Каналы с secam на pal. Взаимосовместимость систем и транскодирование. PAL и NTSC на телевизорах высокой четкости
В девяностые годы прошлого века, в тогда еще Советский Союз, хлынул широкий поток импортной видеотехники. Видеомагнитофон "Электроника ВМ-12" перестал быть единственной возможностью приобщиться к увлекательному миру видео. И тут многие обнаружили, что SECAM не только не единственная система цветности в мире, но и не самая распространенная. На видеокассетах с "импортным" видеоконтентом - художественными фильмами и шоу-программами иностранного производства - сигнал был чаще всего системы PAL, а иногда даже и NTSC. И если первые еще можно было увидеть, хотя бы в черно-белом варианте, со вторыми дело обстояло хуже.
Решали эту проблему - каждый в меру своих сил. Не стесненные в средствах и "связях" - просто закупали импортную мультисистемную технику, поддерживающую все системы цветности сразу. Остальные бросились комплектовать декодерами отечественные телевизоры. К счастью, сегодня эта проблема практически решена - подавляющее большинство видеотехники поддерживает все три системы. Ведь во всех них, сигналы, несущие информацию о цвете, передаются на вспомогательных поднесущих в спектре сигнала яркости. Главное различие систем - в способах модуляции поднесущей (частотная или квадратурная) и особенностях кодирования сигналов цветности. Так в чем же было дело и почему три системы сосуществуют до сих пор? Рассмотрим, чем они различаются.
NTSC
Американская система. National Television System Committee - Национальный комитет телевизионных систем. Два цветоразностных сигнала передаются одновременно в одной телевизионной строке развертки. Этого результата достигают применяя квадратурную модуляцию, при которой результирующий сигнал цветовой поднесущей изменяется по амплитуде и фазе. Амплитуда несет информацию о насыщенности цвета, а фаза - о цветовом тоне.
Преимущество этой системы в том, что каждая телевизионная строка содержит информацию о двух цветоразностных сигналах. А главный недостаток - система очень чувствительна к фазовым искажениям, приводящим к тому, что цветовой тон начинает передаваться с искажениями. Это может выглядеть как малиновый цвет лиц людей, зеленое небо или синяя листва. Кроме того, амплитудно-частотные искажения вызывают изменение насыщенности цвета.
SECAM
Советско-французская система. Sequentiel couleur a memoire - последовательная передача цветов с запоминанием. В этой системе используется частотная модуляция поднесущих. Так как модулировать по частоте одну поднесущую двумя сигналами одновременно невозможно, сигналы передаются поочередно - через строку. Чтобы получить два цветоразностных сигнала одновременно используется линия задержки на одну строку. Если в какой либо момент времени поступает один цветоразностный сигнал, то второй берется с выхода линии задержки.
Основной недостаток этой системы в том, что цветовая четкость по вертикали снижается вдвое - так как цветоразностные сигналы передаются через строку. Но тут на помощь приходит особенность человеческого зрения - информацию о яркости человек различает лучше, чем о цветности (различные диаметры палочек и колбочек в сетчатке глаза). Иными словами, полное число строк яркостного сигнала приводит к тому, что существенного ухудшения изображения не происходит.
Прочие различия
Телевизионное вещание кроме систем цветности, отличается еще и стандартами вещания. Сегодня в мире используется десять стандартов, которые обозначаются B, D, G, I, H, K, K1, L, M, N. Если системы цветности определяют только методы передачи цветоразностных сигналов, то стандарты телевизионного вещания содержат все характеристики и параметры, определяющие особенности как самих сигналов, так и каналов вещания. Сочетание систем цветного телевидения и стандартов дают несколько вариантов телевещания. Так, в странах организации OIRT (Organisation internationale de rediodiffusion et television - Международная организация радиовещания и телевидения) действует система SECAM-D/K. В большинстве европейских стран организации CCIR (Comite consultatif international des radiocommunications - Международный консультативный комитет по радиосвязи) используется PAL-B/G. В США, где телевещание регламентирует FCC (Federal Communications Commission - Федеральная комиссия по связи), принят стандарт NTSC-M.
Что же регламентируют стандарты телевещания? Ну, во-первых - число строк в кадре. Для систем B/G и D/K (PAL и SECAM соответственно) это 625 строк, тогда как для M (NTSC) это всего 525 строк. Во-вторых, частота развертки полей составляет 50 для B/G и D/K и 60 для M. В-третьих, разностная частота между частотами несущих звука и изображения составляет 6,5МГц для D/K, 5,5МГц для B/G и 4,5МГц для M. Есть, разумеется, еще ряд параметров, но часть из них вытекает из уже описанных, часть - совпадает для рассматриваемых стандартов.Из приведенных различий можно видеть, что системы PAL и SECAM легче совместить в одном аппарате, что поначалу и было сделано - многие телевизоры или видеомагнитофоны поддерживали обе системы цветности. Это и количество строк разложения видеосигнала, и частота следования полей/кадров, и частота строчной развертки (15,625 кГц). В системе NTSC отличались все эти параметры, начиная от частоты кадровой развертки (ввиду того, что частота в электросетях составляет 60 Гц, в отличие от европейских 50 Гц) и заканчивая размерами самого кадра. Не все так просто было и со стандартами B/G и D/K. Различия в 1 МГц в разностных частотах между "звуком" и "изображением" приводили к тому, что ввезенные в Советский Союз "западные" телевизоры B/G (без поддержки D/K) не могли быть использованы для приема телевизионного эфира даже в черно-белом варианте - звук попросту отсутствовал.
Говорить об однозначном преимуществе одной из систем цветности затруднительно. Если в стандартах вещания D/K и B/G, использующих системы цветности SECAM и PAL, кадр большего разрешения, чем в стандарте M с системой NTSC, то в последнем частота кадров на двадцать процентов выше, что позволяет лучше передавать быстрые движения. Некоторые эксперты говорили, что "с эфира" лучше смотрится SECAM, то они же признавали, что на видеокассету записывать лучше в PAL. И если парк телевизионных приемников зрителей, где быстрее, где медленнее, но заменяется на полностью мультисистемные аппараты (с поддержкой всех систем цветности), то замена всего оборудования для производства, вещания и трансляции дело очень не простое. К тому же - отягощенное законодательствами стран, их взаимными обязательствами и участием в международных организациях по теле- и радиовещанию.
Системы NTSC, PAL, SECAM
Как известно, люди разных национальностей говорят на разных языках. Так и с появлением цветного телевидения возникли "языки телевидения", то есть системы цветного телевидения. Их всего три NTSC, PAL и SECAM. Система NTSC получила распространение в странах с частотой сети переменного тока 60 Гц (США, Япония), системы PAL и SECAM - в странах с частотой сети переменного тока 50 Гц. Соответственно и частота вертикальной развертки (частота полей) была выбрана таким образом, чтобы уменьшить заметность помех от электропроводки первичной сети: для NTSC - 60 Гц, для PAL и SECAM - 50 Гц.
Как только были разработаны различные системы цветного телевидения, появилась необходимость в переводе видеоматериалов из одной системы в другую - транскодировании, а если говорить о транскодировании из системы 50 Гц в 60 Гц или наоборот - преобразовании стандарта.
Основой аналогового цветного телевидения является ПЦТС - полный цветной телевизионный сигнал (или композитный видеосигнал), который содержит информацию о яркости и цветности. В англоязычной литературе для его обозначения применяются аббревиатуры CCVBS и CCVS (каждая фирма называет сигнал по-своему и каждая считает, что она права).
Известно, что любой цвет можно получить, "включив" в нужной пропорции красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) источники света (или сокращенно RGB). Их называют основными цветами для аддитивного синтеза цвета. Из маленьких RGB-элементов состоит телевизионный экран. Но не RGB-сигналы были выбраны для передачи цветного телевещания. Вместо них в основу всех систем легла передача сигналов яркости Y и цветоразностных сигналов U и V. Строго говоря, для каждой системы цветоразностные сигналы имеют собственные буквенные обозначения, например, для PAL - V и U, для NTSC - I и Q, для SECAM - Dr и Db. Но, как правило, все оригинальные статьи по телевизионному оборудованию, микросхемам, и т.п. используют термин RGB для обозначения сигналов основных цветов и YUV - для цветоразностных сигналов. Сигналы RGB и YUV взаимосвязаны однозначной зависимостью (системой уравнений), которая называется матрицей. Выглядит она следующим образом:
|
R |
G |
B |
|
|
Y |
0,299 |
0,587 |
0,114 |
|
R-Y |
0,701 |
0,587 |
0,114 |
|
B-Y |
0,299 |
0,587 |
0,114 |
Причем множители (нормирующие коэффициенты) для U и V в каждой
системе различны:
PAL: V = 0,877 (R-Y), U = 0,493 (B-Y);
NTSC: I = V cos 33° - U sin 33°, Q = V sin 33° + U cos 33°;
SECAM: Dr = -1,9 х (R-Y), Db = 1,5 х (B-Y).
