Принцип работы видеокамеры: описание, устройство, характеристики. Принцип работы видеокамеры

1.2.Устройство видеокамеры и принцип работы

По внешнему виду видеокамера напоминает кинокамеру и имеет с ней функциональное сходство, так как объект съемки с помощью объектива проецируется на плоскость изображения внутри видеокамер. Отличие заключается в том, что в плоскости изображения располагается не кинопленка, а оптоэлектрический преобразователь — прибор зарядовой связи ПЗС.

Функциональные схемы видеокамер различных фирм-изготовителей могут весьма существенно отличаться друг от друга, что связано с использованием различных микросхем, различным набором функций и различными комбинациями органов управления.

На «Рис.1» приводится упрощенная обобщенная структурная схема видеокамер. Оптическое изображение, сфокусированное объективом на матрице преобразователя свет-сигнал, преобразуется в электрический сигнал, содержащий информацию как о яркостной составляющей снимаемой сцены, так и о ее цветовом содержании. В канале обработки сигнала в результате усиления, коррекции, сложения с импульсами синхронизации и гашения на выходе процессора формируется полный телевизионный сигнал, который поступает в видеомагнитофон и в электронный видоискатель.

Рисунок 1

В блоке малогабаритного видеомагнитофона осуществляются оптимизация и преобразование сигналов к виду, удобному для записи на магнитную ленту. Так же, как и в блоке малогабаритной видеокамеры, в блоке видеомагнитофона обработка сигналов изображения осуществляется раздельно. После преобразования оба сигнала суммируются и подаются на вращающиеся видеоголовки, которые и осуществляют запись сигналов изображения на магнитную ленту.1

В электронном видоискателе осуществляется визуальный контроль записываемой информации, просмотр отснятого материала, отражается режим работы видеокамер.

На магнитную ленту также записываются сигналы звукового сопровождения от встроенного в видеокамеру микрофона или от внешнего микрофона, установленного на объекте съемки; запись звукового сопровождения от внешнего микрофона позволяет устранить шумы, возникающие при работе видеокамера. Оптическая система видеокамер представляет сложное оптико-механическое устройство. В большинстве случаев это вариообъективы (трансфокаторы) с ручным и автоматическим управлением фокусным расстоянием, диафрагмой и временем экспозиции. Технические параметры и эксплуатационные возможности видеокамер во многом определяются характеристиками используемого объектива.

Прибор с зарядовой связью ПЗС (Charge-Coupled Device-CCD) преобразует сфокусированное на него оптическое изображение в электрический видеосигнал.

ПЗС представляет полупроводниковый прибор, содержащий в одном твердотельном блоке секции накопления и хранения зарядов, а также регистр выходов (рис.2). Основной является секция накопления зарядов, в которой на подложку (1) из полупроводникового материала — кремния, покрытую слоем оксида кремния (2), нанесена линейка тончайших и поэтому прозрачных металлических электродов (3). Электроды имеют очень малый размер, примерно 5x5 мкм, и образуют вместе со слоем оксида и полупроводника элементарные фотоэлементы, называемые пикселями. Количество пикселей в линейке соответствует числу элементов в строке ТВ-изображения. Если электрод освещен, то под ним возникают и накапливаются пакеты электрических зарядов (4), в которых количество зарядов пропорционально освещенности электрода. 1

Рисунок 2

Устройство прибора с зарядовой связью (ПЗС) (секция накопления зарядов)

Считывание накопленных зарядов в ПЗС производится подаваемыми на электроды 3-тактовыми импульсами. Придавая этим импульсам особую форму и очередность следования, можно перемещать зарядовые пакеты (4),возникающие под каждым электродом, от одного электрода к другому и один за другим перемещать их в секцию хранения зарядов. Оттуда зарядовые пакеты подаются на сопротивление, с которого снимается видеосигнал. В ВК применяют матрицы или чипы ПЗС, состоящие из набора линеек по числу строк в кадре. Количество пикселей в матрицах — от 500 тыс. до 2 млн.

