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

3.5. Цифровая обработка видеосигналов в телекамерах

3.5.1. Особенности функционирования цифрового процессора сигналов

Во всех современных студийных камерах применена исключительно цифровая обработка сигналов с выходов предусилителей блока ПЗС-матриц.

Назначение и работу ЦПС рассмотрим на примере процессора первой полностью цифровой видеокамеры фирмы Sony (рис. 3.14) [37].

Задачей цифровой обработки является такая обработка сигналов трех основных цветов (цветоделенных сигналов), поступающих с трех АЦП, при которой обеспечиваются высокая разрешающая способность, широкий динамический диапазон, верность цветопередачи и высокая надежность работы видеокамеры.

Высокая разрешающая способность воспроизводимого на телевизионном экране изображения обеспечивается использованием в телекамере матриц ПЗС с большим числом элементов разложения и сложным алгоритмом цифровой апертурной коррекции, учитывающим интерполяцию трех видеосигналов, полученных с двух матриц ПЗС синего и красного каналов, сдвинутых относительно матрицы ПЗС зеленого канала в горизонтальном направлении на половину элемента разложения (подобный способ обработки видеосигналов является достаточно эффективным при борьбе с помехами дискретизации).

Для исключения эффекта элайзинга тактовая частота, на которой работает ЦПС, выбирается в два раза больше частоты считывания информации с матрицы ПЗС, то есть 36 МГц. Для исключения циклических ошибок при масштабировании сигналов в цепях ЦПС осуществляется, как минимум, 14-разрядная, а в последних моделях камер 22-разрядная цифровая обработка, и с каждым годом, благодаря совершенствованию технологических процессов производства больших интегральных схем, разрядность цифровой обработки повышается. Особенно важна высокая разрядность при нелинейной обработке сигналов, например, при гамма-коррекции.

Рис. 3.14. Функциональная схема цифрового процессора сигналов

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.

3.5.2. 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. 3.15, 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. 3.15. К определению гамма-характеристики телевизионной системы:

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

зионной передачи является показ объекта таким, какой он есть. Чтобы добиться этого, нужно скорректировать нелинейность, вносимую электронным лучом кинескопа. Функцию, определяющую связь между соотношением яркостей исходного объекта Lоб и яркостей его изображения Lиз, принято называть гаммафункцией системы передачи изображения, то есть Lиз сlLобрез , где сl – коэффициент пропорциональности.

Для получения значения показателя степени γрез, равного 1 (то есть линейного соотношения между яркостями исходного и воспроизведенного изображений, на рис. 3.15, б требуемая зависимость отображается прямой линией), в видеокамере должен генерироваться сигнал, компенсирующий яркостные искажения, вносимые кинескопом. Нелинейные свойства кинескопа характеризуются показателем степени γкин, равным 2,4. Так как γрез = γкин·γкам = 1, то показатель степени нелинейной световой характеристики видеокамеры γкам должен быть равным 0,42. Фактически γкам устанавливается равным 0,44…0,45. В этом случае γрез 1,1. Небольшое превышение показателя степени γрез относительно 1 предназначено для компенсации внешней засветки экрана кинескопа. При этом в видеокамере должна быть предусмотрена возможность изменения показателя нелинейности γкам в зависимости от условий и задач видеосъемки. Применение гамма-коррекции понижает уровень шумов на темных частях изображения. В некоторых камерах предусмотрена возможность введения гаммакоррекции на отдельных участках изображения, соответствующих определенному цветовому диапазону, и изменения их оттенков и насыщенности, при этом параметры остальной части изображения остаются прежними.

Одним из способов получения кривой, соответствующей требуемой гаммахарактеристике видеокамеры, является использование кусочно-линейной аппроксимации, что иллюстрируется рис. 3.16, из которого видно, что в области малых освещенностей (значение координаты х мало) коэффициент усиления видеотракта камеры существенно больше, чем в области средних и, тем более, больших значений видеосигналов на выходе матрицы ПЗС. Пропорционально увеличению коэффициента усиления расширяется и разрядная сетка цифрового

Рис. 3.16. Схема получения требуемой гамма-характеристики способом кусочно-линейной аппроксимации

Рис. 3.17. 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. 3.17. 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 [37].

3.5.3.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.

3.5.4. 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.