Мы все хорошо знаем, что скорость определяется в [м/с], хотя довольно часто используем [км/ч]. Мы можем легко перевести [м/с] в [км/ч], так как знаем, сколько метров в километре и сколько секунд в часе.
Единицы СИ приняты в науке и промышленности практически во всем мире, и все мы должны хорошо понимать, что измерения типа: «дюйм» как мера длины, «мили в час» как мера скорости, «фунты» или «стоуны» как мера веса следует использовать как можно реже. Они нередко обескураживают людей различных профессий или из различных частей света. Если использовать единицы СИ, то больше людей поймут вас и характеристики ваших продуктов. К тому же, гораздо проще сравнивать продукты из различных частей света, если они характеризуются одними и теми же единицами измерения.
Есть еще одна важная вещь: каждый символ в системе СИ имеет точное значение, связанное с тем, как использован символ (прописная или строчная буква). Так, километр пишется как [км], а не [Км] или [клм].
Мегабайт пишется [Мбайт], а не [мбайт]. Нанометр пишется как [нм], а не [Нм] и т. п. И мы, занимаясь вопросами видеонаблюдения, будем придерживаться этих правил.
Все физические процессы могут быть описаны и измерены при помощи основных единиц. Мы не будем вдаваться в детали того, как выводятся производные единицы, и, к тому же, это не входит в цели данной книги, но здесь важно понимать, что между основными и производными единицами существует четкая взаимосвязь.
Ниже приводится ряд производных единиц СИ, некоторые из них будут использованы в этой книге.
Величина — Единица — Обозначение/определение
Площадь — квадратный метр — м2
Объем — кубический метр — м3
Скорость — метр в секунду — м/с
Ускорение — метр на секунду в квадрате — м/с2
Частота — герц — Гц=1/с
Плотность — килограмм на кубический метр — кг/м3
Сила — ньютон — Н=кг∙м/с2
Давление — паскаль — Па=кг/м∙с2
Энергия, работа — джоуль — Дж=н∙м
Мощность — ватт — Вт=Дж/с
Электрический заряд — кулон — Кл=А∙с
Электрическое напряжение — вольт — В=Ом/А
Электрическое сопротивление — ом — Ом=В/А
Электрическая емкость — фарада — Ф=Кл/В
Электрическая проводимость — сименс — См=А/В
Магнитный поток — вебер — Вб=В∙с
Магнитная индукция — тесла — Т=Вб/м2
Индуктивность — генри — Г=Вб/А
Освещенность — люкс — лк=лм/м2
Световой поток — люмен — лм=кд-стерадиан
Яркость — нит — нт=кд/м2
Если число единиц конкретного измерения (т. е. значение) очень велико или очень мало, то можно использовать соглашение об использовании определенных символов (обозначений) перед основной единицей, причем каждый из этих символов имеет особое значение. Ниже приведены метрические приставки, принятые международным научным и промышленным сообществом, которые вы можете встретить не только в системах видеонаблюдения, но и в других областях техники:
Приставка — Коэффициент — Обозначение
экса — 1018 — Э
пета — 1015 — П
тера — 1012 — Т
гига — 109 — Г
мега — 106 — М
кило — 103 — к
гекто — 102 г
дека — 10 — да
единица — 100=1
деци — 10-1 — д
санти — 10-2 — с
милли — 10-3 — м
микро — 10-6 — мк
нано — 10-9 — н
пико — 10-12 — п
фемто — 10-15 — фм
атто — 10-18 — а
Используя эти приставки, мы можем сказать 2 км, имея в виду 2000 метров. А если мы говорим 1.44 Мбайт, мы думаем о 1440000 байт. (Прим. пер. 1.44 Мбайт = 1.44 х 1024 кбайт -1.44 х 1024 х 1024 байт =1.44 х 220 байт). Нанометр — это 0.000000001 метра. Частота 12 ГГц — это 12∙109 = 12 000 000 000 Гц и т. д.
Теперь, когда мы заложили фундамент технически корректной дискуссии, т. е. ввели основные единицы измерения, мы можем приступить к рассмотрению основ всего зримого, включая фотографию, кинематографию и телевидение — к свету.
2. Свет и телевидение
Да будет свет.
Свет — это одно из основных и величайших явлений природы, свет является не только необходимым условием жизни на планете, но и играет важную роль в техническом прогрессе и изобретениях в сфере визуальной коммуникации: фотографии, кинематографии, телевидении и недавно появившихся мультимедийных средствах.
Хотя явление это «базовое», и мы видим его все время и всюду, но в науке — это самый большой камень преткновения. Физика, которая в конце XIX века представляла собой довольно простую, непосредственную науку, стала сложной и мистической. Ученым в начале XX века пришлось ввести постулаты квантовой физики — «принципы неопределенности» и многое другое. И все это для того, чтобы получить теоретический аппарат, который объяснил бы множество экспериментов и, в то же время, имел бы разумный смысл.
В этой книге мы не намерены углубляться во все эти теории: мы обсудим только те вопросы, которые связаны с телевидением и передачей видеосигналов.
Основная «проблема», с которой сталкиваются ученые, изучающие свет, заключается в том, что свет имеет двойственную природу: он ведет себя как волна (нематериальная природа) — это явления рефракции и отражения — и обладает также свойствами материальной природы — широко известный фотоэффект, открытый Генрихом Герцем в XIX веке и объясненный Албертом Эйнштейном в 1905 г. Поэтому в последнее время в физике принято полагать, что свет имеет «двойственную» природу.
На этом этапе следует отдать должное, по крайней мере, нескольким самым крупным ученым-физикам, и, в частности, специалистам по теории видимого излучения, без работ которых современный уровень технологий был бы невозможен.
Одним из первых физиков, объяснивших многие природные явления, включая и свет, был Исаак Ньютон. В XVII веке он доказал, что свет имеет корпускулярную природу. И так считалось до Христиана Гюйгенса, который позже, но тоже в XVII веке, выдвинул волновую теорию света. Многие ученые глубоко уважали Ньютона и не изменили своих взглядов до самого начала XIX века, когда Томас Юнг продемонстрировал интерференцию света. Август Френель тоже проделал ряд убедительных экспериментов, четко демонстрирующих волновую природу света.
Важной вехой стало появление на научной сцене Джеймса Кларка Максвелла: в 1873 г. он доказал, что свет представляет собой высокочастотную электромагнитную волну.
С помощью его теории удалось оценить величину скорости света, как она известна нам сегодня: 300 000 км/сек. Эксперименты Генриха Герца подтвердили теорию Максвелла. Герц открыл явление, которое известно как фотоэффект: свет может выбивать электроны с освещаемой металлической поверхности. Однако ему не удавалось объяснить тот факт, что энергия испускания электронов не зависит от интенсивности света, что в свою очередь противоречило волновой теории. С точки зрения волновой теории, большая интенсивность света должна увеличивать энергию испускаемых электронов.