Принципы организации телевидения

          Сегодня традиционное аналоговое телевидение практически исчерпало свои возможности. К 2015 году телевидение в России полностью перейдет на цифровой формат вещания, что позволит увеличить количество каналов в несколько раз. Специалисты отмечают, что Россия хорошо подготовлена к «цифровой революции». Уже сейчас многие российские компании выпускают цифровые передатчики, а также теле- и радиоприемники. Во многих регионах страны ведется строительство телевышек, поддерживающих цифровой формат.

10 интересных фактов  из истории отечественного телевидения

1. Изобретатель телевизора — наш соотечественник, русский эмигрант, Владимир Козьмич Зворыкин.

Родился в Муроме 30 июля 1889 г. в купеческой семье. Окончил реальное училище, и Технологический институт в Петербурге, с отличием. Познакомился с профессором Б. Л. Розингом, занимавшимся проблемой передачи изображений на расстояние. После революции, опасаясь ареста, уехал из Петрограда, в конце концов, добрался до Омска, где был командирован в США Сибирским правительством. Получил работу в лаборатории компании «Вестингауз» в Питсбурге, где с 1923 занимался конструированием передающих и приемных электронных трубок.

В конце 1920-х годов познакомился с еще одним выходцем из России — Давидом Сарновым, президентом RCA (Radio Corporation of America), и поступил на работу в эту компанию. В 1931 создал конструкцию серийной трубки с мозаичным фотокатодом, решил проблему передачи цвета, заложив основы цветного телевидения. Уже в следующем году в Нью-Йорке на «Эмпайр стейт билдинг» была установлена телестанция, а заводы RCA начали производство первых телевизоров. В 1933 году Зворыкин сделал доклад на сессии Американского общества радиоинженеров, озаглавленный «Иконоскоп — современный вариант электрического глаза», после чего получил приглашения от крупнейших университетов разных стран мира, в том числе из СССР, с которым RCA удалось заключить крупный контракт.

Когда журналисты окрестили  Зворыкина «отцом телевидения», он воскликнул: «Я изобрел кинескоп и ни на что другое не претендую!». Изобретение телевидения, по словам Зворыкина, — «это бесконечная лестница, созданная десятками рук».

Зворыкин был удостоен множества наград, его приглашали крупнейшие университеты мира, он был избран президентом Международной федерации медицинской электроники. Имя Зворыкина в 1978 г. внесено под № 1 в Книгу Русско-американской славы.

Умер Зворыкин в Принстоне (шт. Нью-Джерси) 29 июля 1982 года. В свои 90 лет его любимой фразой были слова: «Я всё ещё учусь…»

