一起来补充完成电视摄像机电路部分的结构组成和工作原理
  • 摄像机视频电路部分的功能和自动电路的功能

各位同学,我们一起来补充完成摄像机的视频信号处理部分的功能和自动电路部分的功能的知识。大家可以参考PPT的内容来进行补充,也可以在网络上找到相应的知识,来完成这个学习元,补充的方式可以是文字,也可以是图文混排。尤其是那些在教材中没有展示出来的知识,大家可以进行补充。

涉及的原理,或者相关概念类的知识,大家觉得跟本部分的知识有关的,也欢迎大家积极补充,知识扩展得越广泛越好。

论述的逻辑:1、视频信号处理电路2、自动电路3、附属器件。如果你有更好的叙述逻辑,你也自行补充,也可以在其他人的基础上进行修改。

 

  • 论述的逻辑:1、视频信号处理电路

      一、视频信号处理电路的任务

      视频信号处理电路的任务是把彩色电视信号进行分离,变换成一个亮色信号和三色差信号,再经基色阵电路产生出与发射端相同的R,G,B三基色信号,通过电压幅度放大后去刺激彩色显像管以重现彩色图像。在彩色电视机中完成上述功能的电路就称为视频信号处理电路。

      二、电路组成及说明

       视频信号处理电路应包括由复合视屏信号输入点起,到三基色信号输出点为止的全部电路,主要有图像信号分离电路,亮度信号处理电路,色度信号处理和视屏输出电路(基色矩阵+视放电路)这四部分。

       三、信号处理

       信号处理包括模拟处理和数字处理两部分。预放器输出的信号先进入模拟处理部分,在这里进行自动黑斑补偿、自动黑/白平衡、杂散光校正、自动白斑补偿、增益控制、预弯曲等处理放大,再将处理过的模拟视频信号送10bit量化的模数变换器,变成数字信号,进行数据检测(为各种自动调节检测误差数据)、轮廓校正、γ校正、彩色校正、混消隐、白切割、色度孔阑、编码矩阵等处理,最后输出数字图象信号。数字摄像机的主控制器是调节和控制摄像机的核心电路,由CPu和接口电路等组成,摄像机面板上的各种开关信号都送给CPU,由CPU发出指令给各存储器、数字信号处理电路的数据检测及有关部分,数字检测电路将检测出的差值、平均值和峰值等送回CPU进行存储、运算,并送到相应的调整电路及镜头控制电路进行参数值的调整控制。模拟电路的控制数据经数、模转换成模拟电压,送到相应的调节电路进行调节。

   什么是视频图像信号处理系统

   视频图像信号处理系统的作用是对摄像器件输出的图像信号(很微弱)进行预放大(一般放大到0.7V)后,对三基色图像信号进行各种校正、补偿处理。经过加工处理的红、绿、蓝三基色信号进入彩色编码处理,得出包含亮度信号和色度信号的彩色全电视信号,向外输出。亮度信号携带色彩信息,这样就能够实现彩色电视与就能够实现彩色电视与黑白电视兼容。目前世界上采用了NTSC、SECAM和PAL三种主要制式进行彩色编码处理。

信号处理电路的作用

  信号处理电路通常由放大器、滤波器和线性化处理等电路组成,它是A/D转换器或是显示器之前的必可少的电路。根据不同的传感器要求,信号处理电路能完成各种处理,如电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换、阻抗变换等,并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算。其中电信号放大器也应根据不同的要求来选:电荷放大器、仪表用放大器、程控放大器、隔离放大器等。

  PV-96电荷传感器:电荷灵敏度10000pC/g,AD544L输出灵敏度33V/ g,当C=300pF,R=100G,测试频率范围0.1~10Hz,噪声电平范围为0.6×10-6V,加速度测量范围为2×10-6~10-1 g。

       四、相关名词解释

       1、CCD摄像器件及预放器—数字摄像机的关键部件

       CCD摄像器件及预放器是数字信号处理摄像机的前端电路,它的性能优劣决定着摄像机的图象分解力、信噪比及灵敏度等指标的好坏。目前的技术、工艺水平可使预放器的功率增益做得相当高,且信噪比大于60dB。CCD摄像器件型号有IT、FT、FIT型等各种电荷转移方式的型号。广播级大多选用3片式的2/3英寸FIT型CCD,像素在60万以上,CCD输出信号的动态范围可达80dB。图3是FIT型CCD示意图。有的摄像机对CCD器件还采取了改良技术。如OCL技术,提高CCD的灵敏度;空间像素偏置技术,提高CCD的图象分解力.

