Исследование видеокамеры

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить принцип работы видеокамеры и определить ее характеристики.

- ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Видеокамеры (камкордеры) содержат цифровую камеру и видеомагнитофонную приставку. Большинство современных моделей аналоговых видеокамер бытовых форматов (VHS, S-VHS, VIDEO-8 и др.) снабжены цифровыми камерными секциями, содержащими одну или несколько матриц ПЗС (прибор с зарядовой связью). Очевидно, видеокамеры с тремя матрицами ПЗС дают изображение значительно более высокого качества.

Структурная схема камерной головки видеокамеры приведена на рис.1. В состав оптико-механической части входят объектив, приводы трансфокатора, автофокусировки, диафрагмы и матрица ПЗС. Разрешающая способность (число элементов) изображения при использовании матрицы ПЗС с диагональю 1/3 дюйма различна у конкретных типов моделей: для VHS (PAL – 320000, S-VHS (PAL) – 420000, VHS (NTSC) – 270000, S-VHS (NTSC) – 360000).

Во многих моделях видеокамер применены матрицы ПЗС со строчно-кадровой организацией. Каждый светочувствительный элемент (пиксель) покрыт своеобразным микрообъективом для повышения светочувствительности и мозаичным фильтром для получения цветовых сигналов. Фильтр обеспечивает формирование сигналов четырех цветов: желтого, сине-зеленого, зеленого, пурпурного. Система коммутации матрицы осуществляется коммутатором ПЗС, которая выполнена на большой интегральной схеме (БИС).

Устройство выборки-хранения (УВХ) выделяет из дискретного выходного сигнала матрицы ПЗС те части, которые соответствуют полезному сигналу, объединяет их и формирует непрерывный сигнал. Устройство выборки-хранения содержит системы АРУ, гамма- и высокочастотной коррекции. Сигнал на выходе УВХ композитный, т.е. по одной цепи передается «смесь» аналоговых сигналов яркости и цветности. С выхода УВХ полный цветной телевизионный сигнал через усилитель-корректор поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Процессор цифровой обработки (DSP) обеспечивает для сигнала яркости вертикальную и горизонтальную апертурную коррекцию с целью повышения четкости, ограничение уровня для получения неискаженной передачи ярких объектов, функцию введения-выведения (FADE), а для сигнала цветности – выделение цветоразностных сигналов (R-Y, B-Y), автоматический баланс белого (АББ) и ряд других функций. Всеми операциями управляет центральный микропроцессор цифрового сигнала. Технологические регулировки делают в цифровом виде с занесением установленных параметров в ЭСППЗУ (EVR или электронный блокнот).

Ряд дополнительных возможностей добавляется за счет применения запоминающего устройства (ЗУ) на одно поле. В состав ЗУ входят две четырехразрядные БИС. Сигнал яркости запоминается в двух БИС, что

эквивалентно его восьмиразрядному представлению. Сигнал цветности предварительно преобразуют в четырехразрядный, что приводит к двукратному снижению цветовой четкости, и записывают в одной БИС.

Большинство видеокамер обеспечивают ряд цифровых режимов (DIGITAL MODE): увеличение изображения, микширование, вытеснение шторкой (WIPE), увеличение светочувствительности, стопкадр, стробирование, след (TRAСER). Процессор цифровых функций (А) работает в режимах стоп-кадр, стробирование, микширование, след, увеличение изображения (цифровой ZOOM до х100), а процессор цифровых функций (В) – в режимах увеличения яркости и вытеснения шторкой. Всеми цифровыми режимами управляет микропроцессорное устройство управления.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровые сигналы яркости и цветности в аналоговые (Y, R-Y, B-Y). Поскольку цифровые сигналы цветности разделены по времени, они тактируются импульсами U/VSEL (их формирует процессор DSP). Преобразованные сигналы с выходов ЦАП поступают на микросхему, содержащую буферный каскад, фильтры НЧ для подавления шумов и сумматор, обеспечивающий наложение сигналов синхронизации.

