§ 5.16. Понятие о телевидении

Определения и обозначения

Телевидение — способ передачи и воспроизведения движущегося изображения на расстояние с помощью электрических сигналов. Проще говоря, изображение превращают в сигнал, передают его, а затем снова получают на экране. Это позволяет видеть события почти одновременно с их съёмкой.

Телевизионный сигнал — электрический сигнал, содержащий сведения о яркости отдельных элементов изображения и синхронизации его воспроизведения. Изменения сигнала показывают, насколько светлым должен быть очередной участок экрана. Синхронизирующая часть указывает, когда переходить к новой строке или кадру.

Развёртка изображения — последовательное разделение изображения на строки и элементы для передачи и последующего восстановления. Вместо обработки всей картины сразу система считывает её участки в определённом порядке. Благодаря этому двумерное изображение можно представить одной изменяющейся величиной — электрическим сигналом.

Кинескоп — электронно-лучевая трубка телевизора, преобразующая электрический сигнал в видимое изображение на экране. Электронный луч перемещается по экрану и изменяет его свечение. Так электрическая информация превращается в картину, которую видит зритель.

Как это устроено

Целое изображение нельзя передать одним мгновенным значением электрической величины: в нём много участков с разной яркостью. Если разделить картину на элементы, каждому элементу можно поставить в соответствие отдельное значение сигнала. Последовательный просмотр этих элементов превращает набор значений в одну функцию времени.

Передающая система перемещает считывающий луч по строке, а затем переводит его к началу следующей. В каждый момент луч освещает или считывает небольшой участок, поэтому электрический сигнал меняется вместе с яркостью этого участка. Когда все строки пройдены, получена информация об одном кадре, то есть одном неподвижном изображении.

Одних сведений о яркости недостаточно: приёмник должен знать, где заканчивается строка и когда начинается новый кадр. Поэтому в телевизионный сигнал добавляют синхронизирующие импульсы. Они служат временными метками и заставляют развёртку приёмника повторять тот же ритм, что и развёртка передающей системы.

Телевизионный сигнал передаётся радиоволной после модуляции, то есть изменения параметров радиоволны в соответствии с информацией. Антенна приёмника улавливает волну, а телевизор выделяет из неё исходный сигнал изображения. Звуковой сигнал передают одновременно, но отдельным каналом или отдельной составляющей общей телевизионной передачи, поскольку он описывает колебания звука, а не яркость точек.

В кинескопе электронный луч последовательно движется по строкам экрана благодаря отклоняющим системам. Сигнал изменяет интенсивность луча: при большей яркости луч сильнее возбуждает покрытие экрана, а при меньшей — слабее. Повторяя развёртку много раз в секунду, кинескоп восстанавливает кадры, а быстрая смена кадров создаёт видимость движения.

Этапы передачи и воспроизведения телевизионного изображения

Таблицу удобно читать слева направо: каждый этап показывает, как изображение меняет форму, но сохраняет содержащуюся в нём информацию. Последний столбец помогает связать физический результат с конкретным узлом телевизионной системы.

Разбор задач

Задача 1. Объяснить, почему неподвижное изображение в телевидении передают не целиком, а последовательно по строкам. Нужно связать способ развёртки с возможностью использования одного изменяющегося электрического сигнала.

1. Разделим изображение на маленькие элементы и зададим каждому элементу значение яркости.
2. Выберем порядок считывания: слева направо по строке, затем переход к следующей строке.
3. Получится последовательность значений, меняющаяся со временем; именно её можно представить электрическим сигналом и передать.

Ответ: последовательная развёртка превращает распределение яркости на плоскости в один сигнал, изменяющийся во времени.

Задача 2. Телевизионный кадр содержит 625 строк и сменяется 25 раз в секунду. Найти частоту строчной развёртки и период прохождения одной строки. Обозначим число строк N = 625, а частоту кадров fкад = 25 Гц.

1. За одну секунду развёртка проходит 25 кадров, в каждом из которых 625 строк.
2. Используем формулу fстр = Nfкад: fстр = 625 · 25 = 15 625 Гц.
3. Период одной строки равен обратной частоте: Tстр = 1/fстр = 1/15 625 с ≈ 0,000064 с = 64 мкс.

Ответ: частота строчной развёртки равна 15 625 Гц, период прохождения строки — примерно 64 мкс.

Задача 3. В последовательности телевизионного сигнала нужно отличить сведения о яркости от синхронизирующих импульсов и определить последствия потери синхронизации. Яркостная часть описывает изображение, а специальные импульсы задают временной порядок его восстановления.

1. Свяжем изменения уровня сигнала с яркостью очередных элементов: они формируют содержание изображения.
2. Выделим импульсы, повторяющиеся через интервалы строк и кадров: они сообщают о начале нужного участка развёртки.
3. Если импульсы исчезнут, луч приёмника будет двигаться не в согласии с передатчиком, поэтому строки сместятся или изображение начнёт прокручиваться.

Ответ: яркость передаётся информационной частью сигнала, а синхронизирующие импульсы обеспечивают правильное положение строк и кадров; их потеря вызывает нарушение развёртки.

Типичные ошибки

Передача изображения одним непрерывным снимком. Так думают, потому что на экране видна цельная картина, но система получает её поэлементно и построчно. Проверка: спросите себя, какая величина меняется во времени и описывает яркость очередного элемента.

Телевизионный сигнал путают с радиоволной. Ошибка возникает из-за того, что оба явления участвуют в одной передаче: сигнал несёт сведения, а радиоволна переносит их. Проверка: можно ли описать объект как информацию о яркости или как электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве?

Частоты кадров и строк считают одинаковыми. Частота строк больше, потому что в каждом кадре много строк: fстр = Nfкад. Проверка: умножьте частоту кадров на число строк и убедитесь, что размерность результата — герцы.

Забывают о синхронизирующих импульсах. Тогда искажения объясняют только изменением яркости, хотя нарушиться может сам порядок развёртки. Проверка: отдельно назовите, что отвечает за содержание изображения, а что — за моменты начала строк и кадров.

Связь с другими темами

Для понимания телевидения нужны знания о распространении электромагнитных волн, модуляции, передаче сигналов и движении электронного луча. Развёртка продолжает идею разложения сложного сигнала на простые составляющие и кодирования информации. Эти принципы встречаются при изучении радиосвязи, цифрового телевидения, видеосигналов и электронных устройств.

Что запомнить

• Телевидение передаёт и воспроизводит движущиеся изображения на расстоянии.
• Изображение перед передачей разлагают на элементы последовательной развёрткой.
• Телевизионный сигнал содержит сведения о яркости элементов изображения.
• Синхронизирующие импульсы согласуют развёртки передатчика и приёмника.
• В телевизионной системе изображение и звук передаются как составные части общей передачи.
• Кинескоп преобразует изменения электрического сигнала в изменения яркости точек экрана.
• Движение изображения создаётся быстрой последовательностью сменяющихся кадров.