4. Общие характеристики телевизионных систем

4. 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

Видеосигнал и его спектр

В этом разделе рассматриваются теоретические основы ограничений видеосигнала, полосы пропускания и разрешения. Это сложный предмет, требующий знания высшей математики и электроники, но я постараюсь объяснить его на простом и доступном языке.

Большинство искусственных электрических сигналов можно описать математически. Для периодических сигналов, например, таких, как в линиях энергоснабжения, математическое описание очень простое. Периодическую функцию всегда можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний, каждое из которых может иметь различную амплитуду и фазу. По аналогии со спектром белого света, она называется спектром электрического сигнала. Чем более периодичен электрический сигнал, тем легче можно его представить и с меньшим количеством компонентов синусоидальных колебаний. Каждый компонент синусоидального колебания можно представить дискретным значением в спектре частот сигнала. Чем менее периодична функция, тем больше компонентов потребуется для воспроизведения сигнала. Теоретически, даже непериодическую функцию можно представить в виде суммы различных синусоидальных колебаний, но только в этом случае придется суммировать намного больше этих колебаний, чтобы получить непериодический результат. Другими словами, спектральное представление непериодического сигнала будет иметь полосу пропускания, более плотно заполненную различными компонентами. Чем мельче детали сигнала, тем выше частоты в спектре сигнала. Очень мелкие детали видеосигнала будут представлены высокочастотными синусоидальными колебаниями. Это равнозначно информации высокого разрешения. У сигнала, наполненного высокими частотами, более широкая полоса частот. Даже единственный, но очень резкий импульс, будет иметь очень широкую полосу частот.

Рис. 4.12. Спектр полосы пропускания композитного видеосигнала

Все вышесказанное является изложением, весьма упрощенным, очень важной спектральной теории Фурье, которая утверждает, что каждый сигнал во временной области имеет свое отображение в частотной области. Спектральная теория Фурье применима на практике — периодические электрические сигналы с широкой полосой пропускания можно исследовать более эффективно при помощи анализа их спектра частот. Не будем углубляться в эту теорию, но заметим для пользователей систем видеонаблюдения: концепция анализа спектра частот очень важна для исследования сложных сигналов, таких как собственно видеосигнал. Видеосигнал — это, пожалуй, один из наиболее сложных электрических сигналов, и его практически невозможно точно описать математически, так как во временной области сигнал постоянно меняется. Видеоинформация (т. е. компоненты яркости и цветности) непрерывно меняется. Однако, поскольку мы формируем видеоизображения посредством периодического сканирования лучом, мы можем аппроксимировать видеосигнал периодическим сигналом. Одним из главных компонентов в этой периодичности будет частота строк — для CCIR и SECAM 25 x 625 = 15625 Гц; для EIA 30 x 525 = 15750 Гц.

Можно показать, что спектр упрощенного видеосигнала состоит из гармоник частоты строк, вокруг которых есть сопутствующие компоненты, как на левой, так и на правой стороне (боковых полосах). Расстояния между компонентами зависят от содержания видеоизображения и динамики двигательной активности. Кроме того, очень важно обратить внимание, что такой спектр, составленный из гармоник и их компонентов, является сходящимся, то есть гармоники уменьшаются по амплитуде с увеличением частоты. Но еще более важный вывод из спектральной теории Фурье состоит в том, что позиции гармоник и их компонентов в спектре видеосигнала зависят только от анализа изображения (соотношение 4:3, чересстрочная развертка 625). Энергетическое распределение видеосигнала между гармониками зависит от содержания изображения. Тем не менее, гармоники занимают точные положения, потому что они зависят только от частоты строк.

Другими словами, динамика видеосигнала и амплитуда определенных компонентов в боковых полосах меняются, но положения гармоник (как поднесущих частот) остаются постоянными.

