Tv Tehnika

Univerzitet u Sarajevu Elektrotehnički fakultet Sarajevo Odsjek za tekomunikacije

SKRIPTA ZA PRIPREMANJE ISPITA IZ TV TEHNIKE

Sarajevo, oktobar 2007.god.

Osobine oka Jedna od značajnijih osobina oka je osjetljivost oka i ona se odnosi na spektralnu osjetljivost oka koja označava zavisnost relativne osjetljivosti oka od talasne dužine svjetlosti. Ukupna spektralna osjetljivost oka je rezultat sabiranja spektralne osjetljivosti tri vrste čepića: R, G i B, što je i prikazano na krivoj osjetljivosti oka kod standardnog posmatrača:

Kriva-a se odnosi na osjetljivost oka za svjetlost normalne jačine, dok se kriva-b dobija pri slaboj svjetlosti. Uočavamo da je najveća osjetljivost oka u oblasti zeleno-žute boje, tj. pri λ=550 nm. Osjetljivost oka na promjene jačine svjetlosti veća je nego na promjene boje, što je posljedica činjenice da retina sadrži znatno više štapića nego čepića. Sljedeća osobina oka je opseg kontrasta, što se odnosi na poznatu osobinu da oko može vidjeti razne osvjetljaje okoline. Kada se mijenja osvjetljaj okoline, oko se automatski prilagođava, te se uvodi i pojam prilagođenja oka, što praktično znači da se oko automatski prilagođava pri npr. prelasku iz jako osvjetljene prostorije u slabo osvjetljenu. Moć razlaganja oka je osobina oka povezana sa sposobnošću uočavanja sitnih detalja. Ona zavisi od strukture mrežnjače i optičkih karakteristika sočiva. Moć razlaganja ovisi i od kontrasta detalja prema pozadini, od oštrine detalja, kao i od dinamike slike. Jasno je da je moć razlaganja veća kod većeg kontrasta i većeg srednjeg osvjetljaja okoline, kao i kod statitičkih, nego kod dinamičkih slika. Inercija i persistencija oka su posebno zanimljive sa aspekta TV tehnike. Kada se svjetlosni fluks na retini naglo poveća biće potrebno izvjesno vrijeme da se u mozgu stvori osjećaj odgovarajuće sjajnosti, što znači da oko ne djeluje trenutno na promjene osvjetljaja. Na sljedećoj slici je prikazana reakcija oka na kratkotrajni pobudni impuls:

Vremenski interval ove inercije će zavisiti od veličine promjene i to što je promjena veća, osjećaj prije dostiže maksimum. Ako veličina sjajnosti opadne trenutno, osjećaj se smanjuje eksponencijalno, što je i prikazano na ovoj slici. Produženje osjećaja sjajnosti nakon prestanka pobude naziva se persistencija i ona iznosi oko 0.1 s. Ova osobina je od posebne važnosti za TV, jer oko vrši integraciju dovoljno bliskih uzastopnih sekvenci, što stvara predstavu kontinualnog kretanja u TV slici. Na dužinu persistencije utiče više faktora, a jedan od njih je i spektralna karakteristika svjetlosti. Ustanovljeno je da osjećaj sjajnosti duže traje, ako je pobudna svjetlost crvena ili plava, nego ako je žuta. Narednu osobinu oka označavamo kao treperenje. Kada se oko pobuđuje svjetlosnim impulsima niske frekvencije, svaki pojedinačni impuls će biti uočen od strane oka, jer je njihov period ponavljanja duži od persistencije oka. Pri povećanju frekvencije posmatrač će imati utisak kao da izvor stalno emituje svjetlost, s tim da je ona promjenljive jačine, što znači da će se pojaviti treperenje. Ako se frekvencija svjetlosnih impulsa i dalje povećava utisak treperenja će potpuno išćeznuti pri frekvenciji koju zovemo kritična frekvencija treperenja – CFF (Critical Flicker Frequency). CFF zavisi od više faktora: • Ako se poveća amplituda impulsa, porast će i CFF, • Relativni odnos trajanja impulsa (θ) i perioda prekidanja (T) utiče na CFF i to tako da što je odnos θ/T bliži jedinici, to je CFF niža, • CFF zavisi i od udaljenosti posmatrača.

Miješanje i predstavljanje boja Miješanje boja. Boje možemo miješati na dva načina: subtraktivno i aditivno. Subtraktivno miješanje se ostvaruje upotrebom obojenih pigmenata, tj. materijala u boji. Ova tehnika miješanja se koristi u štamparstvu, slikarstvu itd.

Aditivno miješanje boja nastaje pri upotrebi obojenih svjetlosti i ono se koristi kod televizije u boji U oku postoje tri vrste čepića, a pretežno su osjetljivi na plavu (B), zelenu (G) i crvenu (R) boju. Stoga su usvojene tri primarne boje ili tri osnovne svjetlosti, čije su dominantne talasne dužine: B: G: R:

λ=435.8 nm λ=546.1 nm λ=700 nm

Nijedna od ovih primarnih boja se ne može dobiti miješanjem druge dvije primarne boje. Svaka nijansa određene boje može se dobiti miješanjem odgovarajućih iznosa primarnih boja, tj. bilo koja boja F se može dobiti kao: F=rR+gG+bB gdje su r, g i b intenziteti odgovarajućih primarnih boja. Aditivnim miješanjem tri primarne boje dobijamo bijelu boju, dok subtraktivnim miješanjem nastaje tamno-smeđa boja. Zanimljiva situacija nastaje kada miješamo po dvije primarne boje:

Ovako dobijene tri sekundarne boje nazivamo komplementarne boje. Bijela boja se može formirati i pomoću komplementarnih boja.

Predstavljanje boja. Boje možemo predstavljati na više načina, a izbor zavisi od karaktera i namjene analize. Ako pođemo od analitičkog predstavljanja boja i ako su npr. poznate dvije boje u skalarnom obliku: C1=r1R+g1G+b1B C2=r2R+g2G+b2B Tada se miješanje ovih boja vrši sabiranjem odgovarajućih skalarnih komponenata: C=C1+C2=(r1+r2)R+(g1+g2)G+(b1+b2)B Za određene aplikacije je zanimljivo predstavljanje boja u prostoru, pa se u tu svrhu koriste različiti koordinati sistemi. U sljedećem primjeru koristimo Dekartov koordinatni sistem, pri čemu se ovaj model naziva i RGB model predstavljanja boja u prostoru.

