Camera video - Descrierea camerelor. Tipuri, caracteristici comenzi

Camera video

1. Descrierea camerelor. Tipuri, caracteristici comenzi

Obiectivul

3. Sistem de stabilizare a imaginii la miscari nedorite ale camerei

4. Focalizarea automata

5. Reglajul automat al albului

6. CCD-ul

1. Descrierea camerelor. Tipuri, caracteristici comenzi

Tipuri de camere

Reglajele aparatului de filmat

Camera de televiziune poate fi privita ca o 'cutie neagra' in care, fara sa tina neaparat ce se petrece inauntru, intra radiatii luminoase ale scenei de transmis si iese semnal electric.

Camera video transforma lumea inconjuratoare perceputa sub forma campului spatial al radiatiilor luminoase ce intra prin ochiul deschis al camerei de televiziune sub forma unui semnal electric . In timp ce imaginile din campul vizual al camerei de televiziune pot sa se modifice spatial, temporal si cromatic, semnalul electric la iesirea camerei TV va varia doar in timp.

Prin urmare, camera de televiziune are rolul de a converti radiatiile luminoase ale scenei de transmis intr-o secventa de semnale electrice care sa contina informatia necesara pentru a se putea reconstitui, la receptie, imaginea captata. De fapt, este vorba de a realiza transformarea functiei luminantei scenei de transmis, L (x, y, z, t, l) - imagine color, intr-o functie unidimensionala u(t).

La o analiza atenta a ceea ce se petrece intr-o camera de televiziune, constatam existenta unor procesari complexe ale informatiei captate, care pot fi sintetizate in trei categorii:

formarea imaginilor optice ale scenei de transmis in planul imaginilor dispozitivelor videocaptoare, care se realizeaza cu ajutorul unui sistem optic complex;

formarea imaginilor electronice in planul suprafetei fotosensibile a dispozitivelor videocaptoare, astfel incat orice element individual de pe suprafata acestora are valoarea electrica direct proportionala cu luminanta imaginii optice;

preluarea secventiala a valorilor electrice de pe suprafata fotosensibila a dispozitivelor videocaptoare (proces de analiza a imaginii electronice), care se realizeaza cu ajutorul baleiajului.

Aceste trei procesari esentiale, existente in orice camera de televiziune, au fost prezentate la comentarea schemei simplificate a sistemului de televiziune in alb-negru. In continuare, vom analiza in detaliu modul cum se realizeaza aceste procesari, care au ca rezultat final generarea semnalului de televiziune u(t).

Chiar daca aparatele de filmat redau imaginea alb-negru sau color, sau daca se filmeaza din mana sau cu ajutorul unui trepied, principiile fundamentale de operatorie sunt aceleasi. O mare varietate de aparate de filmat sunt disponibile azi, de la camere pentru amatori costand doar cateva sute de dolari, la aparate de filmat sofisticate de mare precizie, care sunt prototipul actualei tehnologii.

1.1 Tipuri de camere

Camere video pentru studio - aici se regasesc o varietate de modele pentru toate categoriile de studiouri: facilitatile pentru circuit inchis, televiziunea locala prin cablu, studiouri mici de productie, statii TV locale, case de productie etc. Modelul si performanta camerei variaza o data cu costul; in timp ce camerele mai putin sofisticate pot reda imagini de o calitate satisfacatoare, in conditii optime, echipamentul mai scump produce imagini excelente pentru perioade lungi de timp, chiar si atunci cand conditiile sunt slabe. Camera obisnuita de studio are o greutate sensibil mai mare decat cea de amatori pentru ca are un ansamblu de lentile si un dispozitiv de vizualizare (viewfinder) pentru mare performanta. (Aparatele de filmat din aceasta categorie sunt folosite cel mai des pentru locatii (filmari) unde o calitate superioara a imaginii este esentiala)

Camera video pentru filmari in studio are un numar foarte mare de reglaje manuale pentru a sigura o precizie mare a culorii si o mare rezolutie. In prezent sunt din ce in ce mai folosite tehnicile digitale de reglare.

Camerele de transmisie mobile - aceste camere video asigura intr-o forma mai compacta si mobila un sistem de inalta calitate pentru filmarile din studio cat si pentru cele de din teren. Deseori ele sunt disponibile in mai multe modele, ceea ce face posibila alegerea de catre utilizator a variantei (configuratiei) celei mai convenabile pentru o anumita ocazie.

Cu un dispozitiv de vizualizare (viewfinder) si cu un zoom mai mare, aparatul poate fi folosit pentru o mare varietate de productii de studio. Dotat cu sisteme mai mici, aparatul de filmat este mult mai mobil si mai potrivit pentru filmarile in locatie.

In camera portabila este incorporat propriul circuit si diverse controale automate, care sunt disponibile in caz de nevoie. Ea poate fi legata direct la un videorecorder.

Camere video de mica greutate - aceste aparate cu comanda automata sunt facute pentru filmarile in locatie, unde expresivitatea nu are atata importanta. Ele pot fi manuite atat cu mana sau fixate pe trepied.

Camere de supraveghere - aparatele de filmat compacte sunt folosite in special pentru circuitul video inchis de un pret redus. Ele sunt legate prin cablu direct la un magnetoscop

Combinatiile de camere/video recordere: CAMCORDER - COMBO CAMERA - VCR - este un aparat de filmat ce se fixeaza pe umar, este cu comanda automata si are incorporat un recorder care inregistreaza atat imaginea cat si sunetul si permite o revizionare imediata. Modelele sunt de la sistemele de transmisii de inalta calitate pana la cele folosite pentru hobby. Popularitatea acestui aranjament combinat creste in fiecare zi pentru ca ii ofera cameramanului de TV o mobilitate considerabila. Este folosita din ce in ce mai mult in locul aparatului de filmat obisnuit la culegerea de stiri si filmarile in locatie.

Cinematografia electronica - acest tip de aparat de filmat este facut sa incorporeze elementele caracteristice unui aparat de filmat si este folosit in productia de filme.

Camerele de televiziune sunt concepute cu anumite caracteristici distincte anumitor aplicatii. O camera de studio, de exemplu, are un dispozitiv de vizualizare (viewfinder) care permite cameramanului sa realizeze focalizarea foarte exact, in timp ce se misca ca sa ia diferite planuri si detalii; un cameraman de stiri, pe de alta parte, filmeaza in mod normal mai multe cadre generale, asa ca acesta intampina mai putine dificultati legate de focalizare. El e mai preocupat sa aiba o camera usoara pe care sa o poarte, deci un dispozitiv de vizualizare mic si compact e mult mai convenabil. Munca lui e de cele mai multe ori improvizata, deci nu are un decupaj. Pe de alta parte el trebuie sa faca fata situatiilor neasteptate care pot apare, cum sunt conditiile de luminozitate, ceea ce nu se intampla in cazul filmarii in studio. Deci el are nevoie de dispozitive compensatorii ca sa faca fata situatiei

Figura 1. Tipuri de camere video

1.2 Reglajele aparatului de filmat

Toate camerele au trei tipuri de reglaje:

ce se realizeaza permanent in timpul filmarii;

ce se fac ocazional, cand se schimba conditiile de filmare;

reglaje de etalonare (sunt facute doar de persoanele avizate pentru service si intretinere)

Figura Camera de studio

Partile componente ale unei camere de studio:

1. Parasolar pentru protectia lentilelor de razele solare;

Obiectiv cu transfocator;

3. Filtre;

4. Comutator pentru filtre;

5. Cablul camerei;

6. Trapa ajustabila de fixare a camerei;

7. Maneta pentru controlul transfocarii;

8. Controlul focalizarii;

9. Cutie cu principalele comenzi de inregistrare;

10. Viewfinder monocolor;

11. Controlul viewfinder-ului;

1 Indicatori: pentru lumina, de apertura a lentilelor, de lungime focala si unghiul lentilelor;

13. Camera card clip;

14. Set de mufe (intercom - pentru comunicatia intre operatori si regizorul de emisie; si de program) cu control al sunetului;

15. Comutator de aranjare al lentilelor;

16. Buton de apelare (controlul video);

17. Trepied;

18. Bec si numarul camerei (se aprinde cand camera se afla in direct).

Figura 3. Camera de "teren"

Partile componente ale unei camere de "teren"

1. Microfon - electret, unidirectional.

Parasolar pentru protectia lentilelor.

3. Apertura lentilelor (iris) - f/1.6 max.

4. Controlul focalizarii.

5. Controlul manual al transfocarii.

6. Control aperturii.

7. Balansul albului si negrului.

8. Butoane de video gain (0 d B, 6 dB, 12 d B), bare de colori, comutator de standby.

9. Filtre de compensare al culorii- 3200 K, 5600 K, 5600 K+15% ND

10. Viewfinder. adjustabil - 1.5 inch (37 mm) cu indicatori luminosi (LED).

11. Comutator de pornire a camerei, intercom, buton de ajustare a sunetului.

1 Spatele camerei: conector la VTR, iesire video, cablu de alimentare a camerei, iesire video pentru previzionare, conectare "gen-lock" pentru sincronizarea semnalelor mai multor camere.

