Общие характеристики телевизионных систем

В этой главе рассматриваются теоретические основы видеосигналов, ширина полосы пропускания частот и разрешение. Глава предназначена для технических специалистов, желающих знать, каковы ограничения ТВ‑системы вообще и системы видеонаблюдения в частности.

Немного истории

Чтобы понять основные принципы ТВ, мы должны обратиться к эффекту инерционности зрения (см. раздел «Инерционность», глава 2).

Как и кино, телевидение использует этот эффект, чтобы обмануть наш мозг: глядя на сменяющие друг друга на очень высокой скорости неподвижные кадры, мы верим, что видим «движущиеся картинки», или кинофильм.

В 1903 г. публике был показан первый фильм, «Большое ограбление поезда», созданный в лаборатории Томаса Эдисона (Edison Laboratories). Это событие ознаменовало собой начало кинематографической революции. Концепция телевидения, которая считается более молодой по сравнению с идеей кино, разрабатывалась, тем не менее, уже в конце XIX в. Все началось в 1817 г. с открытия шведским химиком Джонсом Берцелиусом элемента селена и фотоэлектричества. Он обнаружил, что количество электрического тока, вырабатываемого селеном под действием света, зависит от количества падающего на него света.

В 1875 г. американский изобретатель Кейри (G.R.Carey) собрал самую первую, довольно грубую, телесистему, в которой для формирования сигнала он использовал группы фотоэлементов. Сигнал воспроизводился на блоке из электроламп, каждая из которых излучала свет, пропорциональный количеству света, падающего на фотоэлементы.

Позднее в эту концепцию были внесены незначительные изменения вроде представленного П. Нипковым (Nipkow) в 1884 г. «развертывающего диска», в котором элементы сканировались механически вращавшимся диском с отверстиями, выстроенными в спираль. В 1923 г. была осуществлена первая практическая передача изображения по проводам – сначала Байрдом (Baird) в Англии, и чуть позднее Дженкинсом (Jenkins) в Соединенных Штатах. Первая телепередача транслировалась в 1932 г. компанией ВВС в Лондоне, а экспериментальные телепередачи осуществлялись берлинской компанией Fernseh, которую возглавлял изобретатель электронно‑лучевой трубки (ЭЛТ) профессор Манфред фон Арденн. Владимир Зворыкин, инженер российского происхождения, в 1931 г. разработал первую ТВ‑камеру, известную под названием «иконоскоп» и работавшую по тому же принципу, что и появившиеся позднее камеры с передающей трубкой и электронно‑лучевая трубка (ЭЛТ).

Рис. 4.1 . Телевизионный приемник Байрда , 1923

Рис. 4.2. Иконоскоп Зворыкина

Обе эти технологии, кино и ТВ, для достижения эффекта движения воспроизводят много неподвижных изображений в секунду. Однако в ТВ неподвижные изображения проецируются не световым проектором через целлулоидную пленку, как в кино, а при помощи электронно‑лучевого сканирования. Изображения формируются строка за строкой, подобно тому, как мы читаем книгу, слева направо и сверху вниз (если смотреть со стороны ЭЛТ).

Важную роль во всем этом процессе играет послесвечение люминофора, покрывающего ЭЛТ монитора. Оно зависит от типа люминофорного покрытия и яркости экрана.

Основы телевидения

Сегодня в мире существует и используется несколько различных ТВ‑стандартов. Рекомендации CCIR/PAL используются на большей территории Европы, в Австралии, Новой Зеландии, большинстве стран Африки и Азии. Аналогичная концепция используется и в рекомендациях EIA/NTSC для ТВ‑стандарта, используемого в США, Японии и Канаде, а также в рекомендациях SECAM, используемых во Франции, России, Египте, некоторых бывших французских колониях и странах Восточной Европы. Главное различие между этими стандартами заключается в числе строк развертки и частоте кадров.

