Библия видеонаблюдения. Часть 4.1.2.3.4

Вот, собственно, и всё, что я хотел сказать, чтобы "подрезюмировать" безусловно важные, но всё стремительно устаревающие основы аналогового сигнала. Хотя, конечно же, не оставлю вас просто так с этой определённо не всем понятной формулой. И постараюсь это сделать весьма сжато и коротко.

Невзирая на разницу в требованиях стандартов (CCIR/PAL/NTSC/SECAM/EIA), все эти системы основаны на одном принципе - формирование электрического видеосигнала от изображений при помощи построчного сканирования сцены электронным лучом (название такое, потому что технология была основана на использовании ЭЛТ), эта же идея работает и сейчас - изображения "считываются" пиксель за пикселем и образует строки, из которых формируются отдельные кадры. Поняв базовые принципы телевизионной технологии можно будет без проблем перейти "к цифре".

Свет от источника падает на объект, отражается от него и попадает через систему линз объектива на светочувствительную матрицу (ранее ПЗС теперь КМОП), где фотоны света "выбивают" электрический сигнал определённого напряжения. Это и есть видеосигнал, который пропорционален количеству света прошедшему через матрицу. Первые мониторы (с люминофорным покрытием) обладали определённой инерцией свечения, из-за чего (упрощенно) можно было принять, что по телеэкрану перемещалась освещённая линия. Компромисс между желанием впихнуть в видеосигнал максимальное количество информации, экономией ресурсов передачи и приёма видеосигнала максимальным количеством пользователей и определил (и до сих пор это происходит так) параметры стандартов передачи видеосигнала. Чем больше строк в сигнале и количество кадров в единицу времени, тем шире был частотный диапазон видеосигнала, что удорожало и камеры, и устройства обработки. В наши дни этой характеристикой является битрейт, определяющий нагрузку на пропускную способность сети.

Частота кадров была установлена исходя из инерционности зрения и требований к достаточно яркому свечению ЭЛТ для просмотра в дневное время. В теории 24 кадра в секунды было бы идеальным решением и это упростило бы перенос кинофильмов (дело в том, что киноэкрану требовалось почти в три раза меньшая яркость сигнала) на электронные носители, однако на телеэкранах это привело бы к сбоям в отображении (в том числе по причине некогерентности с частотой питающей сети). В итоге в Европе (Pal/Secam) была принята частота в 50 изображений в секунду, то есть 25 кадров, а в Америке/Канаде/Японии 60 и 30 соответственно. Если вас запутали цифры 50/25 и 60/30, то вспоминайте термин "чересстрочное сканирование" - вместо того, чтобы обрабатывать все 625/525 строк изображения последовательно было решено сканировать изображение в два приёма - сначала чётный строки, потом нечётные и разбить кадр на два полукадра. Вот так вот и выкрутились! Совокупность строк полукадра (нечётного и чётного) назвали телевизионным полем, нечётное поле вместе с чётным образуют телевизионный кадр. К вопросу о том "куда же расширялось аналоговое видеонаблюдение" можно сказать, что ни в PAL, ни в NTSC не использовались для передачи видео все строки, там было ещё много информации (не видео), например, в системе PAL в 17,18,330 и 331 строках содержался 8-битный цифровой код отображения информации телетекста, и, в общем, активный строк было не 625, а 576. И в NTSC 480, вместо 525. Ничего цифры не напоминают?

Сравнение различных разрешений формата CIF

Число телевизионных строк перекочевало в "высоту" и вот так вот и был спроектирован CIF - Common Intermediate Format, формат, используемый для стандартизации вертикального и горизонтального разрешения в пикселях в видеосигнале, также был предложен как стандарт для кодека H.261, который был утверждён в 1988 году. CIF был спроектирован для простого конвертирования между стандартами PAL и NTSC, с заявленным разрешением 352 x 288. Кстати, в аналоговых камерах (и тех, которые всё ещё делаю вид, что они аналоговые), до сих пор используются эти свободные временные интервалы строк обратного хода для кодирования идентификатора камеры, времени, даты и прочей дополнительной информации.

С точки зрения математики видеосигнал это один из самых сложных сигналов когда-либо созданных человеком и до сих пор полностью описать его является почти невыполнимой задачей поскольку сигнал постоянно изменяется во времени. Видеоинформация - это компоненты яркости и цвета изменяются непрерывно, однако, поскольку мы создаём изображения (частые, неподвижные) путём периодического сканирования, то мы можем уверенно интерпретировать видеосигнал в периодическом виде.

И вот мы постепенно подбираемся к аналоговому видеонаблюдению... в большинстве систем которого в отличие от широковещательного телевидения нет ограничений по ширине полосы пропускания (в телевидении это обусловлено следствиями из спектральной теории Фурье и тем, что более широкая полоса пропускания не даёт существенного прироста к качеству сигнала, в то время как существенно увеличиваются затраты на сам процесс). Поскольку здесь отсутствует передача сигнала модулированного частотой и нет необходимости принимать во внимание интерференцию радиосигнала между соседними каналами. Обычный немодулированный сигнал на выходе с камеры видеонаблюдения - CVBS (composite video burst signal), композитный цветной видеосигнал, ширина спектра которого может достигать 10МГц в зависимости от качества источника. В то время как полоса пропускания коаксиального кабеля намного превышает эту величину. Можно сказать, что в системах аналогового, охранного видеонаблюдения всё было спроектировано с запасом - чем до сих пор и пользуемся. Так вот тот самый 75-щмный кабель RG59B/U без проблем передаёт сигналы шириной полосы до 100МГц, конечно, не очень далеко, но для большинства систем видеонаблюдения 100-200метров вполне достаточно.

в разных источниках указывается разная точность коэффициентов, но я не стал докапываться до них

А дальше - понеслась! Цветное телевидение было ориентировано на уже принятые и широко распространившиеся стандарты вещания и должно было сохранить совместимость изображения и приёмников, а, значит, спектр цветовой составляющей сигнала необходимо было вложить в спектр яркостной (ч/б), таким образом, чтобы они не влияли друг на друга. В основе синтеза цвета в телевидении лежит принцип аддитивного смешения базовых цветов - красного, зелёного и синего (RGB), а значит, помимо яркостной информации нужно передавать и эту и уложить это всё в ширину пропускания 4-5МГц, что оказалось нелёгкой задачей, однако, на помощь пришла простая математика.

В реальности помимо яркостного сигнала, который обозначается как Y = Uy, передаются ещё два сигнала, а не три. Эти сигналы - цветоразностные компоненты обозначаемые как:

представляют собой разницу между красным и яркостным и синим и яркостным сигналами. Их использовали вместо отдельных значений RGB для совместимости с ч/б телевидением. Поскольку при передаче белого либо серого цвета по каналу цветного телевидения в общем видеосигнале присутствует только яркостная составляющая, то нет необходимости в передаче цветных компонент. А для перевода компонентного видеосигнала в цветовую форму использовалось кодирование на основании рекомендаций ITU-R 601 (международного союза электросвязи), которые выглядели как:

При передаче таких сигналов возможно восстановление исходных составляющих цветов: красной (R), синей (B) и зеленой (G), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации. И тут видно, что все три цветовых компоненты могу быть получены из яркостной и цветоразностной. В итоге зелёный цветоразностный сигнал (самый "жирный") не передаётся, поскольку его можно получить из формулы:

цветовая субдискретизация

Таким образом, для адекватной передачи цветов достаточно помимо яркостного ещё двух дополнительных сигналов. И поскольку компоненты основных цветов RGB могут быть получены из цветоразностных компонент путем расчетов простых линейных матриц их реализация в электронных схемах производится с помощью цепей простых активных сопротивлений. А схемы получения "чистых" цветовых компонент получили названия "цветовых матриц".

Скоро-скоро доберёмся уже и до цифры! Мы очень близко! Прям наступили уже!