Az analóg kamerák és a TV technika
A még ma is általánosan használt hagyományos TV technikára és analóg kamerákra minden pejoratív felhang nélkül mondhatjuk azt, hogy elavultak, és nem igazán illenek bele a jelenlegi digitalizált korszakba. A korszerűtlenség oka nem más, mint hogy a hagyományos TV és videó rendszerek Európában még mindig az 1962-ben kialakított PAL szabványra épülnek.
Ha a technika rohamos fejlődését nézzük, azért egy közel 60 éves szabvány alkalmazása mosolygásra adhat okot, holott az analóg kamerák esetében még mindig az ennek megfelelő képalkotási szabályok jellemzőek, azaz:
- 625 sorból álló kép,
- 50 Hz-es képfrekvencia,
- váltott soros képalkotás,
- valamint korlátozott sor- és képpontosság.
Bár a PAL szabvány elterjedésével közel egyidejűleg történtek kísérletek a nagyfelbontású kamerák kifejlesztésére – a Szovjetunióban például 1958-ban már kísérleteztek egy 1125 TV-soros kamerával –, az igazi áttörésre sokáig kellett várni. A digitális forradalomnak köszönhetően nagyjából az 1990-es évek végére tehető a nagyfelbontású IP kamerák megjelenése és minimális szintű terjedése hazánkban. Az IP kamerák műszaki jellemzői túllépték a PAL szabvány korlátait, és azóta is töretlen a fejlődésük. Különösen a képfelbontás növekedésében látványos a változás. Mindennek ellenére még mindig az analóg technikára épülő kamerák adják a piac domináns részét. Többek között ezért is érdemes megismerni jellemzőiket, és megismerkedni a mozgókép kialakulásának fejlődéstörténetével.
| A kezdetek – egy kis filmtörténet
|
A mozgásérzet kialakulása a szemben
A televíziós rendszerek kifejlesztése során az emberi szem tulajdonságai képezték a kiindulópontot és mindennek az alapját. Lényeges dolog volt, hogy hogyan tudnak mozgásérzetet kialakítani, pontosabban a mozgókép illúzióját kelteni a tévéadás során. Mindehhez az emberi szem tehetetlensége adta a legjobb megoldást. A látótérben zajló igen gyors folyamatokat szemünk nem tudja felbontani, azok számunkra összefolynak. A tévéadás során tulajdonképpen meghatározott számú képet közvetítenek egymás után. A szem tehetetlenségének köszönhetően viszont, hogy ha ezeket a képeket megfelelő sebességgel villantják fel, akkor összeolvadnak és folyamatos mozgás érzetét keltik. Hosszas kísérletezés után megállapították, hogy 14 kép/sec sebességnél már folytonosság alakul ki, 24 kép/sec sebességnél csaknem tökéletes, darabosság nélküli a mozgás, míg 50 kép/sec esetén a képváltás során keletkező villogás teljes mértékben megszűnik. Ahogy azt említettük a TV készülékek adása teljes mértékben az emberi szemre van optimalizálva. Érdekes lenne, ha mondjuk egy ragadozó madár szemével nézhetnénk a tévéadást. Mivel ezeknek az állatoknak a látása sokkal érzékenyebb mint az embereké, ezért az általunk valósághű mozgásként érzékelt képsorokat ők egy el-eltűnő, villódzó, ide-oda futó fénypontként érzékelnék.
A TV kép sor- és oszlop felbontása
Függőleges felbontás, vagyis a sorok száma
A kép függőleges felbontása a függőleges irányban maximálisan létrehozható sorok számát jelenti. Az 1940-50-es években, amikor tulajdonképpen sor került a tv-kép sorszámának meghatározására, nem jött létre nemzetközileg egységes szabvány. A cél nagyjából az volt, hogy kb. 600 sort tartalmazzon a tv-kép, emellett páratlan számból álljon, hogy a váltott soros képfelbontást meg lehessen valósítani, illetve maga a sorszám kis számok szorzataként felírható lehessen. Ez utóbbira az akkori frekvenciaosztási kialakítások miatt volt szükség.
