Себе копирую как полезную вещь
27.07.2010 в 13:41
Пишет Серебряный:PAL, SECAM и NTSC: системы телерадиовещания.
Наверное, никому не нужно объяснять, какое место в нашей жизни занимает телевидение. Новости, развлекательные и учебные программы, репортажи из горячих мест, фильмы, сериалы, детские передачи, реклама, наконец… Но как известно, к хорошему привыкаешь быстро, а представить мир без телепрограмм (эфирных, кабельных, спутниковых или видеозаписей) и даже телевизионных игровых приставок уже просто невозможно. Производитель (вещатель) заботится о содержании программ, зритель потребляет — казалось бы, что еще надо… Но если вещатель думает о том, кому передавать, а зрителю — что передают, то есть еще и третий “участник” ТВ-общения — телевизор, которому важно, как передают.
Вспоминают об этом чаще всего тогда, когда в руки попадает кассета с записью в стандарте, который ваш питомец в упор не хочет видеть, точнее, показывать, а если и показывает, то в черно-белом виде. Вот тогда на свет и всплывают словечки ПАЛ, СЕКАМ и НТСЦ.
До недавнего времени (примерно, конец 80-х) рядовой неподготовленный телезритель совершенно не подозревал о существовании великого многообразия систем телевещания, а терминами (аббревиатурами) NTSC, PAL или SECAM пользовались исключительно профессионалы-телевизионщики. О единственной в Советском Союзе системе SECAM тоже знали только специалисты да радиолюбители.
ПродолжениеНо с массовым появлением на нашем рынке (конец 80-х — начало 90-х) импортных видеомагнитофонов, а позже и видеокамер, ребром встал вопрос о совместимости импортного оборудования (работающего, как правило, в стандарте PAL, реже в NTSC) с отечественными SECAM-телеприемниками. В те годы спрос на видеомагнитофоны породил целую подпольную индустрию по производству и распространению PAL-декодеров. Число 4510 (название микросхемы PAL-декодера производства Philips) знают и помнят все радиолюбители, так или иначе приложившие руку к “оПАЛиванию” нашей страны. А к середине 90-х даже школьник знал “кто такой SECAM”, и многие, наверное, помнят КВН’овскую фразу “Как низко PAL SECAM…”
В сегодняшней статье мы попытаемся приоткрыть занавес и познакомить читателя со всем многообразием систем и стандартов телевизионного вещания. Но перед тем, как приступить к изложению сути, достоинств и недостатков каждой из систем, напомним основные принципы, лежащие в основе формирования телевизионного изображения вообще и цветного в частности. (Здесь есть смысл уточнить, что подразумевается под стандартом, а что — под системой. Под стандартом подразумевается набор технических характеристик видеосигнала: частота кадров, частота строк, частотный диапазон вещания [МВ, ДМВ], частота поднесущей звука, частота поднесущей цвета [4.43 или 3.58 — только для NTSC]. Система же цветности определяет только способ кодирования цветовой информации — это и есть PAL, SECAM, NTSC.)
Начать, пожалуй, стоило бы с кинематографа, который во многом наложил свой отпечаток на развитие телевидения. Принцип работы кинопроекции заключается в последовательной смене кадров изображения на кинопленке и основан на инерционности человеческого зрения, не замечающего на экране смену неподвижных изображений с определенной частотой (24 кадра в секунду и выше) и воспринимающего этот дискретный процесс как плавный. Такой же подход использован в телевидении — на экране сменяют друг друга неподвижные кадры изображения с частотой, “обманывающей” глаз телезрителя, заставляющей верить, что все движения на экране непрерывны. Но вот дальше начинаются расхождения. Если в кино каждый кадр формируется за один раз, целиком, то в телевидении используется строчное сканирование — каждый кадр разбивается на последовательные горизонтальные строки, из которых на экране ТВ-приемника складывается изображение. В отличие от киноэкрана, на который проецируется изображение извне, экран ТВ-приемника воспроизводит изображение “изнутри”.
Цвет на экране
Электронный луч движется по горизонтальным строкам слева направо и сверху вниз. Количество строк на экране определяет вертикальное разрешение кинескопа. Когда луч достигает конца строки, он гасится и возвращается в начало. Затем процесс повторяется. Так формируется кадр изображения.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — основной элемент любого кинескопного телевизора. Это по сути стеклянная колба, из которой откачан воздух. На передней поверхности находится экран, на горловине — отклоняющая система, внутри горловины — электронная пушка. Пушка генерирует три электронных луча, которые с помощью отклоняющей системы сканируют экран.
Поверхность экрана покрыта светочувствительными точками люминофоров красного, зеленого и синего цветов. Точки объединены в триады, образующие элементы изображения — пикселы. Из них в дальнейшем складывается изображение.
Каждый луч в кинескопе попадает на люминофоры “своего” цвета. Для этого используется теневая маска — тонкая металлическая пластина с отверстиями. Каждому отверстию соответствует своя триада. Электронные лучи сводятся точно в месте прохождения через теневую маску.
Чересстрочная развертка. В ТВ изображение формируется сканированием сначала нечетных (1, 3, 5 и т.д.) строк, а потом четных (2, 4, 6 и т.д.) строк. Одно сканирование формирует полукадр. В 50-герцовых телевизорах оно занимает 1/50 секунды, соответственно полный кадр формируется за 1/25 секунды, т.е. каждую секунду на экране формируется 25 полных кадров (для систем PAL, SECAM). Этого достаточно, чтобы движения на экране воспринимались как плавные. Частота строк равна 25 x 625 = 15.625 Гц. При этом мерцания изображения менее заметны, чем при построчной развертке, зато заметны краевые сдвиги строк на быстрых движениях.
Рисунок наглядно показывает, как формируется цвет на экране цветного телевизора. Основные (первичные) цвета R, G и B при смешении образуют 7 базовых. Управляя яркостью и соотношением первичных цветов, можно получить любой промежуточный цветовой оттенок на экране.
Необходимость свести в один канал сигналы синхронизации, информацию о цвете и яркости, а также сигналы опознавания (своего рода “паспорт” для каждой из систем) привела к созданию сложнейшего по структуре стандарта видеосигнала. Жирной линией на рисунке выделен сигнал черно-белого ТВ, а частотные насадки (поднесущие) позволяют передавать информацию о цвете и принадлежности к конкретной системе цветности. Одновременно передается сигнал синхронизации разверток. На рисунке — так выглядит сигнал ТВ-строки для систем NTSC и PAL.
Так выглядит цветной муар на изображении.
Кадр, полученный из эфира, наглядно демонстрирует, как выглядят перекрестные искажения. Крупные цветные поля покрыты мелкой сеточкой. Она не только привносит искажения цвета, но в процессе просмотра непрерывно смещается, отвлекая внимание зрителя.
Экран черно-белого телевизора имеет внутреннее люминофорное (фосфорное) покрытие только одного цвета, а его кинескоп содержит лишь одну электронную пушку. Изменение тока луча определяет интенсивность свечения люминофора, приводя к различным оттенкам белого цвета.
Внутренняя поверхность экрана цветного кинескопа покрыта точками трех типов люминофоров основных цветов — красного, зеленого или синего (R, G, B). Из этих трех основных цветов формируются все цвета и оттенки. Соотношение яркостей люминофоров определяет цвет отдельных элементов изображения. Если, например, луч, который засвечивает синий люминофор, выключен, а светятся только красный и зеленый, они воспринимаются глазом как желтый. Изменяя интенсивность того или иного электронного луча, можно изменять цветовую гамму изображения. В цветном кинескопе три электронных пушки и соответственно три электронных луча — по одному для красного, синего и зеленого цветов. Три электронных луча сканируют экран аналогично одному в черно-белом кинескопе.
Как глаз видит цвет
Можно предположить, что в цветном телевидении “белый” состоит из равных долей первичных цветов. К сожалению, это не так. Человеческий глаз не видит все цвета с равной яркостью. Глаз намного более чувствителен к желтовато-зеленому, чем к синему или красному свету. Из-за большей чувствительности глаза в зелено-оранжевой части цветного спектра равное процентное соединение красного, зеленого и синего цветов не будет казаться белым.
Фосфоры, используемые в телевизионных экранах, представляют собой цветные соединения, в которых на долю красного цвета приходится 30, на долю синего — 11 и на долю зеленого — 59 процентов.
Сигналы яркости и цветности
На заре эры цветного телевидения было решено сделать цветные телевизионные передачи совместимыми с существующим черно-белым телевидением (имеющийся в мире парк черно-белых телевизоров просто не позволял сделать иначе). Черно-белые телевизоры должны быть способны принимать цветные передачи и воспроизводить их как обычные черно-белые. Чтобы достичь этого, структура цветного телесигнала полностью повторяла черно-белый, добавился лишь дополнительный сигнал цветности (и сигналы его опознавания), которые легко отфильтровывались в черно-белом телевизоре, не отражаясь (почти) на качестве изображения.
Итак, в цветном телевидении приняты две составляющие видеосигнала — яркостная (luminance или Y) и цветностная (chrominance или C). Сигнал яркости (Y) передается обычным образом, с полной шириной полосы пропускания, позволяя черно-белому телевизору показывать нормальное черно-белое изображение. На сигнал цветности (С) выделена гораздо меньшая ширина полосы. Это стало возможным благодаря тому, что глаз человека имеет низкое цветовое разрешение и не способен различать мелкие цветные элементы изображения с такой же точностью, как белые.
