Historisch
De eerste videoacamera's
Camcorders

De eerste camcorders voor consumenten bestonden uit een camera en een aparte recorder, eerst op band en dan op cassette. De opname was in zwart-wit, maar men zocht een eenvoudig systeem om ook in kleur op te nemen. De professionele studiocamera's waren te complex.
-

-

De televisie bestond al voor de tweede wereldoorlog. Tijdens de oorlog werd de verdere ontwikkeling gewoon even stilgelegd. Na de oorlog begonnen de amerikanen direct systemen te ontwerpen om ook kleur mogelijk te maken.


Werking van een vidicon of gelijkaardige beeldopnemer


Vidicon beeldopnemer
De opnamebuis is ongeveer 10cm lang met een diameter van een beetje meer dan een cm.
De werking van de vidicon opnamebuis wordt hier besproken aan de hand van een electronisch schema.
De televisiecamera's bestonden uit een opnamebuis (zwart-wit). We gaan de verschillende systemen niet in detail bespreken, ze zijn bijna allemaal gebaseerd op dezelfde principes.

De opnamebuizen werken zoals een omgekeerde beeldbuis: een kathodestraal wordt tegen een lichtgevoelige laag geprojecteerd, en zo ontstaat er een electrische stroom die in verhouding is met de helderheid op die bepaalde plaats.

De kathodestraal wordt vertikaal en horizontaal afgebogen zoals in een televisiescherm om alle punten van het doel te bereiken. De opnamebuis heeft dus ongeveer dezelfde onderdelen als een beeldbuis: een cathode, electrodes om de straal te concentreren, een afbuigsysteem om de straal te richten, een doel en een hoogspanning om het geheel te doen werken.

De vertragingsrooster zorgt ervoor dat de electronenstroom voldoende afgeremd wordt zodat die de gevoelige laag voldoende traag raakt. Zo vermijd men secundaire emissie die het beeld zwaar zou verstoren.

De electronenstraal leest het scherm horizontaal lijn per lijn, totdat het volledig beeld afgetast is. De werking is vergelijkbaar met iemand die een tekst zou lezen.

Het punt op het scherm dat door de electronenstraal geraakt wordt stuurt zijn lading door via een extra electrode. De spanning komt overeen met de belichting gedurende de tijd tussen twee scans. Het signaal wordt gestabiliseerd (zwartniveau) en er worden synchronisatiepulsen bijgevoegd, en we hebben het zwart-wit videosignaal.

Het doel bestaat uit een lichtgevoelige laag. De laag is continu, een beetje zoals een filmemulsie (dit in tegenstelling met de CCD sensoren die uit individuele fotocellen bestaan). De meeste opnamebuizen zijn van het type vidicon, maar ieder fabrikant kan de samenstelling van de lichtgevoelige laag wijzigen en zo een eigen naam gebruiken: plumbicon, saticon, ...

Deze opnamebuis produceert een signaal dat niet zo goed is als dat van een image-orthicon, maar is minder complex en kan gemakkelijker afgeregeld worden. De vidiconbuizen worden langzamerhand beter en vervangen de image-orthicons in de opnamestudios. Ze worden enkel nog gebruikt als men de hoogst mogelijke kwaliteit moet hebben (nasa beelden).


Kleur met drie opnamebuizen

Een opnamebuis produceert een zwart-wit signaal: de gevoelige laag is gevoelig voor alle kleuren. Om een kleursignaal te produceren zal men drie opnamebuizen gebruiken, waarbij iedere buis belicht wordt door één primaire kleur: groen, rood of blauw.

Een plumbicon camera is rechts te zien. De drie kleurenbuizen zijn goed zichtbaar. Voor iedere buis wordt er een kleurfilter geplaatst.

Het systeem werkt goed, maar kan enkel in de studio gebruikt worden. De synchrone aftasting van de drie doelwitten moet zo ingesteld zijn, dat de electronenstraal dezelfde plaats raakt op de drie doelen, anders hebben we problemen met de overlapping van de kleuren. Men komt hetzelfde probleem tegen met de eerste schaduwmasker beeldbuizen (convergentiefouten), maar het effekt wordt hier nog versterkt omdat men drie buizen gebruikt die niet perfekt dezelfde eigenschappen hebben.

De opnamecamera's moeten regelmatig herafgeregeld worden (bijna voor iedere uitzending) en men heeft de gewoonte genomen om de camera's ingeschakeld te laten om te vermijden dat ze ontregeld zouden geraken door de temperatuurverschillen. Zelfs met het gebruik van transistoren en geïntegreerde schakeling kan men het probleem niet volledig oplossen.

