Да, я помню, что буквально в предыдущей статье я сказал, что не вижу смысла в ковырянии в исторических, аналоговых и древних принципах и технологиях. Но! Со времени последней статьи я успел постареть, хотя именно в этом случае больше подходит слово «помудреть» и пересмотреть свой взгляд на погружение в основы. Я считаю, что профессионал в отрасли не имеет права не иметь хотя бы поверхностное представление о том как развивалось то оборудование, с которым он работает и те технологии, которые он предлагает своим клиентам или заказчикам. Так что потерпите немного. Я, пожалуй, соглашусь с Владо и его желанием дать это самое представление об истории отрасли и постараюсь еще немного сократить (хотя кажется, что уже просто некуда) исторически и частично не актуальный материал. Хотя, как сказать! На своих лекциях и семинарах я всегда спрашиваю аудиторию о том, кто еще работает с аналогом и всегда получаю, как минимум одного человека (кто не испугался), который уверенно говорит, что все еще работает с этим стандартом! Так что…
Основы аналогового телевидения
В мире аналогового телевидения существует три стандарта, которые распространились по всему миру и какое-то время широко использовались. Это хорошо известный нам PAL и его не так часто упоминаемый предшественник CCIR, поскольку нашёл широкое распространение в Европе, Австралии, Новой Зеландии, большинстве африканских стран и Азии. Стандарт EIA/NTSC распространён в США, Японии и Канаде, а SECAM во Франции, России, Египте, ряде французских колоний и странах Восточной Европы. Основная разница между стандартами состоит в количестве строк развёртки в кадре и в частоте кадров.
Эту аббревиатуру скорее всего мало кто вспомнит: CCIR расшифровывается как Committée Consultatif International des Radiotelecommuniqué (международный консультативный комитет по радиотелекоммуникациям). Эта организация выпустила рекомендации по стандартизации систем чёрно-белого телевидения в Европе, Австралии и ряде других стран, вошедших позднее в ITU - Международный телекоммуникационный союз. Поэтому оборудование, которое соответствовало стандартам чёрно-белого ТВ получило название CCIR-совместимого. Этот же самый стандарт, расширенный для передачи цветовой информации, был назван PAL. Название это происходит от введения в алгоритм цветового кодирования принципа повышения помехоустойчивости передачи цвета путём изменения фазы цветовой поднесущей в начале каждой строки - phase alternating line (строка с переменной фазой). Примерно такая же история случилась и с NTSC, предшественником которого был стандарт EIA. EIA означает Electronics Industry Association (Ассоциация электронной промышленности) эта организация создала стандарт чёрно-белого ТВ в США, Канаде и Японии, где в своё время его называли RS-170 по названию документа, в котором содержались нормы стандарта. При переходе телевидения на цветное изображение стандарт переименовали в честь группы разработчиков - National Television Systems Committee (NTSC), Национальный комитет по телевизионным системам. Системы EIA/NTSC имеют 525 строк и 60 полей в секунду. SECAM является сокращением от Séquentiel Couleur avec Mémoire (последовательная передача цвета с памятью) - это описание способа кодирования цвета во временную последовательность сигналов, требующих от телеприёмника наличия специального устройства с памятью для восстановления (декодирования) данных. Изначально запатентованный в 1956 году Анри де Франсом, стандарт SECAM стал первым в мире способом передачи цвета в телевизионном сигнале; первая его версия включала 819 строк и 50 полей в секунду. Позже количество строк было снижено до 625.
Все перечисленные стандарты предполагали соотношение сторон изображения 4:3, вызвано это было тем, что на заре телевидения все разработчики смотрели в сторону фотографии и использовали (возможно, неосознанно) какие-то стандартны и соотношения, как, например, здесь - 4:3 примерно таким было соотношение сторон кинокадра. Разное количество строк было обусловлено разрешением и сопутствующей ему шириной спектра видеосигнала. Но не взирая на разницу принцип у всех стандартов был один - формирование электрического видео сигнала при помощи построчного сканирования сцены. То, что мы разберём далее относится к «базе» в телевизионной технологии, а значит, что усвоив эту информацию, будет просто перейти к «цифре».
Когда видеосигнал поступает на монитор изменения напряжения преобразуются в изменения интенсивности потока электронов в луче (помните про ЭЛТ? Электронно-лучевая трубка), которые бомбардировали люминофором покрытие экрана этой самой ЭЛТ в режиме построчной развёртки. Светимость люминофора пропорциональна плотности электронов (то есть току луча), которая пропорциональная управляющему напряжению, которое по сути и есть видеосигнал сформированный ТВ-камерой пропорционально количестве света, попадающего через объектив на светочувствительную матрицу (в наши дни - на полупроводниковый сенсор КМОП) и получается, что изображение на мониторе соответствует тому, что «видит» камера.
Люминофорное покрытие экрана обладает определённой инерцией — свечение, вызванное попаданием электронов на люминофор, при движении луча затухает постепенно. Оно продолжается ещё несколько миллисекунд. Это означает, что по телевизионному экрану фактически перемещается с определённой скоростью ярко освещённая линия. Это если очень сильно упростить процесс. При определении количества строк и частоты обновления экрана для телевизионной системы во внимание принималось множество факторов. Как и многое в нашей жизни, окончательное решение стало попыткой найти компромисс между стремлением втиснуть в видеосигнал как можно больше информации о снимаемой сцене и экономией ресурсов средств передачи видеосигнала, а также возможностью его приёма как можно большим количеством пользователей. Чем больше строк в сигнале и количество кадров, тем шире частотный диапазон видеосигнала. Всё это (как и в цифре с битрейтом и разрешением) удорожает и камеры, и устройства передачи, и обработки видеосигнала.
