Основы телевидения

Основы телевидения

Этот раздел, увы, будет несколько скучным. Здесь нет ни практических рекомендаций, ни занимательных случаев из жизни. Однако, как надеется автор, его прочтение будет небесполезным. Как уже сказано, современное компьютерное видео по-прежнему основано на телевизионных стандартах.

Краткое знакомство со структурой телевизионного сигнала поможет вам избежать ошибок при сравнении возможностей разных устройств для оцифровки и захвата изображения. Во всяком случае, встретив в описании ТВ тюнера (который вы уже собрались купить) надпись PAL/NTSC, вы сможете уверенно спросить продавца: «А как же SECAM?», что в его глазах сразу переведет вас из разряда «чайников» в разряд специалистов. И соответственно, доля истины в сообщаемой вам информации резко увеличится.

Палитры телевизионные и не только

Если провести среди компьютерщиков один из популярных психологических тестов и предложить быстро назвать первую ассоциацию, приходящую на ум при произнесении определенного слова, вероятно, почти все на слово «палитра» ответят «RGB». Эта система представления цвета используется не только в компьютерных мониторах, но и в любых других электронных системах отображения информации. В какой-то мере она соответствует восприятию цвета человеческим глазом. Подобный принцип получения любого цвета из трех основных называется аддитивным: то есть изображение окрашивается за счет одновременного восприятия трех основных (базисных) цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Белый цвет образуется из всех трех цветов со 100 % насыщенностью, черный – при отсутствии всех трех цветов. Эта палитра используется тогда, когда для формирования цвета используются излучающие свет приборы или материалы. (Совсем иная ситуация складывается, например, при печати – там используется субтрактивная (разностная) модель получения полного цвета. Теория этого вопроса достаточно сложна и выходит за рамки данной книги. Минимально необходимые сведения по этому поводу будут приведены в последней главе).

Итак, видеокамеры и другие подобные устройства передают цвет любого объекта при помощи трех сигналов, соответствующих основным цветам. Монитор имеет три типа элементов, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета. Однако, говоря о соответствии этой модели восприятию человеческого глаза, я не зря оговорилась – «в определенной степени». Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже почти в полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.

Восприятие человеческого глаза моделирует популярная ныне цветовая модель Lab, с которой мы познакомимся подробнее в главе о ретушировании изображений. Хотя она не имеет ни малейшего отношения к телевидению, на ее основе удобно проследить некоторые общие принципы описания цвета. В этой модели цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (от 0 до 100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого и b – диапазон от желтого до синего.

Цветовой круг

Говоря о яркости и цветовом круге, нельзя не упомянуть еще две величины, которые в телевизионных сигналах не используются, но в каждом цветном телевизоре есть ручки (кнопки или меню) для их регулировки. Эти параметры изображения очень существенны, и их названия не раз встретятся в книге. Они называются насыщенностью и цветовым тоном. Те из вас, кто хорошо знаком с компьютерной графикой, сразу вспомнят палитру HSB (Hue, Saturation, Brightness – Цветовой тон, Насыщенность, Яркость). Цветовой тон – это характеристика, которую в быту обычно называют «оттенок»; на цветовом круге изменение цветового тона означает перемещение по дуге окружности, центр которой совпадает с центром цветового круга, а радиус меньше или равен радиусу цветового круга. Насыщенность – степень выраженности цвета. Изменение насыщенности – движение по радиусу цветового круга. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости. На цветовом круге яркость не отображается, ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга. Цветная вкладка, где показаны варианты одной и той же картинки при изменениях яркости, насыщенности и цветового фона, поможет лучше понять, как эти характеристики влияют на изображение.

Иллюстрирация влияния яркости, насыщенности и цветового тона на внешний вид изображения:

увеличение яркости

увеличение насыщенности

изменение цветового тона

С яркостью, насыщенностью и цветовым фоном мы еще не раз встретимся, когда займемся вопросами обработки полученных изображений. Кроме того, рассматривая различные стандарты телевизионных сигналов, мы также будем обращать внимание и на возможные искажения этих величин при телевизионном приеме.

В телевидении выделение яркостной составляющей необходимо для обеспечения совместимости цветных и черно-белых телеприемников. Другими словами, сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми ТВ приемниками.

Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Вот почему, выражаясь языком компьютерной графики, передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость и два цветоразностных сигнала, или YUV, где Y – яркость изображения, U и V – цветоразностные сигналы, причем U= R – Y, а V = B – Y.

Для человеческого глаза разные цвета имеют неодинаковую яркость. Если расположить опорные цвета в порядке убывания яркости, выстроится следующий ряд: «Зеленый-Красный-Синий», то есть при одинаковой насыщенности свечения наиболее ярким будет восприниматься зеленый объект, а наиболее темным покажется синий. В соответствии с этим наибольшую долю сигнала яркости составляет зеленый, наименьшую – синий. Один из стандартов, соответствующий так называемому «белому С» или цвету облачного неба (цветовая температура 6500 °C), определяется следующими соотношениями:

Y=0,299R+0,587G+0,114B

В таком случае нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем несложных арифметических операций. Как указано выше, U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.

Следует отметить, что в приведенной выше формуле, описывающей работу устройства матрицирования, составляющие R, G и B не являются оригинальными сигналами, а представляют собой продукты специальных преобразований, называемых гамма-коррекцией, призванной компенсировать нелинейную зависимость яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала.