Яркость и насыщенность изображения
Говоря о восприятии цвета, надо понимать, что сигнал яркости несет информацию о яркости объекта и ее промежуточных значениях, тогда как сигнал цветности передает информацию о цветовом оттенке и густоте (глубине) цвета или насыщенности изображения. Менее насыщенное изображение выглядит на экране блеклым, более насыщенное — ярким, сочным.
Передача цвета
При передаче цветного ТВ-сигнала сигнал цветности (C) преобразуется в специальные цветоразностные сигналы. Так как информация о яркости уже передается, цветовой сигнал в ней больше не нуждается. Таким образом, получаются три цветоразностных сигнала: красный минус сигнал яркости (R – Y), зеленый минус сигнал яркости (G – Y) и синий минус сигнал яркости (B – Y).
Но нет необходимости передавать и все три цветоразностных сигнала потому, что если две составляющих полного сигнала цветности известны, третий может быть рассчитан. Например, когда имеется сигнал, состоящий из 50 % синего и 40 % красного, зеленый должен составлять 10 % (50 % + 40 % + x = 100 %; x = 10 %). Поэтому для передачи информации о цвете выбраны два цветоразностных сигнала: R – Y и B – Y. Сигнал G – Y опущен не только из соображений экономии (уменьшается количество каналов передачи), но и улучшения качества сигнала. Так как сигнал яркости состоит из 59 % зеленого, G – Y должен иметь самый низкий уровень. Он был бы более уязвим к шуму в передающей системе, чем большие по величине R – Y и B – Y.
Перекрестные искажения
В ТВ-приемнике неизбежно взаимное влияние сигналов яркости и цветности друг на друга, т.к. для полной совместимости с черно-белым ТВ необходимо смешивать их друг с другом. Этот процесс приводит к появлению цветного муара и так называемым перекрестным искажениям. Они бывают двух видов. Если сигнал цветности проникает в канал яркости, на изображении появляется регулярная сетчатая структура, имеющая шахматный порядок. В другом случае, когда яркостный сигнал проникает в канал цветности, это приводит к появлению бесцветных окантовок (похожих на нитку жемчуга) на цветных участках изображения. Для устранения или уменьшения перекрестных искажений используют гребенчатые фильтры, которые улучшают разделение сигналов яркости и цветности. Цифровой гребенчатый фильтр является усовершенствованием аналогового гребенчатого фильтра и позволяет практически полностью избавиться от взаимопроникновения Y- и C-сигналов. Пока такие фильтры используются только в NTSC и PAL.
Системы телевещания
Мы подошли к тому моменту, когда самое время заговорить о системах и стандартах цветного телевещания. Итак, после получения цветоразностных сигналов они преобразуются в один сигнал в передающем центре. Каким образом кодировать сигналы цветности, было решено в различных странах различными способами. Настолько различными, что это привело к появлению трех основных несовместимых друг с другом стандартов.
Появление каждой новой системы цветности в мире сопровождалось шутливыми комментариями “общественности”. Приведем наиболее известные, касающиеся расшифровки аббревиатур-названий систем:
NTSC — Never Twice the Same Colour (никогда дважды один и тот же цвет);
SECAM — System Essentially Contrary to the American Method (система, противоположная по сути американскому методу);
PAL — Picture At Last (наконец-то картинка), Pay for Added Luxury (плати за дополнительную роскошь).
Причины несовместимости
Для работы ТВ-приемника необходим источник сигналов кадровой синхронизации, которые указывают ему момент начала кадра в ТВ-сигнале. На начальных стадиях проектирования было решено использовать частоту питающей сети в качестве такого источника по двум основным причинам. Во-первых, при использовании ранее созданных блоков питания телевизоров могла возникнуть проблема “движущейся полосы” на изображении в случае неточного совпадения частоты кадров и питающей сети. А во-вторых, телестудии имели бы большие проблемы с мерцанием при создании ТВ-программ.
Дальнейшие разновидности систем появились в обоих лагерях с началом вещания в цвете. Большая часть стран с сетью 60 Гц использует систему цветного телевидения NTSC, разработанную в Соединенных Штатах.
Вскоре за NTSC появилась ее модификация, которая была названа PAL. Она принята в большинстве “50-герцовых” стран, в том числе в Западной Европе (кроме Франции), а также в некоторых “60-герцовых” странах (например, Бразилии).
В конце 60-х во Франции во многом по политическим причинам (защита внутренних производителей) была разработана система SECAM. Она была широко принята в восточно-европейском блоке стран в основном потому, чтобы поощрить несовместимость с западными передачами — снова политический повод. Частота кадров в SECAM составляет 50 Гц (за исключением некоторых экзотических ее вариаций, приказавших к сегодняшнему дню долго жить).
50 или 60?
В мире используются две основные частоты электропитания — 50 Гц и 60 Гц. Это сразу же разделило мир на два неравных лагеря: 25 кадров в секунду (50 Гц) и 30 кадров в секунду (60 Гц). Позднее, с приходом цвета, “60-герцовые” страны сделали небольшую поправку и перешли к частоте 59.94 Гц. К сожалению, различная частота кадров — не единственная причина несовместимости ТВ-систем.
Особенности систем цветности
NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в 1953 году в США Национальным комитетом по телевизионным стандартам (National Television Standards Committee). NTSC принята в качестве стандартной системы ЦТВ также в Канаде, Японии и ряде стран американского континента. В качестве сигналов для передачи цветовой информации в системе NTSC приняты цветоразностные сигналы. Передача этих сигналов осуществляется в спектре сигнала яркости на одной цветовой поднесущей.
Кроме эксплуатационных недостатков, связанных со сложным принципом передачи и разделения сигналов цветности — квадратурной модуляцией и синхронным детектированием, необходимо указать на большую подверженность системы NTSC искажениям типа “дифференциальная фаза” и “дифференциальное усиление”. Первое приводит к искажениям цветового тона, который изменяется в зависимости от мгновенного значения сигнала яркости. Второе из-за нелинейности амплитудных характеристик приводит к искажениям насыщенности.
Варианты NTSC
Помимо так называемого “базового” NTSC M (525 строк / 30 кадров/секунду / частота поднесущей цвета 3.58 МГц), существуют еще три варианта этой системы.
Первый называется NTSC 4.43 и используется в мультистандартных VHS-видеомагнитофонах. Временные параметры видеосигнала такие же, как в базовом NTSC M. Разница в том, что цветовое кодирование и декодирование производится в “PAL-формате”, т.е. частота цветовой поднесущей такая же, как в PAL (4.43 МГц). О втором, NTSC-J, в России практически никто не слышал. Этот вариант используется в Японии (Japan). Отличается от базового NTSC M отсутствием подпорки гасящих интервалов в активной части строки. Соответственно амплитуда его составляет 0.714 В вместо принятого в NTSC 1 В (впрочем как в PAL и SECAM). Третий, названный “noninterlaced NTSC”.
PAL
Эта система (Phase Alternation Line — строка с переменной фазой), разработанная в ФРГ, в своей основе содержит все идеи американской NTSC. Особенность PAL заключается в оригинальном способе устранения фазовых искажений, присущих системе NTSC.
В системе PAL фаза поднесущей одного цветоразностного сигнала от строки к строке меняется на 180 градусов. Кроме того, в приемнике используется линия задержки на время одной строки (64 мкс). Т.е. имеются два сигнала цветности с относительной задержкой на одну строку. Изменение фазы от строки к строке на 180° приводит к тому, что фазовые ошибки, одинаковые по величине, имеют разные знаки. Сложение напряжения на входе линии задержки с перевернутым напряжением на ее выходе устраняет ошибку (сбой) фазы.
При очевидных достоинствах главным недостатком системы PAL является существенное усложнение ТВ-приемника за счет введения в его схему дополнительных узлов для задержки сигнала цветности на время одной строки и периодического изменения фазы цветоразностного сигнала. Следует также отметить, что искажения типа “дифференциальное усиление” в PAL не компенсируются.
SECAM
В 1958 г. французский инженер Анри де Франс изобрел новую систему, названную SECAM (SEquential Couleur Avec Memoire), в которой отсутствовал основной недостаток NTSC — искажения цветового тона, вызываемые нелинейностью частотных, фазовых и амплитудных характеристик узлов телевизионного тракта. В SECAM информация о цветовом тоне не определяется фазовыми соотношениями сигналов цветности. В первых вариантах (система “Анри де Франс”) информация о цветовом тоне передавалась амплитудной модуляцией поднесущей. В более усовершенствованной системе SECAM цветовая информация передается с помощью частотной модуляции поднесущей цвета.
Цветоразностные сигналы в SECAM передаются поочередно: в течение одной строки — сигнал R – Y, в течение следующей — В – Y и т.д. Цветовая информация как для R – Y, так и для В – Y “снимается” через строку. При этом предполагается, что в пропущенных строках цветовая информация идентична соседним. Иными словами, для сигналов цветности полный кадр содержит вдвое меньшее количество строк, что приводит к соответствующему увеличению размеров окрашенных мелких деталей по вертикали. Визуальная четкость по вертикали при этом не снизится, т.к. более мелкие детали передаются сигналом яркости Y с полным числом строк развертки.
