516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 5.15. Структура одного элемента матрицы ПЗС типа Power HAD

меньшее количество света. Значительно снижены утечки и уровень вертикального смаза даже при использовании данной технологии в матрицах с построчным переносом зарядов.

Практически установлено, что вертикальный смаз при работе с матрицами ПЗС с построчным переносом типа Hyper HAD имеет такой же незначительный уровень, как и в матрицах с построчно-кадровым переносом зарядов. Матрица ПЗС фактически любого типа, снабженная внешними микролинзами на поверхности кристалла, обладает достаточно слабым «смазом» (–125 дБ).

Дальнейшее усовершенствование матрицы ПЗС модели Hyper HAD заключается в дополнительном введении внутренних микролинз, которые еще сильнее концентрируют падающий свет на светочувствительные детекторы (рис. 5.15). В этом случае уровень вертикальной тянучки («смаза») становится исчезающее малым (–140 дБ). Светоэлектрические преобразователи подобного типа обозначаются как матрицы ПЗС типа Power HAD. К важнейшим достоинствам подобных матриц следует также отнести их очень высокую чувствительность за счет увеличения светового потока, падающего на каждый светочувствительный элемент, и низкий уровень шумов.

Таким образом, ПЗС-матрицы моделей Hyper HAD и Power HAD представляют собой версию простого датчика HAD типа, усовершенствованного путем нанесения на поверхность каждого светочувствительного элемента микролинзы для направления световых лучей с затененных участков матрицы на светочувствительные площадки, то есть фотодатчики. При этом в процессе перехода к новым типам ПЗС-матриц увеличивалась апертура микролинз, снижалась площадь вертикальных регистров, формировались двояковыпуклые линзы, становился тоньше изолирующий слой и другие элементы конструкции, что привело к существенному улучшению основных технических характеристик вышеуказанных ФПМ (чувствительность, линейность, быстродействие и динамический диапазон).

5.8. Применение электронного затвора в матрицах ПЗС

Электронный затвор является неотъемлемой частью матрицы ПЗС и, когда говорят о скорости электронного затвора, являющейся одной из основных характеристик видеокамеры, подразумевают соответствующий режим работы матрицы ПЗС. Если сканирование элементов матрицы ПЗС производится 50 раз в секунду, то это будет стандартной («нормальной») скоростью электронного затвора для видеокамеры. Однако изображение быстро движущегося перед камерой объекта при такой скорости затвора будет смазано, так как во время сканирования в течение 1/50 секунды изображение объекта будет перемещаться по матрице. Уменьшение времени сканирования матрицы (эквивалентно уменьшению времени экспозиции электронного затвора при уменьшении его скорости) за счет снижения длительности считывающего импульса улучшает разрешение изображений, быстро движущихся объектов и особенно полезно, когда нужен замедленный повтор спортивных событий. Но это сокращение длительности сканирующего импульса приводит к уменьшению количества света, попадающего на светочувствительные элементы матрицы ПЗС во время их сканирования. Таким образом, увеличение скорости электронного затвора требует и увеличения апертуры для компенсации потерь света.

В современных телекамерах скорость электронного затвора (длительность импульса сканирования матрицы ПЗС) меняется ступенчато: 1/60; 1/125; 1/500; 1/1000; 1/2000 с. В некоторых передающих камерах частота сканирования (1/длительность импульса сканирования) меняется с одинаковыми ступенями по 0,5 Гц.

Для примера следует отметить, что при съемках с экрана монитора компьютера на телевизионном изображении часто появляются линии или горизонтальные полосы. Это вызвано рассогласованием частоты развертки дисплея компьютера и рабочей частоты телевизионной системы. Меняя скорость затвора, можно добиться уменьшения или даже пропадания этих горизонтальных полос.

5.9. Устройство фотоприемных матриц КМОП-типа

Современной альтернативой ФПМ ПЗС-типа является КМОП-матрица, представляющая собой СБИС (сверхбольшую интегральную схему) с внутрикристалльными схемами управления и обработки изображения. Причем, термин КМОП относится, в основном, к технологии изготовления матриц (чипов), а не к конкретному типу светочувствительного датчика. Например, для изготовления КМОП-матриц используется стандартная (конвейерная) кремниевая технология производства чипов. По такой технологии изготавливается большинство микропроцессоров. Все это в значительной степени удешевляет процесс изготовления КМОП-матриц. По данным фирмы Ikegami КМОПкристалл стоит в 26 раз меньше, чем аналогичная по разрешающей способности ПЗС-матрица.

