516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

3.1. Классификация передающих телевизионных камер

81

обработке и записи сигналов делает границу между вещательными и профессиональными телевизионными камерами все более размытой и даже крупные телецентры отдают предпочтение менее дорогим профессиональным камерам.

Сегодня можно с полной уверенностью утверждать, что век аналоговых видеокамер подошел к концу. В плане производства этого оборудования он уже закончился в тот момент, когда компания Sony официально объявила о прекращении выпуска оборудования семейства Betacam SP. Альтернативой магнитной видеозаписи в камкордерах являются три новых конкурента: жесткий (магнитный) диск, лазерный (оптический) диск и твердотельная память. Идея записи снимаемого камерой видеоматериала на жесткий диск возникла несколько лет назад. Практическое применение получил вариант записи со сменным магнитным диском. В этом случае дисковый адаптер остается постоянно подключенным к камере, а жесткий диск можно вставлять и вынимать по мере необходимости. Этот же диск можно подключить к компьютеру по стандартному интерфейсу и выполнить перенос материала в режиме копирования файлов. Принцип лазерной записи на оптический диск, установленный в видеокамере, на профессиональном уровне впервые реализован в 2002 году фирмой Sony. Для «прожига» диска используется «голубой» лазер. У этого метода есть свои несомненные преимущества. Это все та же файловая система записи, значительное уменьшение габаритов дисковода, а главное – произвольный доступ к записанному материалу и простота использования совместно с системами нелинейного монтажа. Особое место занимает запись видео и звука на твердотельную память. Уже достаточно давно в профессиональных и бытовых камерах для записи информации для настройки, статичных изображений и даже коротких видеопоследовательностей используются твердотельные карты памяти различных форматов. Но то, что разработано компанией Panasonic – нечто совсем иное. Камера-прототип совсем не имеет ни лентопротяжного механизма, ни какого-либо дисковода. Единственный оставшийся электромеханический узел – это привод вариобъектива. А если считать, что объектив относится к разряду навесного оборудования, то новая видеокамера Panasonic вообще не содержит механических узлов. Запись выполняется на карты памяти, для которых предусмотрены специальные разъемы. Причем, видеозапись можно начинать, вставив всего одну карту памяти. Благодаря высокой скорости доступа есть возможность записывать на карту памяти даже некомпрессированное видео. Правда, при существующих сегодня моделях карт памяти время записи для несжатого видео составляет десятки минут. В некоторых случаях, например, при съемке рекламных роликов этого может быть достаточно. А вот при скорости потока данных 25 Мбит/с в случае использования видеокомпрессии длительность записи составляет уже несколько десятков часов. Конечно, цена твердотельной памяти сейчас весьма высока, но тенденция к снижению стоимости и увеличению объема твердотельных носителей вселяет оптимизм. Например, из закона Мура следует, что объем памяти возрастает в два раза каждые 18 месяцев.

82	3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

Современные телевизионные и видеокамеры содержат один или несколько процессоров, которые не только обрабатывают аудиовизуальную информацию, но и отвечают за управление камерами в целом. К тому же и носители информации становятся чисто компьютерными. Поэтому новейшие телекамеры совершенно обоснованно можно назвать «компьютером с объективом».

Вклассическом понимании к современным студийным камерам следует относить разъемные модели устройств, куда входят камерная головка с оптикой (вариообъективом), видеоискателем, системой формирования изображения, а также камерный и сетевой адаптеры. В настоящее время очень распространена практика использования моноблочных камкордеров не только в составе ТЖК, но и в качестве студийной камеры, что достигается двумя путями: либо интеграцией в сам камкордер необходимых интерфейсов для подключения полноценного камерного адаптера, либо применением специальных студийных адаптеров, объединяющих в себе функции переходника и камерного адаптера.

Вцелом классификация вещательных телевизионных камер, отражающая различные аспекты их практического применения, может быть представлена следующим образом.

Камеры для студии (Cameras for Studio).

Камеры для студии представляют собой технические системы из телевизионных камер, адаптеров, блоков управления, вариообъективов и телесуфлеров. Все это располагается на массивных гидравлических пьедесталах с возможностью передвижения по полу студии («на колесах»). Масса подобной системы составляет не менее 30…40 кг.