Таким образом, при поочередной (через строку) передаче сигналов цветности в приемнике в результате использования элемента памяти (линии задержки) образуются три исходных сигнала цветности. Поэтому рассматриваемую систему часто называют последовательно-одновременной (или по-французски Sequential a memoire — последовательная с памятью).
“Политический” SECAM
Известно, что одной из причин принятия на “вооружение” SECAM во Франции была защита внутреннего рынка от “вторжения” чуждой NTSC. Хотя новизна решений и явные преимущества при создании системы также были учтены. И в СССР эта система была принята не в последнюю очередь по политическим соображениям — лишь бы не американская NTSC и немецкий PAL. Естественно, и страны Варшавского договора “добровольно” приняли SECAM (пожалуй, только ГДР удалось отстоять “свой” стандарт звука — 5.5 МГц вместо советских 6.5). В 1966 году политическая “особенность” SECAM всплыла наружу, когда советское правительство использовало соглашение с Францией (о распространении на территории СССР только системы SECAM) как предлог, чтобы запретить американской вещательной корпорации NBC запись на видеоленту показательных выступлений в Москве. В последнюю минуту правительство СССР потребовало прекратить NTSC-запись, объяснив, что иначе нарушит соглашение.
Сравнение систем SECAM, NTSC и PAL
При сравнении систем цветного телевидения обычно учитывают следующие качественные и технико-экономические показатели.
Чувствительность к искажениям
Качество цветного изображения
Совместимость с черно-белым ТВ
Оценка особенностей систем
Возможность и особенности видеозаписи
Исходя из этих показателей, сравним кратко существующие системы.
1. Неравномерность частотных и фазовых характеристик тракта передачи в той области частот, где расположены составляющие спектра сигнала цветности, приводит в системе NTSC к искажению изображения. Эти искажения проявляются на экране в виде окантовок на границах участков, резко отличающихся по цвету. Такие цветные окантовки становятся заметными уже при небольших частотных искажениях, притом что эти искажения намного меньше допустимых в черно-белом телевидении. По этой причине к частотным и фазовым характеристикам различных элементов аппаратуры в системе NTSC предъявляются весьма жесткие требования. Сказанное в полной мере относится также к системе PAL. Применение в системе SECAM частотной модуляции для передачи цветных сигналов позволяет не предъявлять к равномерности частотных характеристик более жестких требований, чем для систем черно-белого телевидения. Все искажения сигнала цветности, возникающие из-за неравномерности частотных характеристик, устраняются в амплитудных ограничителях приемника. В этом отношении система SECAM имеет значительные преимущества перед системой NTSC и PAL. И хотя искажения градаций в яркостном сигнале при этом остаются, однако они заметны не более чем в черно-белом телевидении. Система PAL в отношении искажений типа “дифференциальное усиление” не имеет преимуществ перед NTSC, так как и в ней применяется тот же метод модуляции поднесущей.
2. Оценивая системы цветного телевидения с точки зрения качества изображения, необходимо учитывать два обстоятельства. С одной стороны, можно сравнивать качество изображения, получаемое на телевизионных приемниках разных систем при идеальных условиях передачи и приема сигнала. С другой стороны, можно проводить оценку, сравнивая изображения при реальных условиях передачи, когда в тракте передачи возникают искажения сигнала, и когда ТВ-приемник настраивается телезрителем, не имеющим специального радиотехнического образования.
В первом варианте мы фактически оцениваем потенциальные возможности системы цветного телевидения. Во втором — сравниваем качество изображений, которые могут увидеть на своих экранах телезрители. Оба варианта оценки одинаково необходимы. Если подходить к оценке с позиций идеального сигнала, то потенциально самое высокое качество изображения обеспечивает NTSC. При этом ее основным минусом остается сниженное вертикальное разрешение (всего 525 строк) и неприспособленность передачи на большие расстояния и по радиорелейным линиям.
В реальных же условиях телеприема, когда эфир изобилует помехами, а удаленность телецентра только способствует росту шумов, приоритет будет в пользу SECAM — в силу того, что цветовые сигналы передаются поочередно в разное время, перекрестные искажения почти отсутствуют. Для передачи сигналов SECAM могут применяться обычные радиорелейные линии.
Для обычного рядового пользователя в условиях достаточной силы ТВ-сигнала и минимума помех различия в качественных показателях изображения на экранах телевизионных приемников NTSC, PAL и SECAM почти не наблюдается.
3. Если раньше при внедрении систем цветного телевидения необходимо было учитывать наличие существующего парка черно-белых приемников, то теперь этот момент не столь актуален. В мире практически не ведутся черно-белые передачи (даже старые черно-белые фильмы транслируются с сигналами опознавания цветности), а количество выпускаемых черно-белых телевизоров неудержимо сокращается. Более увесистой причиной сегодняшней несовместимости скорее является существующий парк цветных ТВ-приемников, приспособленных по большей части для работы в одном из стандартов. Понятно, так будет продолжаться еще много лет, если только в один момент договорившиеся между собой вещатели не перейдут на единый стандарт (цифровой?), как это произошло не так давно с экзотическим французским стандартом на 819 строк. Тогда просто решено было отказаться от поддержки этого стандарта, а оставшиеся с носом зрители вынуждены были копить денежки на новые телевизоры. Тем не менее не учитывать “черно-белый” парк пока еще рано.
Сигналы цветности образуют на экране черно-белого приемника помеху в виде мелкой cетки. В NTSC менее всего заметно ее мешающее действие, т.к. при передаче черно-белых участков изображения в NTSC сигналы цветности отсутствуют вообще.
В SECAM из-за применения частотной модуляции поднесущая сигналов цветности не может быть полностью подавлена. Для устранения мешающего действия сигналов цветности в системе SECAM применяется коммутация фазы поднесущей. Это не привело к полному устранению помехи, однако применение предыскажений сигналов цветности позволяет существенно уменьшить ее заметность.
В PAL так же, как и в системе SECAM, применяется коммутация фазы поднесущей. Однако эта мера не обеспечивает полного устранения помех, и в результате система PAL по этому показателю стоит ниже SECAM.
MESECAM — стандарт или система?
Широко распространена расшифровка аббревиатуры MESECAM как Middle East SECAM (средневосточный SECAM). Подразумевалось, что он распространен на Ближнем и Среднем Востоке. Но SECAM-вещание в этих регионах ничем не отличается от стандартного. По сути несколько арабских стран принимают нормальный SECAM (625 строк / 50 Гц). Термин же “MESECAM” появился в годы, когда стал резко расти спрос на видеомагнитофоны в арабском регионе. Имея возможность не только принимать “родной” SECAM, но и PAL из соседних стран, арабские зрители буквально вынудили производителей разработать дешевый способ записи SECAM-программ. На свет появился MESECAM — способ записи SECAM-программ на PAL-видеомагнитофоны. Для этого не надо было включать в магнитофон отдельный SECAM-тракт, заметно удорожающий стоимость. Ценой дешевого решения стало низкое качество записи (шум, помехи, муар на изображении).
4. Далее на примере преимуществ и недостатков расскажем о технических особенностях стандартов.
NTSC/525
Преимущества:
Более высокая частота кадров — использование частоты кадров 30 Гц (в действительности 29.97 Гц) приводит к уменьшению заметности мерцания изображения.
Высокая точность редактирования цвета — возможно редактировать любые 4 поля без оказывания влияния на цвет.
Менее заметны шумы на изображении — достигается лучшее отношение сигнал/шум, чем в PAL/625.
Недостатки:
Меньшее число строк развертки — сниженная вертикальная четкость, более заметна строчная структура на экранах с большой диагональю.
Более выраженные муар, точечная интерференция и перекрестные искажения — это происходит из-за большей вероятности взаимодействия с монохромным сигналом изображения на более низкой частоте поднесущей.
Изменение оттенка — вариации фазы цветовой поднесущей вызывают сдвиги в отображении цветов, заставляя оснащать приемники регулировкой оттенка (Tint). Многие NTSC-телевизоры имеют цепи автоматической регулировки оттенка. Но уменьшая его флуктуации, они приводят все цвета, слагающие телесный цвет, к некому стандартному значению. При этом некоторая часть цветового диапазона не может быть правильно отображена. Топовые модели, как правило, имеют возможность отключения этих цепей, более дешевые — нет.
Более низкая по отношению к PAL контрастность — значение гамма-коррекции составляет 2.2, в то время как в PAL/625 оно равно 2.8.
PAL/625
Преимущества:
Более детальная картинка — большее число строк развертки, а также более широкая полоса сигнала яркости.
Устойчивость оттенков — благодаря инверсии фазы поднесущей на каждой последующей строке, любое фазовое искажение будет подавлено.
Более высокий уровень контраста — значение гамма-коррекции 2.8 против 2.2 в NTSC/525.
Недостатки:
Более заметное мерцание — более низкая частота кадров (25 кадров/секунду).
Более заметны шумы — требование более высокой частоты поднесущей приводит к ухудшению отношения сигнал/шум в PAL/625 по сравнению с NTSC/525.