Рис. 5.16. Функциональная схема ФПМ КМОП-типа

Типовая архитектура ФПМ КМОП-типа показана на рис. 5.16. Непосредственно датчик видеосигнала состоит из матрицы активных фотоприемных ячеек (активных пикселей, которые обычно разделяются на строки), схемы выбора строк, например, сдвигового регистра, процессоров аналогового сигнала (аналоговых усилителей считывания на выходе каждого столбца), АЦП, схемы выбора столбцов, а также схемы синхронизации и управления. Процессоры аналогового сигнала, наряду с усилением выполняют функции накопления зарядов, то есть хранения, и двойной коррелированной выборки. Каждый столбец пикселей имеет свой собственный АЦП. Причем, цифровой выход АЦП выбирается для считывания столбца логической схемой выбора.

Активный элемент ФПМ КМОП-типа образован фотодиодом (ФД) и четырьмя транзисторами, которые выполняют функции предустановки и считывания заряда, накопленного фотодиодом (рис. 5.17) [53].

Рис. 5.17. Электрическая схема активного пикселя ФПМ КМОП-типа

На транзисторе VT3 активного пикселя выполнен нетоковый повторитель, транзистор VT4 является элементом выборки строк. В режиме интегрирования видеосигналов, соответствующих проецируемому изображению объекта, импульс R, подаваемый на транзистор VT2, равен 0. Фотодиод накапливает фотогенерируемые электроны. По мере их накопления потенциал диода уменьшается. В результате потенциал общего узла, то есть соединения транзисторов VT1,VT2,VT3, оказывается плавающим. В режиме выборки на транзистор VT2 поступает импульс восстановления R = 1, в результате чего транзистор VT2 открывается и потенциал плавающего узла восстанавливается до исходного уровня. Затем на все активные элементы выбранной строки подается импульс TG1 = 1, который поступает на затвор транзистора VT1, открывая его. Накопленный фотодиодом сигнальный заряд поступает на плавающий узел. После прихода импульса выборки строки RS = 1 открывается транзистор VT4. Транзисторы VT3, VT4 и общий нагрузочный транзистор столбца образуют истоковый накопитель, и на шину столбца поступает усиленный по мощности сигнал фотодиода. Коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя близок к единице. На шины столбцов подаются считанные сигналы всех элементов выбранной строки. Дешифратор столбцов последовательно выбирает сигналы шин и передает их на схему аналоговой обработки сигналов отдельных активных элементов матрицы. После окончания режима считывания сигнала RS = 0 и транзистор VT4 закрывается. Начинается процесс накопления зарядов следующего кадра изображения.

Основное достоинство КМОП-матрицы по сравнению с матрицей ПЗСтипа заключается в возможности интеграции на одном кристалле функций приема и обработки видеосигналов (например, возможна реализация однокристальной камеры с цифровым выходом).

Это объясняется тем, что в матрице КМОП-типа каждый активный фотоприемный элемент снабжен своим индивидуальным усилителем, преобразующим электрические заряды в электрические сигналы (видеосигналы) поэтому перенос зарядов в горизонтальном направлении не нужен и возможно высокоскоростное считывание видеоданных.

Вследствие этого фотоприемные элементы не требуют высокого управляющего напряжения и могут быть смонтированы в одной микросхеме совместно с многочисленными периферийными цепями.

Другими достоинствами КМОП-матриц являются низкая потребляемая мощность (например, передающая камера на КМОП-датчике потребляет примерно 20% мощности, необходимой для аналогичной камеры на ПЗС-матрице), возможность программирования интересующих пользователя окон в плоскости анализируемого изображения, высокая скорость считывания видеоданных, отсутствие шумов излучения.

К основным недостаткам КМОП-матриц следует отнести высокий уровень шума, обусловленный тем, что каждый активный элемент содержит несколько МОП-транзисторов и несколько шин, относительно низкая чувствительность, приводящая к снижению качества преобразования изображения в видеосигнал в условиях низкой освещенности, более высокие значения темнового тока, боль-

шие по сравнению с ПЗС-матрицами геометрические размеры активного элемента, следовательно, меньшая разрешающая способность.