2. Первые опытные передачи в Москве начались в 1931 году. Промышленность телеприемников ещё не выпускала, но москвичи передачи смотрели! Журнал «Говорит Москва» сообщал с гордостью, что в столице в это время работало уже более тридцати самодельных телевизоров.
3. Первая передача малострочного телевидения — уже не экспериментального, а практического — состоялась, по воспоминаниям очевидцев, 15 ноября 1934 года. Так началось регулярное звуковое телевещание в России. Завод им. Козицкого освоил производство телевизоров ТК-1 для Московского телецентра, а завод «Радист» — выпуск телеприемников 17ТН-1 — для Ленинграда. Всего до начала Великой Отечественной войны было выпущено около 4 тысяч электронных телевизоров.
4. После войны первым в Европе 7 мая 1945 года возобновил передачи Московский телецентр. Аппаратура первого поколения была рассчитана на однопрограммное черно-белое вещание непосредственно из студии или передвижной ТВ-станции. Некоторые типы отечественных телевизоров, передающая камера и ряд электронных приборов были удостоены Гран-при на Всемирной выставке в 1958 году в Брюсселе.
5. Название самого популярного телевизора 50-х годов — «КВН» произошло от первых букв фамилий разработчиков-инженеров: Кенигсона  В. К., Варшавского  Н. М. и Николаевского И.А., а «49» это год начала выпуска. Впоследствии уже в честь телевизора стала называться знаменитая телепередача «КВН», с дополнительной расшифровкой: «Клуб веселых и находчивых».
6. Большое значение имел переход в 1957 году на новые модели телевизионных приемников — был введен новый ГОСТ. Самым массовым становился телевизор с невиданным прежде размером экрана 35 см по диагонали («Рекорд», «Старт» и др.). Более обеспеченные семьи теперь могли себе позволить «Рубин» или «Темп» (43 см), в небольших количествах стал производиться и «Янтарь» (53 см). Это дало возможность создателям передач расширить диапазон изобразительно-выразительных средств: прежде «открыточный» формат массового телевизора «КВН-49» (18 см по диагонали) сдерживал творцов — авторов и режиссеров передач, не позволяя использовать общие планы и эффектные панорамы. В 1957 году количество телевизоров в СССР превысило один миллион.
7. До 70-х годов все передачи выходили в прямом эфире, поскольку не было качественных технологий видеозаписи и это накладывало большую ответственность на дикторов и ведущих — каждая их ошибка была видна всей стране.
8. Юрий Александрович Сенкевич занесен в книгу рекордов Гиннеса, как ведущий самой долго живущей телепередачи «Клуб кинопутешествий».
9. Телевидение на Дону началось в 1956 году со строительства Ростовского телецентра, завершившегося 29 апреля 1958 года. Над городом поднялась телебашня высотой 200 метров. 30 апреля 1958 года начались пробные телепередачи Ростовского телевидения, а в феврале 1958 года был организован Комитет по радиовещанию и телевидению при исполкоме Ростовского областного совета депутатов трудящихся.
10. Программа развития телевидения СССР, принятая в 1984 году, предусматривала к 2000 году вещание 4 всесоюзных телепрограмм, в том числе один круглосуточный телеканал…
11. В 2005 году компания ЦТС-ТВ начала предоставлять услуги кабельного телевидения в городе Ростове-на-Дону. Абонентам ЦТС-ТВ доступны 47 круглосуточных каналов самой разнообразной тематики — от новостных и научно-популярных — до спортивных, музыкальных и развлекательных.

 

 

Основные принципы телевидения

 

          Основной вопрос, возникающий при организации передачи телевизионного сигнала, очевидно, состоит в том, как преобразовать трехмерный сигнал в одномерный. Для решения этого вопроса используются два фундаментальных принципа: пространственная дискретизация изображения и его развертка.

          Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных элементов. Теоретически это число может быть бесконечно большим, однако ограниченная разрешающая способность зрения позволяет на практике пользоваться определенным числом элементов с конечными размерами.

Одновременная передача сигналов всех элементов неприемлема, так как  это потребует такого количества линий связи между передатчиком и приемником, сколько элементов  изображения, что исключает возможность  практического осуществления. Процесс  последовательной, поочередной передачи элементов изображения называется разверткой (сканированием) изображения. Развертку можно осуществлять, перемещая  развертывающий элемент по поверхности  изображения по определенному закону. По ряду очевидных причин в вещательном  телевидении используется линейно-строчная развертка.

          След электронного пятна, оставляемый им при быстром передвижении по экрану, называется строкой. Вследствие инерции зрительного аппарата зритель одновременно видит всю совокупность следов движения электронного пятна на экране. Совокупность видимых строк на экране называется растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим устройством всех элементов изображения называется кадром. При этом электрические импульсы, несущие информацию об изображении называются исходным яркостным сигналом. Этот сигнал с введенным сигналом гашения, служащим для “запирания” передающих и принимающих устройств от обратного хода лучей, называют сигналом яркости.

Рис. 1. Виды детерминированных разверток: слева направо: линейная, зигзагообразная, радиально-круговая.

 

          Посредством анализа зрительной системы человека произведен подбор оптимальных параметров передачи и приема телевизионного сигнала.

Формат кадра k=b/h=4/3, где b,h- ширина и  высота кадра соответственно. Из геометрических соображений оптимальное расстояние рассматривания можно определить как l_опт ~5h.

