Цветная стереотелевизионная камера

В разрабатываемой системе используется групповой метод деления стереопары, но принцип деления отличается от вышеописанных. В процессе формирования стереопары образуется видеосигнал, содержащий последовательность четных и нечетных полей двух кадров стереопары. Одна ПЗС матрица формирует сигналы первого и второго поля первого кадра стереопары, а вторая, соответственно, поля для второго кадра стереопары. Применяя при воспроизведении очки с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ) и коммутируя ЖКИ с частотой полей, мы разделяем кадры стереопары для правого и для левого глаза соответственно. Данные системы воспроизведения являются стандартными и в данном проекте не рассматриваются.

1.5.         Системы объемного телевидения.

Многочисленные работы, проведенные проф. П.В.Шмаковым и его сотрудниками по изучению стереоэффектов в телевидении, показали:

1.  Стереоэффект наблюдается не только при одинаковой четкости обоих изображений, но и при понижении четкости одного из кадров стереопары, причем воспринимаемая зрителем четкость определяется более качественным изображением.

2.  Возможна передача одного кадра стереопары черно-белым, а другого – цветным. При этом эффект восприятия объема и цвета практически не ухудшается.

3.  Полоса частот сигналов одного кадра, в том числе и яркостного, может быть значительно сокращена без заметного ухудшения изображения при условии, что яркостный сигнал другого кадра передается с полной полосой частот.

Эти особенности зрения позволили предложить несколько систем объемного телевидения, использующих стандартный телевизионный канал [3], которые мы рассмотрим далее.

Мелькание. При проектировании систем объемного телевидения возникает проблема рационального использования полосы частот канала передачи. В обычном телевидении требование отсутствия мельканий при необходимых яркостях изображения приводит к передаче 50 полей в секунду. В стереотелевидении предполагалось использовать возможность понижения частоты мельканий каждого изображения вдвое за счет попеременной смены полей левого и правого кадров. Такая возможность позволила бы сократить полосу частот вдвое, то есть привести к стандартной полосе частот двухмерного телевидения. Но исследования показали, что критическая частота мельканий остается неизменной как при монокулярном, так и при бинокулярном зрении при переменной смене полей. На основании этих опытов сделали вывод, что число кадров в системах объемного телевидения для отсутствия мельканий должно быть тем же самым, что и в системах обычных.

Если, в идеальном случае, для передачи и воспроизведения цветного объемного изображения требуется шесть сигналов (три сигнала цветоделенных изображений для левого кадра стереопары и три – для правого), то в практике из шести сигналов необходимо и достаточно передавать только четыре: сигнал, несущий информации о яркости одного кадра стереопары, и три сигнала, несущих информацию о яркости и цветности другого кадра. При этом полоса частот для передачи цветного кадра может быть сокращена до 1,5 МГц, если черно-белый кадр передается со стандартной полосой частот. Исходя из этого, исследовательской лабораторией кафедры телевидения Ленинградского электротехнического института инженеров связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В.Шмакова разработана совместимая система цветного стереотелевидения, соответствующая системе NTSC (рис. 1.4).

Схема системы цветного стереотелевидения (передающая часть).

             Рисунок 1.4. 1 – камера, 2- коммутатор, 3 – пересчетное устройство, 4 – фильтр низкой частоты (ФНЧ), 5 – балансный модулятор, 6 – смесительное устройство, 7 – к передатчику, 8- полный синхросигнал, 9 – огибающая сигнала вспышки.

На передающей стороне шесть сигналов левого и правого (л и п) кадров цветной стереопары от соответствующих датчиков поступают на матричные устройства, на выходе которых образуются яркостные сигналы этих кадров U¢ял U¢яп. Затем формируются цветоразностные сигналы правого кадра U¢кп U¢сп. Яркостный сигнал U¢ял  левого кадра и сигналы правого кадра подаются на смесительное устройство, в котором получается полный сигнал стереоцветного изображения, согласно уравнению:

U¢с = U¢ял + k1U¢п.

