Основные принципы записи и воспроизведения визуальной и звуковой информации электронными системами

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.