Электронный затвор является неотъемлемой частью матричного ПЗС. Скорость электронного затвора является одной из основных характеристик видеокамеры, объявляемой производителем при анонсировании новых видеокамер.

Скорость электронного затвора — это интервал времени, в течение которого на матрице ПЗС происходит накопление заряда для создания потенциального рельефа изображения (электронного изображения). Когда говорят о той или иной скорости электронного затвора, подразумевают соответствующий режим работы ПЗС.

Преобразователи с зарядовой связью для цветных видеокамер должны обеспечивать раздельное формирование сигналов различного цвета. Для этого видеокамеры могут строиться на двух или трех матрицах ПЗС.

Система автоматического баланса белого. Для правильного воспроизведения цвета объекта съемки необходимо, чтобы основные цвета, формируемые на выходе преобразователя свет-сигнал, в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении, определяемом коэффициентами колориметрического уравнения. Для этого видеокамеры оборудованы системой баланса белого (WB — White Balance), основным элементом которой является так называемый датчик цветовой температуры. В качестве датчика обычно используется инфракрасный фоточувствительный элемент (фотодиод). Спектральный состав цвета определяется путем сравнения показателей датчика и уровня цветовых составляющих, получаемых на выходе матрицы ПЗС. На основании показаний датчика цветовой температуры происходит корректировка сигналов основных цветов, поступающих с матрицы ПЗС.

Блок управления контролирует состояние клавиш и в зависимости от выбранного режима вырабатывает управляющие сигналы для остальных блоков видеокамер. Отдельной задачей блока управления является формирование сигналов для процессора управления двигателями ЛПМ.

studfiles.net

Принцип работы видеокамеры: описание, устройство, характеристики

В большинстве стран мира видеокамеры давно стали привычным явлением. Люди берут их на школьные спектакли, спортивные мероприятия, семейные встречи и даже на роды. В популярном у туристов месте их можно увидеть повсюду. Видеокамеры завоевали прочные позиции в США, Японии и многих других странах, поскольку представляют собой очень востребованную технологию.

Но как такое маленькое устройство может делать так много? Родившихся до 1980-х удивляет то, что качественные модели теперь легко доступны, и что они настолько просты в использовании. В этой статье рассмотрен принцип работы и устройство видеокамеры.

Базовая конструкция

Обычная аналоговая видеокамера состоит из двух основных частей:

Секции, включающей ПЗС-матрицу, объектив и двигатели управления зумом, фокусировкой и диафрагмой;
уменьшенного в размерах видеомагнитофона.

Принцип работы видеокамеры заключается в том, что она получает визуальную информацию и превращает ее в электронный сигнал. Видеомагнитофон похож на обычный, подключаемый к телевизору: на него поступает сигнал, и он записывает его на кассету.

Третий компонент, видоискатель, тоже получает видеоизображение, поэтому пользователь может видеть, что снимает. Это маленький черно-белый или цветной дисплей, но многие современные модели дополнительно оборудуются большими полноцветными ЖК-экранами. Существует много форматов аналоговых видеокамер со множеством дополнительных функций, но описанный дизайн является основным. Различаются они в том, какие кассеты в них используются.

Устройство и принцип работы цифровых видеокамер сходны с аналоговыми, но у них есть дополнительный элемент, преобразовывающий информацию в байты данных. Вместо записи видеосигнала как непрерывной последовательности магнитных импульсов, он сохраняется как нули и единицы. Цифровые видеокамеры популярны, поскольку позволяют легко копировать видео без потери какой-либо информации. Аналоговая же запись «исчезает» с каждой копией – исходный сигнал не воспроизводится точно. Видеоинформация в цифровой форме может быть загружена на компьютер, где ее можно редактировать, копировать, отправлять по электронной почте и т. д.

