Принцип действия простого электронного глаза аналогичен зрительному процессу человека.
Рис. 227. Электронное устройство для измерения интенсивности света |
' 1 Гц соответствует 1 колебанию в секунду. |
Важнейшим элементом такого устройства является полупроводниковое устройство — фотодиод. Сопротивление полупроводника изменяется в зависимости от силы падающего света. Если к такому элементу приложить входное напряжение, то выходное напряжение будет зависеть от светового облучения. Разность этих напряжений подается через усилитель на устройство обработки. Поскольку выходное напряжение изменяется в соответствии с изменением сопротивления светочувствительного полупроводника, разность напряжений может служить мерой интенсивности света (рис. 227).
Устройствами, предназначенными для получения электронного изображения, являются светочувствительные сенсоры типа ПЗС и КМОП, состоящие из большого количества светочувствительных элементов и установленные в видео-, теле- и цифровых фотокамерах. При воздействии света многочисленные элементарные ячейки, из которых состоит матрица, формируют электрический сигнал в виде изменения напряжения пропорциональный яркости освещенной поверхности.
Информация о яркости каждой точки изображения в виде электрического сигнала затем может быть продемонстрирована на экране телевизора, записана на магнитную ленту или преобразована в цифровой вид и записана в память компьютера.
Приемниками звука (звуковых волн) являются микрофоны. В любом микрофоне имеются две системы: акустико-механическая и механоэлектрическая. Существует огромное количество микрофонов, использующих различные принципы работы: угольный, электромагнитный, электродинамический, ленточный, конденсаторный, пьезоэлектрический и др. В современных видеокамерах применяются микрофоны, позволяющие получать качественный стереофонический звук и при записи звука изменять диаграмму направленности микрофона (например, с узким углом снимать звук на большом расстоянии или с широким углом вблизи).
В настоящее время наиболее распространены два способа записи изображения и звука: магнитный и оптический.
В магнитной видеозаписи используется свойство ферромагнитных материалов запоминать внешнее магнитное поле. Оптический способ записи основывается на свойствах лазерного источника, позволяющих записывать и считывать информацию на специальные носители.
Магнитная видеозапись. Магнитная запись и воспроизведение сигналов являются неотъемлемой частью технологии формирования видеоизображений. Сигнал изображения в процессе магнитной видеозаписи преобразуется в пространственную последовательность соответствующим образом намагниченных участков рабочего слоя магнитной ленты.
Под действием тока сигнала, протекающего в обмотке записывающей видеоголовки, возникает магнитный поток. Вследствие высокой магнитной проводимости сердечника видеоголовки магнитное поле концентрируется в ее рабочем зазоре (участок с низкой магнитной проницаемостью). Изменяющееся во времени магнитное
поле воздействует на магнитный слой ленты. При этом скорость видеоголовки относительно ленты остается постоянной (рис. 228).
Поток в сердечнике магнитной головки |
Рабочий зазор
Магнитный поток |
Рабочий слой магнитной ленты
Рис. 228. Принцип магнитной записи
В процессе воспроизведения осуществляется обратное преобразование: магнитный поток, возникающий под действием намагниченности рабочей среды, перемещающейся с определенной скоростью относительно воспроизводящей видеоголовки, протекает по ее сердечнику и генерирует в обмотке сигнал. Воспроизводящая видеоголовка аналогична записывающей видеоголовке.
В рассмотренных устройствах происходят два преобразования: электромагнитное (запись) и магнитоэлектрическое (воспроизведение).
Электромагнитное преобразование основано на свойствах ферромагнитных материалов намагничиваться и сохранять это состояние. Молекулы ферромагнитных материалов за счет магнитного взаимодействия объединяются в домены — микрообъемы, в которых магнитное поле имеет одно направление. Магнитный носитель (магнитный слой), например оксид железа, модифицированный Сг02 и др., наносят на прочную основу (ленту). Связующим веществом при изготовлении рабочей среды используют специальные лаки. Толщина лент, например полиэтиленте-рефталатных, составляет 11... 14 мкм.
Магнитная головка представляет собой магнитопровод с зазором и намагничивающей обмоткой, через которую протекает ток сигнала изображения. В процессе записи магнитный поток замыкается через участок рабочей среды (магнитное сопротивление этого участка существенно ниже, чем зазора, заполненного немагнитным материалом). Измерения показывают, что намагничивание осуществляется в пределах времени менее 10 не.