13. Ocular.

14. Comutator de deschidere a trapei pentru introducerea/scoaterea bateriei.

15. Parte a camerei ce contine: conectori de intrare pentru microfon.

16. Butoane de ajustare a pozitiei viewfinder-ului.

17. Buton de control al lentilelor de zoom

18. Auto-iris on/off

Montarea aparatului de filmat - modul in care camera este fixata poate influenta in mod considerabil mobilitatea sa si cat de "fin" se poate misca.

Trepiedul poate fi fix sau pe roti; inaltimea poate fi si ea modificata. Aparatul de filmat e atasat trepiedului printr-un dispozitiv ce permite acestuia sa fie inclinat, sa fie rotit cu incet si tinut in orice pozitie fixa.

Figura 4. Modalitati de montare a unei camere de platou

Obiectivul

Lentile

Aberatiile sistemelor optice

Obiective cu distanta focala variabila-transfocatoarele

Diafragma

Caracteristicile obiectivelor

Filtre optice

Descompunerea optica a imaginii

Primul obiectiv a fost realizat de 1892 de firma Goerz. Cel mai vechi obiectiv care este si astazi de actualitate a fost construit in 1896 de firma Zeiss. Astazi, obiective de foarte buna calitate sunt produse de firme ca: Zeiss, Schneider, Pentacon - din Germania; Canon, Yashica, Ricoh, Nikon, Asahi Pentax - din Japonia; Lamb si Bansch - din SUA; Kinoptic din Franta etc. Firme de aparatura fotografica precum Nikon, Yashica, Pentax, Canon, Ricoh, Vivitar si-a extins activitatea, producand si camere video de foarte buna calitate cu tehnologie optica proprie, iar tehnologia electronica a acestora este specifica marilor companii consacrate in domeniu, precum Sony, Panasonic, Hitachi, JVC, Sharp, Sanyo.

1 Lentile

Din punctul de vedere al comportarii fata de un fascicol de raze, lentilele pot fi convergente si divergente. Numai lentilele convergente pot forma imagini reale ale obiectelor.

Figura 5. Formarea imaginii

Pe axa optica se afla focarul, unde sunt concentrate toate razele de lumina paralele cu axa optica si care trec prin lentila convergenta. Distanta intre focar si planul principal al lentilei se numeste distanta focala  f. Punctele F si F', in care se intersecteaza in urma refractiei razele incidente, paralele cu axa optica, reprezinta focarele lentilei, iar distantele f si f' de la focare la centrul optic se numesc distante focale (Figura 7). Intr-un mediu omogen, f = f'. Punctul F se numeste focar obiect, iar punctul F' - focar imagine. Cunoscuta ecuatie a lentilei:

stabileste pozitiile punctelor conjugate obiect-imagine.

Marimea c=1/f se numeste puterea optica sau convergenta lentilei si se masoara dioptrii          ( 1 dioptrie = 1/1m ).

Marirea lentilei:

reprezinta raportul dintre dimensiunea imaginii si dimensiunea obiectului

a) lentile convergente b) lentile divergente

Figura 6. Tipuri de lentile

Figura 7. Formarea imaginii unui obiect cu ajutorul unei lentile subtiri

In cazul in care doua lentile nu sunt in contact, iar focarul imagine al unei lentile coincide cu focarul obiect al celeilalte, sistemul se numeste telescopic sau focal. In acest caz , orice raza incidenta paralela cu axa optica va parasi sistemul tot in directie paralela cu axa optica.

Intre focar si infinit se poate afla planul obiectului caruia ii va corespunde un singur plan de formare a imaginii in spatele focarului, unde imaginea formata va fi clara. Cu cat obiectul va fi mai departe de lentila, cu atat imaginea se va forma intr-un plan mai apropiat de focar. Pentru un obiect situat la infinit, adica la o distanta foarte mare in comparatie cu distanta focala, imaginea se va forma in focar. Pe masura apropierii obiectului de lentila, imaginea formata se va departa de focar si isi va mari dimensiunile.

2 Aberatiile sistemelor optice

O lentila perfecta nu exista, deci imaginea obtinuta are aberatii. O parte din acestea se pot inlatura sau corecta. Corectia se realizeaza prin asocierea lentilelor convergente cu cele divergente. Aberatiile pot fi geometrice sau cromatice.

Aberatia de sfericitate se datoreaza faptului ca razele marginale sunt focalizate diferit de cele care trec mai aproape de centrul lentilei. O combinatie formata dintr-o lentila convergenta si una divergenta, unde lentila divergenta are aberatii de sfericitate identice, dar de sens contrar celei convergente, este o solutie eficienta. Astigmatismul se datoreaza focalizarii diferite a razelor verticale fata de cele orizontale.

      Figura 8. Sectiue intr-un obiectiv ce foloseste combinatii de lentile concave cu lentile convexe

Aberatiile cromatice se datoreaza faptului ca razele de culori diferite sunt focalizate la distante diferite - razele cu lungime de unda X mai mica sufera o refractie mai puternica si sunt focalizate mai aproape de lentila in comparatie cu razele cu lungime de unda mare. in cazul luminii albe, care contine toate radiatiile vizibile, conturul imaginii obiectelor poate sa apari colorat. Prin combinatia lentila convergenta-lentila divergenta, aberatiile cromatice pot fi in mare masura eliminate. Corectiile cromatice nu se pot realiza in tot spectrul vizibil, ci sunt exacte numai pentru doua culori, cel mult pentru trei culori; pentru celelalte, insa, aberatiile sunt puternic micsorate.

Cea mai dificila problema pentru obiectivele cu transfocator este corectia aberatiei de cromaticitate apare datorita fenomenului de refractie. Indicele de refractie variaza in functie de lungimea de unda a luminii. Fenomenul este foarte pronuntat cand dimensiunea lentilei este mare, este direct proportionala si cu distanta focala.

Obiectivele ce au o aberatie de cromaticitate redusa sunt formate din combinatii de lentile "acromice". Materialul cel mai des utilizat in practica pentru aceste lentile este  fluorita ce are un remarcabil indice de refractie, dispersia luminii prin el este redusa si caracteristica spectrala de transmisie este plata. In mod natural, fluorita contine multe impuritati si nu poate fi folosita pentru lentile de dimensiuni mari. De aceea se foloseste calcium-fluorita CaF₂ ce se poate obtine pe cale artificiala prin procese de cristalizare.

Aberatii mari dau lentilele sferice, care sunt insa folosite datorita prelucrarii industriale usoare. Ele se inlatura daca se prelucreaza sub o alta forma suprafetele, obtinandu-se lentile asferice. AT (aspheric technology) - permite realizarea de obiective cu putere de apropiere (zoom) mare, cu distanta minima fata de obiect foarte mica (MOD - minim object distance).

A B

Figura 9.

a) Formarea imaginii in cazul lentilelor sferice

b) Formarea imaginii in cazul lentilelor asferice

In cazul lentilelor sferice razele de lumina trec prin lentila iar la iesirea din aceasta, datorita fenomenului de difractie, focalizarea se face in puncte diferite fata de raza care trece chiar prin centru. Acest fenomen se numeste aberatie de sfericitate, iar rezultatul asupra imaginii este un contrast si o rezolutie redusa precum si o imagine cu blur. Lentilele sferice sunt proiectate astfel ca toate razele sa fie focalizate in acelasi punct. In acest fel se reduc aberatiile de sfericitate, crescand astfel contrastul si rezolutia. Lentilele sferice nu au forma sferica clasica. De fapt ele apar in mai multe forme in functie de necesitatile optice ce trebuiesc realizate. Avantajele oferite de acestea fata de lentilele conventionale sferice le-au facut sa se impuna in echipamentele de inalta calitate.

Dintre avantaje se pot aminti:

reducerea distorsiunilor pentru unghiuri de deschidere mari;

  cresterea rezolutiei la colturi (pastrarea rezolutiei constante, inspre exterior la o lentila clasica rezolutia este mai slaba);

lentilele pentru obiectivele cu zoom (transfocator) sunt de dimensiuni reduse - reduce aberatiile de cromaticitate.

3 Obiective cu distanta focala variabila- transfocatoarele

Modificarea distantei focale produce modificarea unghiului de camp. Cu cat distanta focala este mai mica cu atat unghiul de camp este mai larg. Tehnicile foto-cinematografice au dus in crearea in jurul anului 1930, in Germania, de catre firma Astro, a obiectivelor cu distanta focala reglabila, numite obiective de tip Zoom, caracterizate de un anumit raport intre distanta focala maxima si cea minima. La camere video se intalneste frecvent raportul 8: 1.

Formarea imaginilor optice in planul suprafetei dispozitivului videocaptor se realizeaza cu ajutorul obiectivelor. Obiectivul este constituit din lentile subtiri (grosimea lentilei este mult mai mica decat raza sa de curbura), asamblate in monturi care permit realizarea legaturilor  cu mecanismele de reglare in timpul exploatarii camerei  TV. In televiziune se folosesc pe scara larga  obiectivele cu distanta focala variabila - denumite si  transfocatoare.