Сенсор изображения

Как и фотоаппарат, видеокамера «видит» мир через объектив. Оптика необходима для фокусировки света со сцены на пленку, обработанную светочувствительными химическими веществами. Таким образом, фотоаппарат фиксирует то, что находится перед ним. Он собирает больше света от ярких участков сцены и меньше от темных. Объектив видеокамеры также служит для фокусировки, но вместо пленки в ней используется небольшой полупроводниковый датчик изображения. Этот сенсор регистрирует свет с помощью матрицы из миллионов крошечных фотодиодов. Каждый из них измеряет количество фотонов, которое попадает в определенную точку, и переводит эту информацию в электроны (электрические заряды): более яркое изображение представлено более высоким зарядом, а более темное – низким. Подобно тому как художник рисует сцену, выделяя темные области светлыми, сенсор создает видео путем регистрации интенсивности света. Во время воспроизведения эта информация управляет яркостью пикселей дисплея.

Конечно, измерение светового потока дает только черно-белое изображение. Чтобы получить цветное, необходимо определить не только общий уровень освещенности, но также уровни для каждого цвета. Полный спектр можно воссоздать, комбинируя всего 3 из них – красный, зеленый и синий. Поэтому принцип работы видеокамер основан на использовании только этих цветов.

В некоторых моделях сигнал разделяется на 3 варианта одного и того же изображения для уровней красного, зеленого и синего света. Каждый из них захватывается собственным чипом. Затем они складываются, и основные цвета смешиваются для получения полноцветного изображения.

Этот простой метод позволяет получить насыщенное видео с высоким разрешением.

Фотодиодные ПЗС-матрицы стоят дорого и потребляют много энергии, а использование 3 датчиков значительно увеличивает производственные издержки. Большинство видеокамер оборудуется только одним сенсором с постоянными цветовыми фильтрами для отдельных фотодиодов. Определенная их часть измеряет только уровни красного, другая – зеленого, а остальные – синего. Цвета распределены в виде сетки (например, фильтра Байера), так что процессор видеокамеры может получить представление о цветовых уровнях во всех частях экрана. Этот метод требует интерполяции данных, поступающих на каждый фотодиод, путем анализа информации, полученной его соседями.

Формирование сигнала

Поскольку видеокамеры снимают движущиеся изображения, их сенсоры имеют дополнительные фрагменты, которых нет в датчиках цифровых камер. Для создания видеосигнала они должны ежесекундно делать множество снимков, которые затем объединяются, создавая впечатление перемещения.

Для этого видеокамера захватывает кадр и чересстрочно записывает его. За датчиком изображения находится другой сенсорный слой. Для каждого поля видеозаряды переходят на него, а затем последовательно передаются. В аналоговой видеокамере этот сигнал поступает на видеомагнитофон, который его записывает (вместе с информацией о цвете) на видеопленке в виде магнитных импульсов. Пока второй слой передает данные, первый захватывает очередное изображение.

Принцип работы видеокамеры цифрового типа в основном такой же, за исключением того, что на последнем этапе аналого-цифровой преобразователь превращает сигнал в байты данных. Камера записывает их на носитель, который может быть магнитной лентой, жестким диском, DVD или флеш-памятью. Цифровые модели с чересстрочной разверткой сохраняют каждый кадр в виде двух полей так же, как и аналоговые. Камеры с прогрессивной разверткой записывают видео покадрово.

Объектив

Как упоминалось ранее, первым шагом при записи видеоизображения является фокусировка света на матрице. Принцип работы объектива видеокамеры заключается в следующем. Чтобы камера могла записать четкую картину объекта перед ней, необходимо сфокусировать оптику, то есть переместить ее так, чтобы лучи, исходящие от объекта съемки, попадали точно на сенсор. Подобно фотоаппаратам, видеокамеры позволяют перемещать объектив, чтобы фокусировать свет.

Автофокусировка

Большинству людей нужно двигаться и снимать разные объекты на разных расстояниях, и постоянная перефокусировка чрезвычайно сложна. Вот почему на всех видеокамерах есть устройство автоматической фокусировки. Обычно это инфракрасный луч, который отражается от объектов в центре кадра и возвращается к датчику камеры.

