Понятие системы цветного телевидения, телевизионного стандарта и формата видеозаписи

Многообразие видеозаписывающей аппаратуры обусловлено как различными системами кодирования цвета, так и разными стандартами разложения изображения.

Подсистемой цветного телевидения понимают совокупность технических средств, применяемых для передачи цветного изображения с определенным способом кодирования и параметрами телевизионного сигнала.

В настоящее время применяются три совместимые системы кодирования цвета - NTSC, PAL, SECAM, имеющие 14 стандартов по передаче сигналов и развертки. Отличия между системами цветного телевидения заключаются в методах кодирования телевизионного сигнала (см. табл. 31). Такой сигнал содержит информацию о яркости каждой точки изображения и ее цвете, причем цветовая информация добавляется к яркостному сигналу путем его модуляции[9] по амплитуде или частоте.

Таблица 31

Основные характеристики телевизионных систем

Исходные RGB-видеосигналы в телевидении перед передачей преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U и V:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, U = R - Y, V = B - Y,

при этом U и V передаются с разрешением, в два раза меньшим, чем Y.

Выбор вышеуказанных коэффициентов преобразования определяется жестким требованием двусторонней совместимости черно-белых и цветных приемников – яркостной сигнал Y совпадает с формируемым в ч/б системах, ч/б приемники воспринимают только его. Что касается цветовых сигналов U и V, то они добавляются к яркостному путем модуляции специального гармонического сигнала (цветовой поднесущей) на частоте, лежащей в пределах спектра сигнала Y. В результате полосы яркостного и полного видеосигнала совпадают.

Модуляция информации о цвете может осуществляться по амплитуде, фазе или частоте согласно U- и V- значениям. При приеме для точного определения величин модуляции необходима привязка к опорной несущей. Для этого в начале каждой строки передаются пакеты немодулированной несущей – так называемые синхроимпульсы. Таким образом, телевизионный видеосигнал, с определенными оговорками, представляет собой композицию трех сигналов Y, U, V и синхроимпульсов. Такой сигнал называют композитным.

При приеме в цветном телевизоре осуществляется обратный процесс восстановления (декодирования):

R = Y + U, B = Y + V, G = Y - 0.509U - 0.194V.

Рассмотрим на особенности систем кодирования.

NTSC (National Television System Color –Национальный комитет телевизионных систем) – первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания. В настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки (Чили, Боливии, Перу, Эквадоре, Венесуэле), Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении. В NTSC каждая телевизионная строка содержит составляющую яркости и два сигнала цветности.

Цветоразностные сигналы передаются путем амплитудной модуляции поднесущих на одной и той же частоте, но с фазовым сдвигом в 90^о. Последнее обстоятельство является принципиально важным для разделения сигналов при приеме. Однако из-за неизбежных нелинейных искажений в канале передачи поднесущие оказываются промодулированными сигналом яркости как по амплитуде, так и по фазе.

Данная система не позволяет компенсировать фазовые погрешности, возникающие при передаче цветовых сигналов, и приводит к искажению цвета в изображении. В результате 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.

PAL (Phase Alternation Line– строка с переменной фазой) – система цветного телевидения, предложенная фирмой Telefunken (Германия) в 1963 г.

Данная система создана из-за необходимости компенсировать фазовые сдвиги в сигнале. Система PAL принята в большинстве стран Западной Европы (Германии, Великобритании, Скандинавских странах, Швейцарии, Испании, Португалии), Африки и Азии, включая Китай, Австралию и Новую Зеландию.

SECAM (Sequentiel Couleur a Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием) – была предложена во Франции еще в 1954 г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 г. одновременно во Франции и СССР. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, России, Франции, Греции, Италии, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах. Цветовой тон и насыщенность не зависят от освещенности, но на участках с резким переходом яркостей возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображение окантовывается в синий цвет, а после темных – в желтый.

Помимо информации об изображении для формирования полного телевизионного сигнала необходимо звуковое сопровождение. В рамках одной телевизионной системы существуют различия, связанные с конкретной шириной спектра видеосигнала и его разносом со звуковой частью и т.д. Системы цветного телевидения работают в определенных телевизионных стандартах.

Телевизионным стандартом цветного телевидения называется совокупность нормированных характеристик и параметров телевизионного сигнала.

