TV-OUT, часть 1. Стандарты

Вступление

Устройства для вывода изображения с компьютера на телевизор появились достаточно давно. Они широко использовалось в персональных компьютерах начала 90 годов. Многие читатели ещё помнят такие названия как ZX Spectrum, Commondore 64, и многие другие. Однако, вскоре такие устройства остались практически не востребованными. Компьютерные мониторы и видеосистемы сильно обогнали лучшие телевизоры по разрешающей способности. Поэтому, работать с компьютером, выводя изображение на телевизор, стало практически невозможно. Конечно, остались специализированные устройства, которые могли выводить изображение на телевизор для выполнения своих специфических функций, но их число и их рынок на фоне общего количества компьютерной техники, оставалось исчезающе малым. Ситуация начала меняться, когда мощность компьютеров стала достаточной для того, чтобы показывать видео в реальном времени. Для показа видео недостаток телевизора, в виде малой разрешающей способности, перестал иметь решающее значение. Напротив, этот недостаток превратился в преимущество, потому что, благодаря размыванию отдельных точек, скрываются недостатки изображения, которые часто встречаются на сжатом цифровом материала (ведь, несмотря на все усилия разработчиков, до идеального формата сжатия, который полностью сохраняет качество исходного материала и обладает приличной степенью сжатия, ещё - ой как далеко). Кроме этого, к несомненным преимуществам телевизора над мониторам при просмотре фильмов относится то, что телевизор, как правило, больше размером, да и стоит более удобно. Где есть спрос, там появляется и предложение, поэтому сейчас каждый производитель видеокарт имеет в своём ассортименте модели видеокарт с телевизионным выходом, а иногда ещё и со входом. Но, как оказывается, не всегда достаточно просто купить такую видеокарту, сопряжение её с телевизором может оказаться проблемой, из за того, что на видеокарте для выхода используются одни виды разъёмов, а на телевизоре для входа совсем другие. А бывают ситуации, когда на видеокарте, которая полностью устраевает своего хозяина, вообще нет видеовыхода, или имеющийся не устраивает своим качеством. Что же делать в этих случаях, неужели нет никакого другого выхода, кроме как приобретение нового телевизора или видеокарты? К счастью, это совсем не обязательно, всё можно решить с гораздо меньшими затратами. Но, начнём всё по порядку. Этой статьёй я открываю небольшой цикл, посвящённый проблемам совместного сосуществования, телевизора и компьютера. И начать стоит, по моему глубокому убеждению, с рассмотрению того - что за сигналы, и каких форматов используются в телевизоре. И только после этого можно переходить к конкретным кабелям, помехам, и прочим проблемам, с которыми вы можете столкнуться.

Телевизионные сигналы и стандарты

Не стоит ожидать, что в одной короткой статье я дам полное и исчерпывающее описание всего того многообразия, которое составляют телевизионные стандарты, и связанные с этим технологии. Поэтому, да простят меня суровые профессионалы, если они не увидят здесь того, без чего, по их мнению, невозможен разговор про телевизионные технологии. Я не ставил своей целью написать учебник, я хочу просто познакомить читателей с тем, что же это такое "телевизионный сигнал" в самых общих чертах. Приступим. Обычно, телевизионный сигнал является композитным, то есть составным. В него входят три составляющих, сигнал яркости – Y, и два цветоразрастных сигнала называемыми U и V. Прежде чем продолжать, необходимо сделать небольшое отступление, об особенностях человеческого зрения. Большинству читателей, безусловно известно, что любые цвета, которые видит человек, могут быть получены комбинацией трёх цветов, красного (RED), зелёного (GREEN) и синего (BLUE), которые называются опорными. Поэтому, именно эти три цвета (RGB) и используются для формирования цвета в электронной технике. Вооружённые этим знанием, рассмотрим составные телевизионного сигнала поподробнее.

Сигнал яркости, Y. Указывает яркость точки, от чёрной до белой. То есть, он полностью формирует чёрно-белое изображение, и только его воспринимают чёрно белые приёмники.

