Перейти к основному содержимому

Телевидение

Краткая история телевидения​

Мы, наконец, дошли до эпохи телевидения.

Рисунок 1. Фототелеграф.Со времени появления телеграфа и потом радио ученые и инженеры пытались приладить их к передаче изображения. Это даже получалось -- вы, возможно, помните такое устройство как факс, до этого использовался фототелеграф.

Помните, в “Мастере и Маргарите” поэт Бездомный слал телеграммы, а потом для пущей убедительности послал документ фототелеграфом? Это изобретение первых лет двадцатого века.

https://rutube.ru/video/e86e14b76e14ff7aa846ba2b89e72da4/

Немногим позже появилось механическое телевидение. Выглядело оно неубедительно, а до изобретения электронного телевидения, дошедшего до наших дней, дошли два российских ученых: профессор Борис Львович Розинг и его ученик Владимир Козьмич Зворыкин.

Розинг еще в 1911 году показал работу электронно-лучевой трубки для воспроизведения неподвижных фигур, но до коммерчески-пригодного продукта идею телевидения довел его ученик Зворыкин. Правда, уже в США, куда он уехал после революции, устроился в компанию RCA. Патент на телевидение датируется 1923 годом. Рисунок 2. Телевизионная камера на олимпийских играх 1936 года в Берлине.

В 1931 году Зворыкин создал иконоскоп -- передающую телевизионную трубку. И уже через год компанания RCA начала вещание в Нью Йорке.

В 1934 году технологию экспортировали в Германию, откуда велась трансляция олимпиады 1936 года, а в 37 году они оснастили Московский телецентр и тогда в СССР начали производство телевизоров.

Телевизоры того времени были большими, а экраны у них -- маленькими по размеру и по разрешению: они показывали всего 343 строки. Для сравнения, современный стандарт телевещания -- это 1080 строк.

Способ формирования плоского изображения на телеэкране называется “сканирующим”. То есть, луч бегает по экрану, проходя его строка за строкой сверху вниз, потом, гаснет, возвращается и повторяет свой путь.

В случае с кино частая смена картинок воспринимается глазом как движение -- здесь технология использует свойство инертности зрения. Человек не приспособлен видеть слишком часто изменяющиеся изображения. Говорят же, что кино -- это сплошной обман. И это верно: даже в самом правдивом фильме кинопроектор быстро подменяет картинки, тем обманывает ваше зрение, мозг думает, что там и правда что-то движется.

А телевидение? Тут тоже обман, еще хуже. В кино хоть показывали фотографии, а тут просто точку на экране. Удивительно, но свою славу, богатство и распространение в мире телевидение получило, рисуя на стеклянном экране светящуюся точку. Можно быть точкой, важно -- двигаться в такт и зажигать.

Рисунок 3. Электронно-лучевая трубка.

В чем суть изобретения Зворыкина: если заставить светящийся луч сканировать поверхность экрана, в то же время изменяя свою яркость, то получится набранное из полосок света, то есть, из строк, двухмерное изображение, где каждая строка состоит из света, меняющего по ходу строки свою яркость. Следующий проход луча по той же строке рисует немного другую картину, что создает иллюзию движения.

А как же мы смотрим на бегающий луч, но при этом видим плоское изображение?

Конечно, телевизоры и мониторы с электронно-лучевой трубкой уже ушли из бытовой жизни, но поверьте -- там по экрану действительно бегал луч, а смотрели на вполне живое изображение. Даже более плавное, чем в кино.

Здесь телевидение использует тот же обман, что и кино -- инертность зрения. Чтобы лучше верилось, на экран наносится вещество, которое светится некоторое время после облучения лучом из электронной пушки. Это вещество называется люминофор -- от слова luma “яркость”. Пока люминофор погаснет, луч успевает обежать весь экран и вернуться.

Чтобы это затухание не бросалось в глаза, луч проходит экран в два прохода: то нечетные, то четные строки. Получается, что луч проходит по близким местам вдвое чаще, чем при построчном сканировании, а каждый полный кадр состоит из двух полукадров или, как говорят телевизионщики -- полей.

Рисунок 4. Прогрессивная и чересстрочная развертка в телевизионной передаче.

  • Когда луч проходит все строки подряд, это называется построчной разверткой, в английском -- progressive scan.
  • Когда луч чередует четные и нечетные строки, это называется чересстрочной разверткой, по-английски -- interlacing.

Казалось бы, зачем это нам, современным людям со смартфонами, планшетами и ноутбуками? Мы уже забыли, куда вставляется DVD, --  а это был последний стандарт, где повсеместно использовалась чересстрочная развертка.

Тем не менее, вы не только встретите этот анахронизм, но и увидите артефакты кодирования, когда забывали учесть чересстрочную структуру телевизионной картинки.

Стандарты частоты кадров в телевидении​

В США в 1941 году был принят стандарт 525 строк чересстрочной развертки с частотой 60 полукадров в секунду. В СССР был разработан стандарт 625 строк с частотой 50 полукадров в секунду, но из-за войны его внедрение затянулось и стандарт был принят только в 1944 году,  вещание началось в 1948, а в 1952 году такой же стандарт приняли в большинстве других стран. Так мир разделился на американские 525 строк и “европейские” 625 строк. Но разделение было на самом деле не по строкам, а по частоте кадров.

