Бытовые видеокамеры

Журнал "Радио", номер 9, 1999г.
Автор:Ю. Петропавловский, г. Таганрог

     Как известно, видеокамеры (камкордеры) - очень сложные устройства, снабженные рядом автоматических систем регулирования, в частности системой автоматической фокусировки. О ней и пойдет речь в публикуемой статье. В ней также рассказано о структурном построении цифровых камер на примере модели PANASONIC-NV-M3000 (ранее были рассмотрены видеокамеры SAMSUNG-VP-U12/U15), описаны структура и функционирование системы автофокусировки, даны рекомендации по ремонту таких аппаратов.

    "Нашествие" цифровых видеокамер на рынки Японии, США и западной Европы происходит настолько стремительно, что даже трудно спрогнозировать ситуацию на несколько месяцев вперед. Сравнительно недавно (1992-1993) были выпущены первые промышленные образцы цифровых профессиональных видеокамер PANASONIC-AJ-D310 формата D3 с параметрами, поражающими воображение. Некоторые из них следует перечислить для последующего сравнения с аналогичными характеристиками бытовых видеокамер.

    Камкордер AJ-D310 снабжен объективом фирмы САNON с датчиком изображения на трех матрицах ПЗС с диагональю 2/3 дюйма и обеспечивает разрешающую способность в 700 телевизионных линий при отношении сигнал/шум 60 дБ (при освещенности в 2000 люкс с диафрагмой F8,0).

    Казалось бы, его высокая сложность и цена в десятки тысяч долларов исключают в обозримом будущем появление чего-нибудь подобного для бытовых целей. Но уже в 1996 г. фирмами SONY, JVC и MATSUSHITA были выпущены в продажу первые модели цифровых видеокамер формата MINI-DV бытового назначения, а в 1997 г. в Японии 76 % всех продаж пришлось на цифровые модели [1], под которыми понимают камкордеры с цифровыми камерной и видеомагнитофонной секциями. Интересно, что практически все современные модели аналоговых видеокамер бытовых форматов (VHS, VIDEO-8, S-VHS и др.) тоже оснащены цифровыми камерными секциями.

    Параметры, возможности и характеристики видеокамер различных моделей отличаются чрезвычайно большим разнообразием. Однако можно выделить две группы аппаратов, обеспечивающих изображение разного качества.

    Большинство бытовых видеокамер первой группы имеет датчик изображения на одной матрице ПЗС и формирует картинку с одинаковым качеством (при сопоставимом числе элементов матрицы ПЗС). Ко второй группе относятся модели с трехматричными датчиками, дающие изображение значительно более высокого качества. Видеокамеры с тремя матрицами выпускают с видеомагнитофонами как цифровых, так и аналоговых форматов. Соотношение цена/качество для моделей обеих групп колеблется в весьма широких пределах.

    Из доступных в России особо следует выделить профессиональный камкордер PANASONIC-AG-DP800, цена на который с 11 000 долл. в 1995 г. упала до 4300 долл. в 1998 г., что сопоставимо с "верхними" ценами моделей цифрового формата MINI-DV. Видеокамера этого камкордера обеспечивает разрешающую способность 700 телевизионных линий (матрицы ПЗС на 450 000 элементов) при соотношении сигнал/шум 50 дБ и способна работать при освещенности 2 люкс. PANASONIC-AG-DP800 - настоящий профессиональный камкордер (фирменное название SUPERCAM) весом около 6 кг. Он может комплектоваться большим набором дополнительных аксесссуаров. Пожалуй, лучшего соотношения цена/качество не имеет ни одна модель (не Торгуют ими десятки фирм в Москве и некоторых других городах.

    В бытовых моделях камкордеров трехматричные камерные секции (головки) встречаются редко. Одна из таких моделей SHARP-VL-DH5000 (1800 долл.) формата MINI-DV (NTSC) описана в [1]. Большинство же бытовых видеокамер, в том числе цифровых - одноматричные. Как уже указано, практически все современные камкордеры независимо от формата видеомагнитофона снабжены цифровыми камерными секциями. На уровне структурных схем большинство моделей имеют много общего, чего нельзя сказать о реальном схемотехническом построении, отличающимся большим разнообразием. В [2] была рассмотрена укрупненная структурная схема видеокамер SAMSUNG-VPU12/U15. Поэтому здесь рассмотрим устройство и функционирование другой популярной у нас модели PANASONIC- NV-M3000.Аналогично построены камерные головки моделей: NV-M40, NVMS4E, NV-M9000, AG-455 - с торговыми марками PANASONIC, NATIONAL, а также ряда моделей европейских фирм с начинкой от фирмы MATSUSHITA.

