668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

фокусировки, а использование более громоздких средств видеоконтроля частично ограничивают мобильность работы оператора. Во-вторых, в случае работы с большими фокусными расстояниями (при сильном увеличении) точная фокусировка на движущихся объектах крайне затруднительна. В-третьих, требуется очень аккуратная работа с фокусирующими элементами объектива, что невозможно обеспечить при оперативных съемках или при неблагоприятных условиях, таких как сильный ветер или вибрации, вызванные, в частности, мощными звуковыми колебаниями. Таким образом, проблема обеспечения точной фокусировки является одной из важнейших для телевизионных операторов, а в большинстве случаев она просто мешает им выполнять свои прямые обязанности, как по формированию правильного композиционного решения, так и по корректному выбору экспозиции.

В общем случае фокусировка производится изменением промежутка между объективом и светочувствительной поверхностью матрицы ПЗС. Максимальное фокусировочное смещение объектива или матрицы ПЗС вдоль оптической оси zmax определяется из соотношения [6]:

ное расстояние до плоскости изображения; f – фокусное расстояние объектива. В современных телевизионных объективах и особенно в вариообъективах изображения фокусируются взаимным перемещением их оптических компонентов. Особенно это важно для объективов цветных телекамер, в заднем отрезке которых устанавливаются светоделительные призмы и изменение проме-

жутка между выходной линзой объектива и ФПМ нежелательно.

На практике можно использовать два способа фокусировки объективов ТВЧ: ручной и автоматический.

Ручное наведение на резкость осуществляется с помощью специального кольца фокусировки объектива. При этом резкое изображение объекта наблюдается через видоискатель с размером диагонали экрана от 2 до 7 дюймов (то есть от 51 до 178 мм), который, как правило, имеет разрешающую способность около 450 линий. Для телевидения стандартного разрешения этого достаточно, но для ТВЧ с разрешением 1080 линий в отмеченных условиях нельзя установить точную фокусировку.

Другим способом ручной фокусировки является установка объектива на гиперфокальное расстояние, при котором дальняя граница резкости находится в бесконечности, а ближняя – на половине гиперфокального расстояния. Обычно в телевизионной передающей камере есть переключатель, установленный на модуле трансфокатора и имеющий два положения: «М» – ручное управление фокусом и «S» – управление сервоприводом.

Необходимость устранения вышеназванных негативных факторов ручной фокусировки подтолкнула специалистов ряда фирм (Canon, Fujinon, NHK) к разработке эффективных способов автоматической фокусировки.

Механизм автоматической фокусировки оптической системы чрезвычайно важен, поскольку фокусировка, то есть получение четкого изображения снимаемого объекта, при работе с видеокамерой является одной из самых трудных операций. Однако благодаря оборудованию современных камер различными системами автофокусировки (AF – Auto Focus), которые бывают активными и пассивными, данная процедура видеосъемки весьма упрощается.

Система AF первого типа основана на принципе инфракрасной или ультразвуковой локации снимаемого объекта и измерения расстояния до объекта по отраженным от него сигналам. Специальный сигнал управления механизмом автофокусировки вырабатывается системой AF на основании этой информации.

Структурная схема инфракрасного устройства автофокусировки вариообъективов представлена на рис. 2.2 [9]. В данном случае маломощный источник 9 излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн через вспомогательный объектов 8 в направлении объекта наблюдения 1. Отраженная от объекта энергия источника 9 через второй вспомогательный объектив 2 попадает на приемник инфракрасного излучения 3, электрический сигнал с выхода которого поступает на микропроцессорный блок 6. С микропроцессорного блока на устройство 7 механической компенсации расфокусировки вариообъектива 4 подается управляющий сигнал. Микропроцессорный блок контролирует также уровень излучения инфракрасного излучателя. В процессе работы в микропроцессорный блок поступает информация с датчика фокусного расстояния вариообъектива. При этом происходит сравнение уровня инфракрасного излучения, прошедшего через объектив 2, с показаниями датчика фокусного расстояния. В зависимости от степени их расхождения формируется величина управляющего сигнала для устройства механической компенсации расфокусировки 7. Такой способ автофокусировки эффективен при расстояниях между телекамерой и объектами, не превышающих 13 м.

