Super VHS, Y/C и гребенчатая фильтрация

Следующий крупный шаг в развитии видеомагнитофонов системы VHS был сделан в 1987 году с представлением концепции Super VHS. Формат Super VHS улучшил качество яркости и цветности записываемых видеосигналов, сохранив при этом совместимость с форматом VHS. Такая совместимость подразумевает использование одного и того же типа видеоголовок, вращающихся с одинаковой скоростью и под тем же углом.

В основном видеомагнитофоны Super VHS (S‑VHS) отличаются от VHS более широкой полосой пропускания. Это достигается выделением сигналов цветности и яркости из композитного видеосигнала с помощью специального гребенчатого фильтра и последующей модуляцией сигнала яркости на более высокой частоте и в более широкой полосе ЧМ‑сигнала, частота которого изменяется от 5.4 МГц до 7 МГц. Это означает, что видеосигнал яркости может быть записан в полосе частот, превышающей 5 МГц, что дает разрешение свыше 400 ТВЛ. При этом используются видеоголовки тех же физических размеров, но обладающие лучшими характеристиками. Кроме того, хотя и применяются видеоленты тех же размеров, однако качество их магнитного покрытия намного выше.

Видеомагнитофоны системы S‑VHS могут записывать и воспроизводить записи форматов VHS и S‑VHS.

Чтобы выполнить запись формата S‑VHS, должна быть использована лента S‑VHS (видеомагнитофон S‑VHS распознает ленту S‑VHS с помощью небольшой щели на кассете). Видеомагнитофон системы VHS не может воспроизводить записи, выполненные в стандарте S‑VHS.

Когда сигналы цветности и яркости объединены в полном композитном видеосигнале, всегда заметны видимые перекрестные искажения. Чтобы минимизировать этот дефект, формат S‑VHS допускает непосредственный вход и выход раздельных сигналов яркости и цветности. Эта пара обозначается Y/C (Y используется для яркости, а С – для цветности), им соответствуют контакты миниатюрных разъемов DIN (Deutsche industrie norme ), которые находятся на задней панели видеомагнитофонов S‑VHS.

Если у вас есть источник видеосигнала, который формирует Y/C‑сигналы (это относится к некоторым видеомультиплексорам, видеомагнитофонам или устройствам видеопамяти и некоторым цветным телекамерам. Прим. ред .) , то они могут быть подсоединены к видеомагнитофону S‑VHS специальным Y/C‑кабелем, который составлен из двух миниатюрных коаксиальных кабелей.

Среди некоторых пользователей существует неверное представление, будто мы в состоянии делать видеозапись высокого качества только в том случае, если сигнал Y/C поступает на S‑VHS видеомагнитофон. Это неверно, поскольку система S‑VHS была разработана прежде всего для записи композитных видеосигналов. С этой целью для S‑VHS был разработан специальный адаптивный гребенчатый фильтр, с помощью которого цветовая информация выделяется из композитного видеосигнала без существенной потери разрешения сигнала яркости (что наблюдается в случае с фильтром нижних частот в формате VHS).

Ранее проблема разделения сигнала Y/C решалась путем пропускания композитного видеосигнала через фильтр нижних частот и отфильтровывания цветового сигнала на частотах выше приблизительно 2.5 МГц в системе NTSC (выше 3 МГц в системе PAL), чтобы получить сигнал яркости. Уменьшенная полоса частот Y‑сигнала значительно ограничивала разрешение изображения. Для выделения цветового сигнала использовался полосовой фильтр, но он все‑таки содержал высокочастотные составляющие сигнала яркости, то есть имелись перекрестные искажения. (На изображении это проявляется в виде цветового муара. Прим. ред .)

Между тем известно, что основной композитный видеосигнал по своей природе периодический, что обусловлено строчной и кадровой разверткой, а также процессами гашения. Это означает, что если такой сигнал рассмотреть в частотной области (с применением анализа Фурье), то его спектр в большей степени будет представлен дискретными гармониками, нежели равномерным спектром. Этот факт является особенно важным и фундаментальным в анализе телевизионного сигнала.

Процесс разделения сигналов Y/C может быть упрощен путем выбора определенного соотношения междучастотами строчной и кадровой развертки и частотой цветовой поднесущей. Частота цветовой поднесущей в системе NTSC (подобный подход может быть применен и к системе PAL), F_sc , выбрана равной 3.579545 МГц (обычно приводится округленное значение 3.58 МГц). Это соответствует 455‑ой гармонике частоты строчной развертки, F_h , деленной на два (согласно определениям NTSC).

F_h = 15734.26 Гц

F_sc = 455 · F_h/2 = 3.579545 МГц

Поскольку видеокадр содержит 525 строк, а сам кадр состоит из двух поочередно передаваемых полей, то в каждом поле содержатся 262.5 строк. Отсюда частота строчной развертки равна: Fv = F_h/262.5 = 59.94 Гц. Кадр состоит их двух полей, поэтому частота кадра равна Fv/2 = 29.97 Гц.

