Технические параметры, которыми характеризуются цифровые видеокамеры

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Одной из наиболее актуальных сфер жизнедеятельности человечества являются запись и воспроизведение изображения и передача его на расстояние. Указанные действия помогают людям не только получить информацию, но посмотреть, как развивался ход событий. Каждый человек мечтает зафиксировать некоторые моменты своей жизни, чаще для себя, иногда для близких и друзей, а особо амбициозные - для потомков. Когда-то это были примитивные пещерные изображения, спустя тысячелетия - письмена, книги и живопись. Но развитие современных технологий дает возможность осуществить это желание.

Научная концепция, положенная затем в основу по указанной ранее деятельности человека, появилась уже в конце 19-го века в виде теоретических дискуссий и практических экспериментов. Главный принцип записи, воспроизведения и передачи изображения был предложен в 1880 году независимо двумя учеными, американцем В. Е. Сойером и французом М. Лебланом. Принцип заключался в быстром сканировании каждого элемента изображения последовательно, строка за строкой и кадр за кадром.

Так эта деятельность человека развивалась и дошла до наших пор в таком виде, в каком мы можем его видеть каждый день, включив телевизор, CD - проигрыватель, видеомагнитофон или другое видеоустройство. Большинство людей сейчас просто не представляют жизни без записи, воспроизведения и передачи изображения, для них это не только способ получения информации, но и способ отдыха. Особенно популярными сейчас становятся различного вида и размера видеокамеры, прошедшие путь от громоздких устройств, весом несколько сотен килограммов, до портативных, умещающихся в сотовом телефоне. Сейчас в телевидении придумывают множество новшеств, которые улучшают качество изображения воспроизводимой информации, звуковые характеристики, и многое другое. Работа устройств записи, воспроизведения и передаче видео сигнала основана на несовершенстве человеческого зрения. Из теории передачи сигнала известно, что целиком передачу изображения невозможно, поэтому его разбивают на элементы, которые затем последовательно передаются в канал связи, и согласно теории по теореме Котельникова, качество изображения будет тем выше, чем больше элементарных ячеек разбиения. Следовательно, все изображения передаются с ретрансляторов разбитыми на ячейки, и в зависимости от модели и фирмы устройства изображение будет лучше или хуже. Это зависит от способности устройства быстро и качественно соединить эти ячейки в изображение. Большой шаг вперёд позволило сделать оцифровка изображения, проводимая различными способами. Этому направлению записи, воспроизведения и передаче изображения посвящен дипломный проект.

1. Аналитический обзор

1.1 Общие сведения о способах записи воспроизведения и передачи изображения

Телевизионная техника непрерывно перенимает новейшие научные и технические достижения, постоянно совершенствуется и развивается.

Телевизионная система по функциональному назначению отдельных ее звеньев и сложности их взаимодействия является типичной радиотехнической системой. Наряду с устройствами преобразования изображения в электрический сигнал телевизионная система содержит устройства цифровой и аналоговой обработки сигналов изображения, включая нелинейные, и сложные временные преобразователи, устройства сокращения избыточности цифровых сигналов изображения и статического кодирования этих сигналов. Используются новейшие звуковые стереосистемы NICAM 728 или просто NICAM (аббревиатура названия Near Instantaneous Companded Audio Multiplex (почти мгновенный компандированный звуковой канал с уплотнением), а 728 обозначает скорость передачи данных 728 кбит/с). Dolby (используется для воспроизведения звука в кинотеатрах и аудиториях) и Dolby Pro Logic (активная по сравнению с простой системой окружающего звука Dolby, которая является пассивной). А также использование систем шумопонижения dbx, Dolby B,A,C, HUSH, систем динамического подавления шума DNP и т.д. Изучение телевизионной системы позволяет познакомится с различными методами кодирования и декодирования сигналов.

В истории развития телевидения можно выделить следующие этапы: зарождение идеи (до 1920), механического телевидения (1920-1935), электронного черно-белого телевидения (1936-1966), электронного цветного телевидения (с 1967г.) и т.д.

Последующие этапы связаны с разработкой цифровых телевизионных систем, систем телевизоров высокой четкости, широким использованием твердотельных преобразований изображения устройств видеозаписи, развитием спутникового телевизионного вещания, ведением спутниковых систем, анализа и обработки видеоинформации.

А.А. Полумордвинов, выпускник Электротехнического института, который в 1899 году предложил механическую систему цветного телевидения с последовательной передачей информации о цвете. Патент на «Светораспределитель для аппарата, служащего для передачи изображения на расстояние» был выдан лишь спустя 6 лет после подачи заявки. Устройство с одновременной передачей цветного изображения в 1907 году предложил И.А. Адамян (получил немецкий, российский и французский патент).

Одной из первых телевизионных систем, созданных в нашей стране, была оптико-механическая система с разложением на 40 строк (1929 г.). Работа по созданию этой системы проводилась Я.Л. Рыхтиным под руководством А.А. Чернышова. В 1930 - 1931 гг. теми же авторами была создана оптико-механическая система с разложением на 60 строк. 1 октября 1931 года начинается регулярное телевизионное вещание через московские широковещательные радиостанции по оптико-механической системе.

Одна из первых систем электронного телевидения, созданного под руководством Я.А. Рыхтина демонстрировалась в 1934 году. Система имела 180 строк разложения. Для преобразования оптического изображения в электрический сигнал использовался иконоскоп - передающая телевизионная трубка, разработанная в 1933 году в США выдающимся ученым и инженером в области телевидения В.К. Зворыкиным.

Создание телевизионных центов, реализованных на 240 строк в Ленинграде и с разложение на 343 строки в Москве в 1937 году, разработка отечественного стандарта на 625 строк разложения и регулярные передачи Московского телецентра с этим стандартом с 1948 году явились началом триумфального шествия телевидения в нашей стране.

