668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_
.pdfФедеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
Г.В. Мамчев
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ
Монография
Новосибирск
2017
УДК 621.397.6
ISBN
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Новицкий С.П. д-р техн. наук, профессор Спектор А.А.
Д-р техн. наук, профессор Мамчев Г.В.
Технические средства телевизионного вещания: Монография. – Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новоси-
бирск, 2017. – 324 с.
В монографии рассмотрены способы построения и конструктивные особенности современных видеокамер, аппаратура формирования телевизионных программ, системы управления медиаресурсами, качественные показатели, конструктивное выполнение устройств воспроизведения телевизионных изображений. Особое внимание в монографии уделено рассмотрению особенностей современных технологий производства телепрограмм.
Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевидения, видеотехники, аудиовизуальной техники.
Кафедра радиовещания и телевидения
© Мамчев Г.В., 2017 © Сибирский государственный уни-
верситет телекоммуникаций и информатики, 2017 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
Стр. |
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ |
7 |
Часть I. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ |
|
ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ .................... |
10 |
1. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР .................................................... |
10 |
1.1. Классификация передающих телевизионных камер .............................. |
10 |
1.2. Основные требования, предъявляемые к телевизионным |
|
и видеокамерам ........................................................................................... |
17 |
1.3. Конструктивные особенности современных видеокамер ...................... |
19 |
1.4. Аналоговая обработка видеосигналов в телекамерах ............................ |
25 |
1.4.1. Использование схемы двойной коррелированной выборки ........ |
25 |
1.4.2. Применение предварительного регулируемого |
|
видеоусилителя ................................................................................ |
27 |
1.4.3. Электронные способы управления контрастом ............................ |
27 |
1.4.4. Система автоматического баланса белого ..................................... |
29 |
1.4.5. Аналого-цифровое преобразование видеосигналов ..................... |
32 |
1.5. Цифровая обработка видеосигналов в телекамерах ............................... |
35 |
1.5.1. Особенности функционирования цифрового процессора |
|
сигналов ............................................................................................. |
35 |
1.5.2. Гамма-коррекция в цифровом процессоре сигналов .................... |
36 |
1.5.3. Цифровая апертурная коррекция и матрица цветности ............... |
38 |
1.5.4. Блок управления цифровой видеокамерой .................................... |
39 |
2. ОПТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР ................................................................................. |
40 |
2.1. Разрешающая способность объективов ................................................... |
40 |
2.2. Классификация телевизионных объективов с переменным фокусным |
|
расстоянием ................................................................................................. |
42 |
2.3. Системы управления объективами ........................................................... |
50 |
2.4. Конструктивные особенности светоделительных систем |
|
современных телекамер ............................................................................. |
60 |
2.5. Устройства стабилизации изображений на фотоприемной матрице .... |
65 |
2.6. Особенности применения анаморфотной оптики.................................... |
68 |
3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТ-СИГНАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ |
|
В ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕРАХ ....................................................................... |
69 |
3.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал ........................ |
69 |
3.2. Физические принципы работы приборов с зарядовой связью .............. |
70 |
3.3. Классификация матричных преобразователей свет-сигнал ПЗС-типа ... |
72 |
3.4. Особенности построчного переноса зарядов .......................................... |
74 |
3.5. Технология кадрово-строчного переноса зарядов .................................. |
78 |
3.6. Основные характеристики и параметры матриц ПЗС ............................ |
80 |
4
3.7. Конструктивные особенности современных матриц ПЗС ..................... |
85 |
3.8. Применение электронного затвора в матрицах ПЗС .............................. |
88 |
3.9. Устройство фотоприемных матриц КМОП-типа .................................... |
88 |
3.10. Сравнение характеристик фотоприемных матриц ПЗС- |
|
и КМОП-типов .......................................................................................... |
95 |
4. НАКАМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ВИДЕОКАМЕР ........................................ |
97 |
4.1. Основные виды накамерного оборудования ........................................... |
97 |
4.2. Накамерные осветительные приборы ...................................................... |
97 |
4.3. Источники питания видеокамер ............................................................... |
99 |
4.4. Конструктивные особенности узконаправленных микрофонов ........... |
103 |
4.5. Устройства беспроводной передачи аудиовизуальной информации |
|
от видеокамер ............................................................................................. |
105 |
5. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ |
|
И ВИДЕОКАМЕР .............................................................................................. |
111 |
5.1. Технические возможности современных передающих |
|
телевизионных и видеокамер .................................................................... |
111 |
5.2. Принципы управления передающими камерами телевизионного |
|
комплекса .................................................................................................... |
123 |
5.3. Особенности применения электронных телесуфлеров совместно |
|
с передающими камерами ......................................................................... |
129 |
5.4. Системы визуального контроля и индикации видеокамер ..................... |
135 |
Часть II. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВ |
|
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ .... 141 |
|
6.КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ..... 141