Рассмотрим функционирование системы автоматической фокусировки (САФ). В видеокамерах часто применяется объектив с переменным фокусным расстоянием и задним расположением фокусирующей линзы. Изображение на матрице ПЗС фокусируется в результате перемещения вдоль оси объектива упомянутой линзы. При такой конструкции объектива операции изменения фокусного расстояния (трансфокации) и фокусировки зависят друг от друга, т. е. При «наездах» («отъездах») трансфокатора требуется подстраивать и положение линзы фокусировки. Кроме того, от размера установленной диафрагмы зависит скорость проведения фокусировки (при малом отверстии диафрагмы скорость выше). В результате практическая реализация САФ оказалась весьма сложной и требующей индивидуальной прецизионной регулировки.

Существуют активные и пассивные САФ. Первые основаны на принципе ультразвуковой или инфракрасной локации объекта съемки для определения расстояния до него по отраженным сигналам. В современных бытовых видеокамерах такие системы практически не применяют. Среди пассивных САФ можно выделить:

- систему TCL (TROUGN THE CAMERA LENS), действующую через объектив камеры и основанную на принципе расщепления оптического луча;

- пьезоэлектрическую систему, разработанную фирмой MATSUSHITA, в которой фокусирующая линза установлена на вибрирующей пьезоэлектрической пластине;

- цифровую интегральную систему (эта система применена в семействе видеокамер PANASONIC). Скорость наведения на резкость в такой системе – около 1 с независимо от положения трансфокатора и размера диафрагмы.

Работа цифровой интегральной САФ основана на анализе уровня высокочастотных составляющих сигнала изображения, который поступает с матрицы ПЗС, и последующем перемещении фокусирующей линзы в положение, соответствующее максимальной резкости. Само перемещение обеспечивает специальный шаговый микродвигатель через червячную передачу. Принцип действия такой САФ иллюстрирует рис. 2, где на рис. 2,а показано соотношение между условиями фокусировки и уровнем высокочастотных составляющих, на рис. 2,б – зависимость последнего от положения линзы фокусировки, на рис. 2, в – фазовые соотношения в САФ. Для определения правильного направления вращения электродвигателя фокусировки использован специальный алгоритм функционирования при автоматическом наведении на резкость.

Уровень высокочастотных составляющих в сигнале изображения от снимаемого объекта определяется микропроцессором САФ. Если уровень мал, двигатель перемещает фокусирующую линзу в положение «ЗМ» независимо от того, ухудшается или улучшается фокусировка. Если она ухудшается, поступает команда на реверсирование двигателя. В конце перемещения САФ заставляет линзу вибрировать с частотой 6,25 Гц. Это необходимо для получения правильной фазы (направления вращения вала двигателя) движения линзы, определяемого путем сравнения фаз внутреннего модулятора Ur и сигнала в тракте изображения. Процесс длится до установки линзы в точку наилучшей резкости.

В случае, если уровень ВЧ составляющих сигнала изображения в момент начала работы САФ высок, двигатель заставляет вибрировать линзу сразу, без перемещения в положение «ЗМ». Амплитуда вибраций лежит в интервале от +20 до +120 мкм в зависимости от характеристик снимаемого объекта. Такие вибрации незаметны глазу, но фокусировка для большинства случаев выполняется очень точно. Затруднения возникают тогда, когда, например, при съемке отдаленных объектов в поле объектива попадают близко расположенные предметы (листья деревьев и т. п.). Тогда САФ не «знает», на какой объект ей требуется наводить. В таких случаях необходима ручная регулировка резкости.

Все вышесказанное верно для случая, когда трансфокатор видеокамеры находится в каком-нибудь фиксированном положении. При изменении фокусного расстояния работа системы значительно усложняется. На рис. 3,а показано расположение линз в объективе видеокамеры, где 2 и 4 – линзы трансфокатора и фокусировки соответственно.

Для того, чтобы в процессе «наездов» («отъездов») не нарушалась фокусировка, необходимо одновременное перемещение линзы фокусировки (задней) и трансфокатора (второй спереди) по определенному закону. На рис. 3,б показаны кривые расположения линз (в зависимости от расстояния объектива до объекта), соответствующие выполнению условия наилучшей фокусировки. Как видно из рисунка, это условие обеспечивается при двух положениях линзы трансфокатора (А и Б). Если в момент начала процесса автофокусировки линза трансфокатора находилась в положении «А», то при уменьшении фокусного расстояния фокусирующая линза будет перемещаться в сторону объекта, а для исходного положения в точке «Б» наоборот – в сторону матрицы ПЗС.

