668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Структурная схема камерной головки представлена на рис. 1.3 [2].

Втелевизионном вещании высокой четкости в качестве ФПМ широкое применение нашли матрицы ПЗС типа Hyper HAD или Power HAD (Hole Accumulated Diode – диодный накопитель дырок). Практически в большинстве камер вещательного и профессионального классов используются по три ФПМ.

Цветное изображение объекта в трехматричной системе проецируется на светоделительный блок (призму), который осуществляет спектральное и пространственное разделение изображения на зеленую (G), красную (R) и синюю (B) составляющие. Далее цветоделенные изображения проецируются на три матричных ПЗСили КМОП-сенсора, формирующих выходные сигналы основных цветов. Достоинством трехматричной системы является максимальная четность проецируемых изображений в каждом из цветовых каналов, к недостаткам следует отнести сложность светоделительного блока. Однако в некоторых моделях видеокамер японской фирмы Ikegami применяются четыре матрицы ПЗС [3]. Новая концепция применения четырех, а не трех, как обычно, матриц подразумевает использование двух матриц для формирования видеосигналов от красного и синего цветоделенных изображений, а еще двух – для зеленого. В результате этого в связи с удвоением частоты дискретизации в канале зеленого удалось получить более высокую горизонтальную разрешающую способность. Кроме этого, динамический диапазон четырехматричной камеры в два раза шире, чем у трехматричных. Светоделительный блок в совокупности с ФПМ являются самым дорогим узлом видеокамеры.

Вколориметрии принято считать, что белый цвет получается при слиянии красного, зеленого и синего цветов равной интенсивности. На этом же принципе основана и работа цветных видеокамер. При съемке белой поверхности (нейтральный объект) все три сигнала согласуются по зеленому цвету для получения сигналов красного, зеленого и синего цветов одинаковой интенсивности. Такое согласование носит название баланса белого. В действительности при отображении белого на экране телевизора имеется следующее соотношение

Рис. 1.3. Структурная схема камерной головки:

1 – светоделительный блок; 2 – коррекционные светофильтры; 3 – ФПМ; 4 – устройство управления ФПМ; 5 – устройство аналоговой обработки; 6 – ЦАП;

7 – АЦП; 8 – синхрогенератор; 9 – цифровой процессор сигналов и кодер

интенсивности цветов: 30% приходится на красный цвет, 59% – на зеленый и 11% – на синий. Глаз способен адаптироваться к изменению цветовой температуры белой поверхности. Камера же не имеет такой возможности, поэтому после ФПМ стоят три усилителя видеосигнала, которые должны быть настроены таким образом, чтобы их выходные сигналы были согласованы.

Снимаемые с ФПМ сигналы проходят систему аналоговой обработки, где производится устранение шумовых составляющих и необходимые для аналогоцифрового преобразователя (АЦП) усиление, стабилизация уровня черного и коррекция проработки деталей изображения при слабой освещенности. АЦП осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой, выбранной разрядности и частоты дискретизации, для дальнейшей цифровой обработки.

Цифровой процессор сигналов (ЦПС) производит обработку видеосигналов трех основных цветов, поступающих с АЦП, таким образом, чтобы обеспечить требуемую разрешающую способность, широкий динамический диапазон, верность цветопередачи.

В современных видеокамерах запись аудиовизуальной информации в основном осуществляется на сменные карты твердотельной памяти формата SD (Secure Digital – цифровая карта с защитой от несанкционированного чтения записанной информации, которая обеспечивается устройством, использующим карту). Это одна из разновидностей Flash Card (флэш карт). Карта типа SD размером 24 32 2,1 мм снабжена собственным контроллером. Объем памяти карты SD класса 1.0 находится в пределах от 8 МБ до 2 ГБ, класса 1.1 – 4 ГБ. Соответственно объем памяти карт SDHC (Secure Digital High Capacity – карта фор-

мата SD высокой емкости) и SDXC (Secure Digital eXtended Capacity – карта формата SD увеличенной емкости) доходит до 32 ГБ и до 2 ТБ (1 ТБ – терабайт равен 1012 байтов). Причем у карты типа SDXC скорость обмена информацией доходит до 104 МБ/с.

