668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

лансирована для дневного освещения, то при съемке при свете лампы накаливания в изображении будут преобладать оранжево-красные цветные тона. Лица людей будут неестественно красными, а синие и зеленые тона – приглушенными. Для получения изображения с правильным воспроизведением цветов необходимо использовать специальные фильтры, приводящие спектральный состав света, которым в данный момент освещается объект съемки, к тому распределению энергии в спектре, для которого сбалансирована видеокамера.

Если белый свет воспроизводится правильно, то все остальные цвета тоже будут воспроизводиться точно. Поэтому при правильном воспроизведении цветного изображения говорят о балансе белого (White Balance).

Система баланса белого может работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. Функции регулировки баланса белого осуществляют настройку камеры на чисто белый цвет при различных источниках освещения. После установки белого цвета система WB корректирует вклад каждого из основных цветов в общий спектр освещения. А так как белый цвет является основой всех цветов, в случае, если регулировка выполнена правильно, возможна съемка сцен с натуральной цветностью практически при любых условиях освещения.

Датчик цветовой температуры tWB обычно представляет собой систему, состоящую из двух фоточувствительных элементов, перед которыми расположены красный и синий светофильтры. Таким образом, на выходе датчика формируются два сигнала, характеризующие уровень красной и синей спектральных составляющих освещения снимаемой сцены. Так как диапазоны длин волн этих составляющих находятся на краях видимой части спектра, то это позволяет оценить характер всего спектра освещения снимаемой сцены.

Иногда в качестве датчика цветовой температуры используется только один фоточувствительный элемент в красном или инфракрасном диапазоне длин волн, а уровень синей спектральной составляющей измеряется по сигналу синего (В), формируемому на выходе матрицы ПЗС.

Значение параметра tWB получают из отношения сигналов ER и EB, формируемых на выходе матрицы ПЗС. Набор корректирующих коэффициентов для наиболее часто встречающихся условий освещения хранится в памяти процессора системы WB видеокамеры. Параметр для каждого источника света, а также соответствующие ему значения корректирующих коэффициентов определяются опытным путем.

Автоматический режим работы системы WB заключается в определении спектрального состава цвета освещения путем сравнения показаний датчика tWB и выбора подходящих значений коэффициентов из памяти. Поскольку в памяти хранятся оптимальные установки только для некоторых типов источников света, в других условиях функция автоматического баланса белого может работать неточно и следует использовать режим ручной регулировки баланса белого. С помощью ручной регулировки баланса белого можно подрегулировать цветовую окраску изображения по специальному белому колпачку на объективе. Система WB определяет, насколько белый цвет колпачка при

данном освещении отличается от чисто белого, коэффициенты которого хранятся в памяти камеры. Режим ручного баланса белого необходим, если при освещении снимаемой сцены используется несколько источников света, если снимаемая сцена находится на улице, а съемка ведется изнутри помещения и при съемке в очень темном месте.

Иногда камеры позволяют выбрать один из трех режимов съемки: днем в облачный день; в солнечный день; при освещении вольфрамовой лампой.

1.4.5. Аналого-цифровое преобразование видеосигналов

Сигналы с выхода блоков ПЗС-матриц остались практически последними аналоговыми сигналами современной телекамеры.

АЦП осуществляет преобразование аналогового видеосигнала в цифровой, выбранной разрядности и частоты дискретизации, для дальнейшей цифровой обработки.

Оценим разрядность АЦП, применяемого в цифровых видеокамерах. Стандартный видеосигнал в соответствии с Рекомендацией Международного союза электросвязи МСЭ-Р ВТ.601-5 на выходе видеокамеры должен быть восьмиразрядным. В то же время к современным видеокамерам предъявляется требование передачи динамического диапазона по освещенности, как минимум в шесть раз превышающей номинальную. С учетом этого динамический диапазон АЦП должен быть, как минимум, на 2,5 разряда больше. С учетом нелинейности гамма-характеристики, требующей дополнительного четырехкратного усиления в черном, потребуется дополнительно еще два разряда. Таким образом, общая размерность АЦП должна была бы составлять 13 разрядов. Создание такого АЦП, работающего на частоте преобразования видеосигнала (13,5 МГц), является в настоящее время достаточно сложной задачей. Поэтому разработчики видеокамер идут по пути сжатия динамического диапазона за счет регулировки режимов матрицы ПЗС, используя метод изменения перегиба световой характеристики (Knee Correction), и обеспечения запаса по усилению в предварительном видеоусилителе (рис. 1.11).

Этими способами удается сузить динамический диапазон видеосигнала и ограничиться 10…12 разрядным АЦП. Учитывая, что в большинстве видеокамер используются три матрицы ПЗС – по одной на каждый из основных цветов – общее число АЦП в видеокамере равно трем (на каждый из цветоделенных сигналов).

