Видеосигнал

Объектив камеры фокусирует изображение на светочувствительной по­верхности - это может быть «мишень» электронно-лучевой трубки каме­ры или твердотельный датчик (CCD). Здесь свет создает рельеф из кро­шечных электрических зарядов, которые соответствуют расположению света и тени в кадре. Этот электрический рисунок периодически скани­руется по строкам электронным лучом, который считывает по очереди силу каждого заряда. Поскольку величина заряда зависит от освещенно­сти данной точки, изменение получаемого напряжения - видеосигнал -предоставляет электрическое отображение картинки.

В ТВ приемнике (или мониторе) располагается экран (дисплей). Он может быть частью электрон но-лучевой трубки (кинескопа) или твердо­тельного устройства. Видеосигнал передается по кабелю или через эфир и поступает на систему отображения (дисплей). Здесь экран периодиче­ски построчно сканируется лучом точно в те же моменты времени, что и в телекамере - синхронно.

Видеосигнал - основной сигнал в структуре электронного кино для получения экранного изображения. Это электрический сигнал, получающийся на выходе оптоэлектронного преобразо­вателя и представляющий собой часть полного ТВ-сигнала.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) применяют в видеокамерах, телекинопроекторах и другой видеоаппаратуре. ПЗС представляет собой небольшую твердотельную пластинку, не светочувствительной стороне которой, где фокусируется изображение, регулярно, по строкам расположено множество (пс числу элементов изображения) мельчайших фотодатчикои.. Пластинку называют матрицей или чипом ПЗС (от англ chip - пластинка), а расположенные на ней мельчайшие фото датчики - пикселами (от англ. Picture - элемент изображения). Каждый пиксел, пропорционально его освещенности, генерирует электрические сигналы, которые в заданной последовательности, строка за строкой, выводятся в выходную цепь по­средством управляющих или тактовых импульсов и создают на выходе ПЗС видеосигнал, который соответствует изображению снимаемого объекта [7]. Количество пикселов в матрице колеб­лется от 500 тыс. до 2 млн и бопсе.

Сигнал на выходе ПЗС - аналоговый. Вывод электрических сигналов начинается с левого пиксела первой верхней строки матрицы. Затем выводятся заряды пикселов 3, 5 и т.д. нечетных строк. На кинескопе возникает полукадр с нечетными строками, после чего - с четными строками. Происходит чересстрочная развертка. По используемому стандарту телевизионного веша­ния SLKAM изображение состоит из 625 строк (312,5 четных и 312,5 нечетных) и передается с частотой 25 полных кадров в се­кунду. Частота полукадров составляет 50 в секунду.

В высококачественных цветных видеокамерах обычно при­меняют не один, а три чипа ПЗС, каждый из которых восприни­мает один из трех основных цветов спектра - красный R, зеле­ный G,синий В.

Цветодслительная система ВК с тремя чипами показана на чипами ПЗС и двумя дихроичными зеркалами: 1 - дихроичное зеркало, отражающее синюю составляю­щую FB общего светового потока и пропускающее зеленую и красную составляющие FG +Fr; 2 - дихроичное зеркало, отражающее красную FR составляющую светового потока и пропускающее зеленую FG составляющую светового пото­ка; 3 - обычные зеркала; ER, Ео, Вв - электрические сиг­налы красного, зеленого и синего цветов на выходе ПЗС

Для разделения па основные цвета общего светового пото­ка F (см. рис.3.2), прошедшего через объектив видеокамеры, в ней применяется цветоделительная система с призмами или дихроичнымц зеркалами.

Дихроичное зеркало отражает только определенную часть спектра падающего на него света, а другую часть - пропускает. Его действие основано на интерференции света. В камере из сигналов R, G, В, преобразованных в электрическую форму, получают один черно-белый или яркостный сигнал (обозначает­ся буквой Y) и два раздельных цветоразностных сигнала (R-Y и B-Y), которые несут информацию о цвете изображения. Со­единяя кодированием два последних сигнала, образуют один цветовой сигнал С. Преобразование сигналов в видеокамере за­канчивается смешением яркостного Y и цветового С сигналов и один цветной композитный видеосигнал. К нему добавляю! синхро- и гасящие импульсы и получают так называемый пол ный телевизионный сигнал.

