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

По мнению специалистов ведущих фирм в области конструирования и изготовления передающих камер (Ikegami, JVC) КМОП-структуры быстро совершенствуются по таким параметрам, как отношение сигнал/шум, чувствительность, разрешающая способность. Поэтому ожидается, что в ближайшие годы на смену ПЗС-матрицам придут КМОП-датчики, которые обеспечат значительное снижение стоимости передающих камер при одновременном повышении их надежности, а также воспроизведение в приемных устройствах изображений более высокого качества и с большим разрешением.

Компания Thomson (Франция) разработала новейшую CMOS-матрицу Xensium для использования в высококачественных HD-камерах нового поколения. Разрешение видеоматрицы составляет 2,4 млн. пикселей. В сравнении с существующими сенсорами CCD и CMOS Xensium обладает более широким динамическим диапазоном, более высоким отношением сигнал/шум, а также потребляет меньше энергии.

Управляющая схема, входящая в состав чипа, позволяет производить считывание пикселей в произвольном порядке, а это значит, что чип одинаково хорошо поддерживает и чересстрочный и прогрессивный формат разложения. Дополнительно в состав чипа входит аналого-цифровой преобразователь со сниженным уровнем шумов и повышенной производительностью.

Сенсор Xensium HD размером 2/3 и разрешением 1920 1080 пикселей будет использован в линейке новейших видеокамер Cross Valley Infinity высокого разрешения.

5.10. Сравнение характеристик фотоприемных матриц ПЗС- и КМОП-типов

КМОП- и ПЗС-датчики изображения были изобретены в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века. Но лишь много позже Нобелевская премия по физике (2009 год) за исследование в области информационных технологий была присуждена Чарльзу Као, Уилларду Бойлу и Джорджу Смиту.

В ФПМ ПЗС-типа используется специальная технология для обеспечения транспортировки накопленных зарядов каждого пикселя в пределах чипа без искажений, которая позволяет изготавливать высококачественные сенсоры. АЦП, установленный на выходе устройства ДКВ, преобразует аналоговое значение заряда каждого пикселя в цифровое, необходимое для дальнейшей цифровой обработки сформированного видеосигнала. Для изготовления КМОПматриц применяется стандартная технология производства большинства микропроцессоров. КМОП-чипы могут быть изготовлены почти на любом стандартном кремниевом конвейере, поэтому они относительно недорогие по сравнению с ПЗС-датчиками. КМОП-устройства являются датчиками изображения с высокой степенью интеграции, которые объединяют в пределах чипа генераторы тактовых и синхроимпульсов, схемы программного управления, устройство аналоговой обработки сигнала и 10-разрядный АЦП. Подобная технология, часто называемая «камерой на кристалле», позволяет в значительной степени уменьшить габариты и потребляемую мощность сенсора в целом.

Существует несколько значимых различий между ПЗС- и КМОПдатчиками:

ПЗС-матрицы обеспечивают создание высококачественных изображений с низким уровнем шума;

ПЗС-датчики имеют 100% коэффициент заполнения, то есть они обладают более высокой чувствительностью;

ФПМ ПЗС-типа способны обеспечить намного более высокое разрешение, достигающее 3…16 и более мегапикселей на кадр;

ПЗС-датчики изображения, используемые в большинстве современных цифровых камер, в значительной степени более дорогостоящие и потребляют в несколько раз больше электроэнергии по сравнению с матрицами КМОПтипа;

КМОП-датчики являются более восприимчивыми к шуму;

каждый пиксель КМОП-матрицы содержит несколько транзисторов, поэтому часть падающих на датчик фотонов попадает на транзисторы, а не на фотодиоды. Следовательно, коэффициент заполнения КМОП-матриц далек от 100%, что сказывается на их относительно более низкой чувствительности, требующей большей длительности экспозиции. Для компенсации низкого значения коэффициента заполнения рекомендуется устанавливать миниатюрные прецизионные собирательные линзочки на каждый пиксель светочувствительной матрицы. В этом случае весь падающий на сенсор свет будет сконцентрирован в пределах светочувствительных областей матрицы;

КМОП-сенсоры обладают гораздо меньшим разрешением, достигающим примерно двух мегапикселей на кадр;

КМОП-датчики характеризуются малым энергопотреблением (10…50 мВт) и имеют в несколько раз более низкую стоимость изготовления по сравнению с ПЗС-устройствами. Ожидание снижения затрат по изготовлению КМОП-матриц путем совмещения функций основной КМОП-логики и устройств памяти не в полной мере оправдалось. Однако получение этих преимуществ с одновременным улучшением качества формируемого изображения, доступное в теории, на практике заняло гораздо больше финансовых ресурсов и времени на внедрение, чем прогнозировали;

КМОП-матрица имеет прямой цифровой выход, имеет небольшие размеры и мало дополнительных схем поддержки, достаточно проста при стыковке с другими приборами.

Из анализа основных характеристик светочувствительных матриц следует,

что ФПМ ПЗС-типа предпочтительнее использовать в тех случаях, когда качественные показатели сформированных изображений являются наиболее важными факторами, например, видео- и телевизионные камеры, биомедицинские приборы.

ФПМ КМОП-типа, в первую очередь, целесообразно применять в устройствах видеонаблюдения или компьютерной обработки изображений, где высокое разрешение вторично по сравнению со стоимостью матриц и степенью их интеграции.