De drie opnamebuizen zijn ingepakt in een metalen behuizing om de invloed van het aards magnetisme tegen te werken (dit zou registratiefouten veroorzaken iedere keer dat de camera gedraaid wordt).

Bij zo'n studiocamera hoort nog een kast ter grootte van een amerikaanse koelkast. Deze kast zorgt voor de deflectie en de convergentie en er is een controle-monitor aanwezig.

Zo'n systeem kan natuurlijk niet gebruikt worden bij consumer-toestellen. Men moet een systeem vinden die uitgerust is met één enkele opnamebuis. Niet enkel vanwege de afmetingen van een systeem met drie opnamebuizen, maar ook omdat een systeem met drie buizen regelmatig herafgeregeld moet worden.

Dat is ook de reden dat er veel reportages opgenomen worden in 16mm film als men kleur nodig heeft. De film wordt in de studio ontwikkeld om dan uitgezonden te worden. Opnamesystemen met drie buizen waren niet geschikt om op verplaatsing gebruikt te worden. Draagbare broadcast camera's waren enkel gemaakt om een zwart-wit beeld te geven.



Trinicon met indexstrook
Videosignaal en
synchronisatiesignaal


Trinicon videosignaal die een directe bepaling van de blauwe, groene en rode niveaus mogelijk maakt dankzij de indexstrook
Het betreft een grijs beeld (60% signaal). De drie kleuren zijn conform (de bijdrage van het groen is groter)

Kleur met één enkele buis:
Sony Trinicon

Hoe kan men kleur detecteren met één enkele buis? Het is eenvoudig, men zal een gekleurde raster gebruiken, bestaande uit fijne verticale strips met de volgende kleuren: groen, blauw en rood (Sony Trinicon). De horizontale aftasting leest achereenvolgens een blauwe stip, een groene stip en een rode stip. De strips zijn heel fijn, er zijn er ongeveer een duizendtal voor een opnamebuis. De gekleurde strips worden aangebracht juist onder de gevoelige laag, om zo diffusie van het licht te vermijden.

Het probleem waarmee wij hier te maken hebben is dat de electronica de kleuren niet uit elkaar kan halen. De afbuiging is nooit perfekt stabiel, en het is onmogelijk te achterhalen bij welke kleur de aftasting begint. Er is geen synchronisatiesignaal aanwezig.

Om dit probleem op te lossen gebruikt Sony een indexstrook die een spanningspuls afgeeft via een extra aansluiting iedere keer dat de aftasting de indexstrook raakt. Daarmee kan de electronica bepalen welke kleur op een bepaald ogenblik afgetast wordt.

Dit systeem geeft de beste beelden, maar de indexstrook maakt de opnamebuis nogal complex. Het systeem zal gebruikt worden in de Sony camcorders: eerst de toestellen met aparte videocamera en recorder, dan de geïntegreerde systemen (Betacam). Een gewoon zwarte indexstrook kan niet gebruikt worden (die veroorzaakt ook een nulpunt van het videosignaal die als syncpuls gebruikt zou kunnen worden), want dan kan er niet meer gesynchroniseerd worden bij donkere beelden.



Vidicon met kleurfilter en bijhorende videosignaal
De figuur toont aan hoe de cyan waarde afgelezen kan worden: de waarde zit halverwege (in tijd!!!) op de stijgende curve, dit is de fijne cyan lijn.


Vidicon die met wit licht belicht wordt en waarbij de blauwe en rode intensiteit indirect bepaald worden.
Het is een 100% wit beeld, de kleurwaarden zijn correct weergegeven.


Videosignaal van een blauw beeld
(geen groen, het blauw wordt gedetecteerd door de cyan spanningssprong)


Videosignaal van een rood beeld
(geen groen en geen cyan (dus ook geen blauw))


Videosignaal van een geel beeld
(groen + rood)


Signaal als de opnamebuis overstuurd is
Het groen signaal is al maximaal en de blauwe en rode tinten kunnen niet meer gedetecteerd worden.

Kleur met één enkele buis:
kleurdetectie door niveauverschillen

De andere merken gebruiken een gelijkaardig systeem, echter zonder indexstrook. De opeenvolgende kleurstroken zijn groen, cyan en wit (doorzichtig). De strips zijn hier ook bijzonder dun, er zijn er ongeveer 300 (maal drie kleuren) op het doel.

