Рис. 3.54. Оптические аксессуары
Рис. 3.55. Нейтрально-серый фильтр 1000х
Рис. 3.56. Удлинительные кольца
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.
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.
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.