668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

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. 3.19) [19].

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. 3.19. 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 используется в линейке видеокамер Crass Valley Infinity высокого разрешения.

Усовершенствованные КМОП-сенсоры компании GrassValley Xensium-FT

с кадровым затвором, не дающие вертикального смаза изображений при любых условиях съемки, базируются на пиксельной структуре типа 5T (каждый пиксель формируется 5 транзисторами) (рис. 3.20) [20].

Рис. 3.20. Структура пикселя типа 5T в сенсоре Xensium-FT

В отличие от общепринятой структуры КМОП-матриц ЗТ в новом сенсоре используются два дополнительных транзистора на каждый пиксель. Первый из них (затвор переноса) применяется для управления переносом заряда из фотодиода в диффузионный конденсатор. После завершения экспозиции кадра данный транзистор размыкает соединение между этими компонентами, и потенциал фотодиода сбрасывается через транзистор сброса фотодиода, чтобы начать новый цикл экспозиции. Заряд, сохраненный в диффузном конденсаторе, можно считывать в любой момент времени. После считывания сигнала дополнительный транзистор сброса обнулит потенциал диффузного конденсатора, чтобы подготовить его для следующего переноса заряда с фотодиода. Два дополнительных транзистора позволяют отделить период экспозиции от периода считывания заряда. Благодаря этому матрица Xensium-FT обеспечивает полнокадровое считывание изображения, как в ПЗС.

Использовать на практике пиксельную структуру типа 5Т раньше не позволяла технология изготовления микросхем. Как только появилась возмож-

ность применить технологический процесс с разрешением 0,18 мкм вместо 0,25 мкм 5Т-пиксели стали реальностью.

Сенсор Xensium-FT имеет полное разрешение 1920х1080 пикселей, всегда работает в прогрессивном режиме без снижения чувствительности и увеличения шума. Формирование трех основных цветоделенных изображений осуществляется с помощью светоделительной призмы. Поэтому полное разрешение 1920х1080 пикселей достигается для всех трех каналов – зеленого, красного и синего.

По сравнению с разрешением телекамеры на базе одного сенсора 4K с цветным матрицированием Байера камера на основе трех матриц Xensium-FT обеспечивает преимущество по разрешению в цветовых каналах, особенно при использовании для съемки в формате 1080р, который обеспечивает более высокое разрешение, чем 1080i, и может служить отличным форматом мастеринга с возможность высококачественного преобразования в любой формат, включая

4K. Фактически сенсоры Xensium-FT – это оптимальный баланс между разрешающей способностью, чувствительностью и отношением сигнал/шум.

Значительный практический интерес представляет сообщение корпорации NHK (Япония) о разработке КМОП-структуры, ориентированной на стандарт UHDTV 8K, с разрешением 33 Мпикселей (7680х4320 пикселей). Геометрические размеры одного пикселя составляют 2,8 мкм х 2,8 мкм. Вновь разработанный сенсор функционирует с частотой 120 кадров/с, имеет встроенный 12битовый АЦП. Его чувствительность в 1,6 раза выше, чем у традиционных КМОП-сенсоров.

Заслуживает внимания информация японских компаний Fujifilm и Panasonic о разработке в 2013 году новой технологии создания органических сенсоров со структурой, аналогичной КМОП (CMOS)-матрицам, предполагающей применение органического фотоэлектрического слоя с высоким коэффициентом поглощения света, толщиной 0,5 мкм взамен кремниевых фотодиодов, обладающим свойством преобразователей света в электрические сигналы непосредственно в секции приема света.

Применение этой технологии при изготовлении сенсоров для цифровых телевизионных камер и других устройств фиксации изображения позволяет расширить их динамический диапазон (диапазон яркостей от самой яркой до самой темной областей в кадре) до 85 дБ, то есть в 1,2 раза более высоким по сравнению с традиционными сенсорами, а также обеспечить дальнейшее повышение чувствительности.

