Компьютерра - Журнал "Компьютерра" №755

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).

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.