Цветные ПЗС‑телекамеры

Цветное телевидение – это очень сложная наука. Основная концепция цветного телевидения, как уже говорилось, заключена в комбинировании трех основных цветов: красного, зеленого, синего.

Цветовое смешение происходит в нашем глазу, когда мы смотрим на экран видеомонитора с некоторого расстояния. Дискретные цветные элементы (R, G и В) столь малы, что на самом деле мы видим результирующий цвет, получившийся в результате аддитивного смешения трех компонент.

Как мы говорили выше, это называется аддитивным смешением, в противоположность субтрактивному, потому что, добавляя дополнительные цвета, мы получаем большую яркость, и при корректном смешении первичных цветов может быть получен белый цвет.

Большинство цветных телекамер в телевещании имеют три ПЗС‑матрицы, каждая получает свою компоненту цвета. Разделение белого цвета на компоненты R, G и В производится специальной оптической светоделительной призмой, устанавливаемой между объективом и ПЗС‑матрицами.

Светоделительная призма – это очень дорогой и точный оптический блок с дихроическими зеркалами. Такие телекамеры называются трехматричными цветными телекамерами и нечасто применяются в системах видеонаблюдения, так как они значительно более дорогие, чем одноматричные телекамеры. Однако они имеют очень высокую разрешающую способность и превосходные технические характеристики.

В видеонаблюдении чаще всего используются одноматричные цветные телекамеры. Они формируют композитный цветной видеосигнал, известный как CVBS. В главе 4 мы уже обсуждали цветной видеосигнал (см. уравнение (35)); три компоненты видеосигнала, входящие в состав CVBS: яркостной сигнал (Y), красный цветоразностный (V = R‑Y) и синий цветоразностный (U = B‑Y). Они квадратурно модулированы и вместе с яркостным образуют композитный цветной видеосигнал. Затем в цветном видеомониторе эти компоненты обрабатываются и получаются первичные сигналы R, G и В.

В одноматричных цветных ПЗС‑телекамерах цветоделение может производиться одним из двух методов фильтрации:

– Фильтр полос RGB, где три вертикальные пиксельные колонки (полоски) расположены рядом друг с другом: красная, зеленая, синяя.

– Комплементарный мозаичный цветовой фильтр, где пикселы ПЗС‑матрицы не чувствительны к R, G и В цвету, а чувствительны к дополнительным (комплементарным) цветам – голубому, пурпурному, желтому и зеленому, расположенным в виде мозаики.

Рис. 5.47. Цветная ПЗС‑телекамера с тремя матрицами использует светоделителъную призму для разделения цветов

Первый тип одноматричной цветной ПЗС‑камеры дает очень хорошее цветовоспроизведение и требует более простых схем. Однако, такие матрицы «страдают» очень низкой разрешающей способностью по горизонтали, обычно порядка 50 % от общего числа пикселов в горизонтальном направлении матрицы. Что касается разрешающей способности по вертикали, то она определяется полным числом пикселов по вертикали. Подобный тип телекамер формирует цветные сигналы RGB.

Мозаичная одноматричная цветная ПЗС‑телекамера требует более сложной электроники и может отставать по качеству цветопередачи в сравнении с RGB моделями (ведь цветовые преобразования должны относиться к компонентам Су, Ye, Mg, Gr), но дает гораздо более высокую разрешающую способность по горизонтали (более 65 % горизонтальных пикселов).

Рис. 5.48. Фильтр полос RGB одноцветной ПЗС‑матрицы

Рис. 5.49. Комплементарный (Су, Ye, Mg, Gr) мозаичный фильтр одноцветной ПЗС‑матрицы

Поскольку последние наиболее распространены в видеонаблюдении, мы уделим немного больше места этому вопросу и объясним, как цветовые компоненты преобразуются в композитный цветной видеосигнал.

Мозаичный фильтр, обычно называемый матрицей цветовых фильтров (CFA, Color Filter Array), разделяет свет на голубой, пурпурный, желтый и зеленый компоненты. Как уже упоминалось, эти цвета являются дополнительными. И на практике этот тип одноматричных ПЗС‑телекамер использует цветовые компоненты Су, Ye, Mg и Gr для создания сигнала яркости Y и цветоразностных сигналов V = R‑Yn U = B‑Y

Следует отметить (для ясности), что одноматричная цветная ПЗС‑телекамера имеет светочувствительные пикселы одинаковой кремниевой структуры, не различной для различных цветов, как можно подумать. Именно CFA‑фильтр разделяет изображение на цветовые компоненты.

Чтобы понять, как это происходит, посмотрите на матрицу цветовых фильтров на рис. 5.50.

Рис. 5.50. Матрица цветовых фильтров (CFA) цветной одноматричной ПЗС‑телекамеры

Такой тип CFA‑фильтра относится к телекамере стандартной интеграции поля, т. е. к телекамере, время экспозиции которой составляет 1/50 с для PAL или 1/60 с для NTSC.

Как видно из схемы, четыре ячейки горизонтального сдвигового регистра содержат сигналы (Gr+Cy), (Mg+Ye), (Gr+Cy) и (Mg+Ye) соответственно. Обрабатывая соответствующим образом эти четыре сигнала, мы можем получить три компонента композитного цветного видеосигнала: яркостной (Y), красный цветоразностный сигнал (R‑Y) и синий цветоразностный сигнал (B‑Y).

