Как устроен телевизионный сигнал
Известно, что человеческий глаз воспринимает как единое целое красную (Red), зеленую (Green) и синюю (Blue) части видимого спектра. Таким образом, цветовое восприятие человека трехкомпонентное. Конечно, мы воспринимаем больше цветовых оттенков - считается, что 16 миллионов - но для нас, в силу особенностей цветового восприятия, все они сводятся к комбинациям этих трех опорных цветов. Исходя из этого, все телевизионные камеры и другие технические датчики цветных изображений формируют три сигнала - R, G, B, а в телевизионных и компьютерных мониторах экран одновременно сканируют три электронных луча, вызывая световые вспышки красного, зеленого и синего цветов. Глаз же при этом воспринимает только результирующее изображение во всем богатстве цветов реального мира. В то же время для телепереноса цветного изображения через эфир технически эффективнее кодировать цвет иным образом. Дело в том, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости. Поэтому цветовая информация может передаваться с меньшей пространственной четкостью (разрешением). В результате исходные RGB-видеосигналы в телевидении перед передачей преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U и V:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, U = R - Y, V = B - Y,
при этом U и V передаются с разрешением, в два раза меньшим, чем Y. Такое уменьшение объема передаваемой информации позволяет строить более дешевые системы. Выбор вышеуказанных коэффициентов преобразования определяется жестким требованием двусторонней совместимости черно-белых и цветных приемников - яркостной сигнал Y совпадает с формируемым в ч/б системах, ч/б приемники воспринимают только его. Плюс сигнал, закодированный таким образом, более надежно передает изображение. Если сигнал идет с сильными помехами, то сначала пропадает цвет, это часто видно как в эфирном изображении, так и в видеозаписях. А само изображение остается, хоть и черно-белое.
Что касается цветовых сигналов U и V, то они добавляются к яркостному сигналу путем модуляции специального гармонического сигнала (цветовой поднесущей) на частоте, лежащей в пределах спектра сигнала Y. В результате полосы яркостного сигнала и полного видеосигнала совпадают. Модуляция поднесущей может осуществляться по амплитуде, фазе или частоте согласно U- и V- значениям. При приеме для точного определения величин модуляции необходима привязка к опорной несущей. Для этого в начале каждой строки передаются пакеты немодулированной несущей - так называемые синхроимпульсы. Таким образом, телевизионный видеосигнал, с определенными оговорками, представляет собой композицию трех сигналов Y, U, V и синхроимпульсов. Такой сигнал называют композитным.
При приеме в цветном телевизоре осуществляется обратный процесс восстановления (декодирования):
R = Y + U, B = Y + V, G = Y - 0.509U - 0.194V.
Телевизионное изображение воспроизводится путем последовательного сканирования электронными лучами по покрытому электролюминисцирующим веществом экрану. Сканирование происходит слева направо вдоль горизонтальных линий (телевизионных строк) и сверху вниз по строкам. Лучи пробегают строку за строкой сверху вниз до самого низа экрана, а затем возвращаются назад, и опять - слева-направо сверху-вниз. За счет инерционности глаза в процессе подобного сканирования вызываемые цветовые вспышки света сливаются в линии, а затем в полное изображение. В результате полный телевизионный кадр представляет собой совокупность последовательно высвечиваемых линий, передающих пространственное распределение изображения. Установлено, что для восприятия человеческим глазом этой совокупности как целого она должна обновляться не реже 50 раз каждую секунду. В телевидении был реализован чересстрочный режим развертки, при котором за каждый проход луч пробегает только половину линий - сначала четные, затем - нечетные. Таким образом, каждый телевизионный кадр оказывается разделенным на два полукадра - их называют полями. В результате, когда мы говорим о вертикальной частоте в 50 Гц, кадровая оказывается в два раза меньше - 25 Гц.
Характеристики качества видеокамер. Какая видеокамера наиболее подходит в качестве источника видеосигнала для АЦП? На этот вопрос можно ответить только точно зная, для каких целей будет использоваться видеокамера. Обычные бытовые видеокамеры (камкордеры), в особенности формата Super-VHS, вполне пригодны для большинства применений. При использовании камер Super-VHS уже достигается предельное значение разрешения изображения — 5 МГц, определяемое видеостандартами. RGB-камеры вследствие их высокой стоимости для бытовых применений практически не используются. Кроме того, основным преимуществом RGB-камер является не высокое разрешение, а более точный ввод изображений и, в особенности, существенно лучшая цветопередача.
Если камеру необходимо установить на микроскопе или каком-либо измерительном устройстве или если для ввода изображений требуются специальные объективы, то следует выбирать камеры со специальным узлом крепления объектива (например, C-Mount).
Такие камеры достаточно дороги, однако благодаря компактной конструкции и простоте крепления к различным устройствам и штативу, а также вследствие использования стандартизованной резьбы для объективов в специальных применениях они незаменимы.
Даже если планируется использовать видео-АЦП, который не позволяет получать цветные изображения, все равно целесообразно приобретать цветную видеокамеру. Специальные монохромные камеры приобрести сложнее, и все они подпадают под вышеуказанную категорию устройств. Поэтому они не менее дороги, чем хороший VHS-камкордер, и не имеют видоискателя, а также устройства записи, и лишь самые дорогие из них обеспечивают лучшее разрешение, чем современные бытовые видеокамеры.
Если перед тем как подаваться на видео-АЦП видеосигнал будет записываться на ленту, то перед тем как покупать видеокамеру, следует изучить характеристики видеомагнитофонов.
Видеомагнитофоны как источники сигналов изображений для видео-АЦП. Имеется два возможных направления использования видеомагнитофонов в качестве источников сигналов изображения. Во-первых, их можно использовать в качестве приемника телевизионного сигнала и снимать телевизионный сигнал с аудиовизуального выхода. Это позволяет сразу же преобразовывать принимаемую телевизионную программу в цифровую форму. Здесь предполагается, что вы имеете видео-АЦП, работающий в реальном масштабе времени, который позволяет вводить как минимум одно поле за 1/50 секунды. Во-вторых, видеомагнитофон, естественно, дает возможность воспроизводить запись с ленты. Однако в этом случае, в особенности при работе в режиме «стоп-кадр», возникают проблемы с синхронизацией изображений. Кроме того, ленты, записанные на другом аппарате, часто имеют настолько плохое качество, что получение высококачественных изображений оказывается невозможным.
Каково же разрешение изображений, поступающих с видеомагнитофона? Если видеомагнитофон используется только как приемник телевизионного сигнала, то решающее влияние на качество оказывает принимаемый антенной сигнал. При хороших условиях приема теоретически возможно получить разрешение 5 МГц. При пользовании кабельным телевидением реально получить разрешение 300 линий, что едва удовлетворяет минимальным требованиям к качеству. При воспроизведении видеолент в большинстве случаев дела обстоят весьма печально. Так, например, обычный видеомагнитофон имеет на выходе композитные видеосигналы с цветовым разрешением максимум 3 МГц (около 380 элементов). При плохом качестве записи разрешение может быть еще меньшим. Видеоленты из видеотеки часто имеют горизонтальное разрешение не выше 200 — 250 элементов.
Если вы хотите делать записи самостоятельно, качество будет ограничиваться блоком записи видеокамеры. В стандартных VHS-видеокамерах можно получить разрешение максимум в 3 МГц. С помощью Super-VHS-камкордеров можно производить запись и воспроизведение фильмов, разрешение которых приближается к 5 МГц. Если ваш видео-АЦП имеет вход Super-VHS, то приобретя Super-VHS-камеру, вы сможете добиться наилучшего качества изображения.