Однако лучшие результаты обеспечивает частотно-контрастный способ, относящийся к вариантам пассивной автофокусировки. В данном случае выполняется непосредственный анализ формируемого передающей камерой видеосигнала по контрастно-частотной характеристике (КЧХ) проецируемого в плоскость светочувствительной панели изображения. При этом фактически учитываются высокочастотные составляющие видеосигнала. Причем точная фокусировка фиксируется по максимальным значениям контраста мелких деталей, что соответствует наибольшим значениям амплитуды высокочастотных составляющих видеосигнала. Фирма Fujinon называет этот метод контрастным методом точной фокусировки.

В то же время рассмотренный способ фокусировки не обеспечивает точность наводки на резкость объективов камер ТВЧ. Это объясняется тем, что фокус системы фокусировки, содержащей линзовую группу, колеблющуюся вдоль оптической оси с высокой частотой, и КЧХ проецируемого в плоскость матрицы ПЗС изображения изменяются незначительно. Это не позволяет найти максимум контраста мелких деталей КЧХ и подобрать фокусирующую группу

Рис. 2.2. Структурная схема устройства активной автофокусировки вариообъективов передающих камер:

5 – призменный светоделительный блок с матрицами ПЗС

линз. При этом эффект «качания» изображения будет восприниматься как постоянное движение объектов наблюдаемой сцены, что затрудняет точную фокусировку. Естественно, чем сложнее будут условия съемок, тем более явным будет «качание» изображения.

Учитывая малую глубину резкости и высокую чувствительность к погрешности фокусировки в системах ТВЧ, такое проявление системы автофокусировки для профессионального применения неприемлемо.

Глубина резкости изображения прямо пропорциональна величине кружка расфокусировки δ (чем больше кружок расфокусировки, тем больше глубина резкости и тем легче выполнить фокусировку, не ухудшая качества изображения, и наоборот), то есть

= 2kδ,

где k – диафрагменное число, обратное по величине относительному отверстию объектива.

В камерах ТВЧ в отличие от телевизионных камер стандартного разрешения глубина резкости в пространстве изображений значительно меньше, так как допустимый кружок расфокусировки δ на матрице ПЗС камер ТВЧ меньше, чем на камере стандартного разрешения (например, для матрицы ПЗС размером 2/3" δ = 0,013 мм для камер ТВЧ и δ = 0,033 мм для камер стандартного разрешения).

Новым решением проблемы фокусировки объективов телекамер ТВЧ на основе частотно-контрастного метода стала система точной автофокусировки

PFAS (Precision Focus Assist System), разработанная фирмой Fujinon совместно с японской вещательной корпорацией NHK. Суть идеи реализованной в PFAS состоит в следующем: при точной фокусировке изображения, проецируемого в плоскость матрицы ПЗС, КЧХ будет максимальной. Если же плоскость фокусировки проецируемого изображения будет располагаться до или после плоскости матрицы ПЗС, значение КЧХ в области высоких пространственных частот будет уменьшаться. Поэтому разработанное устройство автофокусировки обеспечивает резкость изображения объекта, точно в плоскости матрицы ПЗС, используя принцип равенства КЧХ для заданной глубины резкости в пространстве изображений [10].

Устройство точной автофокусировки, встроенное в объектив камеры, состоит из полупрозрачного зеркала, которое направляет часть (около 20%) светового пучка в дополнительную светоделительную призму. Изображения объекта после этой призмы фокусируются в плоскости двух матриц ПЗС (А и В), перед которыми установлены зеленые светофильтры (контроль фокусировки осуществляется в основном канале G). Причем сфокусированные на матрицах ПЗС изображения соответствуют ближней А и дальней В границам резко изображаемого пространства объектов. Если наблюдаемый объект находится далеко (за границей резкости рассматриваемого пространства), то значение контраста мелких деталей проецируемого изображения в плоскость матрицы ПЗС В больше, чем на ПЗС матрице А. В случае близкого расположения наблюдаемого объекта (ближе границы А) значение КЧХ изображения на ПЗС матрице А больше, чем на ПЗС матрице В. Точная фокусировка обеспечивается при равенстве КЧХ изображений, проецируемых на ПЗС матрицы А и В (рис. 2.3, 2.4).

Система PFAS может включаться или выключаться оператором в зависимости от конкретной ситуации. Иногда необходима ручная фокусировка для приведения объекта съемки в центр изображения, а затем оператор включает точную фокусировку. Такой способ переменной фокусировки удобен для спортивных передач, когда затруднена фокусировка в режиме телесъемки.

