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Câmeras de TV

PTC2547 – Princípios de TV Digital

Guido Stolfi

EPUSP - 2008

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Sistema Óptico de uma Câmera de TV

Lente

Sensor

Varredura

Amplificador

Sinal de

Vídeo

EBT

F

4 2

E = Iluminamento no anteparo (nits ou candelas/m2)B = Luminância do objeto (lux ou lumens/m2)T = Transmitância da lenteF = Abertura da lente (f / d)

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Características de Sensibilidade

• Eficiência Quântica: Porcentagem de fótons incidentes que provocam sinal elétrico no sensor

• Índice de Exposição (Fotografia):

EF

B TIX

2802 B = Luminância para produzir nível branco

Tx = Tempo de Exposição (normalmente 1/30")F = Abertura da Lente

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Características Qualitativas de uma Câmera

• Definição: relacionada com a resolução espacial (MTF)

• Reprodução de Tons: fidelidade na reprodução de escalas de intensidade (Linearidade, fator Gama)

• Reprodução Cromática: limites e precisão das regiões de cromaticidade (luminância, tonalidade, saturação)

• Latitude de Exposição: faixa dinâmica (linearidade em regiões de luz alta e baixa)

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Resposta Espacial e Resolução

MTF total =

MTF(sistema óptico)

MTF(sensor)

MTF(varredura)

Resposta do Amplificador / digitalizador

Lente

Sensor

Varredura

Amplificador

Sinal de

Vídeo

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Lente “Zoom”

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Evolução dos Sensores

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Varredura de Imagens por Disco Rotativo (Paul Nipkov -1884)

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Varredura de uma Imagem por Disco de Nipkov

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John Logie Baird com protótipo de Televisão (~1925)

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Câmera de Varredura Instantânea

• Image Dissector (Farnsworth, 1929)

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Philo T. Farnsworth

e o seu “Image Dissector” (1929)

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Transmissão: “Gato Félix” (1930)

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Câmera de Varredura Cumulativa

• Iconoscópio (Zworykin, 1939)

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Sensor Fotoemissivo

LuzIncidente

Isolante

Eletrodo Material Fotoemissivo

Feixe de Elétrons

Glóbulos de

Carga

Coletor

CorrenteFotoemissiva

Fotoemissor

Eletrodo

Feixe de Elétrons

Eo

Ce

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Iconoscópio

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Iconocópios

Vladimir Kosma Zworykin e seus Iconoscópios

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Transmissão das Olimpíadas de Berlim (1936)

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Sensor Fotocondutivo

LuzIncidente

Vidro

Eletrodo Transparente

Material Fotocondutivo

Feixe de Elétrons

Carga

Fotoemissor

Eletrodo

Feixe de Elétrons

Eo

Ce

Elemento Fotocondutor

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Câmera com Sensor Fotocondutivo

Amplificador

Carga

Feixe de Elétrons

Varredura

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Câmera com Sensor Fotocondutivo

Iluminamento doFotocondutor

Ve

1 Quadro

Corrente na CargaDevida a um Elemento de Imagem

I L

Tempo

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Iconoscópio, Orthicon e Vidicon

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Profundidade de Foco

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Profundidade de Foco

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Sensibilidades Espectrais p/ Fotocondutores

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Câmeras Fotocondutoras

Tipo Fotocondutor Aplicações Desvantagens

Vidicon Trissulfeto de Antimônio

Telecinagem; Baixo Custo

"Lag" (Retardo)

Newvicon

Selenieto de Zinco

Alta Resolução; Intrum. Médica

alta corrente no escuro

Chalnicon

Selenieto de Cádmio

Sensivel; Vigilância

"Lag"; alta corrente no escuro

Saticon Liga de Selênio/Arsêni

co/Telúrio

Mais sensível ao azul;

Câmeras RGB de Estúdio

Ultricon Matriz de Fotodiodos de

Silício

Resistência a luz forte; Circuito

Fechado P/B

"Blooming"

Plumbicon

Óxido de Chumbo

Tomadas ao Vivo

"Lag", pouca resposta no Vermelho

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Câmera a Cores com 3 Sensores

Sensor Azul

Sensor Vermelho

Sensor Verde

Filtros Corretivos

Filtros DicróicosFiltros Corretivos

Prismas

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Processamento de Sinal na Câmera de 3 Tubos

Sensores

Pré-

Amplificadores

Correção

de Cor

Correção de

MTF

Correção

Gama

Apagamento

e Limitação

Codificador

Vídeo

Composto

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Câmera a Cores com 1 Tubo

FiltroAmarelo

FiltroCiano

Saída com luzazul

Saída com luzvermelha

Saída com luzverde

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Processamento de Sinal p/ Câmera de 1 Tubo

Luminância

Portadora vermelho

Portadora azul

freq.