Ezek alapján az egyes országokban a következőképpen alakultak a sorszámok:
Anglia: 405 sor = 3 x 3 x 3 x 3 x 5
USA, Japán: 525 sor = 3 x 5 x 5 x 7 (NTSC szabvány)
Európai országok: 625 sor = 5 x 5 x 5 x 5 (PAL szabvány)
Franciaország: 819 sor = 3 x 3 x 7 x 13 (SECAM szabvány)
A színes televízió, valamint a nemzetközi műsorcsere elterjedésével némiképp egységesültek ezek a szabványok. Természetesen hazánkban is a PAL szabvány szerint sugározzák a TV műsort, és az analóg video megfigyelő rendszerekben alkalmazott kamerák, monitorok és egyéb eszközök is erre a szabványra épülnek. Fontos tényező, hogy a PAL szabvány szerint sugárzott, vagy kábelen továbbított 625 sorból csak 575 sor alkotja magát a képet.
| A tv-kép sorszámának meghatározása során az emberi szem nagyjából 2 ívperces (más vizsgálatok szerint inkább 1 ívperces) felbontóképességét vették alapul, valamint azt, hogy az optimális nézőszög, amiből egy képet ideálisan lehet nézni, az 20º.
E két lényeges adat hányadosából egyszerűen meg lehetett becsülni, hogy a jó minőségű képátvitelhez 600 sorra van szükség, azaz: x (a sorok száma) = [20 (nézőszög) x 60 (másodperc)] / 2 (felbontóképesség) = 600. Azt is megállapították, hogy a 600-nál nagyobb sorszámnál nem javul a képátvitel minősége, mert az a továbbiakban már a leképezés milyenségének a függvénye. |
Vízszintes felbontás, vagyis az oszlopok száma
A vízszintes felbontás a vízszintes irányban maximálisan létrehozható oszlopok számát jelenti. Az Európában alkalmazott PAL szabvány szerint a TV kép függőleges felbontása 625 soros. A hagyományos TV kép oldalaránya 4:3. Ha a sorok számát megszorozzuk a kép oldalarányával, akkor megkapjuk a vízszintesen egymás mellett található képpontok számát, vagyis az oszlopszámot. Ennek alapján a vízszintes felbontás értéke 625 x 4/3 = 833. Ha a teljes kép képpontjainak összegére vagyunk kíváncsiak, akkor a sorok számát kell megszorozni az oszlopok számával, azaz 625 x 833 = 520.625.
Váltott soros letapogatás
A TV kép kialakítása
A 20. század végéig a TV képernyőkben katódsugárcsövet alkalmaztak. A katódsugárcsőben felgyorsított elektronsugár csapódik be a képernyő belső falán lévő fényporrétegbe, ami ennek hatására fényt bocsát ki magából. A kép ezekből a felvillanásokból áll össze. Ahhoz, hogy az elektronnyalábok a megfelelő helyre csapódjanak be, mágneses vagy elektromos térre van szükség. A fekete-fehér képcsövekben egy elektronsugár, míg a színes képcsövekben három egyidejű elektronsugár hozza létre a képet.
Váltott soros letapogatás
Ahogy említettük a villódzásmentes kép megjelenítéséhez arra volt szükség, hogy a másodpercenkénti képek kirajzolását 50-re növeljék. A nagyobb képfrekvencia viszont nagyobb sávszélességet igényelt volna, amit a TV hőskorában sem műszaki, sem gazdasági szempontokból nem lehetett megvalósítani. A probléma megoldására nagyszerű ötlet született. A képkockát páros és páratlan sorokból álló félképekre bontották, így a félképek mindegyike egyenként 312,5 sorból áll. Először az első félkép páratlan sorai kerülnek letapogatásra és felrajzolásra, aztán a másik félkép páros sorai. Amíg az egyik félkép sorai rajzolódnak, addig a másik félkép sorai kialszanak, és fordítva. Mindezt úgy érik el, hogy az első félkép még látható a képernyőn a második félkép felrajzolásának befejeződésekor. Tulajdonképpen a két félkép sorait mintegy összefésülik, vagy egymásba csúsztatják, amitől folyamatosnak tűnik a képmegjelenítés. A váltott soros (interlace-es) letapogatás kifejlesztésével a mérnökök biztosítani tudták, hogy a sávszélesség az akkor műszakilag még megvalósítható 6,5 Mhz (sőt a gyakorlatban 5,5 Mhz) értéknél ne legyen nagyobb, ugyanakkor a képernyő villódzása megszűnjön.
