Телевидение, несмотря на повсеместный переход к цифровым технологиям вещания, в своих фундаментальных основах опирается на принципы, которые были заложены еще в аналоговую эпоху. Понимание этих основ — как двумерное изображение преобразуется в одномерный электрический сигнал, как оно сканируется и синхронизируется — является абсолютно ключевым для любого специалиста, работающего в области видеотехники. Часто информация об этих процессах представлена фрагментарно, что затрудняет формирование целостной картины. Цель данной работы — систематизировать эти сведения и последовательно рассмотреть весь путь телевизионного сигнала: от оптического изображения до его комплексной формы, готовой к передаче, с особым акцентом на физических принципах и параметрах строчной и кадровой разверток.
Ключевой принцип телевидения, или Как двумерное изображение превращается в одномерный сигнал
Любой канал связи, будь то радиоэфир или кабель, обладает фундаментальным ограничением: в каждый конкретный момент времени он может передавать только один параметр сигнала. В то же время изображение является сложной, двумерной структурой. Возникает главная техническая задача телевидения: как «вместить» двумерную картинку в одномерный канал связи? Решение заключается в гениальном по своей простоте принципе — последовательной передаче.
Изображение разбивается на мельчайшие элементы (пиксели), и информация о яркости каждого из них передается строго друг за другом. Этот процесс можно сравнить с чтением текста: мы не воспринимаем всю страницу целиком в одно мгновение. Вместо этого наши глаза последовательно сканируют буквы, которые складываются в слова, затем в строки, и только пройдя все строки сверху вниз, мы получаем информацию со всей страницы. В телевидении этот процесс получил название развертка (или сканирование).
Именно развертка преобразует пространственную информацию (двумерную картинку) во временную последовательность электрических импульсов (одномерный сигнал). Примечательно, что сам принцип универсален и не зависит от конкретной технологии. Он лежал в основе как ранних систем с механической разверткой при помощи диска Нипкова, так и в основе классического телевидения с его электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ).
Анатомия телевизионной развертки. Строчная и кадровая составляющие
Процесс развертки — это не хаотичное сканирование, а строго упорядоченная система, имеющая два вектора движения, за которые отвечают две независимые составляющие:
- Строчная (горизонтальная) развертка. Ее задача — последовательно «пробежать» электронным лучом по элементам изображения вдоль одной горизонтальной линии, называемой строкой. Это движение происходит слева направо и называется прямым ходом строки. В этот момент считывается и передается информация о яркости. Достигнув конца строки, луч должен вернуться к началу следующей. Этот возврат происходит очень быстро и называется обратным ходом. Чтобы линии обратного хода не были видны зрителю, на это время луч гасится.
- Кадровая (вертикальная) развертка. Ее функция — смещать точку начала каждой новой строки сверху вниз по экрану. После того как строчная развертка завершает одну линию, кадровая развертка мгновенно смещает луч немного ниже, подготавливая его к сканированию следующей строки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет просканирована последняя, самая нижняя строка изображения.
Полный цикл сканирования всех строк изображения от верхнего левого угла до правого нижнего называется кадром. Механику развертки легко представить с помощью метафоры написания письма: строчная развертка — это процесс написания букв и слов в одной строке, а кадровая развертка — это движение руки для перехода на новую строку после завершения предыдущей. Вместе они обеспечивают полный охват всей «страницы» изображения.
Решение проблемы мерцания. Зачем телевидению понадобилась чересстрочная развертка
Простая последовательная (или прогрессивная) развертка, при которой строки сканируются одна за другой (1, 2, 3, 4…), столкнулась с серьезной проблемой. Для того чтобы человеческий глаз воспринимал смену кадров как непрерывное движение, требуется достаточно высокая частота их смены. Однако при частоте в 25 кадров в секунду (стандарт для Европы) возникал заметный эффект мерцания (flicker). Это происходило из-за инерционности нашего зрения и постепенного затухания свечения люминофора на экране: верхние строки кадра успевали потускнеть к тому моменту, когда электронный луч добирался до нижних. Радикальное повышение частоты кадров, например, до 50 в секунду, решило бы проблему мерцания, но потребовало бы вдвое более широкой полосы пропускания радиоканала, что было технически и экономически недопустимо.
Решением этой дилеммы стала чересстрочная развертка (interlaced scanning) — элегантный инженерный компромисс. Ее суть заключается в следующем:
- Сначала сканируются и передаются только нечетные строки изображения (1-я, 3-я, 5-я и т.д.). Этот набор строк формирует так называемое первое поле.
- Затем луч возвращается в начало и сканирует все четные строки (2-ю, 4-ю, 6-ю и т.д.), которые вписываются между уже нарисованными нечетными. Это второе поле.
Таким образом, один полный кадр состоит из двух полей. Ключевой эффект заключается в том, что частота смены полей вдвое выше частоты смены полных кадров. Для европейского стандарта это 50 полей в секунду при 25 кадрах в секунду. Этой частоты обновления картинки на экране (50 Гц) уже достаточно, чтобы человеческий глаз перестал замечать мерцание, при этом полоса пропускания канала связи осталась практически той же, что и для 25-кадровой прогрессивной системы.
Дирижер телевизионного оркестра. Роль гасящих и синхронизирующих импульсов
Мы разобрались, как изображение сканируется на передающей стороне. Но как приемник (телевизор) узнает, в какой именно момент ему нужно начать рисовать новую строку или в какой момент следует вернуть луч в самый верх экрана для начала нового поля? Без точного согласования действий передатчика и приемника вместо изображения на экране будет лишь хаотичное мельтешение.