7.ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЙ ............................................................................................. |
149 |
7.1. Основные электрооптические эффекты в жидких кристаллах ........... |
149 |
7.2. Методы адресации телевизионных жидкокристаллических |
|
экранов .................................................................................................... |
154 |
7.3. Структура модуля жидкокристаллического экрана ............................. |
161 |
7.4. Устройство и принципы функционирования |
|
жидкокристаллического экрана ........................................................... |
162 |
7.4.1.Использование схемы двойной коррелированной выборки ... 162
7.4.2.Практическая реализация устройств задней подсветки
жидкокристаллических экранов .............................................. |
164 |
7.4.3. Структура цветных фильтров для жидкокристаллических |
|
экранов ........................................................................................ |
180 |
7.4.4. Использование черной решетки в жидкокристаллических |
|
экранах ........................................................................................ |
183 |
7.4.5. Смена полярности сигналов управления .................................. |
185 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
5 |
7.4.6. Уменьшение кросс-эффекта при адресации матричных |
|
жидкокристаллических экранов .............................................. |
186 |
7.4.7. Формирование полутонового изображения на |
|
жидкокристаллическом экране ................................................ |
187 |
7.4.8. Увеличение контрастности воспроизводимых жидкокристалли- |
|
ческим экраном изображений ................................................... |
189 |
7.5. Устройства управления жидкокристаллическим экраном .................. |
190 |
7.6. Современные цифровые дисплейные интерфейсы для |
|
жидкокристаллических экранов .......................................................... |
191 |
7.6.1. Классификация дисплейных интерфейсов ................................ |
191 |
7.6.2. Цифровые дисплейные интерфейсы .......................................... |
195 |
7.6.3. Интерфейсы внутренней дисплейной шины ............................ |
199 |
7.7. Технические возможности современных серийно выпускаемых жидко- |
|
кристаллических дисплеев ................................................................... |
204 |
8. ПЛОСКОЭКРАННЫЕ ВОСПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА, |
|
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЭКРАНАМ ...... |
207 |
8.1. Принципы работы и устройство плазменных панелей ....................... |
207 |
8.1.1. Физические основы газового разряда ....................................... |
207 |
8.1.2. Устройство ячеек плазменных панелей ................................... |
208 |
8.1.3. Принципы формирования растра .............................................. |
213 |
8.1.4. Методы увеличения яркости и контраста воспроизводимых |
|
изображений .............................................................................. |
216 |
8.1.5. Способы повышения четкости воспроизводимых |
|
изображений .............................................................................. |
218 |
8.1.6. Коррекция цветовоспроизведения плазменных панелей ....... |
218 |
8.1.7. Конструктивные особенности серийно выпускаемых |
|
плазменных панелей ................................................................. |
219 |
8.2. Устройство гибкого цветного OLED-дисплея ..................................... |
222 |
8.3. Конструкция светодиодных экранов ..................................................... |
231 |
8.4. Конструкция большеэкранных видеосистем составного типа ........... |
233 |
8.5. Принципы формирования полиэкранных изображений ..................... |
235 |
9. ПРОЕКЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОН- |
|
НЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ БОЛЬШОГО РАЗМЕРА ....................................... |
237 |
9.1. Мультимедийные проекторы D-ILA-типа ........................................... |
237 |
9.2. Устройство проектора видеоизображений, использующего |
|
электронно-управляемые зеркала ....................................................... |
243 |
9.3. Особенности применения лазерных диодов в проекционных |
|
телевизорах ............................................................................................ |
250 |
Часть III. АППАРАТУРА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ФОРМИРО- |
|
ВАНИЯ ВЕЩАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ .......................................... |
254 |
10. СТУДИЙНЫЕ И ВНЕСТУДИЙНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРО- |
|
ИЗВОДСТВА ТЕЛЕПРОГРАММ ................................................................ |
254 |
6
10.1. Обобщенная функциональная схема программного телецентра...... |
254 |
10.2. Основные принципы построения телевизионных студий ................ |
256 |
10.2.1. Классификация телевизионных студий .................................. |
256 |
10.2.2.Системы постановочного освещения телевизионных студий 257
10.2.3.Вентиляция и кондиционирование телевизионных студий . 266
10.2.4. |
Акустические характеристики телевизионных студий ........ |
268 |
10.2.5. |
Обоснование конструкции телевизионных студий ............... |
272 |
10.3.Технические особенности виртуальной телевизионной студии ..... 275
10.4.Основные принципы построения передвижных телевизионных стан-
ций ........................................................................................................... |
285 |
10.5. Конструктивные особенности медиаархивов современных теле- |
|
центров.................................................................................................... |
288 |
10.6.Технические средства обеспечения современной телевизионной и ви- |
|
деосъемки ............................................................................................... |
291 |
10.6.1. Необходимость применения специализированной операторской |
|
техники ....................................................................................... |
291 |
10.6.2. Вспомогательное операторское оборудование ...................... |
293 |
10.6.3. Аппаратура для телесъемки в экстремальных условиях ...... |
297 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... |
302 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................. |
312 |
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .................................................................................. |
316 |
ВВЕДЕНИЕ
Практически каждый человек, независимо от места проживания, получает 70...80% общего объема информации через электронные средства массовой информации, важнейшим из которых является телевидение, обладающее самой большой аудиторией.
