516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Система PFAS может включаться или выключаться оператором в зависимости от конкретной ситуации. Иногда необходима ручная фокусировка для приведения объекта съемки в центр изображения, а затем оператор включает точную фокусировку. Такой способ переменной фокусировки удобен для спортивных передач, когда затруднена фокусировка в режиме телесъемки.

Предусмотрено два режима работы системы PFAS: длительный и мгновенный. В длительном режиме фокусировка выполняется независимо от оператора. Такой режим нежелателен, когда объект выходит за пределы фокусируемой области, и фокусировка в этом случае будет вестись по заднему плану. Чтобы этого избежать, надо снова ввести объект в поле видоискателя и тогда фокусирующий блок по требованию оператора произведет фокусировку.

Заканчивая рассмотрение системы точной автофокусировки объективов PFAS, сформулируем основные ее достоинства:

фокусировка выполняется достаточно быстро и точно (единственное ограничение – рабочая скорость сервопривода фокусировки);

фокусировка сохраняется во всем диапазоне изменения фокусных расстояний;

параллакс между центром изображения на матрице телекамеры и измеренным на матрицах А и В отсутствует;

область фокусировки видна в видоискателе, и оператор может сконцентрироваться на получении высококачественного изображения;

объект съемки, движущийся относительно объектива (от объектива или к объективу), может удерживаться в фокусе вне зависимости от масштабирования. Дополнительно при наклоне или панорамировании оператор может следить за фокусом и объектом, поскольку камера движется вместе с контроллером.

Для решения задачи точной автофокусировки объективов телекамер компанией Canon был разработан оригинальный метод анализа разности фаз, отличающийся от предложенного фирмой Fujinon способа линейного анализа контрастности изображения [45].

Принцип работы системы автофокусировки, разработанной компанией Canon, основан на использовании специальной схемы с двумя дополнительными сенсорами, интегрированными в объектив (рис. 4.5).

В группу оптических элементов объектива добавляется специальная призма, направляющая около половины проходящего через объектив светового потока на два дополнительных сенсора. Таким образом, дополнительно создаются две копии основного, проецируемого объективом на матрицы ПЗС изображения. Поэтому степень фокусировки изображений на матрицах ПЗС телекамеры и на дополнительных сенсорах (датчиках автофокусировки) будет одинаковой

(рис. 4.6).

Когда главный объект в воспринимаемом объективом изображении сфокусирован, то каждая из точек данного объекта, будучи спроецированной на все три сенсора телекамеры, имеет одинаковый размер проекции на каждом из них, а также располагается точно в центре обоих дополнительных сенсоров (рис. 4.7).

Рис. 4.5. Конструкция объектива с датчиками автофокусировки, разработанная компанией Canon

Рис. 4.6. Схема формирования изображения на датчиках автофокусировки

При этом расстояние между сфокусированными изображениями отдельных элементов объекта на датчиках (сенсорах) автофокусировки величина постоянная, определяемая конструктивными особенностями устройства фокусировки.

Для примера на рис. 4.8 приведены схемы различных возможных вариантов установки фокуса: за требуемой плоскостью формирования изображения (рис. 4.8, а), точно в требуемой плоскости (рис. 4.8, б) и перед плоскостью

(рис. 4.8, в).

Рис. 4.7. Схема формирования трех изображений рассматриваемого объекта – основного и двух вторичных (на датчиках автофокусировки)

Рис. 4.8. Оптические схемы различных вариантов установки фокуса

Рис. 4.9. Схема сравнения расстояний между сфокусированными точками на сенсорах автофокусировки

Из рис. 4.8 видно, что именно по расстоянию между сфокусированными точками объекта наблюдения на вторичных сенсорах телекамеры и определяется степень фокусировки объектива в целом. На рис. 4.9 показано расположение сфокусированных точек на дополнительных сенсорах в зависимости от состояния фокусировки.

Из сравнения рис. 4.8 и 4.9 можно видеть, что в случае точной фокусировки объектива расстояние между выбранными точками на сенсорах автофокусировки равно определенному значению Df, если фокусировка смещена за плоскость изображения, то расстояние между точками Dl (Dl > Df), а если она находится перед плоскостью изображения, то получаемое расстояние Ds, причем Ds < Df. Благодаря этому система автофокусировки может оперативно определить направление смещения фокусирующих элементов объектива, что значительно повышает быстродействие системы в целом. Поэтому можно говорить о наиболее эффективном анализе степени фокусировки по расположению выбранных точек объекта наблюдения на поверхности вторичных сенсоров.