Прежде чем приступить к рассмотрению основных принципов телевидения, давайте разберемся в терминологических аббревиатурах, используемых в различной технической литературе, посвященной телевидению:

CCIR – сокращенное название Международного консультативного комитета по радиовещанию (Committee Consultatif International des Radiotelecommunique). Это комитет, устанавливающий стандарты для черно‑белого ТВ в большинстве стран Европы, Австралии и других странах. Вот почему мы называем оборудование, соответствующее стандартам черно‑белого ТВ, CCIR‑совместимым.

Тот же тип стандарта, позднее дополненный сигналами цветности, был назван стандартом PAL.

Название ему дала концепция, используемая для воспроизведения цвета попеременными фазовыми сдвигами цветовой поднесущей на каждой новой строке. Отсюда и название «построчное изменение фазы» (phase alternate line – PAL).

EIA расшифровывается как Electronics Industry Association (Ассоциация Электронной Промышленности). Эта ассоциация разработала стандарт для монохромного ТВ в США, Канаде и Японии, где его часто называют RS‑170 – по коду рекомендательного предложения EIA. Когда монохромное ТВ приобрело цвет, оно получило название по имени группы, разработавшей стандарт: Национальный комитет по телевизионным стандартам (National Television Systems Committee – NTSC).

SECAM – аббревиатура французского названия Sequentiel Couleur avec Memoire, которое фактически описывает принцип передачи цвета: последовательность сигналов цветности и необходимость запоминающего устройства в ТВ‑приемнике для декодирования цветовой информации. SECAM, изначально запатентованный 1956 изобретателем по имени Анри де Франс, фактически был первым аналоговым стандартом цветного телевидения, где использовалось 819 строк и 50 кадров в секунду. Позднее в SECAM стали использовать 625 строк.

Во всех ТВ‑стандартах рекомендуемым является формат изображения ТВ‑экрана 4:3 (4 единицы в ширину и 3 единицы в высоту). Это объясняется, главным образом, аналогичным форматным соотношением для кинопленки, принятым еще на заре телевидения.

Неодинаковое число строк, используемых в различных ТВ‑стандартах, определяет остальные характеристики системы.

EIA рекомендует 525 строк, a PAL и SECAM используют 625 (раньше SECAM использовал 819 строк).

Независимо от этих различий все системы используют одну и ту же концепцию построчного создания изображения электронным лучом.

Когда видеосигнал, произведенный камерой, передается на вход монитора, флуктуации напряжения преобразуются в флуктуации потока электронов в электронном луче, который бомбардирует люминофорное покрытие ЭЛТ в процессе построчной развертки. Люминофорное покрытие генерирует свет пропорционально количеству электронов, которое пропорционально колебаниям напряжения. А эти колебания, конечно же, пропорциональны световой информации, попадающей на ПЗС‑матрицу.

Люминофорное покрытие монитора также обладает определенным послесвечением, то есть генерируемый лучом свет не исчезает немедленно вместе с исчезновением луча. Люминофор продолжает излучать свет еще в течение нескольких миллисекунд. Это значит, что ТВ‑экран освещается яркой полосой, которая перемещается по нисходящей на определенной скорости.

Понятно, что это очень упрощенное описание того, что происходит с видеосигналом, когда тот попадает в монитор. Более подробно работу монитора мы обсудим в гл. 6, ну а информацию данной главы будем рассматривать как введение в принципы телевидения для читателей, не имеющих технического образования.

Решая, сколько строк и какую скорость регенерации изображения использовать, следует принимать во внимание многие факторы. Как это часто бывает в жизни, решения должны быть компромиссными – нужно найти компромисс между желанием передать максимум информации, позволяющей видеть точное изображение реальных объектов, и требованием передать ее экономно и большому количеству пользователей, которые могут позволить себе купить такой ТВ‑ресивер.

Чем больше используется строк и больше кадров в секунду, тем более широкой будет полоса пропускания частот видеосигнала, что и будет диктовать стоимость телекамер, технологического оборудования, передатчиков и приемников.

