Основы учебного телевидения

Телевидение (от гр. теле – вдаль, далеко+лат. visio-видение) – дословно – далеко видеть; преобразование изображения и звука в электрические сигналы и передача их на расстояния посредством электромагнитных волн в пункты приема, где осуществляется обратное преобразование.

ТВ впервые появилось в 80-е годы девятнадцатого века. Но оно было механическим. Принцип этого ТВ был выдвинут в конце девятнадцатого века португальским ученым А. ди Пайва и независимо от него -- русским ученым П. И. Бахметоевым. В 1884 году немецкий инженер получил в Германии патент на «оптико-механическое устройство», представляющее собой диск с 30 отверстиями, расположенными по спирали Архимеда.

Изображение объекта проецировалось на верхнюю часть диска с рамкой для кадра. При вращении диска каждое отверстие прочерчивало одну строку кадра, т. е. один кадр содержал по 40 элементов в строке (почему?)

В дальнейшем, сзади диска поместили фотоэлемент, который вырабатывал видеосигнал, передававшийся в эфир. В СССР в начале 30-х годов действовала система механического ТВ, от которой быстро отказались из-за низкой четкости изображения.

Начиная с 30-х годов двадцатого века разрабатывались системы электронного ТВ В основе современного ТВ лежит принцип разложения изображения объекта на множество мелких элементов (растр – нем.<лат.–грабли, решетка), преобразование потока света от каждого элемента в электрические сигналы, передача их в эфир и обратное преобразование видеосигналов в изображение объектов. Эти процессы осуществляются с помощью ЭЛТ с магнитной фокусировкой луча. Прообразом послужила ЭЛТ, созданная в 1907 году профессором Петербургского университета Б. Л. Розингом. Трубка, находящаяся в передающей камере, называется иконоскопом, в приёмнике – кинескопом.

Процесс создания изображения

В телевизионных системах на основе ЭЛТ изображение объекта проектируется на фото мишень – светочувствительную мозаику из частиц серебра, нанесённых на слюдяную пластинку – изолятор, обратная сторона которой металлизирована (на внутреннюю стеклянную поверхность колбы трубки).

Рис. Устройство масочного кинескопа

В результате фотоэффекта на каждой из частиц мозаики образуется электрический заряд (видеосигнал). Мощность видеосигнала соответствует яркости отдельного элемента изображения объекта.

Электронный луч, создаваемый электронной пушкой, передвигается по поверхности мозаики слева направо и сверху вниз, считывая видеосигналы каждой строки.

Передвижением луча управляет электрический ток пилообразной формы, подаваемый на электромагниты отклоняющей системы ЭЛТ.

На каждый отдельный элемент фото-мишени падает пучок электронов диаметром 0,02мм. Это обеспечивает возможность считывать 820 эл-в в каждой строке. Согласно стандарту в нашей стране от 1948 года, один телевизионный кадр изображения содержит 625 строк, передаваемых с частотой 25 кадров/секунду. От количества строк зависит четкость изображения. В других странах число строк в кадре составляет: В Великобритании – 405, США и Канаде – 525, в Западной Европе – 819.

Полученные видеосигналы поступают на видео-усилитель, где после усиления они смешиваются с синхроимпульсами, соответствующими началу и концу каждой строки и кадра. Таким образом, формируется полный телевизионный видеосигнал. Он поступает на передатчик телецентра, а с него на антенну и передается в эфир.

Для телевизионного вещания выделяется определенный частотный диапазон. Традиционно оно ведется в метровом диапазоне 48,5-100 МГц, что соответствует длинам волн от 6,2-3 м. Длина волны связана с частотой высокочастотных колебаний соотношением: г де с – скорость распространения электромагнитных волн, которая также равна скорости света 3·10⁸ м/с, – длина волны колебания, f равно числу колебаний в единицу времени, измеряется в герцах.

В диапазоне 48,5-100 МГц вначале разместили 5 каналов. Затем во избежание ТВ-помех в близкорасположенных к телецентру городах было добавлено еще 7 каналов в диапазоне частот 174-230 МГц (1,7-1,3 м).

В настоящее время 12 ТВ-каналов тоже оказалось недостаточным и к ним добавили еще 20 каналов в дециметровом диапазоне волн 470-630 МГц (64-74 см). Для передачи изображения, содержащего 625 строк с частотой 25 кадров/с нужен спектр около 8 МГц. Это и есть полоса частот одного ТВ-канала.

Принятый антенной из эфира сигнал усиливается телевизором и обрабатывается. Из полного ТВ-сигнала выделяется видеосигнал (сигнал изображения) и синхроимпульсы, управляющие работой генераторов строчной и кадровой проверки. Все эти сигналы подаются на соответствующие элементы ЭТЛ (кинескопа – рис. ниже). Экран кинескопа покрыт люминофором, который светится при попадании на него луча электронного прожектора (прожектор состоит из подогревателя, катода, модулятора, ускоряющего электрода и анода – вообщем, довольно сложное устройство)

Рис. Устройство цветного кинескопа

Движущийся с большой скоростью по строкам кадра электронный луч вызывает свечение отдельных точек экрана кинескопа. Вследствие энергии зрения создаётся иллюзия свечения всего экрана. Так создаётся изображение каждого кадра.