Параметр чувствительности сенсора изображений характеризует его эффективность при преобразовании света в электрические сигналы, чем выше чувствительность, тем лучше анализируется изображение на темных сценах. В результате исключается засветка изображения в наиболее ярких сценах, а темные объекты получаются хорошо проработанными в деталях, с естественной цветопередачей.

3.10. 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;

бегущий затвор обычного КМОП-сенсора работает аналогично сканированию в трубке видикон, то есть построчно. При уменьшении времени экспозиции увеличивается видимость наклонного эффекта;

при использовании как кадрового затвора сенсора Xensium-FT, так и матрицы CCD IT изображение экспонируется 1/50 или 1/60с. Для увеличения четкости можно использовать электронный затвор, чтобы сократить время выдержки и уменьшить смаз от движения;

сенсоры Xensium-FT формируют изображение лучшего качества по сравнению с ПЗС-приборами и с КМОП-матрицами, имеющими пиксельную структуру ЗТ-типа, а потому сенсоры Sensium-FT являются лучшей заменой

ПЗС-датчикам.

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.

4. НАКАМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ВИДЕОКАМЕР

4.1. 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 камер у, 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).

4.2. 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 [21].

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 металло-галогенными 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.

АКБ принадлежит к самым необходимым дополнительным устройствам, поскольку поддерживает электропитание всех блоков видеокамеры (нередко и аксессуаров). В зависимости от химической основы элементов питания выделяются три основных типа АКБ, используемых в профессиональной телевизионной технике: никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-Mн) и литиево-ионные (Li-Ion).

Щелочные и свинцово-кислотные АКБ в настоящее время практически не применяются. Причина в том, что они громоздки, тяжелы, обладают относительно малой удельной емкостью и ненадежны в эксплуатации. Никелькадмиевые аккумуляторы наиболее дешевы, при правильной эксплуатации допускают большое количество циклов перезарядки и высокий ток разряда, относительно устойчивы к низким температурам и ударам. Главные недостатки заключаются в невысокой плотности заряда (достаточно большие габариты) и в возможном снижении емкости в процессе эксплуатации.

При использовании АКБ следует помнить о так называемом «эффекте памяти», который проявляется при неправильной эксплуатации батареи, то есть постановке ее на заряд в не до конца разряженном состоянии. Если такая ошибка допускается систематически, то емкость батареи уменьшается практически на величину недоразряда. Поэтому Ni-Cd-аккумуляторы необходимо полностью разряжать перед зарядкой, в противном случае АКБ отдает только заряд, полученный в ходе последней подзарядки вследствие «эффекта памяти». В Ni-Cd АКБ последних моделей явно этот эффект не проявляется. Однако некоторое снижение емкости может происходить при многократной подзарядке недоразряженной батареи, длительном хранении заряженной АКБ и перезарядке.

Аккумуляторы Ni-Mн-типа несколько дороже, но реже теряют емкость, имеют повышенную плотность заряда. Они требуют тщательного автоматического контроля при зарядке, допускают меньшее количество перезарядок. Практически все Ni-Mн АКБ после работы в зимних условиях существенно теряют емкость. Li-Ion аккумуляторы – наиболее дорогие, но допускают подзарядку в любой момент времени, так как не подвержены вредному «эффекту памяти», имеют очень высокую плотность заряда (малые габариты), лучше других переносят понижение температуры.

Различные модели АКБ отличаются не только внешним видом, емкостью, напряжением и другими эксплуатационными параметрами, но и типом крепления. Выпускаются аккумуляторы с узлами крепления Gold-mount, V-mount, а также типа NP. V-образный узел крепления позволяет быстро и удобно устанавливать и снимать батарею. Поскольку в этом устройстве не требуется никаких внешних кабельных соединений, батареи можно присоединять и отсоединять одним быстрым движением. В целом данный узел крепления характеризуется высокой прочностью и надежностью и рекомендуется для использования в сложных условиях эксплуатации телевизионной журналистики.

Современная АКБ – это не просто источник питания. Это целая техническая система, достаточно часто снабженная микропроцессором и позволяющая