В 2003 году компания Panasonic Broadcast & Television Systems Company

объявила о разработке видеокамер на основе карт твердотельной памяти Р2 [1]. Название карты Р2 происходит от Professional Plug-in Card – профессиональная съемная карта. Карта P2 (P2 Card) компании Panasonic – это комбинация четырех карт SD в одном модуле памяти, который также является стандартом – это карта PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – Меж-

дународная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров). В настоящее время карты PCMCIA имеют название PC-Card, то есть карты памяти (флэш-карты для персональных компьютеров). Видеокамеры, работающие с картами Р2, имеют слоты для одновременной установки пяти карт Р2. После видеозаписи карты твердотельной памяти Р2 могут вставляться в станцию нелинейного монтажа, где монтируются видеосюжеты.

Звуковая часть видеокамеры предусматривает запись со встроенного микрофона, внешнего микрофона, а также любого внешнего звукового сигнала, подаваемого на аудиовход видеокамеры.

Системы управления видеокамерой обеспечивают формирование в автоматическом режиме или преобразование в ручном режиме команд и управляющих сигналов для:

регулирования параметров отдельных систем контроля камеры в процессе передачи по желанию оператора или при изменении условий передачи, например, диафрагмирование при изменении освещенности.

Размер отверстия диафрагмы устанавливается автоматически для обеспечения оптимальной интенсивности светового потока, проходящего через объектив и попадающего на ФПМ. Однако система автоматического диафрагмирования плохо реагирует на внезапные резкие изменения яркости изображения, например, при трансформации («наезде») вариообъективом или резком включении источника дополнительного освещения. Предвидя возможность таких моментов, следует заранее установить регулятор диафрагмы в положение ручной настройки;

автоматической фокусировки, устанавливающей объектив на максимальную резкость ближайшего объекта, расположенного в пределах кадра. При этом система, естественно, «не понимает», тот ли это объект, который необходимо заснять или нет. Поэтому когда снимают динамичные объекты, находящиеся на разных расстояниях от видеокамеры, или когда надо сфокусироваться на объекте, размещенном в глубине сцены, то лучше переключиться на режим ручной регулировки;

поддержания параметров камеры при ее работе в пределах установленных допусков;

настройки камеры и диагностики неисправностей.

Для достижения высокого качества записи необходим ряд органов управления (баланс белого, скорость электронного затвора, усиление, меню, плата запоминания установок, вид внешней синхронизации и контроля выходного сигнала и т.д.), расположение которых для каждой руки оператора тщательно продумано. Современные видеокамеры имеют специальную внутреннюю электронную память (как правило, это карты твердотельной памяти) на несколько предустановок. Обычно эти схемы имеют собственный автономный источник питания, например, небольшую литиевую батарею. Оператор в процессе подготовки к съемкам проверяет работу камеры в конкретных условиях, определяет оптимальные параметры настройки и записывает их в электронную память. Внутренняя память не только поддерживает в оптимальном режиме записанную информацию о параметрах, даже если сама камера выключена или находится в дежурном режиме, но и обеспечивает постоянную работу часов и календаря. Впоследствии данные предустановок поочередно могут быть выведены одной кнопкой, что решает, например, проблемы при быстрых переходах с освещенных участков на затемненные.

Система контроля и индикации предназначена для обеспечения визуального контроля состояния камеры и параметров формируемых видеосигналов, а также настройки камеры и диагностики неисправностей. Она состоит из видоискателя и ряда световых индикаторов. По экрану видоискателя контролирует-

ся содержание снимаемого изображения. На нем также могут быть просмотрены фрагменты изображения, записанные на карты памяти SD-типа. Через развитое меню возможно изменение множества параметров в широких пределах – динамических характеристик, параметров апертурных корректоров, фильтров, гамма-коррекции и других и их контроль с помощью видоискателя, на который выводится служебная информация. С помощью видоискателя можно четко различить области пересветов.

