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

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 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.

3.4.Аналоговая обработка видеосигналов в телекамерах

3.4.1.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. 3.5, 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

Рис. 3.5. Осциллограммы сигналов в основных точках матрицы ПЗС и схемы ДКВ

Рис. 3.6. Структурная схема устройства ДКВ

схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) или, в английской интерпре-

тации, CDS (Correlated Double Sampling) (рис. 3.6) [37]. Название схемы про-

изошло от используемого метода двойной выборки зарядового сигнала ПЗС. 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 вы-

Рис. 3.7. Принципиальная схема устройства двойной коррелированной выборки с усилителями выборки и хранения

ходе схемы ДКВ получим значение сигнала без шума Uс. Таким образом, использование схемы ДКВ позволяет устранять шумы сброса, обусловленные сопротивлением канала полевого ключа сброса, бóльшую часть низкочастотных 1/f – шумов мерцания и теплового (белого) шума.

Принципиальная схема устройства ДКВ представлена на рис. 3.7. 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.

3.4.2. 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.

3.4.3. 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

Рис. 3.8. Световая (передаточная) характеристика матрицы ПЗС

этого уровня камера формирует уровень черного видеосигнала (рис. 3.8). 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. 3.8). Изменения яркости объектов съемки будут отражены в видеосигнале, только если отраженный от них свет по уровню попадет между уровнями черного и белого.

Рис. 3.9. Световая характеристика матрицы ПЗС с фиксированной точкой перегиба

Рис. 3.10. 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) [37]. Данная операция называется методом изменения перегиба световой характеристики матрицы ПЗС (рис. 3.9, 3.10). 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.

3.4.4. 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.