Изображение на телеэкране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором – материалом, излучающим свет определенной длины волны, то есть определенного цвета. Этот процесс называется сканирование, и происходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Луч проходит строку слева направо, затем перемещается на расположенную ниже строку (перемещение происходит в том же порядке, как мы читаем – слева направо, сверху вниз). Для того чтобы глаз видел не отдельные вспышки, а равномерно светящийся экран, его сканирование должно происходить не реже, чем 25 раз в секунду, то есть с частотой 25 Гц. На самом деле обновляется не сразу весь кадр, а полукадр (поле). То есть сначала сканируются четные, затем – нечетные строки. При обновлении поля с частотой 50 Гц кадр обновляется с частотой 25 раз, и этого вполне достаточно для нормального восприятия изображения. Чтобы создать на экране картинку, состоящую из черной и белой горизонтальных полос, на вход телевизора надо подать сигнал частотой 50 Гц. Чем мельче детали изображения (чаще происходит чередование светлых и темных участков), тем выше должна быть частота видеосигнала, передающего это изображение. Максимальное число элементов, из которых может состоять картинка на экране, равно числу строк, умноженному на количество элементов в строке. Для принятой у нас разновидности французского стандарта SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием), который будет подробно рассмотрен в следующем разделе этой главы, число строк равно 625. Однако не все строки являются видимыми, поскольку часть из них используется только для обеспечения нормальной работы телевизора. Число видимых строк – 576. В общепринятых форматах соотношение сторон кадра равно четыре к трем (на четыре горизонтальных элемента ТВ изображения приходится три вертикальных), то есть число видимых элементов в строке равно 576 X 4/3 = 768 (если горизонтальные и вертикальные размеры элемента одинаковы). Видимая часть строки обычного ТВ сигнала составляет 52 микросекунды, соответственно для получения на экране сетки из 768 чередующихся черных и белых полос надо подать на вход телевизора сигнал частотой около 7,38 МГц. В компьютерных мониторах длительность строк еще меньше, а разрешение больше, поэтому компьютерные мониторы часто работают с частотами до 200 МГц.

В вещательном же телевидении частота видеосигналов не превышает 6,5 МГц для российской системы (SECAM D/K), 5,5 МГц для европейской (PAL B/G) и 4,5 МГц для американской и японской (NTSC). Соответственно, максимальная (теоретически) разрешающая способность составит около 600 линий. Но это верно только для черно-белых телевизоров. В самых лучших цветных телевизорах разрешающая способность составляет не более 400 линий по горизонтали.

Как это ни удивительно, но при такой малой, с точки зрения компьютерной графики, разрешающей способности качество изображения в обычном цветном телевизоре, по крайней мере, не хуже, а естественней и «живее», чем в компьютерном мониторе. Это объясняется разными принципами обработки и передачи изображений, и анализ этих проблем выходит далеко за рамки данной книги.

В телевидении есть такое понятие, как ПТС – полный телевизионный сигнал. ПТС – это сигнал черно-белого изображения, совмещенный вместе с сигналами синхронизации, которые предназначены для получения устойчивого изображения на экране. В цветном телевидении есть также понятие полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС, в латинском написании – CVBS). ПЦТС – это ПТС, к которому добавлены сигнал цветности и сигналы цветовой синхронизации, называемые вспышками (burst). Сигнал цветности формируется из цветоразностных сигналов путем амплитудной, фазовой или частотной модуляции гармонического сигнала определенной частоты (цветовой поднесущей). Именно введение сигналов цветности в ПТС привело к тому, что разрешение цветных телевизоров ниже, чем у черно-белых.

В литературе встречается также термин композитный видеосигнал, аналогичный по смыслу термину ПЦТС. Упрощенный вид одной строки композитного сигнала изображен на рис 2.1.

Теперь к полученному видеосигналу необходимо добавить звук. Этот процесс мы рассматривать не будем, поскольку он не имеет отношения к нашей теме. Принципы организации звукового сопровождения в обычном телевидении одни и те же, но параметры для разных ТВ стандартов различны (см. следующий раздел).

Обычный видеосигнал можно передавать только по кабелям. Для передачи же на большие расстояния через эфир используются радиоволны. В этом случае присутствует так называемая несущая частота, которая модулируется сигналами ПЦТС и звукового сопровождения.

В вещательном телевидении используются следующие частотные диапазоны:

• первый диапазон, 48–66 МГц (каналы 1, 2);

• второй, 76-100 МГЦ (каналы 3–5);

• третий, 174–230 МГц (каналы 6-12);

• четвертый, 470–790 МГц (каналы 21–60).

В процессе приема композитный сигнал подвергается обратному преобразованию. Восстановление RGB-сигнала из YUV называется декодированием, а устройство, его осуществляющее, – декодером или блоком цветности. Увы, реальный процесс восстановления не так прост, как его формула, которую читатель, если очень захочет, сможет вывести самостоятельно из приведенных выше соотношений. К сожалению, практически невозможно восстановить исходные компоненты в первоначальном виде, так как на качество передачи влияют и среда, и качество телевизора. При этом возможны помехи изображения и звука, причем искажения цветового тона и насыщенности наиболее вероятны и заметны. В телевизионных стандартах по-разному решена задача составления композитного сигнала, чтобы обеспечить его наиболее точное декодирование.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.