Kompozit videojel, szinkronjelek
A videojel tulajdonképpen a kamera által látott kép leképezéséből létrehozott, képinformációt tartalmazó elektronikus jel. A videojel alapvetően tartalmazza a képpontok helyzetét, színét és intenzitását. Ahhoz, hogy a kamera kimenetén megjelenő jelből ismét képet hozzunk létre, még a jelátalakításra és a képtovábbításra vonatkozó segédjelekre, markerjelekre is szükség van. A videojel és a segédjelek összessége alkotja a kompozit videojelet. A kompozit videojel egy 0 és +1 V között mozgó analóg feszültségjel, aminek 70 %-a a képjelek, 30%-a pedig a szinkronjelek számára van fenntartva. Az 1 V-os maximális érték a teljes fehér szint, a 0,3 V-os alsó érték pedig a teljes fekete szint. A fehér és a fekete szint közötti feszültségszintek arányos szürkeségi értékeket jelentenek. A teljes fekete szint alatti videojel már nem tartalmaznak képi információt, az a markerjeleknek van fenntartva. Mint azt már fentebb említettük, egy képkocka két félképből, egyenként 312,5 sorból tevődik össze, ahol az egyes sorokat sorszikronjelek választják el egymástól, magát a képet pedig képszinkronjelek határolják. A szinkronjelek megfelelő működése és egyáltalán megléte nagyon fontos, hiszen ha zavar lép fel bármelyiknél is, az rossz minőségű képet eredményez: a sorszinkron zavara vízszintes csíkosodást vagy magának a képnek a törését, azaz a sorok egymáshoz képest való elcsúszását, a képszinkron zavara pedig a kép futását okozza.
Színes képátvitel
A televíziózás történetében bizonyos idő elteltével mind a felmerülő igények, mind a sorozatos fejlesztések hatására hamarosan sor került a színes képátvitel megvalósítására, így a színes televíziók és színes tévéadások létrejöttére.
A fejlesztőmérnököknek számos felmerülő problémára kellett tekintettel lenniük:
- Egyrészről a különböző televízióadások és a különböző tévékészülékek kompatibilitását meg kellett oldani. Azaz olyan megoldásra volt szükség, hogy a fekete-fehér tévékészülékkel rendelkező felhasználók ugyanúgy tudják fogni a színes tévéadásokat is, mint a fekete-fehéreket, valamint akiknek színes tévékészülékük van, a fekete-fehér tévéadást is tudják nézni.
- Ezen kívül színes adás sávszélességének ugyanakkorának kellett lennie, mint a fekete-fehérnek, de a képinformáción túl a színinformáció továbbításával együtt. A színeknek ugyanis nem lehetett egy újabb frekvenciasávot fenntartani, így ezt csak a már meglévő frekvenciasávba beágyazva lehetett elképzelni.
A megvalósítás:
A fekete-fehér televízióadás esetében a világosságjel volt az, ami a képtartalmat, az információkat hordozta, ezért ezt továbbra is célszerű volt megtartani. A világosságjelen belül üres helyek, azaz szabad frekvenciasávok voltak. A színinformációt hordozó jelet ezekbe a hézagokba kellett betenni, figyelembe véve azt hogy ez a jel pontosan ugyanakkor legyen, ugyanannyi helyet foglaljon el mindig, hiszen bármilyen frekvenciaváltozás esetén, ha a világosságjel és színsegédvivő jel összecsúszása a képben zavart okozhat, így élvezhetetlenné válna a tévéadás. Arról már korábban szóltunk, hogy a tévékészülékek esetében additív színkeveréssel három szín, azaz a kék, a zöld és a vörös felhasználásával a különböző színinformációk előállíthatóak, így amennyiben ezt a három alapszínt továbbítjuk a már fent említett módon, a színes képátvitel létrejöhet. Ha nem is könnyen, de végül sikerült úgy megvalósítani a színes TV működését, hogy kompatibilis maradt a fekete-fehér TV-kével, vagyis a fekete-fehér televíziókon is lehetett a színes TV adásokat fogni.