RGB model je prikazan kao jedinična kocka, kod koje se u svakom od vrhova nalazi određena boja. Vrh ove kocke označava bijelu boju W(1,1,1), jer su jednako zastupljene sve tri primarne boje. Kretanje duž ovog vektora W daje podatak o jednoj od tri komponente osjećaja boja, a to je sjajnost ili bljesak. Nedostatak ovog modela u odnosu na vizuelni sistem čovjeka je teškoća zamišljanja kolor nijansi u smislu tri vrijednosti. Drugi problem je što geometrijska distanca između jedne i ostalih boja ne odgovara različitim osjećajima raznovrsnih boja. Zbog toga je koncipiran CMY (Cian/Magenta/Yellow), odnosno CMYK (CMY-black) model koji je takođe ilustrovan jediničnom kockom. U ovom modelu su zamjenjene pozicije crne i bijele boje u odnosu na njihove pozicije u RGB modelu. CMY kolor model se koristi kad god se dokument u boji štampa na ink-jet printeru, jer catrige sadrži ove tri boje.

Obzirom na pomenutu komplementarnost RGB i CMY modela moguće je izvršiti konverziju RGB modela u CMY model prema sljedećoj matričnoj relaciji: C  W   R   M  = W  − G        Y  W   B  Nedostatak je nemogućnost kreiranja “čiste“ crne boje, pa se koristi CMYK model. Pored pomenutih kolor prostora, u pojedinim situacijama koriste se i modeli YCrCb, koji se sastoje od signala luminanse-Y i signala razlike boja Cb i Cr, koji zapravo predstavljaju kompozitni signal razlike boja. Vidimo da ova tri signala formiraju prostorni koordinatni sistem, pri čemu cilindar u središtu kocke označava nijanse od crne do bijele boje. Brojevi 1023 označavaju broj mogućih uzoraka po svakoj od tri ose (ukupno ih ima 1024, uključujući i 0.)

Dijagram boja Pod dijagramom boja najčešće podrazumjevamo dvodimenzionalnu prezentaciju boja, tipa x-y, koja predstavlja vidljive boje u ravni. Ovaj kolor model je nazvan CIE dijagram boja, koji je predstavljen na slici: Sve boje su obuhvaćene krivom oblika potkovice, a korisnik može mijenjati boje jednostavnom promjenom koordinata x i y. Zasićene boje zauzimaju pozicije po obodu, što znači prezentaciju dominantne talasne dužine (DTD) ili vrste boje, a ona se kreće od 380 nm za plavu, do 780 nm za crvenu boju. U centru ove parabole je bijela boja, a takođe vidimo da boje bliže centru imaju manje zasićanje, što znači da su boje na periferiji zasićene. Zaključujemo da kretanje od centra ka periferiji parabole daje podatak o zasićenju boje. Trokut boja označava mogućnost izbora određenih komponenata kao primarnih boja, što za TV u boji predstavljaju plava B(435,8 nm), zelena G(546,1 nm) i crvena R(700 nm).

Klasifikacija linearnih izobličenja kod TV signala Glavni faktori koji uzrokuju degradaciju kvaliteta analognog kompozitnog video signala su izobličenja (linearna i nelinearna) i šumovi. Ako privremeno zanemarimo nelinearna izobličenja, onda možemo ponašanje studijske opreme u smislu linearnih izobličenja tretirati u dva domena: • Frekventni domen, što znači posmatranje amplitudnih odziva (spektri) i grupnog kašnjenja u frekventnom domenu, tj. A(f) odnosno τg(f). • Vremenski domen, pri čemu poredimo valne oblike na izlazu pod testom sa odgovarajućim ulaznim valnim oblicima. Na sljedećoj slici je prikazana uobičajena podjela linearnih izobličenja:

Za mjerenje definisanih tipova linearnih izobličenja koriste se određeni standardni test signali. Svaki od test signala ima specifični frekventni spektar podesan za ispitivani frekventni domen. Mjerenje frekventnih odziva se vrši upotrebom multiburst signala, čiji je valni oblik prikazan na slici:

Izobličenja u vremenu trajanja jedne poluslike se mjere pomoću pravougaonog impulsa trajanja 20 ms:

Izobličenja u trajanju jedne linije (64μs) se mjere pravokutnim impulsom prikazanim na slici. Vrijeme rasta pravougaonog impulsa izabrano je tako da njegov spektar ostaje unutar granice maksimalnog prenešenog opsega video signala, što je 5 MHz u slučaju PAL sistema.

Kratkoročno izobličenje se valorizira u smislu K faktora. K faktor predstavlja subjektivno ocjenjivanje kvaliteta slike. Test signal za ovo mjerenje ima formu sinus-kvadrat impulsa, koji je prikazan na slici. Značajan parametar ovakvog impulsa je HAD (Half Amplitude Duration), tj. trajanje impulsa na 50% vrijednosti amplitede.

Kašnjenje krominanse prema luminansi i pojačanje se mjere uz pomoć modulisanog sinus-kvadrat impulsa, prikazanog na slici. Signal se dobija linearnim sabiranjem sinus-kvadratnog impulsa i podnosioca boje, koji u slučaju PAL sistema iznosi 4.43 MHz. U ovom slučaju se uzima da je HAD = 2μs.

Nelinearna izobličenja Prenosna karakteristika realnog video signala nije u potpunosti linearna, što znači unošenje nelinearnih izobličenja. Nelinearna izobličenja zavise od: • Srednjeg nivoa slike APL (Average Picture Level), • Trenutne vrijednosti luminantnog signala, • Amplitude krominanse U zavisnosti od vrste uređaja i načina obrade luminanse i krominanse, nelinearnosti mogu uticati na luminansu i/ili krominansu individualno, a mogu uzrokovati i interakciju među njima. Podjela nelinearnih izobličenja je data šematski na sljedećoj slici:

Za verifikaciju performansi uređaja sa aspekta nelinearnih izobličenja se koriste standardni test signali. Ovi signali simuliraju real-time video signale u smislu amplitude signala i njegovog spektralnog sadržaja. Za testiranje nelinearnosti luminanse koristi se signal luminantne stepenice, koji je prikazan na slici. Signal se sastoji od 5 -10 jednakih porasta amplitude. Signal modulisanih stepenica se koristi za mjerenje diferencijalne faze i diferencijalnog pojačanja.

