516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

3.5. Цифровая обработка видеосигналов в телекамерах

3.5.1. Особенности функционирования цифрового процессора сигналов

Во всех современных студийных камерах применена исключительно цифровая обработка сигналов с выходов предусилителей блока ПЗС-матриц.

Назначение и работу ЦПС рассмотрим на примере процессора первой полностью цифровой видеокамеры фирмы Sony (рис. 3.14) [37].

Задачей цифровой обработки является такая обработка сигналов трех основных цветов (цветоделенных сигналов), поступающих с трех АЦП, при которой обеспечиваются высокая разрешающая способность, широкий динамический диапазон, верность цветопередачи и высокая надежность работы видеокамеры.

Высокая разрешающая способность воспроизводимого на телевизионном экране изображения обеспечивается использованием в телекамере матриц ПЗС с большим числом элементов разложения и сложным алгоритмом цифровой апертурной коррекции, учитывающим интерполяцию трех видеосигналов, полученных с двух матриц ПЗС синего и красного каналов, сдвинутых относительно матрицы ПЗС зеленого канала в горизонтальном направлении на половину элемента разложения (подобный способ обработки видеосигналов является достаточно эффективным при борьбе с помехами дискретизации).

Для исключения эффекта элайзинга тактовая частота, на которой работает ЦПС, выбирается в два раза больше частоты считывания информации с матрицы ПЗС, то есть 36 МГц. Для исключения циклических ошибок при масштабировании сигналов в цепях ЦПС осуществляется, как минимум, 14-разрядная, а в последних моделях камер 22-разрядная цифровая обработка, и с каждым годом, благодаря совершенствованию технологических процессов производства больших интегральных схем, разрядность цифровой обработки повышается. Особенно важна высокая разрядность при нелинейной обработке сигналов, например, при гамма-коррекции.

Рис. 3.14. Функциональная схема цифрового процессора сигналов

В ЦПС производятся гамма-коррекция для обеспечения линейной сквозной градационной характеристики всего телевизионного тракта «от света до света», при необходимости цифровая стабилизация изображения и цветовая коррекция, с помощью которой производится подстройка баланса белого цвета под источник освещения. Линейное матрицирование, осуществляемое в ЦПС, позволяет корректировать цветовой фон в соответствии с творческими задачами оператора или режиссера, а также в зависимости от предпочтений телевизионной аудитории. Особенно это касается цветового тона лиц дикторов и артистов, участвующих в передаче. Цветовой корректор позволяет корректировать только эту область изображения, не затрагивая других цветовых деталей. В матрице цветности ЦПС из сигналов трех основных цветов формируется цветовой сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала (ER-Y) и (EB-Y), которые поступают затем на кодирующее устройство. После кодера соответствующие формату видеозаписи сигналы подаются на камерный модуль записи на карты памяти и выходные разъемы.

3.5.2. Гамма-коррекция в цифровом процессоре сигналов

Качество воспринимаемого зрителем телевизионного изображения во многом зависит от устройства воспроизведения. С целью более наглядного анализа принципов гамма-коррекции в передающих камерах рассмотрим конкретный частный случай, когда ТВЧ-изображение воспроизводится кинескопом, яркость которого изменяется нелинейно при различных значениях яркости объекта съемки.

Из рис. 3.15, а видно, что зависимость тока луча кинескопа от управляющего напряжения представляет собой экспоненту. Это означает, что темные части изображения объекта на экране телевизора будут выглядеть гораздо темнее, чем в действительности, а светлые будут гораздо ярче. Конечной целью телеви-

Рис. 3.15. К определению гамма-характеристики телевизионной системы:

а) модуляционная характеристика кинескопа; б) амплитудная характеристика телевизионной системы

зионной передачи является показ объекта таким, какой он есть. Чтобы добиться этого, нужно скорректировать нелинейность, вносимую электронным лучом кинескопа. Функцию, определяющую связь между соотношением яркостей исходного объекта Lоб и яркостей его изображения Lиз, принято называть гаммафункцией системы передачи изображения, то есть Lиз сlLобрез , где сl – коэффициент пропорциональности.

