Текст книги "CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии"

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 42 страниц)

Рис. 4.18. Стандартная последовательность цветовых полос в телевидении

Разрешение

Разрешение – это свойство системы показывать мелкие детали. Чем выше разрешение, тем больше деталей мы видим. Разрешение ТВ-изображения зависит от числа активных строк развертки, качества телекамеры, монитора и средств передачи информации.

Так как мы используем двумерные устройства (ПЗС-матрицы и ЭЛТ), мы различаем два вида разрешения: разрешающую способность по вертикали и разрешающую способность по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали (вертикальное разрешение) определяется числом вертикальных элементов, которые можно фиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. Когда много идентичных вертикальных элементов собраны в направлении сканирования, мы получаем очень плотные горизонтальные строки. Поэтому мы говорим, что вертикальное разрешение сообщает нам, сколько горизонтальных линий мы можем различить. Считаются черные и белые строки, подсчет производится по вертикали. Понятно, что итоговый результат ограничен числом сканируемых строк в данной системе – нельзя насчитать больше 625 линий в системе CCIR или больше 525 в системе EIA. Принимая во внимание длительность кадровой (вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается в CCIR до 575, а в EIA до 475.

Рис. 4.19

Рис. 4.20. Цветной экран крупным планом

Однако, это все же не действительное вертикальное разрешение. Обычно разрешение измеряется при помощи определенного изображения, помещаемого перед камерой, и здесь необходимо учитывать множество факторов. Во-первых, абсолютная позиция предполагаемого горизонтального испытательного изображения с высоким разрешением никогда точно не соответствует чересстрочному изображению. Кроме того, существование нерабочей зоны на экране монитора срезает небольшую часть видеоизображения, ограничена толщина электронного луча и ограничена «сетка» воспроизведения цвета.

Еще в 1933 г. Келл (Kell) и его коллеги обнаружили в ходе экспериментов, что при вычислении «реального» вертикального разрешения следует применять поправочный коэффициент, равный 0.7. Он известен как коэффициент Келла (или Келл-фактор) и является общепринятым способом аппроксимации реального разрешения. Это означает, что 575 следует скорректировать (умножить) на 0.7, чтобы получить практические границы вертикального разрешения для PAL, которое равняется примерно 400 ТВ-линиям. Та же операция выполняется в отношении сигнала NTSC, и в результате мы получаем приблизительно 330 ТВ-линий (строк) вертикального разрешения. Эти значения истинны в идеальном случае, то есть, в случае идеальной передачи видеосигнала.

Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разрешение) определяется несколько иначе. Горизонтальное разрешение определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. И, аналогично тому, что мы сказали относительно вертикального разрешения, горизонтальное разрешение сообщает нам, сколько вертикальных линий можно подсчитать.

Кое-чем оно отличается. Поскольку соотношение сторон в телевидении составляет 4:3, то ширина больше высоты. Чтобы сохранить естественные пропорции изображений, мы считаем только вертикальные линии по ширине, эквивалентной высоте, т. е. 3/4 от ширины. Вот почем мы называем горизонтальное разрешение ТВ-линиями, а не просто линиями, что

Рис. 4.21. Генератор качающейся частоты (макс. 12 МГц) позволяет проверить полосу частот монитора высокого разрешения (на иллюстрации указано 9 МГц, соответствует примерно 700 ТВ-линиям)

Горизонтальное разрешение монохромной (ч/б) ТВ-системы теоретически ограничено только поперечным сечением электронного луча, электроникой монитора и, естественно, спецификациями камеры. В действительности, существует много других ограничений. Одно из них – это ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи. Даже при том, что в ТВ-студии могут быть камеры с высоким разрешением, мы передаем только 5 МГц видеоспектра (как указывалось выше); поэтому производителям совершенно не нужно выпускать ТВ-приемники с более широкой полосой частот. В видеонаблюдении, тем не менее, ширина полосы видеосигнала диктуется, главным образом, самой камерой, так как ч/б мониторы имеют очень высокое разрешение (до 1000 ТВ-линий), которое ограничено только качественными характеристиками монитора, из которых самые важные – это точность и поперечное сечение электронного луча.

