Телевидение, принцип работы видеозаписи

Департамент образования администрации города Липецка

Муниципальное образовательное учреждение

дополнительного образования детей

ЦЕНТР ДЕТСКОГО (ЮНОШЕСКОГО)

ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА "ГОРОДСКОЙ"

г. Липецка

видеозаписи. " width="580" height="214 src=" class=""/>

Особенности использования телевидения

в учреждениях дополнительного образования

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

Педагог дополнительного образования

по компьютерной технике

Липецк, 2006г.

ВВЕДЕНИЕ

ТЕЛЕВИДЕНИЕ (от теле... и слова «видение»), область науки, техники и культуры, связанная с передачей на расстояние изображений подвижных объектов при помощи радиоэлектронных устройств. В телевидении принят принцип последовательной передачи элементов изображения (выдвинут в кон. 19 в. португальским ученым А. ди Пайва, А. de Paiva, и независимо от него российским ученым ), согласно которому в пункте передачи производят преобразование элементов изображения в последовательность электрических сигналов (анализ изображения) с последующей передачей этих сигналов по каналам связи в пункт приема, где осуществляют их обратное преобразование (синтез изображения). До 30-х гг. 20 в. телевидение развивалось по пути использования для анализа и синтеза оптико-механических устройств (начало их разработки положил немецкий инженер , в 18В сер. 30-х гг. появились первые системы электронного телевидения (прообразы современных), в которых эти операции стали осуществляться с помощью телевизионной передающей трубки и кинескопа. Развитие современных систем телевидения связано с повышением четкости изображения (телевидение повышенной и высокой четкости), увеличением помехоустойчивости (кабельное телевидение) и дальности действий (спутниковое телевидение). С сер. 80-х гг. ведется разработка систем цифрового телевидения.

ТЕЛЕВИДЕНИЕ

С изобретением радиосвязи стало возможным реализовать давнюю мечту человека о передаче информации на большие расстояния без проводов. С трансляцией звука радиоинженеры справились довольно быстро. Передача изображений, особенно движущихся, требовала значительно большей работы.

Чтобы передать по единственному каналу связи картинку, ее надо разбить на отдельные точки. И информацию о цвете и яркости каждой точки передавать последовательно, построчно. Также необходимо передавать служебные синхронизирующие импульсы, сигнализирующие приемному устройству о конце строки и всего кадра.

Принцип последовательной передачи изображения реализован в двух приборах - передающей и принимающей телевизионных "трубках". Электронный луч в передающей трубке отклоняется магнитным или электрическим полем и скользит по поверхности светочувствительной пластины, на которую объектив проецирует снимаемый объект. В зависимости от освещенности каждой точки пластины меняется сила тока в цепи.

Усиленный и дополненный синхронизирующими импульсами видеосигнал поступает на приемное устройство. Электронный луч в принимающей трубке также скользит по поверхности пластины, покрытой веществом, светящимся под потоком электронов - люминофором. Оба луча и на передающей стороне и на принимающей движутся строго синхронно. В результате на прозрачной стенке принимающей трубке возникает изображение предмета, стоящего перед объективом видеокамеры.

Аналогично передается и цветная картинка. Только в этом случае изображение, полученное из объектива с помощью системы светофильтров, раскладывается на три составляющих - красную, зеленую и синюю. Каждый цвет передается своей трубкой. Принимающая трубка имеет три электронных луча, скользящих по поверхности люминофора, дающего точки красного, зеленого и синего цвета. Эти цвета, смешиваясь, дают богатую палитру цветовых оттенков.

С развитием микроэлектроники стало возможно разместить на твердом кристалле полупроводниковой пластины большое количество микроскопических электронных элементов. В вашем компьютере работают микросхемы, содержащие миллионы транзисторов и диодов. А особенность полупроводниковых приборов в том, что они также чувствительны к свету и их электрические параметры зависят от освещенности.

Теперь в бытовых и недорогих профессиональных видеокамерах в качестве передающего элемента применяется ПЗС - прибор с зарядовой связью, представляющий собой небольшую пластину с полем, покрытым светочувствительными элементами. На той же пластине, как правило, размещена электронная схема, последовательно передающая на выход устройства сигнал от каждого светочувствительного элемента, как бы имитирующая движение электронного луча передающей трубки.