      Figura 10. Schema bloc a unui sistem optic

     

Figura 11. Sectiune printr-un obiectiv cu distanta focala variabila

Sistemul de optic al unei camere video este mult mai complicat decat un sistem de lentile obisnuit. Sunt necesare mai multe reglaje cum ar fi focalizarea, distanta focala, diafragma care se executa de multe ori la comanda unui procesor, acest fapt presupune existenta unor motoare pentru deplasarea lentilelor si senzori care sa detecteze starile in care se afla sistemul de lentile

     

Figura 1 Gruparea lentilelor intr-un obiectiv cu transfocare

Se stie ca este foarte dificil de realizat lentile cu diametrul mai mare de 30mm. Tehnicile de turnare, taiere si centrare sunt foarte complicate. Firma Fujinon a produs tehnologie aparte ce dupa realizarea formei sticlei (lentila), aceasta este netezita (lustruirea - clasica) prin incalzire si presare in forme speciale

In principiu, transfocatorul este format dintr-un obiectiv de baza si un sistem optic telescopic, a carui marire este variabila. Distanta focala echivalenta a transfocatorului este egala cu:

f_t = b*f_t  

in care f este distanta focala a obiectivului de baza, iar b este marirea variabila a sistemului telescopic

Figura 13. Schema transfocatorului cu compensare optica a deplasarii planului imagine

In figura 13. se prezinta schema optica de principiu a unui transfocator cu compensare optica a deplasarii planului-imagine, in care prin deplasarea elementelor 2 si 3 se obtine variatia distantei focale a sistemului, iar prin deplasarea elementului 5 se obtine modificarea pozitiei planului-imagine.

In figura 14. se prezinta schema optica de principiu a unui transfocator cu compensare mecanica a deplasarii planului-imagine.

Figura 14. Schema optica a transfocatorului cu compensare mecanica a deplasarii planului imagine

4 Diafragma

Raportul dintre distanta focala si diametrul deschiderii maxime a lentilelor se noteaza prin f: urmat de numarul respectiv. Cu cat diametrul deschiderii maxime a obiectivului este mai mare, cu atat obiectivul este mai luminos, deci imaginea este mai stralucitoare. Pentru distanta focala f =50 mm si f: 1,4 rezulta o deschidere maxima de 50/1,4 = 35 mm.

Intrucat luminozitatea imaginii naturale variaza in limite foarte largi, apare necesitatea unui control cu un dispozitiv care sa dozeze trecerea luminii, numit iris sau diafragma.

     

Figura 15. Pozitionarea diafragmei in cadrul unui obiectiv

In sistemele optice, diafragma este un element activ, plasat de regula intre lentilele obiectivului (transfocatorului), care face posibila limitarea fluxului de lumina captat, cu scopul de a avea sub control iluminarea in planul imaginii dispozitivului videocaptor, asigurand acestuia functionarea corecta. Acest lucru este necesar deoarece nivelul de iluminare al scenei captate variaza in limite foarte largi, ajungand la mii de lx, in timp ce dispozitivele videocaptoare accepta iluminari de pana la 10 lx.

     

Figura 16. Deschiderea diafragmei pentru valorile - f: 1.4, 2, 8, 4, 5.6, 8, 11, 16

In cazul noilor camere video, deschiderea lentilelor poate fi redusa adica numarul f: 1.2 1.4 ajunge la f: 1.6 0 , deoarece au aparut noile CCD-uri cu inalta sensibilitate la care fiecare pixel e prevazut cu o microlentila. Se constata totusi ca atunci cand se doreste ca diametrul deschideri sa fie mai mare, cresc dificultatile tehnice de realizare a obiectivului la un cost rezonabil

Diafragma mai are si rolul de a adanci campul de profunzime, adica intervalul de claritate in fata si in spatele subiectului.

     

Figura 17. Variatia zonei de claritate in functie de diafragma

Modificarea orificiului creat de iris se face in mod continuu printr-un inel exterior comandat de motorul de iris, care actioneaza asupra unor lamele dispuse astfel incat se pot desface concentric, permitand variatia in limite largi a diametrului orificiului. Diafragma este constituita din lamele care in functie de miscarea inelului se apropie sau se departeaza reglandu-se astfel cantitatea de lumina care trece prin obiectiv

Diafragma are anumite trepte care sunt standardizate: 1.4; 2; 8; 4; 5.6; 8, 11, 16, 2 De fapt este 1/2; 1/2,8 . 1/22 si reprezinta cantitatea de lumina care trece prin obiectiv la un moment dat fata de modul de lucru complet deschisa. Aceste trepte sunt astfel concepute incat prin trecerea de la o treapta la alta sa se realizeze dublarea sau injumatatirea cantitatii de lumina. Daca un obiectiv are diametrul deschiderii maxime egal cu distanta focala, atunci rezulta f: 1. Diafragma poate fi realizata cu un numar mare de lamele (6), sau cu 2-3 lamele la diafragmele mai simple.

La camerele profesionale aceste reglaje se efectueaza manual, iar la cele pentru publicul larg acest reglaj se face in general automat.

5 Caracteristici ale obiectivelor

Distanta focala

Deschiderea relativa

Transparenta spectrala

Contrastul obiectivelor

Rezolutia

Parametrii unui obiectiv

Caracteristicile care definesc obiectivele de televiziune pot fi impartite in:

tehnico-constructive: variatia distantei focale, unghiul campului vizual, deschiderea relativa, gabaritul obiectivului, greutatea obiectivului, etc;

fotometrice: deschiderea efectiva, coeficientul de difuzie a luminii, caracteristicile de aberatie, transparenta spectrala, distributia iluminarii, etc.

Calitatea imaginii depinde in mare parte de obiectivul utilizat; daca s-ar folosi o singura lentila, imaginea nu s-ar forma corect datorita aberatiilor optice, de aceea este necesar sa se utilizeze mai multe lentile cu indice de refractie diferiti (se utilizeaza intre 8 - 12 lentile).

Sistemul de lentile este inima aparatului de filmat; sistemul de lentile are in mod normal trei reglaje care pot fi facute manual sau semi-automat:

Focalizare - regleaza distanta la care imaginea este cea mai clara.

Iris (diafragma) - regleaza o diafragma variabila a irisului din interiorul sistemului de lentile.

Distanta focala (zoom) - modificarea distantei focale a lentilelor pentru a regla cat de mult lentilele vor acoperi cadrul.

In general, modul in care sunt reglate lentilele, influenteaza:

Cat de clare sunt detaliile ("focalizarea")

Ce anume apare foarte clar in cadru ("adancimea campului")

Cat din scena apare in cadru ("unghiul de deschidere")

Notiunea de distanta, spatiu si forma la transmisia de imagini

Luminozitatea imaginii, claritatea tonurilor mai deschise si a umbrelor ("expunerea")

Pe obiectiv exista mai multe inele: al diafragmelor, al distantelor, al profunzimii cu ajutorul carora se realizeaza toate reglajele referitoare la partea optica de prelucrare a imaginii.

Distanta focala

Distanta focala este distanta dintre centrul optic al obiectivului si planul elementului fotosensibil (CCD), unde se formeaza imaginea cand obiectul este reglat pentru infinit.

In functie de distanta focala a obiectivului si in functie de dimensiunile imaginii cuprinse, obiectivele pot fi impartite in trei categorii:

daca lungimea focala a obiectivului este mai mare decat diagonala formatului avem un teleobiectiv;

daca distanta focala a obiectivului este aproximativ egala cu diagonala formatului avem un obiectiv normal;

daca distanta focala a obiectivului este mia mica decat diagonala formatului avem un gradagular.

Obiectivul normal reproduce vederea obisnuita a omului, reda obiectul asa cum il vedem.      Teleobiectivul apropie subiectul, aria de cuprindere fiind foarte mica. Gradangularul cuprinde foarte mult, mult mai mult decat ochiul uman. Un tip special de gradangular este de exemplu "ochiul de peste" cu un unghi de cuprindere mai mare de 180.

Un element ce se modifica in functie de distanta focala este unghiul de deschidere, care pentru obiectivul normal este de aproximativ de 46, pentru teleobiectiv mai mic decat 46 iar pentru grandangular mai mare de 46.

A. B.

Figura 18.

a) Variatia unghiului de deschidere al obiectivului functie de distanta focala

b) Variatia profunzimii functie de distanta focala

Un al doilea element ce se modifica in functie de distanta focala este profunzimea. Zona de profunzime este zona in care obiectele apar clare. Aceasta zona se modifica in functie de distanta focala astfel:

gradagularele au o zona de profunzime mare;

obiectivele normale au o zona de profunzime medie;

teleobiectivele au o zona de profunzime scazuta

Ca si concluzie se poate spune ca daca avem o distanta focala mare profunzimea va scade cu cat aceasta va creste.