3.2. Аналого-цифровое преобразование видеосигнала

Способность передавать мелкие детали изображения, т.е. разрешающая способность видеосистемы, в структуре элек­тронного кино определяется полосой частот, которую занимаем видеосигнал.

Рассмотрим частоту тока видеосигнала при передаче ТВ -изображения с полной разрешающей способностью при раз л и жении на 625 строк и отношении сторон кадра 4:3.

Как известно, мелкие детали цветного изображения, которое передается видеосистемой, глаз различает плохо [7]. При уменьшении деталей изображения сначала исчезает цвет, а за тем исчезают границы между ними, т.е. разрешающая способ ность определяется черно-белым сигналом. Поэтому, определим полосу частот видеосигнала, рассматривают полосу частот cm нала яркости Y, который содержит черно-белое изображениг Частотные компоненты, ответственные за цвет, находятся Biiyi ри полосы яркости Y.

ПЗС может различить мелкие детали сфокусированного нн него изображении, если эти детали больше размеров пиксела. И противном случае в пределах пиксела происходит усреднение и на экране будет виден серый цвет.

Известно, что полоса частот видеосигнала вещателыкн и диапазона, при чнеле строк разложения 625, равна 6,5 МГц р Ч

Это предельная полоса частот видеосигнала, на которую должна быть рассчитана видеосистема.

Реальное изображение имеет не только детали черные и белые, но и полутона и различные цвета. Целые строки могут состоять из полностью освещенных или затемненных пикселов. Могут быть кадры сплошь черные (ночь) и т.д. В результате ви­деосигнал может содержать все частоты и быть заключен и по­лосе от 0 Гц до 6,5 МГц. Обычно нижней границей полосы час­тот видеосигнала считают частоту полукадров 50 Гц.

Аналоговый видеосигнал на выходе ПЗС соответствует распределению света вдоль каждой строки изображения. Его ре­гистрируют на магнитном носителе, предварительно применяя к видеосигналу частотную модуляцию (ЧМ) или импульс но-кодовую модуляцию (ИКМ).

ИКМ - способ импульсной модуляции, при которой ин­формация передается различной группировкой импульсов оди­наковой формы. ИКМ - это цифровое преобразование видеосиг­нала.

Цифровой сигнал представляет собой последовательность дискретных импульсов, форма которых не зависит от регистри­руемого изображения. Форма изображаемого сигнала определя­ется только временной или пространственной (на носителе) комбинацией импульсов.

Задача аналого-цифрового преобразования состоит в пре­образовании видеосигнала, возникающего на выходе ПЗС, в ко­довые импульсы, которые после дальнейшей обработки записы­ваются на носителе информации.

При аналого-цифровом преобразовании осуществляются три основные операции: дискретизация исходного аналогового сигнала по времени, его квантование по уровню и кодирование. Этот процесс показан на рис.'З.З.

Осуществляется такая процедура с помощью специальной интегральной микросхемы - аналого-цифрового преобразовате­ля (АЦП). Процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность его мгновенных значений (отсче­тов) называется дискретизацией.

Определение численного значения величины каждого от­счета назыиаегся квантованием. Для этого весь диапазон воз­можных изменений амплитуды преобразуемого сигнала делится на множество уровней квантования, количество которых опре­деляется разрядностью используемого при этом двоичного чис­ла

Квантование представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных вели­чин уровней квантования. Другими словами, квантование - это округление величины отсчета.

Чем больше число разрядов квантования, тем меньше рас­стояние между уровнями квантования (шаг квантования) в тем выше получается точность преобразования.

На рис.3.3 для упрощения показаны всего лишь восемь квантованных значений сигнала. Поэтому для передачи значе­ний каждого отсчета достаточен трехбитный код (23).

В результате дискретизации непрерывный аналоговый сиг­нал заменяется на ряд коротких импульсов - отсчетов, амплиту ды которых равны значениям аналогового сигнала в дискретные моменты времени. Отсчеты следуют с частотой дискретизации /= 1/Гр, 1\де TD- период дискретизации.

Выбор частоты дискретизации имеет важное значение. Эта частота определяется теоремой Котельникова, в соответствии I которой она должна быть по меньшей мере в два раза выше максимальной частоты fe аналогового сигнала.

При аналого-цифровом преобразовании для передачи веща­тельного стандарта (625 строк) каждый отсчет (выборка) пред­ставляется 8-разрядным кодом (2). Но в практике цифрового преобразования некоторые фирмы применяют 12-разрядное (и

более) квантование.

