Экраны с газоразрядными элементами
Из числа активно излучающих экранов наибольшее распространение получили плоские плазменные экраны. По отечественной терминологии их называют экранами с газоразрядными элементами.
По своей работе газоплазменные экраны наиболее близки к лампам «дневного» освещения, в которых пары ртути излучают в ультрафиолетовой части спектра. А вот состав излучения самих ламп определяется люминофором, преобразующим опасный ультрафиолет в безопасный свет видимого диапазона.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ. Ионизация газа достигается за счет бомбардировки его молекул электронами, разогнанными приложенным электрическим полем. Газовый разряд зависит от приложенного потенциала, состава и давления газа, от материала, формы и размещения электродов.
Существуют самостоятельный и несамостоятельный разряды. В газоразрядных ячейках используется самостоятельный разряд, который создается и поддерживается достаточно высоким электрическим потенциалом. Потенциал, с которого возникает самостоятельный разряд, называют потенциалом пробоя, а электрическое напряжение, обеспечивающее этот потенциал, называют напряжением зажигания.
Газоразрядные ячейки
Экран плоского телевизора или дисплея на газоразрядных элементах составлен из большого числа ячеек, каждая из которых - самостоятельный излучающий элемент. Есть две конструкции таких ячеек. В первой используется объемный разряд, она получила в качестве международной маркировки аббревиатуру DC.
Электроды в этой конструкции размещены на противоположных подложках.
При такой конструкции, неизбежно, подвергается ионной бомбардировке слой люминофора, который из-за этого довольно быстро выгорает. По этой причине чаще используются конструкции с поверхностным разрядом, маркируемые аббревиатурой АС.
На рисунке 10 показана трехэлектродная структура ячейки. Третий электрод - адресный. Адресные электроды создают штриховую электродную систему, ортогональную штрихам разрядных электродов.
Рисунок 10- АС ячейка
Электрооптическая модуляция
Яркость свечения газоплазменной ячейки мало зависит от приложенного напряжения. Для возможности получения градаций яркости используется широтно импульсная модуляция. Каждое поле разбивается на 8 субполей, которые по времени составляют 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128, и 1/256 от длительности поля. Складывая эти значения можно получить любую градацию яркости от 0 до 1 с шагом 1/256. Для получения черного, элемент изображения не зажигается ни в одном субполе, для получения максимальной яркости, элемент изображения включается во время всех субполей. Этим определяется одно из достоинств газоплазменных дисплеев – частота их мерцания на много выше критической, что приводит к меньшему уставанию глаз.
Приложение б Видеокамеры
Структура видеокамеры
На рисунке 11 представлена укрупнённая схема видеокамеры, которая состоит из объектива, камерной головки, видеомагнитофона и устройства управления. К объективу телевизионной камеры предъявляются требования повышенной разрешающей способности из-за малого размера элемента разложения прибора с зарядовой связью (ПЗС). Кроме того, объектив должен быть легким, надежным и формировать изображение с наименьшими искажениями. В современных объективах используется технология асферических линз, которую смогли освоить только три фирмы Canon, Fujinon и Angenieux.
Рисунок 11 - Структурная схема видеокамеры
Основной блок телевизионной камеры - камерная головка. Она состоит из узла обработки оптического сигнала, цветоделительного блока, преобразователей свет - сигнал и блока обработки сигналов.
За основной параметр, характеризующий видеокамеру, принято считать формат используемого видеомагнитофона, хотя камеры с одинаковыми форматами записи могут значительно отличаться своими характеристиками.
За правильную работу всех узлов камеры отвечает устройство управления.
Оптическая часть камеры
Часть камерной головки (узел оптической обработки сигнала, преобразователи "свет-сигнал") и объектив составляют оптическую часть видеокамеры и представлены на рисунке 12.
Объективы имеют регулируемые диафрагму, трансфокатор и фокусировку. Они снабжаются дополнительными сменными светофильтрами.