Чтобы определить расстояние до объекта, процессор вычисляет, сколько времени требуется, чтобы луч отразился и вернулся, умножает это значение на скорость света и делит произведение на два (потому что он прошел расстояние дважды – к объекту и назад). В видеокамере есть небольшой двигатель, который перемещает оптику, фокусируя ее на вычисленное расстояние. Обычно это работает достаточно хорошо, но иногда приходится дистанцию определять заново – например, когда требуется сфокусироваться на чем-то не в центре кадра, поскольку автофокус реагирует на то, что находится прямо перед объективом.

Оптический и цифровой зум

Видеокамеры также оснащены зум-объективом. Благодаря этому можно приблизить сцену, увеличив фокусное расстояние (между оптикой и пленкой или сенсором). Объектив с оптическим зумом представляет собой единый блок, который позволяет переходить от одного увеличения к другому. Диапазон масштабирования говорит о максимальном и минимальном увеличении. Чтобы зум было проще использовать, большинство видеокамер оборудовано двигателем, который перемещает оптику в ответ на нажатие кнопки на ручке. Одно из преимуществ этого заключается в том, что можно легко управлять увеличением, не используя вторую руку. Кроме того, мотор перемещает объектив с постоянной скоростью, и масштабирование получается более плавным. Однако двигатель истощает заряд батареи.

Некоторые видеокамеры имеют т. н. цифровой зум. Пользователи не советуют его использовать, поскольку он вообще не связан с объективом, а просто увеличивает часть снимка, захваченного сенсором. При этом приносится в жертву разрешение, т. к. используется только часть площади датчика. В итоге видео получается менее четким.

Экспозиция

Одной из замечательных особенностей камеры является автоматическая подстройка к разным уровням освещенности. Сенсор очень чувствителен к пере- или недоэкспонированию, поскольку диапазон сигналов, поступающих от каждого фотодиода, ограничен. Видеокамера контролирует их уровень и регулирует диафрагму, уменьшая или увеличивая поток света через линзы. Процессор постоянно поддерживает хороший контраст, чтобы изображения не выглядели слишком темными или размытыми.

Принцип работы видеокамер наблюдения

Такие камеры пригодятся тем, кто желает знать, что происходит во время их отсутствия. Необходимость в них может возникнуть по разным причинам. Например, родители могут захотеть наблюдать за спящим ребенком и уменьшить риск опасного падения из кроватки. А камеры вокруг дома позволят видеть людей, которые подходят к входной двери и, возможно, даже помогут найти преступника, совершившего взлом.

Выходной сигнал камеры передается, обрабатывается, снова преобразуется в изображение и при необходимости записывается. Передать видео можно по коаксиальному кабелю или витой паре, а также по беспроводной сети. Обработка сигнала производится в видеорегистраторе, сервере или ПК с платой захвата видео. Изображение выводится на монитор.

Принцип работы видеокамер наружного наблюдения заключается в том, что они устанавливаются на воротах, зданиях, других сооружениях с целью мониторинга происходящего в режиме реального времени. Как правило, это большие, заметные устройства, сам вид которых дает посторонним понять, что они находятся под наблюдением.

Принцип работы беспроводных видеокамер основан на трансляции изображения по беспроводной сети. Однако другие устройства, такие как Wi-Fi-роутеры и мобильные телефоны способны прерывать их сигнал. Кроме того, беспроводная передача может быть перехвачена, что противоречит целям обеспечения безопасности. Поэтому пользователи советуют убедиться в наличии надежного шифрования сигнала.

Принцип работы скрытых видеокамер основан на использовании объективов точечного типа с выходным отверстием в несколько миллиметров и широким углом обзора. Это позволяет устанавливать их в бытовую технику и предметы интерьера.