В 1950 году П.В. Шмаков предложил использовать для телевизионного вещания искусственные спутники Земли.

К числу выдающихся достижений телевизионной техники следует отнести первую съемку обратной стороны Луны в 1965 году с помощью телевизионной системы, установленной на космическом аппарате «Зонд-3». Этим было положено начало дистанционного зондирования планет, основанного на применении телевизионных систем.

Проектирование систем с компрессией и мультиплексированием видео- и аудиоинформации на базе стандарта MPEG-2 (Moving Picture Experts Group) и его модернизации стало приоритетным направлением в развитии техники телевизионного вещания.

Основным назначением телевизионных систем является формирование на экране воспроизводящего устройства изображения передаваемых сцен в реальном времени или с использованием видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Наиболее привычным для человека носителем информации об окружающем мире является видимое излучение (область спектра электромагнитных колебаний с длиной волны примерно от 380 до 760 нм). Для восприятия излучения в этих участках спектра используют различного рода преобразования электрического сигнала в видимое, оптическое изображение.

1.2 Классификация и характеристики изображения

Изображение, отражающее свойства объектов сцены, могут быть динамическими (изменяющимися во времени) и статическими (описываются функцией яркости, не зависящей от времени).

По отношению к пространственным координатам различают изображения объемные и плоские.

Зависимость от длины волны позволяет разделить изображения по этому параметру на три группы: цветные, ахроматические и монохроматические.

На входе телевизионной системы синтезируется телевизионное изображение. Оно формируется, как правило, на экране электронно-лучевой трубки. Телевизионное изображение предназначено для восприятия глазом. В связи с этим, очевидно, что принципы формирования телевизионного изображения его параметры, как и параметры телевизионных систем в целом, должны быть строго согласованы с характеристиками зрения.

1.3 Светоделение

Оптические звенья преобразователей изображения и устройств воспроизведения телевизионного сигнала включают элементы светоделения - распределения световых потоков на составляющие, обладающие данными свойствами.

Цветное телевидение, кино и фотография базируются на трехкомпонентной теории цветового зрения, поэтому в преобразователях изображения возникает задача разделения светового потока на три составляющие, обладающие определенными спектральными характеристиками,

с последующим формированием трёх цветоотдельнных изображений. В светоделителях передающих телевизионных камер используют оптические схемы на дихроических зеркалах или призмах.

1.4 Принципы записи и воспроизведения изображения и их технические решения

Конечным звеном телевизионной передачи является человеческий глаз, поэтому телевизионные системы строят с учетом особенностей зрения. Реальный мир воспринимается человеком визуально в цветах, предметы - рельефными, расположенными в объеме некоторого пространства, а события - в динамике, следовательно, идеальная телевизионная система должна обеспечивать возможность воспроизводить эти свойства материального мира.

Рисунок 1.1 - Структура передачи изображения

Для телевизионной передачи изображений необходимо осуществить три процесса: преобразование света испускаемого объектом передачи или отражаемого им, в электрические сигналы; передачу электрических сигналов по каналам связи и их прием; обратное преобразование электрических сигналов в световые импульсы, воспроизводящие оптическое изображение объекта. Принципиальная основа для реализации этих процессов была заложена в трудах У.Смита (США), открывшего в 1873 году «внутренний» фотоэффект, А.Г. Столетов в 1888 году установил основные закономерности «внешнего» фотоэффекта; А.С. Попов - изобретатель радио (1895); Б.Л. Розинг разработал в 1907году систему «катодной телескопии», при которой для воспроизведения изображения использовалась электроннолучевая трубка, и осуществил в 1911 году первую в мире телевизионную передачу, в лабораторных условиях, по такой системе. Однако чтобы довести телевидение до стадии практического применения, необходимо решить множество других сложных вопросов.

Рассматриваемые предметы непосредственно, можно различать очень мелкие детали, в соответствии с разрешающей способностью глаза. Поэтому формально можно считать оптическое изображение, проецируемое на сетчатку глаза состоящим из m разрешимых деталей (элементов). Каждый такой элемент можно охарактеризовать яркостью B, цветностью: цветовым тоном л и чистотой цвета с, и геометрическим местоположением (x,y), то есть описать многомерной функцией.

За годы практического использования телевидение прочно вошло в жизнь людей. Наибольшее распространение оно получило как телевизионное вещание. Телевизионную аппаратуру применяют при решении разнообразнейших задач в науке, медицине, в различных отраслях народного хозяйства. году появилось космическое телевидение, средства которого действенно используются в экспериментах по изучению и освоению космоса.

1.5 Основные элементы современных цифровых видеокамер

В настоящее время цифровые видеокамеры являются наиболее популярными товарами при продаже бытовой радиоэлектроники и все еще достаточно новыми и малознакомыми по сравнению с телевизором для обычного российского жителя. Чтобы определить требования, на основании которых можно было бы осуществлять выбор и поиск необходимых моделей, необходима информация - что это такое, как они устроены, какими возможностями обладают. В процессе работы с видеотехникой, при профилактике, а при необходимости и ремонте ее тем более возникает потребность в информации по принципам построения, работы, особенностям, характеристикам и возникающим неисправностям.