Рис. 2.3. Зависимость контраста мелких деталей в воспринимаемом изображении от степени фокусировки

Рис. 2.4. Оптическая схема системы фокусировки PFAS

Предусмотрено два режима работы системы PFAS: длительный и мгновенный. В длительном режиме фокусировка выполняется независимо от оператора. Такой режим нежелателен, когда объект выходит за пределы фокусируемой области, и фокусировка в этом случае будет вестись по заднему плану. Чтобы этого избежать, надо снова ввести объект в поле видоискателя и тогда фокусирующий блок по требованию оператора произведет фокусировку.

Заканчивая рассмотрение системы точной автофокусировки объективов PFAS, сформулируем основные ее достоинства:

фокусировка выполняется достаточно быстро и точно (единственное ограничение – рабочая скорость сервопривода фокусировки);

фокусировка сохраняется во всем диапазоне изменения фокусных расстояний;

параллакс между центром изображения на матрице телекамеры и измеренным на матрицах А и В отсутствует;

область фокусировки видна в видоискателе, и оператор может сконцентрироваться на получении высококачественного изображения;

объект съемки, движущийся относительно объектива (от объектива или к объективу), может удерживаться в фокусе вне зависимости от масштабиро-

вания. Дополнительно при наклоне или панорамировании оператор может следить за фокусом и объектом, поскольку камера движется вместе с контроллером.

Для решения задачи точной автофокусировки объективов телекамер компанией Canon был разработан оригинальный метод анализа разности фаз, отличающийся от предположенного фирмой Fujinon способа линейного анализа контрастности изображения [11].

Принцип работы системы автофокусировки, разработанной компанией Canon, основан на использовании специальной схемы с двумя дополнительными сенсорами, интегрированными в объектив (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Конструкция объектива с датчиками автофокусировки, разработанная компанией Canon

В группу оптических элементов объектива добавляется специальная призма, направляющая около половины проходящего через объектив светового потока на два дополнительных сенсора. Таким образом, дополнительно создаются две копии основного, проецируемого объективом на матрицы ПЗС изображения. Поэтому степень фокусировки изображений на матрицах ПЗС телекамеры и на дополнительных сенсорах (датчиках автофокусировки) будет одинаковой

(рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема формирования изображения на датчиках автофокусировки

Когда главный объект в воспринимаемом объективом изображении сфокусирован, то каждая из точек данного объекта, будучи спроецированной на все три сенсора телекамеры, имеет одинаковый размер проекции на каждом из них, а также располагается точно в центре обоих дополнительных сенсоров (рис.

2.7).

При этом расстояние между сфокусированными изображениями отдельных элементов объекта на датчиках (сенсорах) автофокусировки величина постоянная, определяемая конструктивными особенностями устройства фокусировки.

Рис. 2.7. Схема формирования трех изображений рассматриваемого объекта – основного и двух вторичных (на датчиках автофокусировки)

Для примера на рис. 2.8 приведены схемы различных возможных вариантов установки фокуса: за требуемой плоскостью формирования изображения (рис. 2.8, а), точно в требуемой плоскости (рис. 2.8, б) и перед плоскостью (рис. 2.8, в).

Из рис. 2.8 видно, что именно по расстоянию между сфокусированными точками объекта наблюдения на вторичных сенсорах телекамеры и определяется степень фокусировки объектива в целом. На рис. 2.9 показано расположение сфокусированных точек на дополнительных сенсорах в зависимости от состояния фокусировки.

Из сравнения рис. 2.8 и 2.9 можно видеть, что в случае точной фокусировки объектива расстояние между выбранными точками на сенсорах автофокусировки равно определенному значению Df, если фокусировка смещена за плоскость изображения, то расстояние между точками Dl (Dl > Df), а если она находится перед плоскостью изображения, то получается расстояние Ds, причем Ds < Df. Благодаря этому система автофокусировки может оперативно определить направление смещения фокусирующих элементов объектива, что значительно повышает быстродействие системы в целом.

Рис. 2.8. Оптические схемы различных вариантов установки фокуса

Рис. 2.9. Схема сравнения расстояний между сфокусированными точками на сенсорах автофокусировки

Поэтому можно говорить о наиболее эффективном анализе степени фокусировки по расположению выбранных точек объекта наблюдения на поверхности вторичных сенсоров.

Особо следует отметить тот факт, что изображения на дополнительных сенсорах формируются потоками света малой интенсивности, поэтому имеют бóльшую глубину резкости в сравнении с глубиной резкости основного изображения. Это позволяет обеспечить видимость границ объектов, размытых в основном изображении, что особенно актуально при работе с большим фокусным расстоянием и в неблагоприятных погодных условиях (туман, дождь, пыль).

