Страница:
В настоящее время создано немало устройств, осуществляющих аппаратную компрессию, то есть сжимающих кадр «собственными силами» спецпроцессора платы, не затрагивая при этом ресурсы центрального процессора и оперативную память компьютера. Эти платы создают кадр сразу в одном из форматов, использующих сжатие. На сегодняшний день данный способ наиболее популярен. Однако не расслабляйтесь: если вы решите извлечь из такого фильма отдельный кадр и использовать его для полиграфии (естественно, слегка увеличив) вас ждет неприятный сюрприз – его качество окажется неудовлетворительным. То, что прекрасно смотрится при быстрой смене кадров на экране, оказывается некачественным при представлении на бумаге. Отсюда вывод: прежде чем приобретать устройство, решите, потребуются ли вам отдельные кадры. Если нет – можно смело отдавать предпочтение устройствам с аппаратной компрессией. В противном случае – или смириться с невысокой скоростью записи, или периодически использовать плату нелинейного монтажа, отключая компрессию (если это возможно и речь действительно идет о некомпрессированном кадре, а не о последовательной компрессии-декомпрессии). Если такой возможности не предусмотрено, придется в дополнение к плате нелинейного монтажа обзавестись еще и устройством захвата кадра без компрессии.
Нерассмотренным остался четвертый путь – использование распараллеливания на несколько накопителей. Для жестких дисков с интерфейсом типа SCSI (Small Computer Systems Interface – интерфейс малых компьютерных систем, произносится «скази») такая возможность давно существует. Это создание так называемых RAID-массивов (Redundant Arrays of Inexpensive Disks – избыточные массивы недорогих дисков), состоящих из нескольких одновременно доступных жестких дисков, на логическом уровне воспринимаемых как один. Эти диски дороги и используются скорее корпоративными, чем частными пользователями. В последнее время появились RAID-массивы на основе дисков с интерфейсом типа IDE (Integrated Drive Electronics – встроенный интерфейс накопителей), однако они еще не нашли широкого распространения. Мы расскажем об этих моделях в одной из следующих глав.
Следует упомянуть, что некоторые профессиональные видеомонтажные системы обеспечивают возможность так называемого гибридного монтажа, при котором оцифрованные видеофрагменты, компьютерная анимация, титры, видеоэффекты и высококачественные (некомпрессированные) видеофрагменты, подаваемые (по запросу) с видеомагнитофонов, мирно «сосуществуют» в монтажном листе. Мастер-ленты, записанные на таких системах, имеют наилучшее качество изображения.
Устройства внешние и внутренние – что выбрать
Внешние устройства
Устройства, подключаемые к порту LPT
USB-устройства
Интерфейс FireWire
PCMCIA – устройства
Внутренние устройства
Глава II
Основы телевидения
Палитры телевизионные и не только
Нерассмотренным остался четвертый путь – использование распараллеливания на несколько накопителей. Для жестких дисков с интерфейсом типа SCSI (Small Computer Systems Interface – интерфейс малых компьютерных систем, произносится «скази») такая возможность давно существует. Это создание так называемых RAID-массивов (Redundant Arrays of Inexpensive Disks – избыточные массивы недорогих дисков), состоящих из нескольких одновременно доступных жестких дисков, на логическом уровне воспринимаемых как один. Эти диски дороги и используются скорее корпоративными, чем частными пользователями. В последнее время появились RAID-массивы на основе дисков с интерфейсом типа IDE (Integrated Drive Electronics – встроенный интерфейс накопителей), однако они еще не нашли широкого распространения. Мы расскажем об этих моделях в одной из следующих глав.
Следует упомянуть, что некоторые профессиональные видеомонтажные системы обеспечивают возможность так называемого гибридного монтажа, при котором оцифрованные видеофрагменты, компьютерная анимация, титры, видеоэффекты и высококачественные (некомпрессированные) видеофрагменты, подаваемые (по запросу) с видеомагнитофонов, мирно «сосуществуют» в монтажном листе. Мастер-ленты, записанные на таких системах, имеют наилучшее качество изображения.
Устройства внешние и внутренние – что выбрать
Как уже отмечалось, в настоящее время практически все типы устройств видеоввода могут быть выполнены или в виде компьютерных плат, или как внешние устройства. И тот, и другой вариант исполнения имеют свои плюсы и минусы. Что же предпочесть?
Внешние устройства
Обычно внешние устройства (модемы, различные накопители и т. д.) значительно, порой в несколько раз, дороже своих внутренних аналогов. При этом далеко не всегда увеличение цены связано с таким же повышением качества. Конечно, внешние устройства лучше изолированы от помех, возникающих внутри компьютера. Например, корпус модуля линейного монтажа Miro Studio 400 имеет внутри специальный экранирующий слой из достаточно толстой металлической фольги, значительно уменьшающий электромагнитные помехи.
Кроме того, внешние устройства менее привередливы по отношению к параметрам самого компьютера (точнее, его материнской платы и процессора). Например, серьезные (иногда непреодолимые) проблемы с внутренними устройствами возникают у обладателей материнских плат на основе процессоров Intel 80486. При работе с такими устройствами для захвата картинки обычно можно использовать обычный TWAIN-драйвер, так же, как при сканировании.
С другой стороны, внешние устройства имеют слабое место – интерфейс передачи данных.
Кроме того, внешние устройства менее привередливы по отношению к параметрам самого компьютера (точнее, его материнской платы и процессора). Например, серьезные (иногда непреодолимые) проблемы с внутренними устройствами возникают у обладателей материнских плат на основе процессоров Intel 80486. При работе с такими устройствами для захвата картинки обычно можно использовать обычный TWAIN-драйвер, так же, как при сканировании.
С другой стороны, внешние устройства имеют слабое место – интерфейс передачи данных.
Устройства, подключаемые к порту LPT
Основные трудности для устройств, работающих на параллельном порту, связаны со скоростью передачи данных. Для некоторых внешних устройств, передающих небольшие потоки информации, например таких, как модемы, достаточно последовательного порта с его 115 Кбайт/с. Некоторые ТВ тюнеры, так же, как принтеры и сканеры, «живут» на параллельном порте. Но его скорость все равно недостаточна, по крайней мере, для «живого» полноэкранного видео. Кроме того, такой порт в компьютере обычно один (редко два или три). Можно установить разветвитель, но и эта мера не спасает ситуацию, поскольку таким способом вы не заставите одновременно работать два устройства, и уж тем более этот прием не увеличивает скорость передачи данных. Модели, работающие через параллельный порт, обычно передают либо отдельный кадр нормального размера (и тогда делают это достаточно эффективно), либо последовательность кадров уменьшенного размера или уже сжатых (и тогда качество этих кадров, сами понимаете, оставляет желать лучшего). К первому случаю можно отнести систему линейного монтажа Miro Studio 400 (ту самую, которая имеет внутри металлический экран) – устройство полупрофессионального класса, ко второму – различные ТВ тюнеры, вроде Life Video.
Установку устройства на параллельный порт можно порекомендовать в тех случаях, когда не остается иного выбора. Это бывает, если у вас:
• устаревшая материнская плата, на которой не удается смонтировать внутренние устройства;
• компьютер типа «<ноутбук» и одновременное стремление сэкономить средства (сочетание почти фантастическое);
• патологическое нежелание открывать системный блок, осложненное уже упоминавшейся жаждой экономии, или отсутствие на материнской плате интерфейса типа USB (об этом далее, а также в главе 3).
USB-устройства
В последние годы получила распространение шина USB – Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина), которая, по замыслу разработчиков, должна была снять проблемы, связанные с подключением к системному блоку большого числа устройств с различной скоростью передачи данных (этой шине посвящен особый раздел в третьей главе). В первое время USB-устройства представлялись почти неработоспособными, затем полоса неудач была достаточно успешно преодолена, однако для полноценной передачи видеоданных средней скорости шины USB все же недостаточно. Поэтому внешние USB-тюнеры и устройства ввода при записи видеопоследовательности передают не полный кадр, а только его часть, например фрагмент размером 320x240 пикселов. Такие изображения можно использовать только для экранного просмотра. Даже если не касаться качества картинки, ее размер на печати, например, при 300 dpi будет меньше квадратного дюйма (320 / 300 = 1,06; при 240 / 300 = = 0,8 дюйма). В основном такие изображения используют в Internet, при видеопрезентациях или в домашних архивах. Для профессиональной и даже полупрофессиональной работы они совершенно непригодны.
USB-устройства ненамного превосходят по качеству устройства, использующие LPT-порт, хотя и значительно отличаются ценами.
Если вы собираетесь работать под Windows NT, учтите: в версии 4.0 младшие Service Pack (до четвертого включительно) поддержки USB не обеспечивают.
Интерфейс FireWire
В последнее время начинает активно использоваться интерфейс IEEE 1394, коммерческое название – FireWire (что можно примерно перевести как «огонь, бегущий по проводам»), существенно превосходящий по скорости передачи данных интерфейс USB. В частности, он используется для передачи информации от цифровых (некомпьютерных) устройств, например DV-магнитофонов (Digital Video – цифровое видео) и DV-камер на компьютер. Интерфейс FireWire мы подробно рассмотрим в третьей главе.
PCMCIA – устройства
Счастливым обладателям ноутбуков доступен еще один вариант внешних устройств: PC-card – оборудование формата PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association – международная ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров, предложившая этот стандарт). Они довольно дороги, ассортимент их невелик. Здесь нет таких жестких ограничений по скорости, однако те устройства, с которыми довелось работать автору, не обеспечивали высокого качества изображения. Возможно, с увеличением количества моделей подобных устройств и, следовательно, с повышением конкуренции среди них и появится что-нибудь приличное.
Можно выделить несколько типов внешних устройств.
К первому относятся модули линейного монтажа с возможностью захвата отдельных кадров высокого качества. Их можно рекомендовать в тех случаях, когда нет необходимости в нелинейном монтаже профессионального класса, но требуется видеозапись с возможностью дальнейшей ее обработки и оцифровки отдельных кадров с высоким качеством. Подобная ситуация нередко возникает в научной и медицинской практике.
Второй тип – тюнеры и модули захвата кадров непрофессионального класса. Их приобретение можно рекомендовать владельцам ноутбуков и устаревших материнских плат, где внутренние устройства установить невозможно.
Еще раз напоминаю, речь идет об устройствах стоимостью до тысячи долларов. Среди профессиональных комплексов возможны иные варианты внешних модулей, но в данной книге они не рассматриваются.
В последнее время появился еще один вариант внешних устройств, которые с большой натяжкой можно отнести к модулям видеоввода. Это ТВ тюнеры, подключаемые между монитором и системным блоком. Они обеспечивают вывод на экран телевизионного изображения, используя монитор, как в обычном телевизоре. Это только тюнеры, без функции захвата кадра, то есть запись принимаемого ТВ изображения на жесткий диск с их помощью невозможна. Их единственная функция – дать возможность пользователю просматривать телепередачи, не отрываясь от экрана компьютера. Если подобное ограничение вас устраивает, можете обратить внимание на эти устройства. К сожалению, пока они не обеспечивают приемлемого качества изображения.
Можно выделить несколько типов внешних устройств.
К первому относятся модули линейного монтажа с возможностью захвата отдельных кадров высокого качества. Их можно рекомендовать в тех случаях, когда нет необходимости в нелинейном монтаже профессионального класса, но требуется видеозапись с возможностью дальнейшей ее обработки и оцифровки отдельных кадров с высоким качеством. Подобная ситуация нередко возникает в научной и медицинской практике.
Второй тип – тюнеры и модули захвата кадров непрофессионального класса. Их приобретение можно рекомендовать владельцам ноутбуков и устаревших материнских плат, где внутренние устройства установить невозможно.
Еще раз напоминаю, речь идет об устройствах стоимостью до тысячи долларов. Среди профессиональных комплексов возможны иные варианты внешних модулей, но в данной книге они не рассматриваются.
В последнее время появился еще один вариант внешних устройств, которые с большой натяжкой можно отнести к модулям видеоввода. Это ТВ тюнеры, подключаемые между монитором и системным блоком. Они обеспечивают вывод на экран телевизионного изображения, используя монитор, как в обычном телевизоре. Это только тюнеры, без функции захвата кадра, то есть запись принимаемого ТВ изображения на жесткий диск с их помощью невозможна. Их единственная функция – дать возможность пользователю просматривать телепередачи, не отрываясь от экрана компьютера. Если подобное ограничение вас устраивает, можете обратить внимание на эти устройства. К сожалению, пока они не обеспечивают приемлемого качества изображения.
Внутренние устройства
Наибольшее число моделей устройств видеоввода реализовано в виде плат. Наверняка даже самым «неискушенным» читателям встречались названия такого рода: «плата в стандарте PCI» (Peripheral Component Interconnect – соединение периферийных компонентов). Сейчас самое время выяснить, что же это такое. Те из читателей, кто более-менее знаком с устройством компьютеров, могут пропустить этот раздел.
Если открыть системный блок и внимательно посмотреть на материнскую плату (рис. 1.1), мы увидим несколько типов слотов – разъемов, куда вставляются различные платы. Несколько разъемов (один – три) более длинные, с широкими контактами (на старых материнских платах – 486-й и ниже – может быть короткий вариант слота со столь же широкими контактами). Это разъем наиболее «древней» шины ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта). Короткие, чуть дальше отстоящие от края материнской платы три, четыре или пять слотов с более узкими контактами – разъем шины PCI. Отдельный, ни на что не похожий слот с очень узкими контактами – разъем шины AGP (Accelerated Graphics Port – порт ускоренной графики). Наиболее существенные различия шин между собой заключаются в их разрядности и скорости передачи данных. Шина ISA позволяет организовать одновременную передачу 8 (короткий слот) или 16 (длинный слот) битов данных со скоростью до 5 Мбайт/с. Стандартная шина PCI является 32-разрядной – по ней можно передавать одновременно 32 бита данных со скоростью 132 Мбайт/с. AGP – изначально 64-разрядная шина, предназначенная только для установки видеоадаптеров (ускорителей 3D-графики), – обеспечивает скорость до 500 Мбайт/с.
Рис. 1.1. Материнская плата
Для описания изображения можно использовать разное число бит. В принципе любую картинку можно описать в однобитной палитре, то есть в виде определенного сочетания черных (окрашенных) и белых (неокрашенных) точек (рис. 1.2). Регулярный или случайный узор из точек, формирующих изображение, называется растром. В более окрашенных областях точек будет больше (или они будут крупнее), а в светлых местах меньше (или они мельче). Именно по такому принципу действует драйвер принтера при печати любой картинки. Чтобы подобное изображение казалось реалистичным, точки, формирующие его, должны быть очень мелкими. Мы не можем получить на экране столь мелкую точку, как при печати (исходя из конструкции кинескопа и свойств люминофора в обычных мониторах и из размеров элементов в жидкокристаллических и плазменных панелях).
Рис. 1.2. Изображение, составленное из случайно распределенных мелких черных точек
Если представить изображение в виде сплошных черных и белых областей, оно начинает напоминать картинку, нарисованную тушью (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Изображение при однобитном представлении без растрирования
Для создания более реалистичного изображения необходимо увеличить число бит, описывающих каждую точку. Так, если использовать 4 бита, получится 24 = 16 вариантов (рис. 1.4). Для 8 бит получается 28 = 256 вариантов. Это уже хорошее черно-белое изображение (рис. 1.5). При такой разрядности становится возможным создание более или менее «приличных» цветных изображений. Такую палитру вы можете видеть, если установите в Windows режим дисплея стандартный VGA. Рекомендуем проверить и убедиться, что до настоящего фотореализма здесь далеко. Как уже упоминалось выше, для нормальной передачи цвет кодируется 24 битами по 8 бит на каждый из основных цветов: красный, зеленый и синий. Итого: 224 ≈ 16,8 миллионов цветов.
Рис. 1.4. Изображение при четырех битах на пиксел
Рис. 1.5. То же изображение при восьмибитном представлении
Наиболее «древние» устройства захвата кадра давали восьмибитное черно-белое изображение (256 градаций серого), они существовали еще во времена господства шины ISA. Конечно, не следует думать, что ISA-устройство не может передавать данные большей разрядности, чем 16. Но для передачи такие данные придется вначале кодировать (так, чтобы снизить разрядность до 16), а затем декодировать. Естественно, на это требуется время, которое как при видеовводе, так и при видеовыводе (например, на экран), очень дорого. Потраченное впустую время – это потерянные кадры, и, как следствие, скачки или подергивание изображения, замедление вывода на экран и прочие неприятности. Поэтому эра фотореализма и высококачественного компьютерного видео началась только с активным распространением шины PCI. В настоящее время в этом стандарте, кроме плат видеоввода, выпускается подавляющее большинство различных контроллеров, многие звуковые платы и даже некоторые модемы. Уже появились материнские платы вообще без ISA-слотов (стандарт РС99), хотя пока еще выпускаются и ISA-устройства – это в основном модемы и специальные платы промышленного назначения.
Немаловажно, что PCI-устройство имеет возможность работать в режиме Bus Master, то есть управлять шиной без участия центрального процессора. К сожалению, отчасти по этой причине PCI-устройства оказываются порой довольно капризны. Так, не стоит устанавливать современную плату видеоввода на 486-ю материнскую плату. Хотя PCI-слот там есть и видеоплата прекрасно работает на нем, устройство видеозахвата, возможно, установить на эту модель так и не удастся, поскольку первые версии стандарта PCI не поддерживают необходимый режим работы. Проблемы почти наверняка возникнут с материнскими платами на чипсете (наборе микросхем), произведенным не фирмой Intel.
Если открыть системный блок и внимательно посмотреть на материнскую плату (рис. 1.1), мы увидим несколько типов слотов – разъемов, куда вставляются различные платы. Несколько разъемов (один – три) более длинные, с широкими контактами (на старых материнских платах – 486-й и ниже – может быть короткий вариант слота со столь же широкими контактами). Это разъем наиболее «древней» шины ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта). Короткие, чуть дальше отстоящие от края материнской платы три, четыре или пять слотов с более узкими контактами – разъем шины PCI. Отдельный, ни на что не похожий слот с очень узкими контактами – разъем шины AGP (Accelerated Graphics Port – порт ускоренной графики). Наиболее существенные различия шин между собой заключаются в их разрядности и скорости передачи данных. Шина ISA позволяет организовать одновременную передачу 8 (короткий слот) или 16 (длинный слот) битов данных со скоростью до 5 Мбайт/с. Стандартная шина PCI является 32-разрядной – по ней можно передавать одновременно 32 бита данных со скоростью 132 Мбайт/с. AGP – изначально 64-разрядная шина, предназначенная только для установки видеоадаптеров (ускорителей 3D-графики), – обеспечивает скорость до 500 Мбайт/с.
Для описания изображения можно использовать разное число бит. В принципе любую картинку можно описать в однобитной палитре, то есть в виде определенного сочетания черных (окрашенных) и белых (неокрашенных) точек (рис. 1.2). Регулярный или случайный узор из точек, формирующих изображение, называется растром. В более окрашенных областях точек будет больше (или они будут крупнее), а в светлых местах меньше (или они мельче). Именно по такому принципу действует драйвер принтера при печати любой картинки. Чтобы подобное изображение казалось реалистичным, точки, формирующие его, должны быть очень мелкими. Мы не можем получить на экране столь мелкую точку, как при печати (исходя из конструкции кинескопа и свойств люминофора в обычных мониторах и из размеров элементов в жидкокристаллических и плазменных панелях).
Если представить изображение в виде сплошных черных и белых областей, оно начинает напоминать картинку, нарисованную тушью (рис. 1.3).
Для создания более реалистичного изображения необходимо увеличить число бит, описывающих каждую точку. Так, если использовать 4 бита, получится 24 = 16 вариантов (рис. 1.4). Для 8 бит получается 28 = 256 вариантов. Это уже хорошее черно-белое изображение (рис. 1.5). При такой разрядности становится возможным создание более или менее «приличных» цветных изображений. Такую палитру вы можете видеть, если установите в Windows режим дисплея стандартный VGA. Рекомендуем проверить и убедиться, что до настоящего фотореализма здесь далеко. Как уже упоминалось выше, для нормальной передачи цвет кодируется 24 битами по 8 бит на каждый из основных цветов: красный, зеленый и синий. Итого: 224 ≈ 16,8 миллионов цветов.
Наиболее «древние» устройства захвата кадра давали восьмибитное черно-белое изображение (256 градаций серого), они существовали еще во времена господства шины ISA. Конечно, не следует думать, что ISA-устройство не может передавать данные большей разрядности, чем 16. Но для передачи такие данные придется вначале кодировать (так, чтобы снизить разрядность до 16), а затем декодировать. Естественно, на это требуется время, которое как при видеовводе, так и при видеовыводе (например, на экран), очень дорого. Потраченное впустую время – это потерянные кадры, и, как следствие, скачки или подергивание изображения, замедление вывода на экран и прочие неприятности. Поэтому эра фотореализма и высококачественного компьютерного видео началась только с активным распространением шины PCI. В настоящее время в этом стандарте, кроме плат видеоввода, выпускается подавляющее большинство различных контроллеров, многие звуковые платы и даже некоторые модемы. Уже появились материнские платы вообще без ISA-слотов (стандарт РС99), хотя пока еще выпускаются и ISA-устройства – это в основном модемы и специальные платы промышленного назначения.
Немаловажно, что PCI-устройство имеет возможность работать в режиме Bus Master, то есть управлять шиной без участия центрального процессора. К сожалению, отчасти по этой причине PCI-устройства оказываются порой довольно капризны. Так, не стоит устанавливать современную плату видеоввода на 486-ю материнскую плату. Хотя PCI-слот там есть и видеоплата прекрасно работает на нем, устройство видеозахвата, возможно, установить на эту модель так и не удастся, поскольку первые версии стандарта PCI не поддерживают необходимый режим работы. Проблемы почти наверняка возникнут с материнскими платами на чипсете (наборе микросхем), произведенным не фирмой Intel.
Не стоит устанавливать внутренние устройства видеоввода на откровенно устаревшую материнскую плату.Если при установке устройства видеоввода возникли проблемы, не спешите менять плату. Вначале попробуйте установить ее на другом компьютере (естественно, отличающемся по конфигурации от вашего). В хороших фирмах-продавцах компьютерного видеооборудования при сомнительных ситуациях можно договориться о возможности обратной проверки, то есть протестировать вашу материнскую плату и процессор с заведомо работающей платой видеоввода выбранной вами марки.
Обязательно договоритесь с продавцом о возможности возврата, если устройство не будет работать в вашей конфигурации.
Глава II
Аналоговое представление изображений
• Основы телевидения
• Аналоговые видеоформаты
Большинство компьютерных технологий длинных «родословных» не имеют. Стандарты на них и связанные с ними проблемы рождались буквально на наших глазах. Только компьютерное видео относится к числу немногих исключений. Оно явилось наследником видео цифрового, а то, в свою очередь, преемником аналогового телевидения и видео. Многие, казалось бы, непонятно каким образом возникшие проблемы на самом деле являются следствием компромисса между необходимостью соответствовать утвердившимся еще в эпоху становления цветного телевидения стандартам и современным требованиям к качеству компьютерных изображений.
Чтобы понять причины появления некоторых параметров компьютерного видео, необходимо кратко познакомиться с тем, что происходило когда-то с телевизионным изображением, давшим начало всей эволюционной линии электронных изображений.
• Аналоговые видеоформаты
Большинство компьютерных технологий длинных «родословных» не имеют. Стандарты на них и связанные с ними проблемы рождались буквально на наших глазах. Только компьютерное видео относится к числу немногих исключений. Оно явилось наследником видео цифрового, а то, в свою очередь, преемником аналогового телевидения и видео. Многие, казалось бы, непонятно каким образом возникшие проблемы на самом деле являются следствием компромисса между необходимостью соответствовать утвердившимся еще в эпоху становления цветного телевидения стандартам и современным требованиям к качеству компьютерных изображений.
Чтобы понять причины появления некоторых параметров компьютерного видео, необходимо кратко познакомиться с тем, что происходило когда-то с телевизионным изображением, давшим начало всей эволюционной линии электронных изображений.
Основы телевидения
Этот раздел, увы, будет несколько скучным. Здесь нет ни практических рекомендаций, ни занимательных случаев из жизни. Однако, как надеется автор, его прочтение будет небесполезным. Как уже сказано, современное компьютерное видео по-прежнему основано на телевизионных стандартах.
Краткое знакомство со структурой телевизионного сигнала поможет вам избежать ошибок при сравнении возможностей разных устройств для оцифровки и захвата изображения. Во всяком случае, встретив в описании ТВ тюнера (который вы уже собрались купить) надпись PAL/NTSC, вы сможете уверенно спросить продавца: «А как же SECAM?», что в его глазах сразу переведет вас из разряда «чайников» в разряд специалистов. И соответственно, доля истины в сообщаемой вам информации резко увеличится.
Краткое знакомство со структурой телевизионного сигнала поможет вам избежать ошибок при сравнении возможностей разных устройств для оцифровки и захвата изображения. Во всяком случае, встретив в описании ТВ тюнера (который вы уже собрались купить) надпись PAL/NTSC, вы сможете уверенно спросить продавца: «А как же SECAM?», что в его глазах сразу переведет вас из разряда «чайников» в разряд специалистов. И соответственно, доля истины в сообщаемой вам информации резко увеличится.
Палитры телевизионные и не только
Если провести среди компьютерщиков один из популярных психологических тестов и предложить быстро назвать первую ассоциацию, приходящую на ум при произнесении определенного слова, вероятно, почти все на слово «палитра» ответят «RGB». Эта система представления цвета используется не только в компьютерных мониторах, но и в любых других электронных системах отображения информации. В какой-то мере она соответствует восприятию цвета человеческим глазом. Подобный принцип получения любого цвета из трех основных называется аддитивным: то есть изображение окрашивается за счет одновременного восприятия трех основных (базисных) цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Белый цвет образуется из всех трех цветов со 100 % насыщенностью, черный – при отсутствии всех трех цветов. Эта палитра используется тогда, когда для формирования цвета используются излучающие свет приборы или материалы. (Совсем иная ситуация складывается, например, при печати – там используется субтрактивная (разностная) модель получения полного цвета. Теория этого вопроса достаточно сложна и выходит за рамки данной книги. Минимально необходимые сведения по этому поводу будут приведены в последней главе).
Итак, видеокамеры и другие подобные устройства передают цвет любого объекта при помощи трех сигналов, соответствующих основным цветам. Монитор имеет три типа элементов, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета. Однако, говоря о соответствии этой модели восприятию человеческого глаза, я не зря оговорилась – «в определенной степени». Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже почти в полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.
Восприятие человеческого глаза моделирует популярная ныне цветовая модель Lab, с которой мы познакомимся подробнее в главе о ретушировании изображений. Хотя она не имеет ни малейшего отношения к телевидению, на ее основе удобно проследить некоторые общие принципы описания цвета. В этой модели цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (от 0 до 100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого и b – диапазон от желтого до синего.
Цветовой круг
Говоря о яркости и цветовом круге, нельзя не упомянуть еще две величины, которые в телевизионных сигналах не используются, но в каждом цветном телевизоре есть ручки (кнопки или меню) для их регулировки. Эти параметры изображения очень существенны, и их названия не раз встретятся в книге. Они называются насыщенностью и цветовым тоном. Те из вас, кто хорошо знаком с компьютерной графикой, сразу вспомнят палитру HSB (Hue, Saturation, Brightness – Цветовой тон, Насыщенность, Яркость). Цветовой тон – это характеристика, которую в быту обычно называют «оттенок»; на цветовом круге изменение цветового тона означает перемещение по дуге окружности, центр которой совпадает с центром цветового круга, а радиус меньше или равен радиусу цветового круга. Насыщенность – степень выраженности цвета. Изменение насыщенности – движение по радиусу цветового круга. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости. На цветовом круге яркость не отображается, ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга. Цветная вкладка, где показаны варианты одной и той же картинки при изменениях яркости, насыщенности и цветового фона, поможет лучше понять, как эти характеристики влияют на изображение.
Иллюстрирация влияния яркости, насыщенности и цветового тона на внешний вид изображения:
исходная картинка
увеличение яркости
увеличение насыщенности
изменение цветового тона
С яркостью, насыщенностью и цветовым фоном мы еще не раз встретимся, когда займемся вопросами обработки полученных изображений. Кроме того, рассматривая различные стандарты телевизионных сигналов, мы также будем обращать внимание и на возможные искажения этих величин при телевизионном приеме.
В телевидении выделение яркостной составляющей необходимо для обеспечения совместимости цветных и черно-белых телеприемников. Другими словами, сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми ТВ приемниками.
Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Вот почему, выражаясь языком компьютерной графики, передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость и два цветоразностных сигнала, или YUV, где Y – яркость изображения, U и V – цветоразностные сигналы, причем U= R – Y, а V = B – Y.
Для человеческого глаза разные цвета имеют неодинаковую яркость. Если расположить опорные цвета в порядке убывания яркости, выстроится следующий ряд: «Зеленый-Красный-Синий», то есть при одинаковой насыщенности свечения наиболее ярким будет восприниматься зеленый объект, а наиболее темным покажется синий. В соответствии с этим наибольшую долю сигнала яркости составляет зеленый, наименьшую – синий. Один из стандартов, соответствующий так называемому «белому С» или цвету облачного неба (цветовая температура 6500 °C), определяется следующими соотношениями:
Y=0,299R+0,587G+0,114B
В таком случае нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем несложных арифметических операций. Как указано выше, U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.
Следует отметить, что в приведенной выше формуле, описывающей работу устройства матрицирования, составляющие R, G и B не являются оригинальными сигналами, а представляют собой продукты специальных преобразований, называемых гамма-коррекцией, призванной компенсировать нелинейную зависимость яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала.
Изображение на телеэкране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором – материалом, излучающим свет определенной длины волны, то есть определенного цвета. Этот процесс называется сканирование, и происходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Луч проходит строку слева направо, затем перемещается на расположенную ниже строку (перемещение происходит в том же порядке, как мы читаем – слева направо, сверху вниз). Для того чтобы глаз видел не отдельные вспышки, а равномерно светящийся экран, его сканирование должно происходить не реже, чем 25 раз в секунду, то есть с частотой 25 Гц. На самом деле обновляется не сразу весь кадр, а полукадр (поле). То есть сначала сканируются четные, затем – нечетные строки. При обновлении поля с частотой 50 Гц кадр обновляется с частотой 25 раз, и этого вполне достаточно для нормального восприятия изображения. Чтобы создать на экране картинку, состоящую из черной и белой горизонтальных полос, на вход телевизора надо подать сигнал частотой 50 Гц. Чем мельче детали изображения (чаще происходит чередование светлых и темных участков), тем выше должна быть частота видеосигнала, передающего это изображение. Максимальное число элементов, из которых может состоять картинка на экране, равно числу строк, умноженному на количество элементов в строке. Для принятой у нас разновидности французского стандарта SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием), который будет подробно рассмотрен в следующем разделе этой главы, число строк равно 625. Однако не все строки являются видимыми, поскольку часть из них используется только для обеспечения нормальной работы телевизора. Число видимых строк – 576. В общепринятых форматах соотношение сторон кадра равно четыре к трем (на четыре горизонтальных элемента ТВ изображения приходится три вертикальных), то есть число видимых элементов в строке равно 576 X 4/3 = 768 (если горизонтальные и вертикальные размеры элемента одинаковы). Видимая часть строки обычного ТВ сигнала составляет 52 микросекунды, соответственно для получения на экране сетки из 768 чередующихся черных и белых полос надо подать на вход телевизора сигнал частотой около 7,38 МГц. В компьютерных мониторах длительность строк еще меньше, а разрешение больше, поэтому компьютерные мониторы часто работают с частотами до 200 МГц.
Итак, видеокамеры и другие подобные устройства передают цвет любого объекта при помощи трех сигналов, соответствующих основным цветам. Монитор имеет три типа элементов, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета. Однако, говоря о соответствии этой модели восприятию человеческого глаза, я не зря оговорилась – «в определенной степени». Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже почти в полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.
Восприятие человеческого глаза моделирует популярная ныне цветовая модель Lab, с которой мы познакомимся подробнее в главе о ретушировании изображений. Хотя она не имеет ни малейшего отношения к телевидению, на ее основе удобно проследить некоторые общие принципы описания цвета. В этой модели цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (от 0 до 100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого и b – диапазон от желтого до синего.
Говоря о яркости и цветовом круге, нельзя не упомянуть еще две величины, которые в телевизионных сигналах не используются, но в каждом цветном телевизоре есть ручки (кнопки или меню) для их регулировки. Эти параметры изображения очень существенны, и их названия не раз встретятся в книге. Они называются насыщенностью и цветовым тоном. Те из вас, кто хорошо знаком с компьютерной графикой, сразу вспомнят палитру HSB (Hue, Saturation, Brightness – Цветовой тон, Насыщенность, Яркость). Цветовой тон – это характеристика, которую в быту обычно называют «оттенок»; на цветовом круге изменение цветового тона означает перемещение по дуге окружности, центр которой совпадает с центром цветового круга, а радиус меньше или равен радиусу цветового круга. Насыщенность – степень выраженности цвета. Изменение насыщенности – движение по радиусу цветового круга. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости. На цветовом круге яркость не отображается, ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга. Цветная вкладка, где показаны варианты одной и той же картинки при изменениях яркости, насыщенности и цветового фона, поможет лучше понять, как эти характеристики влияют на изображение.
Иллюстрирация влияния яркости, насыщенности и цветового тона на внешний вид изображения:
С яркостью, насыщенностью и цветовым фоном мы еще не раз встретимся, когда займемся вопросами обработки полученных изображений. Кроме того, рассматривая различные стандарты телевизионных сигналов, мы также будем обращать внимание и на возможные искажения этих величин при телевизионном приеме.
В телевидении выделение яркостной составляющей необходимо для обеспечения совместимости цветных и черно-белых телеприемников. Другими словами, сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми ТВ приемниками.
Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Вот почему, выражаясь языком компьютерной графики, передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость и два цветоразностных сигнала, или YUV, где Y – яркость изображения, U и V – цветоразностные сигналы, причем U= R – Y, а V = B – Y.
Для человеческого глаза разные цвета имеют неодинаковую яркость. Если расположить опорные цвета в порядке убывания яркости, выстроится следующий ряд: «Зеленый-Красный-Синий», то есть при одинаковой насыщенности свечения наиболее ярким будет восприниматься зеленый объект, а наиболее темным покажется синий. В соответствии с этим наибольшую долю сигнала яркости составляет зеленый, наименьшую – синий. Один из стандартов, соответствующий так называемому «белому С» или цвету облачного неба (цветовая температура 6500 °C), определяется следующими соотношениями:
Y=0,299R+0,587G+0,114B
В таком случае нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем несложных арифметических операций. Как указано выше, U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.
Следует отметить, что в приведенной выше формуле, описывающей работу устройства матрицирования, составляющие R, G и B не являются оригинальными сигналами, а представляют собой продукты специальных преобразований, называемых гамма-коррекцией, призванной компенсировать нелинейную зависимость яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала.
Изображение на телеэкране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором – материалом, излучающим свет определенной длины волны, то есть определенного цвета. Этот процесс называется сканирование, и происходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Луч проходит строку слева направо, затем перемещается на расположенную ниже строку (перемещение происходит в том же порядке, как мы читаем – слева направо, сверху вниз). Для того чтобы глаз видел не отдельные вспышки, а равномерно светящийся экран, его сканирование должно происходить не реже, чем 25 раз в секунду, то есть с частотой 25 Гц. На самом деле обновляется не сразу весь кадр, а полукадр (поле). То есть сначала сканируются четные, затем – нечетные строки. При обновлении поля с частотой 50 Гц кадр обновляется с частотой 25 раз, и этого вполне достаточно для нормального восприятия изображения. Чтобы создать на экране картинку, состоящую из черной и белой горизонтальных полос, на вход телевизора надо подать сигнал частотой 50 Гц. Чем мельче детали изображения (чаще происходит чередование светлых и темных участков), тем выше должна быть частота видеосигнала, передающего это изображение. Максимальное число элементов, из которых может состоять картинка на экране, равно числу строк, умноженному на количество элементов в строке. Для принятой у нас разновидности французского стандарта SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием), который будет подробно рассмотрен в следующем разделе этой главы, число строк равно 625. Однако не все строки являются видимыми, поскольку часть из них используется только для обеспечения нормальной работы телевизора. Число видимых строк – 576. В общепринятых форматах соотношение сторон кадра равно четыре к трем (на четыре горизонтальных элемента ТВ изображения приходится три вертикальных), то есть число видимых элементов в строке равно 576 X 4/3 = 768 (если горизонтальные и вертикальные размеры элемента одинаковы). Видимая часть строки обычного ТВ сигнала составляет 52 микросекунды, соответственно для получения на экране сетки из 768 чередующихся черных и белых полос надо подать на вход телевизора сигнал частотой около 7,38 МГц. В компьютерных мониторах длительность строк еще меньше, а разрешение больше, поэтому компьютерные мониторы часто работают с частотами до 200 МГц.