Правильный выбор числа необходимых квантованных уровней напряжения видеосигнала является весьма важным, т.к. это определяет контрастность экранного изображения [2\. Од­нако увеличение числа квантованных уровней приводит к росту количества единиц информации (бит и байт), расходуемых на образование цифрового видеосигнала, заметно возрастает циф­ровой поток, который поступает на дальнейшую обработку,

33. Необходимость применения цифровой формы записи

видеосигнала в электронном кино

В настоящее время аналоговые системы позволяют регист­рировать сигналы изображения с высоким качеством в весьма широкой полосе частот. Эти системы отвечают требованиям ие-редачи видеочастот не только действующего ТВ-стандарта (по­лоса 6г5 МГц), но и телевидения высокой четкости - ТВЧ (поло­са 20-30 МГц).

Однако такие аналоговые системы не позволяют исключить погрешности, связанные с движением носителя записи» напри­мер временные4 искажения, из-за которых ухудшается разреше­ние изображения в целом.

В этом плане цифровая видеозапись практически не под­вержена влиянию погрешностей, обусловленных движением элементов тракта записи - головок и носителя (диска или маг­нитной ленты). При аналоговой видеозаписи эти погрешности приводят к нестабильности- изображения, ухудшают его рез­кость. К нарушению резкости контуров и границ приводит не­равномерность вращения диска или блока видеоголовок.

Кроме того, всегда имеет место деформация носителя -дискового или ленточного в процессе записи-воспроизведения. Это «микроскопическая деформация», представляющая собой гибко-упругий элемент. Из-за этой деформации возникают вза­имные смещения записанных участков.

Таким образом, с одной стороны, аналоговая видеозапись позволяет, получить высокое разрешение, а с другой стороны, из-за эксплуатационных причин - не позволяет его реализовать, в связи с нарушением резкости из-за смешения пикселов и строк.

При цифровых способах записи происходит подавление вредных эффектов, связанных с движением носителя и головок. Например, временная нестабильность коротких импульсов - от­счетов, которые получены в результате дискретизации аналого­вого сигнала, не сказывается на передаче сигнала, так как она происходит в пределах допустимого временного окна - шага квантования То, с большим запасом допустимой нестабильно­сти. Кроме того, цифровые записи легче обрабатываются по­средством программирования, их можно последовательно копи­ровать без потери качества. Такие записи лучше сохраняются.

При цифровой форме записи видеосигнала отсутствует эф­фект накопз!ения искажений, присущий всем аналоговым систе­мам. Аналоговая форма записи допускает лишь единичное коли­чество перезаписей, в то время как при цифровом способе визу­альное качество изображения не изменяется и после десятков

перезаписей. Недостатком цифровой записи является заметное расшире ние полосы частот, передаваемой системой, более чем на поря­док, по сравнению с аналоговой записью. Например, чтобы пе­редать видеосигнал с частотой 6,5 МГц в аналоговом магнито­фоне требуется записывать и воспроизводить полосу частот около 12 МГц. В цифровом магнитофоне для передачи такого же сигнала требуется записывать и воспроизводить полосу частот более 120 МГц.

Полоса частот цифровой видеозаписи линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ)

Как было ранее рассмотрено, при аналого-цифровом пре­образовании каждый отсчет мгновенного значения аналогового сигнала (рис.3.3) передается «и»-битными словами. Вели пере­дача происходит без какого-либо сжатия частотного спектрн сигнала - без его компрессии, то такую ИКМ называют линей­ной. Определим требуемую полосу частот при записи ИКМ-

сигнада. Количество отсчетов в секунду задается частотой дискре тизации /о, а каждый отсчет передается «п»- битами, т.е. в ин­тервале времени от одного отсчета до другого надо передан. ««» бит, а всего» секунду fD-n бит. Это значение называется скоростью передачи данных, а также потоком информации или пропускной способностью канала передачи сообщений.

Полоса частот каналов оптической и магнитной записи в герцах численно равна пропускной способности или потоку ин­формации в битах на секунду.

Найдем поток информации, записываемый в режиме линей­ной ИКМ на видеомагнитофонах цифрового профессионального формата магнитной видеозаписи Д1 [2].

