Телевизионные передающие камеры

Передающие телевизионные камеры, являясь начальным звеном, входят в состав практически любой телевизионной системы, решающим способом влияют на ее качественные показатели.

В настоящее время вакуумные преобразователи свет-сигнал (передающие трубки с внутренним фотоэффектом - видиконы, плюмбиконы, сатиконы, кремниконы и др.) в основном применяются в передающих камерах специального назначения, имеющих в большинстве случаев прикладной характер. В силу специфических свойств передающих трубок подобные телевизионные камеры иногда используются в промышленном производстве, в научных исследованиях. В системах телевизионного вещания в подавляющем большинстве случаев применяются камеры на матрицах ПЗС.

Первоначально для съемки вещательных программ использовались телевизионные камеры, сигнал которых записывался на конструктивно удаленный видеомагнитофон. Такой принцип применялся как при производстве студийных передач, так и при репортажных съемках. Основной причиной были значительные масса и габаритные размеры телевизионных камер и видеомагнитофонов. Например, в случае проведения внестудийных передач телевизионные камеры коаксиальным кабелем соединялись с передвижной телевизионной станцией (ПТС), откуда сформированный сигнал ретранслировался по радиорелейной линии на телецентр или осуществлялась его запись непосредственно на станции.

Разработка твердотельных полупроводниковых матриц на ПЗС, новых кассетных форматов видеозаписи и широкое внедрение микроэлектроники привели к появлению первых видеокамер, т.е. устройств, включающих в себя телевизионную камеру и видеомагнитофон. Объединение двух слов camera и recorder дало используемое во всем мире название таких устройств - камкордер, которое в последнее время широко применяется и в России. По конструкции используемые видеокамеры подразделяются на разъемные и неразъемные, т.е. моноблочные.

На сегодняшний день телевизионные вещательные камеры продолжают выпускаться - они широко используются для студийных съемок крупными телецентрами и обеспечивают максимальный уровень качества формируемого на приемном конце цветного изображения. Но все большее число телекомпаний, формируя состав оборудования, уделяет особое внимание его многофункциональности и поэтому даже для студийных съемок отдают предпочтение видеокамерам, используя одни и те же камеры и в качестве телевизионного журналистского комплекта (ТЖК). Производители видеооборудования для удовлетворения такого спроса разработали телевизионные камеры с пристыковываемым накамерным рекордером, расширили функциональные возможности камер, повысили их качественные показатели.

Видеокамера состоит из нескольких основных функциональных узлов: объектива, камерной головки, видеомагнитофона или устройства дисковой видеозаписи и блока управления (рис. 7.15).

Рис. 7.15. Функциональная схема видеокамеры:

1 - объектив; 2 - камерная головка; 3 - блок управления; 4 – видеомагнитофон

Вариообъектив видеокамеры представляет съемную оптикомеханическую конструкцию, призванную формировать изображение повышенной разрешающей способности и с наименьшими искажениями. Объективы имеют регулируемые диафрагму, систему фокусировки и трансфокатор, а также позволяют осуществлять смену светофильтров. В последнее время повышенные требования к качеству изображения привели к появлению в профессиональных оптических системах стабилизатора изображения. Объектив жестко крепится к основной части видеокамеры - камерной головке, осуществляющей преобразование свет-сигнал, обработку изображения и звука.

Световой поток, отраженный от какого-либо объекта съемки, находящегося перед камерой, фокусируется и попадает в светоделительный блок камерной головки, содержащий также цветные коррекционные светофильтры. Светоделительный блок делит весь спектр света на красную (R), зеленую (G) и синюю (В) составляющие, после чего они соответственно поступают по трем различным каналам на матрицы ПЗС, которые осуществляют пространственную дискретизацию цветоделенных изображений. Поэтому в соответствии с теоремой Найквиста-Котельникова для исключения интермодуляционных искажений (элайзинга), спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте менее или равной половине частоты дискретизации. Для этой цели применяют фильтр нижних пространственных частот (ФНПЧ). Поскольку матрицы ПЗС имеют максимальную чувствительность в инфракрасной (ИК) области спектра, в оптическую часть видеокамеры, как правило, входит фильтр ИК-отсечки. Устройство оптической части видеокамеры иллюстрируется рис. 7.16.