Современные ПЗС содержат в себе три матрицы светочувствительных элементов, разделенных светофильтрами, что дает возможность получать полноценный цветной видеосигнал. Микросхемы с ПЗС довольно прочны, легки и могут быть использованы даже в дешевой бытовой видеотехнике. Их недостатки - низкое качество изображения, цветовые искажения, низкая светочувствительность. Но технологии постоянно совершенствуются, и каждое новое поколение бытовых видеокамер становится все ближе к идеалу.

Телевизионные стандарты, используемые в нашей стране (SECAM и PAL) предусматривают передачу 525 строк изображения. Если исходить из того, что соотношение сторон кадра равно 4:3, то нетрудно подсчитать, что среднее количество элементов в строке будет равно 700. Следовательно, изображение максимального качества обеспечит ПЗС-матрица, с количеством элементов не менее 367500. Матрица с 240000 или 320000 элементами даст размытое изображение.

Правда, если камера используется не для непосредственной трансляции видеосигнала, а для записи на видеомагнитофон, нужно учитывать, что обычный бытовой VHS-магнитофон не в состоянии воспроизвести более 250 строк. Магнитофоны формата S-VHS и Hi8 ограничены примерно 420 строками. И камеры, используемые с этими магнитофонами, могут быть попроще и подешевле. Количество элементов в матрице обычно указано в техпаспорте на камеру или непосредственно на корпусе камеры.

как устроен телевизионный сигнал.

Телевизионное изображение воспроизводится путем последовательного сканирования электронными лучами по покрытому электролюминесцирующим веществом экрану. Сканирование происходит слева направо вдоль горизонтальных линий (телевизионных строк) и сверху вниз по строкам. Лучи пробегают строку за строкой сверху вниз до самого низа экрана, а затем возвращаются назад, и опять - слева-направо сверху-вниз. За счет инерционности глаза в процессе подобного сканирования вызываемые цветовые вспышки света сливаются в линии, а затем в полное изображение. В результате полный телевизионный кадр представляет собой совокупность последовательно высвечиваемых линий, передающих пространственное распределение изображения. Установлено, что для восприятия человеческим глазом этой совокупности как целого она должна обновляться не реже 50 раз каждую секунду. В телевидении был реализован чересстрочный режим развертки, при котором за каждый проход луч пробегает только половину линий - сначала четные, затем - нечетные. Таким образом, каждый телевизионный кадр оказывается разделенным на два полукадра - их называют полями. В результате, когда мы говорим о вертикальной частоте в 50 Гц, кадровая оказывается в два раза меньше - 25 Гц.
 В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимых системы цветного телевидения - NTSC, PAL, SECAM. Основные различия между ними заключаются в конкретных методах кодирования телевизионного сигнала (см. таблицу).

Кратко остановимся на особенностях этих систем, рассматривая их в хронологическом порядке.

NTSC (National Television System Color) - первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания, а в настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении Однако, из-за неизбежных нелинейных искажений в канале, в зависимости от яркости участков изображений изменяются их цветовой тон. Например, человеческие лица на изображении окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках. Это и является основным недостатком системы NTSC. C целью его устранения немецкой фирмой Telefunken в 1963 г. была разработана система

PAL (Phase Alternation Line). Здесь при восстановлении, цветовые составляющие приводят лишь к некоторому изменению цветовой насыщенности. Усреднение сигналов двух строк обеспечивает также повышение отношения сигнал/шум, но приводит к снижению вертикальной четкости в два раза. Впрочем частично последнее компенсируется увеличением числа телевизионных строк разложения. Система PAL принята в большинстве стран Западной Европы, Африки и Азии, включая Китай, Австралию и Новую Зеландию.

Система SECAM (SEquentiel Couleur A Memoire) первоначально была предложена во Франции еще в 1954 г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 одновременно во Франции и СССР. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах. цветовой тон и насыщенность сигнала не зависят от освещенности, но на резких переходах яркости возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображения окантовка имеет синий цвет, а после темных - желтый. Кроме того, как и в системе PAL, цветовая четкость по вертикали снижена вдвое.