Описание данной системы взято из книги Г.Б.Богатова «Цветное телевидение» (Л: Наука, 1978). [4]

Рассмотрим использовавшуюся в установке СЦТ ЛЭИС камеру 1 подробнее. В ее состав входят следующие основные узлы (рис. 5): а) блок разверток, б) фотоблок, в) блок оптических головок, г) блок управления камерой с механизмом изменения базиса съемки, д) две трубки бегущего луча с фокусирующими и отклоняющими системами.

Блок-схема камеры СЦТ.

Рисунок 1.5.

Блоки строчной и кадровой разверток были выполнены на типовых унифицированных узлах. Задающие части строчной и кадровой разверток являются общими для обеих трубок. Выходные каскады выполнены отдельно для каждой трубки. Кроме этого, в блоке разверток предусмотрены схемы стабилизации , фокусировки и защиты.

В установке использовались фотоблоки двух типов: блоки, входящие в состав камеры, содержат по три фотоэлектронных умножителя, выносные – по шесть (два красных, два зеленых и два синих.

В камере использовались две оптические головки с дистанционным приводом, снабженные двумя комплектами объективов с фокусными расстояниями 50 и 85 мм. Базис съемки мог меняться от 68 до 130 мм.

Управление оптикой производилось дистанционно с пульта оператора. Для этого оптические головки имели электропривод, который управлял оптической фокусировкой, диафрагмированием и производил переключение объективов. Также с пульта управлялись фокусировка и ток луча в трубках.

В камере были использованы две развертывающие трубки типа 6ЛК1Б с плоским экраном и люминофором из окиси цинка. Минимальный базис определялся размером трубок. Габариты камеры - 530´290´420 мм, вес – 45 кг. [1].

В то же время было предложено еще несколько систем образования и передачи (последовательной и одновременной) стереопары. Рассмотрим две схемы для последовательной передачи кадров стереопары как более прогрессивного метода.

1. Может быть использована одна трехтрубчатая цветная камера (рис. 1.6). Отличием ее от обычной камеры цветного телевидения является зеркальная стереонасадка Д и обтюратор А. Стереонасадка с двумя объективами Ол и Оп  служит для создания стереопары, а обтюратор – для переменной коммутации светового потока от левого и правого изображений. В результате на выходах передающих трубок последовательно создаются сигналы цветовой информации от левого и правого кадров стереопары.

Схема оптического узла стереоцветной камеры для одновременной передачи цветовой информации с последовательным чередованием левого и правого изображений стереопары.

Рисунок 1.6: в – базис передачи, 1 и 2 – цветоделительные зеркала, R, G и B – цветоделенные изображения.

Чтобы избежать механически вращаемого обтюратора, можно спроецировать оба кадра стереопары на фотокатоды трубок, расположив их рядом. Для этого объективы Ол и Оп  необходимо расположить между стереонасадкой и цветоделительными зеркалами. В этом случае предъявляются более высокие требования к разрешающей способности трубок и линейности разверток.

2. Аналогичным способом для стереоцветной передачи можно использовать аппаратуру последовательной системы цветного телевидения. В качестве датчиков сигналов стереопары могут служить две камеры, разнесенные на необходимый базис передачи, с вращающимися дисками цветных светофильтров R, G и B или же одна камера, дополненная зеркальной стереонасадкой и обтюратором (рис. 1.7). В последнем случае камера будет выдавать последовательные сигналы цветовой информации поочередно от левого и правого изображений стереопары.

Схема оптического узла стереоцветной камеры для последовательной передачи как цветовой информации, так и стереопары.

             Рисунок 1.7: в – базис передачи, Д – стереонасадка, А – обтюратор, Ф – диск с цветными светофильтрами, М – двигатели, Т – передающая трубка.

Далее описаны несколько методов создания стереоцветных систем, которые в той или иной мере были этапными в развитии стереовидения.

Метод Пулфрича

Метод Пулфрича базируется на постоянном движении, иначе эффект трехмерности пропадает. Требуются специальные очки с линзами, различающимися степенью затемнения. Движение должно происходить в одном направлении (слева направо), тогда глаз, снабженный более светлой линзой получает и обрабатывает зрительную информацию на долю секунды раньше другого. Этой разницы во времени оказывается достаточно, чтобы второе изображение чуть-чуть сместилось, и создалось впечатление глубины. Эффект может быть усилен путем подбора объекта съемки, окружающей обстановки и т.д.