Во‑первых, сигнал яркости получается из соотношения:

7 = 1/2 [(Gr + Су) + (Mg + Ye)] = 1/2 (2В + 3G + 2R)(43)

Приведенное выше соотношение показывает, как получается сигнал яркости в цветных одноматричных ПЗС‑камерах с любым типом фильтрации (как с мозаичным типом фильтра, так и с фильтром полос RGB).

Красный цветоразностный сигнал получается по линии А1:

R – Y = [Mg + Ye) – (Gr + Су)] = (2R – Gr)Синий (44)

цветоразностный сигнал получается из значений по линии А2:

В – Y = [Gr + Ye) – (Mg + Су)] = (2В – Gr)(45)

Итак, эти два сигнала вместе с яркостным замешиваются в композитный видеосигнал и представляют цветной видеосигнал стандарта PAL (или NTSC).

Новые разработки постоянно совершенствуют технологию получения изображения (ПЗС и КМОП), и хотя бы одну из них следует упомянуть в этом разделе. Компания Foveon создала многослойный одноматричный фотоприемник, в котором разделение цветов происходит не фильтрами на разных ячейках матрицы, а за счет специальной многослойной технологии, где цвета разделяются по мере проникновения в одну и ту же ячейку. В результате достигается лучшая цветопередача и более высокая разрешающая способность. Сейчас уже есть цифровые фотоаппараты с матрицей Foveon X3, и не будет ничего удивительного в том, если в будущем появятся и телекамеры с подобной матрицей для систем видеонаблюдения.

Баланс белого

От цветной телекамеры кроме разрешения и минимальной освещенности, мы требуем хорошей и точной цветопередачи.

Первые цветные ПЗС‑телекамеры имели внешние датчики для определения цвета объекта (обычно устанавливаемые на телекамеру сверху), и оценка света этим датчиком влияла на процесс цветовой обработки. Это называлось автоматический баланс белого (automatic white balance , AWB), но из‑за разницы в углах обзора у датчика и объектива, устройство не отличалось большой точностью. В современных телекамерах автоматический баланс белого осуществляется через объектив (TTL‑AWB, through‑the‑lens ).

Начальная калибровка телекамеры производится путем экспонирования ПЗС‑матрицы при включенном питании. Для этого перед телекамерой кладут лист белой бумаги и затем камеру включают. При этом корректировочные коэффициенты запоминаются в памяти телекамеры и затем используются для модификации всех остальных цветов. Этот процесс в значительной степени зависит от цветовой температуры источников света в зоне установки телекамеры.

Многие телекамеры снабжены кнопкой перезагрузки AWB без отключения камеры. Насколько хороша эта корректировка, зависит от самой ПЗС‑матрицы и конструкции схемы баланса белого.

Рис. 5.51. Спектральная чувствительность цветной телекамеры с ПЗС‑матрицей с мозаичным ПЗС‑филътром Cy‑Mg‑Gr‑Ye

Большинство современных телекамер имеют AWB, но все‑таки еще можно встретить модели с ручной настройкой баланса белого (manual white balance , MWB). В MWB‑телекамерах всего две настройки (выбираемых переключателем): в помещении и вне помещения. Первый режим обычно устанавливается для источников света с цветовой температурой порядка 2800° К – 3200° К, а наружный режим – для температур 5600° К – 6500° К. Это соответствует средним условиям освещенности внутри помещений и на улице.

В некоторых простых телекамерах имеются регулировки, с помощью которых можно настраивать телекамеру. Но если у вас нет образцовой камеры, направленной на ту же сцену, установка цветового баланса может оказаться делом непростым. Задача особо усложняется, если несколько телекамер подсоединены к одному видеокоммутатору, видеоквадратору (разделителю экрана) или видеомультиплексору.

Цветные телекамеры новых моделей кроме AWB снабжены механизмом автоматического отслеживания баланса белого (automatic tracking white balance , ATWB), который непрерывно настраивает (отслеживает) цветовой баланс при изменении положения телекамеры или освещенности. Это особенно удобно для телекамер, установленных на поворотном устройстве, а также для зон со смешанным освещением (естественным и искусственным). В системах видеонаблюдения, где используется поворотное устройство, обзор телекамеры может попадать в зоны с источниками различной цветовой температуры, например, с одной стороны – внутренний (в помещении) свет от ламп накаливания, а с другой – уличный естественный свет. Устройство ATWB динамически отслеживает цветовую температуру источников света в процессе панорамирования. Так что если у вас нет ATWB‑телекамеры, то будьте очень внимательны к световым условиями в поле зрения телекамеры, принимая во внимание не только интенсивность, но и цветовую температуру.

И наконец, как уже упоминалось выше, не забудьте учесть цветовую температуру экрана видеомонитора. Большинство цветных кинескопов характеризуются температурой 6500° К, но некоторые могут иметь более высокую (9300° К) или низкую (5600° К) цветовую температуру.

Рис. 5.52 . Настройка баланса белого может осуществляться вручную или автоматически

Рис. 5.53. Точность цветопередачи можно проверить с помощью вектороскопа