Для получения требуемой относительной скорости (лента — видеоголовка) используют построчную запись (воспроизведение) вращающимися видеоголовками. Видеоголовки размещаются в цилиндрическом барабане, который составляет основу блока видеоголовок. Специальный механизм вытягивает ленту из видеокассеты и направляет ее в лентопротяжный механизм. Подвижные направляющие стойки прижимают магнитную ленту к барабану видеоголовок и к стационарным магнитным головкам записи-воспроизведения сигналов звукового сопровождения и управления.
Магнитная лента при прохождении через блок видеоголовок принимает форму Q-петли со смещением вдоль оси вращения примерно на ширину ленты. Видеоголовки перемещаются под некоторым углом к направлению линейного движения ленты. В результате на магнитной ленте записываются наклонные строчки (рис. 229).
Рис. 229. Схема наклонно-строчной магнитной видеозаписи:
1,4 — цилиндрический барабан; 2, 5, 8, 9 — магнитные видеоголовки;
3 — магнитная лента; 6, 7 — подвижные направляющие магнитной ленты
Оптическая видеозапись. Совершенствование оптических дисковых устройств записи и воспроизведения изображений стимулируется рядом достоинств по сравнению с аналогичными устройствами магнитной записи. К числу их следует отнести более высокую плотность записи (до 108 бит/см2 при емкости диска до 1010 бит), бесконтактный способ считывания, простой доступ к фрагментам записи, простые способы реализации режимов ускоренного и замедленного (до стоп-кадра) воспроизведения изображения, простоту тиражирования и др. Оптическая видеозапись по сравнению с магнитной позволяет получить лучшее качество воспроизводимого изображения и звука. Вместе с тем ряд технологических трудностей приводит к практически неконкурентному, параллельному развитию систем оптической и магнитной видеозаписи.
На оптическом диске информация записывается по спиральной траектории. Излучение с длиной волны полупроводникового лазера фокусируется при помощи микрообъектива на поверхности диска и формирует информацию об изображении в виде микрорельефа на материале диска (рис. 230). Изменение оптической длины пути излучения осуществляется за счет формирования в процессе термического воздействия и расплавления полимера микроуглублений-питов (продолговатых углублений на поверхности диска), количество и длина которых несут информацию о записанных сигналах.
Рис. 230. Принцип оптической видеозаписи:
1,2 — лучи; 3 — алюминиевое покрытие; 4 — детектор; 5 — зеркало; 6 — лазер;
7 — полупрозрачное зеркало; 8 — диск
Считывание записанной видеоинформации осуществляется путем регистрации детектором отраженного светового потока, фокусируемого с помощью микрообъектива, используемого для фокусировки первичного пучка и направляемого на детектор полупрозрачным зеркалом. Вся рассмотренная оптическая система находится в головке считывания видеопроигрывателя. Оптическое считывание реализовано на базе эффектов, изменяющих состояние падающего света при отражении. Оптическая считывающая головка преобразует отраженный световой пучок в сигнал изображения.
В устройствах оптической видеозаписи используют различные форматы записи, к ним относятся CD-ROM, Video-CD, DVD и др. За один оборот диска воспроизводится один кадр изображения. Путем повторения или пропуска дорожек легко реализовать режимы замедленной или ускоренной передачи. Более экономичным, обеспечивающим увеличение времени записи или воспроизведения является режим с постоянной линейной скоростью дорожки относительно считывающего пятна (в процессе записи или считывания при переходе от внутреннего к внешнему радиусу частота вращения диска уменьшается).
Для записи или воспроизведения сигналов звукового сопровождения в видеодисковых системах применяют широтно-импульсную модуляцию путем изменения протяженности питов. Таким образом, расстояние между центрами питов модулируется телевизионным сигналом, а протяженность пита — сигналом звукового сопровождения. Детектор излучения видеопроигрывателя наряду с сигналами изображения и звукового сопровождения выделяет сигналы ошибки радиального слежения за дорожкой и ошибки фокусировки. Эти сигналы используют для управления автоматическими устройствами радиального слежения и фокусировкой микрообъектива.
Воспроизведение электронного черно-белого изображения. Снятый видеокамерой фильм обычно просматривают на экране телевизионного приемника. При этом устройством отображения служит электронно-лучевая трубка — кинескоп. Кинескоп представляет собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух. На переднюю поверхность кинескопа нанесен слой люминофора, а в задней части расположен электронный прожектор.
Электронный прожектор формирует электронный луч, который управляется посредством нескольких отклоняющих индукционных катушек и, перемещаясь из верхнего левого угла экрана в правый нижний, прочерчивает горизонтальные строки в слое люминофора.