Причина, по которой такую технологию нельзя считать по-настоящему трехмерным телевидением, заключается в том, что объекты не сходят к вам с экрана, как это бывает в стереокино, а просто «расслаиваются», создавая впечатление глубины картинки. Кроме того, этот метод ненадежен, потому что некоторые люди смотрят такую программу и не видят стереоэффекта.

LCD-shutters

Простейшая стереосистема базируется на методе показа последовательных областей (полей), при котором оба изображения, чередуясь, но не переплетаясь как в чересстрочной развертке, проецируются на один и тот же экран (обычный телевизионный экран показывает подобные области с чересстрочным обновлением, чередующиеся 50 раз в секунду).

Чтобы каждый глаз видел свою картинку, используются очки с раздельными жидкокристаллическими экранами-шторками (LCD-shutters). Можно сделать так, чтобы под воздействием электрического тока жидкие кристаллы становились то прозрачными, то непроницаемыми с той же частотой, с которой обновляется изображение на экране. Когда видимость одного глаза заблокирована, другой видит картинку и наоборот.

Лентикулярные системы.

Последняя новинка фирмы Sanyo — трехмерный экран, использует принцип двояковыпуклой (лентикулярной) линзы. Здесь уже не нужны никакие специальные очки. Двояковыпуклые линзы состоят из многочисленных рядов вертикальных линз, совсем как у гофрированного картона. Под них подкладывается несколько картинок, разделенных на полосы и уложенных с чередованием в вертикальном направлении. В зависимости от угла можно  наблюдать серии вертикальных полос, составляющих целую, объемную картинку.

В настоящее время фирма Sanyo занята производством серии экранов различных размеров, начиная с громадных 70-дюймовых и кончая переносными моделями размером от 4 до 10 дюймов. Наибольший эффект достигается на экранах больших размеров, но они пока предназначаются для коммерческих трехмерных игровых машин.

Xenovision

Гораздо более убедительной представляется технология автостереоскопического дисплея, продемонстрированная австралийской компанией Xenotech. Эта система проецирует два изображения, каждое для своего глаза, сквозь полупосеребренное зеркало, расположенное перед зрителем, а затем обратно, на отражающий экран. Проекторы расположены таким образом, что правая картинка проецируется на правый глаз, а левая — на левый. Фокус в том, чтобы каждый глаз видел только то изображение, которое для него предназначено, и для этого используется специальный материал, который отражает свет обратно, под углом 180° к поверхности. Если ваш глаз расположен фронтально к направлению луча, то он видит только отраженную картинку; второй глаз находится несколько в стороне от линии хода луча, и картинка на него не попадает.

Но когда человек смотрит на экран, он не остается неподвижным (неизбежно ерзает и вертит головой). Для компенсации движения,  система снабжена устройством слежения за положением глаз зрителя, состоящим из слабого источника инфракрасного излучения и миниатюрной камеры, направленной на лицо зрителя. Камера отмечает инфракрасные вспышки — очертания лица и отражения от роговицы — и посылает информацию компьютеру, который отслеживает положение и направление глаз зрителя. Если глаза меняют свое положение, то соответствующим образом меняется и положение проекторов и отражающего экрана, сохраняя неизменным тангенс угла наклона к линии зрения наблюдателя.

Система Xenovision (тот же Xenotech) впервые была представлена в 1995 году на выставке корейской электроники Korean Electronics Show, где были продемонстрированы четыре дисплея размером 30 дюймов. С тех пор, где бы ни выставлялась эта система, она вызывает бурю восторгов. Вот список фирм, лицензировавших эту систему. Возглавляет этот список Samsung, первым купивший лицензию в 1994 году, за ней идут Carl Zeiss из Германии, Resources Corporation Berhad из Малайзии, Дом спецэффектов ETAB Data AB из Швеции, и совсем недавно к ним присоединилась крупная японская компания Tomen Corporation.

Сейчас Xenotech разрабатывает дисплей для нескольких зрителей, опирающийся на тот же принцип. Но, по правде говоря, серьезные ограничения этого процесса — размер экрана, несколько проекторов, компьютерное слежение и т. д. — означают, что, как и большинство имеющихся 3D-технологий, идея Xenovision больше подходит для рынка развлечений и мультимедиа, чем для бытового телевидения.