У системы цветного ТВ есть еще одно препятствие: физический размер цветовой маски и ее шаг.

Цветовая сетка имеет форму очень мелкой решетки. Эта решетка используется для разделения на три основных цвета – красный, зеленый и синий. Число элементов цветного изображения (точки RGB) в решетке определяется размером экрана монитора и качеством ЭЛТ. В видеонаблюдении доступно любое число ТВ-линий: от 330 (горизонтальное разрешение) до 600. Самый распространенный стандарт мониторов – 14 (дюймов) с разрешением 400 ТВ-линий. Напоминаем, что мы говорим о ТВ-линиях, которые в горизонтальном направлении дают нам абсолютное максимальное число 400x4/3 = 533 различимых вертикальных линий.

В видеонаблюдении, подобно вещательному ТВ, мы не можем изменять вертикальное разрешение, так как мы ограничены числом, определенным системой развертки. Именно поэтому мы редко рассматриваем проблему вертикального разрешения. Общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВ-линий для CCIR и 330 ТВ-линий для EIA. Горизонтальное разрешение мы можем менять, и оно зависит от горизонтального разрешения камеры, качества средств передачи информации и монитора. В видедонаблюдении часто используются камеры с 570 ТВ-линиями горизонтального разрешения, которое соответствует максимуму приблизительно в 570x4/3 = 760 линий по ширине экрана. Камера такого типа считается камерой с высоким разрешением. В ч/б камере со стандартным разрешением горизонтальное разрешение будет составлять 400 ТВ-линий.

Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует простое соотношение. Если взять одну строку видеосигнала, активная продолжительность которого равна 57 микросекунд, и распределить его на 80 ТВ-линий, мы получим 80x4/3 = 107 линий. Эти линии, представленные в виде электрического сигнала, напоминают синусоидальные колебания. Так, пара черно-белых строк фактически соответствует одному периоду синусоидальной волны. Поэтому, 107 линий – это приблизительно 54 синусоиды. Период синусоидального колебания равнялся бы 57 мкс/54 = 1.04 мкс. Если применить известное соотношение для времени и частоты, то есть T = 1/f, то мы получим f = 1 МГц. Следующее важное, но очень простое эмпирическое правило, дает нам соотношение между полосой частот сигнала и его разрешением: приблизительно 80 ТВ-линий соответствуют 1 МГц полосе частот.

Инструменты, используемые в телевидении

Обычным электронным мультиметром очень трудно определить свойства видеосигнала. Однако в нашем распоряжении имеются специальные инструменты, которые при правильном использовании позволяют точно описать измеряемый видеосигнал. Это осциллографы, анализаторы спектра и вектороскопы. В большинстве случаев достаточно осциллографа, и я настоятельно рекомендую серьезным специалистам иметь его в своем арсенале.

Осциллограф

Изменение сигнала (по времени) может происходить медленно или быстро. Что считать «медленным» и «быстрым», зависит от многих связанных друг с другом условий. Одно периодическое изменение какого-либо параметра за одну секунду определяется как Герц (Гц). Звуковая частота 10 кГц соответствует 10000 колебаний в секунду. Человеческое ухо может воспринимать частоты в диапазоне от 20 Гц до 15000-16000 Гц. Видеосигнал, в соответствии с упомянутыми выше стандартами, может иметь частоту от примерно 0 Гц до 5-10 МГц.

Чем выше частота, тем точнее детали в видеосигнале.

Насколько высокую частоту мы можем использовать, зависит, прежде всего, от снимающего устройства (камеры), но также и от средств передачи (коаксиального кабеля, микроволновых средств, волоконной оптики) и средств обработки/воспроизведения (видеомагнитофона, памяти кадров, жесткого диска, монитора).