 Таковы общие принципы кодирования цвета в различных видеосистемах телевидения. 

Нелишне напомнить, что в России принят стандарт SECAM D/K (первая буква относится к диапазону метровых волн, вторая - дециметровых), во Франции - SECAM E/L, Монако - SECAM C/L, Иране - SECAM B, Германии - PAL B/G, Англии - PAL A/I, Бельгии - PAL B/H, Бразилии - PAL M/M, Китае - PAL D/K, в США, Японии и Тайване - NTSC M/M. В заключении отметим, что французский и российский секамы существенно отличаются в модуляции несущего радиосигнала - как по видео, так и по звуку. А на уровне низкочастотных сигналов отличий нет. Основное отличие между SECAM B/G и D/K - в частоте разноса звука от видео. В то же время с точки зрения модуляции радиосигналов отличий между PAL D/K и SECAM D/K нет. Это позволяет использовать телевизионный тюнер, настроенный на PAL D/K, для выделения нашего SECAM из высокочастотного сигнала. Очевидно, что полученный при этом низкочастотный сигнал все же необходимо подавать именно на SECAM-декодер.

цифровое представление телевизионного сигнала.

По своей массе и производственным мощностям аналоговая вещательная аппаратура быстро сдает одну позицию за другой. Как и ожидалось, переход к цифровым вещательным комплексам осуществляется, главным образом, за счет поэтапного встраивания цифрового оборудования в аналоговое окружение. Процесс этот идет повсеместно, но в разных странах темпы перехода различны. В наиболее развитых странах уже сейчас можно говорить о преобладании цифровой аппаратуры, в некоторых она просто отсутствует. Россию в этом плане, пожалуй, следует отнести к слаборазвитым странам. Бурному внедрению цифровых технологий в наше вещание, естественно, препятствует отсутствие необходимых средств у большинства телевизионных и радиовещательных компаний страны. Тем не менее, дело сдвинуто с мертвой точки и идет с впечатляющим ускорением. Что предлагают цифровые технологии на разных стадиях подготовки и распространения вещательных программ, как влияют на художественные возможности, о чем следует помнить, работая с цифровой аппаратурой, и чего надо опасаться, особенно в системах с компрессией сигналов - ответы на все эти вопросы следует знать всем работникам вещательных организаций: инженерно-техническому персоналу и творческим работникам.

 Цифровая техника стала постепенно проникать в телевидение в семидесятые годы. Первыми появились цифровые корректоры временных искажений, затем - кадровые синхронизаторы, генераторы специальных эффектов, микшеры, коммутаторы. Но говорить о возможности полномасштабного перехода к цифровому телевидению стали десять лет назад, когда появился первый промышленный цифровой видеомагнитофон, разработанный фирмой Sony. Это - выдающееся событие для телевидения.

  Прежде всего, надо отметить, что параметры, характеризующие качество воспроизводимого изображения и звука в цифровом аппарате, превосходили те значения, которые были типичными для аналоговых магнитофонов. Но появление цифровой видеозаписи означало не просто значительное улучшение параметров. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, например, ограничивает предельно допустимое число перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом магнитофоне. Так, например, перезапись на магнитофонах формата VHS, без потери качества в пределах нормы, не допускается вообще, формат S-VHS допускает 1-2 перезаписи, а Betacam SP три-четыре. А вот цифровые системы практически свободны от эффекта накопления искажений. Если в аналоговом аппарате предельно допустимое число перезаписей исчисляется единицами, то в цифровом видеомагнитофоне визуальное качество изображения не изменяется после десятков перезаписей. А это уже не просто количественное улучшение. Можно сказать, что предельно допустимое количество перезаписей уже практически не ограничивает возможности создателей телевизионных программ.