Мобильные камеры (Mobile Cameras).

Собственно, это те же телевизионные камеры для студии, но в заметно облегченном варианте: в минимальной комплектации с довольно легкими и компактными вариообъективами, применяемыми в новостном производстве. Часто

втаких съемочных комплектах контроль и передача видеосигналов осуществляются не через кабель, а посредством беспроводных систем передачи данных.

Новостные камеры (Electronic News Gathering Cameras).

Несмотря на то, что новостными камерами чаще всего называют камкордеры, телевизионные камеры также попадают под это определение. В отличие от мобильных камер, в данном случае используются либо разъемные модели камкордеров, либо моноблочные камкордеры в комбинации со специальными адаптерами для студийных передач.

Средства управления, в оперативном доступе к которым «на месте» регулярно возникает потребность, располагаются на самой камере в виде переключателей, а не в электронном меню.

Втакой конфигурации используются в подавляющем большинстве беспроводные системы передачи данных или соединительные кабели небольшой длины. Данные камеры способны регистрировать и передавать сигнал звука, то есть имеют аудиотракт.

Камеры для скоростной съемки (Rapid Cameras).

Задача этих камер – зафиксировать изображение с увеличенной в несколько раз кадровой частотой для его дальнейшего воспроизведения в режиме нор-

3.1. Классификация передающих телевизионных камер

83

мальной скорости, то есть для создания эффекта замедленного движения. В большинстве случаев запись производится с утроенной скоростью по отношению к норме вещательного стандарта. Замедленные повторы (Slow motion reproduction) в процессе прямых трансляций играют значительную роль в современном телевидении для создания рекламных и музыкальных клипов, в научнопопулярных и учебных программах, особенно во время спортивных передач. Системы замедленного повтора позволяют зрителям увидеть те моменты и события, которые не способны запечатлеть обычные телекамеры. В спортивном вещании они позволяют зрителям наблюдать за тем, что на самом деле происходит во время основных моментов соревнований, и дают возможность оценить опыт и мастерство выдающихся спортсменов. Высокоскоростные камеры активно применяются в программно-аппаратных системах для фиксации очередности пересечения финишной черты участниками соревнований, то есть в устройствах фотофиниша.

Видеосюжеты, полученные с выхода системы замедленного повтора, могут быть смикшированы с обычной телевизионной программой. При этом зрители не должны заметить разницы в качестве изображений между ними. Поэтому высокоскоростные камеры, как правило, оснащаются одним высокочувствительным КМОП-сенсором с разрешающей способностью, обеспечиваемой 4 мегапикселями, и работающим в режиме прогрессивной развертки.

Стереоскопические камеры (Stereoscopic Cameras).

Для воспроизведения трехмерных изображений (3D-типа) в стереоскопическом телевидении, в общем случае, должно использоваться две передающие телевизионные камеры, разнесенные в пространстве на расстояние, равное глазному базису, среднее значение которого соответствует 65 мм. Для усиления стереоэффекта (увеличение радиуса стереоскопического видения) базис наблюдения в стереотелевизионной системе должен быть больше нормального межзрачкового расстояния человека. При рассматривании отдельных микрообъектов базис может быть меньше 65 мм. Как правило, значение базиса передающих камер bк должно выбираться в зависимости от расстояния между плоскостью конвергенции оптических осей объективов, которую обычно совмещают с центром рассматриваемого объекта, и передней главной плоскостью объективов Ll по следующей формуле: bк Ll/50.

В настоящее время телекамеры различных типов выпускаются в форматах стандартной четкости (SD – Standard Definition), высокой четкости (HD – High Definition) и мультиформатные (SD/SH). Классификация по форматам определяет принадлежность оборудования к тому или иному телевизионному вещательному стандарту.

