Страница 21 из 26
ТЕХНОЛОГИИ: Важнейшее из искусств:Вчерашние проблемы сегодняшнего телевидения
Автор: Юрий Ревич
Преобразуя цифровое изображение в экранную картинку, бедняга компьютер пашет в поте лица, даже если речь идет о чистом растровом изображении (таком, например, какое хранится в файлах формата BMP или несжатого TIFF). В процессе вывода на экран изображение приходится масштабировать (на мониторах, кроме очень уж специальных, даже 3-мегапиксельная картинка не умещается в масштабе 100%), прогонять через модуль управления цветом (если этого не делать, то одни и те же цвета для разных изображений и на различных дисплеях демонстрировались бы совершенно по-разному), подвергать гамма-коррекции [В процессе гамма-коррекции шкала оттенков в темных частях растягивается, а в светлых - сужается, то есть яркость точки на экране зависит от числового значения пиксела нелинейно. Исторически такая поправка возникла для компенсации нелинейности кинескопа (который лучше отображал оттенки в светлой части спектра). В современных дисплеях зависимость более сложная (и компенсация нелинейности производится аппаратно), но гамма-коррекция для изображений применяется по-прежнему: во-первых, для совместимости, а во-вторых, потому, что темные оттенки менее различимы глазом и нескорректированное изображение теряет детали в тенях.] и т. д.
Но и само существование цифрового изображения в форме "чистого растра" - скорее исключение. Как правило, на носителях его хранят в сжатом виде - для фото это в подавляющем большинстве формат JPEG, иногда всякие форматы "без потерь" - GIF либо PNG, может быть и сжатый TIFF. В этом случае изображение еще и предварительно приходится распаковывать, переводя его в "чистый растр", а уже потом выполняя вышеописанные манипуляции.
Для движущихся изображений все еще сложнее, и способов их представления много больше. И компьютер (в том числе и телеприемник - все современные телевизоры являются специализированными компьютерами) должен уметь декодировать на лету поступающий сигнал, в каком бы виде он ни был представлен, и превратить его в последовательность растровых картинок для вывода на монитор. Итого, количество инстанций, которые приходится проходить видеосигналу, чтобы из совокупности цифр на носителе превратиться в картинку на экране, может превышать десяток, и каждая что-то с сигналом делает, причем не всегда хорошее. И далеко не всегда трудности, стоящие на этом пути, преодолеваются успешно. Давайте попробуем разобраться, откуда "растут ноги" у всех этих проблем, а для начала вспомним, как вообще устроено телевидение, в котором до полного и всеобщего цифрового счастья пока еще шагать и шагать, несмотря на все декларации.
Привычные аббревиатуры PAL, NTSC и SECAM относятся лишь к цветному телевидению (подробнее о них см. врезку "Системы цветного телевидения"), мы же поговорим о стандартах вещательного ТВ-сигнала[Английское слово broadcasting (телерадиовещание) можно перевести еще и как "бросание во все стороны". Происхождение этого термина довольно любопытное: его ввел в обиход преподаватель калифорнийского колледжа Ч. Хэрольд, построивший в 1909 году первую в мире широковещательную радиостанцию. Предками Хэрольда были фермеры, называвшие словом "броудкастинг" посев семян вразброс.], устанавливающих общие правила кодирования/передачи сигнала и обозначающихся буквами латинского алфавита от А до N. Учитывая, что система, обозначающаяся буквой К, существует в двух версиях (просто К и К’), получаем четырнадцать стандартов, из которых сейчас применяется десять. Эти системы устанавливают число строк, частоту кадров, способ кодирования звука (АМ или FM) и видеосигнала (прямой, positive - когда большей яркости соответствует большая амплитуда сигнала, или инвертированный, negative - наоборот), полосу частот и некоторые специальные параметры (сдвиг несущей, ширину боковой полосы и т. д.).
Конечно, все тридцать комбинаций (три стандарта цветности, помноженные на десять стандартов передачи) на практике не применяются, однако даже один лишь PAL существует в пяти модификациях. Например, использующийся в большинстве европейских стран PAL B/G представляет стандарты 625 строк/50 Гц (B и G относятся к разным длинам волн - МВ и ДМВ), а вот PAL M имеет совпадающую с американским стандартом развертку 525 строк/60 Гц (этот стандарт используется в Бразилии). В России и Франции, использующих, как известно, один и тот же стандарт цветности SECAM, системы передачи в метровом диапазоне различаются: SECAM D/K (модуляция видеосигнала negative) в России и SECAM L (positive) во Франции.
На самом деле оговоренное количество строк для того или иного стандарта не соответствует реально отображаемому, которое оказывается меньше номинального: обратный ход луча не может происходить мгновенно, тогда как передача строк идет непрерывно. Потому часть строк (и элементов в каждой строке) теряется: например, для сигнала NTSC с разложением 525 строк реальное изображение состоит примерно из 480 строк по 640 элементов. Узнаете? Правильно, отсюда и возник компьютерный стандарт VGA. Время обратного хода часто используют для передачи служебной информации - например, телетекста.
Со времен изобретения передающей телевизионной трубки Владимиром Козьмичем Зворыкиным (окончательный вариант под названием "иконоскоп" был представлен публике в 1933 году) телетрансляции осуществляются в общем-то одинаково. В передающей трубке узкий луч, сформированный из потока электронов, построчно обегает матрицу светочувствительных элементов (Зворыкин использовал специальным образом обработанные зерна серебра). Ток от источника высокого напряжения в цепи, замыкающейся через этот луч, зависит от освещенности каждого элемента. В результате на выходе получается развернутая во времени последовательность импульсов тока различной величины, пропорциональных яркости изображения в каждой точке. Преобразовать эту последовательность в модулированные электромагнитные колебания и передать их в эфир (или записать на видеомагнитофон) - дело техники.
Чтобы разделить строки и кадры (или, как еще говорят, синхронизировать изображение), в конце каждой строки передается специальный импульс синхронизации строк, а в конце каждого кадра над ним надстраивается более высокий импульс синхронизации кадра. В аналоговом ТВ-приемнике используется генератор линейно изменяющегося напряжения, который заставляет луч бежать от левого края экрана к правому с небольшим наклоном. Как только встречается импульс синхронизации, специальная схема снижает интенсивность луча до минимума (гасит луч) и быстро перемещает его: для строчного импульса - по горизонтали в начало новой строки, для кадрового - в исходную позицию в левом верхнем углу. То есть луч в приемнике как бы копирует луч в передающей трубке.
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).