Поскольку при различных расстояниях до объекта съемки кривые отслеживания не совпадают, перед САФ возникает трудная задача: ей нужно заранее «знать», какой именно кривой следовать в каждом конкретном случае. Это предварительное «знание» необходимо для того, чтобы при оперативной работе не возникала кратковременная потеря резкости в процессе «наездов» («отъездов») на объект съемки. Заметная глазу «потеря фокуса» при трансфокации присуща многим новым моделям видеокамер, в высококачественных (и хорошо настроенных) камерных головках потерь резкости во время трансфокации практически не бывает, что свидетельствует о высоком классе САФ.

Для обеспечения работы САФ используются два датчика положения линз – трансфокатора и фокусировки. Датчик трансфокатора (или кодер трансфокатора) представляет собой линейный переменный резистор, движок которого механически связан с подвижной линзой трансфокатора. Эту связку приводит в движение коллекторный двигатель постоянного тока через редуктор. Сложнее выполнен узел датчика фокусировки. В его состав входит оптопара, оптический прерыватель, связанный с линзой фокусировки, и шаговый электродвигатель, приводящий в движение всю связку через червячную передачу.

В состав системы отслеживания положения трансфокара входит микропроцессор цифрового сигнала САФ, имеющий во внутреннем ПЗУ информацию, позволяющую управлять шаговым двигателем автофокусировки в соответствии с кривыми отслеживания (см. рис. 3). В ПЗУ занесены сведения для ограниченного числа кривых отслеживания. Для других (промежуточных) расстояний от объекта съемки микропроцессор рассчитывает новые кривые, используя информацию об относительном положении линз фокусировки и трансфокатора, а также условиях съемки (учитывается освещенность и диафрагменное число).

На линейный переменный резистор кодера трансфокатора поданы образцовые прецизионные напряжения: Uобр + со стороны широкоугольного объектива (короткое фокусное расстояние) и Uобр – со стороны телеобъектива (большое фокусное расстояние и большое увеличение, т. е. Состояние «наезда»). В процессе эксплуатации видеокамеры требуемые значения этих напряжений должны поддерживаться с высокой точностью (до четвертого знака, например: Uобр = + 1,456 В, Uобр = - 3,652 В). Поэтому они заданы не обычным способом (с движков подстроечных резисторов и т. п.), а путем программирования ЭСППЗУ. При включении питания эти напряжения в цифровом виде считываются процессором цифрового сигнала, преобразовываются в ЦАП в аналоговые и через операционный усилитель (ОУ) поступают на кодер трансфокатора.

Напряжение с движка кодера снимается на микропроцессор САФ непосредственно и через ОУ. Это необходимо для «растягивания» примерно четверти кривой отслеживания с высокой крутизной со стороны телеобъектива, иначе не достигается нужная точность отслеживания. Внутри микропроцессора САФ сигналы слежения приходят на АЦП и преобразуются в цифровые. Для выполнения такого преобразования требуются образцовые напряжения низкого UL = 1,8 В и высокого Uн = 3,8 В уровней. Используя полученные сведения, микропроцессор САФ управляет работой двигателя автофокусировки, чтобы при пользовании кнопками «наезд»/»отъезд» (W/T) изображение оставалось резким.

Качество телевизионного изображения определяется в первую очередь характеристиками матриц ПЗС. Ячейкой, преобразующей световой поток в электрический заряд, служит МОП-конденсатор, включающий в качестве основы подложку из р-кремния. На ее поверхности формируется слой окисла, на который наносится металлический электрод. Если на него подать положительное напряжение относительно подложки, то под действием электрического поля под электродом будет образована зона – потенциальная яма. В потенциальной яме накапливаются неосновные носители заряда (электроны), которые могут образовываться из-за фото- или термоэлектронной эмиссии. Если элемент освещен, то в полупроводнике около его поверхности образуются пары носителей заряда электрон-дырка. Электроны заполняют потенциальную яму, причем их заряд оказывается пропорциональным освещенности.

