Передающая телевизионная камера, видеокамера

Телевизионная передающая камера, телекамера – это устройство для преобразования информации о распределении светотеней в видеосигнал. Упрощенная структурная схема черно - белой видеокамеры включает объектив, передающую телевизионную трубку, генератор строчной развёртки, генератор кадровой развёртки и видеоусилитель. Цветные камеры содержат три передающие телевизионные трубки, которые формируют сигналы, соответствующие трем основным цветам – красному, зелёному и синему. Разделение света производится цветоделительной оптической системой, выполненной в виде многогранной призмы, покрытой дихроическими плёнками или дихроическими зеркалами.

Принцип работы этих зеркал основан на интерференции (сложении различных длин волн) света в тонких пленках. Свет, попадая на первую дихроическую поверхность, разделяется в соответствии со спектральной характеристикой покрытия: синяя составляющая отражается и попадает на вторую отражающую грань призмы и направляется на передающую трубку синего канала. Свет, прошедший дихроическую поверхность первой призмы, попадает на дихроическую поверхность второй призмы, отражающую вторую цветовую (зеленую) составляющую изображения. Эта составляющая после полного внутреннего отражения на второй поверхности призмы попадает на передающую трубку яркостного канала. Третья цветовая составляющая белого света проходит прямо на передающую трубку красного канала.

Цветоделительная система располагается между объективом и светочувствительным элементом трубки. Видеосигналы с трубки усиливаются и подаются по кабелю на так называемый камерный канал и кодирующее устройство, в которых завершается формирование телевизионного сигнала.
В цветной камере имеются устройства для точного геометрического совмещения (вручную или автоматически) изображений, формируемых тремя телевизионными трубками.

Состав блоков в вещательных камерах существенно различается и зависит от функционального назначения камеры. Если камера работает в составе репортажной телевизионной установки, то в самой камере должно обеспечиваться только предварительное усиление сигналов, полученных от трубок, а в камерном канале должны быть предусмотрены средства обработки сигналов. Если же назначение камеры – полное формирование сигнала для ввода в стандартную вещательную систему (иногда с промежуточной записью), вся обработка сигналов должна входить в камеру.

Своим появлением современные видеокамеры обязаны развитию твердотельных светоприемников. Известно, что первыми приемниками такого класса были фотодиоды. Благодаря их появлению был сделать огромный скачок в области регистрации света и изображений. В качестве примера можно привести удачную регистрацию с помощью фотодиода явления солнечного затмения, наблюдавшегося берлинскими учеными в Египте еще в 1911 году. Однако основной недостаток фотодиодов – одноканальность – не позволил им найти широкого применения.

С конца 30 - х годов ХХ века появились электронно - лучевые трубки (ЭЛТ), завоевавшие к концу 70 - х годов ХХ века лидирующее положение в телевидении. Однако они имели ряд серьезных недостатков: большие габариты и массу, инерционность преобразования, высокие питающее напряжение и потребляемую мощность, невысокую долговечность и прочность, чувствительность к магнитным полям и многое другое.

Революционное изменение ситуации произошло в связи с применением приборов с зарядовой связью (ПЗС). Вначале ПЗС применялись как более эффективные многоканальные заменители фотодиодов в исследовательских сферах деятельности - ядерной физике, астрофизике, химической физике, но с 1975 года по мере развития технологии производства ПЗС и сопутствующих электронных средств началось их активное внедрение в качестве телевизионных светоприемников. В 1989 году ПЗС - светоприемники применялись уже в подавляющем большинстве телекамер.

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС - матрицы. Принцип работы ПЗС - матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент имеет свойство накапливать заряды пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом, за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления получается двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее строка за строкой и пиксель за пикселем на выход матрицы.

История создания таких устройств началась в 1970 году, когда американские исследователи В. Бойл и Д. Смит открыли эффект зарядовой связи. Они установили, что между близко расположенными МДП - конденсаторами (металл - диэлектрик - полупроводник) возможен обмен зарядами, возникающими при попадании фотонов на полупроводник, – зарядовая связь. Именно это открытие стало основой для создания приборов с зарядовой связью (ПЗС), преобразующих световое излучение в электрический сигнал.

