Принцип действия. Цветоделительная система трехматричных ТВ-камер

Цветоделительная система трехматричных ТВ-камер

Свет от съемочного объектива попадает на цветоделительную дихроичную призму, разделяющую его на три составляющих потока, направляемых к разным граням призмы. Излучение с самой короткой длиной волны избирательно отражается от дихроичного покрытия F1, пропускающего остальной свет дальше.

Так синяя составляющая света направляется к нижней выходной грани. Затем, поверхностью с покрытием F2 отделяется длинноволновая - красная часть спектра, попадающая к верхней выходной грани. Оставшийся свет прошедший через все покрытия, соответствует зелёной части спектра и попадает к задней выходной грани призмы. Таким образом, получаются три монохромных действительных изображения объекта съемки. Красный и синий свет претерпевает двукратное отражение, в результате чего получаются прямые (незеркальные) изображения этих цветов. Каждое из этих цветоделенных изображений попадает на отдельную матрицу, видеосигнал с которых после обработки добавляется к общему. В результате сложения сигналов с трех матриц получается полный цветной телевизионный сигнал.

Некоторые производители используют более сложную систему, добавляя ещё одну матрицу, работающую в зелёном канале. Четвёртая матрица используется для повышения разрешающей способности камеры путём сдвига «на полпикселя»^[7].

CCD

Некоторые производители вместо трёх матриц используют четыре, для повышения разрешающей способности системы. Как правило, дополнительная матрица формирует дополнительное изображение зелёного канала со сдвигом на 1/2 пикселя, уменьшая цветной муар и повышая видимую резкость изображения. Четырёхматричная система получила известность благодаря компании Ikegami, впервые применившей такую конструкцию камерных головок^[8]. В первых передающих камерах также использовались четыре передающих трубки, одна из которых формировала яркостный сигнал.

Дихроидная призма - основной элемент трёхматричной системы цветоделения. ^[9] При расчете цветоделительной системы должно учитываться, что длина хода лучей каждого цвета должна быть одинаковой с учетом разницы коэффициентов преломления стекла разных частей призмы. Кроме того, при проектировании призм для использования с полупроводниковыми матрицами, не допускается получения зеркально перевернутых изображений, как это было возможно при использовании вакуумных передающих трубок. В последних это устранялось простым изменением полярности разверток. Дополнительную сложность при конструировании трехматричных камер представляет устранение влияния поляризации света на качество цветоделения.

Достоинства трёхматричной системы

Главным достоинством трёхматричного (трёхтрубочного) устройства передающей камеры считается точность цветоделения, недостижимая для массива цветных светофильтров, обладающих характеристиками поглощения, далёкими от идеальных. Дихроичные призмы обладают практически 100% непрозрачностью для поглощаемых участков спектра и такой же прозрачностью для пропускаемых^[10]. Список достоинств может быть продолжен:

• Высокая разрешающая способность благодаря использованию одного пикселя каждой матрицы вместо четырёх для формирования цветной точки;
• Низкий уровень цветного муара и, как следствие — ненужность фильтра пространственных частот (англ. low-pass filter);
• Ненужность алгоритмов дебайеризации для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров;
• Высокая светочувствительность и соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию потерь в светофильтрах;
• Возможность осуществления цветокоррекции постановкой дополнительных светофильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света с сохранением высокой чувствительности системы в целом;
• Возможность повышения эффективного разрешения всей системы сверх разрешения отдельной матрицы вдвое по одной из координат, сдвинув три матрицы друг относительно друга на 1/3 пикселя и проведя интерполяцию трёх изображений с учётом этого сдвига. Данная технология получила наименование «Pixel shifting».

