или два разряда преобразования. Выходы каскадов объединены в порт вывода. Каскад 1 выполняет выборку входного напряжения и первое грубое преобразование.

Рис. 3.11. Схема сжатия динамического диапазона световой

характеристики способом ее перегиба:

а) световая характеристика без сжатия динамического диапазона; б) световая характеристика со сжатым динамическим диапазоном

Рис. 3.12. Функциональная схема конвейерного аналого-цифрового преобразователя:

К – каскад; Ф – фиксатор; ЕСР – единица старшего разряда; ЕМР – единица младшего разряда

В результате находится значение единицы старшего разряда (ЕСР), которое поступает в первый фиксатор. Поскольку остаток от вычитания в первом каскаде преобразуется в последующих n каскадах, то значение ЕСР используется в n фиксаторах вплоть до завершения преобразования в последнем каскаде. Тогда все разряды данных фиксируются в выходном порту и доступны шине данных.

Благодаря незначительным размерам и малой потребляемой мощности, конвейерная архитектура более подходит для телекамер с высоким разрешением, чем параллельные преобразователи.

Рис. 3.13. Функциональная схема каскада конвейерного АЦП:

ЦФ – цифровой фиксатор

Каждый каскад АЦП конвейерного типа состоит из усилителя выборки и хранения (УВХ), малоразрядных АЦП и ЦАП и суммирующего устройства, включая межкаскадный усилитель, а также цифрового фиксатора (рис. 3.13).

Преобразование в АЦП конвейерного типа начинается с выборки и хранения. Затем сохраненный входной сигнал с помощью АЦП первого каскада преобразуется в цифровой код, а с помощью ЦАП первого каскада преобразуется снова в аналоговый сигнал. Разность между выходом ЦАП и хранимым входным сигналом усиливается и поступает в следующий каскад, где этот процесс повторяется. В то время как первый каскад обрабатывает текущую выборку входного сигнала, выходной каскад обрабатывает усиленную разность с предыдущего каскада. Поскольку последовательные каскады одновременно работают с разностями предыдущих каскадов, то цифровые выходы каскадов соответствуют выборкам в разное время. Цифровые фиксаторы необходимы, чтобы синхронизировать выходы n-каскадов.

Главное преимущество конвейерных АЦП состоит в том, что они могут обеспечивать высокую производительность при умеренной сложности интегральных схем и малом потреблении энергии, благодаря параллельной работе n каскадов. Присущая им «задержка данных» вполне приемлема для применения в передающих камерах. На каждое преобразование требуются два основных такта, поскольку в конвейерном АЦП используются параллельные преобразователи. Поэтому максимальная производительность может быть достаточно высокой. После момента начала преобразования выходные данные, представляющие каждую следующую выборку, выводятся с каждым следующим тактовым импульсом.