Система синхронизации видеокамеры обеспечивает временнόе согласование работы всех систем и блоков камеры в различных режимах работы.

Система питания обеспечивает формирование различных номиналов напряжения, необходимых для работы всех систем камеры. Первичным источником питания может быть как встроенная аккумуляторная батарея, так и электрическая сеть переменного тока.

Конструктивные особенности типовой цифровой видеокамеры иллюстрируются рис. 1.4 [4].

При студийном использовании к видеокамере кроме повышенных качественных характеристик предъявляются особые требования к функциональному оснащению и видеоинтерфейсам. В первую очередь, при использовании в процессе телесъемки нескольких камер необходимо обеспечить синхронность

Рис. 1.4. Конструкция типовой цифровой видеокамеры:

1 – вариообъектив; 2 – устройство автоматической фокусировки и установки диафрагмы; 3 – светоделительный блок с коррекционными светофильтрами; 4 – преобразователи свет-сигнал; 5 – устройство аналоговой обработки видеосигналов;

6 – АЦП; 7 – цифровой процессор сигналов и кодер; 8 – система управления; 9 – система питания, формирующая различные номиналы напряжения;

10 – система синхронизации; 11 – система контроля и индикации; 12 – микрофон; 13 – система звукового сопровождения; 14 – модуль записи на карты памяти SD-типа;

15 – аккумуляторная батарея; 16 – ручка для переноса видеокамеры

выдаваемых ими сигналов, для чего подается внешний ведущий сигнал и камеры переводятся в ведомый режим (Genlock). Для удобства работы оператора в студии в качестве видоискателя к видеокамерам дополнительно прикрепляются специальные видеомониторы с размером экрана по диагонали не менее 5 дюймов (12,7 см). При многокамерных съемках программ особенно в прямом эфире очень важно обеспечить синхронную работу как технического персонала в аппаратной и студии, так и дикторов, поэтому на видеокамере могут быть установлены индикаторы «Tally», в результате при выходе источника в эфир на соответствующей камере загорается сигнальная лампа.

Современные студийные телекамеры практически не нуждаются в периодической подстройке основных электрических параметров как было раньше (при использовании трубочных датчиков или в камерах с полностью аналоговой обработкой сигналов). Это гарантируется как очень высокой стабильностью самих ПЗС или КМОП-датчиков, так переходом на полностью цифровую обработку сигналов.

1.4. Аналоговая обработка видеосигналов в телекамерах

1.4.1. Использование схемы двойной коррелированной выборки

Видеосигнал, снимаемый с ФПМ, содержит характерные искажения и шумы, связанные с работой его выходного устройства. Чтобы найти пути, позволяющие избавиться от этих последствий, рассмотрим особенности формирования выходного видеосигнала. Как показано на рис. 1.5, выходной сигнал, например, матрицы ПЗС, имеет три уровня:

уровень, определяемый импульсами сброса, проникающими в выходной сигнал через паразитные емкости (Reset Level);

уровень фиксации, определяемый постоянным напряжением на стоке транзистора сброса с шумовой добавкой (Feed-Through Level);

уровень сигнала с той же шумовой добавкой, вызванной цепями узла детектирования выходного устройства матрицы ПЗС (Signals).

Выше названные шумы включают в себя:

шумы сброса;

низкочастотные 1/f-шумы повторителя на МОП-транзисторе;

тепловой шум.

Устранить данную шумовую добавку Uш, в принципе можно, так как ее величина в момент импульса фиксации tф (когда информационный заряд еще не поступил в выходное устройство) и в момент импульса выборки tвыб (когда информационный зарядный пакет уже слился с этой шумовой добавкой) остается неизменной. Именно операцию устранения шумовой добавки осуществляет схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) или, в английской интерпре-

тации, CDS (Correlated Double Sampling) (рис. 1.6) [2]. Название схемы произо-

шло от используемого метода двойной выборки зарядового сигнала ПЗС.