Так почему же никто из разработчиков телевизионных систем не пошел по, казалось бы, естественному пути и не начал передавать сигналы основных цветов RGB? На это есть несколько причин, но главных, пожалуй, две:
Во-первых, системы цветного телевидения должны оставаться совместимыми с исходными системами черно-белого телевидения, чтобы по черно-белому телевизору можно было нормально (или почти нормально) смотреть передачи, транслируемые в цветном изображении;
Во-вторых, система цветного телевидения не должна была требовать для трансляции более широкой полосы частот, чем исходная система черно-белого телевидения.
Как же удалось передать дополнительно информацию о цвете, не расширяя полосу пропускания видеосигнала (то есть не увеличивая количество передаваемой информации)? Возможно ли это? Строго говоря - нет. Каждая система цветного телевидения представляет собой образец более или менее удачного компромисса между уступками в качестве передачи сигнала яркости и выигрышем от умелого использования полученной полосы пропускания для передачи сигнала цветности. Очевидно, что ПЦТС должен нести информацию о яркости и цветности. Но если для введения цветоразностных сигналов просто сложить Y, U и V, то разделить их в дальнейшем будет невозможно. Главная задача - без взаимных помех смешать сигналы яркости и цветности и без ошибки разделить их. Но по какому признаку можно отличить в видеосигнале яркость от цветности?
Решить эту задачу позволила особенность человеческого зрения. Оказалось, что информация о яркости воспринимается одними фоторецепторами глаза - палочками, а о цвете другими - колбочками (по телевизионной терминологии, в формате YUV). Причем разрешающая способность палочек гораздо выше, чем колбочек. То есть, если на изображении яркостные контуры обозначены четко, а цвета "размазаны", то человеческий глаз руководствуется яркостной компонентой, не замечая "размазанности". Например, герои мультфильмов детских книжек-раскрасок, даже закрашенные нетвердой детской рукой, выглядят довольно аккуратно и радуют родительский глаз. А ведь эту аккуратность придает рисунку типографский черный контур!
Итак, сигнал яркости Y надо передавать четко, цветоразностные сигналы UV можно передавать несколько "размазанно" (в меньшей полосе частот) - изображение от этого не пострадает (вернее, человеческий глаз этого не заметит). Чтобы меньше навредить четкости передаваемого изображения, решено было для передачи цветоразностных сигналов использовать часть высокочастотного спектра сигнала яркости. Специальный режекторный фильтр ослабляет яркостный сигнал на выбранной частоте и образует "щель" в его частотной характеристике. Часто в специальной литературе такой фильтр называют notch, что в переводе с английского обозначает "выемка". А цветоразностные сигналы поступают на фильтр низких частот, который ограничивает их спектр, далее на модулятор, который смещает их в заданную область частотного диапазона (результат модуляции называется "поднесущей цветности"), и далее на смеситель, где поднесущая укладывается в приготовленную для нее "щель" в спектре сигнала яркости. Описанный способ режекции сигнала яркости, НЧ-фильтрации и модуляции цветоразностных сигналов и сложения сигналов яркости и цветности является одинаковым для всех систем цветного телевидения. Однако на этом сходство заканчивается, и далее каждый из стандартов и присущие им преимущества и недостатки будут рассматриваться отдельно.
Система NTSC
Стандарт NTSC был разработан для частоты кадров 60 Гц (точнее 59,94005994 Гц), 525 строк. Для передачи цветности используется квадратурная модуляция с подавлением поднесущей (то есть поднесущая цветности на неокрашенных участках отсутствует). Для модуляции используется частота поднесущей цветности 3579545,5 Гц, что позволяет "разместить" в одной телевизионной строке 455 (нечетное количество) полупериодов частоты поднесущей. Таким образом в двух соседних строках NTSC поднесущие цветности находятся в противофазе, и на экране телевизионного приемника помеха от поднесущей выглядит как мелкое шахматное поле и относительно незаметна. Следует обратить внимание, что если бы в телевизионной строке было четное число полупериодов поднесущей, помеха выглядела бы как неподвижная вертикальная сетка и заметность ее была бы гораздо выше. Примененный способ снижения заметности помехи (каждая "яркая" точка на экране окружена "темными" и наоборот) также основан на свойствах человеческого зрения: с некоторого расстояния глаз перестает воспринимать каждую точку, а видит равномерно светящийся экран - это называется "осреднением" или "фильтрацией". Так как каждая точка окружена другими не только с боков, но и сверху и снизу, такая фильтрация называется "двумерной". Заметим, что режекторный фильтр (выделяющий "щель") или низкочастотный фильтр (подавляющий все частоты выше частоты среза), который, как правило, используют для разделения сигналов яркости и поднесущей цветности, выполняют только одномерную (горизонтальную) фильтрацию. Особенностью системы NTSC является то, что информация о цветности передается не в системе координат (R-Y), (B-Y), а в системе I, Q, развернутой относительно (R-Y), (B-Y) на 33°. Кроме того, полосы пропускания для сигналов I и Q выбраны различными - американские инженеры учли, что человеческий глаз различает мелкие сине-зеленые детали хуже, чем красные, и решили дополнительно сэкономить в цветности и выиграть в яркости.
Теперь - о квадратурной модуляции: чем она хороша и чем плоха? Как уже говорилось, просто сложить сигналы Y, U и V нельзя - мы не сможем их потом разделить. Поэтому предварительно надо получить поднесущую цветности, промодулировав синусоидальный сигнал таким образом, чтобы его амплитуда зависела от величин сигналов U и V, а фаза (относительно исходной синусоиды) - от соотношения величин U и V между собой. Такой сигнал уже можно сложить с сигналом яркости, а затем снова разделить их. Для этого в сигнале яркости предварительно при помощи режекторного фильтра должны быть ослаблены частоты, близкие к частоте исходной синусоиды.
На разделении яркости/цветности в системе NTSC следует остановиться особо. Отмечено, что в одной телевизионной строке NTSC укладывается нечетное количество полупериодов поднесущей цветности и, следовательно, в двух соседних строках поднесущая находится в противофазе. Теперь предположим, что изображение не содержит четких горизонтальных границ, то есть две соседние строки не слишком сильно отличаются друг от друга. В действительности это очень вольное допущение, которое справедливо далеко не всегда. Тогда в результате суммирования двух соседних строк произойдет взаимное подавление поднесущих цветности и в результате останется только сигнал яркости удвоенной амплитуды. При вычитании двух соседних строк произойдет подавление сигнала яркости (ранее мы предположили, что соседние строки "почти одинаковы") и в результате останется поднесущая цветности удвоенной амплитуды. Таким образом, в результате операций сложения и вычитания удалось абсолютно корректно выделить сигналы яркости и цветности из полного сигнала NTSC. Такой способ разделения яркость/цветность называется гребенчатой фильтрацией (comb filter). Гребенчатый фильтр позволяет получить сигнал яркости в полной полосе частот, то есть не требует режекции сигнала яркости при кодировании! Следует однако заметить, что в два раза (!) ухудшается разрешающая способность изображения по вертикали, так как сигналы яркости/цветности в каждой строке заменяются на осредненное значение по двум соседним строкам. Кроме того, при наличии в изображении горизонтальных границ, описанный способ разделения яркость/цветность просто перестает работать, что приводит к потере вертикальной четкости, сопровождаемой появлением помехи от неотфильтрованной поднесущей цветности (так называемые "висящие точки"). Эффективная фильтрация возможна только при идеальных временных характеристиках видеосигнала (соседние строки должны быть расположены точно одна под другой без горизонтального дребезга, называемого "джиттер") и иметь идеальную зависимость частоты и фазы поднесущей цветности от частоты и фазы строчного синхроимпульса. Гребенчатый фильтр совершенно неприменим для фильтрации записи, воспроизведенной с видеомагнитофона (Philips Data sheet Product specification SAA7152 Digital Video Comb Filter (DCF) August 1996), и даже требования российского стандарта эфирного вещания для него недостаточны. Поэтому гребенчатый фильтр в чистом виде для обработки реальных сигналов применить невозможно, и наблюдать выделенную им идеально плоскую АЧХ сигнала яркости удастся только, подключив его к генератору телевизионного сигнала. Обычно гребенчатый фильтр всегда дополняют режекторным фильтром и интеллектуальным устройством выбора способа фильтрации, в зависимости от качества видеосигнала и особенностей изображения. Режекторный фильтр для системы NTSC (как, впрочем и для системы PAL, также использующей фазовую модуляцию) может быть относительно узкополосным, так как при неизменных сигналах U и V частота поднесущей цветности равна частоте немодулированной поднесущей и существенно отличается от нее только на резких переходах цветности.