В видеомагнитофоне Д1 используется компонентный фор­мат цифровой видеозаписи с цифровой записью звука, а также 1Ч-мм видеокассеты. Сигнал яркости Y и оба цветоразностных сигнала R-Y и B-Y имеют одинаковые полосы частот 3,375 МГц. Частота дискретизации сигнала яркости в 4 раза больше верхней частоты этого сигнала и равна 4x3,375 МГц - 13,5 МГц. Частоты дискретизации каждого цветоразностного сигнала R-Y и B-Y в 2 раза больше верхних частот сигналов и равны 2x3,375 МГц=6,75 МГц. Соотношение частот дискретизации всех трех компонентов видеосигнала равно 4:2:2. Это компо­нентный формат видеозаписи с 8-битовым квантованием.

Записываемый поток видеоинформации при 8-битовом квантовании составляет (13,5 + 2x6,75)МГц х & бит = 216 Мбит/с. Если еще учесть поток аудиоинформации, равный 3,07 Мбн?/с, то получается огромный ноток данных, которым трудно управ­лять. Нужны высокие скорости записи и большие значения ин­формационной емкости носителя.

1. Формат DV PRO. Достоинства. Недостатки. Применение.

Формат DVCPRO отличают широкие возможности сетевого использования. SDTI терминалы позволяют передавать компрессированные данные быстрее, чем в реальном времени. Также возможна передача по оптическим каналам связи и использование ATM. Panasonic разработал DVCPRO терминал, который совместим с интерфейсом IEEE1394 для малогабаритных систем производства. Это позволяет осуществлять гибкий выбор интерфейса для обмена данными. Сегодня на рынке существует полная линейка оборудования DVCPRO для использования на любом этапе процесса вещания и видеопроизводства. Этот профессиональный цифровой формат удовлетворяет потребностям не только сегодняшнего дня, но и дает вещателям базу для использования цифровых технологий, которые придут завтра.

Качество DVCPRO

Алгоритм компрессии, который обеспечивает превосходное качество после монтажа создания копий.

В области видеопроизводства качество картинки имеет ключевое значение, особенно после процесса обработки, монтажа и создания копий. Системы цифровой записи со сжатием компрессируют и декомпрессируют изображения, что, безусловно, влияет на конечное качество видеоматериала. Степень сжатия – один из важнейших факторов, влияющих на качество изображения.

DVCPRO (25 Мбит/с) использует цифровое представление данных 4:1:1 (для PAL и NTSC стандартов) при степени компрессии 5:1. Как показывает практика, использование данного коэффициента сжатия вполне достаточно для получения высокого качества в большинстве задач видеопроизводства, а также при необходимости получения последовательных копий исходного материала. В формате DVCPRO50 в свою очередь осуществляется запись данных в представлении 4:2:2 при более низкой компрессии 3.3:1. Поток 50 Мбит/с обеспечивает более высокое качество сигнала, необходимое для создания насыщенных эффектами сюжетов, требующих сложного монтажа. В формате DVCPROHD поток при записи на кассету составляет 100 Мбит/с, степень компрессии – 6.7:1.

Метод внутрикадрового сжатия, используемый во всей линейке форматов DVCPRO, обеспечивает минимальную степень снижения исходного качества даже при покадровом монтаже. Важно также, что данные можно редактировать в их исходной кодировке, что исключает возможное ухудшение качества при монтаже.

Переход от 4:2:2 к структурам с пониженным цветовым разрешением осуществляется за счет вычеркивания каждого четного отсчета по вертикали или горизонтали соответственно. Четкость яркостной составляющей отвечает студийному качеству, а цветоразностных компонент — вдвое ниже, то есть, грубо говоря, цветовое разрешение в четыре раза ниже яркостного. Такое решение — это компромисс, который позволяет снизить поток до 25 Мбит/с, сохранив при этом визуально приемлемое качество. Кроме урезанной выборки для снижения DV-потока применяется также внутрикадровое сжатие отдельных картинок по алгоритму DCT (дискретно-косинусное преобразование). Обратной стороной медали является чувствительность этого формата к специфическим условиям съемки. Дело в том, что алгоритм DCT в применении к видеокомпрессии хорошо работает на ярких контрастных крупных планах с медленным плавным движением. Если видеоряд подобран правильно, то проблем не бывает, и даже специалист ничего не заметит. Однако как только мы снимаем общий план со слабыми контрастностью и освещением, например в сумерки, — получаем характерные «цифровые» артефакты в кадре. За примерами далеко ходить не надо — первые же попытки применения аппаратуры формата DVCPRO (формата, по многим характеристикам сходного с DV) для съемок спортивных состязаний наглядно подтвердили недостатки: смазанная панорама трибун, дробление и резкая потеря качества отображения быстро движущихся объектов, заметное падение качества и четкости цветопередачи на сюжетах с большой детализацией.