Преобразователь изображения на ПЗС - это прибор, осуществляющий пространственную дискретизацию изображения. Для исключения интермодуляционных искажений или элайзинга (наложения спектров при дискретизации), в соответствии с теоремой Котельникова, спектр передаваемых пространственных частот перед дискретизацией должен быть ограничен на частоте, равной половине частоты дискретизации. Этой цели служит фильтр нижних пространственных частот (ФНПЧ), установленный перед светоделительной призмой.
Рисунок 12 - Схема оптической части камеры
Светоделительная призма с цветными фильтрами, разделяет световой поток на три спектральные составляющие - красную (R), зеленую (G) и синюю (В) - по числу преобразователей изображения на ПЗС. Так как преобразователи на ПЗС имеют максимальную чувствительность в ИК-области спектра, а необходимо иметь кривую спектральной чувствительности камеры, близкую к кривой видности глаза, то в оптическую часть камеры входит фильтр ИК - отсечки.
Камерные головки
Камерные головки можно разделить на два вида: аналоговые и цифровые. Хотя аналоговые камерные головки для вещательных и профессиональных камер уже не выпускаются, они еще долгое время будут в ходу.
Некоторые из камерных головок могут вырабатывать сигналы, готовые для передачи в эфир, а некоторые с помощью камерного кабеля соединяются с базовой станцией (камерным каналом) для дальнейшей обработки сигналов. Первые используются в видеокамерах, а вторые для студийных съемок. К недостаткам аналоговых камерных головок следует отнести небольшой диапазон автоматических регулировок, их температурную и временную нестабильность и практически невозможность создания идентичных настроек нескольких камер при многокамерной съемке.
Этих недостатков лишены цифровые камерные головки. Широкие диапазоны автоматических регулировок, мгновенный переход на другой режим работы, заранее введенным оператором в память процессора, и идентичность работы нескольких камер - вот их достоинства.
Структурная схема камерной головки с цифровой обработкой сигнала представлена на рисунке 13.
Она состоит из узла обработки оптического сигнала и преобразователей свет-сигнал (рассмотрены выше), устройства аналоговой обработки, аналого-цифрового преобразователя и процессора обработки сигналов.
Рисунок 13 - Структурная схема камерной головки
Устройство аналоговой обработки
Первый этап аналоговой обработки - противошумовая коррекция. Этот процесс отличается в камерах на ПЗС от камер на электровакуумных приборах, т.к. сигнал на выходе ПЗС дискретен не только по строкам, но и по элементам изображения. На рисунке 14 показан выходной сигнал ПЗС.
Рисунок 14 - Сигналы ПЗС и схемы ДКВ
Выходной сигнал ПЗС имеет уровень фиксации, определяемый постоянным напряжением на стоке транзистора сброса с шумовой добавкой и уровень сигнала с той же шумовой добавкой. Шумы включают в себя шумы сброса и тепловые шумы.
Устранить эту шумовую добавку Uш можно, так как ее величина в момент импульса фиксации tф (когда информационный заряд ещё не поступил в выходное устройство) и в момент импульса выборки tвыб (когда информационный зарядный пакет уже слился с этой шумовой добавкой) остается неизменной. Именно операцию устранения шумовой добавки осуществляет схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) рисунок 15.
Рисунок 15 - Схема ДКВ
В момент tф схема выборки 2 производит запись уровня привязки с шумовой составляющей рисунок 14. В момент tвыб это значение переписывается на выход схемы выборки 3, а на выход схемы выборки 1 уровень сигнала с шумовой составляющей и с уровнем привязки. Таким образом, до следующего импульса tвыб на неинвертирующем входе операционного усилителя будет действовать напряжение сигнала, напряжение привязки и напряжение шума, а на инвертирующем - напряжение привязки и напряжение шума. На выходе - напряжение сигнала.
После схемы ДКВ сигнал поступает на регулируемый усилитель, который обеспечивает заданный размах сигнала перед подачей его на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также стабилизацию уровня черного и shading-коррекцию (коррекция проработки деталей изображения в местах со слабой освещенностью). Регулировка осуществляется путем задания необходимого уровня смещения, которое поступает на видеоусилитель с ЦАП, преобразующего сигнал обратной связи, формируемый цифровым процессором сигналов (рисунок 13). Глубина регулировки усиления обычно составляет от -6 до 30 дБ. В усилителе осуществляется также регулировка, обеспечивающая постоянство уровня черного и уровня белого во всех трех каналах.