Временной анализ любого электрического сигнала (в противоположность анализу частоты) можно проводить при помощи электронного инструмента, который называется осциллограф. Осциллограф работает по принципу ТВ-монитора, только в данном случае, сканирование электронного луча следует за напряжением видеосигнала в вертикальном направлении, в то время как по горизонтали единственной переменной является время. С так называемым регулированием временной развертки можно проанализировать видеосигналы от полевого режима (20 миллисекунд) до ширины строчной синхронизации (5 микросекунд).

На фотографии слева мы можем видеть типичный вид видеосигнала CCIR на экране осциллографа.

Результаты измерения, полученные с помощью осциллографа, являются наиболее объективными признаками качества видеосигнала, поэтому этим прибором непременно должен быть оснащен любой серьезный специалист по видеонаблюдению. Во-первых, осциллограф позволяет очень легко видеть качество сигнала, игнорируя любые возможные сбои яркости/контраста на мониторе.

Рис. 4.22. Осциллограф

Можно легко проверить и подтвердить уровни синхронизации видеосигнала независимо от того, имеет ли видеосигнал надлежащую оконечную нагрузку в 75 Ом, насколько далек сигнал (уменьшение амплитуды сигнала и потери высоких частот) и есть ли помехи в конкретном кабеле. Для корректных измерений всегда требуется правильная оконечная нагрузка, то есть, входное полное сопротивление осциллографа высоко и каким бы способом ни устанавливался сигнал, необходимо, чтобы на конце линии передачи сигнала было 75 Ом.

Примеры корректного соединения осциллографа с целью правильного измерения видеосигнала представлены на рис. 4.23.

Рис. 4.23. Как правильно проводить измерения при помощи осциллографа

Рис. 4.24. Измерительный комплекс Tektronix 1781

Анализатор спектра

Как уже говорилось в связи с теорией Фурье, у каждого изменяющегося (по времени) электрического сигнала есть частотное представление. Частотная область описывает амплитуду сигнала по отношению к частоте, а не ко времени. Представление в области частоты позволяет лучше понять состав электрического сигнала. Большая часть видеосигнала приходится на низкие и средние частоты, в то время как мелкие детали передаются на более высоких частотах.

Инструмент, который показывает спектральный состав сигналов, называется анализатором спектра.

Анализатор спектра – дорогое устройство, не являющееся жизненно необходимым для специалиста по видеонаблюдению. Однако при корректном использовании, наряду с генератором тестовых шаблонов, позволяет получить немало ценных данных. Ослабление видеосигнала, корректное выравнивание кабеля, качество сигнала и т. д. – все может быть определено предельно точно. В вещательном ТВ анализатор спектра – необходимая вещь, помогающая удостовериться, что телесигнал не выходит за рамки неких предписанных стандартов.

Рис. 4.25. Анализатор спектра

Вектороскоп

Для измерения цветовых характеристик видеосигнала используется вектороскоп. Это электроннолучевой осциллограф с отображением сигналов на комплексной плоскости. На дисплее вектороскопа основные цвета занимают точно определенные позиции в полярных координатах. Вектороскоп редко используется в видеонаблюдении, но иногда, когда речь идет о воспроизведении конкретных цветов и условий освещения, он бывает необходим.

В большинстве случаев цветная ПЗС-камера имеет автоматический баланс белого, что, как мы уже говорили в разделе о цветовой температуре, компенсирует разницу цветовой температуры источников света. Тем не менее, когда используются камеры с ручной настройкой баланса белого, может понадобиться цветная испытательная таблица, и с помощью вектороскопа можно хорошо настроить цвета, которые должны оставаться в определенных пределах, отмеченных на экране в виде небольших квадратных окошек. Следует отметить, что вектороскоп по-разному показывает одно и то же изображение в формате NTSC и в формате PAL, что объясняется различиями кодировки цвета в этих двух системах. В PAL, как видно на фотографиях, цветовые векторы вертикально симметричны.