Видеоизображение принимается на видеокамеры, которые могут быть: наружными - в термокожухах с автоподогревом, внутренними - малогабаритными или миниатюрными, цветными или черно-белыми, снабженными дистанционно управляемыми поворотными устройствами, иметь чувствительные приемные устройства - видиконы или матрицы ПЗС с разными характеристиками разрешения (которые определят и качество наблюдаемого изображения) и объективы с различными углами обзора, дистанционно или автоматически настраиваемой диафрагмой, глубиной резкости и световой чувствительностью.Снимаемые видеокамерами изображения обрабатываются одним или несколькими (в зависимости от сложности системы) специальными устройствами обработки изображения. В аналоговых системах это:

- квадратор, собирающий по 4 изображения от разных видеокамер в один кадр для отражения на мониторе или записи. Наиболее развитые модели имеют возможность ручной или автоматической коммутации изображений в кадре (объединяя квадраты в более крупные кадры и их смену, комбинируя PiP - кадр в кадре), знакогенератор “титры-время”, добавляющий в изображение идентифицирующую информацию - дату, время, место происходящего;

- детектор движения, фиксирующий изменение обстановки в снимаемом изображении и выдающий синхронный сигнал тревоги во внешние устройства (например, включая запись тревожного изображения на видеомагнитофон или подавая звуковой сигнал), выполняющий фактически функцию охранной сигнализации;

- мультиплексор, собирающий в различных сочетаниях до 16 изображений от разных видеокамер в один кадр и имеющий множество встроенных функций (в т.ч. детектор движения, вход для спец видеомагнитофона, программируемый знакогенератор, возможность связи с компьютером); позволяет просмотреть интересующую видеокамеру независимо от других - например в магазине произошло ЧП у кассы. Мультиплексор позволяет выбрать камеру, направленную на кассу и проследить развитие события.

- спецвидеомагнитофон служит для фиксации изображений с видеокамер на пленку, служащую документальным протоколом при разборе произошедших на месте наблюдения неординарных ситуаций.

В отличие от бытового, спецвидеомагнитофон имеет повышенные ресурс и надежность работы, программируемые спецфункции (в частности, регулируемое время записи на стандартную кассету за счет изменения частоты кадров);

- видеораспределитель, позволяющий без потерь “делить” сформированное видеоизображение на несколько выходов для использования в различных устройствах и системах (например, для подачи на несколько мониторов или для интеграции системы видеонаблюдения с телевизионной сетью); мониторы, служащие для отображения принятого видеокамерами и/или обработанного изображения на экране. Различаются размером кинескопа, качеством разрешения экрана, наличие встроенных сервисных функций. В частности, имеются модели со встроенными коммутаторами или квадраторами.

До появления ПЗС-сенсоров в видеокамерах применяли видикон. Видиконы применялись на ранних стадиях создания телекамер наружного наблюдения. Но сейчас эти видеокамеры вышли из моды и их редко где увидишь, и поэтому их почти не используют на охраняемых объектах.

Видикон применяется для преобразования оптического изображения в электрические сигналы в телевизионных передающих устройствах (телекамерах). Видикон позволил достичь хороших характеристик передаваемых изображений, по сравнению с ранними типами преобразователей. Но в современных устройствах видикон уже используется реже. Видикон - передающая телевизионная электронно - лучевая трубка, действие которой основано на внутреннем фотоэффекте. В колбе видикона находится фотомишень и электронно-оптическая система развертывающего луча. Фотомишень 1 состоит из фотослоя,

Рисунок 1.2 - Схема видикона

при проецировании на фотомишень оптического изображения происходит разрядка элементарных конденсаторов фотослоя мишени. Поэтому при развертке лучом происходит выравнивание потенциала фотомишени, и разность протекающих токов образует сигнал изображения. На пластину фотомишени нанесен фотослой толщиной 1-3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью. Таким материалом часто служит трехсернистая сурьма - стибнит. От толщины и свойств материала фотопроводника зависят чувствительность, спектральная характеристика и инерционные свойства видикона. Электронно-оптическая система видикона содержит электронный прожектор и мелкоструктурную сетку, помещенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогревного катода 2, управляющего электрода 3, первого 4 и второго анода 5. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча по всей поверхности фотомишени и препятствует попаданию на фотомишень отрицательных ионов. Мелкоструктурная сетка 6, находящаяся под напряжением, в 1,5-1,7 раза превышающем напряжение катода, обеспечивает перпендикулярный подход электронов луча по всей поверхности фотомишени и препятствует попаданию на фотомишень отрицательных ионов. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории развертывающего луча осуществляется внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей катушки ФК, отклоняющих катушек ОК и корректирующих катушек КК. Процесс образование сигнала изображения в видиконах связан с накоплением зарядов на поверхности фотослоя. Накопительные конденсаторы образованы участками поверхности фотослоя и сигнальной пластиной, являющейся общей обкладкой для всех элементарных конденсаторов. Каждый конденсатор шунтирован фоторезистором. Когда на фотомишень проецируется оптическое изображение, то величины сопротивлений шунтирующих резисторов становятся различными. Так наиболее освещенные элементы имеют наименьшее сопротивление, а темные - наибольшее.

В процессе развертки потенциального рельефа электронным лучом происходит его выравнивание. Разность между токами, протекающими резистор нагрузки, когда луч находится на неосвещенном и освещенном участках, образует сигнал изображения. Когда на первый и второй аноды подается напряжение порядка 300 В, то видикон работает в режиме развертки медленными электронами. В этом режиме он имеет большую чувствительность и разрешающую способность, но зато обладает большей инерционностью. Поэтому, при необходимости, используют режим развертки быстрыми электронами (но при этом теряются четкость, чувствительность и равномерность сигнала по всему полю).

В теле- и видеокамерах с успехом используется другой тип фотопреобразователей -- ПЗС-матрицы, являющиеся основным элементом цифровой видеокамеры, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с видиконом. ПЗС применяются в современных устройствах для передачи как статических, так и динамических изображений: сканеры, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и др.

ПЗС бывают двух типов: линейно-строчные и матричные. Первые применяются в основном для передачи неподвижных изображений в таких аппаратах, различные следящие системы, построчные сканеры изображений. Последние нашли широкое применение в цифровой фото- и видеоаппаратуре. Прогресс в радиотехнической промышленности позволяет создавать год от года все более совершенные системы и устройства. Так в области видеоаппаратуры ПЗС-матрицы вытеснили передающие ЭЛТ благодаря безусловному превосходству по своим основным характеристикам. Благодаря современным технологиям чипы ПЗС могут содержать достаточное количество ячеек, чтобы удовлетворить почти все существующие запросы в качественной четкой передаче изображений.