Для получения значения показателя степени γрез, равного 1 (то есть линейного соотношения между яркостями исходного и воспроизведенного изображений, на рис. 3.15, б требуемая зависимость отображается прямой линией), в видеокамере должен генерироваться сигнал, компенсирующий яркостные искажения, вносимые кинескопом. Нелинейные свойства кинескопа характеризуются показателем степени γкин, равным 2,4. Так как γрез = γкин·γкам = 1, то показатель степени нелинейной световой характеристики видеокамеры γкам должен быть равным 0,42. Фактически γкам устанавливается равным 0,44…0,45. В этом случае γрез 1,1. Небольшое превышение показателя степени γрез относительно 1 предназначено для компенсации внешней засветки экрана кинескопа. При этом в видеокамере должна быть предусмотрена возможность изменения показателя нелинейности γкам в зависимости от условий и задач видеосъемки. Применение гамма-коррекции понижает уровень шумов на темных частях изображения. В некоторых камерах предусмотрена возможность введения гаммакоррекции на отдельных участках изображения, соответствующих определенному цветовому диапазону, и изменения их оттенков и насыщенности, при этом параметры остальной части изображения остаются прежними.

Одним из способов получения кривой, соответствующей требуемой гаммахарактеристике видеокамеры, является использование кусочно-линейной аппроксимации, что иллюстрируется рис. 3.16, из которого видно, что в области малых освещенностей (значение координаты х мало) коэффициент усиления видеотракта камеры существенно больше, чем в области средних и, тем более, больших значений видеосигналов на выходе матрицы ПЗС. Пропорционально увеличению коэффициента усиления расширяется и разрядная сетка цифрового

Рис. 3.16. Схема получения требуемой гамма-характеристики способом кусочно-линейной аппроксимации

Рис. 3.17. Структурная схема гамма-корректора

процессора. Реализация заданной кривой осуществляется путем запоминания в устройстве памяти RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом к записанной информации) необходимых коэффициентов an и bn и вычисления выходного сигнала y по формуле y = anx + bn.

Реализация этого алгоритма осуществляется гамма-корректором, схема которого изображена на рис. 3.17. Альтернативным методом формирования заданной выходной характеристики является табличный способ, когда в отдельных ячейках таблицы по адресам, определяемым входным сигналом х, хранятся выходные сигналы у. Недостатком такого метода является большой объем памяти, обусловленный необходимостью плавной регулировки гамма-коэффи- циента [37].

3.5.3.Цифровая апертурная коррекция и матрица цветности

Вбольшинстве видеокамер матрицы ПЗС красного и синего каналов смещены относительно матрицы ПЗС зеленого канала на половину элемента разложения. В цифровом апертурном корректоре производится интерполяция видеосигналов с выходов матриц ПЗС, позволяющая практически полностью исключить влияние эффектов дискретизации, снижающих разрешающую способность матриц ПЗС на предельных пространственных частотах, приближающихся к половине частоты дискретизации. Следует отметить, что этот же метод может быть применен для повышения разрешающей способности в вертикальном направлении. Для исключения влияния на разрешающую способность перегиба световой характеристики (Knee Correction) и гамма-регулировки, сигнал апертурной коррекции вводится и до, и после гамма-коррекции.

ЦПС открывает широкие возможности для цветовой обработки и коррекции изображения. После гамма-корректора и корректора перегиба световой характеристики располагается матрица цветности.

3.5.4. Блок управления цифровой видеокамерой

Для управления ЦПС и выполнения огромного числа служебных функций и регулировок в современной цифровой видеокамере используется специальный контроллер. В число функций, выполняемых этим устройством, входят:

автоматическая предустановка режимов;

автоматический контроль за уровнем пересвеченных областей;

управление интерфейсами связи с другими цифровыми аппаратами;

связь с блоком дистанционного управления.