Потеря точности редактирования цвета — из-за чередования фазы цветового сигнала редактирование может быть осуществлено с точностью ±4 кадра (8 полей).
Снижение цветовой насыщенности при неизменном оттенке — точность цветов достигается посредством потери информации о разности фаз сигналов оттенка и насыщенности (к счастью, глаз менее восприимчив к изменениям насыщенности по сравнению с изменением оттенка, так что это — меньшее из двух зол).
SECAM/625
Преимущества:
Устойчивость оттенка и постоянство насыщенности.
Большее вертикальное разрешение — в SECAM используется более высокое число строк развертки, чем в NTSC/525.
Недостатки:
Более заметно мерцание (см. PAL/625).
Невозможно смешивание двух синхронных сигналов цвета SECAM — большинство ТВ-студий в SECAM-странах работают в PAL и переводят передачи в SECAM лишь для вещания. Кроме того, продвинутое домашнее оборудование S-VHS, Hi8 записывает в PAL и только при проигрывании транскодирует в SECAM.
Регулярные шумовые структуры на изображении (сеточка и др.) — частотная модуляция приводит к появлению регулярных шумовых структур даже на нецветных объектах.
Сниженное качество монохромного сигнала — т.к. одна из цветовых поднесущих имеет частоту 4.25 МГц, полоса меньшей ширины может быть использована для монохромного сигнала.
Несовместимость между различными версиями SECAM — некоторые из вариантов SECAM (эфир и видео) несовместимы друг с другом. Например, между оригинальной французской версией SECAM и так называемым Middle East SECAM. В описании на видеомагнитофон вы найдете упоминание об этом.
5. Возможность видеозаписи поддерживают все базовые системы. Для их записи выпускаются как одно-, так и мультисистемные видеомагнитофоны. Скажем, в Штатах широко распространены NTSC-модели и гораздо реже мультисистемные. Во Франции до сих пор встречаются только SECAM-модели. Зато система PAL не только распространена по всему миру, но и обязательно записывается любым мультисистемным видеомагнитофоном.
Особенность записи в NTSC заключается прежде всего в скорости протягивания ленты, она составляет 33.35 мм/с, в то время как для PAL, SECAM это значение равно 23.39 мм/с. Т.е. расход ленты для NTSC-записи заметно больше. В России, несмотря на монополизм SECAM, с момента появления импортных и производства отечественных моделей распространены как минимум двухсистемные видео. Парадоксально, но факт — “чистых” SECAM-моделей в России не только никогда не производилось, их даже в продаже крайне мало. Все прилавки заполонил тот самый дешевый MESECAM. Только в последние год-два Thomson, а вслед за ним и Samsung стали ввозить в Россию “настоящий” SECAM. Надо сказать, разница в качестве записи между SECAM и MESECAM видна невооруженным глазом. Только надо учитывать, что если записи в MESECAM более-менее универсальны (на практике несоместимость между разными видео проявляется крайне редко), то запись в SECAM совместима только с SECAM-видеомагнитофоном.
Что касается NTSC в России, похоже, эта система переживает у нас второе рождение. С распространением DVD запись в NTSC стала актуальной, несмотря на защищенность контента на диске. Стал расти спрос на мультисистемные видео с NTSC-записью. Есть также видео с режимом воспроизведения NTSC на PAL-телевизоре, но из-за отсутствия тиражирования в NTSC они меньше пользуются спросом.
Вывод — наиболее распространенной системой для видеозаписи в России является PAL (все, что у нас тиражируется, записывается только в PAL). Вторая причина — продаваемые в России видеокамеры, которые записывают исключительно в PAL, даже цифровые камкордеры имеют встроенный PAL-кодер.
Взаимосовместимость систем и транскодирование
Говоря о взаимосовместимости систем, следует иметь в виду полную или частичную совместимость, т.е. возможность принимать ТВ-сигнал одной из систем на приемник, рассчитанный на другой, или видеозапись ТВ-программы в одной из систем на видеомагнитофон, рассчитанный на работу в другой.
В принципе, так как частота кадров и число строк изображения одинаковы, при просмотре изображения, записанного в SECAM, на оборудовании PAL можно получить черно-белое изображение, и наоборот. Лишь частоты передачи и различия цветового кодирования делают системы несовместимыми с вещательной точки зрения. Тем не менее транскодирование между PAL и SECAM менее сложно, чем с NTSC.
Вообще же говоря, возможность получения цветного изображения в одной из систем на ТВ-приемнике, рассчитанном на другую, практически равна нулю. Остается только частичная совместимость, т.е. возможность просмотра черно-белого изображения на цветном приемнике. В этом случае достаточно, чтобы приемник “понимал” частоту кадров исходного сигнала. Частично совместимы между собой системы PAL/625 и SECAM/625 — на любом SECAM-приемнике можно воспроизвести в черно-белом виде PAL-программу и наоборот. NTSC-программы невозможно воспроизводить на телевизорах систем PAL и SECAM, равно как и наоборот. Исключение составляет режим PAL60 в видеомагнитофонах, в этом случае можно воспроизводить программу, записанную в NTSC 4.43. Несовместимы друг с другом разновидности системы SECAM (скажем, L и D).
Решение проблемы совместимости
Можно отметить три существующих способа “наведения мостов” между мировыми стандартами телевещания.
Первый заключается в ограниченном транскодировании. Вы, наверное, уже встречали странные названия вроде “NTSC Playback”, “NTSC Playback on PAL TV” или “PAL60”. Такие режимы позволяют только воспроизводить видеозапись на телевизоре, но копировать на другой видеомагнитофон ее нельзя. Что-то вроде неполноценного транскодирования.
Второй способ — это полноценное мультисистемное транскодирование. Такие транскодеры позволяют производить запись и воспроизведение в любой из систем цветности, независимо от стандарта оригинальной программы. По отношению к ТВ-приемнику мультисистемность означает не что иное как возможность воспроизведения сигнала, кодированного в любой из систем PAL, SECAM, NTSC. Часто бывает, что одна из систем (у нас обычно NTSC) может быть воспроизведена лишь через видеовход. Мультисистемный видеомагнитофон должен уметь воспроизводить PAL-запись в виде стандартного сигнала PAL, а также записывать поданный на него сигнал PAL как стандартную запись в PAL. То же самое он должен уметь, естественно, и с SECAM, и NTSC.
Наконец третий способ состоит в конвертировании стандартов. Здесь речь идет о транскодировании, но только систем одного стандарта, скажем. Например, PAL (625/50) в SECAM или наоборот. Либо NTSC 4.43 (525/60) в NTSC 3.58 или наоборот. Это единственный способ, когда видеоматериал записывается с полной гарантией от ошибок, в то время как мультитранскодеры при переводе, скажем, 625-строчного PAL в 525-строчный NTSC лишние строки вырезают, а если наоборот, то добавляют, т.е искажают информацию.
Здесь следует отметить, что в бытовой электронике мультисистемное оборудование получило весьма широкое распространение, в то время как число моделей аппаратуры для конвертации сигналов можно пересчитать по пальцам. Такие модели выпускают, например, Panasonic и Samsung. JVC также оснащает некоторые свои видеомагнитофоны транскодером, но только из SECAM в PAL при записи и наоборот — при воспроизведении.
Буквы и цифры…
Каждый из вас хоть раз видел коробки из-под телевизоров с надписями Multisystem и перечнем этих system в виде букв: B, G, I, M, L, D, K, а также дробных чисел 4.5, 5.5, 6.0, 6.5. Что они означают? И откуда берется Multi аж в 28 систем, если их всего 3?
Все очень просто. Как уже упоминалось, у трех основных систем есть вариации, отличающиеся частотой кадров, числом строк, диапазоном радиочастот (для эфирного вещания), промежуточной частотой звука и ее положением относительно несущей изображения, способом и полярностью модуляции несущей изображения. Для желающих разобраться самостоятельно публикуем таблицы систем.
В качестве примера приведем наш родной SECAM D, K: система цветности SECAM, частота кадров 25 Гц, число строк 625, ПЧ звука — 6.5 МГц, сдвиг выше несущей изображения, полярность модуляции несущей изображения отрицательная, используется как для вещания в метровом диапазоне (D), так и дециметровом (K), применяется в настоящее время (на территории России и стран СНГ в первую очередь).
А что дальше?
А дальше на горизонте телевидение высокой четкости и цифровое вещание. Для первого еще актуальны рассмотренные системы цветности. Для цифрового ТВ основообразующие цвета (R, G, B) уже не нуждаются в аналоговых системах кодирования, приводящих к деградации качества. Цифровой кодер способен без потерь передать полный спектр цветного ТВ-сигнала. На приемном конце происходит цифровое декодирование первичных сигналов, которые минуя системы преобразования, попадают прямиком на пушки кинескопа. Такому изображению не присущи искажения, биения, взаимовлияние RGB-каналов, а также двоения, троения и оконтуривания. И уже неважно, спутниковый ли это прием или кабельный. Со всеобщим введением цифрового вещания уйдут в небытие присущие описанным системам искажения, подверженность атмосферным и промышленным помехам. А пока… Мы вынуждены учитывать особености эфирного вещания и видеозаписи, выбирая, что лучше и удобнее.
(с) www.abcdrecords.com/catalog/articles/escho_raz_...