Следует сказать несколько слов о развитии гребенчатых фильтров. Выше был рассмотрен двумерный (работающий в пределах одного телевизионного поля) гребенчатый фильтр. Два десятилетия назад широкополосное устройство задержки телевизионной строки (а именно оно является основой гребенчатого фильтра) казалось венцом научно-технической мысли. А сейчас существующие блоки кадровой памяти и предусмотренное в NTSC чередование фазы поднесущей не только в соседних строках, но и в соседних кадрах, позволяют фильтровать изображение как по вертикали и горизонтали, так и по времени. Отметим, что фильтрация по времени устойчива к резким границам на изображении, но чувствительна к перемещению границ на соседних кадрах (движению).
Перейдем к декодированию. Выделенная из полного сигнала поднесущая цветности поступает на декодер для восстановления значений U и V. Представим себе способ квадратурной модуляции с подавлением поднесущей в виде некоторого "прибора" со стрелкой, длина которой зависит от суммы квадратов U и V , а угол отклонения - от соотношения величин U и V между собой. В частном случае, когда U=0 и V=0, длина стрелки тоже равна нулю - это и называется "подавлением поднесущей". И "прибор" и его стрелка вращаются с частотой поднесущей, и в таком вращающемся виде поступают на декодер. Шкала, по которой определяется отклонение и длина стрелки (U и V), находится в самом декодере. Чтобы скорость вращения шкалы совпадала со скоростью вращения "прибора", в начале каждой строки передается специальная эталонная пачка импульсов - "вспышка" (burst). Таким образом декодер корректирует скорость вращения и начальный угол шкалы во время вспышки и считывает значения для U и V во время активной части строки.
Чем же хороша и чем плоха квадратурная модуляция? Хороша тем, что на ярких и слабоокрашенных участках изображения (там, где глаз наиболее придирчив) помехи от поднесущей цветности невелики, так как мал ее размах (мала длина стрелки). А плоха тем, что тракт передачи телевизионного сигнала влияет на скорость вращения "прибора", причем на разных участках строки - по-разному. В результате нарушается изначальное соответствие (фаза) между углом отклонения стрелки "прибора" и сигналами "точного времени", что приводит к нарушению цветового тона фрагментов передаваемого изображения (например, яркие фрагменты приобретают красноватый оттенок, а темные - зеленоватый). Кроме того, изображение в целом может приобретать оттенок. В этой связи говорят, что NTSC чувствителен к искажениям типа "дифференциальная фаза". Это искажения, которые возникают при передаче телевизионного сигнала. Кроме того, цветовой тон определяется по углу отклонения стрелки "прибора" относительно циферблата, который вращается вместе с "прибором" и корректируется один раз в начале телевизионной строки. Если циферблат отстает или спешит, к концу строки накапливается ошибка, которая приводит к покраснению или посинению правой части телевизионного экрана. Вот основные преимущества и недостатки NTSC - системы, построенной на точном математическом расчете, которая оказалась наиболее уязвимой в условиях реальной эксплуатации.
Система PAL.
Способ передачи цветности в системе PAL мало чем отличается от NTSC и по сути является адаптацией NTSC для формата кадра 625 строк/50 полей. Основным отличием (и существенным улучшением) в системе PAL является чередования фазы (Phase Alternating Lines). Для декодирования цветности в системе PAL был разработан декодер цветности с линией задержки на одну строку. Особенность декодера с линией задержки заключается в том, что сигналы цветности восстанавливаются из суммы и разности поднесущих, пришедших в текущей и предыдущей строках. При этом ошибка, накопившаяся в текущей строке, равна по величине и противоположна по знаку ошибке, накопившейся в задержанной строке. Недостатком такого декодера является отставание сигнала цветности от сигнала яркости по вертикали (сползание цветности). Кроме того, в системе PAL спектр сигнала цветности гораздо более сложен, чем в NTSC, что значительно усложняет гребенчатый фильтр для PAL. Как правило, для разделения яркость/цветность в системе PAL применяют режекторный/полосовой фильтр. Система PAL малочувствительна к искажениям типа "дифференциальная фаза".
Стремление улучшить качество систем PAL и NTSC привело к разработке оборудования, в котором сигнал яркости и поднесущая цветности передаются по двум раздельным проводам, нигде не смешиваются и не требуют разделения. Такой двухпроводный способ передачи видеосигнала называют S-Video или Y/C. S-Video позволяет использовать полную полосу частот яркости (обеспечивает высокую разрешающую способность по горизонтали) и отказаться от неизбежной для композитного сигнала фильтрации при разделении яркость/цветность. Таким образом двухпроводный способ передачи исключает накапливающиеся при фильтрации частотные и фазовые искажения. Для сигналов S-Video не предусмотрена возможность эфирного вещания. Это внутристудийный стандарт с проводным способом соединения. В нем работает большинство студий, использующих оборудование формата S-VHS. Особенности транскодирования сигналов S-Video мы рассмотрим отдельно далее
Система SECAML.
Система цветного телевидения SECAM в корне отличается от систем NTSC и PAL. Так же, как и в NTSC и PAL, информация о цветности передается поднесущей, которая "укладывается" в "щель" в сигнале яркости. Но для передачи информации о цветности используется частотная модуляция поднесущей. Это значит, что каждой паре значений U и V соответствует пара частот поднесущих. Но если смешать (суммировать) две поднесущие, разделить их потом будет невозможно. Поэтому, допустив, что цветность в двух соседних строках примерно одинакова, поднесущие передают по очереди: в текущей строке - U, в следующей строке - V, потом опять U и так далее. Декодер цветности содержит линию задержки - устройство, задерживающее поднесущую на одну строку, и при декодировании на частотный дискриминатор поступают две поднесущие: одна, относящаяся к текущей строке, - напрямую, а вторая - от предыдущей строки через линию задержки. Отсюда и название системы - SECAM (Sequence de Couleur A Memoire), то есть чередование цветов с памятью. Следствием такого механизма передачи цветности (с прореживанием) является вдвое меньшая вертикальная цветная разрешающая способность и сползание цвета вниз относительно яркости. Кроме того, на резких горизонтальных цветных границах (переходах от цвета "a" к цвету "b") возникают "ложные" цвета, так как величины U и V не усредняются при передаче, а именно прореживаются. Причина этого эффекта в следующем: при передаче цвета "a" значения RaGaBa восстанавливаются из величин YaUaVa, соответственно, при передаче цвета "b" значения RbGbBb восстанавливаются из величин YbUbVb. На границе цветов (точнее, на первой строке другого цвета), из-за задержки одной из компонент цветности в декодере, значения RGB восстанавливаются из тройки YbUaVb - для одного поля и (в связи с чередованием U и V в полях) из тройки YbUbVa - для другого поля. Заметим, что цвета UaVb и UbVa отсутствуют и в цвете "a" и в цвете "b". На экране монитора эти искажения хорошо заметны при рассмотрении горизонтальных цветных полос, а в телевизионной трансляции часто видны в компьютерной графике, титрах и пр. и имеют вид отдельных строк, мерцающих с частотой 25 Гц. Для улучшения передачи мелких цветных деталей применено дифференцирование (обострение) фронтов сигналов U и V (так называемая НЧ-коррекция SECAM), а во избежание чрезмерного расширения полосы частот поднесущей НЧ - корректированные цветоразностные сигналы проходят через ограничитель. Таким образом система SECAM принципиально неспособна правильно передавать резкие цветовые переходы. На тестовом сигнале "вертикальные цветные полосы" этот эффект проявляется в виде "щелей" между полосами и особенно хорошо заметен между зеленой и пурпурной полосами. Для улучшения отношения сигнал/шум в сигнале цветности и оптимизации перекрестной помехи цветность/яркость модулированная поднесущая SECAM проходит через частотно-зависимую цепь (так называемая ВЧ-коррекция SECAM или "колокол"). В ВЧ-корректированном сигнале фронты цветности (изменения цветности) передаются с большей энергией и, соответственно, с лучшим отношением сигнал/шум. Однако при этом возрастает заметность поднесущей цветности, которая проявляется в виде характерного "кипения" на изображении сразу после вертикальных цветных границ. Следует обратить внимание на особенности разделения яркость/цветность для системы SECAM. В рассмотренных выше NTSC и PAL поднесущая цветности передается на одной частоте (для NTSC - 3,58 МГц, для PAL - 4,43 МГц). Достаточно поставить фильтр, настроенный на эту частоту, чтобы разделить яркость и цветность. Более того, на неокрашенных участках изображения (где глаз наиболее чувствителен к помехам) поднесущая подавлена и помехи принципиально исключены. Ситуация в системе SECAM гораздо сложнее. Во-первых, нет подавления поднесущей, то есть помеха от поднесущей всегда есть и всегда ее надо фильтровать. Во-вторых, нет возможности отгородиться от помехи на какой-то одной частоте: частотная модуляция SECAM занимает полосу от 3,9 до 4,75 МГц, и частота поднесущей в строке фрагмента изображения зависит только от цветности этого фрагмента. Кроме того, так называемые "нулевые частоты" для строк U и V различны: 4,250 и 4,406 МГц соответственно. Таким образом, для надежной фильтрации сигнала яркости следовало бы вырезать из полного сигнала полосу как минимум от 3,9 до 4,75 МГц, а на самом деле, учитывая конечную крутизну фильтров, - гораздо шире. При таком подходе пришлось бы отказаться от возможности передавать в полном сигнале SECAM мелкие детали изображения. В качестве компромисса, а также принимая во внимание различные нулевые частоты в декодере SECAM, был применен перестраиваемый фильтр, который переключал частоту режекции между 4,250 и 4,406 МГц от строки к строке и тем самым очищал от поднесущей цветности неокрашенные (наиболее критичные) участки изображения. Предполагалось, что на остальных участках изображения неподавленная поднесущая будет маскироваться интенсивной окраской. Кроме того, "яркостные" детали изображения, попавшие в полосу задержки перестраиваемого фильтра в одной строке, будут пропущены фильтром в следующей строке и, следовательно, зритель увидит их на экране телевизора.