Za mjerenje faznih i amplitudnih izobličenja krominanse kao i za intermodulaciju krome u lumu koristi se signal modulisanog pedastala, prikazan na slici. Signal se sastoji od pedastala luminanse kome su superponirana tri nivoa krominantnog podnosioca konstantne faze.

Određivanje veličine specifičnog tipa nelinearnosti se obavlja na sljedeći način: • Ispitivanom uređaju se dovodi test signal specifičan za tip mjerenja koji se želi obaviti • Mjerni instrument spojen na izlaz uređaja izoluje krominantnu ili luminantnu komponentu izobličenog ispitnog signala i mjeri devijaciju amplitude ili faze obzirom na referencu na specifičnim nivoima luminanse i krominanse.

Šumovi Šumove definišemo kao neželjene parazitne signale koji se superponiraju korisnom signalu. Primjer jedne kategorizacije šumova dat je na sljedećoj slici:

Zapažamo da u ovisnosti mehanizma generisanja šumova razlikujemo dvije kategorije: slučajni šumovi (nekoherentni) i koherentni šumovi (interferencije). Nekoherentni (slučajni) šumovi su generisani od strane elemenata sklopova i rezultat su kombinovanog efekta termičkih šumova i šumova Šotki efekta. Test signal za mjerenje šuma je ravna poluslika na nivou crnog (tj. luminansa je na nivou crnog). Efekat slučajnog šuma na luminantnu komponentu slike je vidljiv kao mustra crno-bijelih mrlja. Luminantni slučajni odnos signal/šum (SNR) se definiše relacijom: SNR(dB)=20log (P-P napon video signala / RMS napon šuma) Na ekranu osciloskopa se prikazuju P-P vrijednosti, pa je za mjerenje RMS vrijednosti potrebno unijeti faktor korekcije. Ova vrijednost se uzima u granicama 14 do 18 dB, a neki autori sugerišu vrijednost od 15 dB, pa tako imamo: SNR(dB)=20log (P-P napon video signala / RMS napon šuma) + 15 Mjerenje krominantnog SNR nije standardizovano. Koherentni šum se generiše izvan uređaja i on ne posjeduje statističke osobine slučajnog šuma. Najčešće se sastoji od jednog ili više zaostalih ometajućih signala. Odnos signal/šum (SNR) za koherentni šum se definiše relacijom: SNR(dB)=20log (P-P napon video signala / P-P napon koherentnog šuma) Koherentni šum može biti brum, druge periodične frekvencije ili preslušavanje video signala. Za mjerenje bruma koristi se LPF filter 10 kHz.

Koncept digitalizacije video signala Slika koja se dobija na senzoru kamere (analizatorska cijev ili CCD čip) može se posmatrati u prostoru i vremenu. Slika posmatrana u prostoru se definira kao pravilna matrica pixela (elemenata slike), kao u primjeru datom na sljedećoj slici, gdje je prezentiran isječak plohe senzora.

Svaki od ovih elemenata slike ima određenu sjajnost koja je predstavljena analognim iznosom napona. Osvjetljaji ovih pixela u jednoj liniji formiraju video signal jedne linije, što znači generisanje signala luminanse. Sve što smo rekli odnosi se ipak na analogni video signal. Razmotrimo sada kako će nastati digitalni signal. Uzmimo kao primjer digitalizaciju analognog signala u domenu vremena samo za luminantni signal, što je ilustovano primjerom sa sljedeće slike:

Digitalizacija se sastoji u diskretizaciji po vremenu – to je proces uzorkovanja i diskretizaciji po amplitudi – to je proces kvantizacije. Očitane vrijednosti uzoraka se u koderu pretvaraju u binarne cifre, nakon čega se formira digitalna transportna struja. Vidimo da dobijeni digitalni video možemo prenositi serijski ili paralelno.

Međutim, za prenos kolor video signala potrebno je prenijeti podatke o dominantnoj talasnoj dužini (Hue) i pobudnoj čistoći (Exitation purity). U analognom sistemu to se postiže formiranjem ili primarnih komponentnih signala – RGB ili kombinovanjem signala razlike boje, tj. pomoću signala Y, U'B-Y i U'R-Y. To znači da ćemo formirati još dvije superponirane ravni digitalnih vrijednosti videa istih pixela, ali sada za signale razlike boja. U tom slučaju potrebna je trodimenzionalna memorijska matrica da bi se predstavio digitalni signal, što je ilustrovano na sljedećoj slici. Evidentno je da u ovom slučaju nastaju pored struje digitalnih podataka o luminansi i struje podataka o krominantnim digitalnim signalima. Pretpostavili smo da se numeričke vrijednosti luminanse i krominanse svakog pixela pohranjuju u trodimanzionalnu memorijsku matricu. Na taj način je pohranjena jedna slika. Sada se postavlja pitanje kako reproducirati pokretnu sliku u digitalnom domenu. To ćemo postići tako što ćemo omogućiti periodično ažuriranje nameričkih vrijednosti RGB ili Y, U'B-Y i U'R-Y svakog pixela. Na ovaj način se formira trodimenzionalna matrica, gdje dvije prostorne ose prikazuju raspored pixela u slici, dok treća prezentira tok promjene vrijednosti veličine lume i krome svakog pixela u vremenu. Ovaj princip je ilustrovan na sljedećoj slici:

Vidimo da se reprodukcija digitalnog signala svodi na cikličko očitavanje ažuriranih stanja iz trodimenzionalne matrice. Ovim je prezentiran princip digitalne reprodukcije, sa napomenom da se sve ove digitalne vrijednosti prethodno pretvaraju u analogne veličine postupkom D/A konverzije, jer samo prezentiranje digitalnih vrijednosti signala ne bi imalo smisla za gledaoca.

Formati digitalnih video signala Razlikujemo dvije kategorije video signala: kompozitni i komponentni. Kompozitni signal – CCVS kombinuje luminansu Y i kominansu C u jedinsvenu struju koja se pohranjuje i prenosi. Primjeri analognog kompozitnog signala su emitiranje TV signala i snimanje na VHS kasetu. Razmotrimo koncept digitalizacije PAL kompozitnog video signala. Polazno pitanje u digitalizaciji studijskog kompozitnog video signala je izbor frekvencije uzorkovanja. Usvojeno je da ona iznosi multipl od frekvencije podnosioca boje fSC, tj. FS = 4fSC = 4*4,43 MHz = 17,73 MHz Drugo značajno pitanje je izbor broja bita – n po uzorku, obzirom da ovaj izbor utiče na kvalitet signala. Na raspolaganju su uglavnom rezolucije kvantizacije sa 8 bita i sa 10 bita. Sada ćemo prikazati numeraciju uzoraka u domenu vremena, za jednu kompletnu liniju, pomoću primjera sa naredne slike.

