Типы камер

Телевизионные камеры принято делить на вещательные, профессиональные, промышленного и коммерческого назначения и бытовые. При производстве телевизионной вещательной продукции допустимо использовать только вещательные и профессиональные камеры.

Сигналы, вырабатываемые вещательными камерами, должны отвечать стандартам на параметры студийного сигнала. Эти камеры дороги и по карману только крупным телевизионным центрам.

Существуют три группы вещательных камер: к первой группе относятся камеры телевидения высокой четкости; ко второй- камеры для студийного и внестудийного производства, обеспечивающие сигнал стандартного качества. К третьей - камеры и видеокамеры журналистского комплекса, где требования к качеству сигнала немного ослаблены, но ужесточены требования к мобильности, оперативности и к возможности работы в тяжелых климатических условиях.

Профессиональные камеры выпускаются для средних и малых телевизионных центров. Это камеры более низкого, чем вещательного класса, и поэтому - дешевле.

Во всех камерах вещательного и профессионального классов используются по три ПЗС.

В настоящее время широко выпускаются двухформатные камеры, формирующие сигналы изображения с соотношением сторон 4/3 и 16/9, что позволяет более гибко использовать имеющуюся аппаратуру.

Типовыми характеристиками камер стали: отношение сигнал/шум более 60 дБ, разрешение более 600 телевизионных линий, динамический интервал по освещенности 600%

Приложение в Цифровое телевидение

Тракт цифрового телевидения

В настоящее время большинство отечественных и зарубежных вещательных компаний переходят на цифровое вещание. Каковы достоинства цифрового сигнала перед аналоговым? Появляется возможность безъискаженной передачи сигналов по каналам связи, возможность передачи в полосе частот одного аналогового сигнала нескольких цифровых, возможность многоуровнего вещания (например прием на переносные телевизоры сигнала базового уровня, а на стационарные, подключенные к системам коллективного приема помимо базового - сигнала более высокого уровня, который будет дополнять базовый до ТВЧ), возможность организации вещания с платным доступом. При формировании программ телевизионного вещания преимущества цифровых сигналов неоспоримы. Это возможность многократной перезаписи сигнала без потери качества, а при монтаже передач, роликов, клипов возможности режиссера ограничиваются только его фантазией. Именно по этому практически вся видеотехника на крупных и малобюджетных телевизионных центрах цифровая.

На рисунке 18 показана структурная схема тракта цифрового телевидения. Цифровых преобразователей сигнал–свет и свет-сигнал не существует по этому в состав схемы входит аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи.

Рисунок 18 Тракт цифрового телевидения

Для правильного аналого-цифрового преобразования в аналоговом сигнале необходимо установить размах сигнала и уровни белого и черного. Это происходит в блоке аналоговой обработки сигнала (БАОС). Аналого-цифровое преобразование производятся в два этапа: дискретизация – представление непрерывного сигнала в виде отсчетов амплитуда, которых равна амплитуде аналогового сигнала в момент отсчета и идущих с частотой дискретизации и квантование – предание отсчетам разрешенных уровней. Эти параметры описываются стандартами 4:2:2, 4:4:4, 4:2:0 или 4:1:1 (они будут описаны ниже).

Цифровой сигнал характеризуется скоростью данных S [бит/с]. Например, скорость данных цифрового сигнала стандарта 4:2:2 равна S1=216 Мбит/с. По критерию Найквиста для передачи такого сигнала необходима полоса частот 108 МГц. Понятно, что в такой форме передавать сигнал по каналам связи не выгодно, ведь по сравнению с аналоговым сигналом необходимая полоса частот увеличилась в 18 раз.

Для уменьшения скорости данных используются системы видеокомпрессии, которые работают за счет уменьшения избыточностей (см. ниже). Эффективность системы компрессии характеризуется коэффициентом компрессии, который равен отношению входной и выходной скоростей данных

К=S1/S2

Современные системы компрессии позволяют уменьшить скорость данных в 50 раз и более без заметного ухудшения качества, и именно они позволяют в полосе частот аналогового сигнала передавать несколько цифровых сигналов вещательного телевидения. В цифровом телевизионном вещании используется стандарт MPEG-2.