URL записиНаверное, никому не нужно объяснять, какое место в нашей жизни занимает телевидение. Новости, развлекательные и учебные программы, репортажи из горячих мест, фильмы, сериалы, детские передачи, реклама, наконец… Но как известно, к хорошему привыкаешь быстро, а представить мир без телепрограмм (эфирных, кабельных, спутниковых или видеозаписей) и даже телевизионных игровых приставок уже просто невозможно. Производитель (вещатель) заботится о содержании программ, зритель потребляет — казалось бы, что еще надо… Но если вещатель думает о том, кому передавать, а зрителю — что передают, то есть еще и третий “участник” ТВ-общения — телевизор, которому важно, как передают.
Вспоминают об этом чаще всего тогда, когда в руки попадает кассета с записью в стандарте, который ваш питомец в упор не хочет видеть, точнее, показывать, а если и показывает, то в черно-белом виде. Вот тогда на свет и всплывают словечки ПАЛ, СЕКАМ и НТСЦ.
До недавнего времени (примерно, конец 80-х) рядовой неподготовленный телезритель совершенно не подозревал о существовании великого многообразия систем телевещания, а терминами (аббревиатурами) NTSC, PAL или SECAM пользовались исключительно профессионалы-телевизионщики. О единственной в Советском Союзе системе SECAM тоже знали только специалисты да радиолюбители.
ПродолжениеНо с массовым появлением на нашем рынке (конец 80-х — начало 90-х) импортных видеомагнитофонов, а позже и видеокамер, ребром встал вопрос о совместимости импортного оборудования (работающего, как правило, в стандарте PAL, реже в NTSC) с отечественными SECAM-телеприемниками. В те годы спрос на видеомагнитофоны породил целую подпольную индустрию по производству и распространению PAL-декодеров. Число 4510 (название микросхемы PAL-декодера производства Philips) знают и помнят все радиолюбители, так или иначе приложившие руку к “оПАЛиванию” нашей страны. А к середине 90-х даже школьник знал “кто такой SECAM”, и многие, наверное, помнят КВН’овскую фразу “Как низко PAL SECAM…”
В сегодняшней статье мы попытаемся приоткрыть занавес и познакомить читателя со всем многообразием систем и стандартов телевизионного вещания. Но перед тем, как приступить к изложению сути, достоинств и недостатков каждой из систем, напомним основные принципы, лежащие в основе формирования телевизионного изображения вообще и цветного в частности. (Здесь есть смысл уточнить, что подразумевается под стандартом, а что — под системой. Под стандартом подразумевается набор технических характеристик видеосигнала: частота кадров, частота строк, частотный диапазон вещания [МВ, ДМВ], частота поднесущей звука, частота поднесущей цвета [4.43 или 3.58 — только для NTSC]. Система же цветности определяет только способ кодирования цветовой информации — это и есть PAL, SECAM, NTSC.)
Начать, пожалуй, стоило бы с кинематографа, который во многом наложил свой отпечаток на развитие телевидения. Принцип работы кинопроекции заключается в последовательной смене кадров изображения на кинопленке и основан на инерционности человеческого зрения, не замечающего на экране смену неподвижных изображений с определенной частотой (24 кадра в секунду и выше) и воспринимающего этот дискретный процесс как плавный. Такой же подход использован в телевидении — на экране сменяют друг друга неподвижные кадры изображения с частотой, “обманывающей” глаз телезрителя, заставляющей верить, что все движения на экране непрерывны. Но вот дальше начинаются расхождения. Если в кино каждый кадр формируется за один раз, целиком, то в телевидении используется строчное сканирование — каждый кадр разбивается на последовательные горизонтальные строки, из которых на экране ТВ-приемника складывается изображение. В отличие от киноэкрана, на который проецируется изображение извне, экран ТВ-приемника воспроизводит изображение “изнутри”.
Цвет на экране
Электронный луч движется по горизонтальным строкам слева направо и сверху вниз. Количество строк на экране определяет вертикальное разрешение кинескопа. Когда луч достигает конца строки, он гасится и возвращается в начало. Затем процесс повторяется. Так формируется кадр изображения.
Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) — основной элемент любого кинескопного телевизора. Это по сути стеклянная колба, из которой откачан воздух. На передней поверхности находится экран, на горловине — отклоняющая система, внутри горловины — электронная пушка. Пушка генерирует три электронных луча, которые с помощью отклоняющей системы сканируют экран.
Поверхность экрана покрыта светочувствительными точками люминофоров красного, зеленого и синего цветов. Точки объединены в триады, образующие элементы изображения — пикселы. Из них в дальнейшем складывается изображение.
Каждый луч в кинескопе попадает на люминофоры “своего” цвета. Для этого используется теневая маска — тонкая металлическая пластина с отверстиями. Каждому отверстию соответствует своя триада. Электронные лучи сводятся точно в месте прохождения через теневую маску.
Чересстрочная развертка. В ТВ изображение формируется сканированием сначала нечетных (1, 3, 5 и т.д.) строк, а потом четных (2, 4, 6 и т.д.) строк. Одно сканирование формирует полукадр. В 50-герцовых телевизорах оно занимает 1/50 секунды, соответственно полный кадр формируется за 1/25 секунды, т.е. каждую секунду на экране формируется 25 полных кадров (для систем PAL, SECAM). Этого достаточно, чтобы движения на экране воспринимались как плавные. Частота строк равна 25 x 625 = 15.625 Гц. При этом мерцания изображения менее заметны, чем при построчной развертке, зато заметны краевые сдвиги строк на быстрых движениях.
Рисунок наглядно показывает, как формируется цвет на экране цветного телевизора. Основные (первичные) цвета R, G и B при смешении образуют 7 базовых. Управляя яркостью и соотношением первичных цветов, можно получить любой промежуточный цветовой оттенок на экране.
Необходимость свести в один канал сигналы синхронизации, информацию о цвете и яркости, а также сигналы опознавания (своего рода “паспорт” для каждой из систем) привела к созданию сложнейшего по структуре стандарта видеосигнала. Жирной линией на рисунке выделен сигнал черно-белого ТВ, а частотные насадки (поднесущие) позволяют передавать информацию о цвете и принадлежности к конкретной системе цветности. Одновременно передается сигнал синхронизации разверток. На рисунке — так выглядит сигнал ТВ-строки для систем NTSC и PAL.
Так выглядит цветной муар на изображении.
Кадр, полученный из эфира, наглядно демонстрирует, как выглядят перекрестные искажения. Крупные цветные поля покрыты мелкой сеточкой. Она не только привносит искажения цвета, но в процессе просмотра непрерывно смещается, отвлекая внимание зрителя.
Экран черно-белого телевизора имеет внутреннее люминофорное (фосфорное) покрытие только одного цвета, а его кинескоп содержит лишь одну электронную пушку. Изменение тока луча определяет интенсивность свечения люминофора, приводя к различным оттенкам белого цвета.
Внутренняя поверхность экрана цветного кинескопа покрыта точками трех типов люминофоров основных цветов — красного, зеленого или синего (R, G, B). Из этих трех основных цветов формируются все цвета и оттенки. Соотношение яркостей люминофоров определяет цвет отдельных элементов изображения. Если, например, луч, который засвечивает синий люминофор, выключен, а светятся только красный и зеленый, они воспринимаются глазом как желтый. Изменяя интенсивность того или иного электронного луча, можно изменять цветовую гамму изображения. В цветном кинескопе три электронных пушки и соответственно три электронных луча — по одному для красного, синего и зеленого цветов. Три электронных луча сканируют экран аналогично одному в черно-белом кинескопе.
Как глаз видит цвет
Можно предположить, что в цветном телевидении “белый” состоит из равных долей первичных цветов. К сожалению, это не так. Человеческий глаз не видит все цвета с равной яркостью. Глаз намного более чувствителен к желтовато-зеленому, чем к синему или красному свету. Из-за большей чувствительности глаза в зелено-оранжевой части цветного спектра равное процентное соединение красного, зеленого и синего цветов не будет казаться белым.
Фосфоры, используемые в телевизионных экранах, представляют собой цветные соединения, в которых на долю красного цвета приходится 30, на долю синего — 11 и на долю зеленого — 59 процентов.
Сигналы яркости и цветности
На заре эры цветного телевидения было решено сделать цветные телевизионные передачи совместимыми с существующим черно-белым телевидением (имеющийся в мире парк черно-белых телевизоров просто не позволял сделать иначе). Черно-белые телевизоры должны быть способны принимать цветные передачи и воспроизводить их как обычные черно-белые. Чтобы достичь этого, структура цветного телесигнала полностью повторяла черно-белый, добавился лишь дополнительный сигнал цветности (и сигналы его опознавания), которые легко отфильтровывались в черно-белом телевизоре, не отражаясь (почти) на качестве изображения.
Итак, в цветном телевидении приняты две составляющие видеосигнала — яркостная (luminance или Y) и цветностная (chrominance или C). Сигнал яркости (Y) передается обычным образом, с полной шириной полосы пропускания, позволяя черно-белому телевизору показывать нормальное черно-белое изображение. На сигнал цветности (С) выделена гораздо меньшая ширина полосы. Это стало возможным благодаря тому, что глаз человека имеет низкое цветовое разрешение и не способен различать мелкие цветные элементы изображения с такой же точностью, как белые.
