Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Собственно видеокомпрессия на базе Вейвлет-преобразования в принципе осуществляется так же, как и компрессия на базе ДКП. Компоненты видеосигнала, полученного после Вейвлет-преобразования, подвергаются квантованию и энтропийному кодированию.

Однако Вейвлет-преобразование не требует формирования блоков отсчетов, поэтому артефакты видеокомпрессии на его основе более «естественны», то есть выглядят менее чужеродными на типичных изображениях, чем, например, блочная структура в виде просвечивающей через изображение «шахматной доски».

При небольших степенях компрессии преимущества компрессии на базе Вейвлет-преобразования не столь заметны. Кроме того, она более сложна с точки зрения технической реализации, чем ДКП.

Уникальные свойства дискретного Вейвлет-преобразования уже нашли применение в новом стандарте сжатия статических изображений JPEG-2000. Это эффективное кодирование с низкими битовыми скоростями (ниже 0,25 бит/элемент), адекватное сжатие сигналов с разной битовой глубиной, возможность сжатия без потерь, прогрессивное представление с пошаговым увеличением разрешения, возможность избирательного доступа к отдельным частям изображения, устойчивость к ошибкам в канале связи, кодирование в реальном масштабе времени.

Часть II. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

3.СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

3.1.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 электронов относительно числа квантов падающего на светочувствительную поверхность трубки светового потока) и т.д. Все они имели ряд серьезных

недостатков – большие габариты, сложную систему управления электронным лучом, низкую квантовую эффективность (на уровне 5...10%), малый динамический диапазон и т.д., которые препятствовали микроминиатюризации телевизионной передающей аппаратуры.

Первые телевизионные камеры были созданы в 1936 году. Развитие профессиональных телевизионных камер шло по двум основным направлениям: сокращение габаритов и массы камеры и совершенствование преобразователей свет-сигнал.

В1950 году был разработан новый тип вакуумного преобразователя свет- сигнал-видикон, что позволило в значительной степени уменьшить размеры телевизионного оборудования.

Первые цветные камеры появились в США во второй половине 50-х годов прошлого столетия, а в Европе – в начале 60-х годов, и являлись намного более сложными устройствами по сравнению с черно-белыми камерами, так как использовали три, а в некоторых случаях и четыре преобразователя свет-сигнал. Поэтому их размеры и масса были значительно увеличены.

В1965 году сотрудниками фирмы Philips был изобретен вакуумный преобразователь плюмбикон, который заложил основу для создания более компактных цветных камер.

Появление в 1970 г. приборов с зарядовой связью (CCD – Charge Coupled Device – таково международное обозначение ПЗС) явилось решающим поворотным этапом в процессе разработки и конструировании телевизионных камер.

Приборы с зарядовой связью можно применять для создания преобразователей свет-сигнал с числом элементов разложения, соответствующим стандарту телевизионного вещания.

Долгое время широкому использованию ПЗС-приемников в телевизионной технике препятствовали недостатки в технологии изготовления светочувствительных элементов – кристаллических слоев необходимого размера. Светоприемная область была неоднородна по квантовому выходу, наблюдалась заметная геометрическая нестабильность (плавающее низкое разрешение), присутствовали разного рода шумы как на малых масштабах (от пикселя к пикселю), так и на больших пространственных масштабах (в пределах 10…1000 пикселей). Требовалось дальнейшее совершенствование способов создания ПЗС, а также развитие сопутствующих электронных средств.

Первая видеокамера на трех матрицах ПЗС BVP-5 была выпущена на рынок в 1986 г. фирмой Sony. Эта камера стала альтернативой существовавшим на тот период времени вещательным телевизионным камерам на электроннолучевых трубках (ЭЛТ). Спустя пять лет камеры на матрицах ПЗС начали вытеснять своих трубочных собратьев в большинстве случаев применения, сначала в области видеожурналистики, а затем и других, например, в студийном производстве.

Быстрому внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие громоздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ, элементов конструкции позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению с камерами, использующими пере-

дающие трубки. Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника телевизионных камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность, что в свою очередь позволило продлить срок использования аккумуляторных батарей в условиях внестудийной съемки. Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность телевизионных камер, их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с такими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры. В матрицах ПЗС отсутствует микрофонный эффект, они не чувствительны к магнитным полям, что выгодно отличает их от трубок. Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеизображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. Если в обычной телевизионной камере электронно-лучевая трубка в рабочем состоянии воспринимает на мишени значительное количество света, а это часто происходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или студийный осветительный прибор), то это приводит к искажению информации о средней яркости сцены. Однако в случае использования твердотельной передающей камеры все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточного опыта проведения телевизионной съемки. ПЗС обладают бóльшей разрешающей способностью.

Отношение сигнал/шум в камерах на ПЗС также значительно выше, чем у трубочных камер. Более того, в ряде случаев, например, при съемке программ новостей, телевизионной камере на ЭЛТ начинают существенно мешать искажения в виде тянущихся шлейфов за яркими объектами (уличными фонарями и т.п.) что, безусловно, портит изображение и общее впечатление от снятого материала. Такие искажения исключены в камерах на ПЗС, которые формируют высококачественное изображение даже от ярко освещенных объектов. Например, по краям окна не появятся, как это бывает при использовании трубочных камер, цветные окантовки, связанные с искривлениями отклонения электронных лучей.

Вцелом, телевизионные камеры требуют регулярной прецизионной установки таких параметров, как регулировка тока луча (усиления), геометрия растра, совмещение лучей и других. Камеры на матрицах ПЗС практически не нуждаются в каких-либо регулировках, обеспечивая постоянство качества изображения в течение всего срока пользования, что, в общем, характерно для полупроводниковых приборов. Безусловно, важнейшей особенностью ПЗС является исключительно высокая долговечность – более 25 000 часов непрерывной работы.

Внастоящее время вакуумные преобразователи свет-сигнал (передающие трубки с внутренним фотоэффектом – видиконы, плюмбиконы, сатиконы, кремниконы и другие) в основном применяются в передающих камерах специ-

ального назначения, имеющих в большинстве случаев прикладной характер. В силу специфических свойств передающих трубок подобные телевизионные камеры иногда используются в промышленном производстве, в научных исследованиях. В системах телевизионного вещания в подавляющем большинстве случаев применяются камеры на матрицах ПЗС.

Первоначально для съемки вещательных программ использовались телевизионные камеры, сигнал которых записывался на конструктивно удаленный видеомагнитофон. Такой принцип применялся как при производстве студийных передач, так и при репортажных съемках. Основной причиной были значительные масса и габаритные размеры телевизионных камер и видеомагнитофонов. Например, в случае проведения внестудийных передач телевизионные камеры коаксиальным кабелем соединялись с передвижной телевизионной станцией (ПТС), откуда сформированный сигнал ретранслировался по радиорелейной линии на телецентр или осуществлялась его запись непосредственно на ПТС.

Разработка твердотельных полупроводниковых матриц на ПЗС, новых кассетных форматов видеозаписи и широкое внедрение микроэлектроники привели к появлению первых видеокамер, то есть устройств, включающих в себя телевизионную камеру и видеомагнитофон. Объединение двух слов camera и recorder дало используемое во всем мире название таких устройств – камкордер (camcorder), которое в последнее время широко применяется и в России. По конструкции используемые видеокамеры подразделяются на разъемные и неразъемные, то есть моноблочные.

На сегодняшний день телевизионные вещательные камеры продолжают выпускаться – они широко используются для студийных съемок крупными телецентрами и обеспечивают максимальный уровень качества формируемого на приемном конце цветного изображения, превышающий вещательные стандарты. Но все большее число телекомпаний, формируя состав оборудования, уделяет особое внимание его многофункциональности и поэтому даже для студийных съемок отдают предпочтение видеокамерам, используя одни и те же камеры и в качестве телевизионного журналистского комплекта (ТЖК). Производители видеооборудования для удовлетворения такого спроса разработали телевизионные камеры с пристыковываемым накамерным рекордером, расширили функциональные возможности камер, повысили их качественные показатели.

Камеры, используемые при производстве телевизионной вещательной продукции, принято делить на вещательные и профессиональные. Подобная классификация применяется японскими фирмами-производителями телевизионной аппаратуры непосредственно в системах маркировки камер. Так, марку BVP фирма Sony использует только для вещательных телевизионных камер. Аналогично действует Panasonic – марка AQ и Ikegami – НК (для студийных) и HL (для портативных). Соответственно, для профессиональных камер приме-

няются марки DXC (Sony), WV-F (Panasonic), HC (Ikegami).

Вещательные камеры обеспечивают наивысшие качественные показатели и используются на крупных телецентрах, а профессиональные камеры выпускаются с ориентацией на средние и малые телецентры и студии. Однако, такое деление довольно условно, поскольку использование цифровых технологий при