Аналого-цифровой преобразователь
Оценим разрядность АЦП, применяемого в цифровых видеокамерах. Стандартный видеосигнал на выходе видеокамеры, в соответствии с рекомендацией CCIR - 601, должен быть восьмиразрядным. В то же время, к современным видеокамерам предъявляется требование передачи динамического диапазона по освещенности, как минимум в шесть раз превышающей номинальную. С учетом этого динамический диапазон АЦП должен быть как минимум на 2,5 разряда (Iog2 6/1) больше. С учетом нелинейности гамма-характеристики, требующей дополнительного четырехкратного усиления в черном, потребуется дополнительно еще 2 разряда (log2 4/1). Таким образом, общая разрядность АЦП должна составлять 13 разрядов (8 + 2,5 + 2).
Цифровая обработка сигнала
Гамма-коррекция предназначена для создания такой характеристики свет-сигнал цифровой видеокамеры (обычно значение меньше единицы), чтобы она компенсировала модуляционную характеристику кинескопа, (которая больше единицы) и обеспечивала значение сквозной характеристики всего ТВ-тракта "от света до света" (то есть, по цепи "снимаемый объект - экран монитора"), близкое к единице. Одним из способов получения кривой, соответствующей требуемой гамма-характеристике, является кусочно-линейная аппроксимация, представленная на рисунке 16, из которой видно, что в области малых освещенностей (где X мало) коэффициент усиления тракта существенно больше, чем в области средних и, тем более, больших сигналов.
Рисунок 16 - Гамма-коррекция
Пропорционально увеличению коэффициента усиления расширяется и разрядная сетка цифрового процессора. Реализация заданной кривой осуществляется путем запоминания в устройстве необходимых коэффициентов аn и bn, а выходной сигнал Y вычисляется по формуле: y=anx+bn. Структурная схема гамма-корректора представлена на рисунке 17.
Рисунок 17 - Структурная схема гамма-корректора
Альтернативным методом формирования заданной выходной характеристики является табличный, когда в отдельных ячейках таблицы по адресам, определяемым входным сигналом X, хранятся выходные сигналы Y. Недостатком такого метода является большой объем памяти, обусловленный необходимостью плавной регулировки гамма-коэффициента.
Цифровая апертурная коррекция заключается в интерполяции сигналов с синей и красной ПЗС, сдвинутых относительно зеленой на половину элемента изображения. Таким образом, в строке вдвое увеличивается количество отсчетов яркостного сигнала.
Цветовая коррекция позволяет корректировать цветовой тон в соответствии с творческими задачами оператора или режиссера, а также в зависимости от предпочтений ТВ-аудитории. Особенно это касается цветового тона лиц диктора и артистов, участвующих в передаче. Цифровой процессор позволяет корректировать только эту область изображения, не затрагивая других цветовых деталей.
Блок управления цифровой камерой
Для управления цифровым процессором сигналов и выполнения огромного числа служебных функций и регулировок в современной цифровой камере используется специальный контроллер. В число функций, выполняемых этим устройством, входят: автоматическая предустановка режимов, автоматический контроль за уровнем пересвеченных областей, управление интерфейсами связи с другими цифровыми аппаратами, связь с блоком дистанционного управления и др.
Точность и стабильность работы цифровых узлов камеры обеспечивает быструю и простую установку ее режимов, существенно облегчая работу оператора, позволяя ему сосредоточиться на решении творческих задач. Значительно облегчается и упрощается работа с видеокамерой за счет использования дополнительной карты памяти, в которой хранятся установочные параметры камеры. С помощью специального устройства, расположенного в видеокамере, эти параметры могут быть легко записаны или считаны и, при необходимости, перенесены на другие цифровые камеры, снабженные такими же устройствами. Преимуществом цифровых технологий является то, что они обеспечивают практически абсолютную согласованность установочных параметров многокамерного комплекса, обеспечивая полную идентичность формируемого изображения.