MPEG-2 описывает не только алгоритм сжатия, но и алгоритмы объединения нескольких цифровых потоков. Блок, в котором происходит компрессия входных данных, назовем блоком кодирования источника КИ.

Перевод сигнала в цифровую форму не значит его помехозащищенности. Ошибка в одном старшем разряде может привести к многократному изменению отсчета. Если не принять мер по исправлению этих ошибок, качество изображения на приемном конце будет неудовлетворительным. Помехоустойчивое кодирование возможно за счет внесения в цифровой сигнал избыточности, т.е. за счет увеличения скорости цифрового потока. Помехоустойчивое кодирование осуществляется в блоке ПК. Скорость на выходе кодера канала может превышать входную в 2 раза, но с учетом действия системы компрессии скорость данных на выходе ПК S3 во много раз меньше чем S1. В задачи кодера канала КК входит придание цифровому сигналу вида, удобного для передачи по каналу связи и оптимальный метод его модуляции. Первое можно объяснить тем, что спектр бинарного кода содержит постоянную составляющую, наличие которой в передаваемом сигнале не желательно. По этому необходимо использовать код, в спектре которого нет постоянной составляющей, например квазитроичный. С помощью оптимальных методов модуляции можно сэкономить на необходимой полосе пропускания. Широко используются многопозиционные виды модуляции, где каждая позиция модулированного сигнала несет информацию о нескольких символах.

В мире в настоящее время существуют три системы цифрового телевизионного вещания: ATSC, DVB и ISDB

В качестве канала связи КС может быть использована любая цифровая система передачи, удовлетворяющая параметрам выходного сигнала КК.

В канальном и помехоустойчивом декодерах КД и ПД происходит детектирование сигнала и исправление ошибок. Надо заметить, что исправление ошибок возможно в том случае, если их количество не превысило то, на которое рассчитан помехоустойчивый код. В противном случае произойдет полное разрушение принимаемого сигнала: канальный декодер будет исправлять ошибки, но неправильно, что приведет к искажению непораженных символов. Отсюда вывод: цифровые системы передач – пороговые. Или принимаем «все», пока помехоустойчивый код справляется с ошибками, или, в противном случае, «ничего».

Декодер источника ДИ производит процесс, обратный процессу в КИ, формируется цифровой сигнал стандарта 4:2:2. ЦАП формирует аналоговый сигнал.

Цифровое представление телевизионного сигнала

Существует два метода формирования цифрового сигнала:

1. Из компонентного аналогового сигнала (Y, R-Y и B-Y отдельно);

2. Из композитного аналогового сигнала (из ПЦТС).

Достоинство первого метода заключается в лучшем качестве, ведь в композитном сигнале уже присутствуют переходные помехи. Наиболее широко используется стандарт 4:2:2. Он разрабатывался как студийный стандарт цифрового телевидения.

Достоинство второго – меньшая скорость данных, т.к. необходимо передать только один сигнал, а не три, как в компонентном методе.

Стандарт цифрового кодирования 4:2:2

Центральной идеей является раздельное кодирование сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, причем для каждого из этих сигналов должна использоваться частота дискретизации в виде гармоники строчной частоты. Для цифровых сигналов Y, C_R и C_B (они соответствуют аналоговым сигналам яркостному и цветоразностным) выбраны частоты дискретизации F_Y=13,5 и F_C=6,75 МГц. При этом они удовлетворяют теореме Котельникова и являются гармониками частоты 2,25МГц, наименьшего общего кратного строчных частот в двух существующих стандартах разложения 625/50 и 525/60 (2,25=143*0,015734266=144*0,015625). Именно такой выбор частот дискретизации позволил принять единый мировой стандарт цифрового кодирования с неподвижной ортогональной структурой отсчетов. Ортогональная структура – отсчеты находятся в одном и том же месте в каждой строке. Неподвижная – во всех кадрах отсчеты находятся в одном и том же месте (см. рис. 19).

На рисунке показаны примеры часто используемых форматов дискретизации. Цифры в названиях форматов определяют соотношение яркостной и цветовой четкости по вертикали и горизонтали.

4:2:2 – на четыре отсчета яркостного сигнала приходится по два отсчета сигнала цветности в четных и нечетных строках.