В большинстве передающих телевизионных камер высокого разрешения используются АЦП конвейерного типа, обладающие высоким быстродействием.

Конвейерный АЦП (рис. 1.12) состоит из нескольких последовательных каскадов, число которых зависит от количества разрядов. С функциональной точки зрения отдельные каскады АЦП подобны, причем один каскад реализует только один или два разряда преобразования. Выходы каскадов объединены в

порт вывода. Каскад 1 выполняет выборку входного напряжения и первое грубое преобразование.

В результате находится значение единицы старшего разряда (ЕСР), которое поступает в первый фиксатор. Поскольку остаток от вычитания в первом каскаде преобразуется в последующих n каскадах, то значение ЕСР используется в n фиксаторах вплоть до завершения преобразования в последнем каскаде. Тогда все разряды данных фиксируются в выходном порту и доступны шине данных.

Рис. 1.11. Схема сжатия динамического диапазона световой

характеристики способом ее перегиба:

а) световая характеристика без сжатия динамического диапазона; б) световая характеристика со сжатым динамическим диапазоном

Рис. 1.12. Функциональная схема конвейерного аналого-цифрового преобразователя:

К – каскад; Ф – фиксатор; ЕСР – единица старшего разряда; ЕМР – единица младшего разряда

Рис. 1.13. Функциональная схема каскада конвейерного АЦП: ЦФ – цифровой фиксатор

Благодаря незначительным размерам и малой потребляемой мощности, конвейерная архитектура более подходит для телекамер с высоким разрешением, чем параллельные преобразователи.

Каждый каскад АЦП конвейерного типа состоит из усилителя выборки и хранения (УВХ), малоразрядных АЦП и ЦАП и суммирующего устройства, включая межкаскадный усилитель, а также цифрового фиксатора (рис. 1.13).

Преобразование в АЦП конвейерного типа начинается с выборки и хранения. Затем сохраненный входной сигнал с помощью АЦП первого каскада преобразуется в цифровой код, а с помощью ЦАП первого каскада преобразуется снова в аналоговый сигнал. Разность между выходом ЦАП и хранимым входным сигналом усиливается и поступает в следующий каскад, где этот процесс повторяется. В то время как первый каскад обрабатывает текущую выборку входного сигнала, выходной каскад обрабатывает усиленную разность с предыдущего каскада. Поскольку последовательные каскады одновременно работают с разностями предыдущих каскадов, то цифровые выходы каскадов соответствуют выборкам в разное время. Цифровые фиксаторы необходимы, чтобы синхронизировать выходы n-каскадов.

Главное преимущество конвейерных АЦП состоит в том, что они могут обеспечивать высокую производительность при умеренной сложности интегральных схем и малом потреблении энергии, благодаря параллельной работе n каскадов. Присущая им «задержка данных» вполне приемлема для применения в передающих камерах. На каждое преобразование требуются два основных такта, поскольку в конвейерном АЦП используются параллельные преобразователи. Поэтому максимальная производительность может быть достаточно высокой. После момента начала преобразования выходные данные, представляющие каждую следующую выборку, выводятся с каждым следующим тактовым импульсом.

В ЦПС производятся гамма-коррекция для обеспечения линейной сквозной градационной характеристики всего телевизионного тракта «от света до света», при необходимости цифровая стабилизация изображения и цветовая коррекция, с помощью которой производится подстройка баланса белого цвета под источник освещения. Линейное матрицирование, осуществляемое в ЦПС, позволяет корректировать цветовой фон в соответствии с творческими задачами оператора или режиссера, а также в зависимости от предпочтений телевизионной аудитории. Особенно это касается цветового тона лиц дикторов и артистов, участвующих в передаче. Цветовой корректор позволяет корректировать только эту область изображения, не затрагивая других цветовых деталей. В матрице цветности ЦПС из сигналов трех основных цветов формируется цветовой сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала (ER-Y) и (EB-Y), которые поступают затем на кодирующее устройство. После кодера соответствующие формату видеозаписи сигналы подаются на камерный модуль записи на карты памяти и выходные разъемы.

1.5.2. Гамма-коррекция в цифровом процессоре сигналов

Качество воспринимаемого зрителем телевизионного изображения во многом зависит от устройства воспроизведения. С целью более наглядного анализа принципов гамма-коррекции в передающих камерах рассмотрим конкретный частный случай, когда ТВЧ-изображение воспроизводится кинескопом, яркость которого изменяется нелинейно при различных значениях яркости объекта съемки.

Из рис. 1.15, а видно, что зависимость тока луча кинескопа от управляющего напряжения представляет собой экспоненту. Это означает, что темные части изображения объекта на экране телевизора будут выглядеть гораздо темнее, чем в действительности, а светлые будут гораздо ярче. Конечной целью телеви-

Рис. 1.15. К определению гамма-характеристики телевизионной системы:

а) модуляционная характеристика кинескопа; б) амплитудная характеристика телевизионной системы

Рис. 1.17. Структурная схема гамма-корректора

процессора. Реализация заданной кривой осуществляется путем запоминания в устройстве памяти RAM (Random Access Memory – память с произвольным доступом к записанной информации) необходимых коэффициентов an и bn и вычисления выходного сигнала y по формуле y = anx + bn.

