Принцип сканирования телевизионного изображения. Телевизионный растр.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

Со времени появления первых электронных телевизоров в 40-х годах прошлого века и до современной суперсовременной техники сам принцип формирования изображения почти не изменился — совершенствовалась лишь его аппаратная реализация.

В передающей телевизионной камере изображение, собранное мощным и высококачественным оптическим объективом, попадает на воспринимающее устройство. Раньше для этого использовался фотоэффект, т.е. свет, проектируемый на слой люминофора, выбивал из него электроны, которые и формировали копию оптического изображения.

В современных камерах вместо сложных и капризных передающих трубок применяются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС), но принцип разложения изображения на элементы остался неизменным.

Огромное значение имеет закон перемещения электронного луча вдоль мишени — сканирование. Для того чтобы на приемной части линии, то есть в телевизоре, получилось неискаженное изображение, закон формирования развертки в нем должен быть в точности таким же, как и в передатчике.

Основные стандарты в области монохромного («черно-белого») телевизионного сигнала были приняты Федеральной комиссией связи США еще в 1941 году и действуют до сих пор.

При выборе основных характеристик телевизионной картинки исходили из особенностей человеческого зрения. Известно, что глаз не способен различать детали, расположенные друг от друга на расстоянии менее одной угловой минуты. Создание электронно-лучевых трубок с диагональю экрана более 60 см и сейчас является сложной технической проблемой, поскольку на краях таких кинескопов очень трудно бороться с геометрическими искажениями и добиться точного сведения цветов.

По этой причине было принято, что каждый кадр в американском стандарте NTSC будет состоять из 525 строк разложения. Позднее, при разработке PAL и ВЕСАМ, остановились на другом числе — 625, что дало более четкую картинку. Правда, впоследствии это решение создало серьезные проблемы при транскодировании сигнала из одного стандарта в другой. При переводе PAL или ВЕСАМ в NTSC лишние строки по определенным правилам выбрасывают, что, конечно, качество изображения не улучшает. При обратном преобразовании дело обстоит еще хуже, поскольку недостающие 100 строк растра взять неоткуда, и приходится просто удваивать некоторые строки исходной программы. Именно поэтому преобразование ТВ-сигнала в NTSC или из NTSC всегда сопровождается заметными потерями качества. А вот конвертирование PAL в SECAM и наоборот таких проблем не создает, поскольку различия между этими стандартами не столь существенны.

Первоначально для телевидения выбрали формат изображения 4: 3. Нетрудно подсчитать, сколько элементов разложения будет содержать одна строка (при условии равной четкости по горизонтали и вертикали). Для этого нужно умножить 625 (количество строк в растре) на 4/3, в результате получится чуть более 800 элементов.

При построчной развертке весь растр должен отрисовываться на экране телевизора за малый промежуток времени, такой, чтобы глаз воспринял отдельные строки как цельную картину. В стандарте NTSC частота смены кадров 60 Гц, такая же, как частота переменного тока в электрической сети. В стандартах PAL и SECAM частота смены кадров по этой же причине 50 Гц. Кстати, ошибочно думать, что частотой сети можно синхронизировать кадровую развертку телевизоров, для этого у нее слишком низкая стабильность, да и фазы напряжений в разных подстанциях относительно друг друга совершенно произвольны.

Таким образом, если за 1/50 секунды на экране должен прорисовываться весь растр, то можно определить, чему должна быть равна длительность одной строки:

1/50: 625 = 0, 000032 с = 32 мкс,

тогда длительность одного элемента строки при построчной развертке будет составлять:

32/800 = 0, 04 мкс.

Именно за это время электронный луч должен создать элемент изображения на экране трубки. Но на практике получить импульсы такой малой длительности очень трудно. Главным образом потому, что электронные цепи из-за реактивной составляющей сопротивлений будут искажать фронты, в результате чего изображение станет нечетким. Более того, передача такого сигнала требует в эфире канал шириной 12, 5 МГц, и тогда в метровом диапазоне поместилось бы каналов шесть, не больше. Вдобавок передача и прием широкополосного сигнала существенно усложняет и удорожает соответствующее оборудование.