Частота кадров, то есть количество отдельных изображений, формируемых в единицу времени, была установлена исходя из инерционности человеческого зрения и требований к достаточно яркому свечению экрана ЭЛТ для просмотра телевизионных изображений в дневное время. С теоретической точки зрения идеальным было бы установить частоту 24 кадра в секунду, чтобы максимально упростить перенос кинофильмов на электронные носители (это было актуально на заре телевидения). Однако реализовать это на практике оказалось невозможным из-за усугубления эффекта мерцания при слишком высокой яркости свечения люминофора. Многочисленные эксперименты показали, что при частоте смены изображений более 24 к/с эффект мерцания становится незаметным при частоте 48 изображений в секунду. На практике такое решение могло стать весьма приемлемым, поскольку такая скорость была бы кратной скорости кинопроектора и вопрос перегонки кинофильмов в телевизионный формат решался бы относительно просто. Однако на стадии становления телевидения инженеры пришли к другим цифрам. В Европе была принята частота 50 изображений в секунду, в Америке/Канаде/Японии — 60. Этого было более чем достаточно для устранения видимого мерцания, и, что более важно, обе цифры совпадали с частотой сети переменного тока в соответствующем регионе. Дело в том, что в телеприёмниках того времени, питающихся от электросети переменного тока, наблюдалась существенная зависимость всей схемы от частоты сети. И если бы была принята частота 48 изображений в секунду, разница в 2 герца со стандартом CCIR и в 12 Гц со стандартом ЕІА могла бы вызвать эффект интерференции и привести к сбоям в развёртке. Одной из серьёзных проблем оказалось обеспечение частоты смены изображений 50/60 Гц при сохранении скорости сканирования камеры 25/30 изображений в секунду. Скорость сканирования можно было бы и увеличить, однако ширину полосы видеосигнала увеличить было невозможно без пропорционального повышения затрат на электронные компоненты и средства передачи сигнала. Кроме этого, следовало принять во внимание вещательные каналы, количество которых в определённой местности в определённом частотном диапазоне ограничено всё той же интерференцией.
Всё вышеперечисленное привело инженеров к применению оригинального решения аналогичного мальтийскому механизму (это механизм прерывистого движения, преобразующий равномерное вращательное движение в прерывистое вращательное движение) в кинопроекции и частоту в 50/60 изображений в секунду удалось обеспечить без расширения частотной полосы видеосигнала. Решение это получило название чересстрочного сканирования. В общем, вместо того чтобы обрабатывать все 625 или 525 строк решили сканировать сначала чётные строки, в потом нечётные - разбили кадр на два полукадра. И получилось, что для CCIR/PAL телевизионное поле стало 312,5 строк, а в EIA/NTSC 262,5. С соответствующей частотой в по 25 и 30 полей (согласно частоте сети в 50Гц и 60Гц). Вот вам и «те самые» цифры! Чётный и нечётный полукадр образуют телевизионный кадр и передаются они с соответствующей частотой! Был там и ещё один фокус со смещением на полуторки для того, чтобы чётные строки чётко попадали за нечётными, а также были добавлены строчный и вертикальный синхроимпульсы для обозначения конца строки и поля.
Как появились 25к/с и 30к/с, надеюсь, стало понятнее. Примерно такая же история произошла и с разрешением. Дело в том, что даже если система предусматривает 625 или 525 строк, не все из них являются активными, видимыми на экране. Дело в том, что обратный ход вертикальной развёртки происходит за время нескольких строк. В начале обратного хода три периода строк используются для осуществления вертикальной синхронизации, в остальных «зашиты» специальные тестовые сигналы либо сообщения (к примеру, телетекст); поэтому количество строк, указанное в стандарте, не совпадает с количеством строк, воспроизводимых на экране. В системе PAL активных строк не более 576, а в NTSC 480 - это обусловлено конструктивными ограничениями аналоговых телевизионных систем! Знакомые цифры? На их основе создана цифровая интерпретация аналоговых форматов в пиксельных изображениях: 4CIF соответствует РAL, a 4SIF - NTSC. Некоторые из «невидимых» строк используются в системе PAL, например, в строках 17, 18, 330 и 331 передаётся 8-битный цифровой код отображения информации телетекста. В старых телеприёмниках и видеомагнитофонах устанавливались декодеры, способные аккумулировать эти данные и отображать в режиме телетекста сводки погоды, курсы валют, итоги лотерейных розыгрышей и тому подобную информацию.
Некоторые производители камер видеонаблюдения использовали временные интервалы для кодирования идентификатора камеры, времени и даты съёмки и прочих данных. При записи видеосигнала либо конвертации его в цифровой вид информация строк обратного хода также записывалась: несмотря на то, что на мониторе они не отображались, информация в них не терялась. Этот вид данных во времена кассетных видеорегистраторов использовался для скрытой записи информации и при необходимости применялся специальный декодер, расшифровывавший идентификатор и данные о дате и времени съёмки.
Уверен, что теперь вам стало чуть понятнее откуда пиксели растут! Если будет интересно, то всегда можно почитать и другие источники, например, блог Жени Озерова.
Дальше больше!