В этой беседе освещаются основные принципы современных телевизионных методов передачи изображений. Любознайкин рассказывает своему другу о способе последовательной передачи элементов изображения, рассматривает ширину полосы частот видеосигнала, объясняет причины чересстрочной развертки и упоминает об основных телевизионных стандартах, принятых в разных странах.
Кинематограф — передача изображений во времени
Незнайкин. — Как всегда, я с большим интересом и вниманием прослушал записанный на магнитную ленту последний монолог твоего дядюшки. С его слов я, надо сказать не без удивления, узнал, что телевизионные сигналы занимают полосу частот чудовищной ширины — целых 6 МГц. Их называют видеосигналами. Я предполагаю, что это название происходит от латинского «я вижу».
Любознайкин. — Я убедился, что ты обладаешь хорошими знаниями латинского языка. Однако, как мне кажется, ты не знаешь самых элементарных принципов телевидения.
Н. — На этот раз, мой дорогой друг, ты несправедлив по отношению ко мне. Я знаю, что в телевидении в секунду передается 25 кадров, что более чем достаточно. Недавно я прочитал статью об истории изобретения кино.
Из статьи я узнал, что братьям Луи и Огюсту Люмьерам удалось создать кино, потому что, на наше счастье, человек обладает способностью запоминать зрительные ощущения. Эти ощущения сохраняются примерно одну десятую часть секунды, но не на сетчатке глаза, как это часто говорят, а в нашем мозгу.
Л. — Совершенно верно. Поэтому первоначально в немом кино показывали по 16 кадров в секунду. Из-за сохранения зрительных ощущений каждый кадр не воспринимался отдельно от предшествующего ему и следующего за ним кадров. Непрерывность восприятия была полностью обеспечена.
С 1930 г. после появления звукового кино скорость чередования кадров повысили до 24 в секунду, что несколько отличается от частоты, принятой в телевидении.
Н. — Сказанное тобой позволило мне понять, почему сейчас при демонстрации по телевидению фильмов, снятых в эпоху немого кино, нас приводит в величайшее изумление чрезмерная скорость всех движений и жестов людей. Объяснение этому явлению очень простое: фильмы, снятые с частотой 16 кадров, показывают со скоростью 25 кадров в секунду. Но все это ни в коей мере не объясняет колоссальной ширины полосы видеосигнала.
Последовательная передача изображения в телевидении
Л. — Пойми, Незнайкин, что между кино, передающим движущиеся изображения во времени, и телевидением, передающим их в пространстве, имеется небольшая разница: каждый кинокадр появляется весь целиком, тогда как в телевидении он образуется в результате последовательного появления всех составляющих его элементов.
Н. — Что ты называешь элементом?
Л. — Этим словом обозначается самая маленькая частица изображения, имеющая настолько крохотную поверхность, что ее яркость можно принять одинаковой. Эти элементы настолько малы, что их даже называют «точками». Разумеется, что этот термин не точен, так как по данному в геометрии определению точка не имеет ни ширины, ни длины, тогда как последовательно передаваемые элементы изображения имеют конечные размеры.
Н. — А в каком порядке передают элементы изображения?
Л. — Точно в том же, в каком ты читаешь книгу. В каждой строке слева направо ты пробегаешь глазами элементы текста — буквы. Дойдя до конца строки, твой взгляд немного опускается и быстро возвращается влево к началу следующей строки, после чего возобновляется просмотр букв.
Н. — Одним словом, если я правильно понял, каждый передаваемый по телевидению кадр соответствует странице книги? И таких страниц прочитывают по 25 в секунду?
Л. — Совершенно верно.
Н. — Но при скорости 25 страниц в секунду я бы прочитал несколько тысяч страниц полного собрания сочинений Виктора Гюго всего за каких-нибудь несколько минут!.. А какое количество строк содержит телевизионная страница, я хочу сказать — кадр, и сколько букв умещается в каждой строке? Иначе говоря, сколько там точек или элементарных участков поверхности?
Я предчувствую, что твои ответы объяснят чудовищную ширину полосы видеочастот.