    Укрупненная структурная схема камерной головки рассматриваемых видеокамер изображена на рис. 1. В состав оптико-механической части входят объектив, приводы трансфокатора, автофокусировки, диафрагмы и матрица ПЗС. Разрешающая способность (число элементов) изображения при использовании матрицы ПЗС с диагональю 1/3 дюйма различна у конкретных типов моделей: для VHS (PAL - 320000, S-VHS (PAL) - 420000, VHS (NTSC) - 270000, S-VHS (NTSC) - 360000. Электронная часть камеры выполнена в основном на БИС собственного производства, что характерно и для других ведущих фирмразработчиков видеокамер. Типы микропроцессоров, показанные на рис. 1, соответствуют использованным в модели NV-M3000.

    Во всех моделях рассматриваемой серии применены матрицы ПЗС со строчно-кадровой организацией. Каждый светочувствительный элемент (пиксел) покрыт своеобразным микрообъективом для повышения светочувствительности и мозаичным фильтром для получения цветовых сигналов. Фильтр обеспечивает формирование сигналов четырех цветов: желтого, сине-зеленого, зеленого, пурпурного. Такая сложная электронная система как матрица ПЗС требует и систему коммутации соответствующей сложности. В нашем случае она выполнена на БИС MN5188 (IC201), которая имеет 64 вывода в корпусе для поверхностного монтажа.

    Микросхема IC203 (AN2013SB, 16 выводов) выделяет из дискретного выходного сигнала матрицы ПЗС те части, которые соответствуют полезному сигналу, объединяет их и формирует непрерывный сигнал. Его можно наблюдать на выводе 5 микросхемы. Микросхема IC204 (AN2033FP, 32 вывода) содержит системы АРУ, гамма и высокочастотной коррекции. Необходимо отметить, что форма сигнала в тракте существенно отличается от привычной, так как фактически по одной цепи передается "смесь" сигналов яркости и цветности. Выход микросхемы IC204 - последнее место, где сигнал представлен в аналоговом виде. Далее он поступает на восьмиразрядный АЦП на микросхеме IC307 (MN655431SH, 24 вывода). Все последующие операции с сигналом происходят в цифровом виде.

    Многофункциональная БИС IC306 обеспечивает для сигнала яркости вертикальную и горизонтальную апертурную коррекцию с целью повышения четкости, ограничение уровня для получения неискаженной передачи ярких объектов, функцию введения-выведения (FADE), а для сигнала цветности - выделение цветоразностных сигналов (R-Y, B-Y), автоматический баланс белого и ряд других функций. Всеми операциями управляет центральный микропроцессор камерной секции MN1882010V4Q (IC309). Технологические регулировки делают в цифровом виде с занесением установленных параметров в ЭСППЗУ IC310 (EVR или электронный блокнот).

    Ряд дополнительных возможностей добавляется за счет применения запоминающего устройства (ЗУ) на одно поле. В состав ЗУ входят четырехразрядные БИС IC301, IC302 (ZA4030 - 28 выводов, фирмы ZILOG, емкость каждой - 0,87 Мбайт). Сигнал яркости запоминается в обеих БИС, что эквивалентно его восьмиразрядному представлению. Сигнал цветности записывается в БИС IC303 (MN47915, 28 выводов), поэтому его предварительно преобразуют в четырехразрядный (внутри БИС IC304), что приводит к двукратному снижению цветовой четкости.

    Видеокамеры рассматриваемой линейки обеспечивают ряд интересных цифровых режимов (DIGITAL MODE): увеличение изображения, микширование, вытеснение шторкой (WIPE), увеличение светочувствительности, стопкадр, стробирование, след (TRAСER). Специализированная БИС IC304 (MN6733, 100 выводов) работает в режимах стоп-кадр, стробирование, микширование, след, увеличение изображения (цифровой ZOOM до х100), а БИС IC316 - в режимах увеличение яркости и вытеснение шторкой. Всеми цифровыми режимами управляет микропроцессор IC312. Следует заметить, что указанные цифровые режимы реализованы и во многих других моделях видеокамер PANASONIC, но на другой элементной базе.

    ЦАП IC315 (MN657011, 48 выводов) преобразует цифровые сигналы яркости и цветности в аналоговые (Y, R-Y, B-Y). Поскольку цифровые сигналы цветности разделены по времени, они тактируются импульсами U/VSEL (их формирует процессор IC306). Преобразованные сигналы с выходов ЦАП поступают на микросхему IC317 (AN2040SB, 16 выводов), содержащую буферный каскад, фильтры НЧ для подавления шумов и сумматор, обеспечивающий наложение сигналов синхронизации.