Рис. 4.26. Представление цветных полос системы NTSC и PAL на экране вектороскопа

Существует много других полезных инструментов (в действительности предназначенных для телевещательной индустрии), которые можно с успехом использовать в видеонаблюдении. Немного понимания и готовности учиться – и вы сможете количественно определить множество особенностей видеокомпонентов или системы в целом. Некоторые инструменты представляют собой несколько измерительных устройств в одном корпусе Если вы всерьез задумываетесь о видеонаблюдении, то эти устройства следует рассматривать как ценные, необходимые для вашей профессии инструменты.

Рис. 4.27. Измерительный комплекс Tektronix VM700

Телевизионные системы мира

Существует множество вариаций трех главных систем: PAL, NTSC и SECAM. В различных странах приняты полосы телевещания различной ширины, разные частоты цветовой поднесущей и звуковой несущей. Эти вариации обычно обозначаются при помощи суффикса, соседствующего с указанием системы, используемой в данной стране.

В приведенной ниже таблице 4.2 представлены варианты трех главных систем, а на следующих пяти страницах перечислено большинство стран мира и используемые в них стандарты.

Используя новые модели телевизоров и видеомагнитофонов, вы можете не беспокоиться о телевизионном стандарте, так как эти устройства автоматически находят нужный стандарт, но техническим специалистам, конечно, следует знать, какие используются стандарты.

Будем надеяться, что разновидностей новых цифровых стандартов в мире будет намного меньше.

Таблица 4.2

Телевидение высокой четкости (HDTV)

Эпоха телевидения высокой четкости (HDTV – High Definition Television) фактически уже наступила. В этой области проведены многочисленные эксперименты и испытания, и, что еще важнее, данная технология находится на таком этапе развития, когда возможно ее массовое производство. Во многих странах уже началось вещание HDTV, а охват старого аналогового ТВ постепенно сокращается. Предполагается, что окончательный переход к HDTV состоится в США к концу 2006 года, в Австралии – к концу 2008 года.

Будем надеяться, что вскоре такой же переход случится и в сфере видеонаблюдения.

Концепция высокой четкости требует примерно вдвое большего разрешения (горизонтального и вертикального, что дает повышение детализации в четыре раза) и нового формата изображения 16:9 (соотношение сторон кадра), в отличие от существующего формата изображения 4:3. Изменение формата изображения диктуется необходимостью совместимости с большинством киноформатов. Разрешение телевидения высокой четкости обеспечивает качество изображения, близкое к 35-мм фотопленке, а качество звука приближается к качеству компакт-диска.

Рис. 4.28. Сравнение HDTV и аналогового SDTV

Разработка HDTV велась уже более двух десятилетий, и первые тестовые передачи проводились в Японии, Европе и США.

В 1993 году была создана группа организаций и компаний, в которую вошли AT&T™, General Instrument Corporation™, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Philips™, David Sarnoff Research Centre™, Thomson™ и Zenith™ и другие. Эта группа получила название Grand Alliance. Основной задачей, которую поставила перед собой группа Grand Alliance, была оценка существующих технологий и выбор ключевых элементов, которые составили бы основу будущей оптимальной системы HDTV.

В 1995 году группа Grand Alliance одобрила использование кодирования видео, звукового и системного мультиплексирования в том виде, как это реализовано в MPEG-2, то есть тот же формат, что и BDVD.

Были предложены два режима визуального отображения: чересстрочная и прогрессивная (нечересстрочная) развертка.

В настоящее время HDTV является одним из стандартов цифрового телевидения (DTV – Digital Television), который предлагает самое высокое качество изображения. Всего существует 18 форматов DTV, из которых шесть – это форматы HDTV, из которых пять – это форматы с прогрессивной разверткой, а один – с чересстрочной. Еще восемь форматов – это телевидение стандартной четкости (четыре широкоэкранных формата 16:9, и четыре формата со стандартным соотношением сторон 4:3).

Оставшиеся четыре формата – это компьютерные форматы VGA (VGA – video graphics array).

Каждая телевизионная станция сама выбирает удобный формат для вещания. В HDTV используются следующие форматы:

– 720i – 1280x720 пикселов (чересстрочная развертка)

– 720р – 1280x720 пикселов (прогрессивная развертка)

– 1080i – 1920x1080 пикселов (чересстрочная развертка)

– 1080р – 1920x1080 пикселов (прогрессивная развертка)

Чересстрочная развертка здесь означает, что используется такой же тип развертки, как в аналоговом телевидении или видеонаблюдении (о чересстрочной развертке мы уже подробно рассказывали).