Качество современных ПЗС - матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется. Несмотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС - матрицы, используемые в них, практически одни и те же, поскольку массовое и крупносерийное производство ПЗС - матриц осуществляется всего несколькими фирмами. Это «Sony», «Panasonic», «Samsung», «Philips», «Hitachi», «Kodak».

Поставив на конвейер производство изначально дорогих ПЗС - чипов, ведущие фирмы добились резкого снижения их себестоимости. Кроме того,
к числу других преимуществ камер на основе ПЗС относится простота эксплуатационного обслуживания. Эти камеры относятся к приборам класса типа «включил и забыл», наработка ПЗС - матрицы отказ составляет десятки лет, т.е. практически превышает время физического и морального старения системы.

Дальнейшее развитие передающих видеокамер идет по пути улучшения их параметров и уменьшения числа фотоэлектрических преобразователей. В качестве примера можно привести создание двух - и однотрубочных камер и камер с твердотельными преобразователями на приборах с так называемой зарядовой связью.

Современные бытовые и профессиональные видеокамеры представляют собой компактные устройства, совмещающие в одном корпусе телекамеру и миниатюрный «пишущий видеоплеер», на который производится запись снимаемых изображений. Отсюда происходить англоязычное название camcorder (CAMera + reCORDER).

Видеокамеры могут функционировать в аналоговых и цифровых форматах. Аналоговые форматы, к которым относятся VHS - C, Video - 8, обеспечивают низкое качество изображения. Они несколько больше по размерам и массивнее цифровых камер. Их главное достоинство - доступная цена.

Улучшенные аналоговые форматы - это S - VHS - C, Hi - 8, которые за счет применения более совершенных лент и современных технологий обработки изображения, обеспечивают лучшие, чем у упомянутых аналоговых форматов, параметры изображения и звука.

Цифровые видеокамеры Digital - 8, MiniDV обеспечивают высокое качество изображения и звука. Они обладают такими преимуществами цифровых устройств, как копирование и длительное хранение записанных видеопрограмм без потери качества, а также возможностью непосредственного ввода записанных видеопрограмм в компьютер. Большинство цифровых видеокамер можно использовать в качестве цифрового фотоаппарата с записью изображений или на видеокассету, или на миниатюрную карту памяти типа MultiMediaCard, SD Memory Card («JVS», «Panasonic»), Memory Stick («Sony»).

В странах СНГ ассортимент видеокамер в основном представлен продукцией фирм «Canon», «JVC», «Panasonic», «Samsung», «Sony». Видеокамеры этих фирм могут работать в разных, различающихся качеством изображения и звука, форматах.

Формат VHS - С разработан специально для видеокамер. В нем используется уменьшенная по сравнению с «обычным» VHS видеокассета. Максимальное время записи или воспроизведения в стандартном режиме составляет 90 минут, в режиме замедленной записи - 180 минут. Основной недостаток этого формата – низкая четкость изображения (всего 240 линий по горизонтали), что особенно сказывается при перезаписи. Звук чаще всего монофонический. К недостаткам относятся также сравнительно большие габариты, вес и энергопотребление видеокамер. Достоинства – доступная их цена и кассет, а также возможность воспроизведения записанных видеокассет на обычном VHS или S - VHS видеомагнитофоне с помощью недорогого адаптера.

S - VHS - C (усовершенствованный вариант формата VHS) позволяет получить разрешение до 400 линий по горизонтали. Кассета аналогична кассете, применяемой в формате VHS - C, но оснащена более совершенной лентой. Применяемая в последних моделях технология S - VHS ET дает возможность использовать более дешевые кассеты VHS - C с небольшим ухудшением качества видеозаписи. Достоинства такие же, как у камер VHS - C, дополняются хорошим качеством изображения. Недостатки – энергопотребление выше, чем у аналогичных камер Hi - 8, монофонический звук в большинстве моделей.