       光电转化器件相当于一个底片,俗称ccd或者cmos,当RGB三种基色信号经过光电转化器件时,里面的光信号转化为电信号,但由于光信号非常的微弱,所以在处理的过程当中我们需要放大器对这三路基色信号进行同时放大。

       DPM(Dynamic Pixel Management)动态象素管理技术,保持4:3/16:9格式转换时的图象分解力。10bit数字摄像机与12bit数字摄像机的电路构成原理相同。
黑斑现象是由摄像器件的暗电流引起的。在无光进入镱头时,CCD本应无信号电压输出,但由于分子的热运动,使CCD会有很少的电荷产生,且每个感光单元产生的电荷量不一致,导致画面的黑色不均匀。白斑效应是由于镜头的透射率不一致及分光棱镜的色渐变现象引起的,其现象是重现的白色不均匀。在数字摄像机中,黑斑校正与白斑校正可精确地自动调节。即将整个画面分成114×228=25992个区进行检测,根据数据检测出的误差值,控制黑斑(白斑)地址发生器将地址送入主控制器,用查表方式从存储器中读出调节数据,经D/A变换后送到模拟校正电路进行补偿,对任意形状的黑(白)斑都可以补偿。通过黑斑校正后,消除暗电流的影响,使黑电平与消隐电平相同,即为基准零电平,输入到后面的增益放大器。这样,增益变化就不会引起黑电平变化了。 

      数字讯号处理(DSP):摄影机内的动作,感光Sensor输出讯号在被显示及传送前必须被处理。一般处理的步骤有讯号放大﹐Gamma校正﹐BlackLevel校正﹐边缘加强﹐彩色处理﹐彩色平衡﹐彩色校正﹐输出讯号编码。影像质量是非常依赖这些处理器的精确性及稳定性。

AE(AutoExposure)︰结合AGC及IRIS马达控制的使用,使摄影机能在很宽广的光线条件下使用。AGC能在很低亮度的条件下放大视讯信号,而IRIS能在高亮度下降低光线进入摄影机,马达光圈控制能被CCDIRIS控制所取代。

  AGC(AutomaticGainControl)︰一种电路能自动地调整视讯信号的电子放大,来补偿因照明亮度位阶的改变

      2、 黑、白平衡调节 

      当摄像机拍摄黑色物体时或关闭光圈时,红、绿、蓝三路输出的电平称为黑色电平,这个电平送到显像管时荧光屏刚刚不发光,呈现黑色,要使呈现的黑色是纯黑,则要求摄像机输出的红、绿、蓝黑色电平相等,这称为摄像机的黑平衡。黑平衡调节是在黑斑校正之后进行,通常是在关闭光圈下使摄像机工作,调节红路和蓝路的黑色电平,使它们都与绿路的黑色电平相等。如果同时调节红、绿、蓝黑色电平,并不会影响黑平衡,这称为总黑电平(M.PEd)调节,这样可调节图象的平均亮度。摄像机最后输出的图象信号的黑电平是在混入标准消隐脉冲后建立的。在拍摄纯白色景物时,调节红路和蓝路增益,使红路和蓝路的电平与绿路的电平相等,这样,荧光屏上便能重现出基准白色。白平衡调节在白斑校正之后进行,电路可进行增益微调,调节方式既可手动调节也可自动调节。

        3 、增益提升 
摄像机输出信号的幅度必须达到电视传输规定的标准电平0.7Vp-p,为了能在不同的景物照度(包括特殊的较暗场景)条件下都能输出0.7Vp-p的信号,必须使放大器的增益能在较大范围内调节,现在的摄像机设置的增益选择有-3dB、+3dB、+6dB、+9dB、+12dB、+18dB、+21dB等若干档。由于增益升高时图象上的杂波也会增加,不得以时才用增益档,通常用0dB档拍摄。 

      4、杂散光校正 
由于镜头中的各片透镜和CCD内部都有很小的反射率(约小于0.1%),所以光线通过时一部分反射光使白色周围的黑色部分稍发白,即提高了图象的黑电平,降低了图象的黑白对比度,使图象看上去如蒙上一层雾,称为杂散光效应。光的反射量与光波的波长有关,红路杂散光最强,绿路次之,蓝路最少。杂散光效应也破坏图象的彩色平衡,尤其是黑色平衡。利用杂散光的强弱随入射光强度成比例地变化的特点,我们可以得出杂散光校正的基本方法。即把图象信号的平均电平进行负反馈,调节反馈量使之恰好抑制杂散光所引起的黑电平变化。 

