Сучасні ТК

6.3.1. Сучасні ТК 
Структура. 
Телекамера - пристрій, що перетворює світловий потік, відбитий від об'єкта, в електричні сигнали, використовуючи фізичні і хімічні властивості фоточутливих матеріалів. Мета камери - забезпечити швидке отримання надійної відеоінформації.Камера містить такі основні компоненти (рис. 6.1.): 
• датчик зображення; 
• пристрій формування сигналу; 
• пристрій синхронізації; 
• підсилювач відеосигналу; 
• схема автоматичного регулювання рівня (АРУ) сигналу; 
• блок живлення (не у всіх камерах). 
 
   
Рис. 6.1. Загальна структура телекамери 
 
Розглянемо докладніше призначення і принципи роботи окремих вузлів і блоків відеокамер. 
Всі сучасні телевізійні камери будуються на основі напівпровідникових ПЗС-матриць (ПЗС - прилад із зарядовим зв'язком). Існують камери на електронно-променевих трубках типу "видикон", які практично не використовуються в даний час. Світло, що падає на матрицю, перетворюється в електричний сигнал, який потім обробляється і виводиться на монітор. Поверхня ПЗС-матриці складається з безлічі світлочутливих елементів - крапок, які є найменшими деталями датчика зображення. Кількість пікселів визначає таку характеристику ТК, як роздільна здатність. Чим більше пікселів містить ПЗС-матриця, тим вище чіткість і якість одержуваного від камери зображення. 
Повний відеосигнал, синхронізуючі імпульси 
Для правильного розуміння алгоритму освіти і передачі відеосигналу необхідно повністю / докладно розглянути склад повного відеосигналу (ПВС). Що також доцільно для правильного розуміння необхідності синхронної роботи компонентів СТН. 
У телебаченні використовується принцип послідовної в часі передачі зображення - елемента за елементом. Цей принцип лежить в основі того, що відбувається на ПЗС перетворення зображення в електричний сигнал. Оптичне зображення об'єкта проектується за допомогою об'єктива на світлочутливу поверхню (ПЗС-матриця).Величина зарядів, які виникають на кожному пікселі ПЗС-матриці, пропорційна яскравості окремих елементів зображення. Послідовно відбувається зчитування накопичених на ПЗС-матриці зарядів. Зчитування відбувається одночасно по горизонталі і по вертикалі. При зчитуванні зліва направо розгортається рядок зображення. Заряди зчитуються послідовно: елемент за елементом і рядок за рядком (рис. 6.2). В результаті утворюється сигнал зображення, що має інформацію про зміну яскравості елементів переданого зображення. Ефект руху досягається шляхом передачі достатньої кількості нерухомих зображень (кадрів) у секунду, що представляють собою окремі статичні фази руху. 
 
   
Рис. 6.2. Зчитування рядків кадру 
 
Формування сигналу зображення проводиться таким чином, що найбільш темним місцям переданого зображення відповідає найбільшої величини електричний сигнал.Якщо взяти максимальний рівень амплітуди відеосигналу за 100%, то сигнал зображення буде займати місце між рівнем 15% (рівень білого) і 75% (рівень чорного). 
Синхронна і синфазного робота зчитувальних пристроїв на передавальної і розгортають пристроїв на приймальні сторонах, забезпечується за допомогою синхронизирующих імпульсів, створюваних схемою синхронізації. У ній виробляються також гасять імпульси, призначені для закривання приймальні трубки кінескопа монітора на час зворотних ходів розгорнення по рядках і кадрам (наявність світлих ліній на екрані кінескопа - слідів зворотних ходів - завадило б спостереження за зображенням). Гасять імпульси вводяться в відеосигнал під час зворотного ходу променя. Вони слідують після передачі кожного рядка і кадру і називаються відповідно рядковими і кадровими приглушують імпульсами [6.1]. Амплітуда імпульсу, що гасить завжди відповідає рівню чорного, тобто займає 75% від загального рівня відеосигналу. Синхронізуючий імпульс за своїм рівнем займає місце від 75 до 100% загального рівня відеосигналу, тобто розташовується в області "чорніше чорного" [6.3]. 
В інтервалах гасять імпульсів у відеосигнал вводиться сигнал синхронізації приймачів, що складається з рядкових і кадрових синхронізуючих імпульсів. Ці імпульси повинні бути такими, щоб можна було за допомогою простих засобів відокремити їх від сигналу зображення і один від одного. Рівень синхронизирующих імпульсів розташований нижче рівня гасять імпульсів. Це дозволяє легко відокремити синхронізуючі імпульси від сигналу зображення. Щоб відокремити рядкові синхронізуючі імпульси від кадрових синхронізуючих імпульсів (наприклад, за допомогою дифференцирующих і інтегруючих ланцюжків), їх роблять різними за тривалістю. 
Між рівнями "чорного" і гасять імпульсів є захисний інтервал, рівний 0 ... 5% розмаху повного відеосигналу. Цей інтервал оберігає від заходу сигналу зображення за рівень гасять імпульсів і, отже, можливого зриву синхронізації генераторів розгорток. 
Повний відеосигнал включає сигнал зображення, рядкові і кадрові синхронізуючі імпульси і гасять імпульси. Параметри всіх імпульсів, що вводяться в телевізійний сигнал, нормуються відповідним стандартом. 
Синхронізація ТК може бути внутрішня (від вбудованого в камеру кварцового генератора) і зовнішня. У свою чергу, камеру з зовнішньої синхронізацією можна синхронізувати: 
• від мережі живлення: 
• від спеціального пристрою - синхрогенератора; 
• від іншої, обраної провідною, телекамери. 
 
