камальдинова. Мультимедиа технологии
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
Технические особенности Так же, как в других системах цветного телевидения – NTSC и PAL – для совместимости с черно-белым телевизионными приемниками вместо непосредственной передачи трех сигналов основных цветов осуществляется передача сигнала яркости Y, соответствующего черно-белому изображению, и двух цветоразностных сигналов R-Y и B-Y, несущих информацию о красном и синем цветах соответственно. Недостающая информация о зеленом цвете G восстанавливается в приемном устройстве вычитанием суммы цветоразностных сигналов из яркостного. NTSC (от англ. National Television System Committee – Национальный комитет по телевизионным системам) – система аналогового цветного телевидения, разработанная в США. 18 декабря 1953 года было начато цветное телевизионное вещание с применением этой системы. NTSC была принята в качестве стандартной системы цветного телевидения в США, Канаде, Мексике, Японии, Южной Корее, Тайване, на Филиппинах и в ряде стран Южной Америки. 94 В настоящее время в большинстве стран вещание по системе NTSC прекращено, так, например, в США большинство передатчиков были отключены в 2009 году, в Канаде и Японии – в 2011 году, и в Южной Корее и Мексике – в 2012 году. В этих странах произошел переход на цифровые стандарты телевидения, в том числе, высокой четкости. Технические особенности Базовая система NTSC, применявшаяся в США (т.н. NTSC-M), основана на использовании предыдущего стандарта черно-белого телевидения, принятого в 1941 году, со стандартом разложения 525/60. Для обеспечения совместимости вместо непосредственной передачи сигналов основных цветов используется передача сигнала яркости Y, соответствующего черно-белому изображению, и двух цветоразностных сигналов R-Y и B-Y, несущих информацию о красном и синем цветах соответственно. Рис.5.3 Сравнение стандартов NTSC и PAL Проще говоря, PAL, SECAM и NTSC – это системы передачи цвета. При их несовпадении (у источника сигнала и телевизора) картинка на экране будет черно-белой, бывает зауженной или вообще полоски, вместо картинки. Сам сигнал, который обрабатывает схема телевизора, содержит в себе информацию о яркости (черно-белой картинке) и цветности (о том, как ч/б картинку нужно раскрасить). И, конечно, сегодня надо понимать, что система SECAM уже практически не используется. В нашей стране использовалось только 95 аналоговое SECAM-вещание и передатчики до 2014 года. С 2014 года начался переход на цифровое вещание в системе DVB-T2 . И самое главное надо помнить, что в системе NTSC видео записывается 30/60 кадров в секунду, а в системе PAL 25/50 кадров в секунду. Большинство телефонов пишут видео 30/60/120 кадров в секунду и при совмещении с цифровой камерой в системе PAL (25к/сек), возможно расхождение видео и звука при совместном монтаже видео из разных систем! 5.3 Характеристики видеосигнала Основные характеристики видеосигнала: количество кадров в секунду; развертка; разрешение; соотношение сторон; цветовое разрешение; ширина видеопотока; качество. Количество кадров в секунду (частота) – это число неподвижных изображений, сменяющих друг друга при показе 1 секунды видеоматериала и создающих эффект движения на экране. Чем больше частота кадров, тем более плавным и естественным будет казаться движение. Минимальный показатель, при котором движение будет восприниматься однородным – примерно 10 кадров в секунду (это значение индивидуально для каждого человека). Компьютерные оцифрованные видеоматериалы хорошего качества, как правило, используют частоту 30 кадров в секунду. В современном мире господствуют жидкокристаллические экраны, поэтому они наиболее близко подошли к частоте смены кадров: частота обновления ЖК экрана это частота, с которой на матрицу монитора подаются сигналы об изменении цвета пикселей. Если опять же упрощать: видеофайл с частотой кадров 60fps на экране 50 Гц будет показан с потерями. 