| Amennyiben a színes tévérendszerekről beszélünk, mindenképpen meg kell említenünk Goldmark Péter Károly (1906. – 1977.) nevét, aki az első ilyen rendszerek kifejlesztésében úttörő szerepet vállalt. 1926-ban, az akkor 20 éves Goldmarknak sikerült létrehoznia a televízió ősét, ami egy 2,5 x 3,8 cm-es képernyővel rendelkező, képsugárzásra alkalmas mechanikus televíziókészülék volt. 1940-ben, már mint a CBS munkatársa bemutatta az első gyakorlatban is használható színes televíziót. Később tökéletesítette ezt a színes TV-t, így neki köszönhetjük, hogy annak idején emberek millió kísérhették figyelemmel az első holdsétát. Ezen kívül az ő nevéhez fűződik a mikrobarázdás hanglemez kifejlesztése, valamint az EVR (electro video recording) feltalálása is. |
TV műsorsugárzási és videorendszer szabványok
| Szabvány | Megfelelés | Leírás | Sorok száma | Frekv. | Frissítés |
| EIA | a színes NTSC szabványnak megfelelő fekete-fehér szabvány | monokróm kompozit videojel | 525 | 60 Hz | 60 field/s |
| CCIR | a színes PAL szabványnak megfelelő fekete-fehér szabvány | monokróm kompozit videojel | 625 | 50 Hz | 50 field/s |
| NTSC | a fekete-fehér EIA szabványnak megfelelő színes szabvány | színes kompozit videojel | 525 | 60 Hz | 60 field/s |
| PAL | a fekete-fehér CCIR szabványnak megfelelő színes szabvány | színes kompozit videojel | 625 | 50 Hz | 50 field/s |
| SECAM | színes kompozit videojel | 625 | 50 Hz | 50 field/s |
field = mező, félkép
Az egyes szabványok használata országonként a következőképp alakult:
| Szabvány | Használatos |
| Electronics Industry Association (EIA) | |
| Comittée Consultatif International des Radiotelecommunique (CCIR) | |
| National Television Systems Comittee (NTSC) | USA, Japán, Tajvan, Kanada |
| Phase Alternative Line (PAL) | Európa (kivéve Franciaország), Ausztrália, Új-Zéland, Afrika és Ázsia egyes országai) |
| Sequentiel a Mémoire (SECAM) | Franciaország, Egyiptom, Oroszország |
| A szabványokhoz néhány kiegészítő adat: Az NTSC rendszer volt az első ilyen jellegű szabvány, ami a világon bevezetésre került 1951-ben. Ez a szabvány kizárólag az amerikai színes TV-rendszerekre vonatkozik. Az NTSC továbbfejlesztésének számít a PAL rendszer, melyet 1962-ben adtak ki. Kifejlesztése a Telefunken cég mérnökének, a német Walter Bruch-nak a nevéhez fűződik. A SECAM szabványt 1957-ben Franciaországban szabadalmaztatták, mely Henry de France mérnök munkájának érdeme. |
Az elmúlt években megjelenő új videorendszer szabványok
A televíziózás kezdete óta – a bevezetőben említettek ellenére – óriási technológiai fejlődés történt. A legújabb fejlesztések hatására a jövő a normál felbontású, azaz SD (Standard Definition) TV-khez képest a nagyfelbontású televízióké, azaz a HD (High Definition), HD Ready, HD Ready 1080p és fullHD TV-ké. Már az 1970-es évek végén – szinte közvetlenül ezeknek a szabványoknak, valamint a színes televízióknak az elterjedését követően –, megindultak a fejlesztések a nagyfelbontású TV-k létrehozására, melyek mind analóg technológiára épültek. 1985-re arra jutottak, hogy a nagyfelbontású televíziók működéséhez szükséges frekvencia 60 Hz félképenként, illetve 1125 sor szükséges hozzá. Ez azonban ütközött az addig Európában használatos 50 Hz-es frekvenciával. Az 1990-es évektől kezdve már digitális technológiával is kísérleteztek. 1998-ban szabvány lett az 1080i, 2001-ben pedig a 720p formátum. A HD terjedését az évek során két dolog segítette nagyon: egyrészről a síkképernyős televíziók kifejlesztése, másrészről olyan újfajta tömörítési eljárások alkalmazása, amelyek a műsorszórásban is használhatók voltak.
