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 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


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.

Поскольку цветоразностных сигналов два, в реальности стандарт SECAM D/K выделяет две поднесущение частоты для передачи цветностной информации: f_R-Y = 4,25 МГц и f_B-Y = 4,406 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 4×3). 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.

Примеры тестовых таблиц

Изначально в качестве генераторов тестовых таблиц выступали эталонные телевизионные камеры с видиконами, на рабочей поверхности которых было «впечатано» специально подготовленное изображение испытательной таблицы. В дальнейшем, были разработаны электронные генераторы тестовых сигналов, в которых видиконы не использовались. 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 здесь.

На западе была стандартизирована настроечная таблица EIA немного другой формы.

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

Тем, кому хочется самостоятельно изготовить тестовую чернобелую таблицу на примере EIA, рекомендую скачать векторный вариант таблицы (оригинал). А если хотите изготовить аналог отчественной тестовой таблицы, скачайте растровый вариант таблицы 0249 (3072×2403), 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 (источник)

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 720×576. 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.