Меньшая фоточувствительность активных пикселей КМОП-матрицы обусловлена тем, что часть площади каждой фотоячейки занята схемой управления

иобработки видеосигналов, например, отфильтровывает шум. Отношение площади фотоприемной ячейки, открытой свету, ко всей площади пикселя называется коэффициентом заполнения. ПЗС-датчики имеют коэффициент заполнения, фактически равный 100%, а КМОП-матрицы имеют гораздо меньший по значению коэффициент заполнения. Чем ниже коэффициент заполнения, тем менее чувствительным является фотодатчик, и тем большая по длительности требуется экспозиция. Слишком низкий по значению коэффициент заполнения делает съемку внутри помещения без ламп-вспышки фактически невозможной. Чтобы компенсировать небольшое значение коэффициента заполнения, к каждому активному пикселю может быть добавлена микролинза, которая будет собирать световой поток со всей площади фотоприемной ячейки

ифокусировать его в область, открытую для света.

Теоретически КМОП-матрица может работать в любом стандарте разложения, так как индивидуально считывается каждый элемент матрицы. Однако при этом возникает проблема структурного шума. Поскольку такой шум «фиксированный», то его относительно легко можно удалить с помощью последующей цифровой обработки. Например, фирма Arri использует специальные алгоритмы для подавления практически любых видов структурного шума.

Для устранения шумовой составляющей процесса восстановления в КМОП-матрице было предложено заменить фотодиод фоточувствительным затвором, в потенциальной яме которого накапливаются фотогенерируемые сигнальные заряды (рис. 5.18) [53].

В этом случае в режиме считывания на затвор транзистора VT1 подается его импульс восстановления R1, что приводит к восстановлению до исходного уровня потенциала плавающего затвора.

Рис. 5.18. Электрическая схема светочувствительного элемента с фотозатвором

По мнению специалистов ведущих фирм в области конструирования и изготовления передающих камер (Ikegami, JVC) КМОП-структуры быстро совершенствуются по таким параметрам, как отношение сигнал/шум, чувствительность, разрешающая способность. Поэтому ожидается, что в ближайшие годы на смену ПЗС-матрицам придут КМОП-датчики, которые обеспечат значительное снижение стоимости передающих камер при одновременном повышении их надежности, а также воспроизведение в приемных устройствах изображений более высокого качества и с большим разрешением.

Компания Thomson (Франция) разработала новейшую CMOS-матрицу Xensium для использования в высококачественных HD-камерах нового поколения. Разрешение видеоматрицы составляет 2,4 млн. пикселей. В сравнении с существующими сенсорами CCD и CMOS Xensium обладает более широким динамическим диапазоном, более высоким отношением сигнал/шум, а также потребляет меньше энергии.

Управляющая схема, входящая в состав чипа, позволяет производить считывание пикселей в произвольном порядке, а это значит, что чип одинаково хорошо поддерживает и чересстрочный и прогрессивный формат разложения. Дополнительно в состав чипа входит аналого-цифровой преобразователь со сниженным уровнем шумов и повышенной производительностью.

Сенсор Xensium HD размером 2/3 и разрешением 1920 1080 пикселей будет использован в линейке новейших видеокамер Cross Valley Infinity высокого разрешения.

5.10. Сравнение характеристик фотоприемных матриц ПЗС- и КМОП-типов

КМОП- и ПЗС-датчики изображения были изобретены в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века. Но лишь много позже Нобелевская премия по физике (2009 год) за исследование в области информационных технологий была присуждена Чарльзу Као, Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту.

В ФПМ ПЗС-типа используется специальная технология для обеспечения транспортировки накопленных зарядов каждого пикселя в пределах чипа без искажений, которая позволяет изготавливать высококачественные сенсоры. АЦП, установленный на выходе устройства ДКВ, преобразует аналоговое значение заряда каждого пикселя в цифровое, необходимое для дальнейшей цифровой обработки сформированного видеосигнала. Для изготовления КМОПматриц применяется стандартная технология производства большинства микропроцессоров. КМОП-чипы могут быть изготовлены почти на любом стандартном кремниевом конвейере, поэтому они относительно недорогие по сравнению с ПЗС-датчиками. КМОП-устройства являются датчиками изображения с высокой степенью интеграции, которые объединяют в пределах чипа генераторы тактовых и синхроимпульсов, схемы программного управления, устройство аналоговой обработки сигнала и 10-разрядный АЦП. Подобная технология, часто называемая «камерой на кристалле», позволяет в значительной степени уменьшить габариты и потребляемую мощность сенсора в целом.