Скорость обновления кадра, то есть число кадров в 1 секунду, была установлена исходя из инерционности зрительного восприятия человека и яркости ЭЛТ. Теоретически, идеальным вариантом были бы 24 кадра в секунду – из‑за сочетаемости такого числа и с форматом кино, и с телевидением (широко использовались в первые годы существования телевидения). Однако фактически, это оказалось невозможно по причине высокой яркости, которую дает люминофор ЭЛТ и которая вызывала мерцание изображения (относительно расстояния от зрителя до экрана, см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость инерционности зрительного восприятия от яркости

В результате многочисленных экспериментов выяснилось, что для устранения мерцания требовалось, по крайней мере, 48 кадров в секунду. Такое количество кадров было бы удобно использовать, поскольку оно тождественно частоте кинопроектора, и, соответственно, можно легко конвертировать кино в телевизионный формат. Однако это число принято не было. Телеинженеры выбрали вариант 50 кадров в секунду по стандарту CCIR и 60 кадров в секунду по стандарту EIA. Эти цифры достаточно высоки, чтобы человеческий глаз не замечал мерцания, но еще важнее, что они совпали с промышленной частотой в 50 Гц, используемой во всей Европе, и частотой в 60 Гц, используемой в США, Канаде и Японии. Причиной тому была электронная схема ТВ‑приемников, которые первоначально в большой степени зависели от промышленной частоты. Если бы был принят формат в 48 кадров, то разница в 2 Гц для CCIR и 12 Гц для EIA вызвала бы множество помех и перебоев в процессе развертки изображения.

Тем не менее, серьезной оставалась проблема, как воспроизвести 50 (PAL) или 60 (NTSC) кадров в секунду, реально не увеличивая начальную частоту сканирования камеры, равную 25 (то есть 30) кадрам в секунду. Дело не в том, что частоту сканирования камеры нельзя удвоить, а в том, что придется увеличить полосу пропускания видеосигнала, тем самым увеличив, как уже говорилось, стоимость электроники. К тому же, надо помнить о вещательных телеканалах, которые в этом случае должны быть шире, и, следовательно, меньше каналов было бы доступно для использования (без помех) в зоне выделенной частоты.

Все перечисленные факторы заставили инженеров использовать уловку, подобную мальтийскому механизму, используемому в кинопроецировании, благодаря чему 50 (60) кадров можно воспроизводить без реального увеличения полосы пропускания. Название этой уловки – чересстрочная развертка .

Рис. 4.4. Чересстрочная развертка, упрощенно

Вместо того, чтобы составлять изображения из 625 (525) горизонтальных строк прогрессивной разверткой, было решено чередовать развертку нечетными и четными строками. Другими словами, вместо того, чтобы посредством одной прогрессивной развертки 625 (525) строк воспроизводить один ТВ‑кадр, этот кадр был разделен на две половины, одна из которых состояла только из нечетных линий, а вторая – только из четных. Они развертывались таким образом, что строки одного полукадра попадали точно между строк другого. Вот почему такая развертка называется чересстрочной. Все строки каждой половины – в случае CCIR сигнала их 312.5, в NTSC их 262.5 – формируют так называемое ТВ‑поле. В системах CCIR и SECAM 25 нечетных полей и 25 четных полей, в системе EIA – по 30. В общей же сложности одно за другим, каждую секунду, быстро движутся 50 полей в секунду (в EIA 60).

Нечетное поле вместе с последующим четным составляет так называемый ТВ‑кадр. Таким образом, каждый CCIR/PAL и SECAM сигнал состоит из 25 кадров в секунду, или 50 полей.

Каждый EIA/NTSC сигнал состоит из 30 кадров в секунду, что эквивалентно 60 полям.

Фактическая развертка на экране монитора начинается в верхнем левом углу со строки 1, затем переходит на строку 3, оставляя место между 1 и 3 строками для строки 2, которая должна появляться, когда начинается сканирование четных строчек.