ПЗС формируются на основе отдельных ячеек, представляющих собой конденсатор МОП-структуры (Метал-Окисел-Подложка). Последовательность ячеек образует цепочку ПЗС, которая может работать в двух-, трех- и четырехтактном режимах. Рассмотрим трехтактный режим работы. В течение первого такта на электроды 1 подается напряжение U1=Uо, а все остальные электроды заземляются. Под электродами 1, если на ячейки падают световые потоки, создаются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться заряды. В образованных потенциальных ямах заряды накапливаются и хранятся в течение времени действия напряжения U1. Этот режим работы называется режимом хранения зарядов.

Рисунок 1.3 - Режим хранения информации в ячейках

Рисунок 1.4 - Режим переноса заряда в ячейки

Во время второго такта работы на электроды 2 подается положительное

напряжение U2, которое по модулю больше первого в 1,5-2 раза.

При этом образовавшиеся заряды под первыми электродами перемещаются под действием возникающего электрического поля под электроды 2 - это режим переноса зарядов. В третьем такте работы электроды1 и 3 заземляются,

Рисунок 1.4 - Режим хранения зарядов в ячейках 2

на электроды 2 подается напряжение U2 = U0. В этом режиме происходит хранение зарядов под электродами 2.

Таким образом, как было указано, заряды могут образовываться за счет фотопроцесса или за счет инжекции в начало цепочки ПЗС через входной p-n (n-p) переход (аналогично для снятия зарядов -- в конце). Понятно, что если мы будем поочередно перемещать накопившиеся заряды из одной группы электродов в другую, то на выходе мы можем получить сигнал. Если ПЗС применяется в оптических преобразователях, то после относительно длительной фазы накопления, заряды быстро перемещаются к выходу на выходной усилитель. Тем самым сигнал будет содержать информацию об освещенности соответствующих ячеек ПЗС. Линейная организация ПЗС используется в сканирующих устройствах или следящих системах. А в цифровых видео- и фотокамерах используют кадровую матричную структуру ПЗС.

В основе принципа работы лежит способность ячейками ПЗС накапливать заряд в зависимости от их освещенности. Ключевой особенностью ПЗС является принцип считывания образа светового потока. Накопленные заряды по очереди продвигаются по линейной структуре ПЗС к выходу, и таким же порядком поступают на обработку.

1.6 Твердотельные преобразователи свет-сигнал

Телекамеры на основе матриц ПЗС делятся на внутренние и внешние. Основные различия этих видеокамер, это наличие термокожуха у внешних телекамер и автоподогреве, а также преобразователе свет-сигнал. Эти преобразователи являются твердотельными.

Твердотельные преобразователи свет-сигнал относятся к классу приборов с переносом заряда (ФППЗ) - это изделие электронной техники, предназначенное для преобразования оптического изображения в электрический сигнал. Его действие основано на формировании и эффективном переносе дискретных фотогенерированных зарядовых пакетов по поверхности или внутри полупроводникового материала. ФППЗ подразделяются на линейные и матричные в зависимости от назначения. Линейный ФППЗ - фоточувствительный прибор с переносом заряда, в котором фоточувствительные элементы расположены в один ряд. За период интегрирования линейный ФППЗ преобразует в электрический сигнал одну строку (линию) оптического изображения. Матричный ФППЗ - фоточувствительный прибор с переносом заряда, в котором фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричный ФППЗ преобразует в электрический сигнал один кадр оптического изображения.

ФППЗ подразделяются на фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ) в зависимости от способа сканирования фотогенерированных пакетов. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью - это прибор с переносом заряда, в котором зарядовые пакеты передаются к выходному устройству вследствие перемещения положения потенциальных ям. Положение потенциальных ям изменяется за счет периодического изменения амплитуды управляющих импульсов.

Фоточувствительный прибор с зарядовой инжекцией - это прибор с переносом заряда, в котором перемещение зарядового пакета происходит внутри фоточувствительного элемента с последующей инжекцией в подложку или в область стока заряда.

Основными характеристиками ФППЗ являются минимальный уровень излучения, размеры фоточувствительного поля и фоточувствительного элемента, число фоточувствительных элементов, спектральная чувствительность и другие. В современных миниатюрных видеокамерах применяются матричные ПЗС размером 0,5 дюйма ( на фоточувствительном поле размером 8 на 7,7 мм укладывается несколько сот тысяч фоточувствительных элементов, что обеспечивает формирование качественного телевизионного изображения с разрешением, достигающим 430 твл ) и ПЗИ размером 0,75 дюйма (получается ТВ- изображение разрешением 450 твл).

Малые габариты и масса, высокая стабильность, надежность, длительный срок службы, малые геометрические искажения и инерционность, отсутствие опасности прожига мишени и необходимости обеспечения высоковольтным питанием, малая чувствительность к ударам и вибрации - вот основные преимущества использования в видеокамерах твердотельных преобразователей по сравнению с передающими трубками. Совмещение растров в твердотельных трехматричных цветных видеокамерах достигается легче, чем в трехтрубочных из-за геометрического подобия матриц. В последнее время и в видеокамерах высокого класса стали применять трехматричные преобразователи. Однако для них требуется высококачественная оптика с малыми абберациями, так как возникающие в объективе искажения не могут быть скорректированы с помощью электроники, как это осуществляется в видеокамерах на передающих трубках.

Поскольку в цветных видеокамерах твердотельные преобразователи с зарядовой связью должны обеспечивать раздельное формирование сигналов различного цвета, они могут строиться на одной, двух или трех матрицах ПЗС.