Рис. 8.10. Категории гребенчатого фильтра

Так как видеосигнал по своей природе периодический, спектральное распределение видеочастот сгруппировано по блокам. Анализ Фурье статического видеосигнала показывает, что энергетический спектр сконцентрирован в блоках, отстоящих друг от друга на 15.734 кГц, что равно частоте строчной развертки. Каждый блок имеет боковые полосы с разнесением 59.94 и 29.97 Гц. Таким образом, сигнал яркости не имеет непрерывного распределения энергии в полосе частот. Вместо этого он существует в виде блоков энергии, отстоящих друг от друга на 15.734 кГц. Эти блоки не очень широки, из‑за чего большая часть пространства между ними пуста.

Сигнал цветности тоже по своей природе периодический, поскольку он появляется при каждом рабочем ходе по строке и прерывается на время гашения. Поэтому, сигнал цветности будет также сгруппирован в блоки с интервалом 15.734 кГц по всей полосе частот. Если цветовая поднесущая выбрана на

нечетной гармонике F_h/2 (455), то сигналы блоков цветового сигнала попадут точно между сигналами яркости. Вследствие этого сигналы Y и С могут занимать одно и то же частотное пространство, реализуя процесс частотного разделения.

Эта идея лежит в основе гребенчатых фильтров. Гребенчатый фильтр может быть разработан таким образом, что его амплитудно‑частотная характеристика будет иметь нули на периодических частотных интервалах. На средней частоте между нулями, гребенчатый фильтр пропускает сигнал. Если гребенчатый фильтр настроен на те же самые интервалы 15.734 кГц, что присутствуют в спектре Y/C, то он будет пропускать сигнал Y, подавляя сигнал С или наоборот.

При использовании кабелей Y/C для связи между компонентами видеосистемы S‑VHS наблюдаются минимальные перекрестные искажения цвета и яркости, однако для системы видеонаблюдения это непрактично, поскольку требует использования двух коаксиальных кабелей. Миниатюрный кабель Y/C, который поставляется с некоторыми моделями видеомагнитофонов S‑VHS, является двойным коаксиальным кабелем, предназначенным только для небольших расстояний, поскольку его затухание намного больше, чем у широко распространенного кабеля RG‑59/U. Основное назначение таких Y/C‑соединений – это возможность перезаписи.

Следует также отметить, что технология гребенчатой фильтрации совершенствуется с каждым днем.

Сегодня самые усовершенствованные модификации гребенчатых фильтров используются не только в видеомагнитофонах S‑VHS, но также и в высококачественных видеомониторах и телевизорах.

Сначала это был двумерный гребенчатый фильтр, в котором, чтобы сравнить «содержимое» цветового сигнала и выбрать оптимальную фильтрацию, использовалась не одна единственная строка видеосигнала, а еще и две соседние – предыдущая и последующая (отсюда название – двумерный). Дальнейшее усовершенствование было привнесено трехмерной гребенчатой фильтрацией и цифровой гребенчатой фильтрацией, когда информация о цвете обрабатывается не только в одном телевизионном поле, но и в предыдущем и последующем полях (поэтому – трехмерный). Новые разработки продолжают повышать разрешение и точность воспроизведения цвета.

Возможно, что в состав вашего оборудования входят, например, видеомагнитофон S‑VHS и видеомонитор, оба со встроенными гребенчатыми фильтрами, но необязательно одинакового типа и качества. Имеет смысл поэкспериментировать, поскольку может случиться так, что лучшее качество при воспроизведении изображения будет достигнуто, если с видеомагнитофона взять композитный видеосигнал, информация о цвете из которого будет извлекаться гребенчатым фильтром видеомонитора (если он обладает лучшими параметрами), чем при использовании кабельного соединения Y/C между видеомагнитофоном S‑VHS и видеомонитором.

Таким образом, применение в системе видеонаблюдения видеомагнитофонов S‑VHS с цветными телекамерами высокого разрешения и одним коаксиальным кабелем для композитного видеосигнала является все же гораздо более предпочтительным, чем использование видеомагнитофонов формата VHS.

Качество записываемого сигнала обеспечивается высоким качеством адаптивного гребенчатого фильтра, встроенного в видеомагнитофон S‑VHS, и воспроизведенный сигнал будет хорош настолько, насколько его способен будет отображать видеомонитор. Если используется цветной видеомонитор с высоким разрешением, который к тому же обладает своим гребенчатым фильтром, то качество будет намного выше, чем при использовании видеомониторов, предназначенных для коммерческого использования. Если мы предполагаем, что разрешающая способность по горизонтали телекамеры составляет 470 ТВЛ,

видеомагнитофон S‑VHS имеет приблизительно 400 ТВЛ, а видеомонитор – 600 ТВЛ, то ясно, что видеомагнитофон представляет самое узкое место в смысле разрешающей способности и воспроизведенный сигнал будет иметь около 400 ТВЛ (предполагается, разумеется, использование ленты формата S‑VHS).