Линейные преобразователи содержат один ряд фоточувствительных элементов, т.е. передают одну строку изображения. На рис. 4, а представлена линейная структура, в которой затвор МДП-транзистора разделен на большое число секций.
Выделим первую секцию затвора З1 и последнюю З2, а

Рис.4

остальные соединим между собой через две секции так, чтобы образовались запараллеленные триады. Подадим на шину 1, соединяющую первые элементы триад, отрицательный потенциал U₁=-U_xp, а на две другие шины – нулевой потенциал относительно заземленной подложки. В этом случае под всеми электродами 1 образуются потенциальные ямы, в которых могут храниться положительные заряды.

Изменим потенциал на шине 2 до значения U₂=-1,5U_xp. Тогда под электродами 2 образуются более глубокие потенциальные ямы и заряды перетекут под соседний электрод (рис. 16.1, в). После этого установим U₁=0, а U₂=-U_xp. Теперь заряд окажется под электродом 2 первой триады. Установим потенциал шины 3 равным U₃=-1,5U_xp. При этом заряды из-под электрода 2 перетекут под электрод 3 в более глубокую потенциальную яму (рис. 16.1, г). Этот процесс можно повторять до тех пор, пока заряд не окажется под электродом, примыкающим к затвору З2. Если в цепь стока С включить нагрузку, то при открывании затвора З2 заряд потечет через нагрузку, создав в ней падение напряжения, пропорциональное величине заряда. Таким образом, рассмотренная структура представляет собой сдвиговый регистр с выходным согласующим устройством.

Если З1 запереть, а заряды под электродами генерировать за счет действия света, то образуется линейно-строчный ФЭП, пригодный для использования в системах однострочной развертки. Чтобы обеспечить эффективное накопление зарядов, необходимо разделить процессы накопления и считывания. Это обеспечивается построением ФЭП строчной структуры (рис. 5).

Рис.5

Фотоэлектронный преобразователь (ФЭП) состоит из двух секций: секции 1, предназначенной для накопления зарядов под действием света, и секции 2 – для их переноса. Секция накопления состоит из трех продольных изолированных между собой металлических полупрозрачных электродов, нанесенных на подложку кремния, например n-типа, поверх слоя окисла (диэлектрика). Внутри подложки, перпендикулярно электродам, на расстояниях, соответствующих размеру элемента разложения, образованы диффузионные полоски 3 высокого сопротивления, препятствующие растеканию зарядов вдоль электродов. Секция переноса представляет собой сдвиговый регистр, аналогичный приведенному на рис. 4, а.

Рассмотрим работу устройства. Во время прямого хода строчной развертки осуществляется накопление зарядов в светочувствительных ячейках. Во время обратного хода строчной развертки, с помощью управляющих импульсных напряжений U₁, U₂, U₃, заряды из фоточувствительных ячеек переносятся в сдвиговый регистр. В следующем цикле прямого хода строчной развертки, с помощью управляющих тактовых напряжений U’₁, U’₂, U’₃ заряды из ячеек сдвигового регистра переносятся вдоль регистра к выходному устройству, обеспечивающему согласование регистра с усилителем. Достоинством структуры является высокая разрешающая способность, достигающая 2000 элементов в строке. Основным недостатком линейных ПЗС является недопустимость дефектов в структуре: возникновение дефекта хотя бы в одной ячейке ПЗС сдвигового регистра приводит к потере сигналов от ячеек, расположенных левее дефектной.

При построении ФЭП на ПЗС – аналогов передающих телевизионных трубок – практическое распространение получила параллельно-кадровая структура (рис. 6), содержащая три секции: накопления 1, хранения 2 и переноса зарядов 3. Секция 1 представляет собой многократное (по числу строк разложения) повторение ФЭП строчной структуры (рис. 5), на которое проецируется изображение. Горизонтальный размер элемента разложения определяется расстоянием между высокоомными диффузионными полосками 4, а вертикальный охватывает триаду полос. В реальных конструкциях линейный размер элемента разложения составляет 15 – 30 мкм. Секция 2 аналогична секции 1, но защищена от света. В секции 3 сдвиговый регистр такой же, как в ФЭП строчной структуры.