Цветное изображение в трехматричной системе поступает на цветоделительный блок (призму), который осуществляет спектральное и пространственное разделение изображения на зеленую (G), красную (R), синюю (B) составляющие. Они проецируются на три кристалла матричных ПЗС, формирующих выходные сигналы R,G,B.

Достоинством трехматричной системы являются: максимальная четкость в каждом из цветовых каналов и возможность увеличения разрешающей способности при определенном пространственном сдвиге матриц друг относительно друга (достигающей 530 твл). Недостатки - сложность цветоделительного блока и трудности пространственного проецирования трех составляющих изображения. Несмотря на недостатки, трехматричная система нашла применение в современных видеокамерах стандартов S-VHS и Hi-8 фирм Panasonic и Sony, использующихся для полупрофессиональных и вещательных целей. Например, красный луч, не испытывая преломления, проходит на R-ПЗС, зеленый луч выделяется зеленой дихроичной пленкой и после полного отражения от стенки призмы попадает на G-ПЗС, а синий луч формируется синей дихроичной пленкой и преобразуется в электрический сигнал матрицей В-ПЗС. Такая конструкция бесзазорной трехматричной системы позволяет повысить качество изображения при уменьшенных габаритах.

Изображение в двухматричной системе с помощью дихроического зеркала делится на две составляющие: зеленую G и пурпурную R+B, которые направляются на соответствующие матрицы, где с помощью специальных фильтров, аналогично разделению цветовых сигналов на передающей трубке, получают раздельные сигналы трех основных цветов.

Использование одной матрицы, совмещенной с цветокодирующим фильтром, предъявляет высокие требования к ПЗС в цветных видеокамерах: повышенная (по сравнению с обычными ПЗС) разрешающая способность; повышенная чувствительность в синей области спектра; малые потери переноса зарядов, уменьшающие смешивание сигналов различных цветов; предотвращение растекания накопленных в матрице ПЗС зарядов и, соответственно, качества изображения. В качестве фильтров для матриц ПЗС в одноматричных видеокамерах применяются полосковые фильтры и растровые мозаичные фильтры, которые отличаются от растровых светофильтров однотрубочных камер дискретностью как по горизонтали, так и по вертикали. Число элементов в решетке фильтра должно соответствовать числу элементов матрицы.

Применение в качестве датчика изображения твердотельных преобразователей свет- сигнал позволяет использовать электронный затвор с переменной скоростью срабатывания от 1/50 с до 1/4000 с (достигающей даже 1/10000 с) и без искажений осуществлять запись быстро перемещающихся объектов. Хотя надо учитывать, что качественное изображение при работе затвора на больших скоростях требует увеличения освещенности снимаемой сцены.

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Матрица содержит секцию накопления (или секцию изображения), секцию хранения (или секцию памяти), вертикальные сдвиговые регистры, закрытые непрозрачным экраном, и горизонтальный выходной регистр. Секция накопления - часть ПЗС, предназначенная для формирования зарядовых пакетов и их накопления, а секция хранения - для хранения зарядовых пакетов. При использовании в качестве преобразователя свет/сигнал изображение проецируется на секцию накопления. В течение времени прямого хода кадровой разверстки в секции накопления происходит накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения. Во время обратного хода (интервал гашения) кадровой развертки осуществляется параллельный перенос картины зарядов в секцию хранения. При накоплении следующего кадра зарядовые пакеты, соответствующие предыдущему кадру, из секции хранения построчно передаются в выходной горизонтальный сдвиговый регистр, на выходе которого формируется видеосигнал. Электронный затвор является неотъемлемой частью матричного ПЗС и, когда говорят о скорости электронного затвора, подразумевают соответствующий режим работы матрицы ПЗС. Скорость электронного затвора является одной из основных характеристик видеокамеры, объявляемой производителем при анонсировании своего нового продукта.

В режиме нормальной съемки электронный заряд накапливается в фоточувствительном элементе в течении 1/50 с. В режиме съемки быстро перемещающихся объектов используется высокоскоростной затвор. В этом режиме через 1/1000 с поступает импульс сдвига, осуществляющий перенос накопленного за 1/1000 с заряда в вертикальный регистр матрицы.

Далее цикл повторяется. Поскольку время накопления заряда при использовании высокоскоростного затвора ограничено, уровень видеосигнала на выходе матрицы будет зависеть от освещенности проецируемого изображения и чувствительности самой матрицы ПЗС.

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией лишены основного недостатка ПЗС - требования к высокой эффективности переноса заряда. В них заряд, накопленный каждым пикселем, считывается непосредственно на выход устройства, что позволяет резко уменьшить размазывание границ в изображении, улучшая его качество. У матричных ПЗИ практически полное отсутствие передачи, так как: требуется только одна передача; возможно использование в качестве фоточувствительных элементов фотодиодов, которые имеют более высокую фоточувствительность; возможно организация произвольной выборки любого элемента или группы элементов, что позволяет реализовать в видеокамерах ряд специальных функций. В матрице ПЗИ имеется система горизонтальных и вертикальных шин, причем на горизонтальные шины подаются импульсы частоты строк, а на вертикальные - частоты опроса фоточувствительных элементов. Все элементы матрицы состоят из двух МОП- емкостей, одна из которых присоединена к горизонтальной шине, другая - к вертикальной, и изолированы друг от друга специальной областью, надежно предохраняющей накопленные заряды от растекания. Основным недостатком ПЗИ является сложность организации системы считывания зарядовых пакетов и, как следствие меньший формат матриц.

К оптической части видеокамер представляются те же основные требования, что и к бытовым телекамерам: высокая светосила объектива; высокая разрешающая способность; больший диапазон изменения фокусного расстояния.

