61. Назначение и принцип работы телевизионных систем. Виды и основные характеристики телевизионных камер.

Телевизионный приемник — устройство для приема телевизионных сигналов и их преобразования в визуально-звуковые образы.

Телевизор состоит из устройства отображения визуальной информации (кинескопа, жидкокристаллической или плазменной панели); шасси — платы, которая содержит основные электронные блоки телевизора (телетюнер, декодер с усилителем аудио- и видеосигналов и др.), корпуса с расположенными на нем разъемами, кнопками управления и громкоговорителями.

Телевизионные радиосигналы, принятые антенной, подаются на радиочастотный (антенный) вход телевизора. Далее они поступают в радиочастотный модуль, называемый также тюнером, где из них выделяется и усиливается сигнал именно того канала, на который в этот момент настроен телевизор. В тюнере также происходит преобразование радиочастотного сигнала в низкочастотные видео- и аудиосигналы.

Видеосигнал после усиления подается в модуль цветности (только в телевизорах цветного изображения), содержащий декодер цветности, а затем на устройство отображения визуальной информации. Декодер цветности предназначен для декодирования сигналов цветности той или иной системы (PAL, SEC AM, NTSC).

Аудиосоставляющая подается в канал звукового сопровождения, где происходит выделение звукового сигнала и его необходимое усиление. После усиления аудиосигнал подается на громкоговоритель (динамик), преобразующий электрический сигнал в слышимый звук. Если телевизор рассчитан на воспроизведение стерео или многоканального звука, в составе его канала звукового сопровождения имеется соответствующий декодер многоканального звука, который разделяет звуковую составляющую на каналы.

Кинескопы бывают черно-белого изображения и цветного изображения, отличаются они по конструкции.

Экран кинескопа черно-белого изображения изнутри покрыт сплошным слоем люминофора, обладающего свойством светиться белым цветом под воздействием потока электронов. Тонкий электронный луч формируется электронным прожектором, размещенным в горловине кинескопа. Управление электронным лучом осуществляется электромагнитным способом, в результате чего он последовательно в ходе развертки сканирует экран по строкам, вызывая свечение люминофора. Интенсивность (яркость) свечения люминофора в ходе сканирования изменяется в соответствии с электрическим сигналом (видеосигналом), несущим информацию об изображении.

Экран кинескопа цветного изображения изнутри покрыт дискретным слоем люминофоров (в форме кружков или штрихов), светящихся красным, зеленым и синим цветом под действием трех электронных пучков, формируемых тремя электронными прожекторами. Все кинескопы цветного изображения перед экраном имеют цветоделительную теневую маску. Она служит для того, чтобы каждый из трех электронных лучей, одновременно проходящих через многочисленные отверстия маски в ходе сканирования, точно попадал на "свой" люминофор (первый — на зерна люминофора, светящиеся красным цветом, второй — на зерна люминофора, светящиеся зеленым цветом, третий — на зерна люминофора, светящиеся синим цветом).

Каждый электронный луч модулируется "своим" видеосигналом, что соответствует трем составляющим цветного изображения. Поступая на кинескоп, видеосигналы управляют интенсивностью электронных пучков и, следовательно, яркостью свечения люминофоров (красного, зеленого и синего). В результате на экране цветного кинескопа воспроизводятся одновременно 3 одноцветных изображения, создающих в совокупности цветное изображение.

К современным средствам отображения визуальной информации относят жидкокристаллические экраны, проекционные системы, плазменные панели.

В жидкокристаллических телевизорах LCD (Liquid Crystal Display) изображение формируется системой из жидких кристаллов и поляризационых фильтров. С тыльной стороны жидкокристаллическая панель равномерно освещается источником света. Управление ячейками (пикселями) жидких кристаллов осуществляется матрицей электродов, на которую подается управляющее напряжение. Под действием напряжения жидкие кристаллы разворачиваются, образуя активный поляризатор. При изменении степени поляризации светового потока, изменяется его яркость. Если плоскости поляризации жидкокристаллического пикселя и пассивного поляризационного фильтра отличаются на 90°, то через такую систему свет не проходит.