Разработчики современных КМОП-сенсоров, озабочены получением изображения высокого качества, в первую очередь бóльшей разрешающей способности, а разработчики ПЗС-матриц – снижением мощности потребления и размеров самих матриц.

В настоящее время ни одна из вышеназванных технологий однозначно не превосходит другую.

6. НАКАМЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА ВИДЕОКАМЕР

6.1. Основные виды накамерного оборудования

Современные профессиональные видеокамеры представляют собой достаточно сложные и многофункциональные устройства. Однако подобно большинству средств видеопроизводства они не являются абсолютно самодостаточными системами. Для эксплуатации видеокамеры необходимо довольно большое число вспомогательного оборудования, часть которого может непосредственно устанавливаться на саму камеру, обеспечивая ее автономную работу и расширение круга задач, выполняемых оператором.

Основными видами вспомогательных накамерных устройств являются: источники света, аккумуляторные батареи, микрофоны, а также аппаратура беспроводной передачи аудиовизуальной информации.

Кобщим требованиям накамерного оборудования относится компактность

инезначительный вес, надежное крепление, не препятствующее быстрой замене приборов, простота в использовании и обслуживании, а также минимальное энергопотребление. Поскольку существует несколько типов соединений видеокамеры с аксессуарами, обычно для каждого устройства выпускается ряд переходных адаптеров. В последнее время благодаря применению микропроцессоров многие накамерные устройства интегрируются в общие системы контроля и управления видеокамерой (например, выдают данные о состоянии и режиме работы на видоискатель камеры).

6.2. Накамерные осветительные приборы

Накамерный световой прибор – одно из самых необходимых вспомогательных устройств, устанавливаемых на видеокамеру. Как бы ни были совершенны матрица ПЗС и способы обработки видеосигнала современной видеокамеры, в условиях недостаточной освещенности практически невозможно обеспечить получение высококачественного изображения без дополнительного освещения.

Существуют два основных типа накамерных световых приборов. Одни питаются от аккумуляторной батареи камеры, другие подключаются к отдельному источнику питания, например, аккумуляторному поясу оператора. Первые обычно оснащаются лампами с интегрированным отражателем, вторые – галогенными лампами с внешним отражателем [54].

Как правило, светильники с интегрированным отражателем имеют мощность порядка 20 Вт, обладая при этом наилучшими световыми характеристиками и высокой надежностью. В последнее время наибольшим спросом пользуются накамерные световые приборы Reporter 50 фирмы Sachtler и DLOB фирмы Dedolight. Светотехнические характеристики Reporter 50 обеспечивают съемку на расстоянии 1…4 м от освещаемого объекта. Световой прибор DLOB

позволяет проводить съемку на расстоянии 1…10 м. Основным недостатком светильников данного типа является невозможность фокусировки светового потока, поскольку встроенный в лампу отражатель просто не позволяет этого делать.

Всветовых приборах с автономным питанием появляется возможность использования ламп бóльшей мощности (до 100 Вт) с отдельным отражателем. Потребление энергии в данном случае возрастает, ресурсы батарей исчерпываются быстрее, но зато появляется возможность регулирования фокуса. Накамерные осветительные приборы с металлогалогенными лампами фактически применяются для подсветки объектов съемки в условиях дневного освещения.

Аккумуляторные пояса для накамерных источников питания изготавливаются многими фирмами. Например, аккумуляторный пояс фирмы Dedolight имеет емкость 8 Ач и оснащен встроенным зарядным устройством. Выходное напряжение 12 В может быть повышено до 14 В при установке в пояс двух дополнительных элементов питания. Последнее существенно повышает время работы видеокамеры и осветительного прибора в случае их совместной работы от аккумуляторного пояса.

Ряд моделей накамерных световых приборов (как с постоянным, так и с регулируемым фокусным расстоянием) имеют встроенные регуляторы яркости (диммеры). Такие модели удобнее в работе и несколько экономичнее: оператор может снижать энергопотребление, если нет необходимости в максимальном освещении.

К числу наиболее необходимых аксессуаров накамерных светильников относятся матовые фильтры, смягчающие световой поток и устраняющие резкие тени, конверсионные фильтры, изменяющие цветовую температуру (например,

с3200 К до 5400 К), а также шторки (у некоторых моделей они могут вращаться относительно оси светового потока).

Вновейших моделях накамерных осветительных приборов широко используются светодиоды. Несомненными плюсами применения светодиодов являются экономичность (отсутствие необходимости в замене ламп, так как срок службы светодиодов может достигать 100 тысяч часов), а также простота и надежность конструкции, что существенно продлевает срок эксплуатации осветительного оборудования в целом.

Например, компания Sachtler выпускает осветительный прибор для видеокамер Reporter 8LEDim. Из его названия нетрудно догадаться, что прибор содержит устройство регулирования светового потока (диммер). Диапазон изменения яркости в данном осветительном приборе составляет 100…30%, регулировка выполняется плавно, благодаря чему оператор получает именно тот световой поток, который необходим ему в конкретных условиях съемки. В процессе изменения яркости прибора от 100% до 30% (или обратно) цветовая температура светового потока остается неизменной, благодаря чему нет необходимости в корректировке баланса белого видеокамеры.

Осветительный прибор Reporter 8LEDim построен на базе современных светодиодов, за счет чего обеспечивает более экономичное использование энергии аккумулятора по сравнению с галогенными или газоразрядными лампами.