Отсутствие международного стандарта
Л. — Твоя интуиция, Незнайкин, тебя не подвела. Теперь же я должен уведомить тебя об отсутствии в области телевидения хорошей международной стандартизации. Характеристики передачи, увы, весьма различны и зависят от страны, где эта передача производится. Так, если в странах Европы частота кадров составляет 25 кадров в секунду, то в американских странах она достигает 30. Это различие объясняется тем, что на нашем континенте частота тока осветительной сети 50 Гц, а по ту сторону Атлантического океана 60 Гц.
Но еще более важно разнообразие стандартов в вопросе количества строк в кадре. В Европе за основную характеристику приняли четкость изображения в 625 строк в кадре, а во Франции, кроме передач с четкостью 625 строк, ведутся передачи и с четкостью 819 строк. В Америке четкость изображения составляет 525 строк.
Н. — Я знаю, что единства нет и в области цветного телевидения: американские страны и Япония приняли систему, носящую название NTSC, тогда как европейцы разделились между франко-советской системой SECAM и западногерманской системой PAL.
Л. — Да, мой друг. В наше время, когда прогресс техники обеспечивает все более тесные связи между всеми странами мира и это происходит благодаря быстрому развитию авиации и радио, народы оказались разделенными не только вследствие неудачного строительства Вавилонской башни (и недостаточного распространения практики такого международного языка, как эсперанто), но и различиями в телевизионных стандартах.
Вернемся, однако, к нашим кадрам, разлагаемым на 625 строк. При передаче 25 кадров в секунду скорость передачи строк достигает 625 х 25 = 15625 строк в секунду.
Полоса видеочастот
Н. — А сколько «точек» содержит каждая строка?
Л. — Ширина телевизионного кадра на одну треть больше его высоты (рис. 173). Следовательно, если мы предположим, что каждый элемент изображения представляет собой крохотный квадрат, сторона которого равна расстоянию между двумя соседними строками, то количество таких квадратов в строке будет на одну треть больше количества строк в кадре. Следовательно, при разложении изображения на 625 строк каждая из них содержит 833 элемента.
Рис. 173. Ширина Ш телевизионных кадров на одну треть больше их высоты В .
Н. — Позволь мне подсчитать, сколько таких элементов передается в одну секунду. В секунду передается 15625 строк, и каждая из них содержит 833 элемента, это составляет…
Боже мой! Я получил больше 13 миллионов точек в секунду. Чтобы их передать, требуется видеосигнал, имеющий такое чудовищное количество периодов в секунду.
Л. — Нет, так как считают, что каждый элемент может передаваться одним полупериодом видеосигнала. При этом каждый из периодов сигнала способен передать два элемента.
Н. — О, мне легче дышать! Значит, 6,5 миллионов периодов в секунду могут обеспечить передачу кадров с разложением на 625 строк.
Л. — На практике довольствуются шириной полосы в 6 МГц.
Телевизионная передача
Н. — Поскольку частота несущей волны должна в определенное количество раз превышать ширину передаваемой полосы частот, я предполагаю, что в телевидении должны использоваться еще более короткие волны, чем в радиовещании с частотной модуляцией.
Л. — Не всегда. Действительно, существуют телевизионные передатчики, работающие на метровых волнах с частотами от 41 до 68 МГц, а также от 162 до 230 МГц. Но построенные в последнее время передатчики работают на дециметровых волнах в полосе частот от 470 до 582 МГц.
Н. — Волны, соответствующие этим последним частотам, имеют длину немногим меньше 30 см. Я не сомневаюсь, что реальная дальность действия передатчика на подобной частоте не должна быть очень большой.
Л. — Действительно, в лучшем случае она достигает 50 км. Вот почему каждая сеть телевизионных станций, передающих ту или иную программу, должна иметь довольно большое количество ретрансляторов. Последние соединяются с главным передатчиком волноводами (это линии из металлических труб, по которым распространяются сантиметровые волны) или радиорелейными линиями. В этих линиях также используют очень короткие волны, которые направляют в виде узкого пучка на приемные антенны.