Функції окремих схем телекамер. 
При використанні камери в умовах сильно змінюється освітленості, для підтримки вихідного відеосигналу в певних межах, у камерах передбачені спеціальні пристрої та схеми. 
Компенсація заднього світла - здатність камери автоматично встановлювати витримку, діафрагму і параметри посилення по деякому фрагменту зображення (зазвичай по центру). 
У багатьох сучасних моделях камер передбачена спеціальна функція - апаратна "компенсація заднього світла". У простому випадку камера з компенсацією заднього світла налаштовується не на середню освітленість, а на освітленість центральній частині зображення. Тоді, за рахунок деякого погіршення якості зображення в засвіченою частини матриці, виходить хороша якість в центрі поля огляду. 
Електронний затвор. Протягом доби освітленість на контрольованому об'єкті зазнає істотні зміни. Для того щоб підтримувати на постійному рівні відеосигнал, використовується вбудований в камеру автоматичний електронний затвор (Electronic Shutter або Auto-Shutter). 
Електронний затвор - пристрій, який вбудовано в ПЗС-матрицю камери, що змінює чутливість камери шляхом управління часом нагромадження електронного заряду - аналог витримки фотоапарата. У деяких випадках електронний затвор може замінити об'єктив з автоматичною діафрагмою (див. Діафрагма). Час "витримки" може змінюватися в межах від 1 / 50 до 1 / 10000 с, що дозволяє працювати камерам при освітленості від 1 до 8000 лк. Камери з об'єктивами без діафрагми слід використовувати тільки всередині приміщень, так як потужності електронного затвора не достатньо, щоб відпрацювати яскраве сонячне світло або його відображення. 
Рівень чорного - рівень електричного сигналу в повному відеосигналі, що представляє собою чорний колір. У відеокамері може застосовуватися спеціальний пристрій автоматичної прив'язки до чорного кольору, яка визначає саму темну частину зображення як оптично чорний колір, підвищуючи в деяких випадках контрастність зображення. 
Обмежувач білого - схема всередині камери, що обмежує максимальне значення напруги білого кольору у вихідному відеосигналі на певному рівні. 
Гамма-корекція - нелінійна обробка сигналу, яка коригує шкалу градацій сірого на зображенні. Використання даної корекції покращує візуальне сприйняття зображення. 
Наявність в ТК гамма-корекції впливає на точність передачі контрасту зображення.Це коректування необхідна через невідповідність перетворення зображення в камері і моніторі. 
Кінескоп в моніторі має ступеневу залежність яскравості від сигналу (показник ступеня 2,2), що призводить до зменшення контрастності в темних ділянках і до збільшення в яскравих; в той же час сучасні ПЗС-матриці виробляють лінійний сигнал. Для компенсації загальної нелінійності в камеру вбудовується пристрій гамма-коректор, перекручений сигнал з показником ступеня 1 / 2, 2 (0,45). На деяких камерах можна вибрати коефіцієнт спотворення (0,6 або 0,45).