Cu ajutorul inelului distantelor se realizeaza apropierea respectiv departarea imaginii obiectivului, iar cu inelul profunzimii se realizeaza claritatea imaginii. Inelul distantelor se numeste si transfocator.

Atunci cand sunt necesare standarde optice de inalta calitate, aparatele de filmat sunt dotate cu lentile optice fixe, in general numite lentile primare sau lentile cu focalizare fixa; aceste lentile pot acoperi doar un segment fix de imagine.

Lentilele cu distanta focala lunga acopera doar un segment din scena - un efect telescopic. Lentilele cu distanta focala scurta dau o perspectiva larga, dar subiectii apar de doua ori mai mici si in departare.

Marimea imaginii de pe ecran depinde de marimea subiectului filmat, de distanta acestuia fata de camera, cat si de distanta focala a lentilelor folosite. Cunoscand distanta focala se poate calcula ce fel de cadru se obtine la diferite distante. De exemplu, daca se folosesc lentile cu lungimea focala de 20 mm, iar apoi se folosesc lentile cu lungimea focala de 40 mm, subiectul va apare de doua ori mai mare in imagine, dar cadrul va acoperi doar jumatate din inaltimea si latimea imaginii anterioare. Daca in schimb, se schimba distanta focala de la 20 mm la 10 mm, subiectul va apare numai cu jumatate mai mare pe ecran decat a fost la inceput, dar cadrul va avea dublul inaltimii si latimii imaginii anterioare.

Timp de mai multi ani, operatorii de film si de televiziune au folosit distanta focala a lentilelor lor ca un ghid direct pentru alegerea cadrelor. De exemplu, ei stiau ca vor obtine un cadru mediu cu niste lentile de 35 mm, daca persoana statea la o distanta de 1,4 m. Marirea acestei distante, schimba in mod proportional marimea cadrului.

In functie de distanta focala folosita se pot obtine diverse variante ale modului in care apare un obiect in imagine. Distorsiunile de perspectiva ce apar sunt puternic dependente de distanta focala. In figura urmatoare este dat un exemplu simplu legat de modul de deformare al unui cub.

     

Figura 19. Influenta distantei focale asupra distorsiunilor de perspectiva: 28; 55; 105; respectiv 300 mm

Inventia transfocatorului a schimbat totul; acest dispozitiv are o distanta focala constant variabila, pe care operatorul o poate potrivi ca sa obtina orice marime de cadru. Nu mai e necesara o deplasare a camerei sau inlocuirea lentilelor, pentru schimbarea cadrului. Din aceasta cauza, majoritatea aparatelor de filmat sunt prevazute cu un astfel de sistem de lentile.

Deschiderea relativa

Luminozitatea obiectivelor este o caracteristica importanta determinata de deschiderea obiectivului si de distanta focala, referindu-se la cantitatea de lumina ce poate sa treaca printr-un obiectiv atunci cand acesta este complet deschis atat din punct de vedere al diafragmei, cat si al transfocatorului.

Exista doua caracteristici, deschiderea relativa si transparenta, care definesc iluminarea E_i in campul imaginii dispozitivului videocaptor in functie de iluminarea scenei captate, E₀. Se poate arata ca intre aceste marimi exista relatia (se considera distanta de la camera la obiect destul de mare):

in care b este coeficientul de luminanta, m este transparenta obiectivului si este deschiderea relativa a acestuia.

Deschiderea relativa reprezinta raportul dintre diametrul d al diafragmei de intrare si distanta focala f:

   

in care n reprezinta indicele diafragmei iris a obiectivului

Acest indice este gravat pe inelul de diafragma pentru diverse valori ale lui d, conform unei progresii geometrice cu ratia  egala cu  ( de exemplu 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16). Daca, de pilda, iluminarea scenei s-a redus la jumatate in timp ce filmam cu indice de diafragma egal cu 11, operatorul va  trebui sa deschida diafragma, trecand pe indicele urmator, 11:, adica circa 8 (acest rationament rezulta din relatia de mai sus, dintre  si ).

In practica de folosire a camerei TV avem situatii in care, la o iluminare data a scenei, limitele diafragmei (1,4 . 1,6) nu permit asigurarea iluminarii optime pe tinta dispozitivului videocaptor. In cazul unui nivel scazut de iluminare (diafragma 1,4) se apeleaza la reglajul amplificarii: in mod uzual, in camere se asigura o crestere a semnalului de imagine cu +3 dB (cca 1,41 ori), +6 dB (cca 2 ori), +9 dB (cca 2,8 ori), +12 dB (cca 4 ori), +18 dB (cca 7,94 ori) - selectabil. Reglajul este eficient, dar atrage dupa sine o crestere a zgomotului. In cazul unui nivel ridicat de iluminare (diafragma 16), solutia este de a utiliza filtre neutre; unele camere TV permit o atenuare a semnalului de imagine cu 3 Db

Deschiderea relativa a obiectivului influenteaza nu numai iluminarea in planul imaginii, ci si profunzimea campului redat clar, adica a obiectelor aflate mai in fata sau mai in spate fata de distanta pentru care s-a reglat obiectivul. Se poate arata ca profunzimea de camp este cu atat mai mare cu cat se lucreaza cu diafragma mai inchisa.

Transparenta spectrala

Transparenta spectrala m, reprezinta raportul dintre fluxul luminos transmis de obiectiv si fluxul luminos incident. Majoritatea transfocatoarelor folosite in camerele TV au transparenta (m aproximativ constanta in gama spectrului luminos (380 . 680 nm) si egala cu 0,73 . 0,83.

Ameliorarea transparentei obiectivelor este o alta problema importanta avand in vedere prezenta unui numar mare de lentile care contribuie fiecare la marirea cantitatii de lumina reflectata, lucru care duce si la micsorarea contrastului. In acest scop, suprafetele lentilei se trateaza cu straturi de interferenta, care au in vedere producerea interferentei luminii reflectate de ambele suprafete ale stratului si anularea lumini totale reflectate. Grosimea stratului va fi de un sfert de lungime de unda (λ/4), astfel ca cele doua raze sa rezulte in antifaza si sa se anuleze. Explicatia consta in faptul ca, fata de prima suprafata de reflexie, unda parcurge o distanta de λ/4 pana la a doua suprafata, unde este reflectata si se intoarce la prima suprafata dupa care mai parcurge o data distanta de λ/4. In total, a doua unda este intarziata cu λ/2, deci ea rezulta in antifaza cu prima radiatie, anuland reflexia. Rezulta ca reflexia este redusa la zero pentru o singura lungime de unda, de regula aleasa pentru zona centrala a spectrului vizibil.

O metoda de realizare a stratului de interferenta se bazeaza pe evaporarea in vid si condensarea pe suprafata sticlei a fluorurilor de calciu, sodiu si magneziu. Rezistenta acestei pelicule se mareste prin tratamente termice. Nuanta albastruie sau purpurie a lentilei tratate arata ca pelicula depusa are maxima eficienta in zona centrala a spectrului vizibil. Daca la unele obiective se vad nuante diferite, rezulta ca au fost tratate pentru mai multe lungimi de unda. Se mareste astfel transparenta la peste 90%.

Intre obiectiv si senzor se plaseaza un filtru optic numit si filtru neutru, care atenueaza in mod egal toate lungimile de unda din domeniul vizibil si care, pentru iris deschis, creeaza senzatia de spatialitate pentru imagine, subiectul central rezultand bine focalizat pe un fundal care poate fi "in ceata".

Daca de exemplu, avem o camera de televiziune care lucreaza cu iluminare minima pe suprafata dispozitivului videocaptor, de Ei = 2 lx (conditie pentru a obtine o imagine de calitate), cu care filmam o scena, in al carei camp vizual obiectul cel mai luminos are b = 0,5, si folosim transfocator cu  si = 0,8, obtinem cu relatia de mai sus: E0 = (51 . 80) lx

Contrastul obiectivelor

Contrastul obiectivelor reprezinta raportul dintre iluminarea maxima si minima. Obiectele din natura au un contrast foarte variat. Datorita fenomenelor de refractie si reflectie apare o lumina difuza reziduala care va afecta intreaga imagine ducand la scaderea contrastului. Lumina difuza scade daca suprafetele puternic luminate sunt mici si creste numai daca aceste suprafete sunt mari. Surse externe suplimentare de lumina difuza sunt si zgarieturile de pe obiectiv, praful, eventualele pete de grasime.

Variatia coeficientului de difuzie in functie de deschiderea diafragmei este corespunzatoare diagramei:

      Figura 20. Variatia gradului de difuzie cu deschiderea irisului

  S-a observat ca in cazul imaginilor realizate cu ajutorul camerelor de filmat cu pelicula fotosensibila, contrastul e mult mai bun decat in cazul utilizarii videocamerelor cu elemente fotosensibile ca CCD.

Rezolutia

     

Figura 21. Puterea de rezolutie a unui obiectiv in functie de diafragma

Rezolutia se refera la capacitatea obiectivului de a reda in imagine cele mai mici detalii ale subiectului. Se masoara in linii/mm. Rezolutia obiectivului se modifica dinspre centru (unde are valoarea maxima) inspre margine (unde are valoarea minima). Cand se lucreaza pe diafragma mica se obtine o rezolutie mai buna.

