В телевидении есть такое понятие, как ПТС – полный телевизионный сигнал. ПТС – это сигнал черно-белого изображения, совмещенный вместе с сигналами синхронизации, которые предназначены для получения устойчивого изображения на экране. В цветном телевидении есть также понятие полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС, в латинском написании – CVBS). ПЦТС – это ПТС, к которому добавлены сигнал цветности и сигналы цветовой синхронизации, называемые вспышками (burst). Сигнал цветности формируется из цветоразностных сигналов путем амплитудной, фазовой или частотной модуляции гармонического сигнала определенной частоты (цветовой поднесущей). Именно введение сигналов цветности в ПТС привело к тому, что разрешение цветных телевизоров ниже, чем у черно-белых.
В литературе встречается также термин композитный видеосигнал, аналогичный по смыслу термину ПЦТС. Упрощенный вид одной строки композитного сигнала изображен на рис 2.1.
Теперь к полученному видеосигналу необходимо добавить звук. Этот процесс мы рассматривать не будем, поскольку он не имеет отношения к нашей теме. Принципы организации звукового сопровождения в обычном телевидении одни и те же, но параметры для разных ТВ стандартов различны (см. следующий раздел).
Обычный видеосигнал можно передавать только по кабелям. Для передачи же на большие расстояния через эфир используются радиоволны. В этом случае присутствует так называемая несущая частота, которая модулируется сигналами ПЦТС и звукового сопровождения.
В вещательном телевидении используются следующие частотные диапазоны:
• первый диапазон, 48–66 МГц (каналы 1, 2);
• второй, 76-100 МГЦ (каналы 3–5);
• третий, 174–230 МГц (каналы 6-12);
• четвертый, 470–790 МГц (каналы 21–60).
Рис. 2.1. Сигнал, соответствующий одной строке изображения
В процессе приема композитный сигнал подвергается обратному преобразованию. Восстановление RGB-сигнала из YUV называется декодированием, а устройство, его осуществляющее, – декодером или блоком цветности. Увы, реальный процесс восстановления не так прост, как его формула, которую читатель, если очень захочет, сможет вывести самостоятельно из приведенных выше соотношений. К сожалению, практически невозможно восстановить исходные компоненты в первоначальном виде, так как на качество передачи влияют и среда, и качество телевизора. При этом возможны помехи изображения и звука, причем искажения цветового тона и насыщенности наиболее вероятны и заметны. В телевизионных стандартах по-разному решена задача составления композитного сигнала, чтобы обеспечить его наиболее точное декодирование.
Телевизионные стандарты
В настоящее время используются три основных стандарта цветного телевидения: американский NTSC (National Television Standard Committee – Комитет национальных телевизионных стандартов), немецкий PAL (Phase Alternation Line – строки с переменной фазой) и французский SECAM. На территории России принят стандарт SECAM, но большинство моделей бытовых видеокамер и видеомагнитофонов работают в стандарте PAL. Стандарт NTSC действует в Америке и Японии, и российский пользователь сталкивается с ним довольно редко. Тем не менее на нем придется остановиться отдельно, поскольку NTSC – первый из внедренных в широкое вещание стандартов цветного телевидения.
Для кодирования сигналов цветности используется сочетание амплитудной и фазовой модуляций, называемое квадратурной балансной модуляцией с подавленной несущей, частота и фаза которой восстанавливается на стороне приема из сигналов цветовой синхронизации (впышек). Используется одна поднесущая частота, равная 3,5579545 МГц (есть поднесущая 4,433619 МГц, которая используется американскими войсками в Германии – так называемый NTSC 4,43). Оба цветоразностных сигнала сдвинуты по фазе один относительно другого на 90° (то есть находятся в квадратуре). При этом фаза определяет цветовой тон, а амплитуда – насыщенность. К сожалению, этот стандарт наименее защищен от помех, в частности, от искажений цветового тона, называемых дифференциальными фазовыми искажениями. Именно поэтому в телевизорах NTSC необходима независимая регулировка цветового тона (Hue control – контроль оттенка), которая выводится на переднюю панель вместе с яркостью и контрастом. Дешевые телевизоры NTSC имеют достаточно слабое подавление сигналов яркости в канале цветности, поэтому на очень светлых участках изображения возможен сдвиг цветового тона в сторону зеленого, а в темных областях появляются красноватые оттенки.