Рис. 7.16. Конструкция оптической части видеокамеры

Рис. 7.17. Структурная схема камерной головки:

1 - светоделительный блок; 2 - коррекционные светофильтры; 3-матрицы ПЗС; 4 - устройство управления матрицами ПЗС; 5 - устройство аналоговой обработки; 6 - ЦАП; 7 - АЦП; 8 - синхрогенератор; 9 - цифровой процессор сигналов и кодер

Структурная схема камерной головки представлена на рис. 7.17 [26]. В телевизионном вещании широкое применение нашли самые высококачественные и дорогостоящие матрицы ПЗС со строчным и кадрово-строчным переносом. Практически в большинстве передающих камер вещательного и профессионального классов используются по три матрицы ПЗС. Цветоделительный блок в совокупности с матрицами ПЗС является самым дорогим узлом видеокамеры.

Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком представлена на рис. 7.18 [28]. Работа такой оптической системы отличается простотой и состоит в следующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через общий нейтральный или приводной светофильтр 2 (который ставится в случае избытка света), падает-на светоделительные слои 4, которые представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев) различной толщины и разными показателями преломления, нанесенные на грани стеклянных призм 3 в местах расщепления светового луча. Вследствие избирательного отражения и пропускания светового потока светоделительными слоями 4 на светочувствительных поверхностях матриц ПЗС 6 формируются цветоделенные изображения. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани призм в непосредственной близости от матриц ПЗС.

Основными преимуществами светоделительных систем в заднем рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно небольшие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние), больший коэффициент пропускания τ (за счет меньших поглощения света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).

Рис. 7.18. Схема оптической системы трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком:

1 - вариообъектив; 2 - приводной (нейтральный) светофильтр; 3-призмы; 4 - светоделительные слои; 5 - коррекционные светофильтры; 6 - матрицы ПЗС

В колориметрии принято считать, что белый цвет получается при слиянии красного, зеленого и синего цветов равной интенсивности. На этом же принципе основана и работа цветных видеокамер. При съемке белой поверхности (нейтральный объект) все три сигнала согласуются по зеленому цвету для получения сигналов красного, зеленого и синего цветов одинаковой интенсивности. Такое согласование носит название баланса белого. В действительности при отображении белого на экране телевизора имеется следующее соотношение интенсивности цветов: 30% приходится на красный цвет, 59% - на зеленый и 11% - на синий. Глаз способен адаптироваться к изменению цветовой температуры белой поверхности. Камера же не имеет такой возможности, поэтому после матриц ПЗС стоят три усилителя видеосигнала, которые должны быть настроены таким образом, чтобы их выходные сигналы были согласованы.

Снимаемые с матриц ПЗС сигналы проходят схему аналоговой обработки, где производится устранение шумовых составляющих и необходимое для аналого-цифрового преобразователя (АЦП) усиление, стабилизация уровня черного и коррекция проработки деталей изображения при слабой освещенности. АЦП осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой, выбранной разрядности и частоты дискретизации, для дальнейшей цифровой обработки.

Цифровой процессор сигналов (ЦПС) производит обработку видеосигналов трех основных цветов, поступающих с АЦП, таким образом, чтобы обеспечить требуемую разрешающую способность, широкий динамический диапазон, верность цветопередачи.

На практике используются несколько способов записи аудиовизуальной информации на магнитную ленту, на жесткий или оптический диски, а также карты твердотельной памяти. От выбора способа записи и формата зависят качество записи и то, в каком формате будет производиться последующий электронный видеомонтаж. В некоторых видеокамерах одновременно осуществляется запись информации, как дисковым рекордером, так и встроенным видеомагнитофоном на кассету формата DV (международный цифровой формат компонентной видеозаписи на магнитную ленту шириной 1/4 дюйма, т.е. 6,35 мм).