Первые системы электронного телевидения были созданы в тридцатые годы прошлого столетия фактически после изобретения и разработки электроннолучевых трубок (ЭЛТ) для преобразования оптического изображения в электрический сигнал и воспроизведения телевизионных изображений.
В настоящее время в различных странах мира эксплуатируются около 1 млрд. 900 миллионов телевизионных приемников различного типа. Причем ежегодно мировой парк телевизионных устройств увеличивается на десятки миллионов телевизоров. В состав каждого телевизора, а также любого устройства отображения телевизионного типа входит воспроизводящее устройство, являющееся конечным звеном всей телевизионной системы, в значительной степени определяющим качество получаемых изображений.
Одновременно в различных сферах человеческой деятельности используются многие десятки миллионов персональных компьютеров (ПК), важнейшим функциональным блоком которых также являются устройства отображения, то есть мониторы.
Сегодня конвергенцию телевидения и компьютерной техники можно считать состоявшейся. По крайней мере, современные ПК способны захватывать, то есть оцифровывать, и с должным качеством воспроизводить видеопрограммы, а телевизоры, используя соответствующие интерфейсы, – электронную графику.
Современное телевизионное вещание, базирующееся на цифровых способах формирования видеосигналов, характеризуется резким усложнением технологии подготовки телевизионных программ в сравнении с классическим телевидением первого этапа развития, совпадающего с повсеместным использованием аналоговой техники. Внедрение цифровых технологий в телевизионное вещание, в первую очередь, ознаменовано созданием унифицированного оборудования аппаратно-студийных комплексов, использующих единый стандарт цифрового кодирования. В этом случае обеспечивается высокая стабильность параметров оборудования, которое может работать в бесподстроичном режиме.
Основной тенденцией на телецентрах стало внедрение цифровых информационных технологий, способствующих слиянию средств телевизионного вещания и инфокоммуникаций. К наиболее наглядным примерам данного процесса можно отнести замену видеомагнитофонов (в том числе и цифровых), видеосерверами, использование быстродействующих цифровых видеомикшеров и
8
коммутаторов, унифицированных соединительных линий и цифровых интерфейсов, архивирование аудио- и видеоинформации с возможностью доступа большого числа пользователей к видеоархивам.
Благодаря цифровым технологиям в производстве программ телевизионного вещания происходит переход к централизованной файловой архитектуре и новым методам хранения и обмена информации. Замена видеомагнитофонов на серверы вместо физического перемещения материала от одного участка производства к другому обеспечивается файловой передачей данных. При этом с компьютерных терминалов открывается доступ ко всем видам контента
Традиционный линейный электронный монтаж с использованием двух видеомагнитофонов, микшера и контроллера практически повсеместно уступил свои позиции нелинейному, использующему только один видеосервер в паре с компьютером. Поэтому практически все производители телевизионного оборудования считают нужным подчеркнуть факт интеграции выпускаемых устройств с нелинейными монтажными комплексами, обеспечивающими мгновенный произвольный доступ к любому видеофрагменту. Причем наиболее очевидной тенденцией можно назвать использование в системах цифрового нелинейного видеомонтажа постоянно растущей мощности компьютеров.
С переходом телекомпаний на нелинейные цифровые технологии в видеопроизводстве и вещании все острее встает проблема интеграции этого оборудования в единые комплексы. Поэтому существенное место в разработках новейших технологий видеопроизводства занимают сетевые решения. Практически уже никого не устраивают отдельно стоящие рабочие станции, для которых перенос видеоматериала с одной на другую связан с физическим копированием огромных объемов информации. Речь уже идет об общих системах хранения, о работе не с самими видеофайлами, а, как минимум, с их копиями в низком разрешении в целях создания листа монтажных решений, который затем частично или полностью автоматически применяется к исходному материалу в полном разрешении. В лучшем же случае работа ведется с метаданными, и копирование материала, пусть даже и чернового качества, полностью исключается.
