516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

всеми рабочими функциями в оптимальном режиме. Электронные системы облегчают работу оператора и снимают с него многие рутинные функции. Автоматизация вариообъектива не исключает, естественно, и ручное управление им.

Такой сложный оптический прибор, как телевизионный вариообъектив, характеризуется множеством технических параметров, совокупность которых дает полное представление о его работе. Большинство параметров вариообъективов аналогичны соответствующим техническим характеристикам телевизионных объективов с фиксированными фокусными расстояниями. Группа специфических параметров вариообъективов – это параметры фокусирования (Zooming). В первую очередь, к ним относятся рабочий интервал фокусных расстояний, определяемый минимальным fmin и максимальным fmax фокусными расстояниями, и кратность М изменения фокусного расстояния. Коэффициент М определяется как отношение максимального и минимального фокусных расстояний: M fmax fmin . Эти параметры являются обязательными элементами маркировки любого вариообъектива.

Угловой размер поля зрения вариообъектива существенно зависит от текущего значения фокусного расстояния. В зависимости от возможных значений угла поля зрения вариообъективы, используемые в телевидении, классифицируются на три группы: широкоугольные (угол поля зрения 85...100 ), стандартные (65...75 ) и длиннофокусные (50...60 ). Для вариообъективов увеличение фокусного расстояния приводит к уменьшению угла поля зрения, так как размер матрицы ПЗС – величина постоянная.

Расстояние от объектива до ближайшего объекта, который можно снимать без потери резкости, называется минимальным рабочим расстоянием (MOD – Minimum Object Distance). У вариообъективов в среднем MOD лежит в диапазоне от 0,65 до 0,8 м. У объективов с большим коэффициентом трансфокации (33:1) MOD может быть более 2 м. Многие вариообъективы оснащены специальным механизмом, который позволяет удерживать в фокусе объекты, находящиеся ближе минимального рабочего расстояния (режим макросъемки). Этот механизм сдвигает группу линз вглубь объектива для поддержания резкости на более близком расстоянии, но это не позволяет использовать объектив в качестве оптического устройства с постоянным фокусным расстоянием.

Современные телевизионные вариообъективы классифицируются по размерам ФПМ, используемым в передающих или видеокамерах, а также по форматам кадра изображений 4:3 или 16:9. Сейчас в телевизионных камерах используются ФПМ нескольких размеров, а именно: 2/3 , 1/2 и 1/3 . Приведенные цифры – это диагональный размер светочувствительной части матриц в дюймах. Формат кадра изображения в вариообъективах последних моделей чаще всего бывает переключаемым, то есть они являются двухформатными по изображению.

Телевизионные вариообъективы как для вещательного стандарта, так и для телевидения высокой четкости, можно разделить на следующие основные группы по типу применения:

для внестудийных съемок;

для студийных передач;

для видеожурналистики и внестудийного видеопроизводства (ВЖ/ВВП);

для профессиональных съемок;

для электронного кинематографа;

для телеконференций, макросъемок и др.

Основным направлением в создании новых и модернизации ранних разработок стало применение в современных студийно-внестудийных объективах системы автоматического цифрового управления. Эта система значительно увеличивает надежность и точность работы оптики и удовлетворяет всем требованиям вещательных систем последнего поколения. Цифровое автоматическое управление реализовано во всех объективах серий Digital (Angenieux), Digi Super (Canon), Digi Power (Fujinon).

Общими чертами каждой из них являются:

компенсация эффекта масштабирования (эффект Breathing) при фокусировке на дистанцию, который проявляется в уменьшении угла поля зрения при наведении на резкость (сохранение угла поля зрения – Anti-Breathing Device (Angenieux), CAFS (Canon), Zooming Effect (Fujinon));

наличие микрокомпьютера в каждом автоматическом блоке управления, который с 13-разрядной точностью управляет диафрагмой;

возможность дистанционного управления масштабированием, фокусировкой и диафрагмой;

предустановка одного кадра с запоминанием позиции zoom/focus;

выбор различных вариантов скоростей и видов масштабирования;

контроль постоянства освещенности при снижении относительного отверстия на больших фокусных расстояниях;

внутренняя фокусировка;

возможность переключения формата кадра 16:9/4:3 (Ratio Convertor – Fujinon, Crossover – Canon), с увеличением 0,8х для сохранения угла поля зрения;

возможность быстрой установки фокуса и масштабирования;

механизм плавной подстройки заднего фокуса (Zoom Track – Canon, AB Focus – Fujinon);

полная совместимость с аналоговыми аксессуарами.