Рис. 4.13. Пример смещения частотных каналов в телевещании

Это очень важный вывод. В вещательном ТВ он помог найти способ уменьшить спектр видеосигнала до минимума без особой потери деталей. Конечно, всегда можно найти компромисс, но так как основная энергия видеосигнала сосредоточена около нулевой частоты и нескольких первых гармоник, нет никакой необходимости передавать полный спектр видеосигнала. Ученые и инженеры использовали все эти факты, пытаясь найти компромиссное решение: они стремились рассчитать, насколько малую часть полосы пропускания следует использовать при передаче видеоизображения, чтобы не потерять слишком много деталей. Как мы уже упоминали, рассматривая различные ТВ-стандарты, полоса частот будет тем шире, чем больше строк сканирования используется в системе и чем выше разрешение сигнала.

Принимая во внимание ограниченный размер электронного луча (который также определяет минимальные воспроизводимые элементы изображения), физический размер ТВ-экранов, расстояние от зрителя до экрана, сложность и издержки производства телесистем, можно заключить, что для качественного воспроизведения телесигнала достаточно ширины полосы пропускания в 5 МГц. Можно использовать более широкую полосу, но тогда будет очень низким коэффициент достижения качества в сравнении с затратами. Фактически, в телевещательных студиях камеры, записывающее оборудование и мониторы имеют намного более высокие стандарты, со спектрами до 10 МГц. Но они предназначены исключительно для внутреннего пользования, для качественной записи и дублирования (перезаписи). Прежде чем такой сигнал будет модулирован и передан на радиочастоте, он сокращается до 5 МГц, к которым прибавляется около 0.5 МГц для левого и правого каналов звукового сопровождения. На телепередатчике такой сигнал модулируется так, чтобы передавалась только его боковая подавленная полоса частот вместе с полной полосой частот, включая буферную зону разделения, что в сумме равняется 7 МГц (для PAL). Но обратите внимание, что фактически используемая полоса видеосигнала в телевещании равна всего 5 МГц. Для читателей, которым это интересно, заметим, что в большинстве стран, использующих стандарт PAL, видеосигнал модулируется методами амплитудной модуляции (AM), в то время как звук — частотной модуляцией (ЧМ).

Аналогичные соображения учитываются при рассмотрении сигналов NTSC, где полоса частот в телевещании равна примерно 4.2 МГц.

В большинстве систем видеонаблюдения мы не сталкиваемся с подобными ограничениями в отношении полосы частот, поскольку мы не передаем радиочастотно-модулированный видеосигнал. Нам не надо волноваться по поводу помех соседних видеоканалов. В видеонаблюдении мы используем необработанный видеосигнал в том виде, в каком он выходит из камеры, это базовый видеосигнал. Обычно его сокращенно обозначают CVBS (composite video bar signal — полный видеосигнал). Спектр такого сигнала, как уже упоминалось, колеблется в пределах от 0 до 10 МГц — в зависимости от качества источника.

Спектральная емкость коаксиального кабеля как канала передачи гораздо шире. Самый распространенный коаксиальный кабель 75 Ом RG-59B/U, например, может легко передать сигналы с шириной полосы частот до 100 МГц. Конечно, он используется для передачи информации на небольшие расстояния — до двухсот метров, но для большинства систем видеонаблюдения этого достаточно. Различные средства передачи имеют различные ограничения полосы частот. Одни имеют большую, чем коаксиальные кабели, ширину полосы пропускания, другие — меньшую, но у большинства полоса все же значительно шире 10 МГц.

Цветной видеосигнал

Когда появилось цветное телевидение, в его основе лежали определения и ограничения монохромного сигнала. Сохранение совместимости между черно-белым и цветным ТВ имело принципиальную важность. Единственный способ, каким цветовая информация (хроматическая) может быть передана вместе с яркостью без увеличения полосы пропускания частот видеосигнала, состоял в том, чтобы модулировать цветовую информацию частотой, которая бы попадала точно между компонентами спектра яркости. Это означает, что спектр сигнала цветности перемежается со спектром сигнала яркости таким образом, что они не мешают друг другу. Эта частота называется хроматической поднесущей. Было обнаружено, что наиболее подходящей для PAL является частота 4.43361875 МГц. В NTSC используется тот же принцип: в данном случае необходима цветовая поднесущая 3.579545 МГц.