Таким образом, к началу XXI века получение электронного телевизионного изображения стало результатом сложного переплетения технологий Интернета, мультимедиа, компьютерной анимации, виртуальной реальности.
Изменились и социальные факторы, влияющие на потребительские свойства телевизионных программ. Все это выразилось в повышении необходимости обработки больших объемов информации для подготовки, производства и выпуска телевизионных программ. Резко поднялись требования к оперативности подготовки телевизионных передач. Все большее внимание уделяется повышению степени автоматизации телевизионного вещания, совершенствованию роботизированных вещательных комплексов – телецентров.
Наметилась тенденция дальнейшего совершенствования основного звена телевизионного тракта – передающих камер на базе использования светочувствительных КМОП-матриц, позволяющих повысить разрешающую способность датчиков свет-сигнал, увеличить отношение сигнал/шум, снизить их сто-
ВВЕДЕНИЕ |
9 |
имость. Все это имеет важное значение в связи с предстоящим повсеместным внедрением систем телевидения высокой четкости (ТВЧ).
Важнейшим компонентом аппаратно-студийного, эфирного или производственного комплексов являются телевизионные мониторы, применяемые как для просмотровых, так и измерительных целей. В телевизионных мониторах и приемниках (профессиональных и бытовых телевизорах) все более широкое использование получают жидкокристаллические экраны и плазменные панели, позволяющие воспроизводить высококачественные телевизионные изображения с размерами по диагонали в 100 см и более.
Впоследние несколько лет наблюдается заметный рост спроса на телевизионные воспроизводящие устройства с диагональю экрана в несколько метров. Системами большого телевизионного экрана оборудуются центры управления космическими полетами, телевизионные студии, медицинские клиники, учебные заведения. Подобные воспроизводящие устройства используются также в спортивных комплексах, конференц-залах, театрах, выставочных комплексах, для показа телевизионных изображений на больших экранах, установленных на открытых площадях городов.
Электронные средства отображения визуальной информации, установленные как в помещениях, так и вне зданий, получили название видеоинформационных систем (ВИС, то есть Digital Signage).
Весьма перспективная область применения систем большого телевизионного экрана создание сети телевизионных театров, соединенных с центральной аппаратной широкополосными волоконно-оптическими линиями связи.
Вмонографии рассмотрены способы построения и конструктивные особенности современных телекамер, аппаратура формирования телевизионных программ, качественные показатели, конструктивное выполнение устройств воспроизведения телевизионных изображении.
Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевещания, видеотехники, аудиовизуальной техники.
Часть I. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
1.СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР
1.1.Классификация передающих телевизионных камер
Передающие телевизионные камеры, являясь начальным звеном, входят в состав практически любой телевизионной системы, решающим способом влияют на ее качественные показатели. Телевизионные камеры предназначены для преобразования светового потока, отраженного от наблюдаемых объектов, в электрические сигналы (видеосигналы) цветоделенных изображений, пригодные для последующей записи, передачи по каналам связи, автоматического анализа.
Центральным элементом любой передающей камеры являются непосредственно преобразователи оптических изображений в электрические сигналы (преобразователи свет-сигнал), которые часто называются датчиками телевизионного сигнала. Яркость спроецированного на светочувствительную поверхность преобразователя оптического изображения является функцией не только времени t, но и координат x, y в горизонтальном и вертикальном направлениях. Поэтому датчик телевизионного сигнала должен обладать способностью оценивать значения яркостей отдельных элементов изображения. Для последовательного считывания телевизионного сигнала от отдельных элементов изображения в преобразователе одновременно с фотопроцессом осуществляется процесс развертки изображения. Закон развертки является одним из основных параметров телевизионного сигнала, обеспечивающих возможность его преобразования в телевизионное изображение.
Первыми приемниками света, изготовленными по твердотельной технологии, были фотодиоды и уже на заре своего появления они позволили сделать гигантский скачок в области регистрации световых потоков и изображений. С тех пор прошло много времени, фотодиоды совершенствовались, но их основной недостаток – одноканальность, все же не позволил им найти широкого применения в телевидении.
С конца 30-х годов прошлого столетия среди светоприемников начали появляться телевизионные трубки, завоевавшие к концу 70-х лидирующее положение в этой области. Было разработано сравнительно много светочувствительных приборов вакуумного типа: иконоскопы и супериконоскопы, ортиконы и суперортиконы, диссекторы (специализированные трубки с повышенной квантовой эффективностью, оцениваемой количеством выбитых