Существует несколько значимых различий между ПЗС- и КМОПдатчиками:

ПЗС-матрицы обеспечивают создание высококачественных изображений с низким уровнем шума;

ПЗС-датчики имеют 100% коэффициент заполнения, то есть они обладают более высокой чувствительностью;

ФПМ ПЗС-типа способны обеспечить намного более высокое разрешение, достигающее 3…16 и более мегапикселей на кадр;

ПЗС-датчики изображения, используемые в большинстве современных цифровых камер, в значительной степени более дорогостоящие и потребляют в несколько раз больше электроэнергии по сравнению с матрицами КМОПтипа;

КМОП-датчики являются более восприимчивыми к шуму;

каждый пиксель КМОП-матрицы содержит несколько транзисторов, поэтому часть падающих на датчик фотонов попадает на транзисторы, а не на фотодиоды. Следовательно, коэффициент заполнения КМОП-матриц далек от 100%, что сказывается на их относительно более низкой чувствительности, требующей большей длительности экспозиции. Для компенсации низкого значения коэффициента заполнения рекомендуется устанавливать миниатюрные прецизионные собирательные линзочки на каждый пиксель светочувствительной матрицы. В этом случае весь падающий на сенсор свет будет сконцентрирован в пределах светочувствительных областей матрицы;

КМОП-сенсоры обладают гораздо меньшим разрешением, достигающим примерно двух мегапикселей на кадр;

КМОП-датчики характеризуются малым энергопотреблением (10…50 мВт) и имеют в несколько раз более низкую стоимость изготовления по сравнению с ПЗС-устройствами. Ожидание снижения затрат по изготовлению КМОП-матриц путем совмещения функций основной КМОП-логики и устройств памяти не в полной мере оправдалось. Однако получение этих преимуществ с одновременным улучшением качества формируемого изображения, доступное в теории, на практике заняло гораздо больше финансовых ресурсов и времени на внедрение, чем прогнозировали;

КМОП-матрица имеет прямой цифровой выход, имеет небольшие размеры и мало дополнительных схем поддержки, достаточно проста при стыковке с другими приборами.

Из анализа основных характеристик светочувствительных матриц следует,

что ФПМ ПЗС-типа предпочтительнее использовать в тех случаях, когда качественные показатели сформированных изображений являются наиболее важными факторами, например, видео- и телевизионные камеры, биомедицинские приборы.

ФПМ КМОП-типа, в первую очередь, целесообразно применять в устройствах видеонаблюдения или компьютерной обработки изображений, где высокое разрешение вторично по сравнению со стоимостью матриц и степенью их интеграции.

Разработчики современных КМОП-сенсоров, озабочены получением изображения высокого качества, в первую очередь бóльшей разрешающей способности, а разработчики ПЗС-матриц – снижением мощности потребления и размеров самих матриц.

В настоящее время ни одна из вышеназванных технологий однозначно не превосходит другую.

6. НАКАМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ВИДЕОКАМЕР

6.1. Основные виды накамерного оборудования

Современные профессиональные видеокамеры представляют собой достаточно сложные и многофункциональные устройства. Однако подобно большинству средств видеопроизводства они не являются абсолютно самодостаточными системами. Для эксплуатации видеокамеры необходимо довольно большое число вспомогательного оборудования, часть которого может непосредственно устанавливаться на саму камеру, обеспечивая ее автономную работу и расширение круга задач, выполняемых оператором.

Основными видами вспомогательных накамерных устройств являются: источники света, аккумуляторные батареи, микрофоны, а также аппаратура беспроводной передачи аудиовизуальной информации.