Точность и стабильность работы цифровых узлов видеокамеры обеспечивают быструю и простую установку ее режимов, существенно облегчая работу оператора, позволяя ему сосредоточиться на решении творческих задач. Значительно упрощается работа с видеокамерой за счет использования дополнительной твердотельной карты памяти, в которой хранятся установочные параметры камеры. С помощью специального устройства, расположенного в видеокамере, эти параметры могут быть легко записаны или считаны и, при необходимости, перенесены на другие цифровые видеокамеры, снабженные такой же памятью.

Преимуществом цифровых технологий является то, что они обеспечивают практически абсолютную согласованность установочных параметров многокамерного комплекса, гарантируя полную идентичность формируемого видеосигнала изображению снимаемого объекта.

4. ОПТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР

4.1.Разрешающая способность объективов

Вреальных оптических системах изображения точек получаются в виде некоторых фигур (кружков, эллипсов и т.п.) рассеяния с различным характером распределения яркости. Поэтому оптические системы не могут создавать изображений сколь угодно малых размеров, то есть имеют ограниченную разрешающую способность.

Под разрешающей способностью (силой) подразумевается способность оптической системы раздельно воспроизводить изображения мелких, близко расположенных деталей объекта (точек, линий и т.д.). Разрешающую способность, определяющую по существу лишь предельные возможности, следует рассматривать как первое, но весьма распространенное и доступное приближение к оценке свойств оптической системы по воспроизведению мелкой структуры изображений.

Разрешающая способность объективов определяется: а) точностью изготовления и сборки; б) остаточными аберрациями; в) дифракционными явлениями. В результате действия этих факторов происходит пространственное перераспределение световой энергии мелкоструктурных элементов, тем более существенное, чем выше действие указанных факторов. Поэтому анализ разрешающей способности объективов предполагает совместное рассмотрение геометрических и энергетических соотношений.

Ограничения, накладываемые на разрешающую способность остаточными аберрациями, точностью изготовления и сборки, могут быть, по крайней мере, теоретически, сведены до любого приемлемого минимума. Дифракционные же явления устанавливают определенный теоретический предел разрешающей способности. При прохождении света через оптическую систему, имеющую входной зрачок круглой формы, изображение точки приобретает вид центрального светлого кружка, охваченного чередующимися темными и светлыми кольцами. За предел разрешающей способности (согласно критерию Рэлея) принимается расстояние между изображениями двух близко расположенных точек, при котором максимум яркости центрального пятна в дифракционной картине одной точки приходится на минимум первого темного кольца второй точки. Тогда разрешающая способность, оцениваемая числом раздельно воспроизводимых элементов на единицу длины, будет определяться из выражения [41]:

где – длина волны светового излучения; R f D – диафрагменное число, то есть величина, обратная относительному отверстию; f – фокусное расстояние объектива; D – диаметр входного зрачка объектива.

При = 555 нм получаем Nос 1470k . Если k = 2, то Nос 735 линий/мм.

В реальных объективах на разрешающую способность существенное влияние оказывают остаточные аберрации, которые деформируют и расширяют фигуру рассеяния изображения точки.

При изменении относительного отверстия объектива регулировкой апертурной диафрагмы разрешающая способность изменяется по закону, отличному от выражения (4.1). При максимальном относительном отверстии разрешающая способность уменьшается из-за действия аберраций. Разрешающая способность поэтому максимальна при некотором промежуточном значении относительного отверстия. Разрешающая способность непостоянна по полю изображения – она максимальна в центре и заметно падает к краям из-за возрастания, как дифракционных явлений, так и остаточных аберраций.

Разрешающая способность оптической системы определяется с помощью испытательных таблиц – штриховых или радиальных мир. Штриховая мира состоит из групп параллельных темных и светлых полос различной частоты и ориентации, радиальная мира – из серии радиальных полос (светлых и темных) переменной ширины. Изображение миры проецируется коллиматором и оптической системой в фокальную плоскость последней. Разрешающая способность при штриховой мире определяется по группе самых узких полос, а при радиальной мире – минимальным радиусом, при котором штрихи видны раздельно. Если изображение миры рассматривается в микроскоп, то предел разрешения оптической системой ограничивается контрастной чувствительностью глаза. Полученная таким образом разрешающая способность Nосв называется визуальной. Для телевизионных объективов визуальная разрешающая способность составляет 200…400 линий/мм.