Bij de aftasting raakt de kathodestraal opeenvolgend een groene strook, dan een cyan strook en uiteindelijk een witte strook. Men kan gemakkelijk achterhalen welke strook geraakt wordt door het signaal te vergelijken met die van de naburige stroken: de groene strook is de meest donker en geeft een zwakker signaal. De cyan strook (gevoelig voor groen en blauw) is helderder, en de witte strook (gevoelig voor groen, blauw en rood) geeft altijd het sterkste signaal af.

De luminantie Y (helderheid) kan gemakkelijk bepaald worden door een piekdetector te gebruiken die altijd het maximaal signaal aflevert. Hetzelfde gebeurt met het groene signaal: het groen component is altijd de laagste waarde van de drie.

Cyan wordt bepaald door de timing, er wordt een sample genomen halverwege in de tijd tussen een minpunt (groen) een een maximum (wit).

Blauw wordt op een indirecte manier bepaald: cyan bestaat uit groen en blauw: het verschil tussen groen en cyan is dus de hoeveelheid blauw. Ook rood wordt op een soortgelijke manier bepaald: cyan is wit waarvan men het rode component verwijderd heeft. Het verschil tussen cyan en wit is dus het rode component.

Het systeem werkt redelijk goed in amateur-toestellen, maar kan niet voor broadcast gebruikt worden: het beeld is niet scherp genoeg en de kleuren zijn onvoldende gedefinieerd. Rood en blauw moeten immers bepaald worden door een aftrekking, en schakeltechnisch gezien veroorzaakt dit meer ruis.

Een ander vreemd fenomeen is dat de helderste beeldelementen een groene kleur hadden. Alle techniekers die vidicon kleuren-opnamebuizen hersteld hebben zijn ooit geconfronteerd geweest met dit fenomeen: als de buis overstuurd wordt, dan wordt het beeld op die plaats groen. Dit is gemakkelijk te verklaren: als de opnamebuis overstuurd wordt, dan is het signaal bijna maximaal voor het groene component en kan niet meer stijgen voor het blauw en rood.

Ook het volgend systeen vertoonde een groen beeld in de overstuurde beeldelementen: er is dus geen manier om de twee systemen uit elkaar te halen gewoon door naar beelden te kijken. Het volgend systeem gaf in het algemeen een beeld met beter gedefinieerde kleuren.


Kleur met één enkele buis:
kleurdetectie door draaggolf
Spectraplex

Omdat de kleurinformatie overgedragen wordt via een draaggolf op 4.43MHz zijn ingenieurs op de gedachte gekomen om de kleurinformatie optisch te coderen als een draaggolf. De betreffende kleur kan dan gedetecteerd worden door het signaal door een bandpassfilter te laten lopen en dan de amplitude van het signaal te detecteren.

Bij het systeem gebruikt men een kleurfilter bestaande uit cyan stroken (die voor het rood coderen) en gele stroken (die voor het blauw koderen). Tussen de stroken is de filter doorzichtig.

De gele stroken zijn vertikaal, terwijl de cyan stroken onder een hoek zijn geplaatst. Bij de aftasting produceren de gele stroken een draaggolf van 5MHz en de cyan stroken een draaggolf van 3.5MHz (indien er een verschil in helderheid is, dat wil zeggen als de complementaire kleur aanwezig is).

Veronderstel een volledig rood beeld: de cyan stroken houden het rood tegen. Als de aftaster een lijn scant, dan ontstaat er een draaggolf van 3.5MHz. De gele stroken houden het rood niet tegen, waardoor er geen draaggolf is op 5MHz.

Is het beeld volledig blauw, dan hebben we hetzelfde fenomeen, maar nu met de gele stroken, waarbij er hier een draaggolf van 5Mhz ontstaat.

Veronderstellen we een wit beeld, dan produceren de cyan en de gele stroken een draaggolf: om een wit beeld te vormen heeft men rood en blauw nodig.

De rode en blauwe kleur wordt bekomen door het signaal van de aftaster door twee afgestemde kringen te laten lopen (één op 3.5MHz en één op 5MHz), het signaal te versterken en dan te detecteren.

Maar hoe wordt het groen gegenereerd? Het groen is aanwezig in het overgebleven component (helderheid). Men voert eerst de helderheid door een low pass filter, zodat de bandbreedte overeenkomt met de bandbreedte van het rode en blauwe component. Het groen component is het helderheidscomponent - het rood en - het blauw.

Het Y-signaal op de zeer schematische tekening rechts is niet exact het helderheidssignaal, het bevat immers teveel groen (dat niet gefilterd wordt). Maar omdat het helderheidssignaal vooral gebaseerd is op het groen speelt dit geen rol (zeker niet in consumertoestellen).