    5、 预弯曲和白压缩 

      白压缩顾名思义是把白电平部分压缩。白压缩的目的是为了提高摄像机的动态范围和降低量化比特数的需要。实现白压缩的办法是减小放大器在白电平部分的增益。从图4可见,三条传输特性曲线的白切割电平都在110%处,原特性曲线(是线性的)在切割点处所对应的入射光强度是130%,即动态范围(被摄景物所能传送的最大景物亮度的变化范围)是130%;105%拐点的白压缩后的特性曲线的动态范围是200%;而85%拐点的白压缩后的特性曲线的动态范围是600%。由于拐点之上部分的灰度层次不是很鲜明,(即拐折后斜率变化了,物理意义上相当于较高的入射光才引起景物亮度的微小变化)所以在入射光不很强时应使拐点升高,以适当扩大亮度传输特性的线性范围,当画面严重反差时,应把拐点调低到85%。现代摄像机都在处理放大器内设计了自动拐点电路,或称动态拐点或称动态对比度控制(DCC)电路,使拐点随入射光强度自动调节,拐点之上的传输特性曲线的斜率也可以适当设定。

      6、彩色校正 
彩色电视摄像机输出电压的光谱响应(与摄像机的分光系统及摄像器件有关)必须接近理想光谱特性且与显像管荧光粉的混色曲线一致,但实际的摄像机光谱响应曲线缺少了理想光谱特性中的负区和正次区,这必然使摄像机输出的R、G、B电压的比例偏离理想值,引起彩色失真,故必须对输出电压的光谱响应进行校正。具体的办法是:某一基色光谱响应的负区和正次区可以用另外的两个相应的基色信号模拟,存在着线性矩阵的关系,因此这种彩色校正电路也叫做线性矩阵电路。

彩色校正的方法一般有修正和合成两种。修正法是略去光谱响应的负区而只保留其正区,并将正区适当压缩以使重现彩色的失真程度限制在容许范围内。但该法除了不够精确以外,还因减少CCD入射光的能量而使摄像机灵敏度有所下降。合成法是把光电器件丢掉的光谱响应曲线负区设法用矩阵电路给予近似恢复。当今的专业摄像机均采用了该种方式来补偿没有光谱响应负区所造成的彩色失真。另外,为了加强拍摄艺术效果,有时需要人为地改变某种颜色的饱和度或色调,也需要由矩阵来进行可变的彩色校正,这实际上是扩大了彩色校正的适用范围。

 

7、 γ校正

      电视系统的最终目的是在电视屏幕上显示出逼真的图象,其中包括不失真地重现原景物的亮度层次。要保证亮度层次不出现畸变,就要求从摄像—传—显像的整个系统都是线性的,但实际上,CCD摄像器件的光电变换特性为u=k≈k1B1,可认为是线性的,而显象管的电光变换特性(彩色显象管的γ2=2.8),是非线性的。所以,必须在摄像端对图象信号进行相反的预校正,抵消显像管的非线性,使系统总特性成为线性,这种预校正称为γ校正。摄像端γ校正放大器的传输特性应为:,对于彩色显像管来说,γ=1/2.8=0.35,实际中考虑各种因数,通常γ值取在1~0.45之间可调节,以得到最佳的校正效果。R、G、B信号经A/D变换后送到γ表进行γ校正,γ表由CPU接口进行写入和控制。数字γ校正不仅能够使R、G、B三路信号的γ校正特性精确一致,提高了重现图象的彩色质量,变光圈时可保持色调不变,而且调整方便,简单地改变计算参数即可调节γ特性。

视频处理信号的关系图

图1  视频处理信号的关系图

  • 2、自动电路

       摄像机由四个部分组成,而自动电路就是其中之一,自动电路可以实现自动白平衡,自动黑平衡,自动光圈和电动变焦。

图2  摄像机的自动电路

       首先,自动白平衡是基于假设场景的色彩的平均值落在一个特定的范围内,如果测量得到结果偏离该范围,则调整对应参数,校正直到其均值落入指定范围。在自动白平衡中,容易遇到的问题是如果拍摄的场景,排除光线色温的影响,其本身颜色就是偏离平均颜色值的,比如大面积的偏向某种颜色的图案如:草地,红旗,蓝天等等,这时候,强制白平衡将其平均颜色调整到灰色附近,图像颜色就会严重失真。因此,通常的做法是:在处理自动白平衡时,除了做为目标结果的预期颜色范围外,另外再设置一对源图像的颜色范围阙值,如果未经处理的图像其颜色均值超出了该阙值的话,根本就不对其做自动白平衡处理。由此保证了上述特殊情况的正确处理。

      其次,自动黑平衡是摄像机在拍摄的画面没有亮度时,输出的3个基色电平应相等,使在监视器屏幕上重现出黑色.广播级摄像机都有黑平衡调整电路,但在电视监控系统中,一方面要求显示的图像尽可能清晰.明快,另一方面又考虑到黑平衡对人眼视觉的影响远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈, 因此电视监控用摄像机一般不设黑平衡调整电路。