Впрочем, с появлением современных телевизоров с большим экраном повышенной яркости инерционность человеческого зрения привела еще к одной проблеме, так как глаз стал замечать мерцание.

Прогрессивная развертка выводит все изображение построчно одна линия за другой, что дает 50 или 60 полных кадров в секунду (в зависимости от региона). Это позволяет получить более плавное обновление изображений, но требует большей полосы пропускания. Для HDTV рекомендуемое расстояние между зрителем и экраном равняется четырехкратной высоте экрана, что позволяет достичь оптимального эффекта.

В качестве алгоритма сжатия изображения в HDTV принят стандарт MPEG-2, а для сжатия звука используется АС-3. Предложенная техника модуляции передачи – квадратурная амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой. Выбранная звуковая технология – 8-канальная цифровая система «объемного звука» Dolby с CD-качеством.

Цифровое наземное телевещание (DTTB – Digital terrestrial transmission broadcast) разрывает ставшую нам привычной связь одного телевизионного канала с одной частотой. DTTB может передавать либо один канал HDTV, либо шесть сервисов (каналов) телевидения стандартной четкости (SDTV), или даже до 10 сервисов с меньшим разрешением. Также как в случае с компьютерными технологиями, здесь можно выбирать скорость потока данных, ширину канала и качество изображения, которые взаимосвязаны.

По сути, тип изображения определяет емкость канала, нужную для передачи. Канал цифрового наземного вещания может потребовать пропускной способности до 20 Мбит/с. Сервисы HDTV будут использовать большую часть (или даже полностью) этой пропускной способности, но сервисы телевидения стандартной четкости потребуют значительно меньшую часть пропускной способности в зависимости от характера видеопотока. Так трансляция различных спортивных соревнований, где присутствует много быстрых движений, потребует до 10 Мбит/с и, следовательно, одновременно можно предоставлять только два сервиса такого рода. Для сравнения, для передачи изображения диктора потребуется уже только 5 Мбит/с.

Системы DTTB могут обеспечивать 6-, 7– и 8-МГц-канальные интервалы при минимальном или почти не заметном с точки зрения стоимости убытке. Австралия использует 7-МГц канальный интервал для аналоговых услуг, США – 6-МГц, Европа – 8-МГц, в некоторых странах используют 7-МГц.

DTTB можно обеспечить в пределах существующих вещательных диапазонов частот, обычно в УВЧ, но также и в метровых диапазонах, используя свободные каналы, соседствующие с каналами аналоговых сервисов.

Из-за технических ограничений, свойственных аналоговым системам, эти каналы зачастую нельзя использовать для дополнительных аналоговых услуг, но можно использовать для DTTB, так как ожидается, что такие приемники будут толерантны к высоким уровням внутриканальных помех и помех совмещенных каналов.

HDTV, естественно, смотрится лучше, четкость и разрешение изображений позволяют использовать экраны намного большего размера. Если первоначально такие экраны создавались на технологии ЭЛТ, позволяющей достичь высокого разрешения, то нельзя было ожидать, что размер диагонали экрана превысит 1 метр. Но благодаря новым технологиям, таким как плазменные панели, FED– или DMD-технологии, а также ЖК (все это мы рассмотрим в гл. 6 «Мониторы»), мы, конечно, увидим большие экраны, размеры которых будут ограничены, наверное, только размерами помещения и расстоянием до зрителя.

Для видеонаблюдения размеры не столь важны, вполне достаточно ЭЛТ-мониторов с высоким разрешением, так как большинство операторов и пользователей, работающих с системами наблюдения, следят за экранами с очень близкого расстояния. Но это не значит, что нельзя избрать иной подход и установить один или два больших монитора – в качестве главных контрольных дисплеев – на значительном расстоянии от зрителя.