Компьютерра - Журнал "Компьютерра" №755
С появлением камер на основе полупроводниковых матриц мало что изменилось: светочувствительная ячейка CCD- или CMOS-матрицы тоже выдает аналоговый сигнал, так что принцип формирования ТВ-сигнала остается прежним. Как видите, здесь никакие компьютеры не требуются, однако отметим, что элементы "цифры" были заложены в ТВ-сигнал уже на этом этапе: хотя каждый отдельный рабочий импульс и представляет собой аналоговый сигнал, но пространственное разложение по строкам и элементам строки этих сигналов имеет чисто цифровую природу и полностью соответствует представлению о матрице пикселов, на которые раскладывается растровое изображение в современных компьютерах.
Еще в эпоху черно-белого ТВ инженеры озаботились тем, чтобы снизить необходимую для передачи полосу частот. В самом деле, если передавать изображение с частотой 25 кадров в секунду (frame per second, fps), как записано в стандарте, то на ТВ-экране оно будет заметно мерцать. Чтобы изображение выглядело непрерывным, приходится увеличивать частоту смены кадров по крайней мере до 50 или 60 Гц[Число кадров в секунду (fps) и частота кадров в герцах - одно и то же, только первое чаще используется телевизионщиками, а второе - радиотехниками, поэтому далее эти термины используются вперемешку.]. Эти значения выбраны из соображений минимизации помех от промышленной электросети (50 Гц в Европе/СССР и 60 Гц в Америке/Японии), - если частота смены кадров будет сильно отличаться, то изображение при наличии помех от сети может "гулять" по экрану (на самом деле в грамотно спроектированных ТВ-приемниках ничего такого не происходит[И если помеха все же возникает - например, при высыхании электролитических конденсаторов в блоке питания телеприемника, - выбор именно таких значений для кадровой развертки не помогает: изображение все равно колышется, так как точного совпадения частот добиться невозможно.], но числа 50 и 60 ничем не хуже любых других).
Ширину полосы частот, которая нужна, чтобы вести передачу с такой скоростью смены кадлров, подсчитать легко. Для определенности возьмем "базовый" американский стандарт NTSC М, в котором кадры в 525 строк должны передаваться с частотой 60 Гц. То есть частота передачи строк должна составить 525х60 = 31,5 кГц, и внутри каждой строки при обычном "телевизионном" соотношении сторон экрана 4:3 должно уложиться около 700 элементов; итого, общая полоса частот составит около 11 МГц (каждые два импульса можно передать одним периодом частоты). Для европейских стандартов B/G или D/K (неважно, PAL или SECAM), где при частоте 50 Гц количество строк равно 625, а элементов в каждой из них около 800, требуемая полоса частот составит уже 12,5 МГц. Это неприемлемо - базовая частота, на которой в России передается первый метровый канал, составляет всего 49,75 МГц, и если модулировать такой сигнал частотой 12,5 МГц, можно вообще вылезти за пределы УКВ.
Потому с самого начала во всех стандартах аналогового ТВ-вещания был выбран компромиссный вариант: с частотой 50/60 Гц передаются не полные кадлры, а так называемые полукадры (поля). Они представляют собой выборку каждой второй строки: в первом полукадре - нечетные строки, во втором - четные, потом опять нечетные следующего кадра и т. д. Этот прием, получивший название чересстрочной развертки (по-английски - interlacing), позволил сократить требуемую полосу частот вдвое - до 5–6 МГц (а в некоторых вариантах со снижением количества строк и до 4 МГц с небольшим). При этом полные кадры по-прежнему передаются с частотой 25 или 30 раз в секунду.
Конвертация киношных 24 fps в телевизионные частоты европейским/российским вещателям далась легко: демонстрацию фильма, как правило, попросту ускоряют на 4%, чего зрители совершенно не замечают. А вот американцам и японцам с их 30 кадрами в секунду пришлось чесать репу: в конце концов выработали систему 3:2, когда один киношный кадр показывают в течение трех полукадров, а второй - в течение двух, в итоге на четыре исходных приходится пять телевизионных кадров.
В цифровом видеосигнале аналоговые уровни элемента строки уже не передаются непосредственно, а преобразуются в набор цифр, что позволяет значительно повысить качество передачи, исключить влияние помех и т. д., - здесь все то же самое, что для звукозаписи означал переход от виниловых пластинок к CD (и даже без пресловутой потери качества в виде "цифрового звучания": чисто цифровое ТВ-изображение, без наворотов в виде сжатия, однозначно лучше чисто аналогового). Но при попытках создания такой системы проблемы стали выскакивать одна за одной, как чертик из коробки. Казалось бы, чего там - пространственное разбиение по пикселам было с самого начала, осталось оцифровать только уровни, но это простое представление натолкнулось на необходимость обрабатывать чудовищные, даже по современным меркам, потоки информации.