Другое второстепенное замечание, затерявшееся среди многочисленных технических вопросов, связанных с видеомагнитофонами формата S‑VHS, связано с режимами LP/SP (длительное воспроизведение/стандартное воспроизведение). Качество S‑VHS достижимо как в режиме длительного воспроизведения, так и в режиме стандартного воспроизведения. Наблюдается весьма незначительное ухудшение записи в области верхних частот вследствие более близкого расположения видеодорожек и более медленного перемещения ленты, но этот дефект почти не обнаруживаем.

Использование бытовых видеомагнитофонов для целей видеонаблюдения

Самый тривиальный вопрос, который часто задают мне люди, далекие от техники, звучит так: «Могу ли я присоединить телекамеру к своему домашнему видеомагнитофону и записывать, а потом просматривать запись по телевизору?». Ответ – «Да», хотя вам следует иметь в виду, что при этом произойдет снижение качества записи из‑за использования оборудования, не предназначенного специально для систем видеонаблюдения.

Типичный бытовой видеомагнитофон кроме радиочастотного (антенного) входа, имеет также входы Аудио/Видео (A/V). Обычно они представлены в виде входных розеток (иногда их называют RCA‑разъемами), одна предназначена для основной полосы пропускания видеочастот (это то, что, как мы ранее упоминали, передается нам камерой видеонаблюдения), а другая – для звукового сигнала. Таким образом, видеосигнал камеры видеонаблюдения должен быть присоединен непосредственно к видеовходу видеомагнитофона с помощью соответствующего адаптера (BNC‑RCA). После этого видеовыход видеомагнитофона (того же самого типа RCA) должен быть присоединен к видеовходу телевизора. Как видеомагнитофон, так и телевизор должны быть переключены на канал A/V, после чего изображение с телекамеры должно появиться на экране вашего телевизора.

Рис. 8.11. Стойки с видеомагнитофонами в Сиднейском казино «Star City », которые записывают сигналы со всех телекамер в режиме реального времени и полностью управляются матричным коммутатором.

Однако, если ваш телевизор не имеет входа A/V, то радиочастотный выходной сигнал видеомагнитофона должен быть принят на радиочастотном (или антенном) входе телевизионного приемника. Понятно, что телевизор при этом должен быть настроен на канал видеомагнитофона, которым в большинстве случаев должен служить один из ДМВ‑каналов (36–39), поскольку это – заранее определенная зона для видеомагнитофонов, но некоторые более ранние модели могут модулировать свой сигнал в диапазонах метровых волн – 0, 1,2 или 3. В этом случае видеомагнитофон также должен быть настроен на канал A/ V, чтобы передать сигнал телекамеры с видеовхода на радиочастотный выход. В обоих упомянутых случаях видеомагнитофон включается между телекамерой и телевизором. При просмотре сигнала в реальном времени или в записи изображение появляется на экране телевизора, и в режиме воспроизведения видеомагнитофон отсекает входящий сигнал «живого» изображения и показывает на том же самом телевизоре записанное изображение.

При сравнении моделей бытовых видеомагнитофонов со специально предназначенными для видеонаблюдения time lapse видеомагнитофонами, которые будут рассмотрены в следующем параграфе, становятся очевидными их многочисленные неудобства: нет встроенных времени и даты в записываемый видеосигнал, нет входов для внешних датчиков тревоги и максимальное время записи может быть достигнуто в режиме длительного воспроизведения, который не превышает 10 часов для системы цветного телевидения PAL и 8 часов для системы NTSC. Однако, имеются и некоторые, вполне определенные преимущества: цена обычного видеомагнитофона очень низка и доступна, а изображения записываются в полном объеме, то есть 50 полей в секунду для системы PAL и 60 полей в секунду для системы NTSC.

Из‑за последнего обстоятельства некоторые производители матричных видеокоммутаторов разработали специальные аппаратные средства и программные интерфейсы для своих устройств с тем, чтобы можно было управлять работой бытовых видеомагнитофонов. Обычно это делается путем исключения пульта дистанционного управления на ИК‑лучах, при этом полное управление видеомагнитофоном осуществляется посредством матричного видеокоммутатора. Для больших систем это сопряжено почти с такими же материальными затратами, как если включать в их состав видеомультиплексоры или time lapse видеомагнитофоны. По этой причине, а также вследствие необходимости обеспечения записи в режиме реального времени на протяжении всего времени работы, такое решение стало особенно привлекательным для больших видеосистем в казино. Имея матричную систему, надлежащим образом разработанную и запрограммированную, можно полностью автоматизировать и контролировать работу сотен и сотен видеомагнитофонов, исключение составляет только замена лент.

Здесь нам следует упомянуть также, что из‑за различных скоростей записи в двух телевизионных стандартах, рассмотренных в настоящей книге (системах цветного телевидения PAL и NTSC), мы имеем различную длину видеозаписи, и, следовательно, слегка различное время записи/воспроизведения. Представленная ниже таблица должна дать достаточно полную информацию о таких несоответствиях. Пожалуйста, обратите внимание, что международная маркировка ленты для устройств системы PAL предусматривает букву «Е», а для устройств системы NTSC – букву «Т».