Советы по выбору аналоговых форматов

Аналоговые камеры записывают видео и аудио в виде аналоговой дорожки магнитной ленты. Эксперты не рекомендуют ими пользоваться, т. к. при копировании качество изображения и звука неизбежно снижается. Кроме того, в аналоговых форматах отсутствует ряд функций цифровых видеокамер. Основное различие между ними заключается в типе кассеты и разрешении. К основным форматам аналоговых видеокамер относятся:

Стандарт VHS. В камерах данного типа используется та же магнитная лента, что и в обычных видеомагнитофонах. Это упрощает просмотр отснятого материала. Такие кассеты недороги и обеспечивают длительное время записи. Основным недостатком формата VHS является необходимость в громоздком дизайне видеокамеры. Разрешение составляет 230–250 горизонтальных строк, что является нижним пределом в устройствах данного типа.
В VHS-C-камерах используется стандартная VHS-лента, но в более компактной кассете. Запись можно воспроизводить на обычном видеомагнитофоне, но для этого требуется полноразмерный адаптер. В принципе, работа видеокамеры формата VHS-C похожа на VHS. Меньший размер кассеты позволяет создавать более компактные конструкции, но время записи сокращается до 30–45 минут.
Super VHS-камеры имеют примерно те же размеры, что и VHS, потому что они используют картриджи того же формата. Различие заключается в том, что записываемое разрешение равно 380-400 строкам. Такие кассеты нельзя воспроизвести на видеомагнитофоне, но саму камеру можно подключить непосредственно к телевизору.
Super VHS-C соответствует стандарту VHS, но это более компактная версия, использующая картридж меньшего размера.
8-мм видеокамеры тоже отличаются небольшими кассетами. Это позволяет выпускать более компактные модели, обеспечивающие разрешение, которое соответствует стандарту VHS, с немного лучшим качеством звука. Длительность записи – около 2 ч.
Стандарт Hi-8 похож на 8-мм, но обеспечивает гораздо большее разрешение – около 400 строк.

Советы по выбору цифровых форматов

Принцип работы цифровых видеокамер отличается от аналоговых тем, что информация в них записывается в цифровом виде, благодаря чему изображение воспроизводится без потери качества. Такое видео можно загрузить на компьютер, где его можно отредактировать или опубликовать в интернете. Оно имеет гораздо лучшее разрешение. Широко используются следующие форматы:

MiniDV отличается компактными кассетами, которые вмещают 60–90 минут видеоматериала с разрешением 500 строк. Камеры данного типа чрезвычайно легкие и компактные. Возможен захват неподвижных изображений.
Формат Sony MicroMV работает так же, но использует кассеты меньшего размера.
Digital8 использует стандартную Hi-8mm-пленку на 60 минут записи. Модели данного типа, как правило, немного больше, чем DV.
DVD-камеры сохраняют видео непосредственно на маленькие оптические диски. Основным преимуществом этого формата является запись каждого сеанса отдельным треком. Вместо перемотки и быстрой перемотки, можно сразу перейти к требуемой части видео. Помимо этого, DVD-камеры довольно близки к моделям MiniDV, но могут хранить больше видео – от 30 мин до 2 ч.
DVD-R и DVD-RAM составляют 3/4 размера дисков DVD. Недостатком является то, что записывать на них можно только один раз. Их нельзя воспроизводить на обычных DVD-проигрывателях. Подобно кассетам MiniDV, нужно либо использовать камеру в качестве проигрывателя, либо скопировать фильм в другой формат.
Карта памяти – наиболее популярный способ видеозаписи. Ролики сохраняются непосредственно на твердотельные карты, такие как флэш-память, Memory Stick или SD.

В заключение

Сегодня каждый может приобрести недорогую камеру, а программы редактирования упрощают процесс обработки до такой степени, что каждый в состоянии его быстро освоить.