Системы цветного телевиденияСистемы цветного ТВ должны были вписаться в структуру существовавших стандартов так, чтобы их можно было принимать на черно-белые приемники без дополнительных настроек. Задачка поистине головоломная - нельзя было не только существенно расширять полосу частот, поскольку частотный спектр был уже поделен, но и ломать структуру кадра. Тем не менее она была успешно решена, в результате чего появились следующие основные системы:
NTSC (National Television Standards Committee, Национальный комитет по телевизионным стандартам) - система аналогового цветного телевидения, разработанная в США. Первая передача состоялась 18 декабря 1953 года. "Базовый" NTSC M предполагает 60 полей в секунду, 525 строк с частотой цветовой поднесущей 3,58 МГц. Кроме США, этот стандарт используется в Канаде, Японии и ряде стран Латинской Америки.
PAL (Phase-Alternating Line, кодирование со сменой фазы) - европейская система аналогового цветного телевидения, разработанная в 1960-е годы немецкой компанией Telefunken. Самый распространенный вариант PAL B/G предполагает 50 полей в секунду, 625 строк с частотой цветовой поднесущей 4,43 МГц. Используется в Европе (за исключением Франции), Азии (кроме СНГ), Австралии, большей части Латинской Америки и Африки.
SECAM (от фр. Sequentiel couleur a memoire - последовательная передача цвета с памятью) - система аналогового цветного телевидения, разработанная в 1958 г. французским инженером Анри де Франсом. Предполагает 625 строк при 50 полях в секунду, как и PAL, но отличается способом представления цветоразностной информации. Используется в СНГ, Франции и в части государств Африки (в основном бывших французских колониях). Принятие SECAM у нас и во Франции было обусловлено в основном не техническими (лучшая помехоустойчивость) соображениями, а политическими: в СССР для невозможности приема западного ТВ на отечественные приемники (а еще и потому, что французы продали лицензию задешево, и не надо было ничего изобретать "на коленке"), а во Франции для защиты внутреннего рынка. Более 50% телевизоров во всем мире рассчитаны на стандарт NTSC, на втором месте система PAL, а SECAM - на третьем.
С развитием микроэлектроники и созданием стандартных декодеров для различных стандартов, упакованных в одну микросхему, сложность схем перестала играть роль и все современные телевизоры являются мультистандартными - как правило, пользователь и не знает, в какой именно системе вещания и цветности идет видеосигнал из конкретного источника (правда, при записи на видеомагнитофон нередко приходится разбираться - там мультисистемность может быть ограничена). Эфирное вещание у нас по-прежнему осуществляется в системе SECAM, а вот кабельные каналы иногда представляют собой довольно пеструю картину.
Цифровое наводнение
В "базовом" стандарте NTSC M, как мы уже говорили, число строк равно 525 по (примерно) 700 элементов в каждой (в некоторых стандартах принимается точное число 704). Соответственно, оцифрованный кадр будет иметь размер 525х700 = 367500 пикселов. Если принять, как обычно, что каждый пиксел кодируется тремя байтами (то есть может принимать любое значение из 16,7 млн. вариантов оттенков, соответствующих модели True Color), то один такой кадр займет на носителе примерно 1,1 мегабайта. В стандарте NTSC каждую секунду проходит 30 кадров, то есть мы имеем дело с потоком данных 33 Мбайт/с (или около 260 Мбит/с), а полнометражный (на 1,5 часа) несжатый фильм займет на диске почти 180 Гбайт! Даже понизив разрешение до убогих 352х288 (как это делается в Video CD) и ограничив себя при этом черно-белым изображением (по одному байту на пиксел), мы все равно получим поток около 20 Мбит/с и общий объем фильма примерно в 15 Гбайт, что уже требует как минимум HD DVD в качестве носителя.
Известно, что к потерям цветовой информации человек гораздо менее чувствителен, чем к потерям яркостной, и первую можно частично удалить. Можно выбросить цвет, например, для каждой второй строки и каждой второй точки по горизонтали (такой способ кодирования еще обозначают как 4:2:2), получив в результате около 1,5 байт на пиксел вместо стандартных трех. Но принципиально, как видим, само по себе такое двукратное снижение потока данных проблемы не решает - оно лишь используется в совокупности с другими алгоритмами сжатия.
