Основы цифрового видео

Источник материала:

Продолжаем серию публикаций, объединенных под заголовком "Основы цифрового видео". Для тех, кто не прочел вводный материал в одном из прошлых номеров "КВ", кратко остановимся на тех моментах, которые там излагались и будут полезны при прочтении этой части.

Вот как раз на последнем пункте мы остановимся, в первую очередь, сегодня. А начнем, пожалуй, с электромеханических телевизоров.

Электромеханическое телевидение

Основное развитие телевидения началось с патента, полученного в 1884 году 24-летним немецким инженером и изобретателем Паулем Нипковым. Оно называлось "оптико-механическим устройством" и после предопределило возникновение первых телевизоров, самого телевидения, а также большинства технологий, которые используются поныне.

Суть идеи очень проста в объяснении, базируется на тех же интегральных свойствах мозга. Например, если перед зрителем быстро промелькнет источник света, то траектория движения зафиксируется у него как некая световая линия. Наверняка многие из читателей сами "рисовали" фонариком - это и есть тот самый описываемый эффект.

Нипков заметил, что если взять диск с отверстием, а позади него установить источник света, то мы получим ту же световую линию при вращении. Но этим он не ограничился. Ведь на самом деле между лампой и диском можно установить на просвет какое-либо изображение (оно и будет воспроизводиться), а можно ведь и просто не использовать этот вариант, а попросту менять яркость лампы, синхронизируя с вращением двигателя. Результат в обоих случаях получился один и тот же - наблюдатель начнет различать некое изображение.

А теперь представьте себе, что отверстий много. Одно предназначено для вывода на экран первой световой строки, следующее за ним и расположенное ближе к центру - второй, и так далее, то мы и получим светящийся экран, состоящий из множества строк! Вот откуда взялся сам метод вывода изображения по строкам и, в принципе, сама технология, которая широко используется до сих пор. Ведь изменение яркости лампы легко представить в виде очень простого сигнала! Его можно транслировать на расстояние, как это уже было изобретено для радио, и воспроизводить с помощью специальных устройств.

Само электромеханическое телевидение начало свое развитие в 10-20-х годах прошлого века, и первые телеприемники строились по тому же принципу, что и "оптико-механические устройства Нипкова". Это были большие ящики, в которых двигатели вращали диски с отверстиями, расположенными по обычной архимедовой спирали. В части приема сигнала они практически ничем не отличались от радио - детекторы и усилители. Само расстояние между отверстиями соответствовало ширине экрана, то есть он был очень малым. А настройка производилась... пальцем, для чего было предусмотрено специальное отверстие. Иначе изображение было или мутным, или вообще непонятным. Потом эту систему несколько автоматизировали, используя синхросигналы между кадрами.

Многие спросят, так чем же телевидение так сильно отличается от кино? По принципу устройства Нипкова были сделаны и первые телекамеры, только вместо экрана там стояла линза, а в месте расположения лампы - фотоэлементы.

Согласитесь, это отличается от принципа работы кинокамер. Причем перед внедрением этих систем производились достаточно сложные на то время расчеты стандартов с учетом всего того технического, что было развито. Например, уже тогда выяснилось, что мозг "держит" видеоинформацию в течение 0,1 секунды, что соответствует 10 кадрам. Диск крутит двигатель... частота электросетей в Европе 50 Гц... принятая частота в малострочном телевидении - 12,5 кадров в секунду (заметьте, что число кратно).

Сам диск был рассчитан на 30 строк, а фотоэлементов использовалось 40. Отсюда и так привычная нам геометрия экрана 4:3 (хотя вначале могло быть и наоборот, поскольку экран можно было расположить как вертикально, так и горизонтально относительно диска). Проведя несложные расчеты, можно узнать, что малострочное телевидение подразумевало спектр видеосигнала всего в 7,5 КГц, а это звуковой диапазон. Следовательно, его могли передавать обычные радиостанции. И так далее.

Кинематограф и телевидение (а после и видео) стали развиваться по разным технологическим требованиям, то есть изначально подразумевали отдельные направления.

"Электронное" телевидение

Электромеханические телевизоры могут удивить современника разве что из любви к раритетам, качества не было, все выглядело достаточно грубо и миниатюрно. Но уже в 1930-х появились первые электронно-лучевые трубки-кинескопы с магнитной фокусировкой луча. Их принцип работы основан на идеях профессора Петербургского университета Бориса Львовича Розинга, сформулированных в 1907-м. Именно за этими устройствами тогда стояло будущее телевидения, которое во многом мы имеем и сейчас. Подробное описание устройства кинескопов на базе ЭЛТ в рамках данного материала не представляет большого практического значения, ведь этой информацией полны учебники не только радиоэлектроники, но и обычной современной физики. Нужно указать только ключевые моменты. Изображение получается с помощью лучей (узконаправленных потоков) электронов, которые с помощью специальных методов выводят те же строки. При этом попадают на специальный состав (люминофор), а он, в свою очередь, преобразует полученную кинетическую энергию в кванты света. Система выводит изображение построчно, а поскольку мы говорим об электронной технике, то подразумеваем и более высокую точность, и возможность наращивания параметров. Так и случилось. На сегодня обычный американский стандарт NTSC (National Television Standards Committee) предусматривает разрешение 767 на 474 точек (последняя цифра - количество строк), а PAL (Phase Alternative), распространенный в Европе, несколько большее - 767 на 576 точек. У нас, как вы знаете, был принят SECAM (820х625). Данные цифры рассчитывались с учетом ширины строки и расстояния зрителя от телевизора. Нужно было сделать так, чтобы он не замечал (не смог детализировать) границы переходов.

