Узоры по люминофору (Развертка)

16 марта 2005 г.

Что такое развертка

Со времени появления первых электронных телевизоров в 40-х годах прошлого века и до современной суперсовременной техники сам принцип формирования изображения почти не изменился — совершенствовалась лишь его аппаратная реализация.

В передающей телевизионной камере изображение, собранное мощным и высококачественным оптическим объективом, попада­ет на воспринимающее устройст­во. Раньше для этого использовался фотоэффект, т.е. свет, про­ектируемый на слой люминофо­ра, выбивал из него электроны, которые и формировали копию оптического изображения.

В современных камерах вме­сто сложных и капризных пере­дающих трубок применяются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС), но принцип разложения изображе­ния на элементы остался неиз­менным.

Огромное значение имеет за­кон перемещения электронного луча вдоль мишени — сканирование. Для того чтобы на прием­ной части линии, то есть в теле­визоре, получилось неискажен­ное изображение, закон форми­рования развертки в нем должен быть в точности таким же, как и в передатчике.

Основные стандарты в облас­ти монохромного («черно-бело­го») телевизионного сигнала бы­ли приняты Федеральной комис­сией связи США еще в 1941 году и действуют до сих пор.

При выборе основных харак­теристик телевизионной картин­ки исходили из особенностей человеческого зрения. Известно, что глаз не способен различать детали, расположенные друг от друга на расстоянии менее одной угловой минуты. Создание элек­тронно-лучевых трубок с диагональю экрана более 60 см и сей­час является сложной техничес­кой проблемой, поскольку на краях таких кинескопов очень трудно бороться с геометричес­кими искажениями и добиться точного сведения цветов.

По этой причине было приня­то, что каждый кадр в американском стандарте NTSC будет состоять из 525 строк разложения. Позднее, при разработке PAL и ВЕСАМ, остановились на другом числе — 625, что дало бо­лее четкую картинку. Правда, впоследствии это решение создало серьезные проблемы при транскодировании сигнала из одного стандарта в другой. При переводе PAL или ВЕСАМ в NTSC лишние строки по определенным прави­лам выбрасывают, что, конечно, качество изображения не улучшает. При об­ратном преобразовании дело обстоит еще хуже, поскольку недостающие 100 строк растра взять неоткуда, и приходится просто удваивать некоторые стро­ки исходной программы. Именно поэтому преобразование ТВ-сигнала в NTSC или из NTSC всегда сопровождается заметными потерями качества. А вот конвертирование PAL в SECAM и наоборот таких проблем не создает, поскольку различия между этими стандартами не столь существенны.

Первоначально для телевидения выбрали формат изображения 4:3. Не­трудно подсчитать, сколько элементов разложения будет содержать одна строка (при условии равной четкости по горизонтали и вертикали). Для это­го нужно умножить 625 (количество строк в растре) на 4/3, в результате по­лучится чуть более 800 элементов.

При построчной развертке весь растр должен отрисовываться на экране телевизора за малый промежуток времени, такой, чтобы глаз воспринял от­дельные строки как цельную картину. В стандарте NTSC частота смены кад­ров 60 Гц, такая же, как частота переменного тока в электрической сети. В стандартах PAL и SECAM частота смены кадров по этой же причине 50 Гц. Кстати, ошибочно думать, что частотой сети можно синхронизировать кадровую развертку телевизоров, для этого у нее слишком низкая стабиль­ность, да и фазы напряжений в разных подстанциях относительно друг дру­га совершенно произвольны.

Таким образом, если за 1/50 секунды на экране должен прорисовываться весь растр, то можно определить, чему должна быть равна длительность од­ной строки: 
1/50 : 625 = 0,000032 с = 32 мкс, 
тогда длительность одного элемента строки при построчной развертке будет составлять:
32/800 = 0,04 мкс.