Exista obiective la care rezolutia orizontala difera de cea verticala. Liniile orizontale sunt redate mai bine decat cele verticale. Daca dorim sa captam imagini care contin texte cu litere de diverse dimensiuni, fara un obiectiv de foarte buna calitate nu vom distinge cele mai mici litere din text. Limita de claritate se numeste putere de rezolutie a obiectivului. Sub limita de claritate, conturul literelor devine incert si diferenta de tonalitate dintre fond si litere se estompeaza. Obiectivul ei pierde contrastul. Deoarece exista obiective cu putere de rezolutie inferioara, dar cu contrast ridicat, se apreciaza calitatea acestora in functie de acesti doi parametri. Exista mire-test de rezolutie, formate din serii de grupe de linii albe si negre din ce in ce mai subtiri, care insa stabilesc puterea de rezolutie cu un grad mare de subiectivism.

     

a      b

Figura 2 Mira de test pentru evaluarea puterii de rezolutia si a contrastului obiectivului

Din acest motiv se foloseste metoda masurarii factorului de transfer al modulatiei (MTF). Aici, erorile de citire sunt eliminate si totodata se ia in considerare si contrastul obiectivului. Cu aceasta metoda se obtin valori ale puterii de rezolutie in functie de contrast. Se foloseste o mira circulara de rezolutie de tip Siemens, ca in figura 7.6.a), folosita si la reglajele circuitelor camerei si compusa din sectoare albe si negre.

In timpul testului mira se roteste si totodata se deplaseaza printr-o miscare de translatie de la marginea cercului catre centru, astfel ca in dreptul unei ferestre va fi vizibila o portiune din mira. Cand in dreptul ferestrei este partea periferica a mirei, apare un numar mic de sectoare albe si negre. Cand se face translatia catre centru, in dreptul ferestrei, numarul de sectoare albe si negre se mareste pentru ca latimea sectoarelor scade. Senzorul de imagine - tub videocaptor sau dispozitiv CCD - va furniza semnal sub forma de impulsuri modulate in frecventa datorita miscarii de translatie a mirei. Se poate utiliza si o mira conform figurii 2 b)

Cu cat fereastra se apropie de centrul mirei, cu atat frecventa creste, ajungand la frecventa video maxima. Alternanta curentului dat de senzor se face in ritmul succesiunii sectoarelor albe si negre, depinzand si de viteza de rotatie a mirei. Rezolutia este data de pozitia ferestrei pentru care imaginea este satisfacatoare - inaintea situatiei limita in care sectoare albe si negre nu se mai disting, avand aproape aceeasi nuanta desi la origine erau albe si negre - iar curentul dat de senzor nu mai are valoare periodica cuprinsa intre maxim si minim, ci o valoare intermediara constanta, corespunzatoare unui gri.

Parametrii unui obiectiv

      Figura 23. Comanda reglajelor obiectivului de la distanta

6 Filtre optice

Filtrele optice utilizate in camerele TV pot fi : filtre neutre, filtre de ultraviolet, filtre de polarizare, filtre de conversie a culorii si altele. Filtrul neutru se foloseste pentru atenuarea luminii in mod uniform pentru toate lungimile de unda. Efectul unui filtru neutru se exprima prin transparenta, T, sau prin densitate, D (intre ele existarelatia: D= - log T). Tipurile uzuale de filtre neutre sunt:

Combinatia 'filtru neutru plus diafragma deschisa a obiectivului' creeaza impresia de spatialitate, prin detasarea subiectului de fundalul defocalizat.

Filtrul de ultraviolete se utilizeaza pentru atenuarea luminii in zona de ultraviolet. Unele tipuri de astfel de filtre pot avea ca efect redarea mai naturala a verdetii si a cerului in zilele insorite.

Filtrul de polarizare se foloseste la captarea de imagini in mediile cu reflexii (apa, sticla, etc.). Explicatia consta in efectul de polarizare a luminii atunci cand este reflectata de suprafata de separatie a doua medii (aer - sticla, aer - apa etc.). Filtrul de polarizare lasa sa treaca doar o anumita componenta de oscilatie polarizata, astfel incat imaginea captata de camera devine clara. In acest scop, filtrul de polarizare poate fi rotit. La folosirea filtrului de polarizare trebuie sa se tina seama ca acesta reduce iluminarea cu cca 25% si poate modifica si balansul la alb.

Filtrul de conversie a culorii modifica temperatura de culoare a luminii, cu scopul de a realiza balansul de alb . Asa cum s-a aratat, sursele de lumina , naturale sau artificiale, au temperatura de culoare intre 2000 K si 8000 K. Prin urmare, camerele de televiziune trebuie sa lucreze cu lumina care are un domeniu foarte larg de variatie a temperaturii de culoare, in timp ce televizoarele si caracteristicile spectrale ale camerei sunt proiectate pentru un singur alb de referinta (C sau D65). Variatiile temperaturii de culoare a surselor de lumina folosite la captarea imaginilor sunt compensate in camera, pentru obtinerea balansului de alb. In acest      scop se folosesc filtre optice, de exemplu: 3200 K, 5600 K, etc. De obicei, pentru temperatura de culoare de 5600 K se adauga o filtrare optica neutra de (25%) sau (6,25%), astfel ca, in cataloage, filtrele de conversie apar sub forma:

5600 K + ND ; 5600 K + ND (Neutral Density).    

Asa cum s-a aratat, balansul de alb poate fi realizat pe cale electronica (conversia electronica a culorii), in trepte corespunzatoare unor temperaturi de culoare precizate, sau automat (de pilda, in camera TK - 1070 E (JVC), reglajul este automat intre 2800 K si 6000 K) . Efectul reglajelor asupra imaginii redate

7 Descompunerea optica a imaginii

  Descompunerea optica a imaginii obiectului in trei imagini monocromatice, corespunzatoare culorilor primare R,G,B, se realizeaza cu ajutorul unui sistem de oglinzi dicroice . Oglinda dicroica are proprietatea de a reflecta o anumita gama a spectrului vizibil si de a lasa sa treaca restul. In figura oglinda dicroica OD1 reflecta gama de albastru a spectrului vizibil si lasa sa treaca gamele de verde si rosu. Oglinda dicroica OD2 reflecta gama de rosu si lasa sa treaca gama de verde.

Figura 24. Obiectiv conectat la un sistem optic de descompunere luminii pe componente RGB

Figura 25. Descompunerea luminii pe componente - conversia imaginii optice in imagine electronica

Curbele spectrale ale oglinzii dicroice se caracterizeaza prin factorul de transmisie, l , si de reflexie r l Oglinda dicroica permite trecerea fluxului luminos in proportie de 95% si realizeaza un coeficient de reflexie de pana la 85%.

Pe traseul celor trei fascicule luminoase, separate cu ajutorul oglinyilor dicroice, se introduc filtrele de ajustare F_R, F_G, F_B, care au rolul de a corecta caracteristicile spectrale ale dispozitivelor videocaptoare; caracteristicile spectrale ale acestor filtre, f_R(l), f_G(l), f_B(l se determina din conditia obtinerii caracteristicilor ideale ale camerei de televiziune, (l), (l), (l

 f_Rt_Re_Rm = k l

f_Gt_Ge_Gm = k l

 f_Bt_Be_Bm = k l

in care m este caracteristica de transparenta a sistemului (transfocatorului), e_R e_G e_B , sunt caracteristicile ale dispozitivelor videocaptoare si t_R t_G t_B sunt caracteristicile factorilor de transmisie ale sistemului de oglinzi dicroice.

In camerele moderne de televiziune tip CCD (Charge Coupled Devices- dispozitive cu cuplaj prin sarcina) se foloseste un bloc compact (figura 25.) , format din oglinzile dicroice OD1 si OD2, filtrele de corectie F_R , F_G , F_B si dispozitivele cu transfer de sarcina, DTS_R , DTS_G , DTS_B .

3.Sistem de stabilizare a imaginii la miscari nedorite ale camerei

Camere pot fi inzestrate cu un dispozitiv giroscopic care asigura stabilitatea si reorientarea proiectiei imaginii pe senzorul videocaptor, atunci cand camera este afectata de o zguduire, de rotatie in jurul uneia din axe. Cu acest sistem se obtin imagini neclintite in cazul zguduirii camerei. Se pot intalni la camere video sisteme mecanice giroscopice sau sisteme electronice pentru compensarea vibratiilor nedorite. Sistemul cu lentile giroscopice functioneaza dupa schema din figura:

Vibratiile si miscarile minime ale camerei video sunt percepute de catre imaginea care rezulta pe monitor si care este instabila, adica tremura, sau prezinta zguduituri. Pentru compensarea acestor vibratii se foloseste stabilizarea optica a imaginii cu un sistem giroscopic de lentile format de fapt din doua lentile, care se pot misca independent una de cealalta, compensand vibratiile dupa directiile orizontala si verticala. Cele doua lentile asigura stabilitatea imaginii, ele proiectand-o cu precizie pe dispozitivul video-captor de tip CCD.