Рис. 6

Во время прямого хода кадровой развертки изображение проецируется на секцию 1, в результате чего образуются в ячейках ПЗС заряды, пропорциональные освещенности этих ячеек. В это же время управляющие импульсы U’₁, U’₂, U’₃ строка за строкой на интервале обратного хода строчной развертки переносят заряды в секцию З, из которой они выводятся управляющими напряжениями U’’₁, U’’₂, U’’₃ во время прямого хода строчной развертки и в ее ритме. Таким образом, на выходе сдвигового регистра образуется телевизионный сигнал. По окончании прямого хода кадровой развертки все заряды из секции 2 оказываются выведенными. Во время обратного хода кадровой развертки управляющими импульсами U₁, U₂, U₃ из секции 1 в секцию 2 переносятся строка за строкой все заряды. Таким образом, информация о прошедшем кадре оказывается записанной в секции 2, а секция 1 освобождена для накопления зарядов от очередного кадра.

Достоинствами структуры являются простота, возможность получения высокой разрешающей способности (40 – 60 строк на мм), отсутствие инерционности и эффекта выжигания. Основным недостатком – недопустимость дефектов в структуре: дефект хотя бы в одной ячейке ПЗС секций 1 или 2 приводит к потере информации в столбце элементов, а в секции 3 – к потере части кадра, расположенного левее поврежденного элемента. В твердотельных приборах растр задается с высокой точностью, так что геометрические искажения получаемого изображения определяются только качеством оптики. С жесткостью растра связаны такие достоинства ПЗС как отсутствие микрофонного эффекта и нечувствительность к магнитным полям.

С жестким растром связано другое преимущество ПЗС – совмещение растров датчиков в трехматричных камерах цветного телевидения. Световой поток в таких камерах с помощью дихроичной призмы расщепляется на три (красный, синий, зеленый), которые поступают на свой датчик. Рассогласование растров этих датчиков приводит к появлению цветовой окантовки на результирующем изображении. Жесткий растр упростил конструкцию одноматиричных цветных камер, в которых для получения информации о цвете используется нанесение на фоточувствительную секцию мозаичного или полосового фильтра, так что каждый элемент передает сигнал только одного какого-то цвета, а полный цветной сигнал получается за счет обработки выходного сигнала ПЗС.

Повышение точности преобразования изображения в видеосигнал достигается многими технологическими решениями. Например, для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются стоп-каналы – узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса. Степень совершенства кристаллической решетки в современных материалах достаточно высока. Так эффективность переноса в ПЗС со скрытым каналом достигает величины 99,9999% на перенос.

3. ЗАДАНИЕ

3.1. Изучить принцип работы видеокамеры.

3.2. Изучить режимы камеры и воспроизведения.

3.2. Оценить качество телевизионного изображения по испытательной таблице:

- измерить количество градаций яркости;

- оценить четкость по вертикали и горизонтали;

- определить наличие геометрических искажений.

3.3. Оценить качество работы системы автоматической фокусировки.

3.4. Измерить параметры видеосигнала на выходе видеокамеры при съемке испытательной таблицы.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1. Название работы и ее цель.

4.2. Параметры качества телевизионного изображения: количество градаций яркости, четкость по вертикали и горизонтали, величина геометрических искажений.

4.3. Условия съемки объектов, при которых нарушается фокусировка.

4.4. Временные диаграммы видеосигнала и его параметры для различных испытательных изображений.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1. Как яркостной сигнал связан с сигналами основных цветов?

5.2. Чем отличается композитный сигнал от компонентного?

5.3. Что входит в состав оптико-механической части видеокамеры?

5.4. Как работают линейка и матрица ПЗС. Преимущества матриц ПЗС.

5.5. Как с помощью одной матрицы ПЗС сформировать сигналы основных цветов?

5.6. Как построены матрицы ПЗС с межстрочным, строчно-кадровым переносом и активной ячейкой?

5.7. Какие операции выполняют процессоры цифровой обработки и цифровых функций?

5.8. Как работают активные и пассивные САФ?

5.9. Какие существуют цифровые режимы видеокамеры и как они обеспечиваются?

5.10. Какие существуют функции съемки видеокамеры?

5.11. Перечислите функции воспроизведения видеокамеры?

5.12. Как функции и состояние видеокамеры отображаются на экране?

6. ЛИТЕРАТУРА

6.1. Телевизионная техника: Справочник: Под общей ред. Ю.Б. Зубарева и Г.Л. Глориозова. – М.: Радио и связь, 1994. – С.131-154.

6.2. Видеокамера Panasonic. Инструкция по эксплуатации.