          В результате несложных расчетов требуемое число строк разложения определяется как z>1400. Однако в настоящее время лишь характеристики систем телевидения высокой четкости приближаются к указанному числу. Так, в нашей стране для вещательной системы было выбрано число строк разложения z=625 (ГОСТ 7845-92), а в США 525-строчный стандарт.

          В телевидении широко используется инерционность человеческого зрения, заключающаяся в том, что мелькающий источник света кажется глазу непрерывно светящимся. Поэтому дискретное во времени воспроизведение изображений отдельных мгновенных положений (фаз) движущихся предметов воспринимается как слитное движение, если число кадров в единицу времени больше или равно некоторому критическому числу. Из многолетнего опыта в кино установлено, что для плавного движения объектов в большинстве случаев достаточно передавать 16..24 отдельных движений в секунду, и поэтому в ТВ вещании принято число кадров, передаваемых в одну секунду, равным 25.

          Теперь подробнее остановим свое внимание на развертке. Развертка, при которой все строки растра развертываются за один период вертикальной развертки в непрерывной последовательности (1-я, 2-я, 3-я и т.д.) называется построчной (прогрессивной).

          Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрителями без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего поля экрана 48..50 раз в секунду. Однако для воспроизведения изображений движущихся объектов, как уже отмечалось, вполне достаточно передавать 13..16 фаз движения, то есть статических изображений в секунду – кадров. Так как полоса частот, занимаемая спектром видеосигнала, прямо пропорциональна числу передаваемых в секунду кадров, избыточное их число необходимо ограничивать. Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устраняется путем применения чересстрочной развертки, сущность которой заключается в том, что полный кадр изображения передается и воспроизводится в два поля. В первом поле развертываются нечетные строки растра, а во втором – четные. Поэтому номинальная частота полей в ТВ вещании в России и Европе – 50 Гц (в США – 60 Гц), а номинальная частота кадров – 25 Гц. В результате спектр сигнала для отечественного стандарта занимает полосу частот от 50 Гц до 6 МГЦ.

          В принципе возможно дальнейшее сокращение полосы частот путем применения чересстрочного разложения с кратностью 3:1 и 4:1. Однако при этом становятся более заметными недостатки, присущие чересстрочной развертке: уменьшение четкости изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с большой скоростью, появление эффекта скольжения строк и прочее.

          Одной из особенностей цветного телевидения является то, что для передачи по каналу кодирующее устройство формирует сигнал яркости и два цветоразностных сигнала.

 

Пути улучшения  качества ТВ изображения

 

          Используемые в настоящее время системы вещательного телевидения 625- и 525-строчных стандартов не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым зрителем к качеству ТВ изображения. При близком рассматривании на ТВ изображении становится заметна строчная структура, наблюдаются искажения цвета и другие дефекты, вызывающие снижение четкости по вертикали и горизонтали. В результате четкость ТВ изображения значительно уступает четкости фотографии и современных кинофильмов. Ограниченные размеры экрана с форматом кадра 4:3 не обеспечивают зрителю “эффекта присутствия”.

          Перечисленные недостатки существующих систем вещательного ТВ обусловили поиск новых путей повышения качества изображения, который ведется по целому ряду направлений специалистами всего мира.

В начале 80-х годов был  сделан важный принципиальный шаг в  области ТВ вещания – принят стандарт на цифровое кодирование для студийной  ТВ аппаратуры. Появление отдельного стандарта на студийную аппаратуру говорит о том, что формируется  радикально новый подход к разработке ТВ систем, который окажет существенное влияние на будущее развитие телевидения. Инженеры, работающие над созданием  более совершенных систем телевидения  исследуют и предлагают возможность  принятия отдельных, но взаимосвязанных  по единым цифровым параметрам многострочных  стандартов на студийную аппаратуру, системы передачи и устройства воспроизведения. Эта тенденция нашла свое отражение  в двух рекомендуемых проектах на многострочный стандарт, выдвинутых приверженцами 525- и 625-строчных ТВ систем двух континентов.