Цветоразрастные сигналы, U и V. В сочетании с Y сигналом, они позволяют восстановить исходные RGB цвета. Делается это достаточно просто

Y сигнал формируется из RGB сигнала по следующей формуле:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U и V сигналы формируются так:

U = R - Y, а V = B – Y

При приёме сигнала происходит обратный процесс:

Красный сигнал восстанавливается так:

R = Y + U,

Синий так:

B = Y + V,

И зелёный так:

G = Y - 0.509U - 0.194V

Примечание: цветоразнастные сигналы получили своё название потому, что их можно получить и простым вычитанием яркости из цвета, R-Y для U и B-Y для V

Есть две основные причины, почему были придуманы эти сложности. Во первых, такая схема сохраняет совместимость со старыми чёрно-белыми приёмниками (что было одной из задач, когда разрабатывались принципы по которым работает цветное телевидение). Они просто отображают яркостный сигнал, и выкидывают все остальные. Во вторых, так можно сэкономить пропускную полосу сигнала. Дело в том, что из за особенностей человеческого зрения, изменения цвета не так заметны, как изменения яркости, что даёт возможность передавать U и V сигналы в половинном, по сравнению с Y сигналом, разрешении без сколько-нибудь заметных потерь в качестве. Кроме YUV, в телевизионный сигнал входят так называемые синхроимпульсы, которые сообщают о том что одна строка закончилась, и началась следующая, когда закончился один кадр, и начался другой. Эти особенности видеосигнала обуславливаются тем, как формируется изображение на телевизоре.

Цветность

Как уже говорилось, человеческий глаз менее чувствителен к изменению цвета, чем к изменению яркости. Поэтому, в большинстве телевизионных сигналов цвет передаётся в меньшем разрешении, чем сам сигнал. Внутри компьютера эти сигналы представлены в цифровом виде, и эти особенности аналоговых сигналов вылились в несколько возможных форматов цвета. Формат цвета у цифрового сигнала обозначается набором из трёх цифр, например 4.2.2, или 4.2.0. Эти странные цифры часто ставят в тупик новичков, и о том, что они означают, многие имеют самое общее представление. Несмотря на то, что некоторые знают (или читали где-нибудь), что они показывают насколько меньшее разрешение имеет сигнал цветности, как именно это происходит, часто остаётся непонятым. На самом деле, всё достаточно просто. С тем, что обозначают цифры, можно ознакомиться на схеме:

Светлыми треугольниками обозначены точки, на которых происходит изменение яркостного сигнала, что всегда происходит в полном разрешении, а чёрными треугольниками точки, на которых меняется сигнал цветности, для которого возможны варианты. Как видно из схемы, первая цифра относится к яркостному сигналу, и именно поэтому она 4 практически во всех реально используемых форматах, ведь обычно, как уже говорилось, яркостный сигнал передаётся в полном разрешении. Каждая следующая цифра отвечает за две строчки, 1 и 3, или 2 и 4. А значение этой цифры определяет, сколько точек в каждой из линии меняют своё значение. 4 означает, что меняются по 4 точки в каждой из линий; 2 означает, что меняются только 2 точки (то самое половинное разрешение, про которое говорилось выше), а 1 означает, что меняется всего одна точка в каждой из строк. Наиболее популярным форматом на сегодня является 4.2.2, потому что при его использовании человеческий глаз почти не в состоянии отличить картинку от 4.4.4.

Изображение на телевизионном экране формируется в результате свечения люминофора, обстреливаемого электромагнитными пушками, точно так же, как и на любом CRT устройстве. Всего их три, по одной на каждый из опорных цветов. Картинка на телевизоре рисуется построчно, причём за один проход рисуются чётные строки, а за второй нечётные. Опять же, из-за особенностей человеческого зрения, его инерционности, и времени послесвечения люминофора, это незаметно, и картинка воспринимается как единое целое. Тем не менее, на самом деле, каждый полный кадр делится пополам, на два полукадра, называемых полями. Одно поле состоит из чётных строк, другое их нечётных. Такое изображение называется черезстрочным или interlaced. Именно устройствами с черезстрочной развёрсткой являются подавляющее большинство телевизионных приёмников, которые можно встретить в домах уважаемых читателей.

Кроме чрезстрочных устройств вывода изображения, есть устройства с прогрессивной развёрсткой, коими являются, например, компьютерные мониторы. В отличии от чрезстрочных устройств, прогрессивные устройства выводят весь кадр целиком, что является, безусловно, более правильным. И первые телевизионные приёмники, и телевизионный сигналы, которые передавались на заре телевидения были именно прогрессивными. Но изображение, показанное на CRT экране с частотой обновления 25-30 герц, мерцает настолько сильно, что заметит это даже слепой. Уровень техники в то время не позволял эффективно бороться с этим печальным явлением, поэтому разработчикам пришлось просто разделить один телевизионный кадр на два, и пускать по очереди половинку каждого кадра. Таким образом. получалась частота регенерации в 50-60 герц, что смотрелось уже гораздо лучше. Только теперь, с развитием электронной техники появились и возможности обрабатывать чрезстрочное изображение в реальном времени, и устройства для вывода изображения с только прогрессивной развёрткой (плазменные или LCD панели). Но мы несколько отвлеклись.

Сегодня есть несколько видов сигналов, в которых может подаваться телевизионный сигнал, и которые могут вам встретиться. Это:

Композитный сигнал. Именно он присутствует в VHS, VHS-C, Video-8, и именно его мы получаем через телевизионную антенну, именно с его помощью вещают в эфире. Это один единственный составной видеосигнал, в котором совмещены и яркостный сигнал, оба цветоразностных, и синхроимпульсы. Для подачи такого сигнала надо всего два провода. Из плюсов этого сигнала можно отметить его стандартность (есть практически везде), и наименьшие требования к пропускной способности канала, по сравнению с другими сигналами. Из минусов – наихудшее качество изображения из всех, что обусловлено тем, что сигналы, из которых он состоит, ограничиваются по ширине полосы. А это приводит к снижению чёткости изображения, реальное разрешение получается в районе 230 - 280 ТВЛ.

S-Video. Этот сигнал используется в S-VHS, S-VHS-C и Hi-8. Здесь уже подаётся два сигнала, яркостный (Y), в который входят и синхроимпульсы, и цветности (Chrominance, или С), в который входят оба цветоразностных. Такие сигналы используются, как правило, на видеовоспроизводящей аппаратуре хорошего качества. Требования к пропускной способности канала здесь гораздо либеральнее (ведь через эфир его подавать не надо), поэтому, сигналы не ограничиваются по ширине, и качество изображения получается очень хорошее, реальное разрешение в районе 400 - 500 ТВЛ. Внешне разъёмы для этого сигнала выглядят, обычно, как miniDIN, на 4 или, что реже, на 7 ножек.,

RBG+Sync. Все четыре сигнала подаются по отдельности. Иногда сигнал синхронизации добавляется к G сигналу. Такой сигнал подаётся на SCART выход. Это такой длинный разъём на 21 контакт, который есть на многих современных телевизорах. Кроме этого, RGB выход может иметь вид маленькой фишки (миниждек) с 8 ножками. С его помощью можно добиться максимально возможного качества изображения. Формат изображения подаваемый через RGB всегда 4:4:4. Из других плюсов такого сигнала можно отметить, что он не обрабатывается встроенным в телевизор тюнером, а сразу подаётся на экран. Это благотворно влияет на качество изображения, но имеет и оборотную сторону. Из за такой схемы на многих телевизорах, при работе с RGB сигналом изображение не регулируется средствами самого телевизора. Источником для RGB сигнала может служить либо компьютер, либо DVD плеер, или другая техника подобного класса, потому что в домашних условиях больше негде найти источник сигнала такого качества. К сожалению, современный компьютер нельзя просто так подключить к телевизору по RGB, несмотря на то, что на выходе видеокарты компьютера можно найти все те же сигналы, отдельно R, G, B и Sync. Главная проблема в том, что компьютер работает на слишком высоких частотах, и со слишком большим разрешением. Большинство современных телевизоров просто физически не способны показать такую картинку.

