DreamVideo è un digital magazine mensile con focus specifico sulla produzione e post-produzione video, rivolto a videomaker e filmmaker, che siano professionisti o semplici appassionati.    |     Anno XIV nr.169-2024    |     ISSN 2421-2253

Le telecamere broadcast (4)

 

Per sensore d'immagine si intende il trasduttore che converte l'immagine ottica in una sua rappresentazione/codifica elettrica. Questi dispositivi in passato erano tubi a fotoconduzione il cui funzionamento è piuttosto complesso e che trascureremo in questa sede dedicando più attenzione ai moderni rilevatori CCD, ovvero ai trasduttori attualmente in uso.

La diagonale dell'immagine

La grandezza dell'immagine che il sistema ottico va a formare sulla superficie sensibile del rilevatore è uno dei fattori più importanti nel determinare le prestazioni totali di una telecamera.

Attualmente i rilevatori CCD utilizzati per le telecamere broadcast utilizzano il formato 2/3" (il più performante per rapporto costo/prestazioni) anche se in passato alcuni costruttori commercializzarono il formato 1/2" che tuttavia pone problemi di diverso tipo.

Limitazioni imposte dalla minore grandezza di riga che è possibile raggiungere e limitazioni fisiche nella realizzazione di rilevatori così piccoli e complessi ha fatto preferire e diffondere il formato 2/3" così come il parco di ottiche dedicate a questo formato.

La costruzione di ottiche di formato 1/2" è oltretutto molto più critica che non per il formato 2/3"; inoltre il formato 1/2" pone ulteriori problemi operativi legati a velocità dell'ottica  (luminosità, ecc...).

La sensibilità alla luce di una telecamera è strettamente legata alla dimensione della diagonale del formato immagine (l'immagine che si forma sulla superficie sensibile del rilevatore). Il sistema del prisma dicroico possiede una limitazione di base circa la convergenza dei raggi di luce che lo attraversano e pertanto la sua luminosità nominale viene limitata in genere a F=1.4. Come risultato utilizzando un'ottica del formato 2/3", in pratica, si raddoppia la quantità di luce che è possibile far giungere al rilevatore. Come fatto negativo si ha un maggior costo del sensore e dimensioni leggermente maggiori della telecamera.



I CCD

Nel 1970 William Boll e George Smith dei Bell Labs annunciarono la scoperta di un dispositivo accoppiatore di carica: Charge Coupling Device o CCD.

Questo dispositivo originario venne negli anni successivi migliorato e affinato e il sogno di possedere finalmente un rilevatore a stato solido che potesse sostituire i tubi a fotoconduzione divenne una realtà.

Qui di seguito facciamo alcuni confronti tra tubi e CCD per prestazioni e caratteristiche.



I vantaggi dei tubi rispetto ai CCD

  1. La risoluzione dei tubi può essere eccellente sino a più di 1.000 punti sulla riga.
     
  2. La gamma di dinamica dei tubi può essere eccellente se supportati da una circuitazione esterna che rileva la presenza di alte luci e che incrementa istantaneamente la corrente di "beam" solo per la durata delle alte luci (tubi tipo Plumbicon ACT ad esempio). Le alte luci con diaframma a F=3.5 o F=4 con uscita a 100 ire di segnale video prodotto possono essere riprodotte ma con la presenza solo di un qualche alias (difetto indesiderato).  Questa ampia dinamica riproducibile da parte del tubo diventa tuttavia ingestibile quando la corrente di "beam" diventa insufficiente per cancellare le persistenze oppure quando l'inerzia del materiale fotosensibile del target del tubo diventa maggiore del valore iniziale  per usura del tubo.
     
  3. La forma d'onda della scansione dei tre tubi (RGB) può essere manipolata elettronicamente per correggere difetti prodotti dal sistema ottico obbiettivo/filtri/prisma/imprecisioni meccaniche.
    La correzione avviene in tempo reale arrivando a correggere l'ottica in funzione della posizione dello zoom.
    Tuttavia questo è possibile solo eseguendo una taratura estremamente accurata e che richiede tempo, know how e strumentazione dedicata.
    Tutto questo per una sola ottica montata su quella camera.
    Se si cambia l'ottica la taratura deve essere rifatta oppure nelle camere a tubi dell'ultima generazione era possibile memorizzare più lens files nelle memorie della testa camera e richiamarle al cambiare dell'ottica.
     
  4. L'uscita del tubo è una rappresentazione analogica e morbida dell'immagine ottica. Non è presente l'aliasing delle linee diagonali a gradini presente nei CCD.