Особо следует отметить тот факт, что изображения на дополнительных сенсорах формируются потоками света малой интенсивности, поэтому имеют бóльшую глубину резкости в сравнении с глубиной резкости основного изображения. Это позволяет обеспечить видимость границ объектов, размытых в основном изображении, что особенно актуально при работе с большим фокусным расстоянием и в неблагоприятных погодных условиях (туман, дождь, пыль).

Исходный кадр может содержать большое количество объектов съемки, которые при этом могут еще и перемещаться относительно друг друга. В такой ситуации следует определить объект интереса (на котором нужно сфокусироваться) и «проинформировать» об этом систему. Эта задача решается посред-

ством выбора области автоматической фокусировки, определяемой и устанавливаемой непосредственно оператором.

Выбранную область автофокусировки можно легко переместить вручную в любую область кадра, а также оперативно изменить ее размеры.

Учитывая высокую частоту обновления телевизионного изображения (кадровую частоту), необходимо обрабатывать поступающие данные с еще более высокой скоростью, поэтому в системе автофокусировки фирмы Canon используются достаточно мощные процессоры и специальный алгоритм прогнозирования, основанный на анализе векторов перемещения объектов наблюдаемой сцены.

Трансфокация (масштабирование). Изменение угла поля зрения вариообъектива одновременно с трансфокацией производится сервоприводом, включаемым переключателем на оптическом модуле видеокамеры или телекамеры. Эту операцию можно выполнить и вручную с помощью рычага трансфокатора, непосредственно являющегося функциональным элементом объектива. Выбор типа операции производится переключателем с маркировкой «М» (ручная) и «S» (сервопривод).

Установка диафрагмы. Открывая или закрывая диафрагму объектива (изменяя его апертуру), мы регулируем количество света, попадающего на матрицу ПЗС. Регулировка диафрагмы количественно оценивается диафрагменным числом k, которое показывает, какое количество света может пройти через объектив. Оно прямо пропорционально фокусному расстоянию и обратно пропорционально диаметру апертуры объектива. При заданном фокусном расстоянии, чем больше апертура объектива, тем меньше число k и тем ярче получаемое изображение. Совокупность чисел k, указываемых на корпусе объектива в качестве меток для регулировки диафрагмы, представляет собой последовательность, где каждое следующее значение больше предыдущего в 2 (1,414) раз: 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Например, при установке диафрагмы на метке 2 для объектива с фокусным расстоянием 50 мм мы будем иметь апертуру в 25 мм. Закрывая диафрагму до значения 4, мы уменьшим количество света, проходящего через объектив, вдвое. При раскрывании диафрагмы до уровня 1,4 количество проходящего света увеличивается. Объективы разных конструкций могут иметь разную конфигурацию элементов и линзы из разного стекла. Из-за этого при одинаковых установках диафрагмы они будут пропускать разное количество света.

На объективах некоторых конструкций диафрагменное число k обозначается символом F или f.

Режим управления диафрагмой выбирается переключателем на три положения: «М» (ручное); «А» (автоэкспозиция, с электронным управлением) и «R» (дистанционное, когда параметрами изображения, получаемого от телекамеры, управляют из другого места, где его согласовывают с изображениями от других камер, снимающих одно и тоже событие, или с эталонным изображением, после чего вырабатывается сигнал управления диафрагмой). В камерах последних лет выпусков стали применять цифровые системы регулирования, причем, если ранее обрабатывалась средняя освещенность снимаемой сцены, и сильное влия-

ние оказывала освещенность заднего плана, то в современных камерах управление диафрагмой осуществляется на основе измерения освещенности различных участков проецируемого на матрицу ПЗС изображения.

На практике автоматическая установка диафрагмы плохо реагирует на внезапные резкие изменения яркости или контрастности получаемого изображения. Это происходит при быстрой трансфокации («наезде») вариообъективом или при резком включении внешнего источника света. Предвидя возможность подобных моментов, следует заранее установить регулятор в положение ручной настройки диафрагмы.

4.4. Конструктивные особенности светоделительных систем современных телекамер

В передающих камерах цветного телевидения необходимо одновременно проецировать цветоделенные изображения на светочувствительные поверхности одной или нескольких ФПМ. Благодаря применению в современных теле- и видеокамерах малогабаритных преобразователей свет-сигнал, а также разработке вариообъективов с удлиненным задним отрезком стало возможным в качестве светоделительной системы использовать призменные блоки в совокупности с дихроическими зеркалами и коррекционными фильтрами.

Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком представлена на рис. 4.10 [46]. Работа такой оптической системы отличается простотой и состоит в следующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через общий нейтральный или приводной светофильтр (который ставится в случае избытка света), падает на светоделительные слои 4, нанесенные на грани призм 3 в местах расщепления светового луча, и вследствие избирательного отражения и пропускания образует цветоделенные изображения на светочувствительных поверхностях ФПМ 6. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани призм в непосредственной близости от ФПМ.

Рис. 4.10. Схема оптической системы трехматричной телекамеры

спризменным светоделительным блоком:

1– вариообъектив; 2 – приводной (нейтральный) светофильтр; 3 – призмы; 4 – светоделительные слои; 5 – коррекционные светофильтры; 6 – ФПМ

Основными преимуществами светоделительных систем в заднем рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно небольшие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние), больший коэффициент пропускания (за счет меньших поглощения света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).

При выборе структуры призменного светоделительного блока принимается во внимание ряд условий: а) в каждом световом канале призмы должны действовать как плоскопараллельная пластинка; б) должна допускаться возможность нанесения многослойных пленок дихроических зеркал при соответствующей их ориентации; в) проходящие через светоделительный блок световые пучки не должны виньетироваться.

Дихроические (интерференционные) зеркала, применяемые в телекамерах, представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев) со слоями различной толщины и разными показателями преломления, нанесенные на грани стеклянных призм, функционирующих как плоскопараллельные пластинки. Толщина каждого слоя равна части длины волны светового излучения. Световой поток белого цвета J1, попадая на дихроическое зеркало, частично отражается (лучи J2 и J3), а частично проходит через него (J4) (рис. 4.11). В зависимости от толщины пленки, коэффициентов преломления стекла n1 и пленки n2 лучи, отраженные от границы стекло-пленка (J2) и пленка-воздух (J3), могут в зависимости от длины волны, то есть цвета, оказаться либо в фазе, либо в противофазе или промежуточном состоянии. Это означает, что их энергия может либо складываться, либо частично или полностью взаимно компенсироваться. Следовательно, интенсивность отраженного света зависит от его длины волны . Типичные графики зависимости коэффициента отражения = (J2 + J3)/J1 и коэффициента пропускания = J4/J1 представлены на рис. 4.12 [47]. Из анализа данных графических зависимостей следует, что сумма прошедшего и отраженного света примерно равна падающему на зеркало световому потоку: + = 1.

Для лучшей цветовой избирательности дихроического зеркала нанесенная на него пленка делается многослойной. Подбором коэффициентов преломления в этих пленках, их толщины и порядка расположения удается добиться значи-

Рис. 4.11. Устройство дихроического зеркала с одной пленкой

Рис. 4.12. Зависимости коэффициентов пропускания и отражения от длины волны света

тельно лучшей зависимости коэффициентов отражения и пропускания от длины волны, то есть большей крутизны среза на участке bc и лучшей равномерности характеристики на участках пропускания ab и отражения cd (см. рис. 4.12). Выбор нужной толщины интерференционных слоев позволяет получить красноотражающее и синеотражающее покрытия, предназначенные для разделения общего светового потока на три составляющие – красную R, зеленую G и синию B.

Интерференционный характер процессов в дихроических зеркалах является причиной существенной зависимости их спектральных характеристик от угла наклона и поляризации входящих лучей. Так, для наиболее распространенного варианта конструкции светоделительной системы телекамеры (угол падения осевого луча центрального пучка лучей составляет 38 ) сдвиг характеристики спектрального отражения в сторону коротковолновой области спектра относительно характеристики отражения при нормальном падении луча на дихроическое зеркало (под углом 90 ) составляет вдоль оси длин волн 75 нм для синеотражающего и 30 нм для красноотражающего зеркал. Это может приводить к появлению искажений цветности по полю объекта передачи. Основная мера борьбы с такими искажениями – уменьшение отклонения световых лучей от номинального направления, для чего дихроические зеркала помещают в параллельные или слабо сходящиеся (или расходящиеся) световые пучки. Для ослабления искажений, вызываемых частичной поляризацией света на поверхности воды, стекла, перед вариообъективом устанавливается специальный электрически управляемый поляризующий жидкокристаллический фильтр.

Практически ввиду сложности технологии нанесения многослойных светоделительных пленок и ограниченного количества, пригодных для этих целей материалов не всегда удается получить желаемую форму их спектральных характеристик. Поэтому точная доводка спектральных характеристик цветовых каналов до требуемой в светоделительной системе телекамеры производится с помощью цветных коррекционных светофильтров 5 (см. рис. 4.10), установленных в выходных окнах призменных компонентов.

