Telewizja konwencjonalna

Marzenia o możliwości przesyłania obrazów na duże odległości towarzyszyła ludzkości od dawna. Jednak praktyczne możliwości realizacji tego pomysłu powstały dopiero w XX wieku i były poprzedzone wieloma odkryciami w dziedzinie fizyki i psychofizjologii widzenia związanymi z rozwojem kinematografii. Okazało się, że wzrok człowieka charakteryzuje się ograniczoną rozdzielczością (większą dla luminancji a mniejszą dla barw, większą w płaszczyźnie pionowej niż pionowej) oraz pewną bezwładnością. Właściwości te pozwalają na istotne ograniczenie ilości niezbędnej informacji o przesyłanych obrazach. Wrażenie ruchu powstanie już kiedy nieruchome sekwencje obrazów zostaną wyświetlone z szybkością co najmniej 16 klatek na sekundę.

Podstawą współczesnej telewizji jest przekształcenie obrazu w serię elementów (analiza obrazu) przesyłanych w odpowiedniej kolejności, a następnie synchroniczne przekształcenie ich w kompletny obraz w punkcie odbioru (synteza obrazu). Uważany za ojca współczesnej telewizji konwencjonalnej szkocki inżynier John Logie Baird zademonstrował w 1926 roku w Londynie urządzenie elektromechaniczne zdolne do transmisji obrazu czarno-białego składającego się z 30 linii powtarzanych 5 razy na sekundę. Dalszy rozwój telewizji nastąpił po wprowadzeniu próżniowych lamp elektronowych: ikonoskopu do analizy obrazu i lampy Browna wykorzystującej promienie katodowe do syntezy obrazu (ang. Cathode-Ray Tube – CRT).

Zasady telewizji programowej

Wszystkie używane obecnie standardy telewizyjne opierają się na tych samych zasadach:

• psychofizjologii widzenia,
• wybierania liniowego (z lewej do prawej, z góry do dołu),
• powtarzania obrazów,
• transmisji koloru jako osobnego przesyłania składników luminancji i chrominancji.

Charakterystyka wizji

Poniższe wartości zostały ustalone w związku z rozwojem kinematografii. M.in. zaobserwowano, że ekran powinien być oświetlany z dużą częstotliwością, aby uniknąć męczącego migotania obrazu. Dokładna wartość zależy od oświetlenia filmowanej sceny: dla małych luminancji wystarczy 40 Hz, a jasne sceny wymagają nawet 80 Hz. Filmowcy rozwiązali ten problem następująco: przerywają krzyżem maltańskim oświetlenie każdej ramki dwukrotnie, co daje częstotliwość odświeżania 48 Hz dla 24 ramek/s.

• przeciętna rozdzielczość kątowa oka: 1´ (1 minuta łuku),
• optymalny kąt obserwacji w płaszczyźnie poziomej bez zmęczenia mięśni oka: 10º,
• optymalna liczba linii = kąt obserwacji/rozdzielczość oka = 600 linii,
• częstotliwość pola bez zacierania płynności ruchu > 12/s,
• częstotliwość pola bez migotania > 50/s.

Format obrazu telewizyjnego

Źródłem formatów obrazu dla telewizji była i jest kinematografia. Najpopularniejszymi formatami ramek filmowych są:

• 1,33:1 – (4:3 lub 12:9) wprowadzony przez Edisona i wykorzystywany w kinie niemym,
• 1,37:1 – (22:16) (Academy aperture) stosowany m.in. przez amerykańskie wytwórnie filmowe głównie w latach trzydziestych, czterdziestych i pięćdziesiątych XX w.,
• 1,66:1 – (15:9) europejski standard panoramiczny,
• 1,85:1 – (17:9) standard filmowy wykorzystywany w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii,
• 2:1 – (18:9) standard wykorzystywany przez niektóre wytwórnie amerykańskie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX w.,
• 2,39:1 – (21:9) (CinemaScope) standard wykorzystywany głównie w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX w.,
• 2,6:1 – (24:9) (Cinerama) standard wprowadzony w latach pięćdziesiątych XX w.

Dla telewizji o standardowej rozdzielczości przyjęto format obrazu o proporcjach szerokości do wysokości 4:3 (12:9), taki jak w pierwszych filmach niemych. Natomiast dla telewizji szerokoekranowej przyjęto format 16:9 jako kompromis pomiędzy stosowanymi filmowymi formatami panoramicznymi. W okresie przejściowym od telewizji standardowej do szerokoekranowej posiadacze odbiorników standardowych będą oglądać emisje szerokoformatowe z dwoma ciemnymi poprzecznymi pasami u dołu i góry ekranu (tzw. letterbox), natomiast posiadacze odbiorników szerokoformatowych będą odbierać transmisje standardowe w dwoma ciemnymi pionowymi pasami z lewej i prawej strony ekranu (tzw. pillarbox) albo mogą rozciągnąć obraz do pełnej szerokości ekranu rezygnując z jego oryginalnych proporcji. Aby zminimalizować te niekorzystne i często nieakceptowane przez posiadaczy odbiorników telewizyjnych obu kategorii zjawiska, nadawcy wprowadzili emisyjny format pośredni 14:9 powstający przez wycięcie z oryginalnego formatu 16:9 centralnej części obrazu.

Liczba linii w obrazie telewizyjnym

Obecnie w użyciu pozostają dwa rozwiązania. W USA od początku przyjęto 525, a w Europie ostatecznie 625 linii w obrazie. Pierwszy brytyjski standard 405 linii dawał zbyt małą rozdzielczość, natomiast standard francuski 819 linii wymagał zbyt dużego pasma transmisyjnego, tak więc Europa przyjęła kompromisowo 625 linii.

Częstotliwość pola

Wymagana częstotliwość powtarzania pól nie powinna być niższa od 50 Hz aby ograniczyć migotanie obrazu oraz powinna być zsynchronizowana z częstotliwością sieci energetycznej (50 Hz w Europie, 60 Hz w USA). Pozwala to ograniczyć wpływ na obraz ze strony przydźwięku pochodzącego od zasilacza odbiornika TV oraz migotania źródeł oświetlenia sceny zasilanych z sieci prądu przemiennego. W tych warunkach subiektywne oddziaływanie tych zjawisk będzie zmniejszone ponieważ zakłócenia w postaci ciemnych poziomych pasów pozostają wciąż w tym samym miejscu ekranu.

Jednak częstotliwość pola 50 Hz w połączeniu z ponad 600 liniami oraz 60 Hz z ponad 500 liniami obrazu prowadzi do pasma sygnału wizyjnego powyżej 10 MHz. Było to nieakceptowane przy ówczesnym stanie techniki i dostępności kanałów dla telewizji. Rozwiązaniem pozwalającym zmniejszyć wymagane pasmo o połowę jest wybieranie międzyliniowe. Obraz (ramka) zostaje podzielony na dwa pola. Pierwsze pole składa się tylko z linii nieparzystych, a drugie tylko z parzystych. Tak więc w efekcie uzyskuje się częstotliwość powtarzania 50 pól na sekundę (brak migotania) i 25 ramek na sekundę (ograniczone pasmo). Została tu w pełni wykorzystana ograniczona rozdzielczość i bezwładność wzroku.

Transmisja koloru

Reprodukcja kolorów w telewizji wykorzystuje inną właściwość wzroku: wrażenie dowolnego koloru może być odtworzone za pomocą kombinacji trzech innych kolorów zwanych podstawowymi. Trzy proste kolory mogą być podstawowe, jeżeli żadnego z nich nie da się otrzymać jako kombinacji pozostałych dwóch. W praktyce stosuje się kolor czerwony, zielony i niebieski, ponieważ zapewniają najszerszy zakres odwzorowania kolorów naturalnych. Innymi słowy, można zdefiniować dowolny kolor wskazując proporcje czerwonego, zielonego i niebieskiego, których należy użyć do jego rekonstrukcji.

Warunkiem pomyślnego wprowadzenia telewizji kolorowej było zachowanie kompatybilności z telewizją monochromatyczną, tzn.:

• programy transmitowane w kolorze powinny być odbierane przez odbiorniki czarno-białe bez widocznej utraty jakości obrazu,
• programy transmitowane jako czarno-białe powinny być widoczne jako czarno-białe na odbiornikach kolorowych.

Wynika z tego, że sygnały telewizji kolorowej powinny składać się z sygnału luminancji i dodatkowej informacji o „kolorowości” zwanej sygnałem chrominancji.

Obecnie w użyciu pozostają trzy systemy telewizji kolorowej opracowane niezależnie, uwzględniające liczbę linii i częstotliwość odświeżania pola stosowane w telewizji monochromatycznej standardowej rozdzielczości:

• NTSC (USA, 1954) dla 525 linii i 60 pól/s,
• SECAM (Francja, 1961) dla 625 linii i 50 pól/s,
• PAL (RFN, 1963) dla 625 linii i 50 pól/s.

We wszystkich trzech systemach przesyła się sygnał luminancji (Y) niezbędny do zachowania kompatybilności z istniejącymi odbiornikami monochromatycznymi. Sygnały kolorów podstawowych czerwonego (R) i niebieskiego (B) są transmitowane w postaci sygnałów różnicowych koloru (R-Y) i (B-Y) (o ograniczonym paśmie, bo oko ma niższą rozdzielczość dla koloru) wewnątrz pasma sygnału luminancji. Trzeci sygnał (G-Y) jest odtwarzany w dekoderze z pozostałych dwóch. Różnice pomiędzy systemami polegają na różnych sposobach transmisji sygnału chrominancji. W NTSC i PAL oba sygnały modulują kwadraturowo podnośną koloru (w PAL z fazą odwracaną co drugą linię), a w SECAM sygnały różnicowe modulują kolejno podnośną w FM. Podnośna chrominancji w każdym z systemów jest umieszczona w górnej części pasma wizyjnego w sposób zmniejszający widzialność zakłóceń na ekranie odbiornika monochromatycznego.

Obejrzyj szczegółowe informacje dotyczące telewizji konwencjonalnej w Polsce.

Zobacz wszystkie telewizory w Infotece.