Чересстрочное разложение изображения
Н. — Итак, ты дал мне общую идею о том, каким образом передаются телевизионные изображения. Теперь мы могли бы перейти к изучению конкретных используемых аппаратов.
Л. — Пока еще нет, так как я не рассказал тебе об одном из основных аспектов телевизионной техники: о чересстрочном разложении изображения.
Н. — Что ты понимаешь под этим термином? Какую цель это разложение преследует?
Л. — Если передавать 625 строк каждого кадра последовательно от первой до последней, как я объяснил тебе вначале, то возникает риск, что передаваемое изображение будет колебаться, как морские волны. Дело в том, что, несмотря на сохранение зрительных ощущений, интервал в 1/25 с до появления на этом же месте новой строки несколько велик. Создается впечатление мерцания.
Н. — Какое же решение следует принять?
Л. — Оно заключается в переплетении строк. Вместо последовательной передачи всех строк передают сначала все нечетные строки, что занимает 1/50 с, а затем за следующие 1/50 с передают все четные строки (рис. 174).
Рис. 174. Чересстрочная развертка при передаче кадров. Сначала передаются нечетные строки (сплошные линии), затем — четные (пунктирные линии), после чего весь цикл возобновляется.
Н. — Одним словом, сначала просматривают строки 1, 3, 5, 7, 9 и т. д. до 625, а затем строки 2, 4, 6, 8, 10 и т. д. до 624. Правильно ли я тебя понял?
Л. — Ты совершенно правильно воспринял мои объяснения. Каждое изображение передается в виде двух полукадров: полукадр с нечетными и полукадр с четными строками. У телезрителя складывается впечатление, что он воспринимает 50 кадров в секунду, что полностью устраняет эффект мерцания.
Основные принципы телевидения
Н. — Совсем неглупо! К счастью, чересстрочный метод не принят выпускающими книги типографиями; в противном случае чтение превратилось бы в сложное занятие: сначала читать нечетные строки, а потом четные…
А теперь я попытаюсь догадаться, как изображения преобразуются в передаваемые сигналы и как в приемнике производится восстановление изображений. Твой дядюшка объяснял мне, что имеются полупроводники, чувствительные к свету. Поэтому я предполагаю, что при передаче используют полупроводниковый фотоэлектрический элемент, на который поочередно проецируют элементы изображения. В зависимости от яркости этих элементов получают большие или меньшие токи и таким образом формируют видеосигналы. В приемном устройстве эти сигналы, вероятно, воспроизводят свет, яркость которого изменяется в зависимости от амплитуды сигналов. Модулированный таким образом световой луч направляется на экран телевизора, по которому он движется синхронно с разложением изображения на строки в передатчике.
Прав ли я? Верны ли мои гипотезы?
Л. — Огорчен, но мне придется тебя разочаровать. Передача и прием происходят не так. Чтобы передать 625 строк 25 раз в секунду, пришлось бы заставить световой луч совершить в секунду 15625 путешествий туда и обратно. Такие быстрые прогулки как в передатчике, так и в приемнике совершают электронные лучи, перемещающиеся в вакууме электронно-лучевой трубки. Мой дядюшка объяснит тебе, как устроены и как работают такие трубки. А сейчас лишь прими к сведению, что на стороне передатчика электронный луч просматривает поверхность, на которую объектив проецирует передаваемое изображение. Будучи выполненной из фотоэлементов, эта поверхность изменяет интенсивность электронного луча в зависимости от яркости каждого из элементов изображения. Таким образом создаются видеосигналы (рис. 175).
Рис. 175. Передаваемое изображение с помощью объектива проецируют на светочувствительную поверхность передающей электронно-лучевой трубки ( а ). Телевизионный приемник оснащен электронно-лучевой трубкой с люминесцентным экраном ( б ).
В приемнике электронный луч совершает такой же путь, а его интенсивность управляется принятым от передатчика видеосигналом. Электроны ударяют о люминесцентный экран и порождают на нем свет, пропорциональный интенсивности луча. Вот в чем заключается основной принцип телевидения.
Н. — Это представляется мне очень увлекательным. Я с нетерпением буду ждать объяснений, которые мне любезно даст профессор Радиоль.