Sistemul de stabilizare este compus dintr-o prisma cu unghi variabil, aflata in fata   lentilelor, un detector de vibratii (senzor) (pe orizontala si pe verticala) un sistem de comanda pentru modificarea  unghiului prismei si un microcomputer. Cand apar tremuraturi ale imaginii, senzorul de vibratii  trimite un semnal proportional cu semnalul de miscare. Semnalul este  procesat de microcomputer si va rezulta un semnal de comanda pentru compensarea unghiului prismei. Atata timp cat sistemul de stabilizare este activ se foloseste constant si o monitorizare a prismei prin detectorul unghiului prismei si astfel se realizeaza o bucla (o reactie negativa) ce va controla in mod eficient prisma si va elimina tremurul imaginii.

Principiul de stabilizare a imaginii

In situatiile normale, razele de lumina trec direct prin prisma cu unghi variabil (fara a suferi modificari), prin sistemul de lentile si ajung la detectorul de imagine (CCD). Cand se misca lentilele din cauza unei vibratii sau a tremurului mainii are loc o modificare a axei obiectivului, iar imaginea obiectului nu se mai formeaza in acelasi loc in planul imaginii. Prin controlarea unghiului prismei se modifica unghiul de refractie al razei de lumina astfel incat aceasta sa parcurga axa optica a sistemului de lentile. In acest mod se realizeaza compensarea miscarii. Prisma este formata dintr-un sistem de doua lentile plate intre care exista un lichid cu un indice de refractie foarte ridicat.

Figura 26. Sistem giroscopic de stabilizare

Sistemul electronic, denumit mecanism Fuzzy Gyro, are la baza impartirea imaginii in 4 zone de detectie a miscarii si se compune dintr-o memorie cu capacitatea de un cadru de imagine, careia i se va controla adresa locatiei citite. Controlul adresei cu un vector de miscare asigura stabilitatea imaginii, compensand miscarea camerei data de o zguduire. Daca dispozitivul videocaptor de tip CCD are 250.000 de pixeli, iar un pixel se transmite sub forma unui cuvant de cod de 8 biti, rezulta o memorie cu capacitatea de 250.000 x 8 = 2 M, deci se poate stii informatia corespunzatoare unui cadru de imagine, si anume o capacitate de 1 Mbit se stocheaza semicadrul de linii impare si cu inca o capacitate 1 Mbit se stocheaza semicadrul de linii pare. Memoria se comporta practic ca o linie intarziere cu timp de intarziere de 40 ms (adica durata unui cadru) si permite comparatia intre doua cadre consecutive. Pentru obtinerea directiei si marimii miscarii, exista un circuit detector de miscare care compara semnalul imaginii curente cu semnalul imaginii inregistrate mai inainte in memorie. Circuitul detector de miscare da informatia unui controler care comanda citirea memoriei. Schema bloc de lucru se prezinta in figura 27.

     

Figura 27. Schema bloc a circuitului detector de miscare

Exista 4 zone - stanga, dreapta, sus si jos - de detectie a miscarii, fiecare zona avand 30 de puncte reprezentative. Vectorul de miscare se obtine prin compararea elementelor imaginii din jurul punctelor reprezentative ale cadrului anterior cu cele cadrului prezent. In mod practic, vectorul de miscare controleaza adresa locatiei care este citita din campul memoriei, realizand astfel suprapunerea cadrelor cu o eroare 0,5 pixeli. S-a realizat, prin controlul adresei de memorie, o miscare in directia opusa directiei de zguduire a camerei, iar imaginea rezultata are stabilitatea necesara.

Figura 28. Obiectiv ce are inclus un stabilizator de imagine

4. Focalizarea automata

4.1. Sistem de focalizare automat cu ultrasunete

Un prim sistem de focalizare automata a fost realizat cu ajutorul unui emitator de ultrasunete si a unui receptor. Se emit salve de impulsuri in domeniul ultrasunetelor, iar acestea se vor reflecta la intalnirea lor cu un obiect. Durata drumului parcurs de pachetul de ultrasunete este o marime direct proportionala cu distanta pana la obiectul filmat. In functie de aceasta durata se vor comanda lentilele de focalizare. Desi simpla si ieftina, aceasta solutie nu ofera performante deosebite, deoarece pot exista obiecte diferite de cel pe care se doreste a se realiza focalizarea, care sa reflete pachetele de ultrasunete si sa induca astfel in eroare sistemul de focalizare automata. In plus, gradul de focalizare al fascicolului de pachete de ultrasunete este relativ redus.

Figura 29. Principiul de focalizare automata ce foloseste ultrasunete.

4. Focalizarea electronica ce foloseste un sistem in IR de detectie

Camera video inzestrata cu un dispozitiv care focalizeaza automat trebuie sa compare distanta dintre obiect si camera, cu pozitia lentilelor de focalizare care corespunde unei alte distante obiect-camera. Atunci, micromotorul unui mecanism de focalizare actioneaza asupra lentilelor de focalizare pana cand acestea din urma sunt puse in pozitia corespunzatoare distantei actuale dintre obiect si camera. Pentru aceasta trebuie sa existe un detector de distanta si un detector de pozitie a lentilelor de focalizare, urmate de un comparator al rezultatelor celor doua masuratori, care furnizeaza o tensiune ce actioneaza asupra motorului de focalizare.

Pentru masurarea distantei dintre obiect si camera se utilizeaza metoda triunghiului, proiectand prin sistemul optic al camerei un fascicul de raze in infrarosu spre obiect, care i1 reflecta. Fasciculul reflectat este receptionat de camera cu un dispozitiv fotosensibil PSD de sesizare a distantei obiectului fata de camera.

Schema de producere si receptionare a fasciculului de raze infrarosii se da in figura 31, unde:

L = distanta dintre camera si obiect;

H= distanta dintre lentila camerei si lentila de receptie a fasciculului in infrarosu;

a = distanta dintre lentila de receptie si dispozitivul fotosensibil;

d = distanta dintre mijlocul dispozitivului fotosensibil si locul in care cade pe dispozitiv fasciculul in infrarosu.

Se observa ca se formeaza doua triunghiuri pentru care se poate scrie:

de unde rezulta

Figura 30. Modul de determinare a distantei fata de obiect in cazul focalizarii automate

Figura 31. Modul de determinare a distantei fata de obiect in cazul focalizarii automate ce foloseste emisia fascicolului de raze infrarosii  prin obiectiv

Se va demonstra ca distanta x poate fi calculata cu ajutorul dispozitivului fotosensibil PSD. Acesta are doua iesiri, pentru curentii I₁, si I₂, si este prezentat in figura 7.1 Cand fasciculul in infrarosu loveste dispozitivul, determina la cele doua iesiri cate un curent a carui intensitate depinde de distanta x fata de mijlocul dispozitivului, distanta care depinde la randul sau de distanta dintre obiect si camera.

Se definesc urmatoarele marimi:

I = distanta dintre cei doi electrozi de iesire;

I0 = curentul fotoelectric la o iesire atunci cand fasciculul IR cade chiar la acea iesire

Figura 3 Calcularea distantei in functie de pozitia razei reflectate de obiect pe PSD

Figura 33. Schema bloc a circuitului de comanda utilizat pentru focalizarea automata cu IR

La cele doua iesiri ale PSD se obtin urmatorii curenti:

Daca se face suma si diferenta celor doi curenti, apoi raportul dintre suma si diferenta, se constata ca acest raport depinde de distanta x astfel:

Inlocuindu-se x din formula (9) va rezulta

Raportul  este proportional cu distanta L dintre obiect si camera, deci camera isi poate calcula distanta L cu ajutorul detectorului de distanta. Detectorul de pozitie a lentilelor de focalizare este constituit dintr-un traductor cu un contact mobil si 6 terminale fixe plus un terminal de referinta care este conectat la masa, ca in figura 7.13. Rezulta datele de pozitie reprezentate prin 6 biti, care identifica pozitia lentilelor de focalizare corespunzatoare unei anumite distante obiect-camera pentru care este valabila o focalizare. Cuvantul de cod de 6 biti intra intr-un convertor digital-analogic, care este de fapt detectorul de pozitie a lentilelor.

Figura 34. Varianta de detector pentru pozitia lentilelor

Circuitul de focalizare automata care comanda motorul are schema bloc din figura 3 si se compune din circuitul care compara datele fumizate de detectorul de pozitie a lentilelor cu datele care reprezinta distanta L, fumizate de detectorul de distanta obiect-camera. Pe baza semnalului dat de etajul de atac al motorului se ajusteaza pozitia lentilelor pentru situatia de focalizare corecta.