 Десятилетия основным носителем в системах видеозаписи была магнитная лента. Но сейчас запись на диск завоевывает свое место в видеотехнике. Дисковые системы дороже ленточных и имеют меньшую емкость, но они обладают весьма важным преимуществом - практически мгновенным (в сравнении с ленточными системами) доступом к любому фрагменту записи. Это создает новые возможности для компоновки и монтажа.
 Таким образом, появление цифровой видеозаписи ознаменовало начало кардинальных изменений в технологии производства телевизионных программ. Но цифровая техника порождает и проблемы. Полоса частот цифровых сигналов значительно шире полосы их аналоговых предшественников. Например, полоса частот, занимаемая телевизионным видеосигналом в цифровой форме, составляет сотни мегагерц. Так, при передаче телевизионного сигнала в цифровой форме требуются каналы связи с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду. Использование каналов, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, может оказаться невозможным или экономически невыгодным. При плотностях записи информации, которые приходится использовать, например, в цифровых видеомагнитофонах, чтобы добиться расхода ленты, сравнимого с расходом в аналоговых аппаратах, ошибки при воспроизведении просто неизбежны. Поэтому сам факт преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и использование двоичных сигналов в качестве носителя информации еще не гарантирует высокого качества.

 Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности был обоснован Шенноном. Он заключается в кодировании сигнала. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому на практике кодирование всегда выполняется в несколько приемов. Сейчас принято выделять следующие основные виды: кодирования источника информации с целью преобразования сигнала в цифровую форму и его экономное представление путем сжатия или, как часто говорят, компрессии; кодирования с целью обнаружения и исправления ошибок.

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В УЧРЕЖДЕНИЯХ КУЛЬТУРЫ.

Телевидение — одно из наиболее массовых средств распространения информации - политической, культурной, познавательной, учебной, рекламной. Не даром оно считалось одним из мощных средств политического и культур­ного воспитания советских людей. В постановлении июньского (1963 г.) Пленума ЦК КПСС телевизионное вещание было названо в числе ударных сил идео­логического фронта.

В то время в нашей стране работало около 150 телевизион­ных станций и мощных ретрансляторов и 250 ретран­сляторов малой мощности. Они обслуживали огромную территорию, на которой проживало более 90 миллионов че­ловек. К концу семилетки приемная телевизионная сеть насчитывала свыше 15 миллионов телевизоров.

В настоящее время в учреждениях культуры оно применяется и в научных, организационных, технических, учебных, познавательно-развлекательных и др. прикладных целях.

В учебных заведениях телевидение используют для демонстрации учебных фильмов, применение видеокамер и видеомагнитофонов позволяют вести научную деятельность, экспедиционные работы, и т. д., в домах культуры спектр использования телевидения гораздо шире. Это видеозалы для просмотра фильмов, где используются DVD проигрыватели, организация конкурсов и викторин, где на экране могут выводиться вопросы, справочная информация, и другие визуально – событийные объекты. Надо отметить, что теперь телевидение существует не только в привычной для нас форме. Сейчас оно внедрилось и в компьютерную технологию. Видеотюнеры встраивымые в компьютер позволяют не только принимать телевизионные программы, но и записывать и редактировать их. А использование мультимедийных[1] проекторов позволяют выводить изображение на экране достаточно больших размеров, не затемняя сильно просмотровый зал или аудиторию.

Огромные возможности предоставляет телевидение при его использовании в постановочных спектаклях, представлений и инсценировок. Телевидение стало настолько гибким, что трудно представить себе область, где бы его нельзя было использовать.

ВИДЕОЗАПИСЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ

ВИДЕОЗАПИСИ.

Сейчас уже редко встретишь в продаже отдельную видеокамеру. Чаще всего, камера объединена с видеомагнитофоном и называется КАМКОРДЕРОМ (CAMera+reCORDER). Рассмотрим принципы видеозаписи, чтобы получить хотя бы общее представление о процессах, происходящих в домашней видеостудии. Вспомним школьную программу по физике. Вокруг проводника, по которому течет электрический ток, возникает магнитное поле, интенсивность которого зависит от силы тока в проводнике. И наоборот, перемещая проводник в магнитном поле, мы добьемся того, что в нем появится электрический ток. На этих эффектах основана самая распространенная магнитная запись видеосигнала.

Записывающая магнитная головка представляет собой электромагнит - сердечник из магнито - мягкого материала с намотанным на него проводом. Когда мы пропускаем по проводу ток, сердечник намагничивается. Ток пропадает - магнитное поле исчезает. Сердечник имеет зазор, где силовые линии магнитного поля выходят за пределы сердечника.