          Практически все разработки, посвященные повышению качества ТВ изображения ведутся в трех основных направлениях:

	использование резервов современных ТВ систем посредством применения дополнительной аналоговой и цифровой обработки ТВ сигналов на передающей и приёмной сторонах без изменения стандартов разложения и передачи на передающей стороне. Это так называемые “улучшенные” версии действующих систем, позволяющие получить изображение повышенного качества (ТПК).
	изменение систем передачи ТВ сигналов по радиоканалу, позволяющее улучшить качественные показатели принимаемого ТВ изображения. При этом обеспечивается возможность приема обычным приёмником изображения стандартного качества и специальным приемником изображения с повышенной четкостью.
	применение многострочных ТВ систем со значительно большим, чем у существующих стандартов, числом строк разложения и форматом кадра. Эти многострочные системы получили название систем телевидения высокой четкости или высокого разрешения (ТВЧ или ТВР – High Definition Television).

 

Параметры системы HDTV

 

          Система HDTV – это система, предназначенная для наблюдения с расстояния около трёх высот изображения, причем данная ТВ система фактически обеспечивает ясность деталей, которые различимы в исходном сюжете для наблюдателя со средней остротой зрения. Обычно при этом имеются в виду улучшение четкости по горизонтали и вертикали в отношении примерно 2:1, улучшенное воспроизведение цветов, прежде всего благодаря расширению полос частот сигнала яркости и цветоразностных сигналов, формат кадра порядка 5:3, многоканальное звуковое сопровождение с высоким качеством воспроизведения. Желательное количество строк разложения лежит в пределах 1000..2000.

          Частотные характеристики зрительной системы человека, наблюдающего ТВ изображение, имеют характер ФНЧ как по пространству, так и по времени, то есть глаз не различает мелких деталей и не ощущает мерцаний высокой частоты. Поэтому требуемые параметры ТВ системы, включая число строк разложения z, частоту кадров f_к, полосу частот видеосигнала, определяемые при установленных условиях наблюдения изображения, можно найти исходя из характеристик зрительного аппарата. В таблице 1 приведены некоторые технические параметры ТВ систем, определенные исходя из характеристик визуального аппарата человека, при различных расстояниях наблюдения, которое выражено в виде величины, кратной высоте воспринимаемого изображения h. Параметры системы с повышенным числом строк разложения определены для формата 5:3 и чересстрочной развертки 60/30 Гц.

 

Параметр	4h	3,3h	3h	2,5h	2h	7,2h
Число строк z	940	1125	1240	1480	1840	525
Полоса частот fв, МГц	11	16	19	27,5	42	2,8
Угол зрения в горизонтальном направлении, град	23,5	28,3	31,0	36,9	45,2	10,7

Таблица 1

Из таблицы видно, что  оптимальное расстояние наблюдения для действующего стандарта 525 строк (NTSC) составляет около 7h. Понятно, что  при наблюдении с расстояния меньше 7h изображение воспринимается как  малодетальное и нечеткое.

 

Расстояние наблюдения

 

          Проведенные исследования показали, что при сокращении расстояния наблюдения и соответственно расширении поля зрения в горизонтальном направлении происходит психологическое слияние пространства наблюдателя с пространством системы показа изображения, появляется чувство глубины и обеспечивается “эффект присутствия”, который начинает проявляться при углах зрения порядка 20..30° . Однако существуют определенные ограничения по физиологии зрительного аппарата, связанные с восприятием движущихся объектов в ТВ сюжетах, особенно при панорамировании. Визуальный аппарат человека не способен воспринять слишком быстрое перемещение объекта с близкого расстояния наблюдения. Испытания, проводимые с кинофильмами и ТВ изображениями в целях определения относительного расстояния для просмотра движущихся изображений показали, что расстояние для длительного просмотра изображений с быстрыми перемещениями объектов должно составлять приблизительно 4h для того, чтобы зритель не испытывал усталости, но так как изображения с быстрыми перемещениями занимают незначительный процент в общем объеме телепередач, для систем HDTV принимается расстояние наблюдения около 3h. Изображения более статичного характера могут наблюдаться с более близкого расстояния.