Модернизация ТВ-камеры видеонаблюдения

Размещено на http://www.allbest.ru/

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

КАФЕДРА ТВиВ

КУРСОВАЯ РАБОТА

МОДЕРНИЗАЦИЯ ТВ-КАМЕРЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ

Санкт-Петербург

2013

Оглавление

Телевизионные преобразователи свет-сигнал (ПСС)

Краткий обзор ПСС

Видикон

ПЗС-матрицы

Преимущества ПЗС-матрицы по сравнению с видиконом

Функциональная схема телекамеры

Функциональная схема телекамеры на примере камеры КТП-83

Конструкция телевизионной передающей камеры на примере КТП-83

Видиконная передающая камера - приставка к телевизору.

Принципиальная схема с пояснениями.

Структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС.

Схема электрическая принципиальная передающей камеры на ПЗС на примере камеры Samsung VP-D55

Конструкция камеры видео наблюдения на примере уличной камеры видеонаблюдения PROvision AS-40.

Виды коррекции сигнала изображения

Гамма-коррекция

Гамма-коррекция в цветном ТВ.

Апертурная коррекция сигнала видеоизображения.

Цветокоррекция сигнала видеоизображения

Литература

Телевизионные преобразователи свет-сигнал (ПСС)

Краткий обзор ПСС

Современные ПСС основаны на явлениях внешнего или внутреннего фотоэффекта.

В отличие от таких простейших преобразователей, как фотоэлемент или фотодиод, телевизионные ПСС являются многоэлементными приборами, в которых процесс фотоэлектрического преобразования по всему полю изображения совмещен с процессом развертки, во время которой производится считывание информации о яркости и цветности последовательно со всех элементов изображения и формирование телевизионных видеосигналов.

ПСС можно разделить на два класса - приборы с разверткой в оптическом канале и приборы с разверткой в электрическом канале. К первому классу относятся оптико-механические системы и системы бегущего луча, которые применяются в прикладном, малокадровом и специальном телевидении.

В визуальном телевидении, как правило, используются ПСС с разверткой в электрическом канале, причем здесь также можно выделить два подкласса - приборы мгновенного действия и приборы с накоплением заряда. В телевизионном вещании используются исключительно ПСС с накоплением зарядов, среди которых наиболее широко распространены электровакуумные приборы типа видикон и его модификации: плюмбикон, кремникон, сатикон, а также твердотельные ПСС - матрицы ПЗС.

Видикон

Одной из наиболее известных передающих телевизионных трубок с накоплением зарядов является видикон, в котором в качестве ФЭП используется полупроводниковая светочувствительная накопительная мишень. Устройство мишени не отличается от устройства полупрозрачного фотокатода, только вместо фотоэмиссионного слоя на полупрозрачную металлическую подложку нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. Кольцевой вывод подложки называют сигнальной пластиной СП и используют для съема видеосигнала.

Внутренний фотоэффект, используемый в видиконе, заключается в том, что под действием световых квантов с достаточной энергией в толще высокоомного полупроводника возникают электронно-дырочные пары, уменьшающие объемное сопротивление материала мишени. С другой стороны, высокое поверхностное сопротивление мишени не дает «растекаться» по мишени электрическим зарядам, что позволяет рассматривать элемент мишени как параллельную R_ЭС_Э цепочку, в которой величина R_Э зависит от освещенности Е_вх данного элемента (с увеличением Е_вх уменьшается R_Э).

Устройство видикона показано на рисунке 1. Развертка изображения осуществляется сфокусированным электронным лучом. Для фокусировки используется комбинированная система, содержащая длинную магнитную (входит в состав ФОС) и электростатическую (А1, А2, СМ) линзы. Катушки строчного и кадрового отклонения также входят в состав ФОС.

При совместном воздействии на мишень светового изображения и сканирующего электронного луча на поверхности мишени, обращенной к катоду, в динамическом режиме образуется потенциальный рельеф, при считывании которого электронным лучом в цепи сигнальной пластины протекает ток сигнала i_c, содержащий информацию о распределении яркости во входном оптическом изображении. Процесс образования потенциального рельефа и видеосигнала (в режиме «медленных» электронов) поясняется на рисунке 2.

Рис. 1. Устройство видикона. (СП - сигнальная пластина, СМ - сетка мишени, А - анод, М - модулятор, К - катод, ФОС - фокусирующе-отклоняющая система)

В момент коммутации элемента мишени электронным лучом правая обкладка конденсатора С_Э приводится к потенциалу катода, т.е. конденсатор С_Э заряжается до напряжения U_сп, после чего остаток электронного луча отражается от мишени. После коммутации элемента мишени для него начинается цикл накопления, который длится до момента следующей коммутации, т.е. время кадра Т_к.

Рисунок 2 . Схема формирования сигнала в видиконе

Так как R_Э зависит от освещенности элемента, то разные элементы разрядятся к концу накопления до разных остаточных напряжений; в результате на мишени проявляется потенциальный рельеф, при считывании которого происходит модуляция отраженного луча, т.к. для приведения к равновесному потенциалу U_сп конденсаторов С_Э, разряженных до разных уровней, необходимо затратить разное количество электронов, источником которых является прямой электронный луч.

Для видикона характерна нелинейность световой характеристики, аппроксимируемая выражением

,

где г - коэффициент нелинейности, значение которого для разных модификаций трубок лежит в интервале от 0,5 до 1. Причиной нелинейности является процесс рекомбинации электронно-дырочных пар в толще фотопроводящей мишени, интенсивность которого нарастает с ростом освещенности мишени.

Достоинства трубки достаточно высокая чувствительность (i_c=0,05ч 0,3 мкА при Е_вх=0,2ч10 лк), малые габариты, простота и надежность в работе; недостатки - инерционность, нелинейность световой характеристики.

Указанные недостатки преодолены в разновидности видикона - плюмбиконе, в котором использована фотодиодная мишень из окиси свинца. Область применения плюмбикона - высококачественные студийные камеры цветного телевидения.

ПЗС-матрицы

Перспективными в современном телевидении являются твердотельные преобразователи свет-сигнал на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-структура удачно сочетает в себе способность преобразования оптического изображения в совокупность зарядовых пакетов с возможностью накопления, хранения и перемещения пакетов в нужном направлении.

Основным элементом ПЗС-структуры является МОП-конденсатор, образованный полупроводниковой подложкой (на рисунке 3- из n-кремния) и металлическим электродом, которые разделены слоем диэлектрика из окиси кремния. Под действием света в подложке за счет внутреннего фотоэффекта образуются электронно-дырочные пары, плотность которых пропорциональна освещенности подложки. Если на электрод подать отрицательный потенциал (например, -10 В), то в толще подложки под этим электродом образуется зона (на рисунке 3 показана пунктиром), из которой вытесняются электроны (основные носители заряда в n-кремнии) и которая называется потенциальной ямой.

Рисунок 3. ПЗС-структура

Потенциальная яма является ловушкой для положительных зарядов (в данном случае дырок), и постепенно в ней накапливается так называемый зарядовый пакет, величина которого пропорциональна времени накопления и освещенности Е_вх данного элемента подложки.

Рассмотрим теперь процесс перемещения зарядовых пакетов в нужном направлении на примере трехфазного сдвигового регистра (рисунок 4). МОП-конденсаторы в регистре (а) объединены в три группы сигнальными шинами, к которым подводится трехфазное напряжение (в), управляющее сдвигом зарядовых пакетов слева направо (б). Из рисунка видно, что время перемещения всех зарядов на одну ячейку вправо составляет одну треть от периода трехфазного напряжения U₁чU₃. Нетрудно заметить, что направление перемещения пакетов можно изменить на обратное, если изменить знак наклона в пилообразной части трехфазного импульса управления. Скорость перемещения также можно изменять в широких пределах изменением частоты управляющих трехфазных импульсов.

На рисунке 4 в качестве примера приведен преобразователь свет-сигнал на основе ПЗС-матрицы с покадровым переносом. В матрице можно выделить три узла: секция накопления, секция хранения и выходной регистр, каждый из которых управляется своим трехфазным сигналом (A, B, C). Оптическое входное изображение проецируется на секцию накопления, на элементах которой происходит накопление зарядовых пакетов.

Каждый элемент матрицы состоит из трех МОП-конденсаторов, один или два из которых находятся в режиме накопления. Во время кадрового гасящего импульса с помощью фазных напряжений A и B зарядовые пакеты из секции накопления по вертикали переносятся в секцию хранения, после чего в секции накопления начинается очередной цикл накопления, а в секции хранения и выходном регистре - считывание информации и формирование видеосигнала. Отметим, что для переноса накопленного кадра (поля) в секцию хранения требуется z периодов трехфазных напряжений A и B, где z - вертикальный размер секции накопления, выраженный в элементах.

Технология вывода информации из секции хранения следующая. Во время строчного гасящего импульса с помощью фазного импульса B (один период) совокупность зарядовых пакетов, хранящихся в секции, сдвигается на одну строку вниз, в результате чего нижняя из хранящихся строк оказывается записанной в выходной регистр.

Рис. 4. Перемещение зарядовых пакетов в трехфазном сдвиговом регистре: а) регистр; б) положение зарядовых пакетов в моменты времени t₁, t₂, t₃; в) трехфазное управляющее напряжение

Затем во время прямого хода строки зарядовые пакеты продвигаются по регистру слева направо с помощью трехфазных импульсов C, идущих с тактовой частотой

f = 1/ф_Э ,

и вводятся в цепь затвора встроенного выходного усилителя. Здесь происходит преобразование зарядового пакета в напряжение сигнала в соответствии с формулой

U_C=q/C ,

где q -величина зарядового пакета;

С - паразитная емкость встроенного усилителя.

Рис. 5. Матрица ПЗС

После усиления видеосигнал поступает на выход ПЗС-матрицы.

Чересстрочная развертка в ПЗС-матрице реализуется путем подачи в четном и нечетном полях смещающего напряжения на разные шины, входящие в группу шин А: например, на шину А1 в нечетном поле и на шины А2 и А3 в четном поле.

При этом области накопления в четном и нечетном полях сдвинуты друг относительно друга по вертикали на пол-элемента, что позволяет вдвое (по сравнению с построчной разверткой) увеличить разрешающую способность матрицы по вертикали, не изменяя число элементов матрицы.

Преимущества ПЗС-матрицы по сравнению с видиконом

По сравнению с видиконом, ПЗС-матрицы обладают более высокой чувствительностью и меньшей инерционностью, высокой линейностью развертки, что повышает надежность камеры. Также сокращается число элементов настройки, уменьшается масса и габариты камеры.

Функциональная схема телекамеры

Рис.6 Функциональная схема видиконной телекамеры

Она содержит следующие каскады:

Видикон является одним из главных устройств передающей камеры. Он осуществляет преобразование световой энергии в электрический сигнал.

Видеоусилитель (противошумовой корректор, предоконечный усилитель, корректор нелинейных искажений, корректор апертурных искажений).

Противошумовой корректор.

Противошумовой корректор предназначен для увеличения соотношения сигнал/шум яркостного сигнала поступающего с первичного преобразователя. В качестве первичного преобразователя используется видикон, обладающий достаточно высоким соотношением сигнал/шум, но малым уровнем сигнала на нагрузке. Поэтому соотношение сигнал/шум в основном определяется собственными шумами противошумового корректора. Следовательно, в качестве противошумового корректора должен выступать видеоусилитель с малыми собственными шумами.

Предоконечный усилитель.

Предоконечный усилитель предназначен для повышения видеосигнала до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование последующих каскадов. Предоконечный усилитель должен обладать низкими значениями вносимых в видеосигнал искажений.

Корректор нелинейных искажений.

Корректор нелинейных искажений необходим для коррекции нелинейных искажений вносимых в сигнал первичным преобразователем. В общем случае для сохранения подобия передаваемого и воспроизводимого изображения необходимо обеспечить прямую пропорциональность между яркостью элементов передаваемого и принимаемого изображения. Следовательно корректор является звеном с кусочно-линейной характеристикой.

Корректор апертурных искажений.

Апертурные искажения изображения возникают первичных преобразователях конечных поперечных размеров электронного луча и аберрации в оптических системах. Наибольшее применение из всех схем коррекции получила схема дифференциальной и разностной коррекции. Он основан на алгебраическом сложении сигнала и его четных производных.

Блок формирования сигнала (смеситель, каскад восстановления уровня черного).

Смеситель предназначен для получения из видеосигнала и синхросмеси полного телевизионного сигнала. Смеситель должен иметь низкие уровни вносимых искажений.

Каскад восстановления уровня черного.

Данный каскад предназначен для восстановления уровня постоянной составляющей полного телевизионного сигнала утраченного после прохождения сигнала через линейные цепи усиления и коррекции.

Синхрогенератор предназначен для формирования импульсов синхронизирующих системы развертки на передающей и приемной стороне. Он должен обладать высокой стабильностью задающего генератора для уменьшения вносимых искажений.

Генератор разверток луча.

Генераторы развертки луча предназначены для отклонения развертывающего луча при помощи пилообразных токов пропускаемых через отклоняющие катушки первичного преобразователя. Генераторы развертки луча управляются синхрогенератором. Основное требование к генераторам развертки - высокая степень линейности пилообразного сигнала.

Функциональная схема телекамеры на примере камеры КТП-83

Рис.7 Функциональная схема телекамеры на примере камеры КТП-83

Конструкция телевизионной передающей камеры на примере КТП-83

Рис.8. Конструкция телевизионной передающей камеры на примере КТП-83

Видиконная передающая камера - приставка к телевизору

Принципиальная схема с пояснениями.

Рис. 9. Принципиальная схема простой телевизионной установки, в которой телекамера является приставкой к стандартному телевизору

Принципиальная схема простой телевизионной установки, в которой телекамера является приставкой к стандартному телевизору, приведена на рисунке 9. Передающая телевизионная камера (рисунок 9) состоит из блока передающей трубки (видикона), узла регулировок, узла гашения и предварительного видеоусилителя. На камеру по кабелю, соединенному с телевизором, через разъем Х1 подаются все необходимые напряжения питания .

Блок передающей трубки содержит саму трубку V11 и фокусирующе-отклоняющую систему Э1. Катушки отклонения трубки включены в систему отклонения лучей кинескопа в телевизоре. Так как для отклонения луча трубки требуются малые токи, такое подключение практически не влияет на работу разверток телевизора. Узел регулировок включает в себя цепи центровки и корректировки отклонения электронного луча и установки режима передающей трубки. Центрирующие и корректирующие катушки включены в диагонали мостов центровки и корректировки R56-R65. Резисторами R56 н R60 можно перемещать растр трубки по изображению на мишени. Корректирующие катушки питаются от стабилизатора тока фокусирующей катушки, установленного в телевизоре, центрирующие - от источника напряжения 20 В телевизора. Ток луча трубки регулируют переменным резистором R47 или резистором R1, установленным в телевизоре. Переменным резистором R42 фокусируют электронный луч. Узел гашения представляет собой устройство формирования гасящих импульсов передающей трубки строчной частоты. Для этого со строчных катушек КС отклоняющей системы ОС телевизора снимаются импульсы и через развязывающую цепочку С291R53 подаются на базу транзистора V13. Усиленные и ограниченные им положительные импульсы строчной частоты размахом 25-30 В поступают с резистора R50 на катод видикона. Предварительный усилитель усиливает видеосигнал, снимаемый с сигнальной пластины СП видикона, до значения, необходимого для передачи по кабелю, и корректирует частотные искажения, вносимые входной цепью. Усилитель выполнен на транзисторах V1, V3-V7. Для коррекции частотной характеристики включены ячейка L1R8, цепочка R13С8, конденсаторы С4, С13, С17, а каскады усилителя охвачены цепями отрицательной обратной связи (резисторы R5 и R20). Подстроечным конденсатором С15 устраняют искажения типа “тянучка”. Для просмотра на экране телевизора негативной пленки изменяют полярность видеосигнала на выходе усилителя посредством коммутации выключателя S2 к реле К1 Сигнал в этом случае снимается c коллектора транзистора V4. С коллектора транзистора V6 через цепочку R26С22 напряжение подается на устройство автоматической регулировки режима. Оно обеспечивает постоянство тока сигнала в широком диапазоне изменения освещенности мишени видикона. На диодах V9, V10 выполнен пиковый детектор. Выпрямленное им напряжение поступает на усилитель постоянного тока (транзистор V8). С выхода усилителя постоянное напряжение поступает на сигнальную пластину СП видикона. При изменении освещенности мишени меняется снимаемый с пластины сигнал. На базу транзистора V8 воздействует другое выпрямленное напряжение, что в конечном итоге влияет ка напряжение, подаваемое на сигнальную пластину так, что сигнал, снимаемый с нее, почти не изменяется. Усиленный видеосигнал, размах которого регулируют переменным резистором R29, подается в телевизор.

Сигнал с видикона на видеоусилитель, а с видеоусилителя камеры на видеоусилитель телевизора передается по коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 75 Ом. Длина кабеля от сигнальной пластины до входа усилителя должна быть, минимальной.

Структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС

На рис. 10. изображена структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС. Изображение передаваемого объекта вариообъективом проецируется на светоделительный блок, который разделяет световой поток на три составляющие.

Рис. 10. Структурная схема цветной телевизионной камеры на трех полноформатных матрицах ПЗС

Принцип получения сигнала изображения рассмотрим для одного из каналов на примере ПЗС с кадровым переносом зарядов. Основной элемент каждого из каналов - матрица ПЗС. Она преобразует распределение светового потока в плоскости матрицы в поверхностное распределение фотогенерированных неосновных носителей заряда - потенциальный рельеф (секция накопления). Затем во время следования кадрового гасящего импульса все поле зарядов перемещается в соответствующие зоны хранения, экранированные от светового потока (секция памяти). В течение следующего периода накопления во время следования строчных гасящих импульсов заряды построчно перемещаются из секции памяти к выходному регистру сдвига. В нем в период активной части строки заряды придвигаются к выходному устройству. Таким образом, на выходе матрицы образуется ТВ сигнал в виде поэлементной последовательности импульсов различной амплитуды, пропорциональной освещенности элементов секции накопления. Перемещение зарядов в матрице ПЗС - развертка изображения - производится с помощью тактовых импульсов синхрогенератора, образующихся в формирователях импульсов секций накопления (ФИН), памяти (ФИП) и выходного регистра (ФИВ).

Практически все современные телевизионные малогабаритные камеры наблюдения строятся на основе матричных ПЗС. Поверхность матрицы ПЗС состоит из множества светочувствительных ячеек - пикселов (обычно от 270 000 до 440 000). Чем большее количество пикселов размещается на матрице ПЗС, тем выше качество и четкость получаемого изображения. Как правило, разрешающая способность по горизонтали таких камер составляет 330-600 твл (телевизионных линий). Этот параметр приводится в паспортных данных на камеру. Разрешение по вертикали всех камер одинаково, ибо ограничено стандартом на количество строк разложения - 625 строк.

Размер матрицы ПЗС определяется ее форматом. Формат - это диагональный размер видикона, формирующего изображение, эквивалентное изображению, формируемому матрицей ПЗС. Формат измеряется в дюймах и принимает значения 1/2", 1/3", 1/4" и т. п. Формат матрицы определяет угол обзора телевизионной камеры.

С одинаковыми объективами телевизионная камера на основе матрицы формата 1/2" имеет больший угол обзора, чем камера с матрицей формата 1/3".

Чем меньше формат матрицы ПЗС, тем миниатюрнее камера.

Для увеличения угла обзора матрицы малого формата должны иметь объектив с малым фокусным расстоянием. При этом качество телевизионного изображения будет определяться светосилой объектива, т. е. количеством света, которое будет проходить через него и попадать на преобразователь свет-сигнал. Чем выше светосила объектива, тем меньше нужно времени для освещения матрицы ПЗС до получения изображения необходимого качества. Светосила объектива зависит от двух величин: диаметра входного зрачка D и фокусного расстояния f. Отношение диаметра входного зрачка объектива к фокусному расстоянию называется относительным отверстием F и записывается, например, в виде F: 1, 6 или F: 1/6. Светосила объектива тем выше, чем больше диаметр его входного зрачка и меньше фокусное расстояние.

Следующий важный параметр ТВ камеры - ее чувствительность. Производители по-разному трактуют это понятие. Одни под чувствительностью понимают минимальную освещенность объекта, при которой еще можно различить черно-белые переходы на изображении, другие - минимальную освещенность на матрице ПЗС. С технической точки зрения более правильно было бы указывать освещенность на матрице ПЗС, т. к. в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива. Но пользователю при установке камеры удобнее работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому в паспортных данных ТВ камер обычно указывают минимальную освещенность объекта, например 0, 1 лк (люкс).

Спектральная чувствительность черно-белых ТВ камер перекрывает и инфракрасную область спектра. Это позволяет использовать их в условиях плохой освещенности, применяя специальные ИК осветители.

Электронный затвор является неотъемлемой частью ТВ камеры на основе матрицы ПЗС. Точнее, когда говорят о той или иной скорости электронного затвора, подразумевают соответствующий режим работы матрицы ПЗС камеры. Скорость электронного затвора является одной из основных характеристик видеокамеры и определяет качество воспроизведения быстро перемещающихся объектов. В современных камерах используют затворы со скоростью срабатывания от 1/50 до 1/10000 с.

Схема электрическая принципиальная передающей камеры на ПЗС на примере камеры Samsung VP-D55

Рис. 11. Схема электрическая принципиальная передающей камеры на ПЗС на примере камеры Samsung VP-D55

Конструкция камеры видео наблюдения на примере уличной камеры видеонаблюдения PROvision AS-40

Рис.12. Конструкция камеры видео наблюдения на примере уличной камеры видеонаблюдения PROvision AS-40:

1. Солнцезащитный козырек

2. Корпус

3. Гермовводы

4. Обойма ТВ-камеры

5. Винт для регулировки продольного положения камеры

6. ТВ-камера

7. Стопорные винты

8. Нагреватель

9. Гайки шарнира

10. Кронштейн

11. Шарнир

Виды коррекции сигнала изображения

Гамма-коррекция

Нелинейные искажения телевизионного сигнала возникают в фотоэлектронных и электронно-оптических преобразователях из-за нелинейности световой и модуляционной характеристик соответственно, а также в электрическом канале передачи (модуляторе передатчика, каскадах видеоусилителя и др.).

На практике эти искажения определяются главным образом нелинейными характеристиками оконечных устройств - передающими и приемными трубками.

Световая характеристика передающей трубки определяется зависимостью тока сигнала от освещенности на фотокатоде I_c = f(E) или, учитывая, что I_c ?U_c , a E ?L_об , световую характеристику передающей трубки часто выражают следующим соотношением:

U_c = ?(L_об),

где U_c - напряжение сигнала, L_об - яркость передаваемого объекта.

Световая характеристика передающих трубок нелинейна и в общем случае с достаточной для практики точностью может быть аппроксимирована выражением

где k₁ - коэффициент пропорциональности, ?₁ - показатель степени, определяющий форму световой характеристики.

Световые характеристики различных передающих трубок имеют не одинаковые значения ?₁. Более того, значение ?₁ может в некоторых пределах меняться при изменении режима работы трубки или содержания передаваемого изображения. Однако для всех передающих трубок ?₁ ?1.

Модуляционная характеристика кинескопа представляет собой зависимость яркости свечения экрана от напряжения на модулирующем электроде и выражается зависимостью: L_из = ?(U_c) где L_из - яркость изображения.

Как известно, модуляционная характеристика кинескопа нелинейна и может быть аппроксимирована с достаточной для практики точностью следующей функцией:

где k₂ - коэффициент пропорциональности.

Обычно для приемных трубок ?₂ = 2...3. Общая характеристика нелинейности может быть определена аналитически путем.

Результирующий гамма-коэффициент нелинейности ? равен произведению показателей степени ?₁ и ?₂ . Если телевизионный канал имеет нелинейную характеристику с показателем ?₃ , то в результирующее значение ? должна войти и эта величина, т. е. ?????₁ · ?₂ · ?₃ . Следовательно, показатель степени ? определяет результирующую нелинейность и может приобретать различные значения в зависимости от нелинейности отдельных узлов тракта.

Нелинейные искажения в черно-белом телевидении приводят к нарушению правильного воспроизведения градаций яркости (передачи полутонов), а в цветном, кроме того, и к искажениям цветности. Если результирующая нелинейность телевизионного тракта будет иметь показатель степени ? <1, то изображение на экране кинескопа воспроизведется вялым, т. е. контрастность полученного изображения будет меньше контрастности передаваемого объекта, а при ? >1 изображение будет излишне контрастным по сравнению с контрастностью передаваемого объекта.

Рассмотрим графически искажения градаций яркости изображения при коэффициенте ? >1. Для удобства количественной оценки нелинейных искажений на вход исследуемого устройства подают напряжение равноступенчатого сигнала.

Для упрощения построения графиков обычно по оси абсцисс и ординат откладывают не абсолютные значения яркости объекта и изображения, а их относительные значения.

На рис. 13 показано графически возникновение нелинейных искажений при коэффициенте ? >1. Нетрудно видеть, что нелинейные искажения будут присутствовать при любых значениях ?????

В частном случае при ? = 2, как видно из рис. 13, перепады яркостей первых нескольких ступенек будут практически неразличимы, и они сольются. Следовательно, количество видимых градаций уменьшается.

В черно-белых телевизионных системах сюжетно важными полутонами являются полутона крупных деталей в области больших освещенностей. Исходя их этого для этих систем форма характеристики должна иметь нелинейность с коэффициентом контрастности ? >1. При этом в области белого перепады яркости растягиваются (увеличиваются по амплитуде), и там может воспроизводиться большее число градаций.

Рис.13. Возникновение нелинейных искажений при коэффициенте ? >1

Экспериментальным путем установлено, что наилучшее качество изображения для черно-белых вещательных систем получается при ? ? 1,3.

Для обеспечения подобия воспроизведенного изображения с объектом необходимо иметь прямую пропорциональность между яркостями соответствующих точек объекта и изображения. Для коррекции полутоновых искажений изображений, т. е. получения определенной формы нелинейной амплитудной характеристики, в телевизионный тракт вводится нелинейный корректор с амплитудной характеристикой, описываемой выражением:

где ?_к - показатель степени, определяющий форму нелинейности амплитудной характеристики корректора.

В этом случае результирующий коэффициент нелинейности телевизионного тракта «от света до света» будет определяться так:

?????₁ · ?₂ · ?₃ · ?_к

Из соотношения видно, что для получения линейной амплитудной характеристики всего телевизионного тракта необходим корректор с коэффициентом нелинейности

Выбор оптимального значения ?_к осложняется тем, что модуляционные характеристики кинескопов имеют довольно большой разброс коэффициентов нелинейности, а нелинейность световой характеристики передающих трубок кроме этого зависит от содержания изображения.

Принцип работы схемы корректора нелинейности (гамма-корректора) поясняется на рис. 14. Он основан на применении нелинейных элементов с таким расчетом, чтобы, регулируя их, можно было менять гамма-характеристику в желаемых пределах. Сигнал передаваемого изображения, искаженный нелинейной характеристикой телевизионного тракта (рис. 7.2, а) (сигнал с неравномерными перепадами напряжений), поступает на вход гамма-корректора, нелинейная характеристика (рис. 7.2, б) которого рассчитана так, что сигнал на выходе (рис. 7.2, в) получается необходимой формы.

Схемы гамма-корректоров строятся на разных принципах, однако наибольшее распространение получили гамма-корректоры, в которых требуемая форма амплитудной характеристики получается за счет изменения амплитудно-зависимой отрицательной обратной связи, нелинейного изменения сопротивления нагрузки или амплитудно-зависимого делителя сигнала изображения.

Рис.14. Принцип работы схемы корректора нелинейности (гамма-корректора).

Для работы гамма-корректора необходимо, чтобы уровни сигналов, соответствующие одинаковым яркостям изображения, всегда располагались на одних и тех же нелинейных участках характеристики корректора. Для этого в телевизионном сигнале, поступающем на нелинейный элемент корректора, должна быть восстановлена постоянная составляющая, т. е. фиксирован уровень черного сигнала изображения.

В качестве нелинейных элементов в схемах гамма-корректоров обычно используются полупроводниковые диоды, имеющие нелинейные вольт-амперные характеристики. Для получения достаточно больших значений нелинейности диоды иногда включают последовательно или параллельно.

В качестве примеров рассмотрим два вида корректоров, используемых на практике.

На рис. 15 изображена упрощенная схема гамма-корректора, в которой использован принцип амплитудно-зависимой отрицательной обратной связи. Величина отрицательной обратной связи меняется нелинейно в зависимости от мгновенного значения телевизионного сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора VT. В цепи затвора VT производится восстановление постоянной составляющей сигнала (ВПС). Диоды VD₁ и VD₂ , включенные в цепь истока, заперты напряжениями U₁ и U₂ до тех пор, пока на затвор VT не поступит сигнал.

Рис.15. Упрощенная схема гамма-корректора

При определенной амплитуде сигнала сначала отпирается диод VD₁ , и сопротивление в цепи истока уменьшается от величины R₂ до значения.

Для упрощения будем считать, что VD₁ и VD₂ в запертом состоянии обладают бесконечно большим сопротивлением, а доля сопротивлений резисторов R₄ и R₆ при определении эквивалентной нагрузки в цепи истока пренебрежимо мала.

При увеличении амплитуды сигнала отпирается VD₂, а эквивалентное сопротивление в цепи истока определится так:

Коэффициент усиления данного каскада будет равен

где S_d - динамическая крутизна.

Как известно,

где S - статическая крутизна, а R_и - сопротивление в цепи истока. Исходя из этого в данном каскаде усиление меняется обратно пропорционально изменению R₂ . Следовательно, если R₂ уменьшается с увеличением амплитуды сигнала на затворе VT, то коэффициент усиления растет с увеличением сигнала. На рис.15, б показан график зависимости U_{с вых} от U_{с вх} . Как видно из рисунка, это - ломаная линия, а не плавная кривая. Однако чем больше диодов включать в цепь истока, тем точнее будет приближение к требуемой зависимости. Потенциометры R₄ и R₆ изменяют напряжения U₁ и U₂ отпирания диодов, т. е. с их помощью можно изменять координаты точек перегиба кривой и таким образом в некоторых пределах регулировать величину ?_к.

В схеме корректора с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи (рис. 16) величина коэффициента передачи меняется в результате изменения сопротивления нагрузки каскада. Аналогично предыдущей схеме (рис. 15) эквивалентное сопротивление нагрузки данного каскада будет уменьшаться по мере открывания диодов VD₁ и VD₂ , т. е. поочередно по мере увеличения входного сигнала, в зависимости от напряжения задержки U₁ и U₂, задаваемого резисторами R₄ и R₆.

Рис. 16. Корректор с нелинейной нагрузкой в коллекторной цепи

В отличие от предыдущей схемы коэффициент усиления этого корректора будет уменьшаться по мере увеличения амплитуды сигнала на входе (?_к < 1).

В описанных схемах гамма-корректоров при регулировке величины гамма-коэффициента происходит изменение размаха выходного сигнала. Это может нарушить режим работы последующих звеньев телевизионного тракта. От этого недостатка свободны так называемые двухканальные гамма-корректоры (рис. 17).

Рис. 17. Двухканальный гамма-корректор

Сигнал подается на два самостоятельных гамма-корректора, имеющих различное значение ?_к . В первом корректоре ?_к1 >1, например, ?_к1 =2, а во втором - ?_к2 < 1(?_к2 =0,5). Выходные сигналы с двух гамма-корректоров, одинаковые по амплитуде и полярности, подаются на регулируемую суммирующую схему. Она построена таким образом, что можно менять соотношение напряжений каждого корректора в выходном сигнале, т. е. менять значение от до при постоянном уровне выходного сигнала.

Выходное напряжение U_{с вых} = U_?к1 + U_?к2 = const будет постоянным при любом положении движка сумматора, а ?_общ будет меняться от ?_к1 =2 до ?_к2 =0,5, проходя через значение ? =1. В аппаратуре блока камерного канала БКК-1014 аппаратно-студийных комплексов цветного ТВ один из каналов двухканального корректора - линейный, а ?_общ = 0,4...0,6.

Применяются также более сложные схемы гамма-корректоров, которые позволяют производить оперативное плавное изменение формы амплитудной характеристики изменением постоянных напряжений в схеме, что дает возможность сделать эти регулировки дистанционными.

Выбор значения ?_к зависит от системы наблюдения на приемной стороне. В случае, если это человеческий глаз, ?_к необходимо подобрать так, чтобы ?_общ = 1,26. Если же на приемной стороне находится какой-либо устройство, ?_общ =1. Так же значение ?_к зависит от того, является ли приемное устройство цветным или черно-белым. Известно, что ??цветного кинескопа 2,8, а черно-белого 2,2.

Гамма-коррекция в цветном ТВ

В цветном телевидении гамма-корректор исправляет искажения цветового тона и насыщенности света, вызванные нелинейностью амплитудной характеристики тракта от света до света. Причем требуется высокая идентичность амплитудных характеристик гамма-корректоров в трех цветовых каналах. Несовпадение амплитудных характеристик гамма-корректоров цветовых каналов на 1-2% приводит к заметным искажениям цветности изображения.

В простейшем случае три корректора нелинейности амплитудной характеристики выносятся непосредственно в каналы прохождения трех цветоделенных сигналов. Однако по такой схеме строятся ТВ системы замкнутого типа, используемые в прикладных целях, когда сформированные цветоделенные сигналы поступают по отдельным кабелям непосредственно на цветное воспроизводящее устройство.

В вещательном телевидении передается иной набор сигналов, обеспечивающих возможность уплотнения ТВ канала и совместимость черно-белого и цветного телевидения. С этой целью формируется яркостный видеосигнал Е и цветоразностные сигналы E и Е. При использовании в ТВ системе передающих камер трехтрубочного типа, последовательность преобразований получается следующей.

1. Сигналы E_R, E_G, E_B подвергаются гамма-коррекции согласно выражению (6.2). Видеосигналы E , Е, E принято обозначать , , соответственно.

2. Из сигналов E'_R, E'_G, Е'_B формируется сигнал E'_Y согласноосновному колориметрическому уравнению.

3. Цветоразностные сигналы и формируются методом матрицирования в соответствии с соотношениями

= 0,7 - 0,59 - 0,11,

= -0,3- 0,59 +0,89.

Иначе осуществляется формирование сигналов в видеоусилительном тракте при использовании четырехтрубочных камер с отдельным каналом сигнала Е. В четырехтрубочной камере выравниваются сигналы E, Е, Е и E. (Индекс W означает, что яркостный видеосигнал, получаемый от отдельной трубки, является широкополосным). Цветоделенные видеосигналы формируются в сокращенной полосе частот до 1,5 МГц. Имеются различные способы получения полного цветового сигнала из четырех сигналов, формируемых камерой. Наиболее распространенными являются способы, предложенные Левингстоном и Джеймсом.

Структурная схема формирования сигналов по методу Левингстона показана на рис18. Сигнал яркости, создаваемый отдельной передающей трубкой, подвергается гамма-коррекции и используется в качестве широкополосного сигнала яркости. Для получения цветоразностных сигналов с помощью матрицы 5 формируется сигнал . В отличие от сигнала яркости, образующегося в камерном канале трехтрубочной камеры, в данном случае сигнал имеет полосу частот до 1,5 МГц. Следует отметить, что в образовании цветоразностных сигналов не участвует.

1,2,4,6 - гамма-корректоры; 3 - матрица сигнала ; 5 - матрица сигнала ; 7 - матрица сигнала

Рис.18. Структурная схема формирования сигналов по методу Левингстона

В ТВ приемнике из сигналов E'_{R -Y} и E'_B-_Y матрицированием получают третий цветоразностный сигнал E'_G-Y. Затем цветоразностные сигналы подаются на модуляторы кинескопа, а яркостный сигнал _YWсразу на три катода. В результате сложения цветоразностных сигналов с сигналом E'_YW формируются цветовые сигналы, с помощью которых образуется цветное изображение. Однако при этом возникают некоторые погрешности цветопередачи. Это следует из рассмотрения следующих соотношений:

где .

Ошибка в восстановлении сигналов, равная Е, приводит к небольшим искажениям цветового тока, насыщенности и яркости, которые вполне допустимы на практике.

1,2,6,8 - гамма-корректоры; 3 - кодирующая матрица; 4 - ФНЧ; 5,7 - вычитающие устройства

Рис.19. Структурная схема формирования сигналов по методу Джеймса

Особенность другого метода формирования сигналов (метода Джеймса) заключается в том, что спектр сигнала яркости, передаваемого ТВ приемникам, формируется из двух частей. В полосе до 1,5 МГц сигнал яркости соответствует основному колориметрическому уравнению. В полосе от 1,5 МГц и выше передаются составляющие яркостного сигнала , полученного от отдельной трубки.

Структурная схема формирования сигналов по методу Джеймса представлены на рис.19 . В данном случае цветоразностные сигналы получаются из цветоделенных сигналов E'_R, E'_G, E'_B в кодирующей матрице так же, как в канале трехтрубочной камеры. Сигнал яркости формируется в виде

E,

где - сигнал яркости, получаемый с отдельной трубки, полоса частот сигнала яркости ограничена 1,5 МГц.

Широкополосный сигнал яркости (см. рис.19), подвергнутый гамма-коррекции, поступает на ФНЧ, который ограничивает его спектр до 1,5 МГц. Далее из образовавшегося сигнала вычитается E'_Y, полученный результат, в свою очередь, вычитается из сигнала E. Из соотношения следует, что в полосе частот от 0 до 1,5 МГц имеются все три сигнала. Поэтому в полосе частот от 0 до 1,5 МГц сигнал ничем не отличается от яркостного сигнала, передаваемого с помощью трехтрубочной камеры и обеспечивающего неискаженное воспроизведение цветного изображения. В полосе частот от 1,5 МГц и выше сигналы и E'_Y равны нулю. Следовательно, в этом частотном диапазоне Е = E. Наличие высокочастотных компонентов E необходимо лишь для получения высокой четкости изображения и не приводят к погрешностям в воспроизведении цвета.

Рассмотренный метод обеспечивает высокое качество цветного изображения, однако при этом необходима высокая точность выполнения всех преобразований.

Принципиальная схема одного из вариантов гамма-корректора, применяемого в камерном канале цветного телевидения, приведена на рис.20. Основным узлом устройства является каскад на транзисторе VT6 с нелинейной амплитудной характеристикой, подчиненной заданному закону гамма-коррекции с кусочно-ломаной аппроксимацией. Нелинейный закон амплитудной характеристики получается за счет подключения параллельно коллекторной нагрузке диодной матрицы VD2 и набора резисторов R13, ..., R20. Все диоды матрицы на участке сигнала в области, близкой к уровню черного, заперты. Коэффициент передачи каскада в этой области максимальный и определяется соотношением коллекторной и эмиттерной нагрузок. При увеличении размаха сигнала диоды матрицы последовательно открываются, шунтируя коллекторную нагрузку, и снижается тем самым коэффициент усиления. В области белого все диоды матрицы открываются, коэффициент передачи каскада при этом минимальный. Сопротивление параллельно соединенных резисторов делителя и внутреннее сопротивление открытых диодов определяет наклон участков амплитудной характеристики.

Для того чтобы сигналы, соответствующие одинаковой яркости изображения, имели одни и те же постоянные уровни независимо от содержания изображения и находились на одних и тех же участках амплитудной характеристики, перед гамма-корректором включена схема фиксации уровня черного.

Рис.20- Принципиальная схема гамма-корректора

Нагрузкой схемы фиксации является дифференциальный каскад на транзисторах VT3, VT4, передающий с большой точностью напряжение фиксации на усилители с линейной (VT5) и нелинейной (VТ6) амплитудными характеристиками. С выходов этих каскадов сигналы подаются на эмиттерные повторители на VT7 и VT8 для последующей суммации на резисторе R22. На этом резисторе происходит смешивание сигналов с различными амплитудными характеристиками. Степень нелинейности результирующей амплитудной характеристики тракта регулируется в пределах =0,4...1.

Апертурная коррекция сигнала видеоизображения

Одной из важнейших обработок видеосигнала, осуществляемых в камерном канале, является коррекция апертурных искажений, вносимых передающими трубками. Апертурные искажения связаны с конечным размером апертуры (сечения) электронного луча и приводят к потере четкости ТВ изображения как по горизонтали, так и по вертикали. В приемных ТВ трубках апертурные искажения значительно меньше, чем в передающих, и ими обычно пренебрегают.

Простейшим способом апертурной коррекции (коррекции четкости изображения) являются подъем верхних частот спектра путем пропускания сигнала через фильтр верхних частот (ФВЧ) и суммирования полученного сигнала с исходным в определенном соотношении. Это соотношение определяет, насколько повышается относительный контраст мелких деталей результирующего изображения по сравнению с исходным контрастом, полученным на выходе преобразователя свет-сигнал. Для получения оптимального сигнала коррекции требуется ФВЧ, АЧХ которого в рабочем диапазоне частот аппроксимируется функцией

где f_max - частота максимального подъема АЧХ, обычно выбирается в пределах 5 ...10 МГц.

В некоторых случаях используют два параллельно включенных ФВЧ с параметрами f_max1?3 МГц иf_max2?7 МГц. При этом подъем АЧХ на частоте f_max1 обеспечивает заметное повышение крутизны фронта сигнала (коррекцию резкости) ценой значительного увеличения выбросов (оконтуривания) слева и справа от яркостной границы.

На практике применяют два варианта ФВЧ, из которых трансверсаль-ный фильтр (рисунок 21,а), обеспечивая строгую линейность фазочастотной характеристики (ФВЧ), т.е. симметричность (слева и справа) подчеркивания яркостной границы, более критичен в настройке по сравнению с двухконтурным RLC-фильтром (рисунок 21,б), ФЧХ которого на частотах выше f_max значительно отличается от линейной. В обоих случаях необходимо компенсировать задержку ФВЧ путем пропускания основного (низкочастотного) сигнала через линию задержки. Как трансверсальный, так и двухконтурный ФВЧ реализует операцию вычисления второй производной сигнала в ограниченной полосе частот.

а) с трансверсальным фильтром;

б) с двухконтурным RLC-фильтром.

Рис. 21 - Структурные схемы горизонтальных апертурных корректоров

Следует отметить, что иногда апертурные корректоры располагаются непосредственно в телекамерах. Это относится к отдельным конструкциям бытовых и прикладных телекамер. В этом случае используются простейшие двузвенные дифференцирующие RС-цепи, которые, к сожалению, вызывают резкое возрастание внеполосных шумов и помех.

Увеличение размаха составляющих видеосигнала на частоте f_max в 2...4 раза за счет апертурной коррекции вызывает возрастание уровня внутри-полосных высокочастотных составляющих шума и общее ухудшение отношения сигнал-шум видеосигнала на 8... 10 дБ. От этого недостатка свободен нелинейный апертурный корректор с шумоподавлением (рисунок 22). В нем сигнал основного канала пропускается через ФНЧ1 с плавно спадающей ФЧХ. При этом отношение сигнал-шум в основном канале улучшается на 3...4 дБ, а снижение в результате фильтрации уровня полезных высокочастотных составляющих компенсируется увеличением степени апертурной коррекции. Причем сигнал коррекции U_коp дополнительно обрабатывается ограничителями по минимуму, которые не пропускают сигналы размахом менее 2...5 %. Такая мера исключает возрастание шумов на участках изображения, соответствующих крупным деталям, где они наиболее заметны, но не снижает уровня шумов вблизи мелких деталей и на периодических структурах. Кроме того, из-за уменьшения размаха сигнала U_коp на выходе ограничителя падает четкость малоконтрастных деталей. Тем не менее общее улучшение качества изображения вследствие меньшей зашумленности участков изображения, соответствующих крупным деталям, настолько явное, что в современной ТВ аппаратуре применяются исключительно нелинейные апертурные корректоры.

1 - ФНЧ; 2 - линия задержки; 3,5 - запоминающие устройства;4,7 - двухсторонние ограничители; 6 - ФВЧ.

Рис. 22 - Структурная схема нелинейного апертурного корректора с шумоподавлением

Наряду с коррекцией четкости по горизонтали необходимо корректировать ее и по вертикали. Имеется несколько различных возможностей для сочетания коррекции по вертикали и горизонтали.

Для двумерной (полной) коррекции четкости, т.е. в горизонтальном и вертикальном направлениях изображения, очень часто используется разностный метод апертурной коррекции с применением линий задержек (ЛЗ) на строку и на элемент разложения. Данный метод основан на устранении паразитной информации на переходах от черного к белому, проникающей в полезный сигнал передаваемого изображения. Для этого формируется сигнал коррекции, получаемый вычитанием из основного сигнала сигналов соседних элементов изображения. Сигналы для коррекции в горизонтальном и вертикальном направлениях можно представить в виде следующего выражения:

,

где U₁ и U₂ - сигналы, задержанные относительно исходного видеосигнала U на время, равное длительности двух и четырех элементов разложения. Из-за использования чересстрочного разложения апертурная коррекция осуществляется через строку по вертикали и через элемент по горизонтали. Для горизонтальной апертурной коррекции время задержки для U₁ равно 125 нc, а дляU₂ - 250 нc. Для вертикальной апертурной коррекции оно соответственно равно 64 и 128 мкс. Полученный корректирующий сигнал U_коp суммируется с сигналом, задержанным на два элемента разложения относительно исходного для временного согласования. В результате коррекции длительность перехода от черного к белому уменьшается примерно в два раза. Степень коррекции можно менять, задавая уровень корректирующего сигнала. Для устранения появляющихся выбросов и уменьшения шумов используется схема двустороннего амплитудного ограничения по минимуму.

...