    Следует подчеркнуть, что практически все элементы, показанные на структурной схеме, представляют собой сложнейшие электронные устройства. Из них в первую очередь рассмотрим функционирование системы автоматической фокусировки (САФ), неполадки в которой возникают чаще всего.

    В видеокамерах, о которых идет речь, применен объектив с переменным фокусным расстоянием и задним расположением фокусирующей линзы. Изображение на матрице ПЗС фокусируется в результате перемещения вдоль оси объектива упомянутой линзы. При такой конструкции объектива операции изменения фокусного расстояния (трансфокации) и фокусировки зависят друг от друга, т. е. при "наездах" ("отъездах") трансфокатора требуется подстраивать и положение линзы фокусировки. Кроме того, от размера установленной диафрагмы зависит скорость проведения фокусировки (при малом отверстии диафрагмы скорость выше). В результате практическая реализация САФ оказалась весьма сложной и требующей индивидуальной прецизионной регулировки.

    Существуют активные и пассивные САФ. Первые основаны на принципе ультразвуковой или инфракрасной локации объекта съемки для определения расстояния до него по отраженным сигналам. В современных бытовых видеокамерах такие системы практически не применяют.

    Пассивные САФ бывают нескольких типов. В [3], например, описаны три таких системы: TCL (TROUGN THE CAMERA LENS), действующая через объектив камеры и основанная на принципе расщепления оптического луча; пьезоэлектрическая система, разработанная фирмой MATSUSHITA, в которой фокусирующая линза установлена на вибрирующей пьезоэлектрической пластине, и цифровая интегральная система. Последняя и применена в рассматриваемом семействе видеокамер PANASONIC, а также в ряде моделей фирмы SAMSUNG и др. Скорость наведения на резкость в такой системе - около 1 с независимо от положения трансфокатора и размера диафрагмы.

    Работа этой САФ основана на анализе уровня высокочастотных составляющих сигнала изображения, поступающего с матрицы ПЗС, и последующем перемещении фокусирующей линзы в положение, соответствующее максимальной резкости. Само перемещение обеспечивает специальный шаговый микродвигатель через червячную передачу.

    Принцип действия такой САФ иллюстрирует рис. 2, где на рис. 2,а показано соотношение между условиями фокусировки и уровнем высокочастотных составляющих, на рис. 2,б - зависимость последнего от положения линзы фокусировки, на рис. 2, в - фазовые соотношения в САФ. Для определения правильного направления вращения электродвигателя фокусировки использован специальный алгоритм функционирования при автоматическом наведении на резкость. Уровень высокочастотных составляющих в сигнале изображения от снимаемого объекта определяется микропроцессором САФ. Если уровень мал, двигатель перемещает фокусирующую линзу в положение "ЗМ" независимо от того, ухудшается или улучшается фокусировка. Если она ухудшается, поступает команда на реверсирование двигателя. В конце перемещения САФ заставляет линзу вибрировать с частотой 6,25 Гц. Это необходимо для получения правильной фазы (направления вращения вала двигателя) движения линзы, определяемого путем сравнения фаз внутреннего модулятора Ur и сигнала в тракте изображения. Как можно понять из рис. 2,в, процесс длится до установки линзы в точку наилучшей резкости (пик кривой на рис. 2,б и в).

    В случае, если уровень ВЧ составляющих сигнала изображения в момент начала работы САФ высок, двигатель заставляет вибрировать линзу сразу, без перемещения в положение "ЗМ". Амплитуда вибраций лежит в интервале от +20 до +120 мкм в зависимости от характеристик снимаемого объекта. Такие вибрации незаметны глазу, но фокусировка для большинства случаев выполняется очень точно. Затруднения возникают тогда, когда, например, при съемке отдаленных объектов в поле объектива попадают близко расположенные предметы (листья деревьев и т. п.). Тогда САФ не "знает", на какой объект ей требуется наводить. В таких случаях необходима ручная регулировка резкости.