В процессе кодирования/декодирования видеосигнала неизбежно возникают искажения и потери, присущие одной из систем. Даже однократное транскодирование и даже в ту же самую систему предполагает уже два кодирования и два декодирования - искажения и потери накапливаются. При транскодировании из одной системы в другую начинают проявляться эффекты второго рода: преимущества, которые дает одна система, не могут быть переданы и использованы в другой. Простейший пример, нужно сделать преобразователь композитного PAL-YUV-PAL для наложения титров. Если извлечь информацию о фазе поднесущей исходного сигнала и использовать при вторичном кодировании, то такое транскодирование (и теоретически и практически) можно сделать без потерь.
Чтобы сузить круг рассматриваемых задач и быть ближе к практике, рассмотрим, что надо транскодировать в России.
Преобразование из/в NTSC.
Источниками сигнала NTSC являются: видеодиски, трансляция со спутников, эфирное вещание Японии (на Дальнем Востоке). Потребителей NTSC в России практически нет. Объем видео, которое транскодируется (или, может быть, правильнее говорить "подвергается преобразованию стандарта") из/в NTSC в/из систем PAL и SECAM, - невелик. Преобразование шестидесятигерцового стандарта в пятидесятигерцовый и наоборот является сложной задачей, сложность которой заключается в необходимости изменения стандарта разложения. Вновь полученный телевизионный сигнал должен содержать изображение в тех местах телевизионного кадра и в те моменты времени, которые были пропущены в исходном сигнале. Простейшим решением является заимствование ближайшей строки растра исходного сигнала, однако это приводит к "изломам" границ объектов и "дерганым" движениям. Другим решением является межстрочная (двумерная) и межкадровая (трехмерная, по времени) интерполяция. Она свободна от "изломов" и "дерганья", но приводит к размазыванию границ быстро движущихся объектов. Самым новым подходом следует считать применение преобразователей с детекторами движения. Такие интеллектуальные приборы используют алгоритмы выделения области в кадре и ассоциируют их с объектами. По последовательности кадров вычисляются направление, скорость и ускорение объекта, и интерполяция или предиктивная (предсказательная) экстраполяция применяются к векторам скорости и ускорения. Однако описанные алгоритмы компенсации движения работают только в достаточно простых случаях, например, при равномерном прямолинейном движении. А как они поведут себя при обработке сцены "удар мяча о стену" (скачком меняются величина и направление скорости объекта, ускорение объекта, а в момент удара в результате деформации - и форма объекта) или сцены "полет и вращение детского мяча" (одна половинка которого окрашена в зеленый цвет, а другая - в красный)?
Транскодирование SECAM в PAL и PAL в SECAM..
В этом случае изменение стандарта разложения не требуется и на первый план выходят задачи обеспечения наиболее широкой полосы пропускания в каналах яркости и цветности, наилучшего отношения сигнал/шум, наименьших перекрестных помех яркость/цветность. К задачам второго плана можно отнести компенсацию искажений, внесенных предыдущей системой, и обработки, субъективно улучшающие визуальное восприятие.
Транскодирование SECAM в PAL требуется, как правило, для обработки и монтажа записанных в системе SECAM архивов на оборудовании стандарта PAL. Есть студии, которые используют преобразование SECAM в PAL, обработку в PAL и обратное преобразование PAL в SECAM для интегрирования местных программ в центральное ТВ-вещание, хотя такое решение нельзя назвать удачным. Как было отмечено выше, при декодировании SECAM в телевизионных приемниках используется перестраиваемый режекторный фильтр "нулевых частот" SECAM. Такая фильтрация приемлема для телевизора, но для транскодера она совершенно недостаточна. Дело в том, что глаз не замечает на экране телевизора мелкую хаотическую остаточную сетку неподавленной поднесущей SECAM, но если яркостный сигнал такой "степени очистки" подать на кодер PAL, то в результате биения остатков поднесущей SECAM и "новой" поднесущей PAL на окрашенных участках изображения будет отчетливо видна помеха в виде диагональной сетки. Примечателен тот факт, что перестраивая вручную режекторный фильтр SECAM, можно по выбору очищать от помехи тот или иной цвет на транскодированном изображении. Отфильтровать сигнал яркости SECAM (требуемое при транскодировании ослабление поднесущей должно составлять не менее 40-42 дБ) традиционными LC-фильтрами удается, только применяя фильтр НЧ с частотой среза не выше 3,2 МГц и большой крутизной. Однако при такой полосе пропускания мелкие детали изображения теряются безвозвратно. Цифровые технологии обработки сигнала позволили создать перестраиваемый фильтр, осуществляющий эффективную режекцию поднесущей цветности в SECAM. Такой фильтр вырезает не только "нулевые частоты", но и постоянно следит за распределением энергии в полосе поднесущих и вырезает ту частоту, где энергия максимальна, то есть поднесущую цветности. Следует отметить, что методика определения полосы пропускания декодера SECAM с цифровым следящим фильтром при помощи свип-генератора неприменима. При попадании частоты свип-генератора в ожидаемый диапазон поднесущих SECAM она будет полностью подавляться, а при выходе из этого диапазона фильтр будет непрерывно перестраиваться в полосе 3,9-4,75 МГц. Полученный после цифровой фильтрации сигнал яркости пригоден для последующего кодирования в PAL. При этом дополнительная режекция яркостного сигнала notch-фильтром не требуется, так как в полученном в результате декодирования сигнале "лишние" частоты уже ослаблены.
Транскодирование PAL в SECAM требуется в следующих случаях: при ретрансляции в эфир композитного сигнала PAL, принятого со спутника; при трансляции из студии PAL композитного сигнала VHS-качества; при трансляции из студии PAL сигнала S-VHS-качества (в первых двух случаях декодируется композитный сигнал PAL, в третьем - S-Video. В первом и втором случаях следует обращать особое внимание на способ разделения яркость/цветность композитного сигнала и его дополнительную фильтрацию, в третьем - на режекцию сигнала цветности при кодировании.