4:2:0 – на четыре отсчета яркостного сигнала приходится по два отсчета сигнала цветности в нечетных строках и ни одного в четных.

Как видно из рисунков в форматах 4:2:2 и 4:2:0 цветовая четкость по горизонтали в два раза меньше, чем яркостная. В форматах 4:2:2 и 4:1:1 цветовая четкость по вертикали такая же, как и яркостная. В формате 4:2:0 цветовая четкость по вертикали, в два раза меньше, чем яркостная. Ясно, что в формате 4:4:4 яркостная и цветовая четкости равны в обоих направлениях, а формат 4:0:0 – черно-белое телевидение.

Рисунок 19 Структуры отсчетов стандартов цифрового кодирования

Горизонтальная четкость определяется частотой дискретизации. В форматах 4:2:0 и 4:2:2 частота дискретизации сигналов цветности в два раза меньше, чем яркостная f_C=6.75МГц, в формате 4:1:1 в четыре раза меньше f_C=3,375МГц. В обоих стандартах разложения принято одно количество отсчетов сигнала яркости в активной части строки по 720. Количество отсчетов сигнала цветности зависит от формата дискретизации: в формате 4:2:2 – 720/2=360, в формате 4:1:1 – 720/4=180.

Используется линейная ИКМ с 8-ю или 10-ю разрядным кодированием. При 8-разрядном кодировании всего 256 разрешенных уровней квантования. Но не все из них используются для описания сигнала. Уровни 00 (0) и FF (255) отводятся для однозначной синхронизации. Для сигнала яркости отводится 220 уровней с 16 (уровень черного) по 235 (уровень белого). С 1 по 15 и с 236 по 250 – уровни, отведенные на эксплуатационный запас, позволяющий производить настройку аналоговой части оборудования в процессе эксплуатации. Для сигналов цветности отводится 225 уровней с 16 по 240. Уровни с 1 по15 и с 241 по250 – эксплуатационный запас.

При 10-разрядном кодировании из 1024 возможных для яркостного сигнала отводится 877 уровней квантования: от 64 (уровень черного) до 940 (уровень белого). Для сигналов цветности – 897 уровней квантования от 64 до 960.

Легко сосчитать скорость данных цифрового сигнала различных форматов дискретизации. При использовании последовательного интерфейса все три потока сигналов Y,C_R и C_B соединяются в один. Значит и скорость общего цифрового потока будет равна сумме трех отдельных:

S₁=(f_Y+f_CR+f_CB)*n,

где f_Y,f_CR и f_CB –частоты дискретизации соответствующих сигналов

n – разрядность кодирования.

Для формата 4:2:2 S₁=216 Мбит/с при 8-разрядном кодировании и S₁=270 Мбит/с при 10-разрядном кодировании.

В форматах 4:2:0 и 4:1:1 скорости одинаковые и равны S₁=162 Мбит/с при 8 разрядах и S₁=202,5 Мбит/с при 10 разрядах.

Формирование цифровых сигналов происходит в два этапа. Первый шаг – это операция масштабирование. Ее цель привести размахи аналоговых сигналов до единицы. Эта операция производится только с сигналами цветности, т.к. номинальный размах яркостного сигнала единице. Сигнал цветности R-Y лежит в пределах от -0.7 (в голубом) до 0,7 (при красном). B-Y лежит в пределах от -0,89 (в желтом) до 0,89 (в синем). Эти сигналы умножаются на соответствующие масштабирующие коэффициенты: К_R=0,5/0,7, К_B=0,5/0,89. Таким образом, после операции масштабирования размахи этих сигналов будут равны единице от-0,5 до 0,5.

Рисунок 20 Значения сигналов яркости и цветности

и соответствующие им уровни квантования

Второй этап - расстановка уровней – придание отсчетам разрешенных уровней квантования. Согласно выше сказанному значения отсчетов яркостного сигнала в десятичной форме будут равны:

при 8-разрядном кодировании:

=219Y+16

при 10-разрядном кодировании:

=876Y+64

Значения отсчетов сигналов цветности в десятичной форме иравны при 8-разрядном кодировании:

= 224 Е_СR +128

= 224 E_CB +128

где Е_СR и E_CB – масштабированные сигналы цветности

при 10-разрядном кодировании:

= 896 Е_СR +512

= 896 E_CB +512

После квантования соответствующим номером уровня становится ближайшее целое число. На рисунке 20 показаны значения отсчетов сигналов яркости и цветности при передаче сигнала цветных полос при 8-разрядном кодировании (левый столбец) и при 10-разрядном кодировании (правый столбец).