Кадру на ленте соответствует 12 наклонных строк-дорожек (10 для NTSC) шириной всего 10 мкм, на каждой из которых кроме собственно аудио и видео данных, тайм-кода кадра (time-code - час, минута, секунда и порядковый номер кадра) и служебной данных (ITI - Insert and Track Information) предусмотрена возможность записи расширенной

Качество цифрового звука

Все DVCPRO видеомагнитофоны позволяют работать с двумя некомпрессированными каналами цифрового звука с глубиной16 бит и частотой дискретизации 48 КГц. Это обеспечивает качество звука, эквивалентное стандарту Audio CD и превосходящее по отношению сигнал/шум и динамическому диапазону обычную аналоговую запись. Сочетание цифровой некомпрессированной аудио записи и мощных алгоритмов коррекции ошибок обеспечивает минимальное снижение качества при монтаже и последовательных перезаписях материала. Кроме того, в стандарт DVCPRO предусмотрена аналоговая режиссерская звуковая дорожка для быстрого индексного поиска при линейном монтаже.
информации о видеосюжете, в том числе даты его создания/редактирования, параметров съемки/камеры и прочее.

В компонентный (YUV) формат представления сигнала, обеспечивающий разрешение по горизонтали в 500 линий (против 400 для S-VHS, но 650 у Betacam SP), отношение сигнал/шум 54 дБ (против 51 для Betacam SP), а также ширину частотного диапазона цветопередачи в 1,5 Мгц (как у Betacam SP, против 0,5 Мгц для S-VHS). В совокупности это соответствует понятию профессионального качества записи видеосигнала.

В-третьих, это цифровой формат записи, что само по себе гарантирует идентичность каждой копии оригиналу и возможность цифрового редактирования видео (вплоть до отдельных кадров) без потери качества. Оцифровка осуществляется с разрешением 720х576 согласно схеме 4:2:0 (720х480 4:1:1 для NTSC). Это означает, что каждый кадр содержит 720х576 значений яркости Y и по 360х288 значений U и V.

Рис. 3 Каждая ячейка имеет собственное значение яркости Y. Однако значения цветности UV определяются только для ячеек, обозначенных символами +, и принимаются фиксированными для каждой группы, аналогичной выделенной серым цветом. В результате при схеме 4:2:2 получается по 360х576 различных значений U и V, при схеме 4:1:1 - 180х576, при схеме 4:2:0 - 360х288.

Cтандарт записи DV принципиально ничуть не уступает DVCam и DVCPro, хотя все они и не дотягивают до уровня студийного качества, обеспечиваемого цифровыми форматами записи Digital Betacam, Digital-S и DVCPro50.

Однако для профессионалов уникально высокая плотность записи DV стандарта оказывается не слишком привлекательной, так как возрастает вероятность потерь при частичном выпадении на ленте. В результате у DVCam ширина дорожек была увеличена до 15 мкм, а у DVCPro - так даже почти в 2 раза - до 18 мкм.

DVCPRO фирмы Panasonic изначально был предназначен для станций телевещания и распространяется именно на этом рынке. Ранние модели DVCPRO хорошо работали на большинстве телестанций, используя в основном ввод/вывод YUV и SDI со стандартным управлением RS-422. На телевидении не применяют или не любят применять нововведения типа интерфейса 1394, и Panasonic до последнего времени практически игнорировала эту технологию. В DVCPRO шаг и ширина дорожек 18 микрон, что, по заявлению фирмы, увеличивает срок службы ленты при многократной перемотке во время монтажа с ленты на ленту. Повышает долговечность лент DVCPRO и их структура с металлическими частицами (MP). DVCPRO содержит монтажную дорожку линейного звука, которая обеспечивает гладкое воспроизведение звука при поиске нужной точки на ленте. Устройства DVCPRO позволяют воспроизводить ленты miniDV, DVCPRO и DVCAM, однако интерфейс IEEE 1394 добавлен только в последних моделях. Повторим еще раз, что miniDV, DVCPRO и DVCAM дают абсолютно одинаковое качество изображения.