Uiteindelijk heeft men dus de helderheid en drie relatief laagfrekwente kleurcomponenten (bandbreedte 0.5MHz). Van daaruit kan men een videosignaal samenstellen die dan opgenomen kan worden of naar een monitor gestuurd wordt.

Een probleem van dit systeem is de beperkte bandbreedte van de helderheid (luminantie), die niet hoger kan gaan dan 3MHz. Voor consumertoepassingen is dit geen probleem (de bandbreedte van het luminantiesignaal is toch beperkt tot 3MHz bij video-opname), maar het systeem kan niet voor broadcast gebruikt worden.

De afbuiging moet correct ingesteld worden zodat de juiste hulpdraaggolven gegenereerd worden (is de oppervlakte dat gescand wordt kleiner dan de norm, dan zijn de opgewekte frekwenties ook lager). Hier is wel een kleine speling mogelijk, die eventueel opgevangen kan worden door de afgestemde spoelen bij te regelen.

De focussering moet ook perfect ingesteld zijn, met de spot die kleiner is dan de kleurrasters, anders kunnen ze niet gedetecteerd worden.

Als er beeldelementen de opnemer oversturen, dan is het beeld groen op die plaats. Op de overbelichte beeldelementen is er bijna geen signaal meer van de kleurfilters. Bij oversturing is er meestal ook een blooming (wazig worden van het beeld) waardoor de hulpdraaggolf niet meer gedetecteerd kan worden.

De RCA vidicon type 4445 buis is gemaakt voor dit systeem en bevat 530 kleurstroken per inch. Dit systeem werd vaak gebruikt bij comsumertoestellen (videocamera's met aparte recorder).


Kleur met één enkele buis:
kleurdetectie door draaggolf en fase
Interplex

Het volgende systeem gaat nog een stapje verder en gebruikt slechts één draaggolf, maar fase-gemoduleerd (zoals het NTSC en PAL videosignaal). De bedoeling is hier een videosignaal te bekomen die op zich al zeer dicht bij de NTSC-norm ligt, zodat verdere behandeling beperkt kan zijn.

Een kenmerk van het NTSC en PAL systeem is dat de frekwentiespectra van de helderheid en de kleur in elkaar vervlochten zijn, waardoor de luminantie en de chrominantie gemakkelijk uit elkaar gehaald kunnen worden. De luminantie moet niet meer gefilterd worden op 3MHz om kleurstoringen te vermijden, een kamfilter doet hier het werk en de luminantiebandbreedte kan tot 5MHz gaan. De chrominantie wordt gefilterd door een bandpassfilter.

Maar dit systeem berust op een zeer nauwkeurige opwekking van de hulpdraaagolf (op 4.433 618 75 MHz) zodat het frekwentiespectrum perfekt tussen het spectrum van de helderheid komt te liggen. Dit lukt heel goed met een kwartz oscillator die alle nodige frekwenties opwekt gebaseerd op de frekwentie van de kleurhulpdraaggolf (lijnfrekwentie, rasterfrekwentie, enz).

Maar om een dergelijke nauwkeurigheid te bereiken met een opnamebuis is bijna niet mogelijk. De aftasting moet perfekt gebeuren: de aftaststip moet aan een nauwkeurige snelheid bewegen en een perfekt gedefinieerde oppervlakte aftasten. In de praktijk is dit niet realiseerbaar: als de hoogspanning niet perfect stabiel is, wordt niet de juiste oppervlakte gescand. Ook temperatuurverschillen kunnen een rol spelen, waardoor de weerstand van de spoelen verandert en dus ook de stroom in de afbuigspoelen.

Dit systeem werd dan ook niet gebruikt in de praktijk.


CCD sensoren met kleurenmasker

Dan zijn de videocamera's met CCD op de markt gekomen (en veel later ook de CMOS sensoren), maar dit is een ander verhaal... Eigenlijk niet, het is gewoon het logisch vervolg: hier ook gebruikt men een raster om de kleurinformatie te herwinnen (Bayer mosaiek).

De videocamera's met enkele CCD sensor geven een middelmatig beeld, maar om topkwaliteit te halen heeft men een driedubbele sensor nodig. Het videosignaal dat zo'n tri-CCD afgeeft is van broadcast-kwaliteit. De overlapping van de drie kleuren wordt éénmaal ingesteld en blijft altijd goed: het is immers de centrale klok die de aflezing van de opeenvolgende fotodiodes stuurt. Ieder beeldpunt (met de drie kleuren) wordt simultaan uitgestuurd.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-