Из полного ТВ-сигнала выделяется также сигнал звукового сопровождения, который по отдельному частотно-модулированному каналу подаётся на электродинамический громкоговоритель.

Упрощённая структурная схема (блок-схема) ТВ-приёмника приведена на рисунке.

Для передачи цветного изображения в полный ТВ-сигнал добавляют сигналы цветности. Для этого цветное изображение объекта раскладывают на три одноцветных изображения (красного, зелёного и синего цветов – RGB-колориметрия), которое передают на три ЭЛТ. Соответственно, в кинескопе ТВ-приёмника имеются три электронных прожектора, лучи которых, проходя через отверстия в маске кинескопа, вызывают свечение соответствующей интенсивности люминофоров красного, зелёного и синего цветов (рис. RGB).

Маска представляет собой тонкий металлический лист, имеющий 550000 отверстий диаметром 0,25 мм. Люминофор цветного кинескопа содержит 1,5 млн. зерен люминофоров красного, зелёного и синего свечения, расположенных точно напротив отверстий группами по три зерна каждого цвета. Три луча от трёх прожекторов, сведённые в одну точку, падают в каждый отдельный момент времени на одну группу люминофоров. При этом каждый луч вызывает свечение одного зерна люминофора «своего» цвета. При развертке три одноцветных луча попадают в соответствующие отверстия в маске, что позволяет совместить на экране кинескопа сигналы 3-х одноцветных изображений. Управляя интенсивностью цвета каждого луча, получают множество различных цветов.

Регулярные передачи монохромного (чёрно-белого) ТВ начались в нашей стране в 1938 г., цветного – в 1967 г. В настоящее время в мире существует три системы цветного ТВ:

SECAM – французская система телевизионного вещания. Название происходит от начальных букв французских слов «поочерёдные цвета и память». Эта система действует в СНГ и ряде стран Европы.

Система NTSC действует в США, Канаде, Японии и ряде стран Центральной и Южной Америки. Данная аббревиатура расшифровывается как стандарт национального комитета телевизионных систем США.

Система PAL (Германская система) действует в Германии, Великобритании и других странах Западной Европы. Название системы PAL состоит из первых букв немецких слов «строки с переменной фазой». PAL – Phase Alternate Line. Система PAL может рассматриваться как модернизация системы NTSC с целью устранения её недостатков.

Все три системы различаются особенностями формирования сигналов цветности. Так, например, американский стандарт на телевещание NTSC предусматривает только 525 строк в кадре. По этой причине при демонстрации американских фильмов по европейскому телевидению изображение заполняет не весь экран по вертикали. Поэтому сверху и снизу видны тёмные полосы.

В системах PAL и SECAM кадр состоит из 625 строк. Изображение формируется благодаря пробеганию (сканированию) луча слева направо, сверху вниз, как показано на рисунке.

Частота, с которой электронный луч проходит экран слева направо, называется частотой строчной развёртки. Она составляет величину 43,2 КГц. Частота, с которой луч сканирует экран сверху вниз (частота кадров), называется частотой кадровой развёртки.

За счет чего устраняются маленькие изображения? Используя тот же эффект инерционности человеческого глаза, что и при демонстрации кинофильмов, мы знаем, что если изображение включать/выключать со скоростью не менее 20 раз в секунду, то оно за счёт инерционности нашего глаза, остаётся в нашем мозгу как непрерывное. Но величина 20 кадров в секунду-это пороговое значение, начиная с которого наш глаз перестаёт замечать мелькание изображения. Принимая запас на частоту смены кадров, и пришли к частоте в 25 кадров в секунду.

Стремясь повысить качество изображения, эту частоту повышают в несколько раз. Так, в ТВ используют 2-х кратную частоту кадровой развёртки. Для этого изображение кадра делится на две части, и сначала на экран выводятся нечетные строки, а затем уже четные. При этом способе (чересстрочная развёртка) на экране формируется 50 полукадров за секунду. Рис.

Как формируется черно-белое изображение? Если упрощено, электронный луч, пробегая экран слева направо и сверху вниз, модулируется по яркости управляющим напряжением. А величина этого напряжения пропорциональна яркости отдельных точек (частей) передаваемого изображения. Таким образом, на экране получается как бы мозаичное изображение передаваемого объекта в виде светлых и черных частей (на самом деле переход от «светлого» оттенка к «черному» происходит плавно, т. е. в ТВ изображении имеется несколько уровней «белого» и «черного» цветов, серые цвета различной интенсивности).

Ещё более сложно представление цветного изображения. Все цвета создаются на экране методом аддитивного смешения (сложения) основных трёх цветов: красного, зелёного и синего (RGB-Rot-Green-Blu). Для каждого из трёх цветов имеется электронный луч, который попадает на экране только на люминофор соответствующего цвета. Так как глаз обладает не высокой разрешающей способностью, этого достаточно, чтобы три точки с разными цветами, но расположенные близко друг от друга, создавали впечатление, что видна лишь одна точка. Точка, в которой все три составляющие луча имеют одинаковую интенсивность, воспринимается глазом, как белая. Управление интенсивностью лучей позволяет получать очень широкую палитру цветов.

Устройство цветного кинескопа мы рассмотрели выше. Однако отметим, что научные исследования прошлых лет выявили возможности получения различных цветов путём смешения и не только в системе RGB. Так современные мониторы и принтеры используют и другие цвета для смешивания.