Яркость и насыщенность изображения
Говоря о восприятии цвета, надо понимать, что сигнал яркости несет информацию о яркости объекта и ее промежуточных значениях, тогда как сигнал цветности передает информацию о цветовом оттенке и густоте (глубине) цвета или насыщенности изображения. Менее насыщенное изображение выглядит на экране блеклым, более насыщенное — ярким, сочным.
Передача цвета
При передаче цветного ТВ-сигнала сигнал цветности (C) преобразуется в специальные цветоразностные сигналы. Так как информация о яркости уже передается, цветовой сигнал в ней больше не нуждается. Таким образом, получаются три цветоразностных сигнала: красный минус сигнал яркости (R – Y), зеленый минус сигнал яркости (G – Y) и синий минус сигнал яркости (B – Y).
Но нет необходимости передавать и все три цветоразностных сигнала потому, что если две составляющих полного сигнала цветности известны, третий может быть рассчитан. Например, когда имеется сигнал, состоящий из 50 % синего и 40 % красного, зеленый должен составлять 10 % (50 % + 40 % + x = 100 %; x = 10 %). Поэтому для передачи информации о цвете выбраны два цветоразностных сигнала: R – Y и B – Y. Сигнал G – Y опущен не только из соображений экономии (уменьшается количество каналов передачи), но и улучшения качества сигнала. Так как сигнал яркости состоит из 59 % зеленого, G – Y должен иметь самый низкий уровень. Он был бы более уязвим к шуму в передающей системе, чем большие по величине R – Y и B – Y.
Перекрестные искажения
В ТВ-приемнике неизбежно взаимное влияние сигналов яркости и цветности друг на друга, т.к. для полной совместимости с черно-белым ТВ необходимо смешивать их друг с другом. Этот процесс приводит к появлению цветного муара и так называемым перекрестным искажениям. Они бывают двух видов. Если сигнал цветности проникает в канал яркости, на изображении появляется регулярная сетчатая структура, имеющая шахматный порядок. В другом случае, когда яркостный сигнал проникает в канал цветности, это приводит к появлению бесцветных окантовок (похожих на нитку жемчуга) на цветных участках изображения. Для устранения или уменьшения перекрестных искажений используют гребенчатые фильтры, которые улучшают разделение сигналов яркости и цветности. Цифровой гребенчатый фильтр является усовершенствованием аналогового гребенчатого фильтра и позволяет практически полностью избавиться от взаимопроникновения Y- и C-сигналов. Пока такие фильтры используются только в NTSC и PAL.
Системы телевещания
Мы подошли к тому моменту, когда самое время заговорить о системах и стандартах цветного телевещания. Итак, после получения цветоразностных сигналов они преобразуются в один сигнал в передающем центре. Каким образом кодировать сигналы цветности, было решено в различных странах различными способами. Настолько различными, что это привело к появлению трех основных несовместимых друг с другом стандартов.
Появление каждой новой системы цветности в мире сопровождалось шутливыми комментариями “общественности”. Приведем наиболее известные, касающиеся расшифровки аббревиатур-названий систем:
NTSC — Never Twice the Same Colour (никогда дважды один и тот же цвет);
SECAM — System Essentially Contrary to the American Method (система, противоположная по сути американскому методу);
PAL — Picture At Last (наконец-то картинка), Pay for Added Luxury (плати за дополнительную роскошь).
Причины несовместимости
Для работы ТВ-приемника необходим источник сигналов кадровой синхронизации, которые указывают ему момент начала кадра в ТВ-сигнале. На начальных стадиях проектирования было решено использовать частоту питающей сети в качестве такого источника по двум основным причинам. Во-первых, при использовании ранее созданных блоков питания телевизоров могла возникнуть проблема “движущейся полосы” на изображении в случае неточного совпадения частоты кадров и питающей сети. А во-вторых, телестудии имели бы большие проблемы с мерцанием при создании ТВ-программ.
Дальнейшие разновидности систем появились в обоих лагерях с началом вещания в цвете. Большая часть стран с сетью 60 Гц использует систему цветного телевидения NTSC, разработанную в Соединенных Штатах.
Вскоре за NTSC появилась ее модификация, которая была названа PAL. Она принята в большинстве “50-герцовых” стран, в том числе в Западной Европе (кроме Франции), а также в некоторых “60-герцовых” странах (например, Бразилии).
В конце 60-х во Франции во многом по политическим причинам (защита внутренних производителей) была разработана система SECAM. Она была широко принята в восточно-европейском блоке стран в основном потому, чтобы поощрить несовместимость с западными передачами — снова политический повод. Частота кадров в SECAM составляет 50 Гц (за исключением некоторых экзотических ее вариаций, приказавших к сегодняшнему дню долго жить).
50 или 60?
В мире используются две основные частоты электропитания — 50 Гц и 60 Гц. Это сразу же разделило мир на два неравных лагеря: 25 кадров в секунду (50 Гц) и 30 кадров в секунду (60 Гц). Позднее, с приходом цвета, “60-герцовые” страны сделали небольшую поправку и перешли к частоте 59.94 Гц. К сожалению, различная частота кадров — не единственная причина несовместимости ТВ-систем.
Особенности систем цветности
NTSC
Система цветного телевидения NTSC была разработана в 1953 году в США Национальным комитетом по телевизионным стандартам (National Television Standards Committee). NTSC принята в качестве стандартной системы ЦТВ также в Канаде, Японии и ряде стран американского континента. В качестве сигналов для передачи цветовой информации в системе NTSC приняты цветоразностные сигналы. Передача этих сигналов осуществляется в спектре сигнала яркости на одной цветовой поднесущей.
Кроме эксплуатационных недостатков, связанных со сложным принципом передачи и разделения сигналов цветности — квадратурной модуляцией и синхронным детектированием, необходимо указать на большую подверженность системы NTSC искажениям типа “дифференциальная фаза” и “дифференциальное усиление”. Первое приводит к искажениям цветового тона, который изменяется в зависимости от мгновенного значения сигнала яркости. Второе из-за нелинейности амплитудных характеристик приводит к искажениям насыщенности.
Варианты NTSC
Помимо так называемого “базового” NTSC M (525 строк / 30 кадров/секунду / частота поднесущей цвета 3.58 МГц), существуют еще три варианта этой системы.
Первый называется NTSC 4.43 и используется в мультистандартных VHS-видеомагнитофонах. Временные параметры видеосигнала такие же, как в базовом NTSC M. Разница в том, что цветовое кодирование и декодирование производится в “PAL-формате”, т.е. частота цветовой поднесущей такая же, как в PAL (4.43 МГц). О втором, NTSC-J, в России практически никто не слышал. Этот вариант используется в Японии (Japan). Отличается от базового NTSC M отсутствием подпорки гасящих интервалов в активной части строки. Соответственно амплитуда его составляет 0.714 В вместо принятого в NTSC 1 В (впрочем как в PAL и SECAM). Третий, названный “noninterlaced NTSC”.
PAL
Эта система (Phase Alternation Line — строка с переменной фазой), разработанная в ФРГ, в своей основе содержит все идеи американской NTSC. Особенность PAL заключается в оригинальном способе устранения фазовых искажений, присущих системе NTSC.
В системе PAL фаза поднесущей одного цветоразностного сигнала от строки к строке меняется на 180 градусов. Кроме того, в приемнике используется линия задержки на время одной строки (64 мкс). Т.е. имеются два сигнала цветности с относительной задержкой на одну строку. Изменение фазы от строки к строке на 180° приводит к тому, что фазовые ошибки, одинаковые по величине, имеют разные знаки. Сложение напряжения на входе линии задержки с перевернутым напряжением на ее выходе устраняет ошибку (сбой) фазы.
При очевидных достоинствах главным недостатком системы PAL является существенное усложнение ТВ-приемника за счет введения в его схему дополнительных узлов для задержки сигнала цветности на время одной строки и периодического изменения фазы цветоразностного сигнала. Следует также отметить, что искажения типа “дифференциальное усиление” в PAL не компенсируются.
SECAM
В 1958 г. французский инженер Анри де Франс изобрел новую систему, названную SECAM (SEquential Couleur Avec Memoire), в которой отсутствовал основной недостаток NTSC — искажения цветового тона, вызываемые нелинейностью частотных, фазовых и амплитудных характеристик узлов телевизионного тракта. В SECAM информация о цветовом тоне не определяется фазовыми соотношениями сигналов цветности. В первых вариантах (система “Анри де Франс”) информация о цветовом тоне передавалась амплитудной модуляцией поднесущей. В более усовершенствованной системе SECAM цветовая информация передается с помощью частотной модуляции поднесущей цвета.
Цветоразностные сигналы в SECAM передаются поочередно: в течение одной строки — сигнал R – Y, в течение следующей — В – Y и т.д. Цветовая информация как для R – Y, так и для В – Y “снимается” через строку. При этом предполагается, что в пропущенных строках цветовая информация идентична соседним. Иными словами, для сигналов цветности полный кадр содержит вдвое меньшее количество строк, что приводит к соответствующему увеличению размеров окрашенных мелких деталей по вертикали. Визуальная четкость по вертикали при этом не снизится, т.к. более мелкие детали передаются сигналом яркости Y с полным числом строк развертки.