Video - 8 – это формат, разработанный фирмой «Sony». Свое название он получил по ширине используемой магнитной ленты (8 мм). Используемая кассета по размеру несколько больше обычной аудиокассеты. Максимальное время записи в обычном режиме до 180 минут, в замедленном – до 360 минут. Звук Hi - Fi качества, записываемый вращающимися головками, чаще монофонический. Видеокамеры очень экономичны - позволяют вести запись в течение 100 - 140 минут без подзарядки. Достоинствами также являются небольшие габариты и вес камер, большая продолжительность записи. Основной недостаток, такой же, как у видеокамер VHS - C – недостаточно высокая по современным меркам четкость изображения (всего 240 линий по горизонтали). Технология Video - 8 XR (eхtended resolution – «увеличенное разрешение»), применяемая в новых моделях, позволяет теоретически получать разрешение до 280 линий. К недостаткам формата также можно отнести необходимость воспроизведения или с самой камеры, или с дорогого Video - 8 или Hi - 8 видеомагнитофона.

Hi - 8 – формат, разработанный фирмой «Sony», является усовершенствованием формата Video - 8. Применение более совершенных технологий обработки сигналов изображения, использование новых, с улучшенными характеристиками, лент позволило преодолеть основной недостаток формата Video - 8 - плохую четкость изображения, сохранив все его достоинства. Видеокамеры Hi - 8 обеспечивают четкость изображения на уровне 424 линий по горизонтали. В 1998 году «Sony» выпустила усовершенствованные видеокамеры H - 8XR, теоретически обеспечивающие разрешение до 440 линий, с меньшим уровнем помех цветности и яркости. Звук Hi - Fi в камерах Hi - 8 чаще стерео. Видеомагнитофоны Hi - 8 стоят дорого, поэтому в качестве воспроизводящего устройства чаще используют саму камеру.

Digital - 8 - цифровой формат, созданный фирмой «Sony». Формат позволяет воспроизводить аналоговое видео, записанное на кассетах Video - 8 и Hi - 8, а также производить цифровую запись на этих же кассетах. Правда, в последнем случае из - за большей скорости протягивания ленты время звучания кассет уменьшается на треть. Камеры обеспечивают четкость цифрового изображения до 500 линий по горизонтали (в зависимости от типа ленты). Звук – цифровой. Он может быть записан в двух режимах: 4 канала 12бит/32 кГц или 2 канала 16 бит/48 кГц (это соответствует качеству звука компакт - диска).

MiniDV – является полупрофессиональным цифровым форматом, использующим самые маленькие видеокассеты, имеющие размеры 66х48х12 мм. Отсюда малые габариты и вес самих камер. Время записи или воспроизведения в обычном режиме – до 80 мин, в замедленном – до 120 мин. Разрешение до 520 линий по горизонтали. Звук – цифровой. Основной недостаток – высокая цена камер и кассет. Видеомагнитофоны этого формата также стоят дорого, поэтому в качестве воспроизводящего устройства используют чаще всего саму видеокамеру.

Следующим шагом к повышению качества является переход к профессиональной аппаратуре класса Betacam, поддерживающей разрешение до
500 линий.

Сегодня в журналистской практике применяются два типа профессиональных видеокамер: студийно - внестудийные и портативные (мобильные). Мобильные камеры нередко используют для внестудийного видеопроизводства и для видеожурналистики. На отечественных телецентрах журналисты используют аббревиатуру ТЖК – тележурналистский комплект.

Студийно - внестудийная камера – (Studio Camera) – массивный аппарат (масса – от 20 до 30 кг). Портативные камеры – (Portable Camera) – легче (около или менее 3 кг, а при соединении с видеомагнитофоном, объективом, видоискателем 7 кг.)

На Западе различают понятия Broadcast Cameras – вещательные камеры и Professional Cameras – профессиональные камеры. Различие их состоит в качестве выходного видеосигнала. В вещательных камерах оно удовлетворяет высоким требованиям вещательных стандартов, в профессиональных – допускается некоторое ухудшение данных показателей. Преимуществом этих камер является возможность их использования при работе на натуре. Вещательные камеры совмещаются с видеомагнитофонами студийных форматов. Профессиональные камеры совмещаются как с магнитофонами названных форматов, так и с профессиональными и бытовыми: U - matic, S - VHS, VHS, Hi - 8 и т.д.

Эти отличия отражаются в системах маркировки. Ведущие фирмы разделяют вещательные и профессиональные камеры. Например, марка BVP используется фирмой «Sony» только для обозначения вещательных камер, «Panasonic» для этих целей использует марку AQ. Для профессиональных камер применяются марки DXC («Sony»), WV - F («Panasonic») и т.д.