Vidimo da se numeracija uzoraka posebno vrši za interval video signala i posebno za interval horizontalnog blanking intervala. Sada ćemo razmotriti i strukturu digitalnog rastera za jednu PAL liniju, uz pretpostavku da se posmatra color bar test signal tipa 100/0/100/0. Amplitudni raster, odnosno PAL nivoi kompozitnog signala prikazani su na sljedećoj slici, za slučaj rezolucije kvantizacije od 10 bita po uzorku.

Trajanje digitalne aktivne linije premašuje trajanje aktivne analogne linije. Vidimo da je najviši nivo kvantizacije nešto niži od 100% nivoa krome za slučaj kolor bar testa tipa 100/0/100/0, tako da se pojavljuje negativni headroom. To znači da ne postoji rezerva u preopterećenju A/D konvertora. Digitalni nivoi od 000 do 003 su zaštićeni i nisu dozvoljeni u struji podataka. Komponentni signal – sadrži struje luminanse Y i krominanse Cr i Cb. Pri tome postoje dvije varijacije komponentnih signala: Y/C komponentni i RGB komponentni. Y/C koristi separatne kanale za transport informacija o luminansi i krominansi, dok RGB signal zahtjeva separatne kanale za svaki signal primarne boje. Komponentni signali imaju bolji kvalitet slike od kompozitnog videa. Digitalizacija komponentnog videa znači digitalizaciju tri signala, što implicira sljedeće karakteristike: • Utrošak sklopova je znatno veći za tri lanca komponentnog signala, nego za jedan lanac kompozitnog video signala. • Postupak digitalizacije je jednostavniji, jer nema podnosioca boje. Ključno pitanje i u slučaju digitalizacije komponentnog signala je izbor frekvencije uzorkovanja. Kod kompozitnog signala je uzeta samo jedna frekvencije fS = 4 fSC. Međutim za digitalizaciju tri komponentna signala moramo odabrati tri frekvencije uzorkovanja. U vezi frekvencije uzorkovanja, dogovorena je jedinstvena referentna frekvencija od: fr = 216*fl = 216*15 625 Hz = 3,375 MHz Frekvencije uzorkovanja luminanse i krominanse su stoga multipli ove referentne frekvencije.

Razlikujemo više sistema uzorkovanja, koji nose nazive prema faktorima multiplikacije referentne frekvencije: •

•

•

•

Sistem uzorkovanja 4:1:1 znači da frekvencija uzorkovanja lume iznosi 13,5 MHz (4 x 3.375MHz), dok su frekvencije uzorkovanja krome po 3,375 MHz. Ovaj sitem ima reduciranu horizontalnu kroma rezoluciju i koristi se u uređajima nižeg kvaliteta. Podesan je za situacije gdje propusni opseg krominantnih signala ne premašuje 1.5 MHz. Sistem 4:2:0 ima reduciranu vertikalnu rezoluciju krome. U ovom slučaju kroma uzorci susjednih linija u poluslici su interpolirani u cilju produkcije jedinstvenog kroma uzorka, koji je prostorno lociran na pola razmaka jednog od originalnih uzoraka i lokacije iste linije, ali suprotne poluslike. Sistem 4:2:2 označava frekvencije uzorkovanja od 13.5 MHz (4 x 3.375 MHz) za luminantni signal Y i 6.75 MHz (2 x 3.375 MHz) za krominantne signale U'B-Y i U'R-Y. Ovaj sitem ima najširu primjenu, te je usvojen za digitalnu studijsku tehniku. Sistem 4:4:4 znači da su frekvencije uzorkovanja svih komponentnih signala 13.5 MHz. Sistem se koristi za opremu visokog nivoa studijskog kvaliteta. Primjena ovog sitema je ograničena obzirom da zahtjeva velike bitske brzine prenosa, odnosno enormno širok frekventni opseg.

Sistem 4:2:2 Našu pažnju ćemo usmjeriti na sistem uzorkovanja 4:2:2. Kako je već rečeno, ovaj sistem označava frekvencije uzorkovanja od 13.5 MHz (4 x 3.375 MHz) za luminantni signal Y i 6.75 MHz (2 x 3.375 MHz) za krominantne signale U'B-Y i U'R-Y. Prikazaćemo uporedo spektre uzorkovanih komponentnih video signala u sistemu kodiranja 4:2:2, pomoću sljedeće slike:

Vidimo da izbor frekvencija uzorkovanja lume od 13.5 MHz i krominantnih komponenata od 6.75 MHz eliminira mogućnost nastanka sprezanja (aliasing) i intermodulacije spektara baseband luminantnog i krominantnih signala sa moduliranim uzorcima lume i krome. Neki od osnovnih parametara sistema 4:2:2 su: • Broj uzoraka po totalnoj liniji: Y=864, CB=432 i CR=432 • Broj uzoraka po digitalnoj aktivnoj liniji: Y=720, CB=360 i CR=360 • Frekvencija uzorkovanja: Y: 864 x fl = 13.5 MHz; CB i CR: 432 x fl = 6.75 MHz • Rezolucija kvantizacije: 8 ili 10 bita po uzorku za svaki komponentni signal: Y, CB i CR. Na osnovu pomenutih parametara vidimo da rezolucija kvantizacije može biti 8 bita po uzorku, što znači raspon od 256 nivoa, dok kvantizacija od 10 bita po uzorku omogućava raspon od 1024 nivoa. Izračunaćemo sada potrebnu brzinu digitalnog protoka za slučajeve rezolucije od 8 bita po uzorku i 10 bita po uzorku: Rezolucija 8 bita: Rezolucija 10 bita:

BR = (13.5 + 2 x 6.75) MHz x 8 = 216 Mbit/s BR = (13.5 + 2 x 6.75) MHz x 10 = 270 Mbit/s

U oba slučaja se radi o velikim brzinama prenosa, ali se one mogu koristiti za studijsku distribuciju pod uslovom da se radi o malim distancama prenosa. Za distribuciju na druge sisteme, tj. za veće distance koriste se sistemi kompresije video signala, koji omogućuju znatno niže brzine BR.