Рис. 1.5. Осциллограммы сигналов в основных точках матрицы ПЗС и схемы ДКВ

Рис. 1.6. Структурная схема устройства ДКВ

Схема ДКВ работает следующим образом. В момент времени фиксации tф, когда на выходе матрицы ПЗС еще нет полезного сигнала, но есть шумовая составляющая Uш, схема выборки осуществляет выборку и запоминание этой составляющей, которая передается на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ). Схема выборки 1 осуществляет выборку и запоминание сигнала в момент времени tвыб, когда сигнал на выходе матрицы ПЗС уже содержит полезную составляющую Uс и ту же самую, что и в момент времени tф, шумовую составляющую Uш. Схема выборки 3 производит выборку шумовой составляющей Uш в момент времени tвыб, переписывая значение шума с выхода схемы выборки 2 на инвертирующий вход ОУ. В результате, с момента выборки tвыб до следующей выборки на неинвертирующем входе ОУ будет присутствовать полезный сигнал с шумом Uс + Uш, а на инвертирующем – Uш. На выходе схемы ДКВ получим значение сигнала без шума Uс. Таким образом, использование схемы ДКВ позволяет устранять шумы сброса, обусловленные со-

Рис. 1.7. Принципиальная схема устройства двойной коррелированной выборки с усилителями выборки и хранения

противлением канала полевого ключа сброса, бóльшую часть низкочастотных 1/f – шумов мерцания и теплового (белого) шума.

Принципиальная схема устройства ДКВ представлена на рис. 1.7. Операционный усилитель (ОУ) А1 имеет дифференцированный вход и может быть включен как в инвертирующей, так и в неинвертирующей конфигурации. В данной схеме ДКВ все усилители выборки и хранения (УВХ) включены как буферы с единичным усилением с резистором 50 Ом в цепи обратной связи. Выходные сигналы УВХ управляют положительными и отрицательными входами дифференциального ОУ А1.

1.4.2. Применение предварительного регулируемого видеоусилителя

После схемы ДКВ сигнал поступает на регулируемый видеоусилитель, который обеспечивает заданный размах сигнала перед подачей его на АЦП, а также стабилизацию уровня черного и Shading-коррекцию (коррекция проработки деталей изображения в местах со слабой освещенностью). Регулировка осуществляется путем задания необходимого уровня смещения, которое поступает на видеоусилитель с цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Глубина регулировки усиления обычно составляет от 6 до 30 дБ. В видеоусилителе осуществляется также регулировка, обеспечивающая постоянство уровня черного и уровня белого во всех трех каналах цветоделенных сигналов.

1.4.3. Электронные способы управления контрастом

Матрицы ПЗС в телекамере воспринимают световое излучение и превращают изменения его яркости в изменения выходного видеосигнала. Для создания минимально заметного видеосигнала требуется определенный уровень освещенности. При освещенности светочувствительной поверхности матрицы ПЗС ниже этого уровня камера формирует уровень черного видеосигнала (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Световая (передаточная) характеристика матрицы ПЗС

По мере увеличения освещенности выходной видеосигнал пропорционально увеличивается до тех пор, пока не наступит ограничение и видеосигнал перестанет изменяться, как бы ни увеличивалась освещенность. Эта точка называется уровнем ограничения белого и характеризует максимально достижимый уровень видеосигнала. Любой сигнал, значение яркости которого превышает этот уровень, будет отображен как пик белого, то есть сигнал будет «обрезан» (см. рис. 1.8). Изменения яркости объектов съемки будут отражены в видеосигнале, только если отраженный от них свет по уровню попадет между уровнями черного и белого.