Именно за это время электронный луч должен создать элемент изобра­жения на экране трубки. Но на практике получить импульсы такой малой длительности очень трудно. Главным образом потому, что электронные це­пи из-за реактивной составляющей сопротивлений будут искажать фронты, в результате чего изображение станет нечетким. Более того, передача такого сигнала требует в эфире канал шириной 12,5 МГц, и тогда в метровом диапазоне поместилось бы каналов шесть, не больше. Вдобавок передача и при­ем широкополосного сигнала существенно усложняет и удорожает соответс­твующее оборудование.

Самым простым способом сужения спектра ТВ-сигнала было бы сниже­ние скорости строчной развертки, но тогда на экране появятся весьма замет­ные и неприятные мелькания. Чтобы этого избежать, и был разработан принцип чересстрочной развертки. В соответствии с ним весь растр разбива­ется таким образом, чтобы вся картинка отрисовывалась в два приема.

В первом полукадре (поле) воспроизводятся только нечетные строки, с 1 по 625, а во втором — только четные, со 2 по 624. При этом строки будут располагаться на тех же местах, что и при построчной развертке. Поля чередуются с частотой 50 Гц, а кадры — 25 Гц. Длительность одной строки при чересстрочной развертке 64 мкс, а одного элемента разложения строки — 0,08 мкс, что уже вполне допустимо технически. Ширина спектра телевизи­онного сигнала получается 6,25 МГц, и емкость телевизионного диапазона увеличивается вдвое.

Заметим, кстати, что полученная частота кадровой развертки — 25 Гц — чуть превышает частоту смены кадров в кинопроекторах — 24 кадра в се­кунду.

Как же в телевизионном приемнике формируется чересстрочная разверт­ка? 
Растр создается за счет пилообразных токов, протекающих в катушках отклоняющей системы. Для формирования строк используется генератор строчной развертки и строчные катушки, а для кадров/полей — генератор кадровой развертки и кадровые катушки. Как выглядят пилообразные от­клоняющие строчные токи 1с и кадровые токи 1к, показано на рисунке 1.

При этом электронный растр будет формироваться на экране кинескопа так, как показано на рисунке 2. Обратите внимание, что, дойдя до края строки, луч должен переместиться справа налево, к началу следующей стро­ки, а добравшись до конца поля — снизу вверх, к началу следующего полу­кадра. Если не предпринимать специальных мер, то паразитные линии об­ратного хода будут видны на экране кинескопа.

Рассмотрим принцип синхронизации телевизионного сигнала.

Если бы генераторы кадровой и строчной развертки телевизоров и пере­дающих центров работали несинхронно, то на экране телевизоров вместо упорядоченного изображения была бы видна цветная каша. Для синхрони­зации изображения в телевизионный сигнал замешивают импульсы кадро­вой и строчной синхронизации, гасящие и некоторые другие импульсы, ко­торые формируют в телецентрах с помощью высокостабильных генераторов. Выглядит эта синхросмесь так, как показано на рисунке 3.

Когда заканчивается сигнал изображения одной строки и луч развертки доходит до правого крана экрана, подается гасящий импульс такой ампли­туды, чтобы гарантированно запереть кинескоп и сделать линии обратного хода незаметными. На гасящем импульсе размещается импульс строчной синхронизации, по приходе которого генератор строчной развертки перево­дит луч кинескопа в начало следующей строки. После окончания гасящего импульса начинается следующая строка. Защитные полосы слева и справа нужны для того, чтобы луч не рисовал на краях ЭЛТ, где изображение было бы искаженным.

На самом деле структура синхросмеси ТВ-сигнала несколько сложнее, так как в нее добавляются еще импульсы цветовой синхронизации.

На сегодняшний день системы аналогового вещания считаются безна­дежно устаревшими, и на смену им идет телевидение высокой четкости, HDTV. А устарели они вот почему.