Таким образом, при поочередной (через строку) передаче сигналов цветности в приемнике в результате использования элемента памяти (линии задержки) образуются три исходных сигнала цветности. Поэтому рассматриваемую систему часто называют последовательно-одновременной (или по-французски Sequential a memoire — последовательная с памятью).
“Политический” SECAM
Известно, что одной из причин принятия на “вооружение” SECAM во Франции была защита внутреннего рынка от “вторжения” чуждой NTSC. Хотя новизна решений и явные преимущества при создании системы также были учтены. И в СССР эта система была принята не в последнюю очередь по политическим соображениям — лишь бы не американская NTSC и немецкий PAL. Естественно, и страны Варшавского договора “добровольно” приняли SECAM (пожалуй, только ГДР удалось отстоять “свой” стандарт звука — 5.5 МГц вместо советских 6.5). В 1966 году политическая “особенность” SECAM всплыла наружу, когда советское правительство использовало соглашение с Францией (о распространении на территории СССР только системы SECAM) как предлог, чтобы запретить американской вещательной корпорации NBC запись на видеоленту показательных выступлений в Москве. В последнюю минуту правительство СССР потребовало прекратить NTSC-запись, объяснив, что иначе нарушит соглашение.
Сравнение систем SECAM, NTSC и PAL
При сравнении систем цветного телевидения обычно учитывают следующие качественные и технико-экономические показатели.
Чувствительность к искажениям
Качество цветного изображения
Совместимость с черно-белым ТВ
Оценка особенностей систем
Возможность и особенности видеозаписи
Исходя из этих показателей, сравним кратко существующие системы.
1. Неравномерность частотных и фазовых характеристик тракта передачи в той области частот, где расположены составляющие спектра сигнала цветности, приводит в системе NTSC к искажению изображения. Эти искажения проявляются на экране в виде окантовок на границах участков, резко отличающихся по цвету. Такие цветные окантовки становятся заметными уже при небольших частотных искажениях, притом что эти искажения намного меньше допустимых в черно-белом телевидении. По этой причине к частотным и фазовым характеристикам различных элементов аппаратуры в системе NTSC предъявляются весьма жесткие требования. Сказанное в полной мере относится также к системе PAL. Применение в системе SECAM частотной модуляции для передачи цветных сигналов позволяет не предъявлять к равномерности частотных характеристик более жестких требований, чем для систем черно-белого телевидения. Все искажения сигнала цветности, возникающие из-за неравномерности частотных характеристик, устраняются в амплитудных ограничителях приемника. В этом отношении система SECAM имеет значительные преимущества перед системой NTSC и PAL. И хотя искажения градаций в яркостном сигнале при этом остаются, однако они заметны не более чем в черно-белом телевидении. Система PAL в отношении искажений типа “дифференциальное усиление” не имеет преимуществ перед NTSC, так как и в ней применяется тот же метод модуляции поднесущей.
2. Оценивая системы цветного телевидения с точки зрения качества изображения, необходимо учитывать два обстоятельства. С одной стороны, можно сравнивать качество изображения, получаемое на телевизионных приемниках разных систем при идеальных условиях передачи и приема сигнала. С другой стороны, можно проводить оценку, сравнивая изображения при реальных условиях передачи, когда в тракте передачи возникают искажения сигнала, и когда ТВ-приемник настраивается телезрителем, не имеющим специального радиотехнического образования.
В первом варианте мы фактически оцениваем потенциальные возможности системы цветного телевидения. Во втором — сравниваем качество изображений, которые могут увидеть на своих экранах телезрители. Оба варианта оценки одинаково необходимы. Если подходить к оценке с позиций идеального сигнала, то потенциально самое высокое качество изображения обеспечивает NTSC. При этом ее основным минусом остается сниженное вертикальное разрешение (всего 525 строк) и неприспособленность передачи на большие расстояния и по радиорелейным линиям.
В реальных же условиях телеприема, когда эфир изобилует помехами, а удаленность телецентра только способствует росту шумов, приоритет будет в пользу SECAM — в силу того, что цветовые сигналы передаются поочередно в разное время, перекрестные искажения почти отсутствуют. Для передачи сигналов SECAM могут применяться обычные радиорелейные линии.
Для обычного рядового пользователя в условиях достаточной силы ТВ-сигнала и минимума помех различия в качественных показателях изображения на экранах телевизионных приемников NTSC, PAL и SECAM почти не наблюдается.
3. Если раньше при внедрении систем цветного телевидения необходимо было учитывать наличие существующего парка черно-белых приемников, то теперь этот момент не столь актуален. В мире практически не ведутся черно-белые передачи (даже старые черно-белые фильмы транслируются с сигналами опознавания цветности), а количество выпускаемых черно-белых телевизоров неудержимо сокращается. Более увесистой причиной сегодняшней несовместимости скорее является существующий парк цветных ТВ-приемников, приспособленных по большей части для работы в одном из стандартов. Понятно, так будет продолжаться еще много лет, если только в один момент договорившиеся между собой вещатели не перейдут на единый стандарт (цифровой?), как это произошло не так давно с экзотическим французским стандартом на 819 строк. Тогда просто решено было отказаться от поддержки этого стандарта, а оставшиеся с носом зрители вынуждены были копить денежки на новые телевизоры. Тем не менее не учитывать “черно-белый” парк пока еще рано.
Сигналы цветности образуют на экране черно-белого приемника помеху в виде мелкой cетки. В NTSC менее всего заметно ее мешающее действие, т.к. при передаче черно-белых участков изображения в NTSC сигналы цветности отсутствуют вообще.
В SECAM из-за применения частотной модуляции поднесущая сигналов цветности не может быть полностью подавлена. Для устранения мешающего действия сигналов цветности в системе SECAM применяется коммутация фазы поднесущей. Это не привело к полному устранению помехи, однако применение предыскажений сигналов цветности позволяет существенно уменьшить ее заметность.
В PAL так же, как и в системе SECAM, применяется коммутация фазы поднесущей. Однако эта мера не обеспечивает полного устранения помех, и в результате система PAL по этому показателю стоит ниже SECAM.
MESECAM — стандарт или система?
Широко распространена расшифровка аббревиатуры MESECAM как Middle East SECAM (средневосточный SECAM). Подразумевалось, что он распространен на Ближнем и Среднем Востоке. Но SECAM-вещание в этих регионах ничем не отличается от стандартного. По сути несколько арабских стран принимают нормальный SECAM (625 строк / 50 Гц). Термин же “MESECAM” появился в годы, когда стал резко расти спрос на видеомагнитофоны в арабском регионе. Имея возможность не только принимать “родной” SECAM, но и PAL из соседних стран, арабские зрители буквально вынудили производителей разработать дешевый способ записи SECAM-программ. На свет появился MESECAM — способ записи SECAM-программ на PAL-видеомагнитофоны. Для этого не надо было включать в магнитофон отдельный SECAM-тракт, заметно удорожающий стоимость. Ценой дешевого решения стало низкое качество записи (шум, помехи, муар на изображении).
4. Далее на примере преимуществ и недостатков расскажем о технических особенностях стандартов.
NTSC/525
Преимущества:
Более высокая частота кадров — использование частоты кадров 30 Гц (в действительности 29.97 Гц) приводит к уменьшению заметности мерцания изображения.
Высокая точность редактирования цвета — возможно редактировать любые 4 поля без оказывания влияния на цвет.
Менее заметны шумы на изображении — достигается лучшее отношение сигнал/шум, чем в PAL/625.
Недостатки:
Меньшее число строк развертки — сниженная вертикальная четкость, более заметна строчная структура на экранах с большой диагональю.
Более выраженные муар, точечная интерференция и перекрестные искажения — это происходит из-за большей вероятности взаимодействия с монохромным сигналом изображения на более низкой частоте поднесущей.
Изменение оттенка — вариации фазы цветовой поднесущей вызывают сдвиги в отображении цветов, заставляя оснащать приемники регулировкой оттенка (Tint). Многие NTSC-телевизоры имеют цепи автоматической регулировки оттенка. Но уменьшая его флуктуации, они приводят все цвета, слагающие телесный цвет, к некому стандартному значению. При этом некоторая часть цветового диапазона не может быть правильно отображена. Топовые модели, как правило, имеют возможность отключения этих цепей, более дешевые — нет.
Более низкая по отношению к PAL контрастность — значение гамма-коррекции составляет 2.2, в то время как в PAL/625 оно равно 2.8.
PAL/625
Преимущества:
Более детальная картинка — большее число строк развертки, а также более широкая полоса сигнала яркости.
Устойчивость оттенков — благодаря инверсии фазы поднесущей на каждой последующей строке, любое фазовое искажение будет подавлено.
Более высокий уровень контраста — значение гамма-коррекции 2.8 против 2.2 в NTSC/525.
Недостатки:
Более заметное мерцание — более низкая частота кадров (25 кадров/секунду).
Более заметны шумы — требование более высокой частоты поднесущей приводит к ухудшению отношения сигнал/шум в PAL/625 по сравнению с NTSC/525.
Потеря точности редактирования цвета — из-за чередования фазы цветового сигнала редактирование может быть осуществлено с точностью ±4 кадра (8 полей).