Стандарт PAL, предложенный фирмой Telefunken, явился усовершенствованием NTSC. Принцип формирования сигнала цветности тот же, но через строку производится изменение фазы цветоразностного сигнала R – Y. При декодировании цветоразностные сигналы выделяются путем сложения/вычитания сигналов цветности соседних строк. Сложение поступившего сигнала с задержанным дает удвоенное значение цветоразностного сигнала B – Y, вычитание – сигнала R – Y. В результате цветоразностные сигналы меньше подвержены фазовым искажениям канала передачи, легче отделяются от шумов и помех, а также от остатков сигнала яркости. Фаза сигнала по-прежнему задает цветовой тон, а амплитуда – насыщенность, но к дифференциальным фазовым искажениям система нечувствительна, поэтому основную проблему составляют как раз остатки сигнала яркости, приводящие к некоторым искажениям насыщенности цвета. К сожалению, при таком способе в два раза снижается цветовая четкость по вертикали (по сравнению с NTSC). Но при этом число строк в кадре не 525, а 625, из которых видимых 576 (против 480 для NTSC).
Стандарт SECAM, наиболее актуальный для нас, также имеет 576 видимых строк в кадре, частота кадровой развертки (то есть обновления изображения) равна 25 Гц. Для передачи цветоразностных сигналов используются частотная модуляция и две разных поднесущих частоты – для сигналов R – Y используется частота 4,416 МГц, и увеличение до 4,68 МГц, для сигналов R – Y – частота 4,25 МГц, и уменьшение до 3,95 МГц. При этом если сигнал яркости в канале цветности подавлен согласно стандарту, насыщенность и цветовой тон изображения не искажаются при любых величинах яркости, хотя при резких перепадах возможно появление артефактов: синяя окантовка очень светлых областей изображения; желтая – вокруг очень темных. Цветоразностные сигналы передаются поочередно (Sequentiel – последовательный, поочередный) через строку (то есть, например, в первой строке – красный, во второй – синий и т. д.) и восстанавливаются для каждой строки с помощью блока памяти (Memoire), в которой запоминается предыдущая строка. Естественно, такой способ в два раза снижает цветовую четкость изображения по вертикали.
Конкретные реализации стандартов в разных странах могут значительно отличаться способом модуляции звукового сигнала, шириной спектра видеосигнала и некоторыми другими характеристиками. Всего существует 13 вариантов, от A до N (табл. 2.1). Однако стандарты А (Англия), С (Бельгия и Люксембург), F и Е (Франция) устарели и в настоящее время не используются.
В России принят SECAM D/K (первая буква – стандарт для передачи в метровых волнах, вторая – в дециметровых).
Таблица 2.1. Телевизионные стандарты
В связи со все более широким выходом на рынок телевизоров с большими и сверхбольшими экранами появилась потребность в разработке новых телевизионных стандартов с большим размером кадра и более высоким разрешением. Если в традиционном телевидении принято соотношение сторон кадра 4:3, то для широкоформатного телевидения используется соотношение 16:9. Кроме того, практически отпала необходимость сохранять совместимость со стандартами черно-белого телевизионного вещания, а следовательно, можно отказаться от совместной передачи яркостной и цветоразностной информации. Это позволяетсущественно повысить качество изображения, поскольку полностью снимаются проблемы, связанные с неполным разделением цветовой и яркостной информации. Подобный подход реализован, в частности, в формате D2 MAC, применяющемся в кабельном и спутниковом телевидении. В этом стандарте информация о яркости и цветоразностных сигналах передается (раздельно во времени) во время прямого хода луча по строке, во время обратного хода в цифровом виде передаются звук и телетекст.
В ряде стран существуют проекты перехода на широкоэкранное цифровое телевещание (наибольшую активность в этом отношении проявляют США). Консорциум компаний (U.S. Grand Alliance) разрабатывает новый стандарт HDTV (High Definition TV – телевидение высокого разрешения). В нем используется сжатие сигнала MPEG 2 с разрешением 1440x960 для 50 Гц и 1280x720 для 60 Гц.
Кроме теоретического интереса, вопрос о видеоформатах имеет для занимающихся компьютерным видео очень важное практическое значение, поскольку видеоустройства разных форматов требуют подключения к различным разъемам, далеко не все из которых могут присутствовать на вашей плате видеоввода.