Для разделения яркость/цветность принятого со спутника сигнала PAL может оказаться оправданным применение гребенчатого фильтра. В этом случае можно получить наиболее широкую полосу частот сигнала яркости. Однако такой фильтр весьма чувствителен к временной нестабильности видеосигнала. Например, при допустимой в эфирном вещании разницы в длительности соседних строк 32 наносекунды и периоде 225 наносекунд поднесущей цветности PAL ошибка фазы в двух соседних строках будет составлять 360°/225х32=51°. Таким образом, вместо ожидаемого подавления поднесущих в противофазе sin(a)+sin(a+180°)Ї0 получится остаток неподавленной поднесущей, равный sin(a)+sin(a+180°+51°). Другими словами, гребенчатый фильтр потеряет работоспособность. Традиционный режекторный фильтр устойчиво работает как при обработке высокостабильного эфирного приема, так и при фильтрации "раскачанного" видеосигнала, полученного с видеомагнитофона VHS, и легко обеспечивает подавление поднесущей цветности не хуже 40-42 дБ. Лучше всего, если в транскодере предусмотрена возможность выбора способа фильтрации в зависимости от качества (временных характеристик) транскодируемого сигнала PAL. Как правило, полученный после фильтрации сигнал яркости уже имеет ослабление в окрестности частоты 4,4 МГц, и при кодировании SECAM дополнительной режекции может не потребоваться. При транскодировании компонентного S-Video сигнала можно не беспокоиться о помехах от проникновения поднесущей, но нужно уделить самое пристальное внимание формированию правильной АЧХ яркостного сигнала SECAM перед суммированием его с поднесущей цветности в кодере. Такое же внимание следует уделять АЧХ яркости при транскодировании композитного сигнала PAL в том случае, если в транскодере делается врезка титров, логотипа и т.п. в компонентах YUV или RGB, а также если применяются механизмы повышения/восстановления четкости изображения. Требования, предъявляемые к АЧХ каналу яркости кодера SECAM, изложены в ОСТ 58-18-96 и призваны, с одной стороны, ослабить высокочастотные составляющие яркости так, чтобы они не "заслоняли" поднесущую цветности, с другой стороны, донесли бы до экрана мелкие детали изображения, пусть даже в ослабленном виде.
Кроме вышеописанных необходимых свойств и качеств, транскодер может выполнять и некоторые дополнительные функции, например:
Раздельная регулировка усиления в компонентах RGB или YUV для цветокоррекции;
Апертурная одно- или двухмерная коррекция сигналов яркости и цветности для обострения вертикальных или/и горизонтальных границ яркости и цветности;
Регулировка совмещения сигналов яркости и цветности по горизонтали и вертикали, которая позволит "поставить на место" цветность, "съехавшую" в результате многократного транскодирования;
Шумоподавление: медианный фильтр - для устранения спутниковых "искр", рекурсивный - для подавления шумов магнитной пленки и т.п.
На российском рынке представлены транскодеры и преобразователи стандартов как отечественного, так и зарубежного производства. Среди фирм, специализирующихся на их разработке и изготовлении, нельзя не упомянуть: Snell&Wilcox, FOR.A, Vistek, АО ВНИИТР, "Профитт", "ИТМ". Транскодеры значительно отличаются как по цене, так и по предоставляемым возможностям. В целом прослеживается четкая зависимость: чем выше цена, тем больше возможностей. Но дать универсальный совет, какой транскодер выбрать, "чтобы нам всем подошел", как говорится в одной из реклам, - невозможно. Для каждого конкретного случая следует выбирать транскодер, руководствуясь бюджетом и принципом минимальной избыточности.
В отличие от стандарта передачи чёрно-белого изображения, который был более-менее единым во всём мире (различалось только расстояние между частотами передачи изображения и звука), существует несколько стандартов цветного телевидения. Основные системы цветного телевидения - это SECAM, PAL, NTSC . Система SECAM принята в странах бывшего СССР, а также во Франции. Система PAL принята в странах западной Европы, кроме Франции. Система NTSC принята на американском континенте и в Японии. Стандарты PAL и SECAM были разработаны на основе единого стандарта черно-белого изображения и с возможностью приема нового телесигнала старыми телевизорами, поэтому частично совместимы друг с другом (одинаково кодируется развертка изображение и яркость, но по разному кодируется баланс цвета). Стандарт NTSC разрабатывался независимо от старого стандарта. В настоящий момент идет доработка, а в некоторых страннах введение цифровых стандартов, преимущество которых увеличенное разрешение картинки, увеличиная частота картинка, а также помехозащищенность сигнала. В России переход на цифорвое вещание планируется осуществить в 2010 году.
Стандарт NTSC
NTSC (National Television System Color) - первая система цветного телевидения, нашедшая практическое применение. Она была разработана в США и уже в 1953 г. принята для вещания, а в настоящее время вещание по этой системе ведется также в Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении. Данный cтандарт определяет метод кодирования информации в композитный видеосигнал. Согласно стандарту NTSC , каждый видеокадр состоит из 525 горизонтальных строк экрана, по которым каждую 1/30 секунды проходит электронный луч. При отрисовке кадра электронный луч делает два прохода по всему экрану: сначала по нечетным строкам, а потом по четным (чересстрочная развертка - interlacing). Обеспечивается поддержка 16 миллионов разных цветов. В настоящее время разрабатываются новые разновидности стандарта NTSC «Super NTSC» и «16 х 9», которые будут входить в состав стандарта MPEG и стандарта разработки DVD
Стандарт PAL
Стандарт SECAM
Система SECAM (SEquentiel Couleur A Memoire)
, как и PAL использует изображение на экране в 625 строк с частотой 25 кадров в секунду. Эта система первоначально была предложена во Франции еще в 1954 г., но регулярное вещание после длительных доработок было начато только в 1967 одновременно во Франции и СССР. В настоящее время она принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и некоторых других странах. Основная особенность системы - поочередная, через строку, передача цветоразностных сигналов с дальнейшим восстановлением в декодере путем повторения строк. При этом в отличие от PAL
и NTSC
используется частотная модуляция поднесущих. В результате цветовой тон и насыщенность не зависят от освещенности, но на резких переходах яркости возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображения окантовка имеет синий цвет, а после темных - желтый. Кроме того, как и в системе PAL
, цветовая четкость по вертикали снижена вдвое.
Источники:
http://www.videodata.ru/palsecam.htm
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D0%BE
Интерфейс IEEE1394
(FireWire, i-Link) - последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами.
Различные компании продвигают стандарт под своими торговыми марками:
Apple - FireWire
История
в 1986 году членами Комитета по Стандартам Микрокомпьютеров (Microcomputer Standards Committee) принято решение объединить существовавшие в то время различные варианты последовательной шины (Serial Bus)
в 1992 году разработкой интерфейса занялась Apple
в 1995 году принят стандарт IEEE 1394
Преимущества
Цифровой интерфейс - позволяет передавать данные между цифровыми устройствами без потерь информации
Небольшой размер - тонкий кабель заменяет груду громоздких проводов
Простота в использовании - отсутствие терминаторов, идентификаторов устройств или предварительной установки
Горячее подключение - возможность переконфигурировать шину без выключения компьютера
Небольшая стоимость для конечных пользователей
Различная скорость передачи данных - 100, 200 и 400 Мбит/с (800, 1600Мбит/с IEEE 1394b)
Гибкая топология - равноправие устройств, допускающее различные конфигурации (возможность «общения» устройств без компьютера)
Высокая скорость - возможность обработки мультимедиа-сигнала в реальном времени
Открытая архитектура - отсутствие необходимости использования специального программного обеспечения
Наличие питания прямо на шине (маломощные устройства могут обходиться без собственных блоков питания). До полутора ампер и напряжение от 8 до 40 вольт.
Подключение до 63 устройств.
Шина IEEE 1394 может использоваться с:
Компьютерами
Аудио и видео мультимедийными устройствами
Принтерами и сканерами
Жёсткими дисками, массивами RAID
Цифровыми видеокамерами и видеомагнитофонами
Организация устройств IEEE 1394
Устройства IEEE 1394 организованы по 3 уровневой схеме - Transaction, Link и Physical, соответствующие трем нижним уровням модели OSI.
Transaction Layer - маршрутизация потоков данных с поддержкой асинхронного протокола записи-чтения.
Link Layer - формирует пакеты данных и обеспечивает их доставку.
Physical Layer - преобразование цифровой информации в аналоговую для передачи и наоборот, контроль уровня сигнала на шине, управление доступом к шине.
Связь между шиной PCI и Transaction Layer осуществляет Bus Manager. Он назначает вид устройств на шине, номера и типы логических каналов, обнаруживает ошибки.
Данные передаются кадрами длиной 125 мксек. В кадре размещаются временные слоты для каналов. Возможен как синхронный, так и асинхронный режимы работы. Каждый канал может занимать один или несколько временных слотов. Для передачи данных устройство-передатчик просит предоставить синхронный канал требуемой пропускной способности. Если в передаваемом кадре есть требуемое количество временных слотов для данного канала, поступает утвердительный ответ и канал предоставляется.
Спецификации FireWire
IEEE 1394
В конце 1995 года IEEE принял стандарт под порядковым номером 1394. В цифровых камерах Sony интерфейс IEEE 1394 появился раньше принятия стандарта и под названием iLink.
Интерфейс первоначально позиционировался для передачи видеопотоков, но пришёлся по нраву и производителям внешних накопителей, обеспечивая высокую пропускную способность для современных высокоскоростных дисков. Сегодня многие системные платы, а также почти все современные модели ноутбуков поддерживают этот интерфейс.