Здесь необходимо уточнить и подчеркнуть, что NTSC характеризуется именно 29.97 кадрами, а не 30(!). Это объясняется определением цветового сигнала в NTSC, который, как гласит видеостандарт RS170A, базируется в точности на частоте цветовой поднесущей в 3.579545 МГц. Частота строчной развертки определяется умножением 2/455 на частоту цветовой поднесущей, что равняется 15734 Гц. Из нее выводится частота кадровой развертки; NTSC рекомендует высчитывать ее умножением 2/525 на частоту строчной развертки. В результате получается 59.94 Гц для частоты кадров, или скорости полей. Однако для простоты и удобства в этой книге мы будем говорить, что в NTSC сигналу соответствует 60 полей.

Как мы уже упоминали в разделе «Цветное телевидение», основы воспроизведения цвета лежат в аддитивном смешении трех основных цветовых сигналов: красного, зеленого и синего. Так, для передачи полного цветового сигнала, теоретически, кроме информации яркости, требуются еще три разных сигнала. На заре цветного ТВ это казалось невозможным, особенно, когда для сохранения совместимости с монохромными стандартами использовалась область между 4 и 5 МГц.

Для этого требовалась сложная, но умная процедура. В рамках нашей книги объяснить такую процедуру не представляется возможным, но чтобы читатели лучше понимали все сложности воспроизведения цвета в ТВ, приведем следующие факты.

Рис. 4.14. Цветные полосы. Цветные полосы (NTSC) на экране вектороскопа

Рис. 4.15. Цветные полосы. Цветные полосы (PAL) на экране вектороскопа

В реальной ситуации помимо сигнала яркости, который часто обозначается как Y = U_Y, объединяются еще два сигнала (а не три). Это так называемые цветовые разности: V = U_R — U_Y и U = U_R — U_Y, т. е. разности между красным и яркостным сигналом и между синим и яркостным. Почему вместо простых значений R, В (и G) (соответственно для красного, синего и зеленого) используются цветовые разности? Для совместимости с монохромной системой. А именно, было обнаружено, что, когда белый или серый цвет передается через систему цветного ТВ, в ЭЛТ должен присутствовать только сигнал яркости. Чтобы устранить цветовые компоненты в системе, была введена цветовая разность.

Учитывая основные соотношения между тремя цветовыми сигналами:

U_Y = 0.3U_R + 0.59U_G + 0.11U_B (34)

можно показать, что, используя яркость и цветоразностные сигналы, есть возможность восстановить все три основных цветовых сигнала:

U_R = (U_R — U_Y) + U_Y (35) (36) (37)

U_B = (U_B — U_Y) + U_Y 

U_G = (U_G — U_Y) + U_Y 

Для белого цвета U_R = U_B = U_G,таким образом U_Y = (0.3 + 0.59 + 0.11)U_R = U_B = U_G, Цветовая разность зеленого не передается, но ее получают путем следующих вычислений (снова используя (34)):

U_G — U_Y = -0.51(U_R — U_Y) + 0.19(U_B — U_Y) (38)

Это отношение показывает, что в цветном телевидении для успешного восстановления цвета, помимо яркости, достаточно всего двух дополнительных сигналов. Это цветовые разности красного и синего (Ки U), и они встроены в сигнал CVBS.

Поскольку компоненты R, G и В получают из цветоразностных сигналов посредством простых линейных матричных уравнений, которые в электронике можно реализовать при помощи простых резистивных цепей, эти схемы называются матрицами линейного преобразования.

Следует отметить, что два рассматриваемых нами ТВ-стандарта, NTSC и PAL, базируют свою теорию воспроизведения цвета на двух разных показателях люминофора ЭЛТ (называемых гаммой, о чем мы поговорим позже в разделе «Мониторы»). Стандарт NTSC принимает гамму в 2.2, a PAL — 2.8. Эти показатели встроены в код сигнала до его передачи.

Рис. 4.16. Сигнал цветовой синхронизации

Pис. 4.17. Цветовые векторы в стандарте PAL

Практически, гамма 2.8 — это более реалистическое значение, что отражается также в более высококонтрастном изображении.

Конечно, воспроизведенный цветовой контраст будет зависеть непосредственно от гаммы люминофора монитора.