Бытовые телекамеры предназначены для видеосъемки с записью на карты твердотельной памяти и воспроизведения записей в домашних условиях. Они относительно просты по конструкции и несложны в эксплуатации, имеют относительно низкие технические характеристики, предназначены для съемки с рук, а поэтому легкие. Встроенная портативная аккумуляторная батарея обеспечивает непрерывную запись на нескольких картах памяти продолжительностью до 4 ча-

84	3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

сов. Стоимость бытовых видеокамер достаточно невысокая и обычно доступна широкому кругу покупателей. Но качество изображения, как правило, уступает качеству, требуемому для телевизионного вещания. Однако в последнее время все большее распространение получают бытовые видеокамеры более высокого класса (соответственно более дорогие), качество изображения которых уже вполне сопоставимо с профессиональным. Их иногда называют полупрофессиональными.

3.2.Основные требования, предъявляемые

ктелевизионным и видеокамерам

Из основных требований, предъявляемых к современной цифровой видеокамере, предназначенной для создания телевизионных или видеопрограмм, необходимо отметить следующие [36]:

высокое качество формируемых аудио- и видеосигналов;

наличие вариообъектива;

удобное расположение органов управления (регулировок);

обеспечение достаточно продолжительного времени записи снимаемой сцены;

облегчение постпроизводства (монтажа создаваемых программ).

Следует добавить, что кроме технических характеристик, они должны удовлетворять ряду эксплуатационных требований, которые предъявляются на протяжении всего технологического процесса от съемки до монтажа.

Развитие журналистских компьютеризированных рабочих станций и общая тенденция перехода к телестудиям, использующим безленточный монтаж, определили необходимость создания видеотек и архивов в виде оптических или жестких дисков, которые могут быть использованы при подготовке видеоматериала. Большую экономию средств приносит применение в видеокамерах в качестве устройств записи аудиовизуальной информации карт твердотельной памяти.

Параметры телевизионных камер подразделяются на две основные группы: оптико-электрические и эксплуатационные. Оптико-электрические параметры характеризуют передачу градаций яркости, мелких деталей, то есть разрешающую способность, цветопередачу, искажения передаваемого изображения (геометрические, нелинейные и др.), паразитные составляющие сигналов, в том числе шумы и помехи. Оптико-электрические параметры, в первую очередь, определяются типом и размерами используемых светочувствительных матриц (сенсоров). В студийных камерах в большинстве случаев применяются матрицы размером 2/3 . В видеокамерах допускается использование матриц с размерами

1/2 и 1/3 .

Эксплуатационные параметры характеризуют режимы работы камеры, ее массу, размеры, потребляемую мощность, чувствительность, сохранение опти- ко-электрических параметров при изменении условий окружающей среды (температуры, влажности и т.д.).

Важнейшим эксплуатационным параметром как студийных, так и репортажных видеокамер является чувствительность, то есть способность обеспечи-

3.2. Основные требования, предъявляемые к телевизионным и видеокамерам

85

вать оптимальное качество видеосигнала при заданной освещенности объекта. Видеосъемки могут происходить в солнечный день, в пасмурную погоду, в ночное время и каждый раз камера должна зафиксировать снимаемый объект с нужной детализацией.

Кэксплуатационным параметрам телекамер относятся также возможности

иособенности удаленного контроля, тип используемого соединительного кабеля, его максимальная длина, функциональные свойства камерного адаптера, размеры монитора видеоискателя.

В общем случае видеокамеры вносят определенные искажения в воспроизводимые телевизионные изображения. По визуальному восприятию различают геометрические искажения, рассовмещение цветоделенных изображений, неравномерность яркости и цветности по полю изображения, инерционность, линейные и нелинейные искажения. Необходимо отметить, что у современных профессиональных телекамер, работающих в нормальных условиях, значения всех рассматриваемых искажений не превышают порогов субъективной заметности.

Геометрические искажения проявляются в виде нарушения формы передаваемых объектов и вызываются погрешностями оптической системы (прежде всего, дисторсией объектива), отклонением формата растра от номинального. Для оценки геометрических искажений обычно измеряют смещение изображения точечного объекта от правильного положения и выражают его в процентах от высоты растра. Например, в профессиональных видеокамерах эти искажения не превышают 0,05% в центре и 0,4% по границам растра.