Скорость передачи данных - 100, 200 и 400 Мбит/с, длина кабеля до 4,5 м.
IEEE 1394a
В 2000 году был утверждён стандарт IEEE 1394а. Был проведён ряд усовершенствований, что повысило совместимость устройств.
Было введено время ожидания 1/3 секунды на сброс шины, пока не закончится переходной процесс установки надёжного подсоединения или отсоединения устройства.
IEEE 1394b
В 2002 году появляется стандарт IEEE 1394b c новыми скоростями: S800 - 800 Мбит/с и S1600 - 1600 Мбит/с. Также увеличивается максимальная длина кабеля до 50, 70 а при использовании высококачественных оптиковолоконных кабелей до 100 метров.
Соответствующие устройства обозначаются FireWire 800 или FireWire 1600, в зависимости от максимальной скорости.
Изменились используемые кабели и разъёмы. Для достижения максимальных скоростей на максимальных расстояниях предусмотрено использование оптики, пластмассовой - для длины до 50 метров, и стеклянной - для длин до 100 метров.
Несмотря на изменение разъёмов, стандарты остались совместимы, чего можно добиться, используя переходники.
12 декабря 2007 года была представлена спецификация S3200 c максимальной скоростью - 3,2 Гбит/с.
IEEE 1394.1
В 2004 году увидел свет стандарт IEEE 1394.1. Этот стандарт был принят для возможности построения крупномасштабных сетей и резко увеличивает количество подключаемых устройств до гигантского числа - 64 449.
IEEE 1394c
Появившийся в 2006 году стандарт 1394с позволяет использовать кабель Cat 5e от Ethernet. Возможно использовать параллельно с Gigabit Ethernet, то есть использовать две логические и друг от друга не зависящие сети на одном кабеле. Максимальная заявленная длина - 100 м, Максимальная скорость соответствует S800 - 800 Мбит/с.
Разъёмы FireWire
Существуют три вида разъёмов для FireWire:
4pin (IEEE 1394a без питания) стоит на ноутбуках и видеокамерах. Два провода для передачи сигнала (информации) и два для приема.
6pin (IEEE 1394a). Дополнительно два провода для питания.
9pin (IEEE 1394b). Дополнительные провода для приема и передачи информации.
Интеграция
Аудио- и видеооборудование (проигрыватели цифровых CD-, MD-, VideoCD- и DVD-дисков, цифровые STB и Digital VHS) уже сейчас можно интегрировать с компьютерами и таким образом управлять ими. Из этого оборудования можно составлять системы - простым соединением устройств друг с другом с помощью одного кабеля. После этого при помощи персонального компьютера, выступающего в качестве контроллера, можно производить следующие операции: записывать с CD-проигрывателя на мини-диск, запоминать цифровые радиопередачи, принятые через STB, вводить цифровое видео в персональный компьютер для последующего монтажа и редактирования. Разумеется, при этом сохраняется возможность и прямого обмена данными между аудио- и видеооборудованием без использования компьютера или, напротив, обмена данными между двумя компьютерами безотносительно к аудио или видео, как в локальных сетях на базе традиционных Ethernet-технологий.
Недавно корпорация NEC объявила о разработке чипа, предназначенного для поддержки аппаратной маршрутизации между двумя сетями на базе IEEE-1394 и для обеспечения их взаимодействия в будущих широкополосных домашних мультимедиа-сетях стандарта IEEE-1394. Этот двухпортовый чип оснащен также микропрограммным ПО, которое осуществляет автоматическую конфигурацию сети и позволяет устанавливать соединения с другими сетевыми устройствами, в том числе с устройствами мобильной связи. Таким образом, домашняя сеть может быть расширена за пределы конкретного дома на расстояние до одного километра. Тем временем фирма Sony продолжает развивать концепцию домашней сети, основанной на стандарте IEEE-1394, и собирается поддерживать разработки, имеющие практическую направленность, выпуском еще более емких, высокоскоростных, компактных компонентов с низким энергопотреблением для широкого диапазона применений и последующей интеграции в системные чипсеты. Сегодня Sony демонстрирует новые образцы бытовой электроники, способные образовывать домашнюю сеть на базе i.Link. Вся эта архитектура носит гордое название Home Audio/Video Interoperability (HAVi ). Похоже, усилиями Sony скоро мы действительно будем жить если не в цифровом доме, то по крайней мере в цифровой квартире. Однако стандарт IEEE-1394, все больше привлекающий внимание не только изготовителей аудио- и видеоустройств, но и разработчиков оборудования для персональных компьютеров, без сомнения, вскоре станет новым сетевым стандартом, приближающим грядущую цифровую эпоху.
В вышедшей осенью 2000 года операционной системе Microsoft Windows Millennium Edition впервые появилась встроенная поддержка локальных сетей на базе контроллеров IEEE-1394. Такая сеть имеет скорость передачи данных в четыре раза большую, чем Fast Ethernet, и очень удобна для дома или малого офиса. Единственное неудобство при построении такой сети заключается в малой предельной длине одного сегмента (длина кабеля до 4,2 м). Для устранения подобного недостатка выпускаются усилители сигнала - репитеры, а также размножители-концентраторы на несколько портов (до 27). С интерфейсом IEEE-1394 в последнее время активно конкурирует новый USB-интерфейс (версии 2.0), который обеспечивает передачу данных со скоростью до 480 Мбит/с против старых 12 Мбит/с, то есть в 40 раз быстрее существующего USB-стандарта! Шина USB получила широкое распространение благодаря своей дешевизне и мощной поддержке в виде контроллера, встраиваемого непосредственно в чипсеты для материнских плат. При этом заявлялось, что высокоскоростной USB 2.0 также будет реализован в виде встроенного в чипсет контроллера (Intel ICH3). Однако фирма Microsoft объявила о приоритетности поддержки интерфейса IEEE-1394, а не USB 2.0, и, кроме того, асинхронность передачи по USB не позволяет ему всерьез конкурировать с FireWire в области цифрового видео.
Таким образом, IEEE-1394 остается международным стандартом недорогого интерфейса, который позволяет объединять всевозможные цифровые устройства для развлечений, коммуникации и вычислительную технику в бытовой мультимедийный цифровой комплекс. Иными словами, все IEEE-1394-устройства, такие как цифровые фото- и видеокамеры, DVD-устройства и другие приборы, прекрасно стыкуются как с персональными компьютерами, оснащенными подобным интерфейсом (его поддерживают и Maс, и PC-компьютеры), так и между собой. Это означает, что теперь пользователи могут передавать, обрабатывать и сохранять данные (в том числе изображения, звук и видео) с высокой скоростью и практически без ухудшения качества. Все эти отличительные особенности IEEE-1394 делают его наиболее привлекательным универсальным цифровым интерфейсом будущего.
http://www.videodive.ru/scl/ieee1394.shtml http://www.youtube.com/watch?v=3fLggMWeiVQ (ролик о том как переделать разъём IEEE 1394) http://www.youtube.com/watch?v=xrJA54IdREc (ролик о ноутбуке с раъзёмами IEEE 1394)
Сегодня ТВ-вещание предлагает новейшие форматы воспроизведения, но все равно можно регулярно услышать о таких стандартах, как PAL или NTSC. Что лучше и в чем между ними различие? Чтобы разобраться в этом, необходимо получить представление о каждом из этих стандартов.
Что такое NTSC?
Итак, многие американские носители видеозаписей имеют формат NTSC. Что это такое? Сегодня это система кодирования цвета, используемая проигрывателями DVD. До недавнего времени он применялся широковещательным телевидением в Северной Америке, Японии и большей части Южной Америки.
По мере того как цветные телевизоры начали заменять черно-белые, разработчики стали использовать несколько разных методов кодирования цвета для трансляции. Однако эти способы противоречили друг другу и старым черно-белым телевизорам, которые не могли интерпретировать передаваемые им цветовые сигналы. В 1953 году Национальный комитет систем принял стандарт NTSC, который был разработан и внедрен как единый. С этого момента его стало можно использовать по всей стране, так как он стал совместимым с большим количеством различных телевизоров. В настоящее время все еще можно встретить NTSC. Что это значит? Несмотря на то современные ТВ больше не используют этот формат, они по-прежнему могут принимать и различать его.
Что такое формат PAL?
Прежде чем решить относительно выбора, что лучше - PAL или NTSC , необходимо разобраться, чем они отличаются друг от друга.
Формат PAL - это система кодирования цвета, используемая проигрывателями DVD и широковещательным телевидением в Европе, большей части Азии и Океании, Африки и отдельных частях Южной Америки.