Звуковая часть видеокамеры предусматривает запись со встроенного микрофона, внешнего микрофона, а также любого внешнего звукового сигнала, подаваемого на аудиовход видеокамеры.

Система управления видеокамерой обеспечивает формирование в автоматическом режиме или преобразование в ручном режиме команд и управляющих сигналов для:

- регулирования параметров отдельных систем контроля камеры в процессе передачи по желанию оператора или при изменении условий передачи, например, диафрагмирование при изменении освещенности;

- поддержания параметров камеры при ее работе в пределах установленных допусков;

- настройки камеры и диагностики неисправностей.

Для достижения высокого качества записи необходим ряд органов управления (баланс белого, скорость электронного затвора, усиление, меню, плата запоминания установок, вид внешней синхронизации и контроля выходного сигнала и т.д.), расположение которых для каждой руки оператора тщательно продумано. Современные видеокамеры имеют электронную память (как правило, это карты твердотельной памяти) на, несколько предустановок. Обычно эти схемы имеют собственный автономный источник питания, например, небольшую литиевую батарею. Оператор в процессе подготовки к съемкам проверяет работу камеры в конкретных условиях, определяет оптимальные параметры настройки и записывает их в электронную память. Внутренняя память не только поддерживает в оптимальном режиме записанную информацию о параметрах, даже если сама камера выключена или находится в дежурном режиме, но и обеспечивает постоянную работу часов и календаря. Впоследствии данные предустановок поочередно могут быть выведены одной кнопкой, что решает, например, проблемы при быстрых переходах с освещенных участков на затемненные.

Система контроля и индикации предназначена для обеспечения визуального контроля состояния камеры и параметров формируемых видеосигналов, а также настройки камеры и диагностики неисправностей. Она состоит из видоискателя и ряда световых индикаторов. По экрану видоискателя контролируется содержание снимаемого изображения. На нем также могут быть просмотрены фрагменты изображения, записанные на встроенный видеомагнитофон. Через развитое меню возможно изменение множества параметров в широких пределах - динамических характеристик, параметров апертурных корректоров, фильтров, гамма-коррекции и других и их контроль с помощью видоискателя, на который выводится служебная информация. С помощью видоискателя можно четко различить области пересветов.

Система синхронизации видеокамеры обеспечивает временное согласование работы всех систем и блоков камеры в различных режимах работы.

Система питания обеспечивает формирование различных номиналов напряжения, необходимых для работы всех систем камеры. Первичным источником питания может быть как встроенная аккумуляторная батарея, так и электрическая сеть переменного тока.

Конструктивные особенности типовой цифровой видеокамеры иллюстрируются рис. 7.19 [29].

Рис. 7.19. Конструкция типовой цифровой видеокамеры:

1 - вариообъектив; 2 - устройство автоматической фокусировки и установки диафрагмы; 3 - светоделительный блок с коррекционными светофильтрами; 4 - преобразователи свет-сигнал; 5 - устройство аналоговой обработки видеосигналов; 6 - АЦП; 7 - цифровой процессор сигналов и кодер; 8 - система- управления; 9 - генератор питания электродов светоэлектрического преобразователя; 10 - система синхронизации; 11 - система контроля и индикации; 12 - микрофон; 13 -система звукового сопровождения; 14 - видеомагнитофон; 15 - система питания; 16-ручка для переноса видеокамеры

При студийном использовании, к видеокамере кроме повышенных качественных характеристик предъявляются особые требования к функциональному оснащению и видеоинтерфейсам. В первую очередь, при использовании в процессе телесъемки нескольких камер необходимо обеспечить синхронность выдаваемых ими сигналов, для чего подается внешний ведущий сигнал и камеры переводятся в ведомый режим (Genlock). В случае многокамерных съемок одного события с записью на собственные видеомагнитофоны, помимо синхронной работы, камеры должны фиксировать на видеоленту одинаковый временной код для последующего синхронного видеомонтажа. Для удобства работы оператора в студии в качестве видоискателя к видеокамерам дополнительно прикрепляются специальные видеомониторы с размером экрана по диагонали не менее 5 дюймов (12,7 см).