A HD TV jellemzői:
- a normál felbontású TV-kéhez képest a függőleges és vízszintes felbontás minimum a duplája
- a képméretarány minimum 16:9-es
- váltott-soros letapogatás és a progresszív kijelzés egyaránt jellemző
- a kép világosságtartalma és a színinformáció külön van kezelve
- CD minőségű hang
- mozifilmhez közeli képminőség
- képterülete a PAL felbontású videó képterületének ötszöröse, az NTSC képterületének hatszorosa
- megnövelt felbontás
- ahhoz, hogy a legjobb minőségben kiélvezhessük a HD felbontást, az ehhez megfelelő típusú és megfelelő számú képponttal rendelkező megjelenítő eszközökre van szükség: plazma TV-k, LCD TV-k, HD projektorok stb.
Hogy jobban áttekinthető legyen, az alábbi táblázatban összefoglaljuk, a HD és az SD közötti különbségeket.
| SDTV | HDTV | |||
| PAL/SECAM | NTSC | 720p | 1080i/p | |
| TV sorok száma | 625 | 525 | 750 | 1125 |
| aktív sorok száma | 576 | 480 | 720 | 1080 |
| soronkénti pixelszám | 720 | 720 | 1280 | 1440/1920 |
| képoldalarány | 4:3/16:9 | 4:3/16:9 | 16:9 | 16:9 |
| pixeloldalarány | 4:3/16:9 | 4:3/16:9 | 1:1 | 1:1 |
| képkiolvasás | váltott-soros | váltott-soros | progresszív | váltott-soros/ progresszív/ progresszív szegmentált képkocka |
| Történeti kronológia a kép- és hangrögzítés területéről
1873: Alexander Parkes és John Wesley Hyatt szabadalmaztatja a celluloidot 1877: Az első sorozatfelvétel elkészítése, melyhez 24 fényképezőgépet használtak fel 1878: Edison feltalálja a fonográfot, így megvalósul a hangrögzítés 1888: Emile Berliner létrehozza a barázdás hanglemezt 1888: Edison megalkotja a normálfilmet 1889: George Eastman kidolgozza a celluloid alapú hajlékony filmnyersanyagot 1900: Valdemar Poulsen szabadalmaztatja a telegrafon elnevezésű mágneses hangrögzítő berendezését 1923: Az első középhullámú rádióadások 1925: Először van Magyarországon rádióadás 1928: Először kísérleteznek a színes TV-vel 1929: Kísérleti tévéadás Berlinben 1930-as évek: A televíziózás kezdete 1935: A Kodak előállítja a színes filmet 1947: A Neumann János által kifejlesztett első számítógép 1948: A világon eladott tévékészülékek száma ebben az évben 16 500 darab 1950: Műsorszórás az URH sávban 1951: Az NTSC rendszer bevezetése az USA-ban 1954: Az első magyar televízióadás 1956: Az amerikai AMPEX cég bemutatja az első képmagnót, ami egy fekete-fehér mágneses képrögzítő berendezés volt. Az eszköz kifejlesztése Charles Ginsberg, Shelby Henderson, Ray Dolby és Charles Anderson mérnökök nevéhez fűződik. 1957: A SECAM rendszer szabadalmaztatása 1959: Létrehozzák az első sztereo hanglemezt 1960-as évek: A rádióadások az FM hullámsávba kerülnek 1962: A PAL szabvány bevezetése 1963: A sztereó rádióadások megindulása 1967: Megindulnak a PAL és a SECAM rendszerű TV-adások 1969: Élő közvetítés a Holdról 1970: A Sony piacra dobja az első háromcsöves videóvetítőt 1980: A világon legyártott színes tévékészülékek száma ebben az évben 110 millió darab 1982: Az első CD, azaz “Digital Audio Compact Disc” megjelenése a piacon, mely a Philips és a Sony cég közös fejlesztése |