Всего в мире было разработано четырнадцать стандартов телевизионного вещания, которые обозначаются: A, B, C, D, E, F, G, H, I, K, K1, L, M, N (стандарты A, C, E, F и K1 в настоящее время отменены).

В России принят стандарт SECAM D/K (первая буква относится к диапазону метровых волн, вторая – дециметровых), во Франции – SECAM E/L, 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.

Телевизионные сигналы, соответствующие стандартам разных стран, существенно отличаются. Для обеспечения совместимости видеоустройств телевизионный сигнал подают на декодер. С 1985 г. во всех странах Европы выпускается видео- и телевизионная аппаратура (видеокамеры, видеомагнитофоны, телевизоры и т. д.), соответствующая одновременно двум системам телевидения PAL/SECAM. Перечисленные выше характеристики относятся как к телевизионной, так и видеозаписывающей аппаратуре.

Помимо принадлежности к определенной системе кодирования цвета и стандарту, видеозаписывающая аппаратура характеризуется не менее важным параметром – форматом видеозаписи.

Формат видеозаписи– система расположения на поверхности рабочего слоя магнитной ленты серии строчек и дорожек, сохраняющих информацию о записанном видео- и аудиосигнале. Формат записи определяет технологию записи и считывания информации.

Существует большое количество форматов видеозаписи. Наиболее распространенные форматы видеозаписи предусматривают наклонно-строчную структуру записи. Они применяются как в профессиональной аппаратуре, так и в бытовой. Большее распространение они нашли в полупрофессиональных и бытовых видеокамерах и видеомагнитофонах. К ним относят, например, форматы VHS (Video Home System), Betacam, Betamax и др. Отличительная особенность этих форматов состоит в том, что благодаря наклону строчек записи удается на каждой строке записать полный полукадр, что имеет ряд достоинств. Одним из них является простота реализации режима стоп-кадра (путем остановки ленты).

В видеокамерах и видеомагнитофонах формата VHS используется лента шириной 12,65 мм в стандартной кассете (например, европейского типоразмера Е-180, которая вмещает 258 м ленты и обеспечивает трехчасовую запись в системах PAL или SECAM). Расположение дорожек и строчек записи приведено на рис. 174.

Сигнал изображения записывается двумя видеоголовками, находящимися в одной плоскости под углом 180^о на диске диаметром (62 ± 0,01) мм. Частота вращения диска с видеоголовками 1500 об/мин. Рабочие зазоры развернуты под углом ±6°. Каждая видеоголовка записывает одно поле изображения, следовательно, за один оборот диска записывается полный телевизионный кадр. Видеоголовки переключаются сигналом датчика оборотов. Угол контакта диска с лентой несколько превышает 180°. Угол наклона строчек записи к краю ленты 5°57'50,3", скорость ленты 23,39 мм/с, скорость видеоголовка - лента 4,84 м/с.

Рис. 223. Структура записи в формате VHS:

1 – сигналы управления; 2 – строчка ТВ сигнала;

3 – звуковые дорожки

Кроме наклонных дорожек сигнала изображения на магнитную ленту записывается звуковое сопровождение и сигналы управления. Звуковое сопровождение записывается неподвижной магнитной головкой записи звука на продольной дорожке по верхней части магнитной ленты (см. рис. 223). Нижнюю часть ленты занимает дорожка для записи управляющего сигнала. Управляющий сигнал содержит информацию о скорости и взаимном положении ленты и головки при записи. Это необходимо для того, чтобы при воспроизведении видеоголовка точно следовала по наклонной строке записи.

Глава 31. Технические средства судебной видеозаписи

Арсенал применяемой правоохранительными органами видеоаппаратуры и видеотехники, довольно широк: от бытовых видеокамер, видеомагнитофонов, видеоплееров и моноблоков до специализированных компьютерных видеокомплексов для проведения видеофоноскопической экспертизы, фотограмметрических измерений и других исследований.

Видеоаппаратуру и видеооборудование, используемые органами внутренних дел, можно условно разделить на две большие группы:

1. Бытовая видеотехника (видеокамеры, видеомагнитофоны, видеокассеты, дополнительные принадлежности и устройства) различных форматов как аналоговых, так и цифровых. Как правило, используется импортная техника фирм Sony, Hitachi, Panasonic, Samsung, JVC и др.

2. Специализированные видео- и телевизионные системы, разработанные для проведения разного рода судебных экспертиз и исследований (разработки ФГУП НИИ ПТ «РАСТР», «Системы ПАПИЛЛОН», ОАО «Красногорский Завод» и др.).