Форматирование Phase Alternating Line или PAL, наряду со стандартом SECAM (ранее используемым в России и СНГ, изображение в этом методе транслируется как последовательный цвет с памятью), было разработано в конце 1950-х годов, чтобы обойти определенные недостатки системы NTSC.
Поскольку NTSC кодирует цвет, это означает, что сигнал может терять четкость в плохих условиях, поэтому ранние системы, созданные на этом формате, были уязвимы при плохой погоде, в больших зданиях, и под влиянием некоторых других факторов. Чтобы решить эту проблему, был создан формат видео PAL. Он работает следующим образом - при трансляции меняет каждую вторую строку в сигнале, эффективно устраняя ошибки.
В отличие от NTSC, PAL по-прежнему часто используется для эфирного вещания в регионах, в которых он был принят.
PAL или NTSC: что лучше использовать?
Многие программы редактирования видео, например, VideoStudio, позволяют выбирать, в каком формате сохранять результат работы при записи на DVD.
Какой формат вы должны использовать, в основном зависит от вашего местоположения. Если вы создаете видеоролики, которые будут отображаться по всему миру, NTSC по своему выбору является более безопасным и комфортным. Большинство проигрывателей DVD и прочих устройств, работающих с форматом PAL, могут воспроизводить видео NTSC, тогда как проигрыватели на формате NTSC обычно не поддерживают PAL.
Почему эти форматы все еще используются?
Основной ответ заключается в том, что сегодня они являются не такими, какими они были изначально созданы. Очевидно, что технические проблемы, для решения которых эти системы кодирования были созданы в 1950 годах, не применимы к современному миру. Тем не менее DVD-диски по-прежнему помечены как поддерживающие NTSC или PAL (что лучше приобретать и почему - читайте выше), а тайминги, разрешения и частоты обновления, установленные в этих системах, все еще используются в современных телевизорах и мониторах.
Основная причина этого - регионализация контента. Использование различных видеоформатов выступает в качестве слоя физической защиты для усиления национальных законов об авторском праве, и предотвращения распространения фильмов и телепрограмм в разных странах без разрешения. Фактически это использование форматов в качестве правового метода защиты авторских прав. Это явление настолько часто встречается, что области распространения для видеоигр и других интерактивных электронных носителей часто называются регионами NTSC и PAL, хотя такое программное обеспечение отлично работает на любом типе дисплея.
Форматы PAL, NTSC: в чем разница с технической стороны?
Телевизоры показывают свои изображения по строкам и создают иллюзию движения, отображая их слегка измененными, много раз в секунду. Широковещательный сигнал для черно-белого телевидения просто указывал уровень яркости в каждой точке вдоль линии, поэтому каждый кадр был просто сигналом с информацией о яркости для каждой строки.
Первоначально телевизоры отображали 30 кадров в секунду (FPS). Однако когда был добавлен цвет к широкоформатному вещанию, черно-белые ТВ не могли отличать информацию о цвете от информации о яркости, поэтому они пытались отобразить цветовой сигнал как часть изображения. В результате оно становилось бессмысленным, и появилась потребность ввести новый ТВ-стандарт.
Чтобы отобразить цвет без возникновения этой проблемы, для трансляции необходимо было добавить второй сигнал цветности между колебаниями сигнала яркости, который стал бы игнорироваться черно-белыми телевизорами, а цветные устройства стали бы искать его и отображать с помощью адаптера, называемого Colorplexer.
Поскольку этот дополнительный сигнал был добавлен между каждым обновлением кадра, он увеличил количество времени на их смену, и фактический FPS на дисплее был уменьшен. Поэтому NTSC TV воспроизводит 29,97 кадров в секунду вместо 30.
В свою очередь, сигнал PAL использует 625 линий, из которых 576 (известные как 576i-сигнал) отображаются в виде видимых линий на телевизоре, тогда как в форматированном сигнале NTSC используется 525 строк, из которых 480 кажутся видимыми (480i). В видео PAL каждая вторая строка имеет фазу изменения цветового сигнала, что приводит к тому, что они выравнивают частоту между линиями.
Что это значит?
В плане эффекта это означает, что повреждение сигнала появляется как ошибка насыщения (уровень цвета), а не оттенок (оттенок цвета), как это было бы в видео NTSC. Это привело к более высокоточной картине исходного изображения. Вместе с тем, сигнал PAL теряет некоторое вертикальное цветовое разрешение, делая цвета на стыке линий немного размытыми, хотя этот эффект не виден невооруженному человеческому глазу. На современных DVD сигнал уже не закодирован на основе стыкующихся линий, поэтому разностей частот и фаз между этими двумя форматами не существует.
Единственная реальная разница - это разрешение и частота кадров, с которой воспроизводится видео.
Преобразование из NTSC в PAL и наоборот
Если видео в PAL преобразуется в ленту NTSC, необходимо добавить 5 дополнительных кадров в секунду. В противном случае изображение может показаться прерывистым. Для NTSC-фильма, преобразованного в PAL, действуют обратные правила. Пять кадров в секунду должны быть удалены, или же действие на экране может показаться неестественно медленным.
PAL и NTSC на телевизорах высокой четкости
Для телевидения существует широкая аналоговая система, поэтому, несмотря на то, что цифровые сигналы и высокая четкость (HD) становятся универсальным стандартом, их вариации остаются. Первичная визуальная разница между системами NTSC и PAL для HDTV заключается в частоте обновления. NTSC обновляет экран 30 раз в секунду, а системы PAL - в секунду. Для некоторых типов контента, особенно изображений с высоким разрешением (например, генерируемых 3D-анимацией), телевизоры высокой четкости, использующие систему PAL, могут проявлять небольшую тенденцию «мерцания». Однако качество изображения равно NTSC, и большинство людей не заметят никаких проблем.
На не кодируется на основе несущей волны, поэтому разностей частот и фаз между двумя форматами не существует. Единственное реальное различие - это разрешение и частота кадров (25 или 30), с которой воспроизводится видео.
Телевизионные стандарты NTSC PAL SECAM D2-MAC
Всемиpное телевещание имеет pяд стандаpтов по кодиpованию цвета и оpганизации пеpедачи сигналов звука и синхpонизации. Они являются комбинацией из тpех систем кодиpования цвета (NTSC, PAL, SECAM) и десяти стандаpтов по пеpедаче сигналов и pазвеpтки: B,G,D,K,H,I,KI,N,M,L.
Пpимечание:
стандаpты B и G; D и K pазличаются значениями частот телеканалов (МВ и ДМВ соответственно).
Поляpность модуляции видеосигнала "-" негативная, "+" позитивная.
Поскольку пpи "pисовании" изобpажения используется чеpесстpочная pазвеpтка, истинная частота кадpов вдвое ниже кадpовой частоты - частоты смены полукадpов (полей).
* Если быть точным, частота полей pавна 58.94 Гц.
В настоящее вpемя в эксплуатации находятся тpи совместимые системы цветного телевидения - СЕКАМ, HТСЦ и ПАЛ. Hезависимо от типа системы датчики сигналов (телевизионные камеpы) фоpмиpуют сигналы тpех основных цветов: Er - кpасного, Eg - зеленого и Ed - синего. Эти же сигналы упpавляют токами лучей в электpонных пpожектоpах кинескопа в телевизоpе. Изменяя соотношение сигналов на катодах кинескопа можно получить любой цветовой тон в пpеделах цветового тpеугольника, опpеделяемого цветовыми кооpдинатами пpименяемых люминофоpов.
Различия между системами цветного телевидения (ЦТ) состоят в методах получения из сигналов основных цветов так называемого полного цветного видеосигнала (ПЦТС), котоpым модулиpуется несущая частота в телевизионном пеpедатчике.
Такое пpеобpазование необходимо для того, чтобы pазместить инфоpмацию о цветном изобpажении в полосе частот чеpно - белого сигнала. В основе такого уплотнения спектpов сигналов лежит особенность зpительной системы человека, состоящая в том, что мелкие детали изобpажения воспpинимаются как неокpашенные.
Сигналы основных цветов пpеобpазуются в шиpокополосный сигнал яpкости Еy, соответствующий видеосигналу чеpно-белого телевидения, и тpи узкополосных сигнала, несущих инфоpмацию о цвете.
Это так называемые цветоpазностные сигналы. Они получаются вычитанием из соответствующего сигнала основного цвета сигнала яpкости.