Чтобы объединить (модулировать) эти цветоразностные сигналы с сигналом яркости, в системе телевещания используется так называемая квадратурная амплитудная модуляция, где два различных сигнала (V и U) модулируют одну несущую частоту (цветовую поднесущую). Это возможно благодаря разности фаз в 90° между этими двумя сигналами, что и объясняет название «квадратурная модуляция».

В цветовом стандарте PAL есть еще одна «хитрая» схема минимизации искажения цветового сигнала. Зная, что человеческий глаз более чувствителен к цветовым искажениям, чем к изменениям яркости, ученые предложили для кодирования цвета специальную процедуру, позволяющую минимизировать искажения или, по крайней мере, сделать их менее заметными. Это достигается путем изменения фазы сигнала цветности на 180° на каждой второй строке. Так, если происходят искажения при передаче, обычно в форме сдвига фазы, то они приводят к изменению цвета такой же величины. Но поскольку электронное векторное представление цветов выбрано так, чтобы дополнительные цвета располагались друг против друга, то ошибки также являются дополнительными и, если смотреть на искаженные соседние строки с некоторого расстояния, ошибки нейтрализуют друг друга. Отсюда и название — построчное изменение фазы (phase alternating line — PAL).

Рис. 4.18. Стандартная последовательность цветовых полос в телевидении

Разрешение

Разрешение — это свойство системы показывать мелкие детали. Чем выше разрешение, тем больше деталей мы видим. Разрешение ТВ-изображения зависит от числа активных строк развертки, качества телекамеры, монитора и средств передачи информации.

Так как мы используем двумерные устройства (ПЗС-матрицы и ЭЛТ), мы различаем два вида разрешения: разрешающую способность по вертикали и разрешающую способность по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали (вертикальное разрешение) определяется числом вертикальных элементов, которые можно фиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. Когда много идентичных вертикальных элементов собраны в направлении сканирования, мы получаем очень плотные горизонтальные строки. Поэтому мы говорим, что вертикальное разрешение сообщает нам, сколько горизонтальных линий мы можем различить. Считаются черные и белые строки, подсчет производится по вертикали. Понятно, что итоговый результат ограничен числом сканируемых строк в данной системе — нельзя насчитать больше 625 линий в системе CCIR или больше 525 в системе EIA. Принимая во внимание длительность кадровой (вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается в CCIR до 575, а в EIA до 475.

Рис. 4.19

Рис. 4.20. Цветной экран крупным планом

Однако, это все же не действительное вертикальное разрешение. Обычно разрешение измеряется при помощи определенного изображения, помещаемого перед камерой, и здесь необходимо учитывать множество факторов. Во-первых, абсолютная позиция предполагаемого горизонтального испытательного изображения с высоким разрешением никогда точно не соответствует чересстрочному изображению. Кроме того, существование нерабочей зоны на экране монитора срезает небольшую часть видеоизображения, ограничена толщина электронного луча и ограничена «сетка» воспроизведения цвета.

Еще в 1933 г. Келл (Kell) и его коллеги обнаружили в ходе экспериментов, что при вычислении «реального» вертикального разрешения следует применять поправочный коэффициент, равный 0.7. Он известен как коэффициент Келла (или Келл-фактор) и является общепринятым способом аппроксимации реального разрешения. Это означает, что 575 следует скорректировать (умножить) на 0.7, чтобы получить практические границы вертикального разрешения для PAL, которое равняется примерно 400 ТВ-линиям. Та же операция выполняется в отношении сигнала NTSC, и в результате мы получаем приблизительно 330 ТВ-линий (строк) вертикального разрешения. Эти значения истинны в идеальном случае, то есть, в случае идеальной передачи видеосигнала.

Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разрешение) определяется несколько иначе. Горизонтальное разрешение определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. И, аналогично тому, что мы сказали относительно вертикального разрешения, горизонтальное разрешение сообщает нам, сколько вертикальных линий можно подсчитать.