Цветное изображение получается в результате использования матрицы цветных фильтров, которые выделяют из излучения источника белого цвета три основных цвета, комбинация которых дает возможность воспроизвести любой цвет. Жидкокристаллические телевизоры отличаются компактностью, отсутствием геометрических искажений, вредных электромагнитных излучений, малой массой и потребляемой мощностью, но в то же время имеют малый угол обзора изображения.

В проекционных телевизорах изображение получается в результате оптической проекции на просветный или отражающий экран телевизора яркого светового изображения, создаваемого проектором. Проекторы, используемые в проекционных телевизорах, могут быть построены на электроннолучевых кинескопах, жидкокристаллических матричных полупроводниковых элементах, а также лазерных проекционных трубках.

Основными недостатками проекционных телевизоров являются их громоздкость, высокая потребляемая мощность, низкая четкость увеличенного изображения и узкая зона размещения зрителей перед экраном телевизора.

В основу работы плазменного телевизора положен принцип управления разрядом инертного газа, находящегося в ионизированном состоянии между двумя расположенными на небольшом расстоянии друг от друга плоскопараллельными стеклами ячеистой структуры. Рабочим элементом (пикселем), формирующим отдельную точку изображения, является группа из трех пикселей, ответственных, соответственно, за три основных цвета. Каждый пиксель представляет собой отдельную микрокамеру, на стенках которой находится флюоресцирующее вещество одного из основных цветов. Пиксели находятся в точках пересечения прозрачных управляющих электродов, образующих прямоугольную сетку. При разряде в толще инертного газа возбуждается ультрафиолетовое излучение, которое, воздействуя на люминофоры первичных цветов, вызывает их свечение. Изображение последовательно, точка за точкой, по строкам и кадрам развертывается на экране.

Яркость каждого элемента изображения на панели определяется временем его свечения. Если на экране обычного кинескопа свечение каждого люминофорного пятна непрерывно пульсирует с частотой 25 раз в секунду, то на плазменных панелях самые яркие элементы светятся постоянно ровным светом, не мерцая. Плазменные панели выпускается форматом изображения 16:9. Толщина панели размером экрана в 1 м не превышает 10-15 см, что позволяет использовать их в настенном варианте. Надежность плазменных панелей превышает надежность традиционных кинескопов.

Виды и основные характеристики телевизионных камер

1. Формат матрицы.

Формат - параметр, характеризующий размеры видеоматрицы камеры. К сожалению, этот параметр мало отражает физические размеры видеоматрицы и исторически связан с электронно-лучевыми трубками. Формат указывается в дюймах и позволяет определять угол зрения камеры при применении объектива с тем или иным фокусным расстоянием. Чем выше формат матрицы, тем больше ее физические размеры и тем больший угол обзора она может обеспечить. Этот параметр жестко не связан с физическими размерами и видеоматрицы, имеющие один и тот же формат могут иметь немного разные геометрические размеры. Приведем, для примера, размеры некоторых видеоматриц:

- 1/3" (ширина - 4.8 мм; высота = 3,6 мм);

- 1/2" (ширина : 6.4 мм; высота = 4,8 мм);

- 2/3" (ширина 8.8 мм; высота = 6,6 мм);

- 1" (ширина - 12.7 мм; высота = 9,5 мм).

- 1/3" (ширина - 4.8 мм; высота = 3,6 мм);

- 1/2" (ширина : 6.4 мм; высота = 4,8 мм);

- 2/3" (ширина 8.8 мм; высота = 6,6 мм);

- 1" (ширина - 12.7 мм; высота = 9,5 мм)

2. Разрешающая способность камеры видеонаблюдения

Разрешающая способность измеряется в телевизионных пиниях (ТВЛ) и характеризует, насколько мелкие детали можно различить с помощью телевизионной камеры. Эта величина, как уже отмечалось, в основном определяется числом элементов видеоматрицы: чем больше элементов, тем выше разрешающая способность (напомним, что речь идет о разрешающей способности по горизонтали, поскольку по вертикали число элементов жестко привязано к телевизионному стандарту). Абсолютное значение разрешающей способности можно связать с числом элементов с помощью следующего эмпирического соотношения:

Разрешающая способность в ТВЛ= 3/4 числа элементов

На величину разрешающей способности влияет, разумеется, и электронная часть телевизионной камеры (например, полоса передаваемых ею частот), однако при этом она может изменяться только в сторону ухудшения. Следует отметить, что снижение формата видеоматрицы мало сказывается на разрешении камеры, так как возможности технологии позволяют делать элементарные площадки достаточно маленькими. Из принципа работы цветной видеоматрицы ясно, что разрешающая способность ее ниже, чем черно-белой.

В настоящее время рынок предлагает камеры видеонаблюдения следующего разрешения (чем выше разрешение, тем больше цена камеры):

- Ч/Б камеры среднего разрешения (приблизительно от 510 до 560 элементов по горизонтали) имеют разрешение от 380 до 420 ТВЛ;

- Ч/Б камеры повышенного разрешения (до 800 элементов по горизонтали) имеют разрешение до 600 ТВЛ;

Цветные камеры среднего разрешения имеют разрешение от280 до 330 ТВЛ;

Цветные камеры повышенного разрешения имеют разрешение до 460 ТВЛ (до 560 ТВЛ по S - VHS выходу).

Для наблюдения общей обстановки подходят недорогие камеры видеонаблюдения среднего разрешения. Если требуется определение мелких деталей (например, чтение номеров автомобилей), нужны камеры повышенного разрешения.

3. Минимальная освещенность

Минимальная освещенность характеризует уровень освещенности, при котором камера видеонаблюдения дает "нормально воспринимаемое" изображение. Этот параметр измеряется в люксах (фототехническая характеристика, относящаяся к спектральному диапазону, воспринимаемому человеческим глазом).

во-первых, величина минимальной освещенности цветных камер намного больше, чем у черно-белых, во-вторых, чем меньше формат видеоматрицы, тем более жесткие требования предъявляются к освещенности объекта наблюдения. Характерная величина минимальной освещенности на объективе F1.4 для черно-белых камер лежит в диапазоне от 0.1 до 0.5 люкс, а для цветных - от 1 до 3 люкс.

4. Крепеж объективов

Все корпусные камеры имеют стандартный узел для присоединения телевизионных объективов. Существует два стандарта: "С" и "СS" с одинаковой присоединительной резьбой D25,4 х 0,8 и различным задним отрезком (17,5 мм и 12,5 мм соответственно). Если камера имеет присоединительный узел типа С, то к ней подойдет только С объектив. Для камеры с узлом СS подходят объективы СS и С со специальным переходным кольцом.

В модульных (бескорпучных) видеокамерах используется крепление объектива M12 с мелким шагом резьбы.

5. Напряжение питания

Камеры бывают рассчитаны либо на 24, 220V переменного тока, либо на 12V постоянного тока. Эта характеристика мало влияет на цену камеры, но важна для ее эксплуатации. Здесь надо исходить из конкретной структуры электрических коммуникаций.

Вспомогательные параметры

1. Электронный затвор

Как все полупроводниковые устройства, видеоматрица имеет режим насыщения, когда все имеющиеся в системе свободные заряды использованы и общий заряд, приобретенный элементарной ячейкой, перестает зависеть от интенсивности падающего на него света. Подобный режим работы называется "засветкой" видеоматрицы и, разумеется, он неприемлем. Для избежания этого эффекта современные камеры имеют возможность изменять время считывания заряда с помощью специального электрода, встроенного в видеоматрицу - "электронного затвора".

Он помогает адаптации камеры к условиям повышенного оснащения, уменьшая время накопления заряда (к тому же уменьшение времени накопления улучшаем передачу изображений быстро движущихся объектов). Диапазон электронного затвора указывается в секундах (аналогично выдержке фотоаппарата) и составляет в настоящее время от 1/50 до 1/100000 секунды.