    Все вышесказанное верно для случая, когда трансфокатор видеокамеры находится в каком-нибудь фиксированном положении. При изменении фокусного расстояния работа системы значительно усложняется. На рис. 3,а показано расположение линз в объективе видеокамеры, где 2 и 4 - линзы трансфокатора и фокусировки соответственно. Для того, чтобы в процессе "наездов" ("отъездов") не нарушалась фокусировка, необходимо одновременное перемещение линзы фокусировки (задней) и трансфокатора (второй спереди) по определенному закону. На рис. 3,б показаны кривые расположения линз (в зависимости от расстояния объектива до объекта), соответствующие выполнению условия наилучшей фокусировки. Как видно из рисунка, это условие обеспечивается при двух положениях линзы трансфокатора (А и Б). Если в момент начала процесса автофокусировки линза трансфокатора находилась в положении А, то при уменьшении фокусного расстояния фокусирующая линза будет перемещаться в сторону объекта, а для исходного положения в точке Б наоборот - в сторону матрицы ПЗС.

    Поскольку при различных расстояниях до объекта съемки кривые отслеживания не совпадают, перед САФ возникает трудная задача: ей нужно заранее "знать", какой именно кривой следовать в каждом конкретном случае. Это предварительное "знание" необходимо для того, чтобы при оперативной работе не возникала кратковременная потеря резкости в процессе "наездов" ("отъездов") на объект съемки.

    Следует отметить, что заметная глазу "потеря фокуса" при трансфокации присуща многим новым моделям видеокамер, не говоря уже об аппаратах с солидной наработкой. В высококачественных (и хорошо настроенных) камерных головках потерь резкости во время трансфокации практически не бывает, что свидетельствует о высоком классе САФ.

    Для обеспечения работы САФ используются два датчика положения линз - трансфокатора и фокусировки. Датчик трансфокатора (или кодер трансфокатора) представляет собой линейный переменный резистор, движок которого механически связан с подвижной линзой трансфокатора. Эту связку приводит в движение коллекторный двигатель постоянного тока через редуктор. Сложнее выполнен узел датчика фокусировки. В его состав входит оптопара, оптический прерыватель, связанный с линзой фокусировки, и шаговый электродвигатель, приводящий в движение всю связку через червячную передачу.

    На рис. 4 представлена упрощенная структурная схема системы отслеживания положения трансфокара. Она содержит микропроцессор цифрового сигнала САФ IC702, имеющий во внутреннем ПЗУ информацию, позволяющую управлять шаговым двигателем автофокусировки в соответствии с кривыми отслеживания (см. рис. 3). В ПЗУ занесены сведения для ограниченного числа кривых отслеживания. Для других (промежуточных) расстояний от объекта съемки микропроцессор рассчитывает новые кривые, используя информацию об относительном положении линз фокусировки и трансфокатора, а также условиях съемки (учитывается освещенность и диафрагменное число).

    На линейный переменный резистор кодера трансфокатора (рис. 4) поданы прецизионные образцовые напряжения: Uобр + со стороны широкоугольного объектива (короткое фокусное расстояние) и Uобр - со стороны телеобъектива (большое фокусное расстояние и большое увеличение, т. е. состояние "наезда"). В процессе эксплуатации видеокамеры требуемые значения этих напряжений должны поддерживаться с высокой точностью (до четвертого знака, например: Uобр + = 1,456 В, Uобр - = 3,652 В). Поэтому они заданы не обычным способом (с движков подстроечных резисторов и т. п.), а путем программирования ЭСППЗУ (IС310). При включении питания эти напряжения в цифровом виде считываются процессором цифрового сигнала IC309, преобразовываются в ЦАП IС330 в аналоговые и через ОУ IС705 поступают на кодер трансфокатора (ZOOM ENCODER).

    Напряжение с движка кодера снимается на микропроцессор IС702 непосредственно и через ОУ IС705. Это необходимо для "растягиванияquot примерно четверти кривой отслеживания с высокой крутизной со стороны телеобъектива, иначе не достигается нужная точность отслеживания. Внутри микропроцессора IC702 сигналы слежения приходят на АЦП и преобразуются в цифровые. Для выполнения такого преобразования требуются образцовые напряжения низкого UL = 1,8 В и высокого Uн = 3,8 В уровней. Используя полученные сведения, микропроцессор IC702 управляет работой двигателя автофокусировки, чтобы при пользовании кнопками "наезд"/"отъезд" (W/T) изображение оставалось резким.

    (Окончание следует)

Литература

1. Самохин В.Цифровые видеокамеры. - Салон AUDIO/VIDEO, 1998, май-июнь, с. 68-76.

2. Петропавловский Ю. Видеотехника формата VIDEO-8. - Радио, 1998, # 4, с. 10, 11.

2. Шишигин И. В., Шульман М. Г., Колесниченко О. В., Золотарев С. А. Как выбрать видеокамеру. - Санкт-Петербург: Лань-Полигон, 1996, с. 181-191.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.