Здесь мы подходим к вопросу о том, почему же частота кадров в телевидении отличается от частоты кадров в кино.

Как выбирали частоту кадров в кино, мы уже поняли, с телевидением вышло сложнее.

И вот, спустя всего пять лет  после стандартизации 24 кадров в секунду в кино Зворыкин принимает для телевидения частоту в 30 кадров, а точнее -- в 60 полукадров в секунду. Как же так получилось?

Зворыкину, как и его конкурентам было не до кино. Телевизионная техника была электронной, а электроника в то время была дорогой и громоздкой.

Рисунок 5. Кадр из фильма "Назад в будущее".Вспомните фильм Назад в будущее -- там хорошо показано, как за 30 лет с пятидесятых по восьмидесятые годы миниатюризировалась электроника: на смену громоздким радиолампам пришли полупроводниковые микросхемы и сгоревшую микросхему пришлось заменять весьма увесистой сборкой на капоте из доступной в 50-е годы элементной базы.

Тогда обычный транзистор был ещё в новинку.

::: success Телевизор -- это радиоприёмник, для которого очень важно точно попадать в такт...

:::

Но не в музыкальный, а в строки: изображение будет показано только если луч будет в нужный момент оказываться в нужном месте экрана. Это и есть развертка -- мы передаем изображение не целиком, как в кинематографе, а  по строкам, вытягивая его в линейный сигнал. Это важно запомнить:

::: success Телевизионное изображение -- не статичное, как кинокадр, это изменяющийся во времени последовательный сигнал.

:::

Есть в телевидении понятия кадр и полукадр, но на самом деле это условность и значат они не то же самое, что в кино. В каждый момент времени луч рисует текущее состояние точки, в которой он находится.

Кстати, в кино “кадр” -- тоже не про отдельную фотографию в последовательности других фотографий, это фрагмент от включения до выключения камеры или от одной монтажной склейки до другой. Такая вот путаница. Но про монтаж мы поговорим позднее.

Рисунок 6. Стандарты электропитания в разных странах.Чтобы вся эта сложная система работала синхронно, нужны были генераторы частоты. А где взять какую-нибудь близкую к киношной частоту в бытовых условиях?

Нашли ее совсем рядом -- в электрической розетке. Телевизоры уж точно были привязаны к электропитанию от сети, там же они брали и кадровую частоту: в Америке 60 Герц, в Европе -- 50 Герц. Так уж сложилось, что электрические сети у нас работают на разных частотах.

Но ни 50, ни 60 Герц совсем не похожи на 24 кадра в секунду.

Тут мы перейдем к тому, как формируется изображение на экране телевизора.

Датчик телекамеры считывает изображение строками, причем, через строку, проходя последовательно все четные, потом все нечетные строки по экрану сверху вниз. Датчиком сначала был иконоскоп, в итоге пришли к использованию полупроводниковых матриц.

Этот сигнал, прямо по мере считывания, передается по каналу связи на приёмники, где в итоге поступает в кинескоп и там луч рисует по люминофору такие же строчки, тоже через одну.

Почему через одну? Чтобы быстрее пройти по всей площади экрана -- так получается более равномерная засветка экрана, чем при построчном сканировании, а значит не так заметно мерцание экрана.

Получается, луч дважды проходит экран за время одного кадра. Если мы синхронизируемся с частотой электросети, то получается, что 50 раз в секунду -- это как раз два прохода для 25 кадров в секунду. Аналогично у американцев с их 30 кадрами в секунду и 60 Герцами в электросети.

Что тут важно: мы видим более плавное движение, чем в кино, а еще передача изображения проходит практически без задержек.

Прямой эфир

Истории первых трансляций, спутникового и поясного вещания -- это уже на любителя. Заметим, что первые телепередачи с 1930х годов шли в прямом эфире. Строго говоря, все телепередачи идут в прямом эфире, просто не всегда источником сигнала является камера. Магнитная видеозапись появилась в 50х, хотя и раньше записи использовали -- воспроизводили их с кинопленки.

Интересно, что и в прямом эфире монтаж появился не сразу. Например, в Московском телецентре первое время стояла только одна камера, а значит, и не было привычного режиссера за пультом, чтобы переключать камеры, которые видит зритель.

Позже мы подробнее рассмотрим, как устроена телестудия, а желающие смогут собрать себе студию по вкусу и бюджету.

Современное телевидение стало цифровым. Цифра здесь -- не только в студии, но и в передаче по кабелям, и в эфире. Это уже потоковая передача. И здесь есть большая разница между ip-телевидением и интернет-вещанием. Там много отличий, я здесь остановлюсь на одном.

  • IP-телевидение, подобно эфирному, вещает один сигнал, точнее, уже поток, всем, кто настроился на него. В сетях это называется multicast.
  • В интернет не работает мультикаст, и на самом деле вещание в интернете -- это много отдельных персональных трансляций. В сетях это называется unicast. Причем, в большинстве случаев именно трансляций, а не видеоконференций, речь идет о передаче маленьких кусочков записей -- чанков (chunks), которые на стороне зрителя собираются в непрерывный поток. То есть, строго говоря, это плейлист записей, просто довольно-таки свежих -- появившихся меньше минуты назад. Про это мы поговорим в теме о протоколах видеостриминга.

На этом с историей закончим, перейдем к современности.

Вложения​