Вместе с тем, есть и некоторые отличия. Для оперативного контроля параметров объектива Fujinon используется система диагностики Find System, которая контролирует фактические значения параметров диафрагмы, масштабирования и фокусировки и сравнивает их с номинальными значениями. Результаты диагностики отображаются цифровыми кодами на панели корпуса объектива. У фирмы Angenieux применяется цифровое дисплейное управление ADS (Advanced Display System). Эта система обеспечивает быстрое и точное управление функциональными блоками, позволяет настраивать, корректировать через переносной дисплей все установленные для работы параметры: диафрагму, глубину поля, фокусное расстояние, дистанцию съемки, положение мультиплексора, варианты масштабирования, а также вводить новые значения, в зависимости

от изменений условий съемок. Имеется цифровой блок запоминания шести положений позиций zoom и focus.

Ввариообъективах фирмы Fujinon, выполненных по цифровой технологии Digi Power, для каждого значения фокусного расстояния и дистанции съемки встроенный микропроцессор по специальной программе управляет перемещением компенсирующего линзового элемента, расположенного в постоянной линзовой группе объектива. Это помогает достичь эффективной коррекции помех и кривизны поля. Фокусирующий компонент «плавает» между линзами, а фронтальная линзовая группа остается неподвижной. Благодаря этому отсутствует вращение светофильтров и сохраняется герметичность объектива. Возникающие при фокусировке хроматические аберрации не увеличиваются. Кроме того, внутренняя система фокусировки обеспечивает более широкий угол обзора на минимальных расстояниях до объекта съемки, а также позволяет уменьшить количество линз и, следовательно, размеры корпуса объектива. Все механизмы защищены специальным протеиновым покрытием, которое оберегает их от пыли и влаги.

Вконвертере формата кадра предусмотрена компенсация сужения угла съемки при переключении камеры.

Вцелом, следует отметить основные тенденции развития оптики для современных цифровых телекамер:

улучшение качества оптических систем;

введение цифрового управления функциональными узлами объектива, что значительно повысило точность и надежность работы;

введение стабилизации изображения, как для внестудийных объективов, так

идля объективов видеожурналистики;

наличие переключателя форматов для всех типов камер;

оперативный и эффективный контроль всех параметров объектива;

увеличение кратности диапазона фокусных расстояний при уменьшении массы и габаритов, как для объективов внестудийного применения, так и для камер ВЖ/ВВП;

улучшение эргономики привода для комфортной эксплуатации.

Для примера основные технические характеристики современных вариообъективов различного назначения представлены в сводной табл. 4.1.

К новейшим разработкам фирмы Canon следует отнести два компактных студийных вариообъектива ТВЧ-типа с кратностью 22x и 23x серии DigiSuper: XJ23x7BIE-D и XJ22x7,3BIE-D. Данные объективы, в первую очередь, предназначены для портативных камер ТВЧ, которые все чаще стали применяться в студийном производстве. Диапазон фокусных расстояний данных объективов примерно равен 7,3…161 мм, относительное отверстие 1:1,8, максимальное время, затрачиваемое на масштабирование и фокусировку, соответственно равно 0,5 и 1,5 с. К другим новейшим объективам фирмы Canon относится ТВЧ вариообъектив XJ100x9,3BIE-D, предназначенный для съемки спортивных соревнований и значительно удаленных объектов. Объектив XJ100x9,3BIE имеет диапазон изменения фокусных расстояний 9,3…930 мм (18,6…1860 мм с двук-

ратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:1,7, угол поля зрения по горизонтали 54,6° для формата кадра 16:9, минимальную дистанцию съемки 3 м. Данная оптическая конструкция относится к объективам серии DigiSuper с системой цифрового автоматического управления. В объективе используется встроенная система стабилизации изображения Shift-IS, обеспечивается постоянство угла поля зрения при фокусировке.