Описываемые выше системы, по сути двумерные, создают лишь иллюзию объемного изображения. Зародыш другой системы недавно был продемонстрирован в программе BBC «Мир завтра» (Tomorrow's World). У этой системы классное название — «3D Vоlumeric Display Technology Background». Сейчас она находится в стадии разработки в Военно-морском центре управления, контроля и наблюдения за океаном США (Naval Command, Control and Ocean Surveilance Centre, NCCSC). В ней с помощью вращающейся спирали генерируется изображение, которое можно рассматривать в трех измерениях.

По сути дела это движущийся проекционный экран, который при каждом обороте дважды сканирует весь объем изображения».Спираль сканирует полностью весь столб, и по завершении полного оборота ни одна точка внутреннего пространства не остается не обновленной.

Для создания на нем изображения используется лазерный сканер. Естественно, за всем за этим стоит проблема повышения вычислительных мощностей и проблема передачи набора трехмерных графических координат проектору, которые должны соответствовать перемещению спирали.

Картинки, воспроизводимые этой системой, генерируются компьютером. Как будут сниматься и проектироваться изображения из реальной жизни, пока не ясно. Правда, эта система не нацелена на потребительский рынок, и ее применение скорее всего ограничится моделированием рельефов поверхностей или регулированием движения воздушного транспорта,

1.6.         Требования, предъявляемые к системам стереоцветного телевидения.

При создании стереоцветной системы следует стремиться к гармоническому сочетанию. Воспроизведения натуральной окраски, рельефности предметов и глубины пространства. Требования, предъявляемые к воспроизведению рельефности, будут различными в зависимости от назначения системы: для промышленных целей или для вещания. В промышленных установках пространственные формы и величинам объемного изображения должны соответствовать реальным объектам и при необходимости должны быть пропорционально уменьшены или увеличены во всех трех измерениях.

Следовательно, в промышленных установках должно уделяться особое внимание идентичности разверток передающих и приемных трубок, чтобы обеспечить выполнение указанных выше требований.

Для художественной передачи не обязательно точное воспроизведение объема, а в зависимости от замысла режиссера может быть несколько искажена перспектива для подчеркивания того или иного плана в пространстве, для привлечения внимания зрителя именно к этой части передаваемого изображения.

Требования, предъявляемые к цветному стереотелевидению с точки воспроизведения цвета, аналогичные требованиям к соответствующим системам цветного телевидения. В некоторых промышленных системах качество цвета может быть несколько снижено, если это дает значительное упрощение аппаратуры [1].

1.7.         Телевидение и голография [5].

Стереоскопические системы являются базой для создания многоракурсных телевизионных систем, дающих возможность плавного бокового обзора (оглядывания) воспроизводимых изображений. Объемные изображения можно наблюдать без специальных очков с разных ракурсов, смещаясь относительно экрана внутри большой зоны пространства без потери стереоэффекта.

Можно предполагать, что будущее телевидения – это голографическое телевидение, однако при реализации голографических телевизионных систем возникает много технических трудностей, связанных, в частности, с большой информационной емкостью голограмм и высокой удельной плотностью информации.

1.7.1.  Способы получения голограмм.

Голография основана на записи и последующем восстановлении волнового фронта рассеянного объектом света. Первый этап использует явление интерференции при взаимодействии двух когерентных пучков (рис. 1.8). Лазерным светом освещают объект и зеркало. Свет, отраженный объектом (предметный волновой фронт, предметный пучок) и зеркалом (эталонный волновой фронт, или опорный пучок, или когерентный фон), пересекается в определенной области пространства и взаимодействует между собой, образуя пространственное интерференционное поле, поле узлов и пучностей, максимумов и минимумов интенсивности.

Запись голограммы.

Рисунок 1.8.

Если в этом пространстве поместить фоточувствительную среду, то она зарегистрирует часть этого интерференционного поля. Такая светочувствительная среда после фотохимической обработки называется голограммой. В простейшем случае голограмма представляет собой чередование светлых и темных полос. Число интерференционных полос, то есть количество светло-темных пар линий на единицу длины голограммы, называется пространственной частотой.