Даже низкокачественные аналоговые модели обладают многими полезными функциями, которые несложно освоить и создавать качественные фильмы. Технология, которая когда-то была эксклюзивной областью профессионального телевидения, стала доступна для любителей. Новейшие видеокамеры, безусловно, могут предложить многое и желающим запечатлеть день рождения или концерт, и начинателям амбициозных видеопроектов.

загрузка...

worldfb.ru

Устройство, принцип работы и выбор IP камер видеонаблюдения

Стоит сразу сказать, что если Вас интересует принцип работы IP камеры на уровне физических процессов переноса зарядов в полупроводнике или технологии производства различных микроэлементов, то Вам не сюда. Этот материал ориентирован на конечного потребителя и описывает общие вопросы преобразования оптического сигнала на входе видеокамеры в электрическую цифровую форму на выходе без акцентирования внимания на всевозможных потенциальных ямах, p-n переходах и прочих "вкусностях" теории полупроводников.

Поэтому устройство цифровой видеокамеры здесь будет рассмотрено с точки зрения потребителя, которому нужно выбрать камеру, сообразуясь с ее техническими характеристиками не забивая себе голову способами их реализации.

В связи с этим предлагается упрощенная структурная схема цифровой видеокамеры и рассмотрены функции, непосредственно определяющие принципы ее практического применения (рис.1).

Устройство IP камеры

объектив служит для формирования изображения объекта видеонаблюдения на матрице.
матрица преобразует оптическое изображение в его электрический аналог.
Схема обработки сигнала для IP камеры содержит несколько устройств - это процессоры обработки, сжатия изображения, сетевой интерфейс и пр. Они здесь не рассматриваются, поскольку нас интересует сигнал, передающийся непосредственно в локальную (или глобальную - Интернет) сеть.
Несколько слов про ИК - фильтр. Фильтрация инфракрасного диапазона служит для коррекции изображения, поскольку спектральная чувствительность матрицы значительно отличается от человеческого восприятия. Однако, для организации видеонаблюдения в условиях недостаточной освещенности камеры используют именно ИК диапазон, соответственно могут переключаться в режимы "день - ночь".
Наиболее эффективным здесь является использование механического фильтра, хотя для этих целей применяются и электронные методы.

Таким образом мы уже переходим к вопросу определения предпочтительных опций при выборе цифровой камеры видеонаблюдения.

ВЫБОР IP КАМЕРЫ

Основные характеристики, определяющие способы обработки и коррекции изображения описаны здесь, однако цифровые устройства характеризуются рядом дополнительных параметров, в частности, форматом сжатия видеосигнала.

Большинство современных камер поддерживают один (или одновременно оба) следующих форматов сжатия:

H.264 - потоковое,
MJPEG - покадровое.

Стоит помнить, что объем передачи данных камерой видеонаблюдения в единицу времени является основным моментом при расчетах и проектировании IP систем, поэтому предлагаю Вашему вниманию соответствующую таблицу :

Форматы сжатий

Один маленький нюанс: при установке системы IP видеонаблюдения в местах, характеризующихся высокой интенсивностью изменения сюжета в кадре скорость потока для формата H.264 может увеличиться до 100% , для MJPEG - до 20%.

Обращаю внимание, что максимальные значения скорости передачи данных (формирования кадра) для цифровых камер высокого разрешения могут составлять 5-10 кадров в секунду, так что при выборе видеокамеры имейте в виде этот параметр.

Для рассматриваемых устройств существует еще ряд интересных опций:

возможность автономной записи на флеш карту,
организация питания по PoE,
наличие аналогового выхода,
встроенный детектор движения и пр.

Вопросы выбора IP камеры с учетом фокусного расстояния, разрешения, требуемой зоны обзора и степени детализации изображения принципиально не отличаются от описанных на этой странице.

* * *

video-praktik.ru

Принцип работы видеокамеры: описание, устройство, характеристики

Но как такое маленькое устройство может делать так много? Родившихся до 1980 х удивляет то, что качественные модели теперь легко доступны, и что они настолько просты в использовании. В этой статье рассмотрен принцип работы и устройство видеокамеры.