Воспроизведение цветного телевизионного изображения возможно лишь в том случае, когда все точки изображений, образуемых каждым из цветоделенных сигналов ER, EG, EB, совпадают на экране цветного монитора.

Указанное совпадение возможно, если импульсы сигналов с преобразователей свет-сигнал поступают на монитор синхронно, то есть в одинаковые моменты времени. Это требование выполняется лишь при тщательной настройке оптических и электронных элементов цветной видеокамеры.

Камкордеры являются источниками нормируемых электрических и акустических помех. В частности, мощными источниками помех являются электродвигатели и редукторы приводов объективов. Создаваемые помехи опасны, прежде всего, для предварительных видеоусилителей и для микрофонов (радиомикрофонов), располагаемых на камере или вблизи нее.

В последнее время для решения некоторых задач телевизионная журналистика предъявила к съемочной аппаратуре такие требования, которым привычные наплечные видеокамеры стали не удовлетворять по причине значительных размеров и относительно большой массы. С появлением дисковых устройств записи, а также карт твердотельной памяти были разработаны малогабаритные ТВЧ видеокамеры, значительно расширившие возможности оператора при съемках в экстремальных условиях и в случае, когда необходимо избежать излишнего внимания окружающих.

86	3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

Функциональные возможности видеокамер в настоящее время расширяются благодаря успехам микроэлектроники. Появились встроенные системы синтеза титров, электронного монтажа, дополнительного озвучивания и др. Улучшились сервисные возможности видеокамеры, вплоть до встроенных систем диагностики неисправностей.

С точки зрения эргономики разработка конструкции каждого узла камеры, начиная от формы корпуса и заканчивая интуитивно понятным интерфейсом управления, должна быть направлена на обеспечение максимального комфорта оператору и на получение высококачественного визуального материала в любых условиях съемки.

Особо следует заметить, что требования к большинству параметров, как студийных телевизионных камер, так и камкордеров практически идентичны. Изменения, а если быть более точным – дополнения, касаются фактически только используемых адаптеров и интерфейсов.

3.3. Конструктивные особенности современных видеокамер

Видеокамера состоит из нескольких основных функциональных узлов: объектива, камерной головки, устройства записи на твердотельные карты памяти и блока управления (рис. 3.1).

Вариообъектив видеокамеры представляет съемную оптико-механическую конструкцию, призванную формировать изображение повышенной разрешающей способности и с наименьшими искажениями. Объективы имеют регулируемые диафрагму, фокусировку 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 на красную (R), зеленую (G) и синюю (B) составляющие, после чего они соответственно поступают по трем различным каналам на фотоприемные матрицы (ФПМ).

Рис. 3.1. Функциональная схема видеокамеры:

1 – объектив; 2 – камерная головка; 3 – блок управления; 4 – модуль записи аудиовизуальной информации

3.3. Конструктивные особенности современных видеокамер

87

Втелевизионном вещании высокой четкости в настоящее время широкое применение нашли ФПМ двух типов: во-первых, это самые высококачественные и дорогостоящие матрицы на приборах с зарядовой связью, то есть ПЗСтипа; во-вторых, КМОП-матрицы, имеющие структуру комплементарный ме- талл-окисел-полупроводник, для обозначения которых в зарубежной литерату-

ре используется аббревиатура CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconduc- tor. КМОП-матрицы имеют значительно меньшую стоимость и позволяют формировать высококачественные телевизионные изображения с разрешением, не уступающим матрицам ПЗС. ФПМ осуществляют пространственную дискретизацию цветоделенных изображений, поэтому в соответствии с теоремой Найк- виста-Котельникова для исключения интермодуляционных искажений (элайзинга – aliasing), являющихся результатом недостаточной дискретизации (выборки производятся очень редко), спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте, менее или равной половине частоты дискретизации. Для этой цели применяют фильтр низких пространственных частот (ФНПЧ). Поскольку некоторые ФПМ имеют максимальную чувствительность в инфракрасной (ИК) области спектра, в оптическую часть видеокамеры, как правило, входит фильтр ИК отсечки. Устройство оптической части видеокамеры иллюстрируется рис. 3.2.

