Стандарты телевизионных сигналов

Рассмотрим некоторые особенности стандарта телесигнала цветного телевидения на примере SECAM D/K. Как известно, система цветного телевидения была вынуждена «вписаться» в уже существующий стандарт черно-белого телевидения. Поэтому цветовую информацию, представленную цветоразностными сигналами, подмешивают в стандартный спектр яркостного сигнала. Это возможно потому, что видеосигнал имееет не сплошной, а дискретный, прерывистый спектр, так как основная мощность сигнала концентрируется на частотах, кратных гармоникам частоты строчной развертки, между которыми имеются «промежутки». Цветоносную поднесущую размещают в высокочастотной части спектра (на частоте 4,43 МГц) для того, чтобы не проявлялись помехи на черно-белых телевизорах в виде мелкоструктурной сетки. Причем поднесущая должна быть нечетной гармоникой половины строчной частоты (f_z).

Идеализированный спектр телевизионного сигнала отечественного стандарта SECAM D/K

• Частота цветовой поднесущей f_c = 4429688 Гц ~ 4,43 МГц.
• Полоса частот (на уровне 6 дБ) яркостного сигнала E_Y составляет 6,25 МГц
• Полоса частот сигналов цветности E_R-Y = E_B-Y = 1,5 МГц.

Чёткость телеизображения

Для того чтобы количественно оценить четкость изображения, принято считать количество отдельно различимых вертикальных и горизонтальных линий. Так как яркостная составляющая имеет более широкий (в 4 раза) спектр, чем цветокодирующая, то различают разрешающую способность в канале яркости и цветовое разрешение. Далее будет рассматриваться разрешение по каналу яркости.

Чёткость (различимость) мелких деталей по высоте кадра видеоизображения можно оценить в 575 реальных строк, так как время на прорисовку остальных 50 строк из 625 затрачивается на время обратного хода луча. При условии равной чёткости по вертикали и горизонтали получается, что в строке изображения должно быть различимо около 768 элементов (при пропорциях кадра 4x3). Чтобы соотнести измеренные значения разрешения по вертикали и по горизонтали к одному масштабному коэффициенту, была введена единица измерения ТВЛ (ТВ линия). N ТВЛ означает, что изображение имеет разрешение в N линий на единицу условного линейного размера, в качестве которого был взят вертикальный размер изображения. Отсюда следует, что для пересчёта в ТВЛ измеренного количества линий по горизонтали необходимо умножить это значение на 575/768 (или на 576/768 для цифровых стандартов).

Для визуального измерения разрешения телеизображения используют специальные настроечные тестовые таблицы, в которых изображаются группы линий переменной толщины — «клинья». Если можно различить линии у некотороый отметки, то считают, что разрешающая способность системы позволяет воспроизвести данное значение ТВЛ по выбранному направлению.

Тестовый клин настроечной таблицы ч/б телевидения.

Можно самостоятельно попробовать прикинуть максимальное разрешение по горизонтали, основываясь на данных о ширине спектров. Так как четкость (количество различимых чернобелых линий) мы договорились оценивать в яркостном канале, то для развертки одного элемента (черного или белого) достаточно

где f_max — верхняя граница частотного спектра сигнала. То есть на отрисовку одного элемента требуется половина минимального периода сигнала. Дальше, в секунду нужно передать следующее количество элементов:

где N_L — количество строк, N_P — количество элементов в строке, N_F — число кадров в секнду. Отсюда можно выразить приблизительное количество элементов в строке для идеальной системы:

N P = 0.875·2· f max N L ·N F =0.875·2· 6.25 МГц 625 · 25 ≈ 700 0.875 = ( 64 мкс – 8 мкс ) 64 мкс = 7 8 ,

 — отношение времени развертки по строке ко времени полного строчного цикла. Отсюда следует, что при данной ширине спектра сигнала чёткость телеизображения по горизонтали ограничена сверху значением 525 ТВЛ. Вещательные телевизионные камеры и видеомагнитофоны обрабатывают и передают видеосигналы с более высоким разрешением по горизонтали, которое достигается благодаря увеличенному вдвое спектру сигнала.

Примеры тестовых таблиц

Изначально в качестве генераторов тестовых таблиц выступали эталонные телевизионные камеры, экспонирующие печатные оттиски специально подготовленных изображений. В дальнейшем, были разработаны автономные генераторы тестовых сигналов, в которых отсутствовала связка изображение-телекамера. На территории Советского Союза была широко распространена знакомая многим тестовая таблица 0249 чернобелого телевидения.

Настроечная тестовая таблица 0249 советского ч/б ТВ (восстановлено с потрёпанного временем фотографического отпечатка). Вариант таблицы для печати можно скачать .

На западе была стандартизирована настроечная таблица EIA немного другой формы.

Настроечная тестовая таблица для ч/б ТВ () стандарта EIA.

Тем, кому хочется самостоятельно изготовить тестовую чернобелую таблицу на примере EIA, рекомендую скачать векторный вариант таблицы (). А если хотите изготовить аналог отчественной тестовой таблицы, скачайте растровый вариант (3072x2403), который я восстановил с потрёпанного временем фотографического отпечатка, служившего в своё время рабочим инструментом для моего отца.

Приведённую ниже тестовую таблицу для цветного ТВ можно записать на DV камеру и использовать её в качестве «кустарного» генератора тестовой таблицы для цветных телевизионных приёмников стандартного разрешения.

Настроечная тестовая таблица для цветного ТВ ()

540 ТВЛ — разве это предел для DV? А я вижу 600! 

У читателя, который пробовал измерить разрешение своей бытовой цифровой видеокамеры с помощью тестовой таблицы и монитора компьютера, может возникнуть вопрос: почему DV-камера, имеющая максимальное теоретическое разрешение в 540 ТВЛ, выдаёт такую картинку, на которой и 600 ТВЛ различимо? Тут может быть два дополняющих друг друга объяснения. Во-первых, значения 540 и 600 не сильно друг от друга отличаются при условии домашнего измерения, когда не всегда удаётся точно скадрировать тестовую таблицу по всему видимому полю изображения. А во-вторых, имеет место быть эффект интерполяции и интерференции наложения растровых полей: самой таблицы, растровой светочувствительной матрицы видеокамеры и растрового цифрового DV-кадра, имеющего разрешение 720x576. Взгляните на приведённый ниже пример.

Фрагменты тестового вертикального клина на растре (один к одному и увеличенные в 25 раз): со 100% контрастом и с уменьшенным на 20% разрешением.
В обоих случаях при визуальном оценивании человек видит различимые чернобелые линии.

Исходный фрагмент содержит 21 чернобелую линию. После уменьшения разрешения по горизонтали на 20% мы снова различаем отдельные линии, но их стало не 21, а 15. Поэтому при визуальном контроле человеку кажется, что он различает линии на вертикальном клине у отметки в 600 ТВЛ, хотя на самом деле часть линий просто не отображается. Так что при определении разрешения цифровых устройств с помощью визуальной оценки тестовой таблицы надо быть внимательным.