96 Или обратный пример: современные видеокарты способны выдавать картинку до 400 Гц. Представьте: вы купили ПК вот с такой картой. А монитор у вас выдает максимум 75Гц. Получается, Ваш монитор передает вам далеко не все, что на него передает видеокарта. Даже если 15 кадров в секунду и достаточно для создания иллюзии движения, то для создания «эффекта погружения» нужно больше кадров. Визуальные исследования показали, что даже если нельзя различить отдельных изображений, частота кадров порядка 60-80 делает видео более реалистичным, усиливая четкость и увеличивая плавность движений. Более высокая частота кадров уменьшает количество визуальных артефактов движения – особенно это заметно при просмотре в кино. Движущиеся объекты могут иметь, например, стробоскопический эффект. Частоты киносъемки и кинопроекции 16 –стандартная частота съемки и проекции немого кинематографа; 18 – стандартная частота съемки и проекции любительского формата «8 Супер»; 23,976 – частота телекинопроекции в американском стандарте разложения 525/60, применяемая для интерполяции без потерь; 24 – общемировой стандарт частоты киносъемки и проекции; 25 – частота киносъемки, применяемая при производстве телефильмов и телерепортажей для перевода в европейский стандарт разложения 625/50; 29,97 – точная кадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC; 30 – частота киносъемки раннего варианта широкоформатной киносистемы «Tодд-AO»; 48 – частота съемки и проекции по системе IMAX HD; 50 – частота полукадров европейского стандарта разложения. Используется в электронных камерах для ТВЧ; 59,94 – точная полукадровая частота цветного телевизионного стандарта NTSC; 97 60 – частота киносъемки в американском стандарте ТВЧ и системе «Шоускан» (англ. Showscan). Таблица 5.1 Стандартные значения частоты кадров Значение частоты, кадров/с Где применяется 12 Web-анимация, японские мультфильмы «анимэ» 24 Обычное кино 25 Телевидение стандартов SECAM и PAL 30 Телевидение стандарта NTSC Таблица 5.2 Соотношение частоты кадров и размера кадров Размер кадра Частота кадров (fps) 240 fps 120 fps 60 fps 30 fps 4К 3840Х2160 – – – + FHD 1920Х1080 – – + + HD 1280Х720 + + + + 480 854Х480 + + + + Развертка – процесс переноса видеоинформации, с носителя, на экран. Развертка видеоматериала может быть прогрессивной (построчной) или чересстрочной (интерлейсинг). При прогрессивной развертке все горизонтальные линии (строки) изображения отображаются одновременно, при чересстрочной – показываются попеременно четные и нечетные строки. Чересстрочная развертка была изобретена для показа изображения на кинескопах и используется сейчас для передачи видео по «узким» каналам, не позволяющим передавать изображение во всем качестве. Цель ее – повышение частоты мельканий кинескопа (монитора) до того уровня, который незаметен человеческому глазу. В кинопроекторах, аналогично, использовали двухлопастный обтюратор, который повышает частоту мельканий кинофильма до 48 Гц с 24. Чересстрочную развертку используют и ныне для передачи видео (например, приколов в видеоформате) «узкими» каналами, которые не позволяют передавать изображения во всем их качестве. 98 Выбор способа производится в зависимости от того, для какой цели будет использован видеопоток, нужно ли четкое изображение движущихся объектов и возможность фиксировать мелкие детали движущегося изображения. Чересстрочная развертка Для этого способа используется метод, разработанный для электронно- лучевой трубки TV мониторов (CRT) которые состоят из 576 видимых горизонтальных строк на стандартном телеэкране. Поочередное сканирование строк делит их на разрозненные и однородные строки, а затем поочередно обновляет их по 30 кадров в секунду. Небольшая задержка между обновлением строк создает некоторое искажение или «зубчатость». Это происходит из-за того, что только половина строк сохраняет связь с движущимся объектом, а половина в этот момент обновляется. Рис. 5.4 Принципы черезстрочной развертки Чересстрочная развертка использовалась аналоговыми камерами, телевидением и VHS видео очень долгое время. До сих пор этот метод является наиболее подходящим для определенного применения. В настоящее время, с появлением LCD и TFT мониторов, DVD и цифровых камер, эта технология меняется. Сейчас альтернативным методом подачи изображения на экран является построчная развертка. Построчная развертка Прогрессивная развертка в противоположность чересстрочной сканирует картинку целиком, строку за строкой каждую шестнадцатую секунды. Другими словами, зафиксированное изображение не разделяется и не расщепляется, как при чересстрочной развертке. Монитору компьютера не 99 нужно чередование, чтоб вывести изображение на экран. Нет эффекта «мерцающего изображения». В применении к удаленному наблюдению