Отличие голографического процесса записи от обычного фотографирования заключается в том, что на голограмме записана не только амплитудная, но и фазовая информация, выраженная в виде чередования по определенному закону светлых и темных полос. Отсюда и происхождение слова «голография»: от греческих слов «олос» – полный – и «графо» – пишу, то есть запись полной информации. Голография была изобретена Дэннисом Габором. В 1947 году он предложил, а в 1948 году опубликовал однолучевую схему для голографирования полупрозрачных плоских объектов. В 1961 году Эммет Лейт и Юрис Упатниекс усовершенствовали исходную схему Габора, предложив свою двухлучевую (с наклонным опорным лучом) схему формирования плоских голограмм непрозрачных трехмерных объектов.

Схема восстановления изображения с голограммы показана на рис. 1.9.

Восстановление изображения с голограммы.

Рисунок 1.9.

Более простой и перспективный метод получения цветных изображений основан на использовании объемных светочувствительных эмульсий при формировании трехмерных голограмм. Этот метод формирования трехмерных голограмм, наиболее полно отражающих оптические свойства объекта, разработал советский ученый Юрий Николаевич Денисюк в 1962 году.

Для получения трехмерной голограммы объект освещают сквозь объемную светочувствительную эмульсию (рис. 1.10). Свет отражается от объекта (объектом является зеркало) и, возвращаясь назад, интерферирует с опорным пучком под углами, близкими к 180°.

Получение трехмерных голограмм (а) и воспроизведение с них изображений (б).

                      а)                                                           б)

Рисунок 1.10.

Плоскости пучностей и, соответственно, плоскости почернения, располагаясь по биссектрисе угла Q между направлениями встречных пучков, будут почти параллельны плоскости голограммы и будут удалены друг от друга на расстояние:

d = l / 2n sin Q/2,

где n – показатель преломления светочувствительной эмульсии, а l - длина волны в воздухе.

1.7.2.  Попытки построения голографических телевизионных систем.

Практическая реализация голографической телевизионной системы встречает ряд весьма существенных трудностей. Одна из предложенных схем показана на рис. 1.11.

Структурная схема голографической телевизионной системы.

Рисунок 1.11.

Передаваемая сцена освещается либо одним, либо несколькими взаимно когерентными лазерами. Свет, рассеянный объектами сцены совместно с опорным лучом, попадает на анализирующее устройство голографической телевизионной камеры, в которой картина интерференционных световых потоков преобразуется в последовательность электрических сигналов. Последние затем передаются по каналу связи. На экране приемного устройства из электрических сигналов формируется голограмма, которая при освещении ее лучом лазера восстанавливает передаваемый сюжет.

Но при этом обязательным условием является наличие источников только когерентного излучения при освещении объекта, что ограничивает съемки рамками студии.

Также требуется разрешающая способность голографической системы вдвое превышающая ныне существующую. В связи с этим работа разверток голографической телевизионной системы также должна быть повышена, что повлечет за собой увеличение требуемой полосы частот канала связи для передачи информации об изображении.

Вопрос о путях построения голографических телевизионных систем до сих пор еще не решен. Развитие голографического телевидения будет идти, очевидно, в двух направлениях. Одно их них ставит своей целью совершенствование всех звеньев (передающее устройство, канал связи, приемное устройство) для создания голографических телевизионных систем. Второе направление заключается в построении промежуточных паллиативных систем, в которых новые качественные параметры пространственных изображений достигались бы не слишком дорогой ценой и которые поэтому могли бы быть реализованы в обозримом будущем.

Ниже приводится один из вариантов схем построения многоракурсных систем (рис. 1.12).

Схема построения многоракурсной телевизионной системы.

Рисунок 1.12.

Всю схему можно разделить на несколько частей, функции которых вполне определенные: съемка объекта, передача изображений, совмещение изображений и селекция ракурсов. Съемка объекта осуществляется путем размещения по дуге АБ нескольких передающих камер. Формирующих телевизионные двухмерные изображения, отличающиеся друг от друга только горизонтальным параллаксом. В статических системах, работающих не в реальном масштабе времени, можно использовать одну камеру, последовательно перемещая ее по дуге АБ на угловые интервалы Dy.