Что такое ТВЛ? Если без излишних подробностей, то это количество строк, которые реально показывается на телевизоре. Ведь теоретические значения недостижимы, во многих случаях даже в теории. Основной причиной этого являются ограничения по пропускной способности сигнала. К примеру, на композитный сигнал формата VHS приходится всего-навсего 3 MHz, во что физически, в самых идеальных условиях, невозможно впихнуть больше 300 строк. Для S-Video частота поднимается до 5-6 MHz, поэтому и реальная разрешающая способность получается выше, в такую полосу можно «впихнуть» и 500 линий, в идеальных условиях

Все вышеперечисленные сигналы передают старый добрый YUV, который состоит из трёх независимых сигналов, яркостного сигнала Y с синхроимпульсами и двух независимых цветоразностных сигналов, U и V. Для YUV сигнала уже не существует понятия системы, в которой он кодирован, PAL, SECAM, NTSC или что-то ещё. Именно YUV сигнал получается в телевизионных приёмниках в результате декодирования любого другого сигнала, закодированного по любой системе. Качество YUV сигнала считается профессиональным, и именно с YUV сигналом работает профессиональная видеоаппаратура. И компьютер. Таким образом, почти любые сигналы, которые описаны выше, легко переводятся один в другой, для чего не надо никакой дополнительной аппаратуру. Разве что пара конденсаторов или сопротивлений, чтобы привести электрические характеристики сигнала в соответствии с тем, что должно быть на соответствующих входах. Но, самом собой, любые трансформации сигнала не приведут к тому, что результат станет лучше исходника. Однако, обычно телевизор пропускает сигнал через встроенный в него тюнер, и не работает с YUV сигналом напрямую. Исключение составляет только RGB+Sync. Во всех остальных случаях, сигнал, подаваемый на телевизор, должен соответствовать тому или иному стандарту.

Телевидение развивалось очень быстро и, в какой то степени, спонтанно, поэтому сегодня существует множество разных телевизионных стандартов, которые хоть и основаны на абсолютно одинаковых общих принципах, но имеют весьма существенные различия. При работе с видео на компьютере Вам придётся сталкиваться с одним или другим стандартом, а то и с несколькими, поэтому рассмотрим их поподробнее. Наиболее распространёнными являются всего три:

NTSC

Это первый формат цветного телевидения который получил широкое распространение. Полностью стандарт был сформулирован 17 Декабря 1953 года в Соединённых Штатах Америки Федеральной Коммуникационной Комиссией (FCC), и регулярные трансляции в этом формате начались 23 Января 1954 года. За разработку NTSC мы должны быть благодарны National Television System Committee (NTSC), аббревиатура которой и дала название стандарту, в который входили крупнейшие, на то время, электронные компании, такие как RCA, General Electric, и многие другие. Одной из задач, которая ставилась при разработке NTSC. являлась совместимость с существовавшим на то время форматом чёрно белого вещания. Это и определило разрешение в 525 строк с частотой 30 кадров, или 60 полей в секунду. Из за особенностей большинства телевизионных приёмников, на самом деле, обычно, видится всего 480 строк.

Основой формата является яркостный, Y сигнал, который формируется из RGB цветов по следующей формуле:

Y (luma) = 0.299R + 0.587G + 0.114B

Как вы уже поняли, именно этот сигнал воспринимается старыми чёрно-белыми приёмниками (совместимость с которыми была одним из обязательных условий при разработке формата), и именно он формирует изображение. Для передачи цвета в NTSC используются I (зелёно-фиолетовый) и Q (оранжево-цианитовый) сигналы, которые формируются так:

I = 0.737U - 0.268V

Q = 0.478U+0.413V

Сделано это для того, чтобы уменьшить ширину канала, необходимого для передачи цветовой информации, даже по сравнению с YUV сигналом. Оборотной стороной этого является то, что из за некоторых особенностей формирования сигнала при использовании NTSC формата, при обратном декодировании не удаётся полностью разделить сигнал на составляющие, цветовые сигналы смешиваются с яркостным. Это приводит к тому, что в зависимости от яркости участка изображения, оно несколько меняет свой цветовой тон. В настоящее время NTSC используется практически во всех странах Северной и Южной Америк, а так же в Японии, Южной Кореи и на Тайване.

PAL

Сложно, если вообще возможно, назвать день, когда этот стандарт сформировался окончательно. С 1953 по 1967 год в Европе параллельно развивались несколько чёрно-белых телевизионных стандартов, которые работали в 625 строках с частотой 25 кадров, или 50 полей в секунду. Как и в случае с NTSC, особенности большинства телевизионных приёмников приводят к тому, что реально мы видим всего 576 строк. Вещание c использованием Phase Alternation Line (так расшифровывается PAL) формата началось в 1967 году в Германии и Великобритании, причём несмотря на одинаковое название, системы несколько различались. Так осталось и поныне, только вариантов PAL систем стало ещё больше. Для решения проблем с разделением сигнала на составляющие, через строку меняется знак амплитуды сигнала U. Поэтому, колебания яркостного сигнала влияют только на небольшое изменение цветовой насыщенности. Эта методика, по сути, вдвое снижает вертикальное разрешение. Впрочем, это несколько компенсируется большим количеством строк, по сравнению с NTSC. PAL система используется в большинстве стран Западной Европы, Африки, Азии, в Австралии и Новой Зеландии.

SECAM

Sequential Couleur Avec Memoire (SECAM), или Секвенсный Цветной с Памятью формат был разработан во Франции, и регулярное вещание с его использованием началось в том 1967 году, в Франции и СССР. Так же как и PAL, SECAM работает в 625 строках с частотой 25 кадров, или 50 полей в секунду. И так же как и в PAL, из за особенностей большинства телевизионных приёмников, реально видно всего 576 строк. Но, в SECAM другой метод кодирования цвета. Цветовая информация передаётся поочерёдно, одна линия R-Y, и следующая B-Y. В декодере данные восстанавливаются путём простого повторения строк. Как и в случае с PAL, это вдвое снижает вертикальную чёткость. Зато SECAM позволяет полностью отделить цветовые сигналы от яркостного, что позволяет добиться более правильной цветопередачи. Используется SECAM в Франции, Монако и Люксембурге, в странах бывшего CCCP, Восточной Европе, в некоторых арабских странах, и некоторых странах Африки. В общем, в основном в тех странах, где влияние CCCР было особенно сильно. В настоящее время многие из этих стран либо рассматривают возможность перехода в PAL систему, либо уже перешли в неё. Причём, причина этого вовсе не политические игры, а в том, что гораздо проще найти обученный персонал и аппаратуру для работы в PAL системе, что обусловлено широчайшей распространённостью этого стандарта.

Конечно, на самом деле всё гораздо сложнее, ведь есть ещё и звук, есть возможность передавать множество телевизионных программ одновременно, и многое другое. Да и видов и вариаций телевизионных стандартов гораздо больше. Но это выходит за рамки этой статьи, поэтому не буду забивать голову читателя излишними подробностями. Но, как видно даже из столь скудного описания, наибольшие проблемы всегда вызывало именно кодирование цвета. Действительно, если яркостный сигнал (Y) везде кодируется практически одинаково, и формируется по уже знакомой вам формуле (Y (luma) = 0.299R + 0.587G + 0.114B), то цветоразностные сигналы кодируются по разному. Это обуславливает то, что даже при использовании аппаратуры не поддерживающей тот или иной стандарт, обычно удаётся увидеть хотя бы чёрно-белую картинку. Впрочем, вряд ли читателям придётся серьёзно страдать из за этой проблемы, каким бы способом они не выводили видео с компьютера, у них почти гарантировано будет возможность выбрать как минимум из двух форматов, PAL или NTSC. То же самое касается и телевизоров, на которые подаётся сигнал, если в телевизоре есть вход, куда можно подать сигнал, то почти наверняка он поддерживает хотя бы один из этих двух стандартов. Клинические случаи, вроде старых советских телевизоров, 15-20 лет от роду можно не рассматривать, всё равно на них нет фишек нормального формата, к которым можно подключиться. А про то, какие фишки всё-таки бывают, и как к ним подключаться (особенно когда фишка на компьютере совсем на такая, как на телевизоре), мы поговорим в следующий раз.

Дополнительные материалы: