: архив : архив журнала "625" : 1997 : #10

• Оглавление обзора • Телекамеры 97 • Цифровые камеры • Hitachi • Ikegami - синоним   вещательного телевидения • JVC - рекордная   светочувствительность • Panasonic - триумф цифровых   форматов • Philips LDK120 -   конфигурируемая камера • Sony - цифровое телевидение   сегодня и завтра • Thomson Broadcast Systems

Телекамеры 97
Леонид Чирков

Относительно недавно, быть может полтора - два десятилетия назад телевизионная камера была главным рабочим инструментом телевизионного производства и занимала главу технической службы телецентра куда более, чем все остальное профессиональное оборудование, вместе взятое. В то время ежегодно выпускалось заметно менее тысячи профессиональных и вещательных камер. Однако мы живем в уникальное по стремительности время, когда любой день несет новость, а телевизионная техника меняется буквально на глазах. Сегодня производство телевизионных камер для студийных и внестудийных работ, видеожурналистики составляет несколько тысяч ежегодно - и общее число выпускаемых камер быстро нарастает.

Современная телевизионная вещательная камера - очень сложный электронный и механический агрегат, производство которого по силам лишь немногим компаниям, о которых речь пойдет ниже.

CCD переворот

Впрочем, родное "переворот" вполне можно заменить пришедшим из Англии термином "революция". CCD - это Charge-Coupled Device, что в переводе означает прибор с зарядовой связью, отсюда часто используемая в нашей литературе аббревиатура ПЗС.

Впервые приборы с зарядовой связью появились в 1970 г. Первоначально они рассматривались в качестве недорогих элементов полуоперативной памяти, накопителей относительно больших массивов информации, регистров и линий задержки с управляемым временем. Уже этого хватало для того, чтобы новым прибором всерьез заинтересовались разработчики элементов компьютерной техники. Однако вскоре обнаружилась еще одна функция, присущая ПЗС: инжекция зарядов с использованием фотоэффекта. Фирма RCA первой обнаружила, что такая инжекция открывает новым приборам путь в телевидение. Увы, образец RCA отличала неприемлемо низкая чувствительность, к том же различная в красной, зеленой и синей частях спектра.

Два десятилетия продолжалось совершенствование ПЗС - и в этом процессе ведущая роль принадлежала фирме Sony. Фирма начала с камеры BVP-5, на примере которой показала, что резервы для улучшения ПЗС велики. Первые камеры на ПЗС, появившиеся на рынке, относились к группе профессиональных. Потом пришла очередь си-си-ди-визации портативных и, наконец, студийных камер. Отвоевывая у электронно-лучевых приемных трубок одну позицию за другой, ПЗС матрицы долгое время уступали им по светочувствительности. Перелом наступил к 90-му году, когда ПЗС обошли электронные трубки по всем параметрам и вскоре полностью вытеснили их в камерах вещательного назначения. Многие фирмы до сих пор в маркировке камер указывают CCD, но это - рудимент, напоминающий о "трубочном" прошлом, а также о славной и полной победе твердотельных датчиков "свет-сигнал".

Наши новые телевизионщики, возникшие на волне массового появления независимых студий, которых теперь приходится до 10 на одну государственную компанию, не имеют представления о муках, связанных с подготовкой телевизионных трубочных камер к работе. Им неведомы геометрические искажения телевизионного растра, к тому же способные "плыть" во времени. Им не надо заниматься статическим и динамическим сведением электронных лучей и многим другим, что было кошмаром для телеоператоров и видеоинженеров старшего поколения. Идентичность настройки трубочных камер и стабильность их параметров в пределах одной рабочей смены занимала самые светлые умы, чаще всего без успеха.

Первое, что привлекло внимание разработчиков к ПЗС датчикам - это жестко заданный растр, что сразу и окончательно снимало проблему геометрических искажений. Тепловая стабильность твердотельных матриц гарантировала устойчивость рабочих параметров в течение длительного времени. Хорошая управляемость снимала проблему настроек и их долговременного поддержания. Более того, открывались пути к автоматизации многих рутинных процессов. И еще, уже первые образцы ПЗС поражали высокой надежностью - тысячи часов безотказной работы, в чем существенно превосходили электронно-лучевые трубки.

Современные ПЗС

В настоящее время в телевизионных камерах используются три типа ПЗС матриц. Это матрицы с покадровым переносом (международная аббревиатура, часто используемая в маркировке камер, - FT) и покадрово-строчным (FIT), а также со строчным (IT) переносом зарядов.

Исторически первым типом ПЗС была матрица с покадровым переносом (FT). Она использовалась еще в первом образце фирмы RCA. Позже эта матрица была существенно усовершенствована фирмой Philips. Она выполнена в виде двух секций: одна - светочувствительная, другая - накопления. В каждой секции одинаковое число ячеек. Секция накопления закрыта непрозрачным экраном - обычно, это пленка алюминия. Экспонирование ведется в интервале активной части поля, сброс зарядов в секцию накопления - в интервале полевого гасящего импульса. При сбросе зарядов экспонирующий световой поток должен быть отключен. В противном случае экспонирование будет продолжаться и в процессе переноса зарядов, что приведет к полному разрушению изображения. Прерывает экспозицию в интервале переноса зарядов механический обтюратор. Это один из недостатков ПЗС с покадровым переносом. В настоящее время такие ПЗС применяются только в линейке камер LDK фирмы Philips.

Уже в первой своей камере с твердотельными ПЗС датчиками фирма Sony решительно отказалась от принципа покадрового переноса, как ограничивающего дальнейшие усовершенствования. Специалисты фирмы сочли принцип строчного переноса (IT) зарядов более прогрессивным и, главное, содержащим огромные резервы совершенствования. Матрица содержит сгруппированные в "столбы" светочувствительные ячейки, а также элементы регистров переноса зарядов. Светочувствительные ячейки и ячейки регистров сброса и переноса зарядов по принципу работы идентичны. Однако шаг переноса заряда принципиально двухтактен, поэтому число ячеек в регистрах вдвое превышает число светочувствительных ячеек. Чтобы избежать засветки ячеек регистра, они закрыты непрозрачным экраном.

В интервале гасящего импульса заряды из светочувствительных ячеек сбрасываются в соседние ячейки регистров, а затем эвакуируются в считывающий регистр, после чего поступают на считывающий терминал. Поскольку заряды из светочувствительных ячеек сразу же поступают в затененные ячейки регистров, влияние засветки на перенос зарядов минимально и можно отказаться от обтюратора.

Матрица с построчным переносом подвержена влиянию ярких объектов в изображении. Это влияние проявляется в вертикально ориентированных тянущихся продолжениях (столбах, часто используется термин "смаз"). Эти столбы формируются в процессе сброса зарядов из вертикально ориентированных регистров в считывающий. Механизм их формирования достаточно прост. Часть фотонов от ярких объектов проникает вглубь подложки, где при поглощении они рождают пару "электрон-дырка". Часть этих зарядов может проникнуть в электронные ловушки регистров переноса. Тянущиеся продолжения ярких объектов недопустимы в камерах высокого класса, предназначенных для студийного и внестудийного производства. Однако в видеорепортаже, при подготовке новостей с такими недостатками можно мириться, поэтому часто в относительно недорогих камерах, предназначенных для подобных работ, применяются матрицы с построчным переносом.

Наиболее совершенным типом ПЗС датчиков являются матрицы с построчно-кадровым переносом зарядов (FIT). В таких матрицах конструктивно соединены принципы построчного и покадрового переноса - и, вместе с этим, основные достоинства обоих процессов, а вот недостатки ослаблены. Впервые эта гибридная матрица была применена в камере BVP-50 фирмы Sony.

Перенос зарядов и их сброс в секцию накопления выполняются в интервале гасящих импульсов, а считывание из секции накопления - в интервале следующей экспозиции. В итоге, вертикальные регистры переноса зарядов позволяют отказаться от обтюратора, а секция накопления существенно понижает уровень смаза, поскольку основные процессы вывода зарядов протекают в секции накопления вдали от зон, где размещены яркие объекты. Однако за указанные преимущества приходится расплачиваться серьезным конструктивным усложнением ПЗС матрицы и, конечно, ее существенно более высокой стоимостью. Тем не менее, матрицы этого типа сейчас широко используются в телевизионных камерах. Можно сказать, что во всех камерах высокого уровня, обеспечивающих студийный уровень качества, применяются именно матрицы с построчно-кадровым переносом.

Структура ячеек ПЗС довольно проста - это МОП или, если развернуть аббревиатуру, это трехслойная структура "металл-окисел-полупроводник p-типа", т.е. с дырочной проводимостью. Когда положительный электрический потенциал подан на электрод, в полупроводнике под этим электродом возникает, так называемая, обедненная зона. Она и является ловушкой для электронов.

Представим, что в ловушке одной из ячеек накоплены заряды. Если на электрод соседней ячейки подать потенциал, втрое более высокий, то заряды перетекут в более "глубокую" ловушку. После этого потенциал этой ячейки снижается до номинального. Далее втрое повышается потенциал следующей ячейки. Так и осуществляется перенос зарядов в ПЗС. Дальнейшее совершенствование ПЗС шло с применением интегральных технологий. И вновь основные идеи были впервые сформулированы и реализованы фирмой Sony.

Если сравнить ПЗС с покадровым и построчным (построчно-кадровым) переносом, то можно заметить, что в ПЗС с покадровым переносом полностью используется вся поверхность светочувствительной секции. В тех ПЗС, где применяется механизм построчного переноса, часть светочувствительной секции закрыта непрозрачными пленками (приблизительно до 30% площади секции). Соответственно теряется часть светового потока. В итоге, по светочувствительности при прочих равных условиях ПЗС типа FT заметно превосходят IT и FIT.

Это обстоятельство долгое время и служило существенным аргументом в пользу датчиков с покадровым переносом. Однако последние пять лет были предприняты серьезные усилия по совершенствованию секций с построчным переносом путем формирования специальных диодных переходов, позволивших более четко локализовать зоны захвата зарядов. Надо сказать, что, при этом удалось сделать прозрачной границу этой зоны для зарядов, рожденных в толще полупроводника и непрозрачной для захваченных зарядов. А значит существенно снизить потери зарядов из-за их диффузии в толщу полупроводникового материала. Заметно снижена ширина участков, закрытых непрозрачным экраном, а, следовательно, возросла полезная светочувствительная площадь. Сами каналы переноса зарядов вертикальных регистров были погружены в толщу полупроводника так, что сток зарядов из зон захвата в ячейки регистра стал почти вертикальным, причем управляемым с помощью диодного перехода.

Итак, матрицы, имеющие регистры построчного переноса, превратились в довольно сложные микросхемы. Такие матрицы маркируются аббревиатурой HAD, что означает Hole Accumulated Diode или диодный накопитель дырок. HAD микросхема приобрела еще ряд полезных функций. Например, это сброс электронов пересветки, также ориентированный вертикально по отношению к поверхности чипа. Управляет сбросом специальный диод. Через этот диод "лишние" заряды эвакуируются в n-зону, сформированную в нижней части чипа. Туда же отправляются и паразитные электроны, рожденные от ярких объектов в глубинных слоях чипа.

С помощью диода сброса удалось реализовать новую и очень полезную функцию электронного затвора. Сделано это так. Допустим, что через 1/100 с надо прервать экспозицию. Именно через этот промежуток времени импульс управления диодом стока в регистр отпирает этот диод и заряды переносятся в соответствующие ячейки регистра. Затем подается потенциал, отпирающий диод сброса зарядов в подложку. Этот диод остается открытым до конца экспозиции кадра и удаляет из светочувствительных ячеек все заряды, накапливаемые после 1/100 c. Меняя длительность управляющих импульсов, можно настраивать электронный затвор на заданную длительность экспозиции.

Обычно электронный затвор настроен на дискретный ряд экспозиций вплоть до 1/2 000. Часто, используются следующие фиксированные значения: 1/50, 1/60, 1/100, 1/120, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2 000. Электронный затвор, в частности, позволяет подавить инерционность ПЗС при съемках быстро перемещающихся объектов. К дискретному ряду добавляется и функция плавной регулировки длительности экспозиции, осуществляемая в ограниченном интервале времени. Она используется, например, при съемках с экрана кинескопа телевизора, монитора или компьютерного дисплея.

Рассмотренные новации позволили приблизить по светочувствительности ПЗС, имеющие функцию построчного переноса, к ПЗС с чисто покадровым переносом зарядов. Однако Sony на этом не успокоилась, предложив новую конструкцию Hyper HAD. На фирме была разработана технология покрытия светочувствительной секции слоем с микролинзами. Микролинзы размещаются над каждой светочувствительной ячейкой и собирают свет с площади, превышающей их размеры. Они фокусируют его в зону накопления зарядов. Сейчас ПЗС типа Hyper HAD применяют все фирмы-производители телевизионных камер вещательного назначения.

Рассмотренные технологические новации позволили повысить светочувствительность FIT матриц в два раза и довести ее до уровня FT матриц. Сейчас FIT матрицы используются настолько широко и обеспечиваемые ими функции стали настолько привычными, что сознание невольно относит их появление в далекое прошлое. На деле они разработаны совсем недавно. Технология изготовления твердотельных датчиков стала достаточно совершенной и обеспечивает производство почти бездефектных больших матриц. Так, Sony HyperHAD 1000, например, содержит 620 000 светочувствительных ячеек, соответствующая матрица Ikegami - 780 000 ячеек. Новые технологии производства матриц позволили существенно снизить и темновой ток.

Размер светочувствительной секции (его часто называют форматом) наиболее ходовых в настоящее время матриц ПЗС- 2/3 дюйма. Однако все шире начинают использоваться, в частности, в камерах журналистского комплекта или предназначенных для новостийных систем, матрицы форматов 1/2 и даже 1/3 дюйма.

В матрицах FIT возможны два режима накопления зарядов: в интервалах кадра или телевизионного поля. При накоплении в интервале кадра в стандарте 625/50 максимальная вертикальная четкость составляет 570 строк. Однако в этом режиме высока инерционность, из-за чего падает видимая четкость движущихся объектов. При полевом накоплении соседние строки попарно считываются, из-за чего четкость по вертикали падает до 400 строк. В таких случаях принято искать компромиссы. Так, заряды можно считывать в интервале одного поля прогрессивно, т. е. построчно, а все накопленное во втором поле сбрасывать в подложку. При таком режиме считывания четкость по вертикали 570 строк сохраняется, но, увы, за счет очевидной двукратной потери чувствительности. Поэтому было предусмотрено переключение режимов считывания. Пока света достаточно, действует полевой режим с построчным считыванием, щадящий четкость, но когда его мало - компромиссный со считыванием в обоих полях.

Аналоговые камерные головки

Заканчивающийся 97 год ознаменован решительным переходом всех фирм, производящих профессиональные и вещательные камеры, к цифровой обработке сигналов в камерных головках. Однако аналоговая продукция еще ряд лет будет в ходу, и уже поэтому заслуживает внимания.

Современные аналоговые камерные головки - достаточно универсальные устройства, которым с помощью различных аксессуаров могут быть приданы разные функции. Так, с помощью специального адаптера камерная головка через триаксиальный кабель или волоконно-оптическую линию может быть присоединена к камерному каналу или, как иногда говорят, к базовой станции. Надо сказать, что присоединение камер с помощью волоконно-оптических кабелей - далеко не новость, преимущества этого уже давно оценены по достоинству. Однако долгое время дело шло вяло и только в последнее время стало нормой. Камерные головки, как правило, могут быть состыкованы с видеомагнитофонами самых различных форматов и производства разных фирм. Блок "камерная головка + видеомагнитофон" называют видеокамерой. Среди "камерной" продукции есть и моноблочные конструкции, в которых камерная головка и видеомагнитофон неразъемные.

Типы камер

Телевизионные камеры принято делить на вещательные, профессиональные, промышленные и коммерческого назначения, бытовые. Такое деление достаточно условно и точных границ не имеет. Тем не менее, оно в ходу. При производстве телевизионной вещательной продукции допустимо применять только камеры, относящиеся к вещательным и профессиональным. Однако возможны и определенные исключения. Так, оборудование формата DVCAM фирма Sony первоначально отнесла к группе коммерческого назначения, но позже заявила и о возможности его применения в телевизионной журналистике и системах сбора новостей.

Сигналы, вырабатываемые вещательными камерами, должны, в принципе, отвечать стандартам на параметры студийного сигнала. Для камер этого класса предусмотрен и определенный набор сервисных функций. Считается, что такие камеры предназначены для крупных телецентров, а точнее - именно им они по карману. На протяжении достаточно длительного времени сложились три группы качества вещательных камерных головок. К первой группе относятся камеры телевидения высокой четкости. Следующая группа - это камеры для студийного и внестудийного производства, обеспечивающие стандартный по качеству уровень. К последней группе относятся камеры и видеокамеры журналистского комплекта, где требования к качеству сигнала несколько ослаблены, но зато ужесточены требования к мобильности, оперативности и немедленной готовности к работе в самых тяжелых климатических условиях.

Профессиональные камеры выпускаются с ориентацией на средние и малые телецентры и студии, хотя и крупные отнюдь не чураются их. На профессиональном языке - это камеры более низкого, чем вещательные, класса. На обыденном языке можно сказать, что они по качеству сигнала несколько похуже вещательных, но попроще и подешевле. Попробую на конкретном примере пояснить, что же означает "некоторое снижение качества" применительно к камерам профессиональной группы. В вещательных камерах стандарта 625/50 на контрольной отметке 5 МГц в яркостном сигнале глубина модуляции должна составлять 100% - это требование стандарта. В профессиональных камерных головках допустимо на этой отметке снижение сигнала до 50%, что согласуется с параметрами видеосигнала формата S-VHS, для которого горизонтальное разрешение в 400 твл соответствует граничной частоте пропускания канала записи видеомагнитофона.

Во всех камерах вещательного и профессионального классов используются по три ПЗС матрицы, формирующие соответственно R, G и B видеосигналы. А в некоторых моделях фирмы Ikegami, например, HDL-70 и HDL-30 (камеры ТВЧ) и HK-466 вещательного стандарта 625/50 используются даже четыре матрицы, две из которых работают в канале G. Фирма решилась на достаточно дорогое приспособление: установку дополнительной матрицы и дальнейшее усложнение цветоделительного блока, чтобы снизить уровень муаровых помех и повысить разрешающую способность или, по иному, видимую четкость изображения. Правда, дотошные аналитики отметили и еще одну вероятную причину икегамовской инициативы. С целью защиты европейских производителей на ввозимые в страны ЕЭС трехматричные камеры накладываются антидемпинговые таможенные пошлины, а вот о четырехматричных камерах в соответствующих документах не упомянуто! Надо сказать, что цветоделительный блок с ПЗС датчиками - это самый дорогой узел камеры, подчас стоимостью в половину цены всей камеры.

Выпускаются и одноматричные цветные камеры, например, фирмой Panasonic. Такие модели могут даже нести маркировку S-VHS, но применять их в вещании нельзя. По ряду параметров они, к примеру, не удовлетворяют даже нормам третьей группы качества в классификационной таблице, используемой в системе сертификации "Телерадио" ФСТР. Эти камеры относятся к четвертой группе качества, куда сбрасывается все, что не допускается в вещание.

Два года назад четко определилась тенденция к выпуску переключаемых двухформатных камер, формирующих сигналы изображений с соотношением сторон 16:9 и 4:3. Такие камеры удобны в Европе, где, наряду с вещанием по стандартной системе PAL, ведется и вещание по системе повышенного качества PALplus. Выпускаются и двухформатные камеры, способные работать как по одной из действующих систем цветного вещания (NTSC, PAL), так и системе ТВЧ. В 1995 году к таким камерам присматривались, было неясно, как оценит подобное новшество потенциальный потребитель. Сейчас ясно, что двухформатные камеры нашли своего покупателя. Косвенно это указывает и на другую тенденцию - рост производства высокохудожественных программ с высоким качеством изображения. В то же время двухформатную камеру можно быстро переключить и на стандартное видеопроизводство, что, в конечном итоге, сулит определенную экономию средств и более гибкое использование имеющейся аппаратуры.

В настоящее время типовыми характеристиками для камер, выпускаемых практически всеми производителями, стали следующие: отношение сигнал/шум более 60 дБ, разрешение 600 твл и даже более, номинальная освещенность на объекте при f 8,0 - 2 000 люкс, динамический интервал достигает 600%. Это - достаточно высокие показатели, которые еще недавно казались рекордно высокими. Поскольку на этот уровень вышли все производители вещательных камер, он уже не влияет на выбор потребителей. Теперь внимание обращают на качество цветопередачи, стабильность параметров во времени, сервисные функции. Хотя набор последних, пожалуй, уже стабилизировался и камеры разных производителей по этим функциям почти не различаются.

В технологии студийных и внестудийных съемок по-прежнему сохраняется стремление работать с камерами потяжелее и полегче. Раньше для тяжелых студийных камер и легких для внестудийных работ применялись разные камерные головки, теперь, как правило, - одни и те же. Тяжелая версия - это стационарная или возимая на операторской тележке камера с массивным вариообъективом кратностью от 20х до 70х и даже выше. В качестве видоискателя применяются видеомониторы с размером экрана не менее 5 дюймов. Носимая камера комплектуется вариообъективом средней кратности - от 9х до 18х и небольшим видоискателем 1,5 дюйма. В камерах этого класса теперь применяются только ПЗС типа FIT. Исключением из этого правила является фирма Philips BTS, которая ориентируется на первородную любовь - матрицы FT.

Самые простые матрицы со строчным переносом IT - относительно дешевы и потому привлекательны. Но используются они достаточно редко и только в профессиональных камерах. Причина в высоком уровне смаза, о чем говорилось выше. Уровень смаза в IT превышает аналогичный показатель матриц FIT на 30...50 дБ.

Очень часто в маркировке портативных моделей в конце наименования ставится латинская буква "P". Портативные камеры рассчитаны на работу с плеча или с рук, обычное требование к ним - максимальные мобильность и автономность. У таких камер, как правло, моноблочная конструкция с портативным видеомагнитофоном. Достаточно широко применяются неразъемная и разъемная конструкции. Масса видеозаписывающих камер, как правило, - около 7 кг. Современные технологии, в принципе, позволяют снизить ее. Однако такая масса совпадает с той оптимальной, при которой наименее заметно дрожание камеры, вызванное дыханием оператора.

Портативные камеры рассчитаны на работу в более широком интервале освещенностей, чем студийные. При работе вне студий особенно важно обеспечить режимы форсированного усиления (до +36 дБ) и увеличенный динамический диапазон до 600%. В последнее время удалось найти решение и такой проблемы, как перевод съемки с освещенных участков на затененные. Такие ситуации часты, например, при трансляции футбольных матчей. Для улучшения проработки деталей в тенях используется нелинейная динамическая характеристика чувствительности, при которой увеличивается коэффициент усиления слабых сигналов и снижается - сильных. Современные камеры имеют память на несколько предустановок. Оператор в процессе подготовки к съемкам проверяет работу камеры, нацеленной на участки с разной освещенностью, определяет оптимальные параметры настройки и записывает их в память камеры. В процессе съемок оптимальные предустановки вводятся одной кнопкой. Таким образом, даже при быстром пересечении осью камеры границы "свет-тень", проработка деталей в затененной области остается высокой.

[дальше]