Эту задачу решают специальные служебные сигналы, которые добавляются к основному сигналу яркости. Их можно разделить на две группы:
- Гасящие импульсы. Как упоминалось ранее, во время обратного хода луча (и строчного, и кадрового) он должен быть «погашен», чтобы не оставлять на экране засветку. За это отвечают гасящие импульсы, которые на время обратного хода делают сигнал «черным», фактически выключая луч.
- Синхронизирующие импульсы (синхроимпульсы). Это настоящие «команды» для схем развертки телевизора.
Строчные синхроимпульсы подаются в конце каждой строки, сразу после гасящего импульса. Они служат сигналом для приемника: «Текущая строка закончена, немедленно начинай новую!».
Кадровые синхроимпульсы передаются в конце каждого поля (или кадра). Это более сложный и длительный сигнал, который командует кадровой развертке приемника: «Поле завершено, верни луч в верхний угол экрана и приготовься к приему следующего поля».
Синхроимпульсы можно сравнить со стартовым пистолетом для бегуна: они гарантируют, что развертка в телевизоре стартует в тот же самый момент, что и на телецентре, обеспечивая идеальное совпадение и стабильное изображение.
Структура полного аналогового телевизионного сигнала
Теперь, собрав воедино все компоненты, мы можем описать структуру полного телевизионного сигнала (ПТС) — того самого комплексного сигнала, который готов к передаче в эфир. Он представляет собой совокупность нескольких частей, хитроумно «упакованных» вместе.
Его основные составляющие:
- Сигнал изображения. Это основная полезная информация об уровне яркости (а для цветного ТВ — и цветности) каждого элемента в каждой строке.
- Сигналы гашения и синхронизации. Это служебная информация, о которой говорилось выше. Они встраиваются непосредственно в сигнал изображения во время пауз — интервалов обратного хода строчной и кадровой разверток. Для них зарезервированы специальные уровни напряжения, которые ниже уровня «черного» в изображении (так называемый уровень «чернее черного»).
- Сигнал цветности. В цветном телевидении к сигналу яркости добавляется информация о цвете. Она передается на специальной цветовой поднесущей, которая встраивается в спектр яркостного сигнала. Существовало несколько конкурирующих мировых стандартов кодирования цвета, самые известные из которых — PAL, SECAM и NTSC.
- Сигнал звукового сопровождения. Звук передается не вместе с видео, а параллельно, в пределах выделенной для телеканала полосы частот.
Для эффективной передачи по радиоканалу эти сигналы модулируются по-разному. Для передачи видеосигнала (изображение + синхронизация) используется амплитудная модуляция (АМ), а для передачи звука, который менее подвержен помехам, — частотная модуляция (ЧМ).
В ходе данного анализа мы последовательно проследили весь технологический путь, который проходит телевизионный сигнал: от фундаментального принципа разложения двумерного изображения до формирования сложного комплексного сигнала. Мы увидели, как механика строчной и кадровой разверток решает задачу сканирования, как чересстрочная развертка стала элегантным ответом на проблему мерцания, и какую критическую роль в стабильности картинки играют сигналы синхронизации.
Основной вывод заключается в том, что аналоговое телевидение представляет собой логически стройную и завершенную инженерную систему. Каждый ее элемент — будь то развертка, синхроимпульс или тип модуляции — не существует в вакууме, а является прямым решением конкретной физической или технической проблемы. Именно поэтому понимание этой системной логики, заложенной десятилетия назад, остается фундаментальной базой для изучения современных цифровых видеотехнологий. Ведь хотя они и используют совершенно иные методы кодирования и сжатия, они по-прежнему призваны решать те же самые базовые задачи: передать движущееся изображение и звук из одной точки в другую, и знание этих основ бесценно для любого будущего специалиста в этой области.
Список литературы
- ГОСТ 7845-92. Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений.
- ГОСТ 18471-83. Тракт передачи изображения вещательного телевидения. Звенья тракта и измерительные сигналы.
- ГОСТ 14872-82. Таблицы испытательные оптические телевизионные. Типы, размеры и технические требования.
- ГОСТ Р 52210-2004. Телевидение вещательное цифровое. Термины и определения.
- В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Телевидение: Учебник для вузов -Под ред. В.Е. Джаконии. 4-е изд., стереотип. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 616 с.
- Быков Р.Е. Основы телевидения и видеотехники: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 399 с.
- Карякин В.Л. Цифровое телевидение. – М.: Солон-Пресс, 2012. – 448 с.
- Карякин В.Л. Технология эксплуатации систем и сетей цифрового телевидения стандарта DVB-T2. – М.: Солон-Пресс, 2014. – 158 с.
- Мамчев Г.В. Теория и практика наземного цифрового телевидения. – М.: Горячая линия – Телеком, 2012. – 340 с.
- Брайс Р. Руководство по цифровому телевидению. – М.: ДМК Пресс, 2012. – 280 с.
- В.И.Лузин, Н.П.Никитин, А.А.Шестаков, Ю.Г.Стефанович, В.Г.Исаков Основы телевизионной техники, «СОЛОН-Пресс», М., 2003.
- Р.Е.Быков, В.М.Сигалов, Г.А.Эйссенгардт Телевидение, «Высшая шко- ла», М., 1988.
- В.И.Нефёдов Основы радиоэлектроники и связи, «Высшая школа», М., 2002.
- Телекоммуникационные системы и сети. Том 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение (Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Попантонопуло В.П., Шувалов В.П.) ISBN: 5-93517-089-2 Изд: Горячая линия — Телеком, 2004. C-255