Реализация этого алгоритма осуществляется гамма-корректором, схема которого изображена на рис. 1.17. Альтернативным методом формирования заданной выходной характеристики является табличный способ, когда в отдельных ячейках таблицы по адресам, определяемым входным сигналом х, хранятся выходные сигналы у. Недостатком такого метода является большой объем памяти, обусловленный необходимостью плавной регулировки гамма-коэффи- циента [2].

1.5.3.Цифровая апертурная коррекция и матрица цветности

Вбольшинстве видеокамер матрицы ПЗС красного и синего каналов смещены относительно матрицы ПЗС зеленого канала на половину элемента разложения. В цифровом апертурном корректоре производится интерполяция видеосигналов с выходов матриц ПЗС, позволяющая практически полностью исключить влияние эффектов дискретизации, снижающих разрешающую способность матриц ПЗС на предельных пространственных частотах, приближающихся к половине частоты дискретизации. Следует отметить, что этот же метод может быть применен для повышения разрешающей способности в вертикальном направлении. Для исключения влияния на разрешающую способность перегиба световой характеристики (Knee Correction) и гамма-регулировки, сигнал апертурной коррекции вводится и до, и после гамма-коррекции.

ЦПС открывает широкие возможности для цветовой обработки и коррекции изображения. После гамма-корректора и корректора перегиба световой характеристики располагается матрица цветности.

1.5.4. Блок управления цифровой видеокамерой

Для управления ЦПС и выполнения огромного числа служебных функций и регулировок в современной цифровой видеокамере используется специальный контроллер. В число функций, выполняемых этим устройством, входят:

автоматическая предустановка режимов;

автоматический контроль за уровнем пересвеченных областей;

управление интерфейсами связи с другими цифровыми аппаратами;

связь с блоком дистанционного управления.

Точность и стабильность работы цифровых узлов видеокамеры обеспечивают быструю и простую установку ее режимов, существенно облегчая работу оператора, позволяя ему сосредоточиться на решении творческих задач. Значительно упрощается работа с видеокамерой за счет использования дополнительной твердотельной карты памяти, в которой хранятся установочные параметры камеры. С помощью специального устройства, расположенного в видеокамере, эти параметры могут быть легко записаны или считаны и, при необходимости, перенесены на другие цифровые видеокамеры, снабженные такой же памятью.

Преимуществом цифровых технологий является то, что они обеспечивают практически абсолютную согласованность установочных параметров многокамерного комплекса, гарантируя полную идентичность формируемого видеосигнала изображению снимаемого объекта.

2. ОПТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕР

2.1.Разрешающая способность объективов

Вреальных оптических системах изображения точек получаются в виде некоторых фигур (кружков, эллипсов и т.п.) рассеяния с различным характером распределения яркости. Поэтому оптические системы не могут создавать изображений сколь угодно малых размеров, то есть имеют ограниченную разрешающую способность.

Под разрешающей способностью (силой) подразумевается способность оптической системы раздельно воспроизводить изображения мелких, близко расположенных деталей объекта (точек, линий и т.д.). Разрешающую способность, определяющую по существу лишь предельные возможности, следует рассматривать как первое, но весьма распространенное и доступное приближение к оценке свойств оптической системы по воспроизведению мелкой структуры изображений.

Разрешающая способность объективов определяется: а) точностью изготовления и сборки; б) остаточными аберрациями; в) дифракционными явлениями. В результате действия этих факторов происходит пространственное перераспределение световой энергии мелкоструктурных элементов, тем более существенное, чем выше действие указанных факторов. Поэтому анализ разрешающей способности объективов предполагает совместное рассмотрение геометрических и энергетических соотношений.

Ограничения, накладываемые на разрешающую способность остаточными аберрациями, точностью изготовления и сборки, могут быть, по крайней мере, теоретически, сведены до любого приемлемого минимума. Дифракционные же явления устанавливают определенный теоретический предел разрешающей способности. При прохождении света через оптическую систему, имеющую входной зрачок круглой формы, изображение точки приобретает вид центрального светлого кружка, охваченного чередующимися темными и светлыми кольцами. За предел разрешающей способности (согласно критерию Рэлея) принимается расстояние между изображениями двух близко расположенных точек, при котором максимум яркости центрального пятна в дифракционной картине одной точки приходится на минимум первого темного кольца второй точки. Тогда разрешающая способность, оцениваемая числом раздельно воспроизводимых элементов на единицу длины, будет определяться из выражения [6]: