Глава 6 (Учебник в электронном виде), страница 10

Р азличают аналоговую и цифровую запись изображений. При аналоговой записи, сигналы записываются на дорожки продольно, поперечно и перпендикулярно направлению движения ленты (рис. 6.35). В первом случае, разноименные магнитные полюса участков расположены на одной и той же стороне рабоче­го слоя (рис. 6.35а). Поперечный вид записи реализуется путем формирования строчек остаточной намагниченности на ленте подвижными магнитными головками, переме­щающимися перпендикулярно ей с большой скоростью (рис. 6.35б). При этом строчки записи уже не оказываются строго поперечными, а имеют некоторый наклон в сторону движения ленты. Разновидностью поперечного вида записи является наклонно-строчный (диагональ­ный) вид, когда магнитные дорожки располагаются под острым углом к направлению движения ленты. Этот вид записи, появившийся в 60-х годах ХХ века получил особое распространение при записи телевизионных сигналов. Его существенной особенностью явилась возможность записи на одной строке носителя целого телевизионного поля. (Для сравнения: при поперечной записи на одной строке можно было записать всего 15 … 20 твл).

Одной из основных проблем, возникающих при записи видеоизображений, является необходимость передачи широкополосного видеосигнала без искажений. Как известно, при стандарте 625 строк в кад­ре и передаче 25 кадр/с полоса частот видеосигнала располагается в пределах 0 … 6 МГц. Минимальная длина волны , которую удается записать в совре­менной промышленной аппаратуре магнитной за­писи, лежит в пределах 0,3 … 2 мкм. Следовательно, для записи сигнала с частотой f_max = 6 МГц при дли­не волны, например, 2 мкм необходима отно­сительная скорость носителя и головки v_отн =  f_max  12 м/с. Такая весьма высокая относительная скорость достигается, главным образом, за счет быстрого вращения магнитных головок, а также использования нескольких магнитных головок (2 … 4), поскольку значительных скоростей протяжки v_л магнитной ленты достичь очень сложно. Обычно, v_л  40 см/с. Однако, и при таких скоростях движения носителя, возникают аэродинамические эффекты, существенно ухудшающие качество записи и воспроизведения. Поэтому, вместо непосредственной записи изображения на носитель, используют метод ЧМ, при которой видеосигнал модулирует некоторую несущую частоту f_н = (1,1 … 1,5) f_max. Спектр записываемых частот в этом случае переносится в более высокочастотную область, уменьшая, тем самым, наибольшую длину записываемых волн . Недостатком такого подхода является расширение необходимой полосы частот, которая для видеосигнала (0 … 6 МГц) увеличилась до 0,5 … 11 МГц.

В современных системах записи v_отн = 25 м/с. Это означает, что система «носитель-головка» должна пропускать полосу частот от f_min = 0,5 МГц до f_max = 11 МГц, которая соответствует полосе длин волн от _min = 25 м/с : 0,5 МГц = 50 мкм до _max = 25 м/с : 11 МГц = 2,3 мкм. При записи цветных видеоизображений сигнал цветности выделяется из полного композитного видеосигнала фильтром высоких частот. Далее, он модулирует поднесущую частоту из диапазона 550 … 800 кГц и записывается на носитель совместно с яркостным сигналом, несущая которого f_н > 8,2 МГц. Сигнал яркости также выполняет высокочастотное подмагничивание сигнала цветности.

Качество изображения, воспро­изводимое повременными аналоговыми видеомагнитофонами, настолько высоко, что при их правильной настройке и выборе соответствующей видеоленты, изобра­жения объекта, передаваемые не­посредственно с видеокамеры и с видеомагнитофона визуально неотличимы. Важнейшим недостатком аналоговых систем записи является ограничение на многократное копирование видеоинформации. Уровень шума каждый раз возрастает на 1,5 … 3 дБ. Поэтому, в последнее время широкое применение получила цифровая запись видеоизображений. Цифровая видеозапись требует значительного расширения пропускной способности канала записи по сравнению с ана­логовой. Так, для известного цифрового формата магнитной видеозаписи D1 с раздельным кодированием сигналов яркости и цветности 4 : 2 : 2 при частоте дискретизации сигнала яркости 13,5 МГц, а сигналов цветности R-Y и B-Y 6,75 МГц и 8 битовом квантовании амплитуды поток информации составит (13,5 + 2  6,75) МГц  8 бит = 216 Мбит/с. Цифровой композитный сигнал требует существенно меньшей пропускной способности канала. Например, при записи в формате D2 при частоте дискретизации сигнала, равной четвертой гармонике цветовой поднесущей (4  4,43 МГц), получим 4  4,43 МГц  8 бит = 142 Мбит/с. Заметим, что в обоих случаях полоса записываемых частот намного шире, чем при аналоговой записи.

З апись видеосигналов на магнитную пленку производится видеокамерами. Большинство из них в качестве датчика изображений используют ПЗС-матрицы разной размерности. Так, типовая матрица размером 0,5 дюйма содержит  400000 элемен­тов, разделенных на 581 строку и 756 столбцов. В последних моделях количество элементов превышает 10⁶. В простых мобильных видеокамерах формируется композит­ный видеосигнал (он обы­чно присутствует на видеовыходе или разъеме SCART), в камерах среднего класса - компонентный. Телекамеры этих типов получили общее название camcorder (от англ. camera + recorder - записывающая камера). Тип выходного сигнала какордера зависит от формата записи - композитный, например, в VHS и SVHS камерах и компонентный - в камерах типа Betacam. Для профессиональных целей применяются цветные RGB-ка­меры, содержащие три ПЗС-матрицы, отдельно на каждую цветовую составляющую (рис. 6.36). На выходе RGB-ка­меры присутствуют как стандартный композитный видеосигнал, так и отдельно три цветовые составляющие. Следствием этого является возможность прямого подключения цветовых каналов, что улучшает качество вос­про­изведения.

Как уже отмечалось, телевизионный растр состоит из 625 (или 575 активных) строк разложения. Все видеокамеры обеспечивают получение такого разрешения по вертикали. Что же касается разрешения по горизонтали, то в идеале оно могло бы составить 6254/3 = 833, или, по крайней мере, 5754/3 = 767 элемента в строке. На самом деле это разрешение зависит от ширины полосы пропускания канала видеозаписи. Так, при передаче полной полосы частот видеосигнала в системе PAL (5 МГц) информация о яркости передается с разрешением 320 твл (перепадов яркости) в строке. Таким образом, при максимальном качестве аналоговое телевизионное изображение имеет раз­решение по горизонтали в 640 элементов. (Это соответствует, кстати, известному режиму VGA). Поэтому, разрешение черно-белого изображения составляет 575640 элемен­тов.

Однако реально ширина спектра записанного на магнитном носителе черно-белого изображения ограничена частотой  4 МГц, что соответствует 512 элементами в строке. Спектр записанного сигнала цветности не превышает 1,5 МГц, т.е. цветных элементов в строке допускается и того меньше  200 элементов. Лучшее качество изображения получают на основе ком­понентного принципа, когда сигналы цветности и яркости передаются и записываются на пленку раз­дельно. В таких устройствах можно записать аналоговый видеосигнал с полосой частот до 5 МГц, т.е. получить разрешение по горизонтали до 640 элементов в строке.

В табл. 6.13 представлены самые распространенные системы аналоговой магнитной записи.

Таблица 6.13. Основные принципы аналоговой магнитной записи изображений

Проведем обзор основных форматов магнитной видеозаписи. Как уже отмечалось, низкочастотный телевизионный ви­деосигнал является композитным, т.е. представляет собой результат сложения яркостного сигнала Y, двух цветовых поднесущих, модулированных сигналами цветности U (R-Y или Cr) и V (B-Y или Cb), а также служебных импульсов, причем частоты цветоразностных сигналов лежат в пределах полосы спектра яркостного сигнала. Из-за строчной структуры телевизионного разложения в спектральной области все они имеют гребенчатую структуру, расстояния, между соответствующими пиками которых равны строчной частоте. При этом частоты поднесущих выбраны так, чтобы спектральные пики сигналов цветности оказались между пиками яркостного сигнала. В результате путем использования специальных гребенчатых фильтров возможно эффективное разделение этих сигналов. Однако, подобные фильтры весьма сложны и дороги, а потому в основном используются в профессиональной аппаратуре высокого разрешения. В бытовых аналоговых устройствах ограничиваются более простыми полосовыми фильтрами, заметно снижающими четкость изображений. Например, в видеомагнитофонах и камерах классов VHS (Video Home System) и Video-8, использующих только композитные видеосигналы, разрешение ограничено 240 твл. Кроме того, даже полное использование всех различий сигналов все равно не позволяет идеально разделить их. Поэтому более эффективным оказывается использование не единого композитного сигнала, а двух композитных сигналов Y и C. Y несет сигнал яркости и синхроимпульсы, а C (Chrominance) - модулированные цветовые сигналы. Такой комбинированный сигнал называется S-Video, он используется при записи/воспроизведении в аппаратуре классов S-VHS и Hi-8. Разрешение в этом случае достигает 400 твл. Следующим шагом к повышению качества явился переход к компонентному сигналу YUV. Он используется в профессиональной аппаратуре класса Betacam и обеспечивает разрешение до 500 твл. Наилучшее качество достигается в RGB устройствах: здесь отсутствуют кодирование и модуляция сигналов и достигается наиболее простая и точная передача сигнала. (Однако визуально достоинства этого формата практически неразличимы). В последние годы ХХ века было разработано несколько цифровых форматов представления видеосигнала. Аппаратура, работающая в этих форматах, выпускается фирмами Sony, Panasonic, JVC и др.

В табл. 6.14 представлен обзор распространенных форматов магнитной записи.

Таблица 6.14. Сравнительные характеристики форматов магнитной записи

Первыми цифровыми устройствами в телевидении стали цифровые корректоры временных искажений, кадровые синхронизаторы, генераторы специальных эффектов, микшеры и коммутаторы. Активный переход к цифровому телевидению произошел с появлением первого промышленного цифрового видеомагнитофона фирмы Sony. Во-первых, значительно улучшилось собственно качество воспроизводимого изображения и звука, во вторых, намного возросло количество допустимых перезаписей информации на носитель, практически без потери качества. К примеру, перезапись на видеомагнитофонах формата VHS, без допустимых для телевещания потерь качества не допускается вообще, формат S-VHS допускает одну-две перезаписи, а Betacam SP три-четыре. Для цифрового видеомагнитофона это число составляет несколько десятков. Однако цифровая запись изображений порождает ряд известных проблем, связанных со значительным расширением полосы частот, занимаемой сигналом. Так, если в студийном аналоговом видеомагнитофоне для передачи видеосигнала с частотой 6 МГц требуется записывать и воспроизводить полосу частот около 12 МГц, то в цифровом видеомагнитофоне для передачи такого же видеосигнала необходимо расширить полосу частот, по крайней мере, до 120 МГц. Другими словами, пропускная способность канала цифровой видеозаписи должна быть на порядок выше, чем аналоговой. Следовательно, и каналы связи должны иметь пропускную способность в несколько сотен мегабит в секунду. Техническое решение этой проблемы предполагает кодирование сигнала (т.е. его дискретизацию по времени, квантование по уровню и преобразование в одну из модуляционных форм), а также компрессию. Кодирование производится как композитного, так и компонентного видеосигналов.

6.4.2. Кодирование видеосигнала

Композитный сигнал в системах PAL и NTSC дискретизируется с частотой 4f_ц равной четвертой гармонике цветовой поднесущей. В системе NTSC строка содержит 910 элементов, из которых 768 образуют активную часть цифровой строки. В системе PAL на интервал аналоговой строки приходится нецелое число отсчетов с частотой 4f_ц, и, следовательно, длительность цифровой строки не равна длительности аналоговой. Все строки поля (за исключением двух) содержат по 1135 элементов, а две - по 1137. Скорость передачи цифровых данных в системе NTSC составляет 143 Мбит/с, а в системе PAL - 177 Мбит/с