Фирма Fujinon в последнее время также разработала ряд новых объективов ТВЧ-типа, например, вариообъектив XA101x8,9BESM, предназначенный для съемки спортивных соревнований и значительно удаленных объектов. Основные параметры данного объектива имеют следующие значения: диапазон изменения фокусных расстояний 8,9…900 мм, максимальное относительное отверстие 1:1,7, минимальная дистанция съемки 2,9 м. В рассматриваемом объективе достигнута наивысшая кратность М = 101х при широком угле поля зрения (56,5° по горизонтали). В нем применена многолинзовая подвижная группа, минимизирующая полевые аберрации, что улучшило качество изображения по полю кадра. В данный объектив встроена оптическая стабилизационная система, обеспечивающая четкое, стабильное изображение в условиях вибраций и тряски. Следует также отметить камерный вариообъектив ТВЧ-типа HA22x7,3BERM, имеющий широкий угол поля зрения (66,5° по горизонтали) при кратности М = 22х. Данный объектив имеет следующие значения основных параметров: диапазон изменения фокусных расстояний 7,3…161 мм (14,6…322 мм с двукратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:1,9, минимальную дистанцию съемки 0,85 м.

Студийно-внестудийная линейка объективов Thales Angenieux включает изделия серии Digital HD-20x, 60x, 70x для телекамер ТВЧ-типа. Причем объектив Digital 70HD имеет диапазон изменения фокусных расстояний 9,5…665 мм (22…1330 мм с двукратным мультиплексором), максимальное относительное отверстие 1:2,2, минимальную дистанцию съемки 2,5 м.

Таблица 4.2

Технические характеристики современных вариообъективов ТВЧ-типа фирмы Angenieux

Основные технические характеристики современных вариообъективов ТВЧ-типа фирмы Angenieux представлены в сводной табл. 4.2.

4.3. Системы управления объективами

Телевизионные объективы представляют собой оптико-механические устройства, содержащие большое число линз и других оптических и механических деталей. Отдельные линзы и склеенные пары укрепляются в самостоятельных внутренних оправах. В объективах с фиксированным фокусным расстоянием компоненты объединяются в единое целое корпусом объектива. В средней (или иной, предусмотренной оптической схемой) части объектива устанавливается регулируемая апертурная диафрагма, позволяющая изменять относительное отверстие в широких пределах. В вариообъективах отдельные линзы объединяются в промежуточных оправах, образуя основные компоненты объектива. Предусматривается возможность их взаимного перемещения с целью изменения фокусного расстояния. На объективах предусматривается возможность установки исполнительных механизмов устройств управления, а также элементов для крепления объектива к корпусу телевизионной или видеокамеры.

В телевизионных объективах предусмотрены три основные оперативные регулировки: фокусировка, изменение фокусного расстояния, то есть трансфокация и установка диафрагмы.

Фокусировка (focus). Формат высокой четкости, стремительно ворвавшийся в современную видеотехнику и завоевавший всеобщее признание, не только открыл перед специалистами телевидения новые горизонты качества, но

ипородил ряд довольно острых проблем и ограничений.

Суверенностью можно утверждать, что одной из наиболее важных является проблема обеспечения качественной и точной фокусировки, ибо увеличение разрешения изображения повлекло за собой значительное сокращение глубины резкости и уменьшение чувствительности съемочного оборудования. Последнее, следует особо отметить, только усиливает проблемы с глубиной резкости: уменьшение чувствительности приводит к необходимости работы при больших апертурах, что, в свою очередь, дополнительно уменьшает и без того сокращенную (в сравнении со стандартной четкостью) глубину резкости.

Данные факторы наиболее актуальны в случае съемок новостей и спортивных событий. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, даже самые дорогие современные накамерные мониторы (жидкокристаллические видоискатели) не могут обеспечить разрешение, эквивалентное стандарту Full HD. Вследствие этого в значительной степени повышаются риски некорректной фокусировки, а использование более громоздких средств видеоконтроля частично ограничивают мобильность работы оператора. Во-вторых, в случае работы с большими фокусными расстояниями (при сильном увеличении) точная фокусировка на движущихся объектах крайне затруднительна. В-третьих, требуется очень аккуратная работа с фокусирующими элементами объектива, что невозможно обеспечить при оперативных съемках или при неблагоприятных

условиях, таких как сильный ветер или вибрации, вызванные, в частности, мощными звуковыми колебаниями. Таким образом, проблема обеспечения точной фокусировки является одной из важнейших для телевизионных операторов, а в большинстве случаев она просто мешает им выполнять свои прямые обязанности, как по формированию правильного композиционного решения, так и по корректному выбору экспозиции.

В общем случае фокусировка производится изменением промежутка между объективом и светочувствительной поверхностью матрицы ПЗС. Максимальное фокусировочное смещение объектива или матрицы ПЗС вдоль оптической оси zmax определяется из соотношения [41]:

zmax amax f ( f )2 /(amin f ) ( f )2 /amin ,

где amin – минимальное расстояние до плоскости наводки; amax – максимальное расстояние до плоскости изображения; f – фокусное расстояние объектива.

В современных телевизионных объективах и особенно в вариообъективах изображения фокусируются взаимным перемещением их оптических компонентов. Особенно это важно для объективов цветных телекамер, в заднем отрезке которых устанавливаются светоделительные призмы и изменение промежутка между выходной линзой объектива и ФПМ нежелательно.

На практике можно использовать два способа фокусировки объективов ТВЧ: ручной и автоматический.

Ручное наведение на резкость осуществляется с помощью специального кольца фокусировки объектива. При этом резкое изображение объекта наблюдается через видоискатель с размером диагонали экрана от 2 до 7 дюймов (то есть от 51 до 178 мм), который, как правило, имеет разрешающую способность около 450 линий. Для телевидения стандартного разрешения этого достаточно, но для ТВЧ с разрешением 1080 линий в отмеченных условиях нельзя установить точную фокусировку.

Другим способом ручной фокусировки является установка объектива на гиперфокальное расстояние, при котором дальняя граница резкости находится в бесконечности, а ближняя – на половине гиперфокального расстояния. Обычно в телевизионной передающей камере есть переключатель, установленный на модуле трансфокатора и имеющий два положения: «М» – ручное управление фокусом и «S» – управление сервоприводом.

Необходимость устранения вышеназванных негативных факторов ручной фокусировки подтолкнула специалистов ряда фирм (Canon, Fujinon, NHK) к разработке эффективных способов автоматической фокусировки.

Механизм автоматической фокусировки оптической системы чрезвычайно важен, поскольку фокусировка, то есть получение четкого изображения снимаемого объекта, при работе с видеокамерой является одной из самых трудных операций. Однако благодаря оборудованию современных камер различными системами автофокусировки (AF – Auto Focus), которые бывают активными и пассивными, данная процедура видеосъемки весьма упрощается.

Система AF первого типа основана на принципе инфракрасной или ультразвуковой локации снимаемого объекта и измерения расстояния до объекта по отраженным от него сигналам. Специальный сигнал управления механизмом автофокусировки вырабатывается системой AF на основании этой информации.

Структурная схема инфракрасного устройства автофокусировки вариообъективов представлена на рис. 4.2 [24]. В данном случае маломощный источник 9 излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн через вспомогательный объектов 8 в направлении объекта наблюдения 1. Отраженная от объекта энергия источника 9 через второй вспомогательный объектив 2 попадает на приемник инфракрасного излучения 3, электрический сигнал, с выхода которого поступает на микропроцессорный блок 6. С микропроцессорного блока на устройство 7 механической компенсации расфокусировки вариообъектива 4 подается управляющий сигнал. Микропроцессорный блок контролирует также уровень излучения инфракрасного излучателя. В процессе работы в микропроцессорный блок поступает информация с датчика фокусного расстояния вариообъектива. При этом происходит сравнение уровня инфракрасного излучения, прошедшего через объектив 2, с показаниями датчика фокусного расстояния. В зависимости от степени их расхождения формируется величина управляющего сигнала для устройства механической компенсации расфокусировки 7. Такой способ автофокусировки эффективен при расстояниях между телекамерой и объектами, не превышающих 13 м.