это дает возможность разглядеть мелкие детали изображения, например, убегающего человека. Такой метод сканирования дает наилучший эффект при использовании монитора высокого качества. Рис. 5.5 – Принципы прогрессивной развертки Пример: фиксация движущихся объектов Когда камера фиксирует движущийся объект, четкость изображения зависит от используемой технологии. Сравните эти изображения формата JPEG, записанные тремя разными камерами с использованием построчной развертки, 4CIF чересстрочной развертки и 2CIF чересстрочной развертки соответственно. Особое внимание необходимо обратить на то, что: все системы хорошо отображают задний план; при использовании чересстрочной развертки появляется эффект зубчатого края; на втором примере размытость изображения движущегося объекта вызвано недостаточностью разрешения; разглядеть водителя возможно только при прогрессивной развертке. 100 Построчная развертка Чересстрочная развертка 2CIF Рис. 5.6 Сравнение качества видеоизображений при различных типах разверток Характеристики прогрессивной развертки: отсутствие визуальных искажений; нет необходимости применять сглаживание; видеоизображение можно масштабировать до большого разрешения быстрее и качественнее; кадр может быть сохранен как отдельная фотография. Характеристики чересстрочной развертки: уменьшение полосы частот вдвое; упрощение оборудования. Разрешение – это свойство системы показывать мелкие детали. Чем выше разрешение, тем больше деталей мы видим. Разрешение ТВ-изображения зависит от числа активных строк развертки, качества телекамеры, монитора и средств передачи информации. Проще говоря, это количество точек, которое умещается в одном кадре. Вычисляется простым арифметическим действием – умножением высоты на ширину. Для удобства произведение в расчет не принимается, а в обозначении используется именно ширина и высота кадра, например, 1280 х 720 пикселей. Любой видеосигнал характеризуется вертикальным и горизонтальным разрешением, измеряемым в пикселах. Обычное аналоговое телевизионное разрешение составляет 720х576 пикселей. Новый стандарт 101 высокоотчетливого цифрового телевидения HDTV предполагает разрешения 720 р – 1280x720, 1080 р –1920х1080 с прогрессивной разверткой. Телевидение сверхвысокой четкости включает два цифровых формата: 3840х2160 (2,3 мегапикселя), 7680х4320 (33,2 мегапикселя). Разрешающая способность по вертикали (вертикальное разрешение) определяется числом вертикальных элементов, которые можно фиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. Когда много идентичных вертикальных элементов собраны в направлении сканирования, мы получаем очень плотные горизонтальные строки. Поэтому мы говорим, что вертикальное разрешение сообщает нам, сколько горизонтальных линий мы можем различить. Считаются черные и белые строки, подсчет производится по вертикали. Понятно, что итоговый результат ограничен числом сканируемых строк в данной системе – нельзя насчитать больше 625 линий в системе CCIR или больше 525 в системе EIA. Принимая во внимание длительность кадровой (вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается в CCIR до 575, а в 0 до 475. Рис. 5.7 Основы вертикального и горизонтального разрешения Однако, это все же не действительное вертикальное разрешение. Обычно разрешение измеряется при помощи определенного изображения, помещаемого перед камерой, и здесь необходимо учитывать множество факторов. Во-первых, абсолютная позиция предполагаемого горизонтального испытательного изображения с высоким разрешением никогда точно не соответствует чересстрочному изображению. Кроме того, существование нерабочей зоны на экране монитора срезает небольшую часть 102 видеоизображения, ограничена толщина электронного луча и ограничена «сетка» воспроизведения цвета. Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разрешение) определяется несколько иначе. Горизонтальное разрешение определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. И, аналогично тому, что мы сказали относительно вертикального разрешения, горизонтальное разрешение сообщает нам, сколько вертикальных линий можно подсчитать. Кое-чем оно отличается. Поскольку соотношение сторон в телевидении составляет 4:3, то ширина больше высоты. Чтобы сохранить естественные пропорции изображений, мы считаем только вертикальные линии по ширине, эквивалентной высоте, т. е. 3/4 от ширины. Вот почем мы называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями, а не просто линиями. Рис. 5.8 Генератор качающейся частоты (макс. 12 МГц) позволяет проверить полосу частот монитора высокого разрешения (на иллюстрации указано 9 МГц, соответствует примерно 700 ТВ линиям) Горизонтальное разрешение монохромной (ч/б) ТВ системы теоретически ограничено только поперечным сечением электронного луча, электроникой монитора и, естественно, спецификациями камеры. В действительности, существует много других ограничений. Одно из них – это ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи. Даже при том, что в ТВ студии могут быть камеры с высоким разрешением, мы передаем только 5 МГц видеоспектра (как указывалось выше); поэтому производителям совершенно не нужно выпускать ТВ приемники с более 103 широкой полосой частот. В видеонаблюдении, тем не менее, ширина полосы видеосигнала диктуется, главным образом, самой камерой, так как ч/б мониторы имеют очень высокое разрешение (до 1000 ТВ линий), которое ограничено только качественными характеристиками монитора, из которых самые важные – это точность и поперечное сечение электронного луча. У системы цветного ТВ есть еще одно препятствие: физический размер цветовой маски и ее шаг. Цветовая сетка имеет форму очень мелкой решетки. Эта решетка используется для разделения на три основных цвета – красный, зеленый и синий. Число элементов цветного изображения (точки RGB) в решетке определяется размером экрана монитора и качеством ЭЛТ. В видеонаблюдении доступно любое число ТВ линий: от 330 (горизонтальное разрешение) до 600. Самый распространенный стандарт мониторов – 14 (дюймов) с разрешением 400 ТВ линий. Напоминаем, что мы говорим о ТВ линиях, которые в горизонтальном направлении дают нам абсолютное максимальное число 400x4/3 = 533 различимых вертикальных линий. В видеонаблюдении, подобно вещательному ТВ, мы не можем изменять вертикальное разрешение, так как мы ограничены числом, определенным системой развертки. Именно поэтому мы редко рассматриваем проблему вертикального разрешения. Общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВ линий для CCIR и 330 ТВ линий для EIA. Горизонтальное разрешение мы можем менять, и оно зависит от горизонтального разрешения камеры, качества средств передачи информации и монитора. В видеонаблюдении часто используются камеры с 570 ТВ линиями горизонтального разрешения, которое соответствует максимуму приблизительно в 570x4/3 = 760 линий по ширине экрана. Камера такого типа считается камерой с высоким разрешением. В ч/б камере со стандартным разрешением горизонтальное разрешение будет составлять 400 ТВ линий. Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует простое соотношение. Если взять одну строку 104 видеосигнала, активная продолжительность которого равна 57 микросекунд, и распределить его на 80 ТВ линий, мы получим 80x4/3 = 107 линий. Эти линии, представленные в виде электрического сигнала, напоминают синусоидальные колебания. Так, пара черно белых строк фактически соответствует одному периоду синусоидальной волны. Поэтому, 107 линий – это приблизительно 54 синусоиды. Период синусоидального колебания равнялся бы 57 мкс/54 = 1.04 мкс. Если применить известное соотношение для времени и частоты, то есть T = 1/f, то мы получим f = 1 МГц. Следующее важное, но очень простое эмпирическое правило, дает нам соотношение между полосой частот сигнала и его разрешением: приблизительно 80 ТВ линий соответствуют 1 МГц полосе частот. Сегодня различают несколько основных типов, на которые подразделяется разрешение видео: стандартное (SD – standard definition), высокое (HD – high definition) и ультравысокое (UHD – ultra high definition, обозначаемое еще и литерой «k»). Естественно, любое качество имеет свои отличия. Рассмотрим все форматы разрешения видео по отдельности. Кроме того, обратим внимание на то, что в обозначениях применяются буквы «i» и «p». В первом случае это чересстрочная развертка, когда изображение состоит из двух других, накладываемых, как уже понятно, через строку. Второй вариант является более прогрессивным (кстати, и сокращение пошло от английского progressive). Здесь картинка является цельной. Кроме того, в некоторых случаях можно встретить и промежуточные варианты с нестандартным соотношением сторон, а также фактическими размерами кадра. |