1.7 Технические параметры, которыми характеризуются цифровые видеокамеры

ПЗС матрица камеры наблюдения. Наиболее важным элементом любой современной камеры, который формирует изображение, является матрица на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Она представляет собой прямоугольную полупроводниковую пластину с множеством самостоятельных светочувствительных ячеек на поверхности - пикселей. Изображение фокусируется объективом камеры на ПЗС-матрицу и попадающий на полупроводник свет возбуждает в нем электроны. Возбужденные электроны из каждого пикселя последовательно перемещаются в считывающее устройство и формируют видеосигнал, который в дальнейшем усиливается и обрабатывается электронной системой камеры наблюдения.

- формат ПЗС-матрицы. Знание формата камеры наблюдения позволяет правильно выбрать для нее объектив. Формат - это округленное значение диаметра передающей трубки, которая дает такое же изображение, как и данная ПЗС-матрица (в дюймах). Существуют форматы 1”, 2/3”, 1/2”, 1/3” и 1/4”. Наиболее часто в камеры наблюдения устанавливают матрицы формата 1/3”. Чем больше размер матрицы по диагонали, при неизменном количестве пикселей, тем меньше их взаимное влияние, меньше уровень шумов и выше качество получаемого видеосигнала. В последнее время реже используется матрицы форматов 1” и 2/3” по причине дороговизны самих матриц и оптики, которая должна иметь соответственно большие размеры линз и оправ.

- разрешение камеры наблюдения. Разрешение любой камеры измеряется в телевизионных линиях (ТВЛ). При этом различают разрешение камеры наблюдения по горизонтали и по вертикали. Разрешение по горизонтали - это максимальное число вертикальных линий, которое способна передать камера, например, на видеомониторы. Оно определяется в первую очередь количеством пикселей по горизонтали в ПЗС-матрице, а также электронной схемой камеры. Как правило, этот параметр не превышает число пикселей в строке умноженное на 0,75. Разрешение по вертикали определяется телевизионным стандартом - способом кодирования изображения в электронном виде. В России используются стандарты ССIR (для черно-белых камер) и PAL (для цветных камер). Оба стандарта подразумевают 625 строк по вертикали.

- чувствительность камеры наблюдения. Чаще всего под чувствительностью камеры понимают минимальную освещенность зоны наблюдения, при которой на выходе камеры формируется видеосигнал с амплитудой 1 В и определенной глубиной модуляции при установленном отношении сигнал/шум. Кроме этого, если указано относительное отверстие объектива, при котором замерена чувствительность, то можно пересчитать количество света, падающее на ПЗС матрицы для объективов с различным относительным отверстием и сравнить чувствительность камер наблюдения. При оценке чувствительности, также надо учитывать отражательную способность объекта, т.к. светлые предметы в темноте видны лучше, чем темные.

- автоматическая регулировка усиления. ПЗС-матрица камеры наблюдения не всегда формирует сигнал достаточной амплитуды, поэтому наличие в камере автоматической регулировки усиления (АРУ) позволяет довести выходной сигнал до уровня 1В. Однако следует учитывать, что, усиливая видеосигнал, АРУ в равной степени усиливает и шумы, оставляя соотношение сигнал/шум неизменным.

- автодиафрагма и автоэлектронный затвор. В большинстве случаев камеры наблюдения работают в условиях часто меняющейся освещенности объектов наблюдения. Поэтому для получения качественного видеосигнала с камеры необходимо поддерживать на определенном уровне количество квантов света, попадающих на ПЗС-матрицу в период между двумя последовательными считываниями. В этом случае автодиафрагма камеры наблюдения меняет освещенность ее ПЗС-матрицы, изменяя размер входного отверстия оптической системы объектива. А электронный затвор камеры изменяет время, за которое накапливается заряд в ПЗС-матрице. Таким образом, регулируя время накопления заряда от 1/50 с. до 1/100000 с., можно отрабатывать изменения освещенности в 2000 раз.

- отношение сигнал/шум. Соотношение сигнал/шум говорит о качестве выходного видеосигнала камеры наблюдения. Оно измеряется в децибелах (дБ) и численно равно десятичному логарифму отношения амплитуды напряжения видеосигнала к среднеквадратичному значению напряжения фона, умноженному на 20. Визуально шум проявляется в виде “снега” на изображении с камеры. При отношении сигнал/шум 45 дБ шум практически не заметен. Высокое соотношение сигнал/шум камеры наблюдения, а, следовательно, и качественная видеокартинка, достигаются достаточным уровнем освещенности объекта наблюдения, светосильной оптикой, использованием высококачественной матрицы ПЗС и цифровой фильтрацией шумов в электронных схемах камеры наблюдения

компенсация встречной засветки. В системах наблюдения очень часто необходимо передать темные участки изображения на ярком фоне. Например, если навстречу камере наблюдения выезжает автомобиль с включенными фарами, то на изображении будут видны только два ярких пятна от фар. Наличие в камере компенсации встречной засветки позволяет устранить этот недостаток. В простейшем случае электронная система камеры наблюдения устанавливает автодиафрагму, электронный затвор и АРУ не по средней освещенности изображения, а по его части. Это может быть центр или область, которая задается программно. Тогда на видеомонитор будут передаваться два предельно ярких пятна от фар, а также изображение автомобиля при нормальной контрастности. Некоторые камеры наблюдения имеют АРУ, которая при обработке сигнала устраняет или ослабляет очень яркие участки изображения, поэтому все изображение будет примерно одинаковой яркости. В отличие от аналоговых, цифровые камеры наблюдения имеют электронный затвор, который выборочно выставляет различные времена экспозиции для различных частей изображения, поэтому все изображение получается одинаковой яркости и со всеми деталями.

- эффект заплывания изображения камеры . При встречной засветке некоторые области ПЗС-матрицы камеры наблюдения оказываются очень сильно освещенными. Количество накопленного в этих областях заряда может оказаться таким, что он будет перетекать в соседние участки матрицы, вызывая эффект заплывания изображения. Для устранения этого эффекта созданы специальные ПЗС-матрицы, которые не накапливают заряд больше определенной величины.