Снижение цветовой насыщенности при неизменном оттенке — точность цветов достигается посредством потери информации о разности фаз сигналов оттенка и насыщенности (к счастью, глаз менее восприимчив к изменениям насыщенности по сравнению с изменением оттенка, так что это — меньшее из двух зол).
SECAM/625
Преимущества:
Устойчивость оттенка и постоянство насыщенности.
Большее вертикальное разрешение — в SECAM используется более высокое число строк развертки, чем в NTSC/525.
Недостатки:
Более заметно мерцание (см. PAL/625).
Невозможно смешивание двух синхронных сигналов цвета SECAM — большинство ТВ-студий в SECAM-странах работают в PAL и переводят передачи в SECAM лишь для вещания. Кроме того, продвинутое домашнее оборудование S-VHS, Hi8 записывает в PAL и только при проигрывании транскодирует в SECAM.
Регулярные шумовые структуры на изображении (сеточка и др.) — частотная модуляция приводит к появлению регулярных шумовых структур даже на нецветных объектах.
Сниженное качество монохромного сигнала — т.к. одна из цветовых поднесущих имеет частоту 4.25 МГц, полоса меньшей ширины может быть использована для монохромного сигнала.
Несовместимость между различными версиями SECAM — некоторые из вариантов SECAM (эфир и видео) несовместимы друг с другом. Например, между оригинальной французской версией SECAM и так называемым Middle East SECAM. В описании на видеомагнитофон вы найдете упоминание об этом.
5. Возможность видеозаписи поддерживают все базовые системы. Для их записи выпускаются как одно-, так и мультисистемные видеомагнитофоны. Скажем, в Штатах широко распространены NTSC-модели и гораздо реже мультисистемные. Во Франции до сих пор встречаются только SECAM-модели. Зато система PAL не только распространена по всему миру, но и обязательно записывается любым мультисистемным видеомагнитофоном.
Особенность записи в NTSC заключается прежде всего в скорости протягивания ленты, она составляет 33.35 мм/с, в то время как для PAL, SECAM это значение равно 23.39 мм/с. Т.е. расход ленты для NTSC-записи заметно больше. В России, несмотря на монополизм SECAM, с момента появления импортных и производства отечественных моделей распространены как минимум двухсистемные видео. Парадоксально, но факт — “чистых” SECAM-моделей в России не только никогда не производилось, их даже в продаже крайне мало. Все прилавки заполонил тот самый дешевый MESECAM. Только в последние год-два Thomson, а вслед за ним и Samsung стали ввозить в Россию “настоящий” SECAM. Надо сказать, разница в качестве записи между SECAM и MESECAM видна невооруженным глазом. Только надо учитывать, что если записи в MESECAM более-менее универсальны (на практике несоместимость между разными видео проявляется крайне редко), то запись в SECAM совместима только с SECAM-видеомагнитофоном.
Что касается NTSC в России, похоже, эта система переживает у нас второе рождение. С распространением DVD запись в NTSC стала актуальной, несмотря на защищенность контента на диске. Стал расти спрос на мультисистемные видео с NTSC-записью. Есть также видео с режимом воспроизведения NTSC на PAL-телевизоре, но из-за отсутствия тиражирования в NTSC они меньше пользуются спросом.
Вывод — наиболее распространенной системой для видеозаписи в России является PAL (все, что у нас тиражируется, записывается только в PAL). Вторая причина — продаваемые в России видеокамеры, которые записывают исключительно в PAL, даже цифровые камкордеры имеют встроенный PAL-кодер.
Взаимосовместимость систем и транскодирование
Говоря о взаимосовместимости систем, следует иметь в виду полную или частичную совместимость, т.е. возможность принимать ТВ-сигнал одной из систем на приемник, рассчитанный на другой, или видеозапись ТВ-программы в одной из систем на видеомагнитофон, рассчитанный на работу в другой.
В принципе, так как частота кадров и число строк изображения одинаковы, при просмотре изображения, записанного в SECAM, на оборудовании PAL можно получить черно-белое изображение, и наоборот. Лишь частоты передачи и различия цветового кодирования делают системы несовместимыми с вещательной точки зрения. Тем не менее транскодирование между PAL и SECAM менее сложно, чем с NTSC.
Вообще же говоря, возможность получения цветного изображения в одной из систем на ТВ-приемнике, рассчитанном на другую, практически равна нулю. Остается только частичная совместимость, т.е. возможность просмотра черно-белого изображения на цветном приемнике. В этом случае достаточно, чтобы приемник “понимал” частоту кадров исходного сигнала. Частично совместимы между собой системы PAL/625 и SECAM/625 — на любом SECAM-приемнике можно воспроизвести в черно-белом виде PAL-программу и наоборот. NTSC-программы невозможно воспроизводить на телевизорах систем PAL и SECAM, равно как и наоборот. Исключение составляет режим PAL60 в видеомагнитофонах, в этом случае можно воспроизводить программу, записанную в NTSC 4.43. Несовместимы друг с другом разновидности системы SECAM (скажем, L и D).
Решение проблемы совместимости
Можно отметить три существующих способа “наведения мостов” между мировыми стандартами телевещания.
Первый заключается в ограниченном транскодировании. Вы, наверное, уже встречали странные названия вроде “NTSC Playback”, “NTSC Playback on PAL TV” или “PAL60”. Такие режимы позволяют только воспроизводить видеозапись на телевизоре, но копировать на другой видеомагнитофон ее нельзя. Что-то вроде неполноценного транскодирования.
Второй способ — это полноценное мультисистемное транскодирование. Такие транскодеры позволяют производить запись и воспроизведение в любой из систем цветности, независимо от стандарта оригинальной программы. По отношению к ТВ-приемнику мультисистемность означает не что иное как возможность воспроизведения сигнала, кодированного в любой из систем PAL, SECAM, NTSC. Часто бывает, что одна из систем (у нас обычно NTSC) может быть воспроизведена лишь через видеовход. Мультисистемный видеомагнитофон должен уметь воспроизводить PAL-запись в виде стандартного сигнала PAL, а также записывать поданный на него сигнал PAL как стандартную запись в PAL. То же самое он должен уметь, естественно, и с SECAM, и NTSC.
Наконец третий способ состоит в конвертировании стандартов. Здесь речь идет о транскодировании, но только систем одного стандарта, скажем. Например, PAL (625/50) в SECAM или наоборот. Либо NTSC 4.43 (525/60) в NTSC 3.58 или наоборот. Это единственный способ, когда видеоматериал записывается с полной гарантией от ошибок, в то время как мультитранскодеры при переводе, скажем, 625-строчного PAL в 525-строчный NTSC лишние строки вырезают, а если наоборот, то добавляют, т.е искажают информацию.
Здесь следует отметить, что в бытовой электронике мультисистемное оборудование получило весьма широкое распространение, в то время как число моделей аппаратуры для конвертации сигналов можно пересчитать по пальцам. Такие модели выпускают, например, Panasonic и Samsung. JVC также оснащает некоторые свои видеомагнитофоны транскодером, но только из SECAM в PAL при записи и наоборот — при воспроизведении.
Буквы и цифры…
Каждый из вас хоть раз видел коробки из-под телевизоров с надписями Multisystem и перечнем этих system в виде букв: B, G, I, M, L, D, K, а также дробных чисел 4.5, 5.5, 6.0, 6.5. Что они означают? И откуда берется Multi аж в 28 систем, если их всего 3?
Все очень просто. Как уже упоминалось, у трех основных систем есть вариации, отличающиеся частотой кадров, числом строк, диапазоном радиочастот (для эфирного вещания), промежуточной частотой звука и ее положением относительно несущей изображения, способом и полярностью модуляции несущей изображения. Для желающих разобраться самостоятельно публикуем таблицы систем.
В качестве примера приведем наш родной SECAM D, K: система цветности SECAM, частота кадров 25 Гц, число строк 625, ПЧ звука — 6.5 МГц, сдвиг выше несущей изображения, полярность модуляции несущей изображения отрицательная, используется как для вещания в метровом диапазоне (D), так и дециметровом (K), применяется в настоящее время (на территории России и стран СНГ в первую очередь).
А что дальше?
А дальше на горизонте телевидение высокой четкости и цифровое вещание. Для первого еще актуальны рассмотренные системы цветности. Для цифрового ТВ основообразующие цвета (R, G, B) уже не нуждаются в аналоговых системах кодирования, приводящих к деградации качества. Цифровой кодер способен без потерь передать полный спектр цветного ТВ-сигнала. На приемном конце происходит цифровое декодирование первичных сигналов, которые минуя системы преобразования, попадают прямиком на пушки кинескопа. Такому изображению не присущи искажения, биения, взаимовлияние RGB-каналов, а также двоения, троения и оконтуривания. И уже неважно, спутниковый ли это прием или кабельный. Со всеобщим введением цифрового вещания уйдут в небытие присущие описанным системам искажения, подверженность атмосферным и промышленным помехам. А пока… Мы вынуждены учитывать особености эфирного вещания и видеозаписи, выбирая, что лучше и удобнее.
(с) www.abcdrecords.com/catalog/articles/escho_raz_...
@темы: физика, инфа, техномагия
-
-
27.07.2010 в 17:39-
-
27.07.2010 в 18:29