Наверное, вы замечали, что при телевизионной трансляции широко­экранного фильма на экране возникают горизонтальные черные полосы. На Западе такое изображение называют Letterbox — «Почтовый ящик». Оно возникает потому, что форматы кинокадра и телевизионной картинки не совпадают. Если в первом случае на активную часть кадра приходится 576 строк, не считая интервалов обратного хода луча, то во втором их число сокращается до 432, а это ведет к снижению вертикальной четкости изображе­ния. Выход заключается в изменении формата телевизионного экрана с 4:3 на 16:9. В западных странах действует т.н. система PAL-плюс, которая поз­воляет просматривать передачи формата 16:9 на экране телевизора формата 4:3 с повышенной четкостью, но для этого с телецентра должен транслиро­ваться специальный сигнал вертикальной поддержки Helper, а в телевизоре — быть соответствующий декодер.

Широкое распространение персональных компьютеров привело, в частности, к тому, что многих перестало удовлетворять качество телевизионного изобра­жения. Действительно, ведь компьютерный CRT-монитор — это по сути тот же телевизор, только высококачественный. Различие, прежде всего, состоит в том, что у мониторов размер элемента разложения изображе­ния (пикселя) примерно в 4 раза меньше, чем у телевизора, и, следовательно, четкость картин­ки куда выше. Кроме того, все современные мониторы имеют построчную (прогрессивную) развертку, то есть за один кадр прорисовывается все изображе­ние, а не одно поле.

Ограничения на ширину по­лосы телевизионного канала в HDTV снимаются за счет того, что ТВ-сигнал передается в зако­дированном виде.

К сожалению, из-за разно­гласий между фирмами-разра­ботчиками и чиновниками раз­личных стран единого стандарта HDTV не существует. Известно около 20 разных вариантов циф­рового телевидения, причем пять из них определяются как HDTV: 1125-ти, 1080-ти и 1035-строчные с чересстрочной раз­верткой (i), а также 720-ти и 1080-строчные с прогрессивной разверткой (р). Любой из выпус­каемых в настоящее время быто­вых телевизоров HDTV обяза­тельно будет отображать один из сигналов 720р или 10801 в фор­мате 16:9. Естественно, что он может показывать программы в «старых» форматах, для чего ав­томатически выполнит преобра­зование, называемое апконверсией. Смысл его состоит в том, что 50 или 60 полей (в зависимо­сти от стандарта) преобразуются в картинку с чересстрочной разверткой. В некоторых циф­ровых телевизорах ап-конверсия выполняется по-другому: аналоговое изображение преобразуется в 1080 чередующих­ся строк, при этом недостающие строки получаются мето­дом удваивания существующих. Конечно, о полноценном ТВЧ в этих случаях говорить нельзя, поскольку новые теле­визоры работают со «старым» сигналом, а чудес, как изве­стно, не бывает.

Пожалуй, оценить качество HDTV российский зритель может пока только с помощью домашнего кинотеатра при просмотре DVD-диска. Однако будьте внимательны! Многие современные DVD-плееры поддерживают режим прогрес­сивной развертки, но со старым телевизором оценить ее преимущества не удастся. Более того, подача «прогрессив­ного» сигнала может привести к перегрузке узла строчной развертки телевизора и, скорее всего, к выходу ее из строя, а то и к возгоранию аппарата.

Но это не единственная проблема согласования. Если к современному цифровому телевизору подключить DVD-про­игрыватель по компонентным входам или S-Video, качество картинки может сильно разочаровать. Дело в том, что теле­визору в этом случае приходится выполнять ап-конверсию, а столь сложное преобразование всегда сопровождается заметными артефак­тами. К счастью, теперь цифровыми выходами (DVI, iLink, HDMI) оснащаются и не слишком дорогие модели DVD-проигрывателей, так что увидеть «прогресс» во всей его красе вполне реально.А вот насладиться ТВ-картинкой высочайшего качества мы сможем, ког­да в нашей стране начнется полномасштабное HDTV-вещание в системе DVB-S2. 

© 2005