Первоначально было трудно достичь точной чересстрочной развертки. Чтобы получить такие колебания, при которых четные строки попадали бы точно между нечетными, необходима была очень устойчивая электроника. Но вскоре было найдено простое и очень эффективное решение: выбор нечетного числа строк, причем каждое поле заканчивает развертку на половине строки. Сохраняя линейную вертикальную развертку (которую намного легче обеспечить), половина строки завершает цикл в середине верха экрана, таким образом, заканчивая 313‑ую строку в CCIR (263‑ую в EIA), после чего обеспечивается точное чередование четных линий.

Рис. 4.5. Зона кадрового (вертикального) синхроимпульса на экране осциллографа

Рис. 4.6. Кадровый синхроимпульс в деталях

Рис. 4.7. ТВ‑сигнал в строчном режиме (со строчным синхроимпульсом)

Рис. 4.8. Кадровый синхроимпульс можно увидеть на мониторе с настройкой V‑Hold

Когда электронный луч заканчивает сканирование каждой строки (на правой стороне ЭЛТ, если смотреть на нее), он получает строчный (горизонтальный) синхронизирующий импульс (или строчный синхроимпульс). Синхроимпульс встроен в видеосигнал и следует за видеоинформацией строки. Он сообщает лучу, когда следует прекратить вывод видеоинформации и быстро вернуться влево, к началу новой строки. Равным образом, поле завершается кадровым (вертикальным) синхроимпульсом, который «сообщает» лучу, что пора прекратить «писать» видеоинформацию и следует быстро вернуться к началу нового поля. Период обратного хода электронного сканирующего луча короче, чем фактический ход развертки, к тому же он позиционный, то есть, электроны в течение этих периодов синтеза изображения не выталкиваются.

В действительности, хотя система сканирования и обозначается как 525 ТВ‑линий (или 625 в PAL), не все линии активны, то есть видимы на экране. На временной диаграмме ТВ‑сигнала системы NTSC и PAL мы видим, что часть линий используется для выравнивания кадрового синхроимпульса, часть вообще не используется, а некоторые невидимы из‑за эффекта усечения растра (помните, ни один монитор или телеприемник не показывает видеосигнал камеры на все 100 %, за исключением некоторых специальных мониторов).

Рис. 4.9. Тестовый генератор TPG‑8 и осциллограмма его тестовой таблицы

Если мы учтем ошибки сканирования, толщину электронного луча и пр., то в системе CCIR (разумеется, та же логика применима к другим стандартам) мы насчитаем едва ли больше 570 активных ТВ‑строк в PAL и не более 480 активных строк в NSTC. Более подробно ограничения видеосигнала рассматриваются далее.

Некоторые из «невидимых» строк весьма эффективно используются для других целей. В концепции PAL Teletext, например, CCIR рекомендует использовать строки 17, 18, 330 и 331 для размещения 8‑разрядной цифровой информации. Декодер телетекста в вашем телевизоре или видеомагнитофоне может аккумулировать цифровые данные полей, которые содержат информацию о погоде, курсе обмена валют, результаты розыгрышей лотерей и т. д.

В некоторых системах NTSC строка 21 несет закрытые титры, т. е. информацию в виде субтитров.

Некоторые невидимые строки используются для вставки испытательных видеосигналов специальной формы, так называемых VITS (Video insertion test signal – сигнал испытательной строки), которые при измерении на приемнике дают ценную информацию о качестве передачи и приема в конкретной зоне.

В видеонаблюдении некоторые производители используют невидимые строки, чтобы вставить информацию вроде маркировки камеры, времени и даты записи и т. п. Эти строки можно также записать на видеомагнитофон, но на экране монитора они остаются невидимыми. Однако информация всегда присутствует в записи, она встроена в видеосигнал. Такая информация надежнее, и ее труднее подделать. Ее можно восстановить специальным ТВ‑декодером строк и использовать всякий раз, когда необходимо, показывая маркировку камеры, а также время и дату записи конкретного сигнала и, например, постороннее вторжение в изображение.

Рис. 4.10. Временная диаграмма ТВ‑сигнала системы NTSC

Рис. 4.11. Временная диаграмма ТВ‑сигнала системы PAL