      然后,自动光圈的作用是保证CCD摄像机能够正确曝光成像,就必须随时调整镜头的光圈,以保证电视图像不出现‘限幅’现象,否则可能使图像亮处失去灰度层次,或因通光量减小而使画面灰暗且出现噪点。摄像机通常都是在大范围光照度变化的场合应用的。然而摄像机位置一旦固定下来以后,每天去手动调整光圈是非常不便的,只有使摄像机能够附带自动光圈功能,使摄像机输出的视频图像信号自动地保持在标准状态。

      最后,电动变焦也称作动力变焦,它是通过操作人员按压“推”、“拉”按钮,由电路产生相应的控制信号,控制变焦电机动作,带动变焦镜头组以一定速度匀速前移动来实现的。这样操作起来十分方便,变焦过程平稳,效果良好。但变焦速度受到限制,没有太多的变化。

 

  • 3、附属器件。

       摄像机的附属器件主要有:电子寻像器,录音系统,适配器与供电这三部分组成。

       电子寻像器

图3  电子寻像器     

电子寻像器是摄像机的重要附属设备之一,它主要的功能是在拍摄时寻找拍摄目标,取景,因此也叫取景器,电子寻像器并不是由光学部件组成的,而是由电子电路组成,实质是一台小小的图像鉴视器。电子寻像器承担了寻像,取景任务,还有其他的功能,例如技术性监视(录制工作完成后的图像重放),摄像机状态显示,警告指示等。

摄像机寻像器所显示的画面,通常要比实际拍摄的画面大一圈。即寻像器看到的画面四周的边缘部分,并没有被记录到镜头当中。寻像器的影像大于实际影像,有助于我们更多地了解和掌握拍摄现场的信息,更好地实施技术操作和内容选择。但也带来一定的问题,就是在拍摄中,我们很难确定实际画框的边缘。为了解决这一问题,摄像机寻像器一般都设有安全区提示。只有进人安全区的对象事物,才能被有效地记录下来。

      寻像器:摄像机上的寻像器实际上是一个小屏幕电视监视器,供摄像操作人员取景、调焦、观察画面实际效果和各种电路控制操作信号批示用。寻像器有彩色与黑白之分。彩色寻像器一般只安装在用于演播厅内的大型摄像机上,其他类型摄像机一般只有黑白寻像器。

问:专业摄像机为什么采用黑白寻器,不是彩色显像?

       答:其原因有二点;其一,寻像器尺寸太小,要做成水平清晰度400线以上的彩色显像管,工艺难度太大;其二,彩色图象与黑白图象比较,不如黑白图象清晰度高所以彩显不利于摄像师准确调整聚焦。但家用摄像机由于都自动聚焦功能,所以也有采用彩色录像器的,一般都采用液晶彩色显示器。 
寻像器的主要规格有:显像管:黑白 0.7----1.5;水平清晰度:400线以上;电源电压:直流9v或12v;功率1w~3w。

       录音系统

    图4  录像系统

   录音系统:音频信号的大小是按分贝数指示的,可直观的从表上得知音量的大小。在录音时,正常伴音信号强度应在odb附近才会得到良好的信噪和较大的响度。通常EFP型式的摄像机是不带伴音记录的而ENG型式的摄像机则应带有录音功能,它不但要拾取现场的图象,同时还要记录现场伴音,家用摄像机还具有录音编辑功能。 (注:EFP型式:即电子现场制作情况下的摄像设备的总称。  ENG型式:即电子新闻采集情况下的摄录像设备的总称,是使用便携式摄录一体机来完成的工作。)

       适配器与供电

   图5     适配器与供电

    适配器与供电:适配器是连接摄像机与交流电源以及后继设备的辅助设备,有了适配器可以解决任何节目制作方式下摄像机与外部设备器接口问题,可建立连接方式。

监控摄像头的供电方式: 一、单个12V1A或2A电源给摄像头供电;二、是用集中电源12V5A、10A、20A、30A,一个集中电源给多个摄像头供电

什么是电源适配器?

     

适配器就是电源转换器,可以是一个独立的硬件接口设备,允许硬件或电子接口与其它硬件或电子接口相连,也可以是信息接口。

 电源适配器可以是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备,一般由外壳、电源变压器和整流电路组成,按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型;按连接方式可分为插墙式和桌面式。移动PC由于没有电池,电源适配器对其尤为重要。 
    多数移动PC的电源适配器可以自动检测100~240V交流电(50/60Hz)。基本上所有的移动PC都把电源外置,用一条线和主机连接,这样可以缩小主机的体积和重量,只有极少数的机型把电源内置在主机内。在电源适配器上都有一个铭牌,上面标示着功率,输入输出电压和电流量等指标,特别要注意输入电压的范围,这就是所谓的“旅行电源适配器”。
 

  • 摄像机的使用

学习元评论 0
登录之后可以发表学习元评论