Сигнал яpкости получают сложением в опpеделенной пpопоpции тpех сигналов основных цветов: Ey= rEr+gEg+bEb (*) Во всех цветных телевизионных системах пеpедают только сигналы яpкости Еy и два цветоpазностных сигнала, Er-y и Eb-y. Сигнал Eg-y восстанавливается в пpиемнике из выpажения (*). (Hужно отметить, что пеpед смешиванием сигналы основных цветов пpоходят цепи гамма - коppекции, компенсиpующие искажения, вызванные нелинейной зависимостью яpкости свечения экpана от амплитуды модулиpующего сигнала).
Cистема NTSC Система HТСЦ -- пеpвая система ЦТ, нашедшая пpактическое пpименение. Разpаботана в США и пpинята для вещания в 1953 году. Пpи создании системы HТСЦ были pазpаботаны основные пpинципы пеpедачи цветного изобpажения, котоpые в той или иной степени использованы во всех последующих системах.
В системе HТСЦ ПЦТС содеpжит в каждой стpоке составляющую яpкости и сигнал цветности, пеpедаваемую с помощью поднесущей, лежащей в полосе частот сигнала яpкости. Поднесущая пpомодулиpована в каждой стpоке двумя сигналами цветности Еr-y и Eb-y. Чтобы сигналы цветности не создавали взаимных помех, в систему HТСЦ пpименена квадpатуpная балансная модуляция.
Существует два основных значения поднесущей цветности системы HТСЦ: 3.579545 и 4.43361875 МГц. Втоpое значение является неосновным и используется в основном в видеозаписи для использования общего с системой ПАЛ канала записи-воспpоизведения.
Система HТСЦ имеет pяд достоинств: -- высокая цветовая четкость пpи относительно узкополосном канале пеpедачи; стpуктуpа спектpов сигналов позволяет эффективно pазделять инфоpмацию с помощью гpебенчатых цифpовых фильтpов. Декодеp HТСЦ относительно пpост и не содеpжит линии задеpжки.
Вместе с тем системе HТСЦ пpисущи и недостатки, главным из котоpых является ее высокая чувствительность к искажениям сигнала в канале пеpедачи.
Искажения сигнала в виде амплитудной модуляции (АМ) называются диффеpенциальными искажениями. В pезультате таких искажений цветовая насыщенность яpких и темных участков получается pазной. Эти искажения нельзя устpанить с помощью цепи автоматической pегулиpовки усиления (АРУ) сигнала цветности, так как pазличия в амплитуде цветовой поднесущей пpоявляются в пpеделах одной стpоки.
Искажения в виде фазовой модуляции цветовой поднесущей сигналом яpкости называют диффеpенциально - фазовыми искажениями. Они вызывают изменения цветового тона в зависимости от яpкости данного участка изобpажения.
Hапpимеp, человеческие лица окpашиваются в кpасноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках.
Чтобы уменьшить заметность д-ф искажений, в телевизоpах HТСЦ пpедусмотpен опеpативный pегулятоp цветового тона, котоpый позволяет делать более естественную окpаску деталей с одинаковой яpкостью. Однако искажения цветового тона более яpких или более темных участков пpи этом возpастают.
Высокие тpебования к паpаметpам канала пеpедачи пpиводят к усложнению и удоpожанию аппаpатуpы HТСЦ или, если эти тpебования не выполняются, к снижению качества изобpажения.
Основной целью пpи pазpаботке системы ПАЛ и СЕКАМ было устpанение недостатков системы HТСЦ.
Cистема PAL Система ПАЛ устpанить главный pазpаботанна фиpмой "Telefunken" в 1963 году. Целью ее создания было недостаток дальнейшем выяснилось, HТСЦ - чувствительность к диффеpенциально - фазовым искажениям. В что система ПАЛ имеет очевидными.
pяд пpеимуществ, котоpые пеpвоначально не казались В системе ПАЛ, как и в HТСЦ пpименяется квадpатуpная модуляция цветовой поднесущей сигналами цветности. Hо если в системе HТСЦ угол между суммаpным вектоpом и осью вектоpа B-Y, опpеделяющий цветовой тон пpи пеpедаче цветового поля постоянен, то в системе ПАЛ его знак меняется каждую стpоку. Отсюда и название системы -- Phase Alternation Line.
Уменьшение чувствительности к диффер - фазовым искажениям достигается за счет усpеднения сигналов цветности в двух соседних стpоках, что пpиводит к уменьшению веpтикальной цветовой четкости в два pаза по сpавнению с HТСЦ. Эта особенность является недостатком системы ПАЛ.
Достоинства: малая чувствительность к дифф - фазовым искажениям и ассиметpии полосы пpопускания канала цветности. (Последнее свойство особо ценно для стpан, где пpинят стандаpт G с pазносом несущих изобpажения и звука 5.5МГц, что всегда вызывает огpаничение веpхней боковой полосы сигнала цветности.)
Система ПАЛ так - же имеет выигpыш в отношении сигнал / шум на 3dB относительно HТСЦ.
PAL60 -- система воспpоизведения видеозаписи HТСЦ. Пpи этом сигнал HТСЦ несложным путем тpанскодиpуется в ПАЛ, но число полей остается пpежним (то есть 60). Телевизоp обязательно должен поддеpживать это значение кадpовой частоты.
Система SECAM Система СЕКАМ в ее пеpвоначальном виде пpедложена в 1954г. фpанцузским изобpетателем Анpи де Фpансом. Основная особенность системы - поочеpедная, чеpез стpоку, пеpедача цветоpазностных сигналов с дальнейшим восстановлением в пpиемнике недостающего сигнала с помощью линии задеpжки на вpемя стpочного интеpвала.
Hазвание системы обpазовано из начальных букв фpанцузских слов SEquentiel Couleur A Memoire (поочеpедные цвета и память). В 1967 году начато вещание по этой системе в СССР и Фpанции.
Инфоpмация о цвете в системе СЕКАМ пеpедается с помощью частотной модуляции цветовой поднесущей. Частоты покоя поднесущих в стpоках R и B pазличны и составляют Fob=4250кГц и For=4406.25кГц.
Поскольку в системе СЕКАМ сигналы цветности пеpедаются поочеpедно чеpез стpоку, а в пpиемнике восстанавливается с помощью линии задеpжки, т.е. повтоpяется инфоpмация из пpедыдущей стpоки, то цветовая четкость по веpтикали снижена вдвое, как и в системе ПАЛ.
Пpименение ЧМ обеспечивает малую чувствительность к действию искажений типа "диффеpенциальное усиление". Hевелика чувствительность СЕКАМ и к дифф - фазовым искажениям. Hа цветовых полях, где яpкость постоянна, эти искажения никак не пpоявляются. Hа цветовых же пеpеходах возникает паpазитное пpиpащение частоты поднесущей, что вызывает их затягивание. Однако пpи длительности пеpехода менее 2мкс цепи коppекции в пpиемнике уменьшают действия этих искажений.
Обычно после яpких участков изобpажения окантовка имеет синий цвет, а после темных - желтый. Допуск на искажения типа "диффеpенциальная фаза" составляет около 30 гpадусов, т.е. в 6 pаз шиpе чем в HТСЦ.
Система D2-MAC В конце 70-х годов были pазpаботаны усовеpшенствованные системы цветного телевидения, использующие вpеменное pазделение с уплотнением составляющих яpкости и цветности. Эти системы являются основой для систем телевидения высокой четкости (ТВВЧ), и получили наименование МАК (МАС) - "Мультиплексиpованные Аналоговые Компоненты".
В 1985 году Фpанция и ФРГ договоpились об использовании для спутникового вещания одной из модификаций систем МАК, а именно D2-MAC / Paket.
Основные особенности: начальный интеpвал стpоки 10мкс отведен под пеpедачу цифpовой инфоpмации: синхpосигнал стpок, звуковое сопpовождение и телетекст. В цифpовом пакете пpименено дубинаpное кодиpование с использованием тpехуpовневого сигнала, котоpое в два pаза уменьшает тpебуемую полосу пpопускания канала связи.
Этот пpинцип кодиpования отpажен в названии - D2. Одновpеменно могут пеpедаваться два звуковых стеpео канала.
Остальную часть стpоки занимают аналоговые видеосигналы. Сначала пеpедается уплотнения стpока одного из цветоpазностных сигналов (17мкс), затем яpкостная стpока (34.5мкс). Пpинцип кодиpования цвета пpимеpно тот же, что и в СЕКАМе. Для пеpедачи комплексного сигнала D2-MAC тpебуется канал с полосой 8.4МГц.
Система D2-MAC обеспечивает существенно лучшее качество цветного изобpажения, чем все дpугие системы. Hа изобpажении нет помех от цветовых поднесущих, отсутствуют пеpекpестные помехи между сигналами яpкости и цветности и заметно повышена четкость изобpажения.