YL

Espectro do Sinal da Câmera

0.5 MHz

2.5 MHz

3.5 MHz

5.0 MHz

Detetores 0.5 MHz

0.5 MHz

Matriz G

R

B

Y

YL

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Câmera a Cores de 1 Tubo (Alternativa)

FiltroAmarelo

FiltroCiano

Linha 1

Linha 3

Saída

Vermelho

Linha 1

Linha 3

Saída

Azul

Linha 1

Linha 3

90o

90o

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Processamento de Sinal

0.5 MHz

3.6 MHz

4.2 MHz

Detetores 0.6 MHz

0.6 MHz

Matriz

G

R

B

YL

YH

t

t

1 H

90o

Matriz

+

-

t

Luminância Y

freq.

YL

Espectro do Sinal da Câmera

H

Portadora Cor

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Sensores CCD

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Dispositivo de Transferência de Carga

1 2 3 4 1 2

- + + - - +

• CCD: Charge Coupled Device

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CCD (Charge Coupled Device)

Bell Laboratories, 1970

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Deslocamento das Cargas no CCD

1 2 3 4 1 2- + + - - +

T0

T1

T2

T3

T4

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Estrutura de um Sensor CCD

1

2

3

4

1

2

3

Sensor

Sensor

Sensor

Linha Campo Par

Linha Campo Par

Linha Campo Ímpar

dreno deoverflow

porta de overflow

portas detransferência

Registradorvertical

Registrador Horizontal

A B C D

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Operação do Sensor CCD

DrenoSensor

Porta de Overflow

Porta de Transferência

RegistradorVertical

Integração de CargaPor Fotocondução(Período Ativo)

Transferência(Retraço Vertical)

Dreno

Porta de Overflow

"Overflow" porexcesso de luz(Período Ativo)

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Sensibilidade Espectral de Sensores CCD

A Iluminação Frontal c/ portas de Poli-Silício

B Iluminação Posterior

C Iluminação Frontal "fase virtual"

D Iluminação Frontal c/ portas transparentes

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Comparações CCD x Tubo

CCD Tubo

Sensibilidade f/8 @ 2000 lux f/4 @ 2000 lux

Iluminamento Mínimo

7.5 lux 10 lux

Índice de Exposição

~540 ~150

Resolução Horzontal

700 linhas 700 linhas

Relação S/R sem ponderação

60 dB 56 dB

S/R ponderada 68 dB 64 dB

Artifícios de Imagem

"Aliasing", defeitos lineares

Granulação

Colorimetria Melhor resposta no Vermelho

-

Vida Útil Indefinida ~10.000h

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Sensor CCD Tricromático (RGB)

1 pixel

R

G

B

RG

B

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Sensor CCD Tricromático (YL - G - CY)

1 pixel

YL

G

CY

YL

G

CY

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Resolução (MTF) do Sensor CCD

MTF f

W

Ff

W

Ff

h

h

hh

h

hh

( )

sen

MTF f

W

Fvf

W

Ff

v

vv

v

vv

( )sen

•Wh = Largura do elemento sensor•Fh = Frequencia de Amostragem no sentido horizontal (Sensores/largura da imagem)•fh = Frequencia espacial (linhas de resolução) na horizontal

•Wv = Altura do elemento sensor•Fv = Frequencia de Amostragem no sentido vertical (Sensores/altura da imagem)•fv = Frequencia espacial (linhas de resolução) na vertical

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Resolução (MTF) do Sensor CCD

Fv

CCDTubo

480 linhas

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Resolução (MTF) do Sensor CCD

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Sensor CCD com Micro-Lentes

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Processamento de Sinal

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Filtros de Separação de Cor

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Características Ideais dos Filtros

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Deslocamento Espacial G / RB

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Deslocamento Espacial G / RB

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Processamento Analógico

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Uniformidade de Campo (“Shading”)

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Controle Dinâmico de Contraste

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Faixa Dinâmica com Controle de Saturação

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Controle de Nitidez (H/V Enhancement)

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Características Aproximadas por Matrixagem

Resposta Ideal Resposta dos Filtros ópticos

Resposta apósMatriz RGB

R

G

B

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Desafios

• Compatibilizar a resposta da câmera de TV com o processo de filmagem em película, para permitir a combinação simultânea de material produzido nesses meios.

• Maximizar a relação Sinal / Ruído apesar da redução das dimensões do elemento sensor

• Manter reprodução de tons mesmo com processamento digital