Кое-чем оно отличается. Поскольку соотношение сторон в телевидении составляет 4:3, то ширина больше высоты. Чтобы сохранить естественные пропорции изображений, мы считаем только вертикальные линии по ширине, эквивалентной высоте, т. е. 3/4 от ширины. Вот почем мы называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями, а не просто линиями, что

Рис. 4.21. Генератор качающейся частоты (макс. 12 МГц) позволяет проверить полосу частот монитора высокого разрешения (на иллюстрации указано 9 МГц, соответствует примерно 700 ТВ-линиям)

Горизонтальное разрешение монохромной (ч/б) ТВ-системы теоретически ограничено только поперечным сечением электронного луча, электроникой монитора и, естественно, спецификациями камеры. В действительности, существует много других ограничений. Одно из них — это ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи. Даже при том, что в ТВ-студии могут быть камеры с высоким разрешением, мы передаем только 5 МГц видеоспектра (как указывалось выше); поэтому производителям совершенно не нужно выпускать ТВ-приемники с более широкой полосой частот. В видеонаблюдении, тем не менее, ширина полосы видеосигнала диктуется, главным образом, самой камерой, так как ч/б мониторы имеют очень высокое разрешение (до 1000 ТВ-линий), которое ограничено только качественными характеристиками монитора, из которых самые важные — это точность и поперечное сечение электронного луча.

У системы цветного ТВ есть еще одно препятствие: физический размер цветовой маски и ее шаг.

Цветовая сетка имеет форму очень мелкой решетки. Эта решетка используется для разделения на три основных цвета — красный, зеленый и синий. Число элементов цветного изображения (точки RGB) в решетке определяется размером экрана монитора и качеством ЭЛТ. В видеонаблюдении доступно любое число ТВ-линий: от 330 (горизонтальное разрешение) до 600. Самый распространенный стандарт мониторов — 14 (дюймов) с разрешением 400 ТВ-линий. Напоминаем, что мы говорим о ТВ-линиях, которые в горизонтальном направлении дают нам абсолютное максимальное число 400x4/3 = 533 различимых вертикальных линий.

В видеонаблюдении, подобно вещательному ТВ, мы не можем изменять вертикальное разрешение, так как мы ограничены числом, определенным системой развертки. Именно поэтому мы редко рассматриваем проблему вертикального разрешения. Общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВ-линий для CCIR и 330 ТВ-линий для EIA. Горизонтальное разрешение мы можем менять, и оно зависит от горизонтального разрешения камеры, качества средств передачи информации и монитора. В видедонаблюдении часто используются камеры с 570 ТВ-линиями горизонтального разрешения, которое соответствует максимуму приблизительно в 570x4/3 = 760 линий по ширине экрана. Камера такого типа считается камерой с высоким разрешением. В ч/б камере со стандартным разрешением горизонтальное разрешение будет составлять 400 ТВ-линий.

Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует простое соотношение. Если взять одну строку видеосигнала, активная продолжительность которого равна 57 микросекунд, и распределить его на 80 ТВ-линий, мы получим 80x4/3 = 107 линий. Эти линии, представленные в виде электрического сигнала, напоминают синусоидальные колебания. Так, пара черно-белых строк фактически соответствует одному периоду синусоидальной волны. Поэтому, 107 линий — это приблизительно 54 синусоиды. Период синусоидального колебания равнялся бы 57 мкс/54 = 1.04 мкс. Если применить известное соотношение для времени и частоты, то есть T = 1/f, то мы получим f = 1 МГц. Следующее важное, но очень простое эмпирическое правило, дает нам соотношение между полосой частот сигнала и его разрешением: приблизительно 80 ТВ-линий соответствуют 1 МГц полосе частот.

Инструменты, используемые в телевидении

Обычным электронным мультиметром очень трудно определить свойства видеосигнала. Однако в нашем распоряжении имеются специальные инструменты, которые при правильном использовании позволяют точно описать измеряемый видеосигнал. Это осциллографы, анализаторы спектра и вектороскопы. В большинстве случаев достаточно осциллографа, и я настоятельно рекомендую серьезным специалистам иметь его в своем арсенале.