Магнитная лента представляет собой тонкую прочную синтетическую основу с нанесенным на нее магнитным слоем - мелко перемолотым порошком магнитного материала - оксида железа или хрома. Перемещаясь в магнитном поле головки, отдельные кристаллики намагничиваются в соответствии с интенсивностью магнитного поля и сохраняют эту намагниченность на долгое время. Намагниченные участки ленты составляют "магнитную дорожку", где записан сигнал.

Если теперь протянуть ленту с магнитной дорожкой так, чтобы намагниченные участки попали в зазор головки воспроизведения, то в проводе, намотанном на сердечник воспроизводящей головки, возникнет слабый электрический ток, соответствующий записанному сигналу. После усиления этот сигнал можно использовать. Так обычно записывается звук для прослушивания в бытовых магнитофонах и плеерах.

Видеосигнал имеет очень высокую частоту. Около 4...5 миллионов колебаний в секунду. Чтобы записать его на магнитную ленту с продольной дорожкой, необходимо протягивать ленту с огромной скоростью. Это технически трудно. Лента будет рваться, между лентой и магнитной головкой возникнет "воздушная подушка", затрудняющая запись, возникнут статические разряды, расход ленты будет недопустимо большим. Чтобы устранить эти недостатки, была придумана вращающаяся магнитная головка. Лента протягивается относительно медленно, но сама головка, вращаясь с большой скоростью, "прочерчивает" на ленте множество наклонных дорожек. Таким образом, общая скорость движения головки по отношению к ленте достаточно велика для записи видеосигнала.

На вращающемся блоке магнитных головок обычно бывает несколько магнитных головок. Как минимум две. В высококачественных видеомагнитофонах бывают даже шесть головок. Дополнительные головки используются для коррекции ошибок и получения четкого, стабильного "стоп-кадра", когда нажата кнопка паузы. Чем больше головок в блоке, тем лучше магнитофон. И тем он дороже, разумеется.

Звук в простейшем случае записывается на продольную дорожку, рядом с видеодорожками. На другую продольную дорожку записываются служебные сигналы и синхросигналы, управляющие работой видеомагнитофона, специальные метки, отмечающие начало и конец фрагмента, другая полезная информация.

Высококачественный цифровой Hi-Fi звук записывается вместе с видеодорожками. Только для его записи используются отдельные головки на вращающемся блоке. Эти головки имеют зазор в сердечнике, соориентированный под другим углом, нежели в головках для записи видеосигнала, поэтому видеоголовки не реагируют на сигнал Hi-Fi звука, а головки, работающие со звуком, так же игнорируют видеосигнал.

Видеосигнал записывается на пленку в так называемой аналоговой форме, когда амплитуда сигнала не имеет жестко заданных дискретных значений, а напрямую зависит от яркости. Это не всегда хорошо, так как магнитный слой неравномерен и при воспроизведении записи видны отчетливые шумы. С развитием цифровых технологий формирования сигнала стало рациональнее записывать на пленку также цифровой сигнал.

Цифровой сигнал меньше подвержен зашумлению. В нем есть только два значения - "есть импульс" и "нет импульса". Специальные устройства - компараторы, приводят плохо прописанные участки магнитной дорожки к стандартному уровню, и на выходе блока воспроизведения мы получаем опять чистейший сигнал. Вот его уже ничто не мешает преобразовать в стандартный видеосигнал. Цифровые камкордеры приобретают все большую популярность и стоят все меньше.

Аналоговую запись нельзя переписывать с магнитофона на магнитофон много раз. После нескольких перезаписей шумов и искажений становится настолько много, что изображение становится отвратительным. Цифровую запись можно перезаписывать неограниченное количество раз, при условии, что магнитофоны соединены "по цифре", без преобразования сигнала в аналоговую форму.

ЛИТЕРАТУРА:

[1] МУЛЬТИМЕДИА (англ. multimedia, от multi — много и media — средство), компьютерная технология, которая обеспечивает соединение несколько видов связанной между собой информации (текст, звук, фото, рисунок, анимация, видео и др.) в единый блок, а также носитель такой информации