Самым простым способом сужения спектра ТВ-сигнала было бы снижение скорости строчной развертки, но тогда на экране появятся весьма заметные и неприятные мелькания. Чтобы этого избежать, и был разработан принцип чересстрочной развертки. В соответствии с ним весь растр разбивается таким образом, чтобы вся картинка отрисовывалась в два приема.

В первом полукадре (поле) воспроизводятся только нечетные строки, с 1 по 625, а во втором — только четные, со 2 по 624. При этом строки будут располагаться на тех же местах, что и при построчной развертке. Поля чередуются с частотой 50 Гц, а кадры — 25 Гц. Длительность одной строки при чересстрочной развертке 64 мкс, а одного элемента разложения строки — 0, 08 мкс, что уже вполне допустимо технически. Ширина спектра телевизионного сигнала получается 6, 25 МГц, и емкость телевизионного диапазона увеличивается вдвое.

Заметим, кстати, что полученная частота кадровой развертки — 25 Гц — чуть превышает частоту смены кадров в кинопроекторах — 24 кадра в секунду.

Как же в телевизионном приемнике формируется чересстрочная развертка?

Растр создается за счет пилообразных токов, протекающих в катушках отклоняющей системы. Для формирования строк используется генератор строчной развертки и строчные катушки, а для кадров/полей — генератор кадровой развертки и кадровые катушки. Как выглядят пилообразные отклоняющие строчные токи 1с и кадровые токи 1к, показано на рисунке 1.

При этом электронный растр будет формироваться на экране кинескопа так, как показано на рисунке 2. Обратите внимание, что, дойдя до края строки, луч должен переместиться справа налево, к началу следующей строки, а добравшись до конца поля — снизу вверх, к началу следующего полукадра. Если не предпринимать специальных мер, то паразитные линии обратного хода будут видны на экране кинескопа.

Рассмотрим принцип синхронизации телевизионного сигнала.

Если бы генераторы кадровой и строчной развертки телевизоров и передающих центров работали несинхронно, то на экране телевизоров вместо упорядоченного изображения была бы видна цветная каша. Для синхронизации изображения в телевизионный сигнал замешивают импульсы кадровой и строчной синхронизации, гасящие и некоторые другие импульсы, которые формируют в телецентрах с помощью высокостабильных генераторов. Выглядит эта синхросмесь так, как показано на рисунке 3.

Когда заканчивается сигнал изображения одной строки и луч развертки доходит до правого крана экрана, подается гасящий импульс такой амплитуды, чтобы гарантированно запереть кинескоп и сделать линии обратного хода незаметными. На гасящем импульсе размещается импульс строчной синхронизации, по приходе которого генератор строчной развертки переводит луч кинескопа в начало следующей строки. После окончания гасящего импульса начинается следующая строка. Защитные полосы слева и справа нужны для того, чтобы луч не рисовал на краях ЭЛТ, где изображение было бы искаженным.

Поскольку время обратного хода луча по кадру больше, чем по строке, кадровый гасящий импульс имеет большую длительность (см. рис. 4).

На самом деле структура синхросмеси ТВ-сигнала несколько сложнее, так как в нее добавляются еще импульсы цветовой синхронизации.

На сегодняшний день системы аналогового вещания считаются безнадежно устаревшими, и на смену им идет телевидение высокой четкости, HDTV. А устарели они вот почему.

Наверное, вы замечали, что при телевизионной трансляции широкоэкранного фильма на экране возникают горизонтальные черные полосы. На Западе такое изображение называют Letterbox — «Почтовый ящик». Оно возникает потому, что форматы кинокадра и телевизионной картинки не совпадают. Если в первом случае на активную часть кадра приходится 576 строк, не считая интервалов обратного хода луча, то во втором их число сокращается до 432, а это ведет к снижению вертикальной четкости изображения. Выход заключается в изменении формата телевизионного экрана с 4: 3 на 16: 9. В западных странах действует т.н. система PAL-плюс, которая позволяет просматривать передачи формата 16: 9 на экране телевизора формата 4: 3 с повышенной четкостью, но для этого с телецентра должен транслироваться специальный сигнал вертикальной поддержки Helper, а в телевизоре — быть соответствующий декодер.