Рис. 1.9. Световая характеристика матрицы ПЗС с фиксированной точкой перегиба

Рис. 1.10. Световая характеристика матрицы ПЗС с переменной точкой перегиба

На практике линейную зависимость выходного видеосигнала от освещенности объекта с целью расширения воспринимаемого диапазона яркостей снимаемых объектов модифицируют путем уменьшения наклона верхней части световой (передаточной) характеристики матрицы ПЗС (Knee Correction) [2]. Данная операция называется методом изменения перегиба световой характеристики матрицы ПЗС (рис. 1.9, 1.10). Точка, откуда начинается перегиб, и угол наклона световой характеристики после перегиба влияют на то, как телекамера справляется с обработкой изображений ярко освещенных мест. При уменьшении наклона световой характеристики сжимается избыточный диапазон яркостей, при этом ярко освещенные участки видны раздельно, не сливаясь в одно сплошное «белое».

Если участок световой характеристики с перегибом представляет собой плавную кривую, то сжатие динамического диапазона производится нелинейно, и переход в режим перегрузки – более плавный.

Во многих телекамерах введена возможность расширения области темного, которая помогает показать детали в темных областях. Однако при этом появляются дополнительные шумы.

1.4.4. Система автоматического баланса белого

Каждый окрашенный объект воспринимается по-разному в зависимости от того освещения, при котором его рассматривают. Глаз человека, в известных пределах, обладает способностью компенсировать различие спектрального состава цвета и правильно распознавать цветовой тон объекта независимо от того, освещен ли он солнечным светом или светом лампы накаливания, но видеокамеры не имеют такой способности. Если съемка объекта была произведена без регулировки цветности, освещение будет оказывать влияние на цветность воспроизводимого изображения, придавая ему голубоватую или красноватую окраску.

Поэтому для правильного воспроизведения цвета объекта съемки необходимо, чтобы основные цвета, формируемые на выходе преобразователя свет-сигнал, в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении, определяемом коэффициентами колориметрического уравнения. Видеокамеры оборудованы системой баланса белого (WB – White Balance), основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры.

Вкачестве датчика обычно используется инфракрасный фотодиод. На основании показаний датчика цветовой температуры происходит корректировка сигналов основных цветов, поступающих с матрицы ПЗС [5].

От восхода до захода солнца спектральный состав дневного света подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и особенно в предвечерние часы

всоставе солнечного света содержится значительно больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем в середине дня. Такие колебания находятся также в зависимости от атмосферных условий, времени года и географической широты места съемки.

Взависимости от температуры накала нити искусственных источников света спектральный состав излучаемого света также изменяется, и разница не всегда уловима глазом, поскольку наш глаз обладает способностью компенсировать ее. Так как матрице ПЗС не присуща способность компенсации, то, если спектральный состав света одной лампы отличается от спектрального состава другой, это может проявиться при записи сигнала цветности на карту памяти.

Спектральный состав источника света принято характеризовать цветовой температурой, которая определяет спектральный состав света, полученного путем температурного излучения. Цветовая температура – это температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый. Она указывает только на спектральное распределение энергии излучения, а не на температуру источника света. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре 12 000…25 000°К, то есть гораздо выше температуры солнца. Свет от лампы имеет желтый оттенок, если, например, напряжение в сети значительно ниже номинального, а если намного выше, то вольфрамовая нить становится синевато-белой, то есть повышение температуры накала нити влечет за собой изменение ее цвета в сторону приближения к белому цвету, цветовая температура повышается.

Метод измерения цветовой температуры основан на сравнении спектрального состава света данного источника со спектральным составом идеального температурного излучателя, температура накала которого выражается в градусах Кельвина (°К). Причем термин «цветовая температура» можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный спектр: электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а также солнце. К лампам тлеющего разряда, так называемым газосветным (ртутным, неоновым, аргоновым, натриевым и др.), имеющим характерный линейный спектр, термин «цветовая температура» неприменим.

При проведении видеосъемки цветовая температура имеет большое значение. Если видеокамера (с помощью ручной регулировки баланса белого) сба-