Структурная схема камерной головки представлена на рис. 3.3 [37].

Втелевизионном вещании высокой четкости в качестве ФПМ широкое применение нашли матрицы ПЗС типа Hyper HAD или Power HAD (Hole Accumulated Diode – диодный накопитель дырок). Практически в большинстве камер вещательного и профессионального классов используются по три ФПМ. Однако в некоторых моделях видеокамер японской фирмы Ikegami применяются четыре матрицы ПЗС [38]. Новая концепция применения четырех, а не трех, как обычно, матриц подразумевает использование двух матриц для формирования видеосигналов от красного и синего цветоделенных изображений, а еще двух – для зеленого. В результате этого в связи с удвоением частоты дискретизации в канале зеленого удалось получить более высокую горизонтальную разрешающую способность. Кроме этого, динамический диапазон четырехматричной камеры в два раза шире, чем у трехматричных. Цветоделительный блок в совокупности с ФПМ являются самым дорогим узлом видеокамеры.

Рис. 3.2. Конструкция оптической части видеокамеры

88	3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

Рис. 3.3. Структурная схема камерной головки:

1 – светоделительный блок; 2 – коррекционные светофильтры; 3 – ФПМ; 4 – устройство управления ФПМ; 5 – устройство аналоговой обработки; 6 – ЦАП;

7 – АЦП; 8 – синхрогенератор; 9 – цифровой процессор сигналов и кодер

Вколориметрии 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 ФПМ стоят три усилителя видеосигнала, которые должны быть настроены таким образом, чтобы их выходные сигналы были согласованы.

Снимаемые с ФПМ сигналы проходят систему аналоговой обработки, где производится устранение шумовых составляющих и необходимые для аналогоцифрового 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.

Всовременных видеокамерах запись аудиовизуальной информации в основном осуществляется на сменные карты твердотельной памяти формата SD (Secure Digital – цифровая карта с защитой от несанкционированного чтения записанной информации, которая обеспечивается устройством, использующим карту). Это одна из разновидностей Flash Card (флэш карт). Карта типа SD раз-

мером 24 32 2,1 мм снабжена собственным контроллером. Объем памяти карты SD класса 1.0 находится в пределах от 8 МБ до 2 ГБ, класса 1.1 – 4 ГБ. Соответственно объем памяти карт SDHC (Secure Digital High Capacity – карта фор-

3.3. Конструктивные особенности современных видеокамер

89

мата SD высокой емкости) и SDXC (Secure Digital eXtended Capacity – карта формата SD увеличенной емкости) доходит до 32 ГБ и до 2 ТБ (1 ТБ – терабайт равен 1012 байт). Причем у карты типа SDXC скорость обмена информацией доходит до 104 МБ/с.

В 2003 году компания Panasonic Broadcast & Television Systems Company

объявила о разработке видеокамер на основе карт твердотельной памяти Р2 [36]. Название карты Р2 происходит от Professional Plug-in Card – профессиональная съемная карта. Карта P2 (P2 Card) компании Panasonic – это комбинация четырех карт SD в одном модуле памяти, который также является стандар-

том – это карта PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – Международная ассоциация производителей карт памяти для персональных компьютеров). В настоящее время карты PCMCIA имеют название PCCard, то есть карты памяти (флэш-карты для персональных компьютеров). Видеокамеры, работающие с картами Р2, имеют слоты для одновременной установки пяти карт Р2. После видеозаписи карты твердотельной памяти Р2 могут вставляться в станцию нелинейного монтажа, где монтируются видеосюжеты.

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 специальную внутреннюю 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.

90	3. СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКАМЕР

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 карты памяти SD-типа. 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 временнόе 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. 3.4 [39].

Рис. 3.4. 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 – система питания, формирующая различные номиналы напряжения; 10 – система синхронизации; 11 – система контроля и индикации; 12 – микрофон;

13 – система звукового сопровождения; 14 – модуль записи на карты памяти SD-типа; 15 – аккумуляторная батарея; 16 – ручка для переноса видеокамеры