Осциллограф

Изменение сигнала (по времени) может происходить медленно или быстро. Что считать «медленным» и «быстрым», зависит от многих связанных друг с другом условий. Одно периодическое изменение какого-либо параметра за одну секунду определяется как Герц (Гц). Звуковая частота 10 кГц соответствует 10000 колебаний в секунду. Человеческое ухо может воспринимать частоты в диапазоне от 20 Гц до 15000-16000 Гц. Видеосигнал, в соответствии с упомянутыми выше стандартами, может иметь частоту от примерно 0 Гц до 5-10 МГц.

Чем выше частота, тем точнее детали в видеосигнале.

Насколько высокую частоту мы можем использовать, зависит, прежде всего, от снимающего устройства (камеры), но также и от средств передачи (коаксиального кабеля, микроволновых средств, волоконной оптики) и средств обработки/воспроизведения (видеомагнитофона, памяти кадров, жесткого диска, монитора).

Временной анализ любого электрического сигнала (в противоположность анализу частоты) можно проводить при помощи электронного инструмента, который называется осциллограф. Осциллограф работает по принципу ТВ-монитора, только в данном случае, сканирование электронного луча следует за напряжением видеосигнала в вертикальном направлении, в то время как по горизонтали единственной переменной является время. С так называемым регулированием временной развертки можно проанализировать видеосигналы от полевого режима (20 миллисекунд) до ширины строчной синхронизации (5 микросекунд).

На фотографии слева мы можем видеть типичный вид видеосигнала CCIR на экране осциллографа.

Результаты измерения, полученные с помощью осциллографа, являются наиболее объективными признаками качества видеосигнала, поэтому этим прибором непременно должен быть оснащен любой серьезный специалист по видеонаблюдению. Во-первых, осциллограф позволяет очень легко видеть качество сигнала, игнорируя любые возможные сбои яркости/контраста на мониторе.

Рис. 4.22. Осциллограф

Можно легко проверить и подтвердить уровни синхронизации видеосигнала независимо от того, имеет ли видеосигнал надлежащую оконечную нагрузку в 75 Ом, насколько далек сигнал (уменьшение амплитуды сигнала и потери высоких частот) и есть ли помехи в конкретном кабеле. Для корректных измерений всегда требуется правильная оконечная нагрузка, то есть, входное полное сопротивление осциллографа высоко и каким бы способом ни устанавливался сигнал, необходимо, чтобы на конце линии передачи сигнала было 75 Ом.

Примеры корректного соединения осциллографа с целью правильного измерения видеосигнала представлены на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Как правильно проводить измерения при помощи осциллографа

Рис. 4.24. Измерительный комплекс Tektronix 1781

Анализатор спектра

Как уже говорилось в связи с теорией Фурье, у каждого изменяющегося (по времени) электрического сигнала есть частотное представление. Частотная область описывает амплитуду сигнала по отношению к частоте, а не ко времени. Представление в области частоты позволяет лучше понять состав электрического сигнала. Большая часть видеосигнала приходится на низкие и средние частоты, в то время как мелкие детали передаются на более высоких частотах.

Инструмент, который показывает спектральный состав сигналов, называется анализатором спектра.

Анализатор спектра — дорогое устройство, не являющееся жизненно необходимым для специалиста по видеонаблюдению. Однако при корректном использовании, наряду с генератором тестовых шаблонов, позволяет получить немало ценных данных. Ослабление видеосигнала, корректное выравнивание кабеля, качество сигнала и т. д. — все может быть определено предельно точно. В вещательном ТВ анализатор спектра — необходимая вещь, помогающая удостовериться, что телесигнал не выходит за рамки неких предписанных стандартов.

Рис. 4.25. Анализатор спектра

Вектороскоп

Для измерения цветовых характеристик видеосигнала используется вектороскоп. Это электроннолучевой осциллограф с отображением сигналов на комплексной плоскости. На дисплее вектороскопа основные цвета занимают точно определенные позиции в полярных координатах. Вектороскоп редко используется в видеонаблюдении, но иногда, когда речь идет о воспроизведении конкретных цветов и условий освещения, он бывает необходим.