Рис. 4.2. Структурная схема устройства активной автофокусировки вариообъективов передающих камер:

5 – призменный светоделительный блок с матрицами ПЗС

Однако лучшие результаты обеспечивает частотно-контрастный способ, относящийся к вариантам пассивной автофокусировки. В данном случае выполняется непосредственный анализ формируемого передающей камерой видеосигнала по контрастно-частотной характеристике (КЧХ) проецируемого в плоскость светочувствительной панели изображения. При этом фактически учитываются высокочастотные составляющие видеосигнала. Причем точная фокусировка фиксируется по максимальным значениям контраста мелких деталей, что соответствует наибольшим значениям амплитуды высокочастотных составляющих видеосигнала. Фирма Fujinon называет этот метод контрастным методом точной фокусировки.

В то же время рассмотренный способ фокусировки не обеспечивает точность наводки на резкость объективов камер ТВЧ. Это объясняется тем, что фокус системы фокусировки, содержащей линзовую группу, колеблющуюся вдоль оптической оси с высокой частотой, и КЧХ проецируемого в плоскость матрицы ПЗС изображения изменяются незначительно. Это не позволяет найти максимум контраста мелких деталей КЧХ и подобрать фокусирующую группу линз. При этом эффект «качания» изображения будет восприниматься как постоянное движение объектов наблюдаемой сцены, что затрудняет точную фокусировку. Естественно, чем сложнее будут условия съемок, тем более явным будет «качание» изображения.

Учитывая малую глубину резкости и высокую чувствительность к погрешности фокусировки в системах ТВЧ, такое проявление системы автофокусировки для профессионального применения неприемлемо.

Глубина резкости изображения прямо пропорциональна величине кружка расфокусировки δ (чем больше кружок расфокусировки, тем больше глубина резкости и тем легче выполнить фокусировку, не ухудшая качества изображения, и наоборот), то есть

= 2kδ,

где k – диафрагменное число, обратное по величине относительному отверстию объектива.

В камерах ТВЧ в отличие от телевизионных камер стандартного разрешения глубина резкости в пространстве изображений значительно меньше, так как допустимый кружок расфокусировки δ на матрице ПЗС камер ТВЧ меньше, чем на камере стандартного разрешения (например, для матрицы ПЗС размером 2/3" δ = 0,013 мм для камер ТВЧ и δ = 0,033 мм для камер стандартного разрешения).

Новым решением проблемы фокусировки объективов телекамер ТВЧ на основе частотно-контрастного метода стала система точной автофокусировки

PFAS (Precision Focus Assist System), разработанная фирмой Fujinon совместно с японской вещательной корпорацией NHK. Суть идеи реализованной в PFAS состоит в следующем: при точной фокусировке изображения, проецируемого в плоскость матрицы ПЗС, КЧХ будет максимальной. Если же плоскость фокусировки проецируемого изображения будет располагаться до или после плоскости матрицы ПЗС, значение КЧХ в области высоких пространственных частот будет уменьшаться. Поэтому разработанное устройство автофокусировки обеспе-

чивает резкость изображения объекта, точно в плоскости матрицы ПЗС, используя принцип равенства КЧХ для заданной глубины резкости в пространстве изображений [44].

Устройство точной автофокусировки, встроенное в объектив камеры, состоит из полупрозрачного зеркала, которое направляет часть (около 20%) светового пучка в дополнительную светоделительную призму. Изображения объекта после этой призмы фокусируются в плоскости двух матриц ПЗС (А и В), перед которыми установлены зеленые светофильтры (контроль фокусировки осуществляются в основном канале G). Причем сфокусированные на матрицах ПЗС изображения соответствуют ближней А и дальней В границам резко изображаемого пространства объектов. Если наблюдаемый объект находится далеко (за границей резкости рассматриваемого пространства), то значение контраста мелких деталей проецируемого изображения в плоскость матрицы ПЗС В больше, чем на ПЗС матрице А. В случае близкого расположения наблюдаемого объекта (ближе границы А) значение КЧХ изображения на ПЗС матрице А больше, чем на ПЗС матрице В. Точная фокусировка обеспечивается при равенстве КЧХ изображений, проецируемых на ПЗС матрицы А и В (рис. 4.3, 4.4).

Рис. 4.3. Зависимость контраста мелких деталей в воспринимаемом изображении от степени фокусировки

Рис. 4.4. Оптическая схема системы фокусировки PFAS