Gli svantaggi dei tubi rispetto ai CCD

  1. I tubi sono grossi, pesanti e risultano essere un limite per le camere portatili.
     
  2. Il tubo ha una vita limitata e deve essere sostituito quando la corrente di "beam" non è più sufficiente ad eccitare il target del tubo. Una terna di tubi da 1" (Plumbicon ACT) oggi costerebbe circa 30.000 $ USA o forse più.
    L'operazione di sostituzione di una terna di tubi poteva richiedere diversi giorni di lavoro da parte di personale specializzato e dotato di strumentazione dedicata.
    La taratura meccanica/elettronica dell'intera camera doveva essere rifatta e ricontrollata sovente una volta che la camera andava in esercizio.
     
  3. Le caratteristiche di risposta dei tubi cambiano nel tempo dopo essere stati installati e la camera necessita costantemente di allineamenti di guadagno e bilanciamento. Giorno per giorno.
     
  4. I tubi possono subire severi danneggiamenti dovuti all?esposizione a alte luci. La corrente di "beam" non riesce più a cancellare l'alta luce o a caricare il target e il tubo può presentare un'area in cui la sensibilità risulta inferiore (i tubi venivano detti "bucati" anche se non c'era nessun buco, era solo una sensibilità inferiore nell'area in cui la superficie sensibile del tubo era stata colpita da un'alta luce per un certo tempo).
     
  5. Le alte luci che eccedevano la sensibilità nominale del tubo producevano "blooming" ovvero un alias per il quale le alte luci apparivano globiformi e non puntiformi.
    Inoltre le alte luci creavano un effetto di persistenza che anche le circuitazioni più sofisticate di Anti Comet Trail (ACT) non riuscivano a eliminare. La cosa peggiorava via via che il tubo andava esaurendosi a causa dell'aumentata inerzia dielettrica del target.
     
  6. Il sistema dei tubi di una telecamera può subire danneggiamenti o perdere in prestazioni o allineamento del sistema per temperatura variabile o alta e per il campo magnetico terrestre.
    Il solo far stare una telecamera a tubi sotto il sole d'agosto può portare al danneggiamento dei tubi. Un'escursione termica di 10°C provoca un completo disallineamento elettrico/meccanico dei rilevatori.
    Il ruotare la testa camera di 90° rispetto al campo magnetico terrestre può produrre apprezzabili difetti di convergenza dei 3 tubi o geometria dell'immagine.


I vantaggi dei CCD rispetto ai tubi

  1. La camera che usa CCD è più piccola, più leggera e consuma meno corrente.
     
  2. I CCD non modificano le proprie caratteristiche nel tempo.
     
  3. I CCD non sono influenzati da alte luci, alte temperature o dal campo magnetico terrestre.
     
  4. Non esiste l'effetto di persistenza di alte luci (effetto cometa).
     
  5. L'accuratezza di registrazione e risoluzione è uniforme (in teoria) su tutta la superficie del rilevatore CCD.
     
  6. Non sono necessarie tarature meccaniche o elettroniche di centraggio e collimazione.
     
  7. È possibile realizzare un "otturatore elettronico".
     
  8. La risoluzione dinamica è notevolmente migliore rispetto ai tubi (movimenti veloci).


Gli svantaggi dei CCD rispetto ai tubi

  1. L'aliasing provocato dal relativamente ristretto numero di elementi sensibili del CCD può provocare artefatti se nella scena è presente un alto dettaglio.
     
  2. Le linee diagonali tendono ad un andamento a gradini.
     
  3. È possibile che il livello di DC di ogni singolo elemento sensibile del CCD sia diverso dagli altri provocando un difetto chiamato "Fixed pattern noise" visibile se si aumenta il guadagno della camera.
     
  4. Non è più possibile correggere elettronicamente difetti dell'ottica.
     
  5. Esiste un fenomeno chiamato "Vertical Smear" tipico dei CCD dovuto a persistenza di cariche per alte luci.
    È possibile eliminare questo difetto solo con CCD FIT, molto costosi.
     
  6. Esiste un artefatto che si presenta quando la camera viene ruotata velocemente in orizzontale, artefatto che produce un tracciamento nella struttura verticale, uno spezzarsi di linee verticali dell'immagine.


Esistono anche altre problematiche relative ai CCD ma che si possono definire come frequenti malfunzionamenti. Il più comune è la morte di un singolo elemento sensibile del rilevatore (un pixel non viene più rilevato o rilevato con valore errato). I costruttori hanno sviluppato diversi sistemi per mascherare questo problema che, quando esiste, non può essere eliminato, può solo essere mascherato. In genere il valore non rilevato o rilevato erroneamente viene sostituito da  un valore mediato ricavato dai 4 o più pixel adiacenti.

A volte con il passare del tempo il CCD presenta sempre più pixel morti sino a che non si rende indispensabile sostituire tutto il gruppo dei 3 CCD + prisma dicroico. 

Attualmente purtroppo nessun costruttore è in grado di fissare uno standard di degrado del CCD ne di fornire garanzie in merito.

 
Autore: Rolando Pellacani
 
 
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