4.3. Focalizare electromecanica

Un alt sistem electromecanic de focalizare automata este cel care elimina fenomenul de "vanare a focalizarii". Acest fenomen inseamna de fapt ca focalizarea nu se face direct, ci imaginea este focalizata in fata/spatele tintei, la distante din ce in ce mai mici, pana cand imaginea este proiectata corect pe tinta. Noul sistem foloseste un fascicul in infrarosu generat de camera (de un LED in infrarosu), care este reflectat de obiect si revine la un senzor detector. Trecand sub un anumit unghi printr-o placa de sticla, fasciculul este supus refractiei. Daca fasciculul nu cade exact in centrul detectorului format din doua fotodiode alaturate, atunci motorul de focalizare actioneaza intr-un sens sau altul, dupa cum fasciculul cade pe prima sau pe a doua fotodioda, actionand prin intermediul cilindrului lentilelor de focalizare si al unei came, si asupra placii de sticla. Schema de functionare a sistemului, precum si fotodetectorul sunt prezentate in figura 35.

Motorul lucreaza pana cand placa de sticla atinge acea pozitie in care fasciculul care trece prin ea, prin devierea produsa datorita refractiei, este adus chiar in centrul detectorului. In acest moment operatia de focalizare a luat sfarsit. Exista doua mari categorii de sisteme de focalizare. Una, deja prezentata, unde focalizarea automata se face utilizand un fascicul in infrarosu produs de camera, reflectat de subiect si receptionat tot de camera. A doua categorie de sisteme automate de focalizare foloseste chiar semnalul video produs de camera, care in lipsa focalizarii are o banda de frecventa mai mica, intrucat prin defocalizare se pierd detaliile fine ale imaginii care cade pe tinta si prin urmare si frecventele inalte din semnalul video care le-ar fi corespuns. Firma Canon, pentru putine obiective de inalt randament, foloseste pentru focalizare asa numitul motor cu ultrasunete care se bazeaza pe elemente piezoelectrice si care functioneaza silentios.

Figura 35. Schema de functionare a sistemului de focalizare electromecanica

4.4. Focalizarea cu impartirea zonala a imaginii

Acest sistem a fost conceput pornind de la sistemul fiziologic de functionare al ochiului uman, si anume: daca sunt observate obiecte apropiate, atunci ochiul se focalizeaza asupra unui punct sau unei suprafete mici din campul vizual, iar cand sunt captate scene mari, privite de la distanta mare, ochiul produce o focalizare pe suprafete mai mari din campul vizual. In conformitate cu acest principiu de functionare a ochiului, imaginea completa a camerei video este divizata in sase zone de focalizare, conform figurii 36, iar sistemul automat de focalizare va fi comutat pentru trei zone de lucru:

a) zona de focalizare pe suprafata mica (1);

b) zona de focalizare pe suprafata medie (1 + 2);

c) zona larga de focalizare, care cuprinde suprafetele 16.

Figura 36. Modul de impartire a imaginii in cazul focalizarii automate

Comutarea pentru una din aceste zone de focalizare se face rapid, in concordanta cu schimbarea planului de captare al camerei video, fiind astfel controlata corect valoarea de evaluare a focalizarii folosita in vederea reglajului de focalizare. Acest principiu este folosit pentru controlul a trei functii din camera video, si anume:

focalizarea automata AF;

reglajul automat al diafragmei (Auto Iris)

reglajul automat al echilibrarii de alb AWB, functii realizate de un circuit comun.

In acest scop sunt necesare:

informatiile date de semnalul de luminanta Y" trecut prin doua cai cu cate un filtru trece-banda, pentru autofocalizare;

informatiile privind stralucirea imaginii trecute prin alt filtru trece-banda, pentru auto iris;

informatiile date de semnalele diferenta de culoare R - Y si B - Y, fiecare trecut prin cate un filtru trece-banda, folosite pentru reglajul de echilibrare pentru alb.

Semnalele culese de la cele cinci filtre suporta o conversie analog-digitala. Datele de la fiecare cadru de imagine (divizat in cele 6 zone) suporta o integrare digitala. Valorile obtinute in acest mod sunt furnizate unui microprocesor care va controla individual cele trei functii amintite mai sus. Schema bloc de functionare a unui astfel de sistem se da in figura 37. Sistemul contine si un detector de pozitie a lentilelor, pentru a determina distanta camera-obiect de vizualizat.

Figura 37. Schema bloc a sistemului de focalizare

O imagine defocalizata este in primul rand o imagine care nu mai contine detalii fine, dar detaliile fine constituie frecventele inalte din semnalul de luminanta. Atunci, in principiu, semnalul de luminanta YH este trecut printr-un filtru trece-banda FTB acordat pe o frecventa inalta din spectrul video. Cu cat imaginea este mai defocalizata, cu atat semnalul dat de FTB va fi mai mic. Sistemul de focalizare va actiona atunci in sensul in care semnalul dat de FTB va creste, si focalizarea va fi realizata in momentul in care acest semnal va fi maxim. Un detector de maxim care actioneaza pentru un cadru de imagine dupa ce semnalul digital este integrat, va decide ca focalizarea a fost realizata. La sistemul obisnuit de focalizare automata, daca se capteaza, spre exemplu, un peisaj, se realizeaza o focalizare fina pentru acesta, iar daca in cadrul respectiv intra un subiect, nu este posibila realizarea focalizarii fine automate pentru acesta din urma; deci subiectul central apare in afara focalizarii. Pentru depasirea acestui neajuns, zonele 1 si 2 sunt impartite in 16 subzone, iar informatiile de luminanta din fiecare subzona sunt comparate. Datele de la subzone se adauga valorii de evaluare a focalizarii, astfel ca se mentine focalizarea si asupra subiectului central. Impartirea zonala a imaginii s-a adoptat si pentru a se decide sensul de miscare a lentilelor, inainte sau inapoi, pentru realizarea focalizarii. In sistemul clasic, sensul se determina prin compararea informatiilor obtinute de la o suprafata mare de focalizare, inainte si dupa miscarea lentilelor. Spre deosebire de acest principiu, noul sistem foloseste informatia de la toata suprafata si informatia de la cele 16 subzone. Cele doua arii de informatii sunt comparate si apoi se ia decizia cu privire la distanta de deplasare a lentilelor.

Circuitele de control ale diafragmei si de compensare color disting conditiile de iluminare a exterioarelor si interioarelor. Cand centrul cadrului este important si este in lumina slaba, este nevoie de focalizare precisa, in concordanta insa cu restul cadrului; in acest mod, sistemul logic fuzzy furnizeaza instructiuni pentru microprocesor, care va face autofocalizarea (AF) similar cu miscarea ochiului omenesc. Sistemul automat de control al irisului (diafragmei) examineaza luminozitatea in fiecare din cele 16 subzone si ia decizii de control al diafragmei in concordanta cu conditiile de filmare, controlul realizandu-se foarte fin, in 256 de trepte, cu 8 biti. Legat de corectia de iris se face si corectia gamma, pentru care imaginea este impartita in 64 de zone. Prin corectia de gamma se intelege corectia raportului dintre logaritmul contrastului maxim al imaginii de televiziune si logaritmul contrastului maxim al imaginii obiectului, raport care pentru o imagine de calitate trebuie sa rezulte intre 1,5 si       Aceasta corectie trebuie sa fie realizata in special cand raportul semnal-zgomot rezulta ridicat. Cand se filmeaza in conditii de iluminare din spate, valoarea gamma se micsoreaza pentru a comprima dinamica de actiune a luminozitatii, micsorand contrastul dintre fundal si subiect. Astfel, fundalul nu mai rezulta supraexpus. Sistemul traditional de control al albului foloseste informatia luata din semnalul video al intregii imagini. In noul sistem, intreaga imagine este impartita (fuzzy) in 64 de zone, apoi deviatia de culoare fata de alb din fiecare zona este comparata, putandu-se face o compensatie cat mai potrivita prin procesare digitala. Cand imaginea are o suprafata ocupata majoritar cu aceeasi culoare - de exemplu cerul albastru - nivelul de compensatie se restrange pentru a face reglajul corect de alb. Acest tip de reglaj nu se realizeaza pentru suprafetele cu saturatie mare de culoare sau pentru culorile care rezista temperaturii de culoare. In cazul subiectului expus la razele soarelui sau la alta sursa puternica de lumina, tonul culorii se schimba datorita saturatiei de culoare. Pentru reglajul AWB in acest caz se exclud acele parti cu stralucire puternica.

5. Reglajul automat al albului

Conditiile de expunere in care lucreaza camera video sunt urmatoarele:

lumina unei lumanari:10 - 15 lx;

lumina in magazin:500-700 lx;

lumina in zi clara, la o ora dupa asfintit: 1000 lx;

lumina in zi noroasa, la o ora inainte de rasarit: 2000 lx;

lumina solara in zi noroasa, la ora 10 dimineata: 25.000 lx;

lumina solara in zi noroasa, la pranz: 3000 lx;

lumina solara in zi senina, la ora trei dupa-amiaza: 35.000 lx;

lumina solara in zi senina, la ora 10 dimineata: 65.000 lx;

lumina solara in zi senina, la pranz: 100.000 lx;

Lumina este caracterizata de o temperatura de culoare, si anume

lumina de exterior: 5.500' K;

lumina de interior fluorescenta: 4.500'K;

lumina de interior incandescenta: 3.200 K.