Возможен вариант получения цифровых сигналов из аналоговых сигналов основных цветов. В этом случае значения цифровых сигналов Е_RD, Е_GD и E_BD определяются по тем же формулам, что и яркостный сигнал. А формирование цифровых сигналов , ипри 8-разрядном кодировании ведется по формулам:

=

=

=

В этих выражениях подобраны коэффициенты, известные из аналогового телевидения, по основанию 256. Эти коэффициенты отличаются от теоретических, но их сумма равна единице. Для уменьшения погрешности необходимо увеличивать разрядность кодирования, например, при 10-разрядном кодировании будут коэффициенты по основанию 1024, что приведет к четырехкратному уменьшению шумов квантования. В современных цифровых телевизионных камерах минимальным необходимым считается 13-разрядное кодирование. При дальнейшем переходе на меньшее количество разрядов берется только необходимое количество старших разрядов.

Понятно, что для всех сигналов основных цветов частота дискретизации будет равна 13,5 МГц, и полученные отсчеты сигналов цветности тоже будут идти с такой же частотой (формат 4:4:4). Для получения формата 4:2:2 цифровые сигналы цветности подвергаются операции децимации (каждый второй отсчет пропускается).

Также как и в аналоговом сигнале, в цифровом есть интервалы активной части строки и интервалы гасящих импульсов. Цифровая активная часть строки начинается с синхрослова НАС (начало активной части строки) и заканчивается синхрословом КАС (конец активной части строки).

Рисунок 21 Структура цифровой строки

На рисунке 21 все длительности указаны в периодах Т тактовой частоты 27 МГц, т.к. именно с этой частотой передаются отсчеты сигналов яркости и цветности 13,5МГц+6,75МГц+6,75МГц=27МГц. Синхрослова состоят из 4 байт и начинаются с неизменной преамбулы FF 00 00 (при 8-разрядном кодировании). Четвертый байт несет информацию о четности или нечетности поля, о том активная или пассивная строка, и о виде синхрослова (КАС или НАС). Синхросигнал КАС опережает начало аналоговой строки (точка 0_H середина фронта ССИ) на 24 тактовых периода. Активная часть строки состоит из 1440 отсчетов, из них 720 отсчетов сигнала яркости и по 360 отсчетов сигналов цветности (формат 4:2:2). Отчеты передаются в последовательности C_R,Y,C_B,Y со скоростью 27 Мслов в секунду. Есть возможность передачи дополнительной информации во время цифровых интервалов гашения с такой же скоростью. Вся строка – 1728 тактовых периода 64мкс*27МГц=1728.

Цифровое представление композитного сигнала

Основная идея заключается в выборе частоты дискретизации. Для систем PAL и NTSC частоты дискретизации выбраны равными четвертой гармонике частоты поднесущей цветности. В системе NTSC это ни каких проблем не вызвало, т.к. поднесущая цветности имеет полустрочный офсет и в каждой строке будет одинаковое количество отсчетов по 910, из них 768 – активная часть строки. В системе PAL в интервале аналоговой строки будет не целое число отсчетов, т.к. кроме четвертьстрочного офсета используется дополнительный сдвиг поднесущей цветности на 25 Гц f₀=4433618,75= (1135/4+1/625)f_стр для разложения 625/50. Поэтому в системе PAL длительность цифровой строки не совпадает с аналоговой, все строки в поле, кроме двух состоят из 1135 отсчетов, а две из 1137 отсчетов. Используется 8 или 10-разрядное кодирование. Наличие синхронизирующих и гасящих импульсов в композитном сигнале приводит к тому, что для описания сигнала отводится примерно на 30% уровней квантования меньше, чем при компонентном кодировании.

Скорость данных для цифрового сигнала в системе NTSC составляет S₁=f₀*4*n=3579545,455*4*10=143,1818182 Мбит/с.

Для системы PAL S₁=4433618.75*4*10=177.344750 Мбит/с.