Кобщим требованиям накамерного оборудования относится компактность

инезначительный вес, надежное крепление, не препятствующее быстрой замене приборов, простота в использовании и обслуживании, а также минимальное энергопотребление. Поскольку существует несколько типов соединений видеокамеры с аксессуарами, обычно для каждого устройства выпускается ряд переходных адаптеров. В последнее время благодаря применению микропроцессоров многие накамерные устройства интегрируются в общие системы контроля и управления видеокамерой (например, выдают данные о состоянии и режиме работы на видоискатель камеры).

6.2. Накамерные осветительные приборы

Накамерный световой прибор – одно из самых необходимых вспомогательных устройств, устанавливаемых на видеокамеру. Как бы ни были совершенны матрица ПЗС и способы обработки видеосигнала современной видеокамеры, в условиях недостаточной освещенности практически невозможно обеспечить получение высококачественного изображения без дополнительного освещения.

Существуют два основных типа накамерных световых приборов. Одни питаются от аккумуляторной батареи камеры, другие подключаются к отдельному источнику питания, например, аккумуляторному поясу оператора. Первые обычно оснащаются лампами с интегрированным отражателем, вторые – галогенными лампами с внешним отражателем [54].

Как правило, светильники с интегрированным отражателем имеют мощность порядка 20 Вт, обладая при этом наилучшими световыми характеристиками и высокой надежностью. В последнее время наибольшим спросом пользуются накамерные световые приборы Reporter 50 фирмы Sachtler и DLOB фирмы Dedolight. Светотехнические характеристики Reporter 50 обеспечивают съемку на расстоянии 1…4 м от освещаемого объекта. Световой прибор DLOB

позволяет проводить съемку на расстоянии 1…10 м. Основным недостатком светильников данного типа является невозможность фокусировки светового потока, поскольку встроенный в лампу отражатель просто не позволяет этого делать.

Всветовых приборах с автономным питанием появляется возможность использования ламп бóльшей мощности (до 100 Вт) с отдельным отражателем. Потребление энергии в данном случае возрастает, ресурсы батарей исчерпываются быстрее, но зато появляется возможность регулирования фокуса. Накамерные осветительные приборы с металлогалогенными лампами фактически применяются для подсветки объектов съемки в условиях дневного освещения.

Аккумуляторные пояса для накамерных источников питания изготавливаются многими фирмами. Например, аккумуляторный пояс фирмы Dedolight имеет емкость 8 Ач и оснащен встроенным зарядным устройством. Выходное напряжение 12 В может быть повышено до 14 В при установке в пояс двух дополнительных элементов питания. Последнее существенно повышает время работы видеокамеры и осветительного прибора в случае их совместной работы от аккумуляторного пояса.

Ряд моделей накамерных световых приборов (как с постоянным, так и с регулируемым фокусным расстоянием) имеют встроенные регуляторы яркости (диммеры). Такие модели удобнее в работе и несколько экономичнее: оператор может снижать энергопотребление, если нет необходимости в максимальном освещении.

К числу наиболее необходимых аксессуаров накамерных светильников относятся матовые фильтры, смягчающие световой поток и устраняющие резкие тени, конверсионные фильтры, изменяющие цветовую температуру (например,

с3200 К до 5400 К), а также шторки (у некоторых моделей они могут вращаться относительно оси светового потока).

Вновейших моделях накамерных осветительных приборов широко используются светодиоды. Несомненными плюсами применения светодиодов являются экономичность (отсутствие необходимости в замене ламп, так как срок службы светодиодов может достигать 100 тысяч часов), а также простота и надежность конструкции, что существенно продлевает срок эксплуатации осветительного оборудования в целом.

Например, компания Sachtler выпускает осветительный прибор для видеокамер Reporter 8LEDim. Из его названия нетрудно догадаться, что прибор содержит устройство регулирования светового потока (диммер). Диапазон изменения яркости в данном осветительном приборе составляет 100…30%, регулировка выполняется плавно, благодаря чему оператор получает именно тот световой поток, который необходим ему в конкретных условиях съемки. В процессе изменения яркости прибора от 100% до 30% (или обратно) цветовая температура светового потока остается неизменной, благодаря чему нет необходимости в корректировке баланса белого видеокамеры.

Осветительный прибор Reporter 8LEDim построен на базе современных светодиодов, за счет чего обеспечивает более экономичное использование энергии аккумулятора по сравнению с галогенными или газоразрядными лампами.