Электронный луч в телевизионных приемниках начинает свое движение не с левого верхнего угла, как в компьютерных мониторах, а с середины первой строки. Когда электронный луч достигает правого конца строки, его перемещают к левому концу следующей строки. Во время этой операции, она называется обратным ходом горизонтальной развертки, электронный луч отключается. В противном случае во время движения луча в обратном направлении на изображении возникали бы помехи. Когда электронный луч достигает последней строки, он также отключается и возвращается к первой строке (обратный ход вертикальной развертки) (рис. 231).
Электронный луч
Электронный прожектор |
Люминофор |
Отклоняющая система |
Обратный ход луча по горизонтали
>-г— | ||
';';■ | ||
'v'■..................................................... | ||
........................ ■■... | ||
..-•■• /'.' | ||
.- | . / | |
. / | ||
/ |
Обратный ход луча по вертикали
0, 2, 4 и т.д. = 1-е поле
1, 3, 5 и т.д. = 2-е поле
Рис. 231. Принцип действия кинескопа (вверху). Схема движения электронного луча в кинескопе (внизу)
За счет энергии электронного луча происходит возбуждение люминофора кинескопа и излучение света. Длительность и яркость свечения зависит как от типа люминофора, так и от интенсивности электронного луча. Если во время движения электронного луча по слою люминофора изменять его интенсивность, на экране трубки можно получить последовательность точек различной яркости. По этому принципу работают черно-белые телевизионные приемники и монохромные мониторы.
У цветных кинескопов каждая цветная составляющая изображения (красная, зеленая и синяя) формируется соответствующим электронным лучом, перемещающимся по экрану параллельно с остальными. Таким образом, цветное изображение формируется тремя электронными лучами.
В телевидении и видеозаписи используют стандарты разложения изображения на горизонтальные строки с числом 625 (европейский стандарт), 525 (американский стандарт), 1125 и 1250 (стандарты ТВЧ).
Телевизионное изображение в соответствии со стандартом, принятым в России, состоит из 625 строк. Из них 575 строк используются для получения видимого изображения. Остальные 50 строк частично используются для передачи телетекста. В дальнейшем будем исходить из числа строк равного 625, поскольку это позволяет определить максимально возможное разрешение изображения. При этом всегда нужно помнить, что реально имеется только 575 строк.
Частота строк — число строк, которые за одну секунду должен прочертить электронный луч. Эта величина называется еще частотой горизонтальной развертки изображения.
Частота кадров соответствует числу кадросмен в секунду. Частота кадросмен, называемая также частотой вертикальной развертки, и составляет не менее 50 Гц.
С точки зрения телевизионной техники это означает, что телевизионные изображения для создания полного впечатления об изображении должны передаваться и приниматься телевизионным приемником с частотой 50 х 652 = 31250 строк в секунду, или 31, 25 кГ. Трансляция такого потока данных связана с большими техническими затратами. Поэтому при принятии телевизионного стандарта было решено передавать телевизионные изображения не как полные кадры, состоящие из 625 строк, а в виде полукадров, содержащих по 312,5 строк. Полукадры отображаются на экране после-
довательно (метод чересстрочного разложения; см. рис. 231, 232). Первое поле содержит информацию о нечетных строках изображения, а каждая вторая строка остается пустой. Эти строки заполняются при следующем проходе луча по экрану на втором поле, которое содержит информацию о четных строках. Благодаря этому методу удалось вдвое сократить количество видеоинформации, которую необходимо передать в единицу времени. В секунду передается 50 полей.
1-е поле
2-е поле
Полное изображение
t i i I I i м m
п) и i i ■ i i
СЕ
■ I I ИР
■ ими
I I I I I IT TTT J ГТТМТЕМХЗ
err
l i 1 111 jam
Рис. 232. Схематическое представление передачи изображения в виде двух полей (метод чересстрочного разложения)
Метод чересстрочного разложения не оказывает существенного влияния на качество телевизионного изображения, поскольку в большинстве случаев передаются подвижные изображения. В связи с тем, что каждый новый кадр отличается от предыдущего, не так уж важно, передаются ли полные кадры или поля. При передаче таких неподвижных изображений, как, например, телетекст, компромисс между техническими затратами и качеством изображения становится явно заметным. Технически чрезвычайно трудно разместить строки одного поля между строками другого, поэтому наклонные линии всегда получаются несколько зигзагообразными, а изображение в целом кажется нерезким.
Воспроизведение звука, записанного видеокамерой, производится с помощью электроакустических преобразователей — громкоговорителей. Такие устройства преобразовывают электрический сигнал на видеоленте в акустическую форму и излучают звук в окружающее пространство.