Kompresija video signala Kompresija digitalnog video signala započinje već pri formiranju komponentnog video signala, jer su luminantna i dvije krominantne komponente predstavljene jednom transportnom strujom, unutar jedinstvenog propusnog opega od 5 MHz. Pomoću ovog signala se formiraju digitalni komponentni signali, čije transportne struje imaju veoma visok digitalni protok, tj. visok BR (Mbps). Za signal tipa 4:2:2, pri rezoluciji od 8 bita po uzorku nastaje digitalni protok od BR=216 Mbps, a pri rezoluciji od 10 bita po uzorku nastaje transportna struje od 270 Mbps, što zahtjeva velike propusne opsege, odnosno ograničava daljinu prenosa na primarnu distribuciju unutar prostora studija i režije. Za potrebe sekundarne distribucije i zapisa neophodno je izvršiti kompresiju video i audio signala, što praktično znači smanjivanje digitalnog protoka. Razmotrimo stoga najprije teorijsku podlogu na osnovu koje se koncipira postupak kompresije. Osnovu čini utvrđivanje neophodne količine informacija iz izvora koju treba prenijeti kako bi se ista mogla reproducirati na strani prijema, kao i onog dijela informacije koja predstavlja višak informacije. To znači da u cilju kompresije video signala utvrđenu suvišnu informaciju ne treba prenositi. Srednja količina informacija skupa događaja predstavlja entropiju, a ona uzima maksimalnu vrijednost, ako svi događaji imaju jednaku vjerovatnoću. Odstupanje entropije od njene maksimalne vrijednosti predstavlja redundancu. Redundanca je dakle onaj višak informacije, koji generira izvor, koji nije neophodno prenijeti da bi se identifikovala izvorna informacija. Redundanca u slici Za postizanje ekonomičnosti prenosa informacija potrebno je smanjiti redundanciju i svesti prenijetu informaciju na entropiju izvorne informacije. Prema Šenonovoj teoremi prosječna dužina kodne riječi izvora ne može biti kraća od entropije izvora. Možemo prihvatiti interpretaciju po kojoj se kompresija zasniva na procesu redukcije informacija koje sadrži slika ili grupa slika za iznos redundancije koje one sadrže. Postupak utvrđivanja i redukcije redunadancije se može definisati analizom statističke prediktabilnosti, tj. predvidivosti video signala. Većina signala ima neki stepen prediktabilnosti. Navedimo dva ekstremna primjera prediktabilnosti: • Sinusni signal je potpuno predvidiv, jer ima samo jednu frekvenciju, odnosno ne traži poseban propusni opseg. • Na drugoj krajnosti se nalazi šum, koji je potpuno neprediktabilan. Signali u stvarnosti padaju negdje između ove dvije ekstremne kategorije. Razlikuje dvije kategorije redunadancije: psihofizička redundancija i statistička redundancija podataka.

Psihofizička redundancija Psihofizička redundancija označava činjenicu da vrijednosti digitaliziranih uzoraka u slici nisu jednako percipirane od strane vizuelnog sistema čovjeka – HVS (Human Visual System). To znači da neke greške HVS ne registrira, a ne registrira ni ako se neke vrijednosti uzoraka promjene ili čak i odstrane. Razlikuju se optička iluzija, prepoznavanje uzoraka i efekat nagnutosti.

Oko čovjeka ima određenu osjetljivost na promjene u prostoru, pri čemu možemo konstatirati da veliki objekti imaju nisku prostornu frekvenciju, a mali objekti visoku. To praktično znači da zbog smanjenja osjetljivosti oka na visoke prostorne frekvencije možemo takve sadržaje slike podvrgnuti grubljem stepenu kvantizacije, a greške kodiranja u blizini granične frekvencije prostorne rezolucije oko neće ni zamjetiti. Mozak takođe ima uticaja na viđenje slike. To znači da neke nekompletne strukture registrira i automatski kompenzira stvarajući impresiju kompletne slike. Oko čovjeka se adaptira na okolinu, pri čemu se fokusira na horizontalne i vertikalne oblike, dok slabije reagira na druge. To označava efekat nagnutosti prikazan u gornjem primjeru: paralelnost, razmještaj i širinu pravougaonika oko jasno razaznaje, dok je kosa rezolucija slabija. To praktično znači da dijagonalne prostorne frekvencije mogu biti grublje kvantizirane, što će značiti dodjelu manjeg broja bita po uzorku, a time i smanjenje bitske brzine, što je krajnji efekat kompresije. Statistička redundacija Statistička redundancija podataka znači da sve slike sadrže veliki iznos identičnih podataka, kao posljedica npr. identičnih vrijednosti nekih oblasti pixela u slici. U pokretnom video signalu se razlikuju prostorna i vremenska redundancija. Prostorna redundancija postoji unutar pojedine slike, odnosno unutar jednog frame-a, a to može biti velika oblast uzajamno sličnih pixela, kao što je npr. vedro nebo ili slika sa jednom dominantnom prostornom frekvencijom, npr. zid od cigle. Prvi korak u većini sistema kompresije ovog tipa je identifikacija prostorne redundancije, koja je prisutna u svakoj poluslici (field) ili slici (frame). Kompresija koja se ostvaruje na osnovu eliminacije prostorne redundance u frame-u se naziva Intra-frame kompresija. Vremenska redundancija se pojavljuje između slika u kojima postoji velika sličnost susjednih slika. Kompresija koja se ostvaruje putem uklanjanja redundance između frame-ova naziva se Inter-frame kompresija.

Standardi video kompresije MPEG Razlikujemo više stepena kompresije u MPEG formatu, koji će biti prezentirani pojedinačno, pri čemu će posebna pažnja biti posvećena MPEG-2 formatu, kao za sada najraširenijem formatu kompresije video signala. MPEG-1 MPEG-1 dozvoljava dvosmjerno predviđanje sa nadomještanjem pokreta, pri kojem se trenutno procesirana slika ne upoređuje samo s prethodno projeciranim slikama, nego i sa slikama koje se u izvornoj video sekvenci nalaze iza nje. Izvorni format slike za MPEG-1 standard je SIF (Source Input Format) koji ima rezoluciju luminantne komponente 360x240 elemenata slike za NTSC ili 360x288 elemenata slike za PAL, dok je rezolucija krominantne komponente jednaka polovici rezolucije luminantne komponente u horizontalnom i vertikalnom smjeru. Model kodiranja video signala u MPEG postupku je organizovan u šest slojeva prikazanih u tabeli:

BLOK je najmanja jedinica kodiranja sastavljena od 64 elementa slike. To je osnovna jedinica za primjenu diskretne kosinusne transformacije – DCT. Svaki luminantni element slike odgovara jednom elementu slike. Kromatska informacija se poduzorkuje u omjeru 2:1 u horizontalnom i vertikalnom smjeru, tako da se jedna kromatska informacija sastavljena od dvije krominantne komponente izvodi za četiri elementa slike. MAKROBLOK je osnovna jedinica za kodiranje sa nadomještanjem pokreta koja se sastoji od područja 16 elemenata slike u 16 linija za luminantnu komponentu (4 bloka od 8x8 elemenata slike) i prostorno jednakog područja sa 8 elemenata slike u 8 linija za svaku od krominantnih komponenata. To znači da makroblok sadrži 4 luminantna bloka i 2 krominantna bloka, pri čemu je područje slike pokriveno sa 4 luminantna bloka jednako području slike koje je pokriveno pojedinim krominantnim blokom.

ISJEČAK SLIKE (Slice) je horizontalni niz makroblokova koji je osnovna jedinica za uspostavljanje sinhronizacije između postupaka kodiranja koji se provode na razini bloka i makrobloka. Prilikom pojave greške unutar slike zbog gubitka u prenosu, nije potrebno odbaciti cijelu sliku, već je iz postupka dekodiranja moguće izostaviti samo isječak slike i nastaviti dekodiranje sa sljedećim ispravno primljenim isječkom slike. SLIKA je osnavna jedinica u MPEG postupku kodiranja. Slike se dijele na: I-slike (Intra Coded Pictures) koje su samostalno kodirane unutarnjim prostornim (ancore picture) kodiranjem, P-slike (Predictive Coded Pictures) koje su direktno kodirane sa predviđanjem, uz nadomještanje pokreta, pri čemu se kao polazna slika u postupku predviđanja koriste prethodne I-slike. B-slike (Bidirectionall Coded Pictures) koje se dvosmjerno kodirane sa predviđanjem, uz nadomještenje pokreta, a mogu se genirirati iz prethodne, ali i iz naredne I ili P-slike. Odnosi između ovih slika su grafički predstavljeni na sljedećoj slici.

Pri tome se kao polazne slike u postupku predviđanja koriste i prethodne i buduće I-slike ili P-slike i D-slike (DC Coded Pictures) kod kojih se kodira samo istosmjerni (DC) koeficijent diskretne kosinusne transformacije. GRUPA SLIKA (GOP, Group of Pictures) se sastoji od jedne ili više slika, a predstavlja najmanju jedinicu koja može biti neovisno dekodirana unutar video sekvence. SEKVENCA je najviši sloj u hijerarhijskoj strukturi kodiranja koja se sastoji od zaglavlja i određenog broja grupa slika. Zaglavlje sekvence uspostavlja početno stanje dekodera kako prethodno dekodirane sekvence ne bi imale uticaja na trenutni proces dekodiranja.

MPEG-2 Potreba da se ogromna količina podataka unutar digitalnog video signala smjesti u znatno manji prostor, stvorila je novu oblast kompresije u proizvodnji i emitovanju televizijskog signala: MPEG-2. MPEG-2 predstavlja grupu standarda sa različitim profilima i nivoima. Profil može biti razmatran kao podskup skupa parametara koji potpuno definiraju video sintaksu, dok je nivo skup ograničenja koja vrijede za parametre video sintakse. Video sintaksa može biti podjeljena u dvije glavne kategorije: slojevitu i cjelovitu sintaksu. Cjelovita sintaksa definira neophodne postupke za kompresiju izvornih formata video signala, uključujući i analiziranje s proredom. Slojevita sintaksa pruža mogućnosti rekonstrukcije slike iz dijelova ukupnog toka podataka, što je postignuto podjelom ukupnog toka podataka na dva ili više slojeva počevši od osnovnog sloja koji može biti nadopunjen dodatnim slojevima. Osnovni algoritam kodiranja predviđen MPEG-1 standardom je zadržan i u MPEG-2 standardu, a manje izmjene su nastale zbog potrebe za prilagođavanjem MPEG-2 standarda ulaznom formatu slike koji koristi analiziranje s proredom, gdje se jedna slika dijeli na dvije poluslike sastavljene od parnih i neparnih linija. MPEG-1 standard dopušta samo progresivno analiziranje, dok MPEG-2 standard, kao opći standard, mora sadržavati rješenja i za progresivne formate izvorne slike i za formate izvorne slike s proredom, koji zahtjevaju složenije načine predviđanja. Glavne osobine MPEG-2 standarda su: • • • • • • •

MPEG-2 = MPEG-1 + alati inerlace + prifili i nivoi Nova field/frame predikcija i DCT modovi za analizu s proredom (interlace) Kvantizacija u većem području i adaptivnost Novi VLS (Variable Length Codes) Proširena skalabilnost (prostorna, SNR, vremenska) Sistemski sloj za višestruke transportne struje Audio proširen na multi-kanalni zvuk

Slojevitost je ključni koncept, čijom primjenom je moguće postići kompatibilnost MPEG-2 postupka kodiranja sa postojećim algoritmima kao što su JPEG, MPEG-1, ali je to i vrlo djelotvorna tehnika za rješavanje opštih problema vezanih za višerezolucijske ulazne formate, kodiranje sa promjenljivom brzinom prenosa i sučeljavanje sa mrežama zasnovanim na asinhronom načinu prenosa. MPEG-2 standard predviđa nekoliko različitih oblika slojevitosti, kao što su odjeljivanje podataka, slojevitost u odnosu na omjer signal/šum, prostorna slojevitost i vremenska slojevitost. Podržane su i kombinacije ovih osnovnih oblika slojevitosti, koje daju hibridnu slojevitost. Osnovna slojevitost dozvoljava podjelu video signala u dva sloja, dok hibridna slojevitost podržava podjelu u tri sloja. MPEG-2, kao opšti standard za kodiranje video signala, mora biti prilagođen različitim primjenama i formatima izvornih slika, što je postignuto primjenom strukture profila i nivoa. Profil je difiniran kao skup od jednog ili više osnovnih standarda, dok je nivo definiran područjem parametara kao što se veličina slike, frekvencija izmjene slika, brzina prenosa i dr.