В последнее время трудности, встречающиеся при создании практических систем голографического телевидения, послужили причиной расширения области исследований дифракционных систем, в которых используется не только когерентное: но также частично когерентное и некогерентное освещение. [6]

Системы голографического телевидения, созданные на сегодняшний день, находят применение в различных сферах человеческой деятельности.

В заключение приведем одну из схем оптической установки для создания голографических изображений в области медицины, разработанной в 1992 году (рис. 1.13) [7].

Оптическая установка для создания голографических изображений.

Рисунок 1.13.

2.                                 Разработка технических требований.

2.1. Метод формирования цветного стереоизображения.

В данном дипломном проекте разрабатывается метод формирования цветного стереоизображения при помощи двух ПЗС матриц, разнесенных на оптический базис ( 65 мм. ). Считывание сигналов производится поочередно с частотой 100 Гц таким образом, что в выходном видеосигнале имеется последовательность сигналов четных и нечетных полей двух кадров стереопары (рис. 2.14).

Структура выходного сигнала.

Рисунок 2.14.

Горизонтальные драйверы обеих ПЗС матриц работают непрерывно, являясь при этом нагрузкой для одного тимминг-генератора, который вырабатывает импульсы считывания для матриц. Следовательно, при такой схеме включения, необходимо дополнительное усиление импульсов считывания, подаваемых через горизонтальные драйверы.

Вертикальные драйверы работают поочередно и с удвоенной частотой (f = 100 Гц), таким образом увеличивается емкость нагрузки тимминг-генератора, что также необходимо учитывать при расчете схемы.

Сигналы с ПЗС матриц обрабатываются в двух видеотрактах, а затем суммируются, образуя выходной компонентный сигнал с заданной амплитудой.

2.2. Выбор элементной базы.

Данный дипломный проект базируется на уже существующей элементной базе, что существенно снижает стоимость разрабатываемой камеры.

Матрица является основным компонентом в камере, поэтому выбор элементной базы будет определяться ею.

Фаворитом в данной области является фирма SONY, которая одной из первых освоила серийный выпуск цветных матричных ПЗС. В большей степени сегодня распространены матрицы с диагональю 1/3 дюйма, следовательно, целесообразно выбрать матрицы именно такого габарита. Преимущества датчиков 1/3 дюйма также и в меньших габаритах, массе, уменьшении размеров и массы оптической системы.

В техническом задании число пикселов матрицы определено как 430 тыс. Таким образом, можно выбрать стандартную цветную матрицу ICX059AK, которая отвечает всем нашим требованиям.

Выбрав матрицу, мы можем сразу взять и стандартную элементную базу для нее:

ICX059AK – CCD Area Image Sensor, 1/3 ², CCIR (датчик изображения на основе ПЗС матрицы)

CXD1159Q – CCD sync signal generator – NTSC and PAL (генератор сигналов синхронизации для ПЗС матрицы.)

CXD1265R - CCD timing pulse generator – NTSC, PAL, ETA and CCIR (тимминг-генератор .)

74AC04 (K1533ЛН1 – аналог) – горизонтальный драйвер

CXD1267AN – CCD clock driver IC (вертикальный драйвер)

CXA1390AR - CCD colour camera sample and hold colour separation (дискретизатор с запоминанием отсчетов цветового разделения в цветной камере)

CXA1391R – CCD colour camera processor (видеопроцессор).

CXA 1392R -  кодер PAL .

2.3. Требования к сигналам.

Поскольку для создания компонентного сигнала со стереоэффектом мы применяем две ПЗС матрицы типа ICX059AK, то, исходя из норм на критическую частоту мелькания (в данном случае – для каждого глаза) fкр = 48 Гц, необходимо, чтобы fп = 100 Гц – частота полей и, соответственно, fк = 50 Гц – частота кадров. Следовательно, при стандартизированном числе строк разложения fстр = 625 надо, чтобы частота задающего генератора строчной развертки была равна удвоенной стандартной:

fген = fстр = 2´15625 = 31250 Гц

В итоге надо сформировать следующие сигналы:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12