В большинстве случаев коррекционные светофильтры изготавливаются из цветного стекла или стекла с интерференционным покрытием, реже из окрашенной желатины или пластмассы. Наличие у коррекционного светофильтра

Рис. 4.13. Структура мозаичного растра

определенной (полученной из расчета) спектральной характеристики пропускания достигается за счет выбора марки и толщины цветного оптического стекла (или типа и концентрации красителя в фильтрах из желатины или пластмассы).

Для формирования цветоделенных изображений в одноматричных (однотрубочных) телекамерах на все элементы большеразмерной, например, однодюймовой ФПМ наносится мозаичный растр Байера (Bayer pattern), состоящий из оптических фильтров первичных цветов R, G, B (Primary Color Filters), структура которого изображена на рис. 4.13 [48]. Причем каждый элемент мозаичного растра может соответствовать нескольким пикселям на светочувствительной поверхности ФПМ. Как видно из рис. 4.13, половина элементов растра Байера чувствительна к зеленому цвету, а к красному или синему цвету – только четверть элементов (мозаика полимерных светофильтров по схеме RGGB). Данный алгоритм размещения элементов мозаичного растра хорошо согласуется с цветовой чувствительностью реального глаза, описываемой соотношением:

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B.

Видеосигналы, соответствующие пропущенным элементам основных цветов R, G, B, восстанавливаются способом интерполяции, причем обычно применяются адаптивные интерполяционные алгоритмы, позволяющие избежать появления интенсивных муаров и зубчатости наклонных границ. Интерполяция может производиться как внутри телекамеры, так и вне ее в процессе компоновки программы.

Применение мозаичного растра в телекамере позволило обойтись без достаточно сложного, а, следовательно, и дорогого призменного светоделительного блока.

Конечно, телевизионные камеры с тремя ФПМ и тремя оптическими фильтрами RGB-типа перед ними потенциально обеспечивают получение цветных изображений более высокого качества, но это – достаточно дорогие бытовые и профессиональные устройства.

4.5. Системы стабилизации изображений на фотоприемной матрице

В сложных динамичных условиях работы телевизионного оператора (например, в автомобиле, на палубе корабля, при съемке с вертолета и т.д., или когда телекамера находится в руках движущегося оператора), возникают нежелательные колебания камеры, и как следствие, смещение воспринимаемых изображений, которые всегда отрицательно влияют на качество съемки. Фактически снижение качественных показателей получаемого видеоматериала, в первую очередь, обусловлено ухудшением четкости. Все это необходимо учитывать, особенно в передающих камерах ТВЧ-типа.

Известно три способа стабилизации воспринимаемого изображения в передающих камерах: механический, электронный и оптический. Установка передающей камеры на штатив или стабилизационную платформу, использование системы Steadicam (буквально «устойчивая камера», «стабильная камера») (специальное устройство для стабилизации и балансировки съемочной камеры во время съемок в движении) относится к категории механической стабилизации. В принципе, это правильный подход при видеосъемках в любых условиях. Однако механическая стабилизация во многих случаях не обеспечивает требуемой оперативности и мобильности. Электронная стабилизация основана на резервировании светочувствительных элементов ФПМ под возможное смещение изображения (зарезервированные пиксели «подхватывают» участок проецируемого изображения, переходящий с соседнего элемента, и тем самым обеспечивает неподвижность воспринимаемого изображения). Такая схема стабилизации эффективна только в ограниченном диапазоне частот колебаний и при небольших смещениях передающей камеры.

Наиболее распространенным способом получения стабильности изображения, особенно при постоянной вибрации видеокамеры, является оптическая стабилизация изображения, впервые разработанная японской фирмой Canon. В этом случае для регистрации и устранения колебаний изображения используется перемещение специальных элементов оптики. В целом, такой стабилизатор не влияет на качество изображения, проецируемого на светочувствительную поверхность матрицы и эффективен в широком диапазоне увеличений, но относительно дорог, а также увеличивает энергопотребление видеокамеры и ее габариты.

Для регистрации перемещений объектива в оптической системе стабилизации используются миниатюрные гироскопы. Стабилизатор изображения сдвигает группу линз объектива в параллельной к светочувствительной поверхности ФПМ плоскости [36].

Когда объектив перемещается из-за сотрясения, световые лучи от объекта съемки, формирующие его изображение, сдвигаются относительно оптической оси, вызывая появление смазанного изображения. Сдвигая группу линз стабилизации в плоскости, перпендикулярной ФПМ, в необходимых пределах для компенсации перемещения объектива, можно добиться эффекта, когда лучи, достигающие светочувствительной поверхности матрицы, фактически остаются