Недостатки трёхматричной системы

Несмотря на многочисленные достоинства, система обладает рядом недостатков и прежде всего она чувствительна к поляризации света и углу падения световых пучков^[10]. Это накладывает определённые ограничения при проектировании цветоделительной системы и использовании объективов разных фокусных расстояний. Кроме того, можно назвать другие недостатки:

• Большая стоимость, значительно превосходящая стоимость одноматричных камер;
• Габаритные размеры и вес, принципиально бо́льшие, чем у систем с одной матрицей;
• Трёхматричная система не может использоваться с широкоугольными объективами с малым задним отрезком;
• Проблема сведе́ния цветов. Трехматричные системы требуют точной юстировки. Чем меньше физический размер матриц и больше их разрешение, тем сложнее добиться необходимой точности;
• Чувствительность к вибрациям, при наличии которых снижается качество получаемого изображения. Это требует специальных методов борьбы с вибрацией.

В более дешёвых и компактных телекамерах может быть использована одна матрица со встроенным массивом цветоделительных светофильтров. Такая конструкция применяется, главным образом, в промышленных и бытовых камерах.

Основная статья: Фильтр Байера

Независимо от способа цветоделения, изображение на матрицах строится при помощи объектива, аналогичного объективам киносъёмочного или фотографического аппарата. Для передающих камер специально разрабатываются объективы, в подавляющем большинстве панкратические. В телекамерах стандартной чёткости со сравнительно низким качеством изображения и небольшим размером светочувствительного элемента, использовались компактные светосильные объективы с большим диапазоном фокусных расстояний. Современные камеры высокой чёткости используют оптику, сопоставимую по качеству с кинематографической^[32]. В профессиональных и вещательных камерах практически не используются системы автофокуса из-за сложности автофокусировки движущегося изображения. Фокусировка объектива производится оператором вручную по изображению электронного видоискателя. Следящий автофокус используется в редких случаях во время спортивных трансляций высокой чёткости, однако объективы, оснащённые такими системами имеют огромную стоимость^[33][34]. Автофокус используется также в некоторых промышленных камерах, однако, в большинстве из них объектив фиксируется на гиперфокальном расстоянии, обеспечивающем резкое изображение всех объектов. Необходимость точного дозирования количества света, попадающего на светочувствительный элемент, заставляет использовать автоматическое управление экспозицией при помощи диафрагмы объектива и регулировки усиления получаемого сигнала. Современные студийные камеры предусматривают возможность как автоматической настройки диафрагмы, так и дистанционного управления большинством параметров с блока камерного канала видеоинженером^[23].

Электрические сигналы, формируемые матрицами, усиливаются и кодируются в стандартный телевизионный видеосигнал, пригодный для записи или вещания. Этот сигнал может быть аналоговым или цифровым, в зависимости от типа камеры. Большинство современных телекамер формируют цифровой поток видеоданных. Кроме видеоусилителя, телевизионная камера оснащается синхрогенератором, позволяющим получать синхросигнал. Однако, при работе многокамерным методом, все камеры используют синхросигнал от внешнего студийного синхрогенератора (англ. Genlock)^[35]. Это позволяет исключить сбои синхронизации при переключении камер. Генераторы кадровой и строчной развёрток согласуются с работой синхрогенератора и управляют считыванием заряда в матрицах.

Кроме перечисленных частей телекамера содержит электронный видоискатель, представляющий собой компактное видеоконтрольное устройство на основе монитора. Первые телекамеры оснащались чёрно-белыми видоискателями, состоящими из небольшого кинескопа. Вплоть до конца 1990-х годов такая конструкция сохранялась даже в компактных типах камер, использовавших миниатюрные кинескопы. С появлением жидкокристаллических дисплеев высокого качества, большинство компактных телекамер оснащаются цветными LCD или LED видоискателями.

В отличие от видеокамер, большинство студийных телекамер не оснащаются микрофоном и звуковым усилителем, поскольку рассчитаны на работу в составе комплекса, в котором звукозапись осуществляется отдельной системой. Новый класс роботизированных камер, предназначенных для работы без оператора, дополнительно содержит специальную панорамную головку и электроприводы панорамирования, управляемые дистанционно^[36]. Камеры, рассчитанные на работу вне студии обладают герметичным корпусом и даже стеклоочистителем.