MPEG-2 standard predviđa pet različitih profila: • Osnovni profil, s najnižom kvalitetom i bez mogućnosti slojevitog kodiranja. • Glavni profil, istih svojstava kao i osnovni, ali bez mogućnosti interpolacije slika. • Profil sa slojevitošću u odnosu na omjer signal/šum, u kome su podržane različite kvalitete slike iskazane preko omjera signal/šum. • Profil sa prostornom slojevitošću, u kome su podržane različite prostorne rezolucije slike. • Vršni profil, koji podržava potpunu slojevitost. MPEG-2 standardom su utvrđena četiri nivoa: • Niski nivo, koji odgovara CIF formatu slike iz H.261 standarda ili SIF formatu slike iz MPEG-1 standarda. • Glavni nivo, koji odgovara standardnim formatima TV slike (NTSC, PAL, SECAM). • Visoki 1440 nivo, koji odgovara TV signalu visoke kvalitete sa 1440 uzoraka po liniji. • Visoki nivo, koji odgovara TV signalu visoke kvalitete sa 1920 uzoraka po liniji. Nivoi su pridruženi svakom profilu, ali nisu moguće sve kombinacije profila i nivoa. Zbog ovakve strukture MPEG-2 standard podržava veliki raspon horizontalnih i vertikalnih rezolucija, formata slike i brzina prenosa. MPEG-4 MPEG-4 ima za cilj osigurati opšti i djelotvoran postupak kodiranja audiovizuelnih podataka u različitim oblicima, koji se nazivaju audiovizuelni objekti. Cilj MPEG-4 standarda je prikaz “svijeta koji nas okružuje“ kao kompozicije audiovizuelnih objekata, koja je popračena tekstom koji opisuje njihove prostorne i vremenske odnose. MPEG-4 standard će omogućiti ineraktivnu mobilnu multimedijsku komunikaciju, video telefoniju, mobilnu audiovizuelnu komunikaciju, elektronsko novinarstvo, videotekst itd. MPEG-4 standardni postupak se sastoji od četiri osnovna dijela: MSDL (MPEG-4 Syntactic Description Language), alati, algoritmi i profili. MSDL treba omogućiti odabir, opis i prenos alata, algoritama i profila, te opisivati na koji se način analizira i procesira elementarni tok podataka. Osnovna svojstva MPEG-4 standarda video kompresije možemo svrstati na sljedeći način: • Poboljšana kodna efikasnost na niskim brzinama digitalnog protoka (BR) - poboljšana kompenzacija kretanja - separatno kodiranje objekata - pozadina se rjeđe kodira u odnosu na pokretne objekte - moguća primjena na nižim MPEG-2 bitskim brzinama •

Nove funkcije zasnovane na interaktivnosti sadržaja

-

separatno kodirani objekti se mogu koristiti za proizvodnju raznovrsnih rezultujućih programa zasnovanih na interakciji sa korisnikom Karakteristike analizatorskih cijevi Elektronske cijevi za analizu TV slike su elektronski analizatori koji se ugrađuju u TV kamere. Rad analizatorske cijevi se može razložiti u dvije operacije: prva se sastoji u razlaganju slike na elemente slike, a druga u analizi tih elemenata slike određenim redosljedom i dinamikom (analiza sa proredom ili progresivna analiza). Kao izlaz iz analizatorske cijevi se koristi proizvedeni električni signal čija amplituda odgovara osvjetljajima pripadajićih elemenata slike, za slučaj C/B TV signala. Pretvorba svjetlosne informacije u električnu (luminantno-električna transformacija) zbiva se u analizirajućim cijevima, kojih ima više izvedaba. Za ovu opto/elektronsku transformaciju se mogu koristiti dvije vrste materijala: fotoemisioni i fotoprovodni. U starijim tipovima analizatorskih cijevi su se koristili fotoemisioni , a u novijim tipovima fotoprovodni materijali. Osobina fotoprovodnog materijala je da se pod djelovanjem svjetlosti mijenja njihova provodnost, što pruža mogućnost korelacije između osvjetljaja elemenata slike i dobijenog električnog signala, koji se naziva i video signal. Navedimo sada neke od opštih karakteristika analizatorskih cijevi: Šum: budući da je analizatorska cijev prvi element sistema značajno je postići što niže nivoe šuma na ulazu u sistem, jer je pojačanje za taj ulaz najveće. Šumovi su posljedica raznih faktora, a mogu imati nekoherentni (slučajni) i koherentni (smetnje) karakter. Kontrast: posmatra se preko opsega kontrasta koji se pak definira kao odnos maksimalnog i minimalnog osvjetljaja koji se može postići dotičnim analizatorom: Bmax/Bmin. Reprodukovani kontrast zavisi i od sadržaja slike, a kreće se od 15:1, kod tamnog detalja na svijetloj površini do n 100:1, kod svijetlog detalja na crnoj površini. Moć razlaganja: definiše sposobnost TV sistema za prenos sitnih detalja kao i oštrih granica odnosno rubova dva osvjetljaja. Moć razlaganja praktično je ograničena veličinom poprečnog presjeka mlaza elektrona u analizatoru. Moć razlaganja se mjeri kao broj vertikalnih alternirajućih crnih i bijelih linija koji se mogu razlikovati po jedinici dužine. Osjetljivost: definisana je najmanjim osvjetljajem na analizatoru sa kojim se na ekranu monitora – tragača slike dobija kvalitetna slika. Analizatori sa velikom osjetljivošću mogu generisati sliku i pri lošim uvjetima osvjetljaja, npr. reda 1 lux. Prenosna karakteristika analizatorske cijevi: predstavlja zavisnost dobijenog električnog signala od osvjetljaja fotoprovodnog sloja (slučaj C/B TV signala). Gama-korekcija: pretvorba svjetlosnog signala u električni u analizirajućim cijevima nije linearna (slučaj-a na slici lijevo), pa se krominantne komponante izobličuju u području koljena karakteristike. To se događa i na prijemnoj strani u kineskopima (slučaj-b na slici lijevo). Kao posljedica pojavljuje se izobličenje gradacije sivila u akromatskoj televiziji (C/B TV), što je ilustrovano primjerom sa desne slike, a isti problem se reflektuje kao izobličenje boja u kromatskoj televiziji.