Разрешающая способность телевизионной системы, так же как и в оптике, определяется предельным числом еще различимых черных и белых полосок равной ширины, укладывающихся на отрезке определенной длины, при съемке специальных испытательных таблиц. Однако в отличие от оптики в телевидении разрешающую способность оценивают общим числом черных и белых линий, укладывающихся по высоте телевизионного кадра. Для определения разрешающей способности передающей камеры разрешающие способности объектива и камерной головки должны быть выражены в одинаковых величинах. Предельная разрешающая способность камерной головки Nкг в оптических линиях на мм можно выразить как

Nкг z 1 qк 2h ,

где z – число строк разложения; qк – относительное время обратного хода кадровой развертки; h – высота рабочей части светочувствительной поверхности матрицы ПЗС.

Тогда разрешающая способность передающей камеры Nпк определяется выражением

1Nпк 1Nосв 1Nкг ,

откуда следует, что общая разрешающая способность системы всегда меньше разрешающей способности каждого из отдельных звеньев. Чтобы общая разрешающая способность телевизионной передающей камеры Nпк не снижалась существенно по сравнению с Nкг , необходимо, чтобы Nосн > (5…7)Nкг. На практике установлено, что вполне достаточным является выполнение следующего соотношения: Nосн > (1,5…2,0)Nкг.

4.2.Классификация телевизионных объективов

спеременным фокусным расстоянием

Долгое время киносъемочная и телевизионная техника ориентировалась исключительно на объективы с постоянными фокусными расстояниями (дискретные объективы). Различные виды съемок обеспечивались набором сменных объективов. А чтобы ускорить их смену, одно время применялся специальный механизм – турель. Это – вращающийся диск с отверстиями и посадочными местами для объективов и афокальных насадок. Простым поворотом турели можно было перед камерой быстро установить требуемый объектив из набора, подобранного в соответствии с режимом съемок. Совершенствование технологии производства оптических систем и, что крайне важно, развитие методов их расчета, включая компьютерный синтез, позволило разработать и ввести в практику объективы с переменным фокусным расстоянием, в которых масштаб изображения может плавно изменяться в сравнительно широких пределах при неизменном положении плоскости изображения. Изменение фокусного расстояния достигается перемещением одной части объектива (вариатора) при одновременном автоматическом перемещении второй части объектива (компенсатора) с целью удержания объекта в фокусе. В результате изменяется размер изображения и фокусное расстояние объектива. Сейчас даже бытовые видеокамеры оснащаются достаточно эффективными объективами с переменным фокусным расстоянием, которые позволяют осуществлять эффект «наезда» без перемещения камеры.

Первые перестраиваемые объективы с переменным фокусным расстоянием, или масштабированием (zooming) изображений, появились в середине пятидесятых годов прошлого столетия. Так фирма Canon свой первый телевизионный объектив с ручной перестройкой переднего фокусного расстояния представила на рынок в 1955 году.

Примерно все семидесятые годы прошлого века в области телевизионной оптики шла серьезная конкурентная борьба между объективами с постоянным фокусным расстоянием и тогда новинкой – объективами с переменным фокусным расстоянием или вариообъективами. Современное телевидение практически полностью отказалось от объективов с постоянным фокусом. Одна из причин, естественно, это перманентный дефицит времени, которого часто может не хватать на смену объективов. На практике – один вариообъектив всегда лучше большого набора объективов с постоянным фокусным расстоянием.

Современные вариообъективы с разными техническими характеристиками для различного применения изготавливаются фактически тремя фирмами: Angenieux («Энжене») во Франции, Canon и Fujinon в Японии. К настоящему времени мировые производители телевизионной оптики предлагают более 120 наименований данных оптических устройств.

