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

Функциональные возможности видеокамер в настоящее время расширяются благодаря успехам микроэлектроники. Появились встроенные системы синтеза титров, электронного монтажа, дополнительного озвучивания и др. Улучшились сервисные возможности видеокамеры, вплоть до встроенных систем диагностики неисправностей.

С точки зрения эргономики разработка конструкции каждого узла камеры, начиная от формы корпуса и заканчивая интуитивно понятным интерфейсом управления, должна быть направлена на обеспечение максимального комфорта оператору и на получение высококачественного визуального материала в любых условиях съемки.

Особо следует заметить, что требования к большинству параметров, как студийных телевизионных камер, так и камкордеров практически идентичны. Изменения, а если быть более точным – дополнения, касаются фактически только используемых адаптеров и интерфейсов.

3.3. Конструктивные особенности современных видеокамер

Видеокамера состоит из нескольких основных функциональных узлов: объектива, камерной головки, устройства записи на твердотельные карты памяти и блока управления (рис. 3.1).

Вариообъектив видеокамеры представляет съемную оптико-механическую конструкцию, призванную формировать изображение повышенной разрешающей способности и с наименьшими искажениями. Объективы имеют регулируемые диафрагму, фокусировку и трансфокатор, а также позволяют осуществлять смену светофильтров. В последнее время повышенные требования к качеству изображения привели к появлению в профессиональных оптических системах стабилизатора изображения. Объектив жестко крепится к основной части видеокамеры – камерной головке, осуществляющей преобразование свет-сигнал, обработку изображения и звука.

Световой поток, отраженный от какого-либо объекта съемки, находящегося перед камерой, фокусируется и попадает в светоделительный блок камерной головки, содержащий также цветные коррекционные светофильтры. Светоделительный блок делит весь спектр на красную (R), зеленую (G) и синюю (B) составляющие, после чего они соответственно поступают по трем различным каналам на фотоприемные матрицы (ФПМ).

Рис. 3.1. Функциональная схема видеокамеры:

1 – объектив; 2 – камерная головка; 3 – блок управления; 4 – модуль записи аудиовизуальной информации

Втелевизионном вещании высокой четкости в настоящее время широкое применение нашли ФПМ двух типов: во-первых, это самые высококачественные и дорогостоящие матрицы на приборах с зарядовой связью, то есть ПЗСтипа; во-вторых, КМОП-матрицы, имеющие структуру комплементарный ме- талл-окисел-полупроводник, для обозначения которых в зарубежной литерату-

ре используется аббревиатура CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconduc- tor. КМОП-матрицы имеют значительно меньшую стоимость и позволяют формировать высококачественные телевизионные изображения с разрешением, не уступающим матрицам ПЗС. ФПМ осуществляют пространственную дискретизацию цветоделенных изображений, поэтому в соответствии с теоремой Найк- виста-Котельникова для исключения интермодуляционных искажений (элайзинга – aliasing), являющихся результатом недостаточной дискретизации (выборки производятся очень редко), спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте, менее или равной половине частоты дискретизации. Для этой цели применяют фильтр низких пространственных частот (ФНПЧ). Поскольку некоторые ФПМ имеют максимальную чувствительность в инфракрасной (ИК) области спектра, в оптическую часть видеокамеры, как правило, входит фильтр ИК отсечки. Устройство оптической части видеокамеры иллюстрируется рис. 3.2.

Структурная схема камерной головки представлена на рис. 3.3 [37].

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. Однако в некоторых моделях видеокамер японской фирмы Ikegami применяются четыре матрицы ПЗС [38]. 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. Цветоделительный блок в совокупности с ФПМ являются самым дорогим узлом видеокамеры.

Рис. 3.2. Конструкция оптической части видеокамеры

Рис. 3.3. 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

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 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.

Всовременных 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 раз-

мером 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 байт). 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 [36]. 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 стандар-

том – это карта PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – Международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров). В настоящее время карты PCMCIA имеют название PCCard, 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.

Система управления видеокамерой обеспечивает 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;

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 контролируется 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. 3.4 [39].

Рис. 3.4. 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