- баланс белого. Для того, чтобы камера наблюдения точно передавала цвет объекта, независимо от источника освещения объекта, видеосигнал обрабатывается системой баланса белого. Параметры настройки баланса белого могут устанавливаться автоматически или вручную. При автоматическом балансе белого камера наблюдения определяет эти параметры однократно и потом использует их при дальнейшей работе. Если освещение объекта часто меняется в течении суток, то применяют камеры наблюдения с автоматическим отслеживанием баланса белого. Такие камеры непрерывно корректируют параметры настройки баланса белого.

- гамма-коррекция Многие видеомониторы обладают нелинейной зависимостью яркости свечения люминофора ЭЛТ от напряжения видеосигнала, поступающего с камеры наблюдения. Система гамма-коррекции камеры изменяет исходный видеосигнал так, чтобы компенсировать эту нелинейность. В результате изображение получается с верной контрастностью.

Очень распространены в видеокамерах система автоматического управления диафрагмой. Достигнутые в настоящее время цифровых видеокамерах высокая светосила объектива и высокая чувствительность преобразователя свет-сигнал на ПЗС (прибор с зарядовой связью) позволяют производить видеосъемку в условиях очень низкой освещенности объекта съемки - порядка нескольких люкс (2…7). Разрешающая способность лучших видеокамер достигает 625твл и более, отношение сигнал/шум по изображению 60…62 дб.

Функциональные возможности видеокамер в настоящее время расширяются благодаря успехам микроэлектроники. Поэтому в камерах появляется все больше достоинств, что, конечно, улучшает использование и работу с ними.

Вывод: проведенный аналитический обзор показал основные устройства телекамеры системы наружного наблюдения

2. Сравнительный анализ

Современные цифровые видеокамеры, независимо оттого, какого они рода, где применяются в бытовых или промышленных целях - это очень сложные устройства, снабженные рядом автоматических систем регулирования, например, автодиафрагма.

«Нашествие» цифровых видеокамер на рынки всего мира происходит настолько стремительно, что даже трудно спрогнозировать ситуацию на несколько месяцев вперед. Из-за этого возникает вопрос о том, что все ли видеокамеры одинаковы по своим структурным построениям. Поэтому в этом разделе мы сравним видеокамеры TR305E и PANASONIC-NV-M3000 и попытаемся понять их схемотехнические построения.

Видеокамеры этих двух систем чрезвычайно отличаются друг от друга по параметрам, возможностям, а также схемотехническим построениям. Однако их можно выделить на две группы аппаратов, обеспечивающих изображение разного масштаба.

Большинство видеокамер охранного наблюдения, а также некоторые бытовые, имеют датчик изображения на одной матрице ПЗС и формирует картинку с одинаковым качеством (при сопоставимом числе элементов матрицы ПЗС). К этой группе и относится используемая на примере цифровая видеокамера TR305E. Вторая группа (к ней относится PANASONIC-NV-M3000) - модели с трехматричными датчиками, дающие изображение значительно более высокого качества, по сравнению с первой. Видеокамеры с тремя матрицами выпускаются как цифровых, так и аналоговых форматов.

2.1 Структурная схема цифровой видеокамеры TR305E

Структурная схема видеокамеры CCD-TR305E приведена на рисунке 2.1. Оптическая система является необходимой частью любой видеокамеры.

Задача оптической системы - подать сфокусированное изображение снимаемого объекта на преобразователь свет - сигнал.

Рисунок 2.1 - Структурная схема цифровой видеокамеры TR305E

Изображение должно иметь такие же приведенные размеры, как и матрица преобразователя.

Без точной установки объектива на определенном расстоянии от светочувствительного слоя преобразователя свет - сигнал невозможно получить резкое изображение.

Характеристики используемого объектива определяют как технические параметры, так и эксплуатационные возможности видеокамер. Увеличение чувствительности достигается применением светосильных систем. При съемке цветного изображения на чувствительность оказывают влияние спектральные характеристики коэффициента светопропускания объектива, а его частотноконтрасные характеристики во многом определяют четкость воспроизводимого изображения. Качество изображения также зависит от равномерности распределения освещенности на фоточувствительной поверхности преобразователя свет-сигнал, сохранения постоянного положения плоскости изображения при изменении фокусных расстояний, коррекции хроматической аберрации и т.д.

Относительным отверстием называется отношение диаметра входного зрачка объектива к фокусному расстоянию. Светосилой объектива называется его способность давать ту или иную яркость изображения. Чем выше светосила объектива, тем меньшая продолжительность освещения преобразователя свет-сигнал требуется при съемке и понижается уровень минимальной освещенности. Светосила объектива зависит от двух величин: от размера входного зрачка и от фокусного расстояния. Объектив тем светосильнее, чем больше его входное отверстие и чем короче его фокусное расстояние.

В настоящее время используются преобразователи свет-сигнал с размерами по диагонали светочувствительной области 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 дюйма. Им соответствует нормальное фокусное расстояние 4; 5,5; 8 и 11 мм.

При эксплуатации большое значение имеет широкоугольность объектива, возможность работы на близком расстоянии от объектива и осуществления макросъемки, возможность плавного автоматического изменения фокусного расстояния, а также уменьшение габаритов и массы. Объективы видеокамер в результате выполнения вышеуказанных требований представляют из себя сложное оптико-механическое устройство. В большинстве случаев это вариообъективы с ручным и автоматическим управлением фокусным расстоянием, диафрагмой и временем экспозиции.

При этом его относительное отверстие объектива позволяет вести видеосъемку при неблагоприятных условиях освещенности, например, в сумерках.