Вариообъектив – достаточно сложный оптический прибор. На рис. 4.1 приведены упрощенные оптические схемы масштабирования современных объективов [42, 43]. В составе вариообъектива довольно много линз, которые, с некоторым упрощением, можно разделить на четыре функциональные группы. Входная или первая (фронтальная) группа – это фокусирующая часть. Функционально она является тем, что принято называть объектной линзой объектива. Основная функция фронтальной группы заключается в фокусировке объектива. Ее передняя и задняя линза неподвижны. Перемещаются только внутренние линзы. Это обстоятельство подчеркивается термином «внутренняя фокусировка» (Inner Focus). Вторая группа линз – это вариатор. Вариатор представляет собой подвижную группу линз, управляющую передним фокусным расстоянием. Когда вариатор находится в крайнем левом положении (см. рис. 4.1, а), переднее фокусное расстояние минимально, а угловое поле зрения объектива мак-

Рис. 4.1. Конструкции вариообъективов различных типов:

а) широкоугольный вариообъектив; б) вариообъектив, рассчитанный на средние дистанции рассматривания;

в) вариообъектив телескопического типа

симально. В крайнем правом положении вариатора (см. рис. 4.1, в) фокусное расстояние максимально. В этом положении вариатора объектив обеспечивает режим рассматривания удаленных объектов (телескопический режим). Промежуточные положения вариатора (см. рис. 4.1, б) соответствуют средним дистанциям рассматривания.

Третья группа линз (компенсатор) составлена из двух частей – подвижной и неподвижной. Подвижная часть компенсирует смещение изображения при перемещении вариатора и, тем самым, обеспечивает неподвижность плоскости изображения объектива. Неподвижная часть компенсатора снижает аберрационные искажения до приемлемого уровня. Ирисовая диафрагма вариообъектива размещается между подвижной и неподвижной частями компенсатора. Ирисовая диафрагма (от лат. «радужная оболочка») обычно состоит из нескольких (от 3 до 20) поворотных серповидных лепестков, приводимых в движение кольцом на оправе объектива или (в большинстве современных объективов) электроприводом, управляемым видеокамерой. При полностью открытой диафрагме лепестки формируют круглое отверстие, при частично закрытой – многогранник, близкий к кругу.

Четвертая группа линз (переноса изображения) формирует изображение на светочувствительной поверхности матриц ПЗС. По сути, группа переноса изображения – это окуляр объектива. Именно она обеспечивает неподвижность плоскостей изображений, которые формирует вариообъектив. Важны именно неподвижность и точное положение в пространстве, поскольку надо обеспечить их совмещение с поверхностью ПЗС. В объективах со встроенным мультиплексором его элементы (линза) также входят в оптическую группу переноса изображения. На группу переноса изображения также возложена функция коррекции аберрационных искажений, чем и объясняется ее сложный состав. Затененный прямоугольник на рис. 4.1 – условное обозначение цветоделительной системы телевизионной камеры.

Впринципе, изменить фокусное расстояние можно и дискретно, и плавно. Наибольшее распространение получили объективы с плавно изменяемым фокусным расстоянием (панкратические объективы). По методам коррекции аберраций объективы с переменным фокусным расстоянием делятся на трансфокаторы и вариообъективы. Трансфокатор, фактически, – система, состоящая из обычного объектива и встроенной перестраиваемой афокальной (телескопической) группы линз. Аберрации афокальной группы трансфокатора исправляются отдельно. В вариообъективе коррекция всех аберраций выполняется для всей системы, как единого целого.

Вобъективах с ручным управлением масштабированием применяется традиционный для фотообъективов баррельный (цилиндрический) механизм. В современных объективах с автоматическим управлением перемещения линз вариатора и подвижной части компенсатора обеспечивает специальный электрически управляемый двигатель. Следует отметить, что современные вариообъективы автоматизированы полностью, то есть, насыщены самыми разными электронными элементами автоматического управления параметрами и режимами работы. Их обязательный элемент ныне – микропроцессор, который управляет