Se constata ca un obiect alb, in functie de conditiile de expunere la lumina, va fi reprodus, dupa captarea cu camera video, cu o anumita culoare diluata puternic cu alb" aceasta in functie de temperatura de culoare a luminii. Pentru a rezulta un alb natural, va fi necesar un control automat al albului (Automatic White Control - AWC) caruia i se mai spune si echilibrare automata a albului (Automatic White Balancing - AWB). Acest reglaj automat se realizeaza controland corespunzator amplificarea pentru semnalul de videofrecventa de rosu R si pentru semnalul de videofrecventa de albastru B. Sunt intalnite doua situatii, si anume:

a) camera video lucreaza in conditii in care temperatura de culoare se considera constanta, situatie intalnita cand se inregistreaza in interiorul cladirilor si cand se realizeaza un reglaj automat de tip AWC (AWB) cu pastrare, precum si atunci cand se inregistreaza afara, situatie in care se trece de la temperatura de culoare de interior, de aproximativ 3.200'K, la 5.500'K pentru exterior si cand se poate folosi un filtru convertor de temperatura de culoare care se fixeaza in fata lentilelor. In situatia cand un astfel de filtru lipseste, se utilizeaza ca sursa lumina zilei.

b) camera video lucreaza in conditii in care temperatura de culoare este variabila, situatie intalnita in special cand se inregistreaza in aer liber, caz in care se realizeaza un reglaj AWT (Automatic White Tracking) - urmarirea automata a albului. Sistemul de reglaj automat al albului functioneaza dupa schema data in figura 38.

Figura 38. Sistemul de reglaj automat al albului

Pentru temperatura de culoare constanta, lentilele se acopera cu un capac alb sau se pot folosi obiecte de culoare alba ca elemente de referinta, fata de care se vor raporta celelalte culori. Comutatorul se trece pe pozitia AWC AUTO. Dupa prelucrarea semnalului de la dispozitiv videocaptor se obtin semnalele R - Y si B - Y. Cu un detector AWC va identifica nivelul acestor semnale, care sunt transformate cu un convertor analog-numeric in cuvinte de cod de 7 biti care se memoreaza. Un convertor numeric-analogic le transforma apoi in tensiuni de reglaj automat al amplificarii pentru amplificatorul de rosu R si pentru cel de albastru B. Rezulta ca pentru temperatura de culoare constanta, nivelurile R si B sunt memorate si mentinute constante. In situatia cand temperatura de culoare este variabila, comutatorul se trece in pozitia AWT (FULL AUTO). Camera video are un senzor de urmarire automata a albului, AW SENSOR, care are un filtru pentru albastru si unul pentru rosu, iar lumina filtrata sensibilizeaza cate o fotodioda. Se obtin apoi doua tensiuni pentru R si B care sunt aduse la un circuit integrat, ce le converteste in numeric si le memoreaza pentru citire pana la schimbarea tensiunii de culoare, cand rezulta alte tensiuni. Din acest circuit integrat de doua cuvinte de cod, unul pentru R si celalalt pentru B, aplicate la convertoare numeric-analogice care furnizeaza tensiunile pentru (GAIN CONTROL). Sistemul AWT lucreaza daca iluminarea este corespunzatoare. Pentru ca sistemul sa functioneze corect, camera video trebuie reglata in felul urmator: se foloseste pentru sistemul PAL un vectorscop - aparat pentru masurarea amplitudinii si fazei purtatoarei de crominanta - care foloseste reprezentarea vectoriala pe un osciloscop special, dar masoara atat amplificarea diferentiala cat si faza diferentiala; se foloseste o harta alba in fata camerei. Vectorscopul primeste semnalul video si apoi se regleaza doua rezistente semireglabile care controleaza comanda pentru semnalele R si B, pana cand vectorii de culoare se strang spre centrul ecranului ca in figura 39, intrucat lumina alba se situeaza in centrul de greutate al triunghiului culorilor.

Figura 39. Imaginea ecranului unui vectorscop in cazul unei reglari corecte a culorii de alb

6. CCD-ul

Este un circuit  integrat de captare a imaginii (prezentat in figura 40), care functioneaza dupa principiul dispozitivelor cu cuplaj prin sarcina - Charge Coupled Device - CCD. A fost posibila realizarea unor astfel de dispozitive datorita dezvoltarii rapide a tehnologiilor, lucru care a permis si o crestere enorma a densitati componentelor. Se construiesc senzori semiconductori de tip CCD de 1/2 inch pe care se formeaza imaginea cu o suprafata de 4,8 x 6,4 mm, sau dispozitive CCD de 1/3 inch, unde suprafata pe care se proiecteaza imaginile se reduce aproximativ cu 43 de procente, rezultand a fi de 3,6 x 4,8 mm.

In primul caz, un pixel (punct) al imaginii este de 12,8 μm, iar al doilea caz este de 9,8 μm, realizandu-se o imagine cu 250.000 de pixeli. Noile tehnologii de 1/3 inch asigura pentru dispozitivele CCD o inalta sensibilitate.

Ideea unui dispozitiv cu transfer de sarcina este de a utiliza un lant de comutatoare si amplificatoare ce permit incarcarea unor condensatoare. Principial, functionarea consta in esantionarea semnalului ce trebuie intarziat si stocarea esantioanelor intr-un lant de condensatoare interconectate prin comutatoare care sunt comandate cu aceeasi frecventa ca si etajul de esantionare. Dezavantajul consta in faptul ca transferul de sarcina se face din aproape in aproape si, datorita impedantei de intrare in amplificator, condensatorul se descarca pe aceasta impedanta, care ar trebui sa fie extrem de mare, avand in vedere numarul mare de astfel de celule. Problema a fost rezolvata odata cu folosirea condensatoarelor MOS, in care se formeaza gropi de potential unde se poate stoca sarcina.

Figura 41. Principiul de functionare a dispozitivelor cu transfer de sarcina

Deplasarea sarcinii s-a realizat prin asezarea condensatoarelor MOS suficient de aproape unul de altul, astfel ca sarcina sa poata fi transportata prin aplicarea unui potential mai mare pe condensatorul urmator. O data realizat un dispozitiv CCD folosit ca linie de intarziere analogica, a fost apoi utilizat ca senzor liniar de imagine, printr-o corelare cu fotodiode. Avantajele senzorilor de imagine realizati pe semiconductori constau in gabarit si greutate mici, putere consumata redusa si fiabilitate sporita in comparatie cu tuburile videocaptor clasice.

In principal, un astfel de senzor este format dintr-un numar de celule fotosensibile care da numarul de pixeli ai unei imagini. Semnalele produse de celulele fotoelectrice urmare a iluminarii, sunt transferate in registre realizate cu dispozitive cu transfer de sarcina, care apoi urmeaza a fi citite corespunzator.

Pentru captarea imaginii se pot folosi si fotodiode, iar pentru transfer registre CCD.

Figura 4 Dispozitiv videocaptor bidimensional

Un tip de dispozitiv videocaptor bidimensional este prezentat in figura 7.20. El este format dintr-un numar de fotocelule H x V care da numarul de pixeli ai imaginii. Exista un tact al portilor de transfer din fotocelule in registrele analogice de transport pe verticala, care sunt in numar de H. Numarul acestor registre da, de fapt, numarul de puncte din care va fi reconstituita o linie a imaginii.

Tactul de transfer ΦP functioneaza cu frecventa f = 50 Hz, adica frecventa de baleiaj pe verticala. Aceasta inseamna ca la fiecare 20 ms, pachetele de sarcina din toate fotocelulele care corespund unui semicadru se transfera in registrele de transport pe verticala.

Acestea din urma sunt comandate in doua faze cu tactele ΦV1, si ΦV2 ale registrelor verticale, care au frecventa de baleiaj pe orizontala f = 15 625 Hz. Inseamna ca la fiecare TH= 64 μs, unde TH este perioada de baleiaj pe orizontala, registrele de transport pe verticala incarca un registru analogic de transport pe orizontala format din 2H celule. Acesta din urma este comandat apoi tot in doua faze, cu tactele ΦH1 si ΦH2 ale registrului orizontal, care au frecventa egala cu produsul dintre numarul de pixeli H si frecventa de baleiaj pe orizontala.

Rezulta ca la iesirea dispozitivului videocaptor, care este chiar iesirea registrului orizontal, vor rezulta in 64 ms un numar H de esantioane ale semnalului video care vor constitui o linie de imagine.

Operatia se repeta pana cand registrele de transfer pe verticala au fost complet descarcate, realizandu-se astfel semnalul video corespunzator cursei directe pe verticala. Pe cursa inversa pe verticala urmeaza un nou transfer din fotocelule in registrele de transport pe verticala, operatia repetandu-se dupa 20 ms cat reprezinta perioada de baleiaj pe verticala. Se constituie astfel un semnal care va fi chiar semnalul electric de videofrecventa corespunzator imaginii alb-negru.