Здесь необходимо подчеркнуть, что для уличных применений желательно все-таки использовать объективы с автоматической регулировкой диафрагмы, поскольку диапазон изменения освещенностей в уличных условиях может составлять 10 5 - 10 6 раз.

2. Синхронизация камер видеонаблюдения

Распространены два способа синхронизации камер видеонаблюдения :

-Привязка фазы кадров с камеры к фазе сетевого напряжения - так называемые камеры Line Lock . Эти камеры питаются обычно от переменного напряжения 24 либо 220V.

-Другой способ синхронизации - с помощью специального синхронизирующего сигнала либо видеосигналом.

Синхронизация важна при записи на специальные видеомагнитофоны через видео коммутатор. Камеры Line Lock также могут быть полезны при освещении люминесцентными источниками.

3. Соотношение сигнал/шум (динамический диапазон)

Соотношение сигнал/шум измеряется в децибелах (Дб) и характеризует чистоту и стабильность изображения. Если этот параметр больше приблизительно 45 Дб, на экране монитора наблюдается ясное и четкое изображение, если меньше - начинают проявляться шумы в виде "снега" по полю экрана, при величине ниже 30 Дб из-за шума вообще невозможно почти ничего разобрать. Здесь следует отметить, что чем больше формат видеоматрицы, тем лучше, при прочих равных условиях, соотношение сигнал/шум, поскольку больше площадь накопления заряда.

4. АРУ - автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) есть свойство усилителя камеры видеонаблюдения изменять свое усиление в зависимости от уровня видеосигнала. Максимальное увеличение усиления называется глубиной АРУ. Обычно это величина порядка 10 - 20 Дб. Следует помнить, что никакой усилитель не позволяет улучшить соотношение сигнал/шум, поскольку вместе с сигналом одновременно всегда усиливается и шум.

5. Гамма-коррекция

Поскольку наблюдение за изображением ведется с помощью электронно-лучевой трубки монитора, имеется несоответствие передаточных характеристик видеоматрицы (как у большинства полупроводниковых приборов она линейна в рабочей области) и электронно¬лучевой трубки, имеющей степенную зависимость (с показателем 2.2).

Для приближения характеристик камеры к характеристикам монитора в видеотракт принудительно вносят нелинейные искажения - осуществляют гамма - коррекцию, улучшая тем самым контрастность изображения. Обычно величина гамма - коррекции (это безразмерная единица) составляет 0.45 (1/2.2), хотя некоторые камеры позволяют с помощью переключателя выставлять несколько различных значений помимо указанного или выключать гамма -коррекцию совсем.

6. Компенсация заднего света (контровый свет)

Если наблюдать за предметом, освещенным сзади ярким светом, камера настроит свои параметры на большую интегральную освещенность и сам предмет будет представлять из себя темное пятно без хорошо выраженной внутренней структуры, что заметно снизит эффективность наблюдения. Для исключения подобных ситуаций в хороших камерах предусмотрена специальная аппаратная функция, называемая компенсацией заднего света. В различных моделях может быть заложен различный алгоритм отработки этой ситуации.

В простейшем случае в режиме компенсации заднего света параметры камеры не к интегральной освещенности по всему полю кадра, а освещенности в его центре.

Таким образом за счет некоторого ухудшения качества изображения окружающей обстановки, улучшается изображение самого предмета. В более сложных моделях в разных частях кадра адаптация к световым условиям происходит независимо друг от друга.

7. Дополнительные требования к цветным камерам

Основное требование - правильная передача цветов. Изменение источников света может приводить, к значительным искажениям цветопередачи, если камера не содержит специальной схемы "баланса белого". Простейшие (недорогие) цветные камеры видеонаблюдения имеют лишь автоматический "баланс белого" для данного источника света. Внутри камер, как правило, имеются регулировки для адаптации к разным источникам света.

8. Рабочий диапазон температур

На большинство камер видеонаблюдения указывается следующий температурный диапазон: -10...+50°С для черно-белых и 0...+50°С для цветных. Разумеется, при использовании камер в уличных условиях необходимо применять специальные гермокожухи с подогревом.