В большинстве случаев цветная ПЗС-камера имеет автоматический баланс белого, что, как мы уже говорили в разделе о цветовой температуре, компенсирует разницу цветовой температуры источников света. Тем не менее, когда используются камеры с ручной настройкой баланса белого, может понадобиться цветная испытательная таблица, и с помощью вектороскопа можно хорошо настроить цвета, которые должны оставаться в определенных пределах, отмеченных на экране в виде небольших квадратных окошек. Следует отметить, что вектороскоп по-разному показывает одно и то же изображение в формате NTSC и в формате PAL, что объясняется различиями кодировки цвета в этих двух системах. В PAL, как видно на фотографиях, цветовые векторы вертикально симметричны.

Рис. 4.26. Представление цветных полос системы NTSC и PAL на экране вектороскопа

Существует много других полезных инструментов (в действительности предназначенных для телевещательной индустрии), которые можно с успехом использовать в видеонаблюдении. Немного понимания и готовности учиться — и вы сможете количественно определить множество особенностей видеокомпонентов или системы в целом. Некоторые инструменты представляют собой несколько измерительных устройств в одном корпусе Если вы всерьез задумываетесь о видеонаблюдении, то эти устройства следует рассматривать как ценные, необходимые для вашей профессии инструменты.

Рис. 4.27. Измерительный комплекс Tektronix VM700

Телевизионные системы мира

Существует множество вариаций трех главных систем: PAL, NTSC и SECAM. В различных странах приняты полосы телевещания различной ширины, разные частоты цветовой поднесущей и звуковой несущей. Эти вариации обычно обозначаются при помощи суффикса, соседствующего с указанием системы, используемой в данной стране.

В приведенной ниже таблице 4.2 представлены варианты трех главных систем, а на следующих пяти страницах перечислено большинство стран мира и используемые в них стандарты.

Используя новые модели телевизоров и видеомагнитофонов, вы можете не беспокоиться о телевизионном стандарте, так как эти устройства автоматически находят нужный стандарт, но техническим специалистам, конечно, следует знать, какие используются стандарты.

Будем надеяться, что разновидностей новых цифровых стандартов в мире будет намного меньше.

Таблица 4.2

Телевидение высокой четкости (HDTV)

Эпоха телевидения высокой четкости (HDTV — High Definition Television) фактически уже наступила. В этой области проведены многочисленные эксперименты и испытания, и, что еще важнее, данная технология находится на таком этапе развития, когда возможно ее массовое производство. Во многих странах уже началось вещание HDTV, а охват старого аналогового ТВ постепенно сокращается. Предполагается, что окончательный переход к HDTV состоится в США к концу 2006 года, в Австралии — к концу 2008 года.

Будем надеяться, что вскоре такой же переход случится и в сфере видеонаблюдения.

Концепция высокой четкости требует примерно вдвое большего разрешения (горизонтального и вертикального, что дает повышение детализации в четыре раза) и нового формата изображения 16:9 (соотношение сторон кадра), в отличие от существующего формата изображения 4:3. Изменение формата изображения диктуется необходимостью совместимости с большинством киноформатов. Разрешение телевидения высокой четкости обеспечивает качество изображения, близкое к 35-мм фотопленке, а качество звука приближается к качеству компакт-диска.

Рис. 4.28. Сравнение HDTV и аналогового SDTV

Разработка HDTV велась уже более двух десятилетий, и первые тестовые передачи проводились в Японии, Европе и США.

В 1993 году была создана группа организаций и компаний, в которую вошли AT&T™, General Instrument Corporation™, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Philips™, David Sarnoff Research Centre™, Thomson™ и Zenith™ и другие. Эта группа получила название Grand Alliance. Основной задачей, которую поставила перед собой группа Grand Alliance, была оценка существующих технологий и выбор ключевых элементов, которые составили бы основу будущей оптимальной системы HDTV.

В 1995 году группа Grand Alliance одобрила использование кодирования видео, звукового и системного мультиплексирования в том виде, как это реализовано в MPEG-2, то есть тот же формат, что и BDVD.

Были предложены два режима визуального отображения: чересстрочная и прогрессивная (нечересстрочная) развертка.