Исходный кадр может содержать большое количество объектов съемки, которые при этом могут еще и перемещаться относительно друг друга. В такой ситуации следует определить объект интереса (на котором нужно сфокусироваться) и «проинформировать» об этом систему. Эта задача решается посредством выбора области автоматической фокусировки, определяемой и устанавливаемой непосредственно оператором.

Выбранную область автофокусировки можно легко переместить вручную в любую область кадра, а также оперативно изменить ее размеры.

Учитывая высокую частоту обновления телевизионного изображения (кадровую частоту), необходимо обрабатывать поступающие данные с еще более высокой скоростью, поэтому в системе автофокусировки фирмы Canon используются достаточно мощные процессоры и специальный алгоритм прогнозирования, основанный на анализе векторов перемещения объектов наблюдаемой сцены.

Трансфокация (масштабирование). Изменение угла поля зрения вариообъектива одновременно с трансфокацией производится сервоприводом, включаемым переключателем на оптическом модуле видеокамеры или телекамеры. Эту операцию можно выполнить и вручную с помощью рычага трансфокатора, непосредственно являющегося функциональным элементом объектива. Выбор типа операции производится переключателем с маркировкой «М» (ручная) и «S» (сервопривод).

Установка диафрагмы. Открывая или закрывая диафрагму объектива (изменяя его апертуру), мы регулируем количество света, попадающего на матрицу ПЗС. Регулировка диафрагмы количественно оценивается диафрагменным числом k, которое показывает, какое количество света может пройти через объектив. Оно прямо пропорционально фокусному расстоянию и обратно пропорционально диаметру апертуры объектива. При заданном фокусном расстоянии чем больше апертура объектива, тем меньше число k и тем ярче получаемое изображение. Совокупность чисел k, указываемых на корпусе объектива в качестве меток для регулировки диафрагмы, представляет собой последовательность, где каждое следующее значение больше предыдущего в 2 (1,414) раз: 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Например, при установке диафрагмы на метке 2 для объектива с фокусным расстоянием 50 мм мы будем иметь апертуру в 25 мм. Закрывая диафрагму до значения 4, мы уменьшим количество света, проходящего через объектив, вдвое. При раскрывании диафрагмы до уровня 1,4 количество проходящего света увели-

чивается. Объективы разных конструкций могут иметь разную конфигурацию элементов и линзы из разного стекла. Из-за этого при одинаковых установках диафрагмы они будут пропускать разное количество света.

На объективах некоторых конструкций диафрагменное число k обозначается символом F или f.

Режим управления диафрагмой выбирается переключателем на три положения: «М» (ручное); «А» (автоэкспозиция, с электронным управлением) и «R» (дистанционное, когда параметрами изображения, получаемого от телекамеры, управляют из другого места, где его согласовывают с изображениями от других камер, снимающих одно и тоже событие, или с эталонным изображением, после чего вырабатывается сигнал управления диафрагмой). В камерах последних лет выпусков стали применять цифровые системы регулирования, причем, если ранее обрабатывалась средняя освещенность снимаемой сцены, и сильное влияние оказывала освещенность заднего плана, то в современных камерах управление диафрагмой осуществляется на основе измерения освещенности различных участков проецируемого на матрицу ПЗС изображения.

На практике автоматическая установка диафрагмы плохо реагирует на внезапные резкие изменения яркости или контрастности получаемого изображения. Это происходит при быстрой трансфокации («наезде») вариообъективом или при резком включении внешнего источника света. Предвидя возможность подобных моментов, следует заранее установить регулятор в положение ручной настройки диафрагмы.

2.4. Конструктивные особенности светоделительных систем современных телекамер

В передающих камерах цветного телевидения необходимо одновременно проецировать цветоделенные изображения на светочувствительные поверхности одной или нескольких ФПМ. Благодаря применению в современных теле- и видеокамерах малогабаритных преобразователей свет-сигнал, а также разработке вариообъективов с удлиненным задним отрезком стало возможным в качестве светоделительной системы использовать призменные блоки в совокупности с дихроическими зеркалами и коррекционными фильтрами.

Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком представлена на рис. 2.10 [12]. Работа такой оптической системы отличается простотой и состоит в следующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через общий нейтральный или приводной светофильтр (который ставится в случае избытка света), падает на светоделительные слои 4, нанесенные на грани призм 3 в местах расщепления светового луча, и вследствие избирательного отражения и пропускания образует цветоделенные изображения на светочувствительных поверхностях ФПМ 6. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани призм в непосредственной близости от ФПМ.