У нормальных объективов угол поля изображения по горизонтали примерно равен углу зрения человеческого глаза, и они передают перспективно сокращения в изображении так же, как глаз человека. У широкоугольных объективов большой охват пространства и перспективные сокращения передаются в большей степени, что создает иллюзию большей пространственной глубины в изображении. У длиннофокусных объективов меньшие углы изображения, меньшие перспективные сокращения, и они уменьшают в изображении пространственную глубину, как бы приближая фон к основному объекту съемки.

При использовании вариообъективов перемещение вдоль оптической оси различных компонентов служит для наводки на резкость при съемке с различных расстояний, для изменения фокусного расстояния, в пространстве при различных фокусных расстояниях и совмещения плоскости изображения с плоскостью фоточувствительной площадки преобразователя свет-сигнал.

Также создаются многофункциональные оптические системы для совершенствования объективов. Например система "MF LENS System (Multi-Functional Lens System) фирмы JVC предназначена для использования миниатюрных видеокамер и состоит из нескольких компонентов: системы из четырех передних линз; оптического фильтра. Путем простых операций, в зависимости от поставленных задач, оператор может выбрать четыре режима съемки.

1. Стандартный вариобъектив в сочетании с цифровой системой обеспечивает 17-кратное увеличение.

2. Модифицированный вариобъектив с цифровой системой увеличения в 25 крат.

3. Ультраширокоугольный объектив с возможностью макросъемки. Для перехода к этому режиму следует изъять три передние линзы из передней системы.

4. Объектив для микроскопической съемки. При этом система из четырех линз устанавливается в кольцо с микроподачей и перемещается вперед на 39 мм. Открывается возможность снимать очень мелкие объекты - частицы пыли, снежинки и т.п.

В последнее время стала практиковаться возможность ручной регулировки наводки на резкость, установки величины открытия диафрагмы и величины экспозиции, что ранее реализовалось в более сложных и дорогих камерах, открывая новые творческие пути для подготовленного оператора.

На рисунке 2.2 приведена схема многофункциональной линзовой системы фирмы JVC. Эта система состоит из шести последовательных групп линз: система из четырех передних линз, вариатор, компенсатор, система диафрагмы, фокусирующие линзы, оптический фильтр.

Перемещение первой группы линз приводит к изменению масштаба изображения (оптическая трансфокация) и осуществляется мотором трансфокатора, перемещением пятой группы линз осуществляется фокусировка изображения, это перемещение осуществляется ручной фокусировки. ??

Трансфокатор - это объектив с переменным фокусным расстоянием, состоящий из собственно объектива и расположенной перед ним телескопической насадки переменного увеличения. Плавное изменение фокусного расстояния трансфокатора в заданном диапазоне достигается механическим перемещением оптических компонентов телескопической насадки. Трансфокатор позволяет многократно приближать область сильно удаленного объекта видеонаблюдения для получения его детального изображения.

??? Рисунок 2.2 Многофункциональная линзовая система

Основные технические характеристики трансфокатора:

-наблюдение за движущимися объектами. Как правило, трансфокаторы устанавливаются на видеокамеры, размещенные на поворотном устройстве. Такая комбинация видеокамеры и трансфокатора позволяет эффективно наблюдать за движущимися объектами. При этом трансфокатор обеспечивает изображение объекта видеонаблюдения как общим планом, так и всех его деталей.

-угол обзора видеокамеры определяется значением фокусного расстояния трансфокатора и размером CCD фоточувствительной матрицы видеокамеры. Поэтому каждый трансфокатор рекомендуется применять с CCD матрицей того размера, для которого он предназначен. Видеокамеры массового производства имеют матрицы размером 1/3 и 1/2 дюйма.

- фокусное расстояние. Трансфокаторы бывают с ручным и дистанционным управлением фокусным расстоянием. Так трансфокаторы с ручным управлением применяются в системах, где при монтаже видеокамеры еще не известен угол обзора и впоследствии требуется однократная точная настройка границ видеонаблюдения. Трансфокаторы с дистанционным управлением фокусным расстоянием устанавливаются на видеокамеры, управляемые оператором, поскольку они позволяют настраивать угол обзора при слежении за движущимся объектом.

- кратность увеличения. Одной из основных характеристик трансфокатора является кратность увеличения, определяемая отношением максимального фокусного расстояния к минимальному. Наиболее совершенные оптические трансфокаторы имеют кратность изменения фокусного расстояния 30 и более раз. В сочетании с цифровым увеличением изображения в видеокамере результирующая величина этого параметра может достигать нескольких сотен.

Другой не менее важной характеристикой трансфокатора является светосила (апертура), которая определяется отношением фокусного расстояния трансфокатора к диаметру его передней линзы. Чем выше апертура, тем больше света пропускает трансфокатор и тем при меньшей освещенности видеокамера обеспечивает качественное изображение объекта. Высококлассные трансфокаторы имеют относительное отверстие F1,0 -F1,4

С помощью диафрагмы регулируется диапазон светопропускания трансфокатора, что обеспечивает постоянный уровень освещенности CCD матрицы видеокамеры. Регулировка диафрагмы трансфокатора может осуществляться в ручном или автоматическом режиме. Трансфокаторы с ручной регулировкой диафрагмы применяются, как правило, для комнатных видеокамер. На уличные видеокамеры устанавливают трансфокаторы с автоматической диафрагмой, поскольку при значительных изменениях освещенности они обеспечивают высокое качество изображения. В зависимости от способа управления трансфокаторы с автодиафрагмой делятся на трансфокаторы управляемые постоянным током (DC) и трансфокаторы с управлением по видеосигналу (Video). Также производятся трансфокаторы с дистанционным управлением фокусом, регулировка диафрагмы которых осуществляется оператором с пульта.

После объектива стоит один из основных элементов телекамеры - датчик изображения, т.е. устройство преобразования спроекцированного объективом оптического изображения снимаемого объекта в электрический сигнал. В качестве этого датчика изображения используются передающие телевизионные трубки и твердотельные преобразователи свет-сигнал.