Для увеличения параметра сглаживания изображения и оптимизации/упрощения системы, в целом, один кадр выводится с помощью двух полукадров (полей), каждый из которых подразумевает чересстрочную развертку (метод interlaced). Поэтому изначально были выбраны стандарты частот смены кадров в секунду: 25 в Европе и 30 в США.

Хотя, например, в тех же компьютерных мониторах от этих стандартов уже отошли, каждый кадр воспроизводится полностью (метод non-interlaced), а частоту вы можете регулировать сами. Поэтому за такими мониторами можно проводить больше времени, а разницу при переключении частоты вы можете увидеть невооруженным взглядом.

Цвет

Как указано выше, человеческое зрение является трихроматическим, так почему бы его модель не распространить и на системы, дающие цветное изображение? Кстати, когда было распространено черно-белое телевидение (начало 60-х), в продаже находились специальные пленки, которые наклеивались на экран, сверху они были голубыми, снизу - зелеными, и т.п. "Улучшайзеры"!

Если же вы посмотрите структурную схему любого современного устройства (телевизора, монитора и т.п.), то обнаружите там три цветовых тракта (красный, зеленый и синий), благодаря которым складывается изображение.

Изначально цвет пришел в кино, причем изобретатели тогда не стали особенно мудрить и придумали систему, когда на экран последовательно выводятся изображения одного и того же кадра, но с разными цветами (по существу, три одноцветных - красный, зеленый и синий). А поскольку мозг хранит в себе изображение 0,1 секунды и к тому же может суммировать все, что произошло за этот небольшой период, то три одноцветных сливаются в один цветной. Это называлось "системой с последовательной передачей цветов".

Такой же системой решили сначала воспользоваться и в телевидении. Но были проблемы. Первая - совместимость с черно-белыми телевизорами (получается, что им нужно утроить частоту). А вторую вы могли узнать буквально совсем недавно, поскольку идентичная технология была применена в современных DLP-проекторах с "цветным колесом". Хоть у человека и большая скорость реакции фоторецепторов, глаза устают. К тому же нашему современнику известен так называемый "эффект радуги", который явно проявляется, если вы быстро переместите свой взгляд с одной части экрана в другую. Он существовал и тогда. В общем, от этой идеи постоянно отказываются, а на телевидении решили не применять.

В обычных телевизорах и мониторах с ЭЛТ, если объяснять простыми словами, в кинескопах используются три пушки (каждая из которых отвечает за свой цвет), а лучи электронов, проходя через специальную матрицу, воздействуют на три трипа люминофоров (для каждого - свой). В ЖКИ-варианте все проще, поскольку мы говорим об использовании практически трех одноцветных матриц. И на самом деле это решение наиболее оптимально.

В общем, дальше сушить мозги не имеет смысла, за исключением указания того важного момента, что с внедрением цветного вещания в США по системе NTSC возникли проблемы с использованием частоты смены 30 кадров с секунду. В случае ее использования накапливается расхождение между кодом синхронизации и изображением с появлением "лишних" 128 кадров за один час. В результате было решено убирать некоторые кадры (создавать "выпадающие кадры" или "drop frames") для того, чтобы минимизировать ошибку. Таким образом, был введен стандарт 29,97 кадров в секунду. Мы поговорим о стандартах очень подробно несколько позже, а сейчас, раз уж достаточно сильно внедрились в кино и телевидение, нужно рассмотреть и еще один сегмент - видео.

Видео...

Что такое аналоговый сигнал? Это русскоязычная производная от слова "аналогичный". Чему он аналогичен? Воздействию света на фоторецепторы (фотоэлементы)? Не совсем так. Он аналогичен выводу видеоинформации в строчном виде, то есть не так сильно привязан к природе, как это, например, в звуке. В телевидении и видео аналоговый сигнал был изначально композитным, то есть включающим в себя сразу все компоненты (яркость, цвет, синхронизацию и т. п.), но после, для увеличения качества и с приходом новых технологий, он уступил свое место компонентным вариантам, включающим сразу несколько сигналов. Такие можно встретить под аббревиатурами S-Video, RGB, Y, Pb, Pr и т.д.

Так же, как и в звуке, цифровой сигнал в видео является тем же аналоговым (то есть аналогичным), но представленным в виде цифровых значений. Об этом мы поговорим в следующих частях. Изначально для его записи, хранения и т.п. использовались носители на магнитной ленте. Но сейчас уже есть компьютеры, CD, DVD, HD DVD, Blu-Ray, другие современные накопители, что вообще облегчает задачу.

Встречая само понятие аналогового видеосигнала, вы часто можете столкнуться с совершенно различными его трактовками. В частности, под ним может пониматься просто "не цифровой", что несет в себе некоторую ошибку. Но это уже сложившийся момент.

Компьютерные технологии

Сегодня мы стоим на пороге повсеместного внедрения цифрового вещания, телевидения высокой четкости и полной совместимости с компьютерными технологиями, откуда также пришло несколько ныне используемых стандартов. То есть, наш современник сталкивается с гибридом сразу трех различных направлений: кино, телевидение (видео) и компьютеры.

И, как вы понимаете, обсуждаемый вопрос очень широк, посему в следующих материалах мы будем из всей образовавшейся массы выбирать самое необходимое и подробно описывать. А знания, изложенные в первых двух частях, предназначены для большего понимания того, на чем все это основывается.

Кристофер,
christopher@tut.by