§ 1. Форматы видеозаписывающей аппаратуры: развитие и современное состояние

Форматы видеозаписи делятся на две большие группы: профессиональные и бытовые (любительские непрофессиональные). В следственной и экспертной практике, как правило, используется видеотехника бытовых форматов. Форматы видеозаписи подразделяются также на аналоговые и цифровые.

В видеокамерах аналоговых форматов на видеокассету записывается электрический сигнал, соответствующий изменению освещенности поверхности светочувствительной матрицы. Объектив камеры фиксирует изображение на поверхности матрицы, светочувствительные ячейки реагируют на изменение яркости, а электронная схема усиливает видеосигнал и передает его на записывающую магнитную головку для записи на ленту. Видеоинформация записывается на ленту с помощью магнитного поля переменной силы, изменения которого соответствуют изменению состояния светочувствительного элемента.

Особенностью аналоговой видеозаписи является ее чувствительность к многократному копированию видеоинформации. При копировании видеофильмов с кассеты на кассету качество сигнала ухудшается, появляются помехи, выпадение элементов изображения, цветовые искажения. Заметные потери в качестве изображения возникают уже при третьей-четвертой перезаписи.

В видеокамерах цифровых форматов используется световоспринимающее устройство, аналогичное аналоговым видеокамерам. Но электрические сигналы с ячеек светочувствительной матрицы преобразуются аналого-цифровым преобразователем в цифровой формат – последовательность логических нулей и единиц – и в таком виде записываются на видеопленку. Если в видеокамере аналогового формата намагниченность отдельных участков носителя информации (магнитной ленты) изменяется пропорционально изменениям видеосигнала, то есть плавно, то в цифровой камере запись идет дискретными порциями – битами, как на компьютере. При этом фиксируется всего два состояния – логическая единица и логический ноль, а записанная на носитель информация выглядит в виде чередующихся участков ленты с высокой и низкой степенью намагниченности, образующих питы информации.

Цифровой способ записи информации позволяет полностью избавиться от помех, возникающих при многократной перезаписи видеофильма в ходе монтажа. Сколько бы раз ни копировалось видеоизображение, оно все равно остается последовательностью участков магнитной ленты с высокой и низкой степенью намагниченности. Поскольку уровней намагниченности всего два, питы информации с легкостью и без искажений воспроизводятся и записываются снова, не влияя на качество видеоматериала.

Самыми распространенными бытовыми форматами видеозаписи являются следующие(см. табл. 1):

– аналоговые – VHS, S-VHS, VHS-C, S-VHS-C, Video 8, Hi 8;

–цифровые–Digital 8, miniDV, microDV и DVD.

До начала XXI в. наиболее широко распространенным был формат VHS (Video Home System). Данный формат был разработан в 1976 г. фирмой JVC. Запись производится на магнитную ленту шириной 12,65 мм. Разрешение изображения составляет 240 твл. Размеры кассеты формата VHS составляют 187х103х23 мм. Видеокамеры формата VHS имеют достаточно большие размеры и предназначены для съемки с плеча оператора.

На базе формата VHS разработан формат VHS-С (индекс «С» означает «компактный»). Объем видеокассеты указанного формата в четыре раза меньше объема кассеты формата VHS и более чем в четыре раза легче. Это позволило значительно уменьшить размеры и массу видеокамер. В кассетах форматов VHS и VHS-С магнитная лента однотипная.

Между форматами VHS и VHS-С существует полная совместимость в плане качества записи. Однако воспроизвести кассеты VHS на аппаратуре формата VHS-С невозможно, а кассеты VHS-С воспроизводятся на видеомагнитофонах VHS с универсальным лентопротяжным механизмом или на обычных видеомагнитофонах при помощи специального кассетного адаптера. Продолжительность записи для кассет VHS-С составляет 45 мин. Видеомагнитофоны VHS имеют еще одну особенность. Модели, оборудованные тремя - четырьмя видеоголовками, могут обеспечивать режимы работы, соответствующие разной скорости движения ленты (SP, LP и EP – для системы NTSC).

Более свершенным является формат S-VHS (Super VHS), который характеризуется разрешением по горизонтали 400 твл, меньшими помехами и более высоким значением отношения сигнал/шум. Формат S-VHS-С является разновидностью форматов VHS-С и S-VHS.

Таблица 32