Широкое распространение персональных компьютеров привело, в частности, к тому, что многих перестало удовлетворять качество телевизионного изображения. Действительно, ведь компьютерный CRT-монитор — это по сути тот же телевизор, только высококачественный. Различие, прежде всего, состоит в том, что у мониторов размер элемента разложения изображения (пикселя) примерно в 4 раза меньше, чем у телевизора, и, следовательно, четкость картинки куда выше. Кроме того, все современные мониторы имеют построчную (прогрессивную) развертку, то есть за один кадр прорисовывается все изображение, а не одно поле.

Ограничения на ширину полосы телевизионного канала в HDTV снимаются за счет того, что ТВ-сигнал передается в закодированном виде.

К сожалению, из-за разногласий между фирмами-разработчиками и чиновниками различных стран единого стандарта HDTV не существует. Известно около 20 разных вариантов цифрового телевидения, причем пять из них определяются как HDTV: 1125-ти, 1080-ти и 1035-строчные с чересстрочной разверткой (i), а также 720-ти и 1080-строчные с прогрессивной разверткой (р). Любой из выпускаемых в настоящее время бытовых телевизоров HDTV обязательно будет отображать один из сигналов 720р или 10801 в формате 16: 9. Естественно, что он может показывать программы в «старых» форматах, для чего автоматически выполнит преобразование, называемое апконверсией. Смысл его состоит в том, что 50 или 60 полей (в зависимости от стандарта) преобразуются в картинку с чересстрочной разверткой. В некоторых цифровых телевизорах ап-конверсия выполняется по-другому: аналоговое изображение преобразуется в 1080 чередующихся строк, при этом недостающие строки получаются методом удваивания существующих. Конечно, о полноценном ТВЧ в этих случаях говорить нельзя, поскольку новые телевизоры работают со «старым» сигналом, а чудес, как известно, не бывает.

Пожалуй, оценить качество HDTV российский зритель может пока только с помощью домашнего кинотеатра при просмотре DVD-диска. Однако будьте внимательны! Многие современные DVD-плееры поддерживают режим прогрессивной развертки, но со старым телевизором оценить ее преимущества не удастся. Более того, подача «прогрессивного» сигнала может привести к перегрузке узла строчной развертки телевизора и, скорее всего, к выходу ее из строя, а то и к возгоранию аппарата.

Но это не единственная проблема согласования. Если к современному цифровому телевизору подключить DVD-проигрыватель по компонентным входам или S-Video, качество картинки может сильно разочаровать. Дело в том, что телевизору в этом случае приходится выполнять ап-конверсию, а столь сложное преобразование всегда сопровождается заметными артефактами. К счастью, теперь цифровыми выходами (DVI, iLink, HDMI) оснащаются и не слишком дорогие модели DVD-проигрывателей, так что увидеть «прогресс» во всей его красе вполне реально.

А вот насладиться ТВ-картинкой высочайшего качества мы сможем, когда в нашей стране начнется полномасштабное HDTV-вещание в системе DVB-S2.

Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение оптического изображения. Это изображение может быть представлено множеством интегральных источников, интенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Чем больше число элементарных источников N (элементов изображения), тем выше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры изображения.

Первый принцип телевидения заключается в разбиении изображения на отдельные элементы и в поэлементной передаче всего изображения. Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, которая может быть различима и воспроизведена ТВ системой. Изображение, образованное совокупностью всех элементов, называется кадром.

Второй принцип, на котором базируется телевидение, - это последовательные во времени передача и воспроизведение информации о яркости (и цвете) отдельных элементов изображения. Это возможно благодаря инерционности зрения человека, которая проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся.

Процесс последовательной поэлементной передачи (анализа) и воспроизведения (синтеза) изображения называется разверткой изображения.

В ТВ вещательных системах развертка изображения и на передающей, и на приемной стороне осуществляется в результате движения луча с постоянной скоростью по горизонтали (строке) слева направо и по вертикали (кадру) сверху вниз. Образованная в процессе развертки структура поля - совокупность строк - называется ТВ растром. Передача и воспроизведение каждого элемента изображения должны осуществляться синхронно и синфазно. Это обеспечивается поддержанием в заданных пределах закона разверток и их периодической принудительной синхронизацией по строке и по кадру на передающей и приемной сторонах ТВ системы.

⇐ Предыдущая 12