Da bi se te nelinearnosti kompenzirale iza analiziralućih cijevi dodaju se sklopovi za korekciju, tzv. gama-korektori (γ – korektori). To su elektronički sklopovi, pojačala sa obrnutom karakteristikom pojačanja (slučaj-a). Pri konstrukciji gama-korektora za odnos između ulaznog signala Eu i izlaznog Ei vrijedi relacija: Ei = kEuγ, gdje su k i γ bezdimenzionalne konstante, pri čemu je za linearni sistem γ=1. Veličina γ zavisi od tipa analizirajuće cijevi, pri čemu je tipična vrijednost γ>2, a korekcione vrijednosti se kreću u granicama 0.4 do 0.5. Vidicon Vidicon označava analizatorsku cijev sa fotoprovodnom analizatorskom pločom. Prednji dio sistema služi za projekciju slike koja se analizira na fotoprovodni sloj. Ovaj sloj služi za akumulaciju, tj. pohranjivanje slike, a prema ekvivalentnoj šemi vidimo da predstavlja mrežu elementarnih kapaciteta i otpornosti. Otpornosti su fotoosjetljive, a njihova otpornost varira sa intenzitetom padajuće svjetlosti na dotični element slike. Ovakvo stanje uzrokuje akumulaciju različitih naboja u elementarnim kapacitetima. Na ovaj način se stvara mozaik naboja elementarnih kondenzatora, što znači da dotična optička slika odgovara “reljefu“ naboja u ploči.

Mlaz elektrona se proizvodi, fokusira i skreće tako da obavlja analizu elemenata slike, tj. vrši neutralizaciju naboja elementarnih kondenzatora, pa se ovi kondenzatori prazne preko otpora Ra strujama srazmjernim njihovom naboju, koji su pak srazmjerni intenzitetu svjetlosti sa dotičnog elementa optičke slike. Na ovaj način se preko serijskog kondenzatora dobija sirovi video signal, kao pad napona na otporu Ra. Osnovni problem vidicona je velika struja tame (curenje struje), a metalna rešetka ispred analizatorske ploče spriječava sekundarnu emisiju. Vidicon ima veću inerciju zbog spore promjene provodnosti fotoprovodnog sloja, te je manje korišten u produkcijskim resursima, a više u industrijske svrhe. Plumbicon Plumbicom je analizirajuća cijav visokog razlučivanja, sa dinamičkim upravljanjem struje elektronskog snopa, malenog izlaznog električnog kapaciteta, sa elektrostatičkim fokusiranjem smanjenja efekta povlačenja slike, te sa linearnom svjetlosnom prenosnom funkcijom i spektralnom osjetljivošću u području 400...750 nm. Zbog ovoga je plumbicon upotrebljiv za stvaranje svih triju krominantnih signala, UR, UG i UB, te luminantnog signala Uy. Zbog osobitih kvaliteta upotrebljava se za snimanje scena u kretanju. Elektronski top plumbicona se sastoji od posredno žarene katode i četiri elektrode, kao što je i predstavljeno na slici.

Napon na prvoj elektrodi (rešetka) upravlja strujom elektronskog snopa, a druga, fokusirajuća elektroda ubrzava elektrone koji prolaze kroz kolektorsku, tj. treću valjkastu elektrodu. Četvrta, mrežasta elektroda svojim naponom usporava elektrone kako bi se dobilo ravnomjerno usporeno polje prije udara elektronskog snopa u signalnu elektrodu.

Fotoelektroda se nalazi na prednjoj strani plumbicona, a sastoji se od ravne staklene ploče i prozirnog elektrovodljivog filma nanešenog sa unutrašnje strane staklene ploče. Taj vodljivi film na koji je naparen tanak sloj fotovodljivog materijala predstavlja signalnu elektrodu. Električna vodljivost tog materijala ovisi o osvjetljenju. Na neosvjetljenim mjestima fotovodljivi sloj djeluje kao izolator, a otpor mu se smanjuje sa povećanjem osvjetljenja. Pomoću optičkog sistema snimana slika se projecira kroz prozirnu staklenu ploču na fotovodljivi sloj. Vanjski kontakt signal je spojen na elektrode preko opteretnog otpora na pozitivni napon od 45 V. Smatra se da se fotovodljivi sloj sastoji od mnogo malih elemenata koji djeluju kao kondenzatori kapaciteta Ci, a spojeni su sa jednom stranom signalne elektrode pomoću prozirnog vodljivog sloja filma. Paralelno sa kondenzatorom spojen je svjetlosno ovisan otpor Ri od fotovodljivog materijala. Prilikom razlaganja elektronski snop dolazi do fotovodljivog sloja, predaje mu elektrone i nabija sićušne kondenzatore sve dok potencijal analizirane površine ne bude jednak potencijalu katode. To se naziva stabilizacijom katodnog potencijala. Tako nastaje razlika napona na drugoj strani fotovodljivog sloja. Svaki se elementarni kondenzator nabija na potencijal približno jednak onome na signalnoj elektrodi. Na neosvjetljenim mjestima fotovodljivi materijal djeluje kao izolator i na njemu se zadržava naboj. Slika, koja se fokusira na fotovodljivom sloju, svojim svijetlim i tamnim mjestima mijenja promjenljive otpore R i kroz koje se izbijaju kondenzatori Ci. Zbog toga se pozitivni potencijali raspodjeljuju sa unutrašnje strane fotovodljivog sloja i tako uskladištuju snimanu sliku između dva analiziranja. Prilikom analiziranja elektronski snop predaje elektrone pozitivnim elementima, tj. osvjetljenim mjestima fotovodljivog materijala, gdje se elektroni uskladištuju, dok se ponovo ne uspostavi katodni potencijal koji uzrokuje kapacitivnu struju kroz opteretni otpor. To je video signal koji se dovodi pretpojačalu. Analizirajuća cijev je stabilizirana kada je vrijednost struje elektronskog snopa dovoljna da ponovo uspostavi potencijal katode na analiziranoj površini. Elektronski top je tako konstruisan da smanjuje efekat povlačenja pomoću struje elektronskog snopa koja se znatno povećava za vrijeme povratnog traga linije na rasteru. To se izvodi pomoću sklopova. Fotokatoda plumbicona je od olovnog oksida (PbO) vrlo velike fotovodljivosti. Spektralna osjetljivost triju plumbicona je prikazana na slici. Zapažamo da je spektralna karakteristika pomjerena prema području kraćih talasnih dužina u usporedbi sa spektralnom karakeristikom osjetljivosti oka čovjeka na boje.

Satikon Satikon je analizirajuća cijev poboljšanih karakteristika prema vidikonu. Malih je dimenzija i treba malu energiju napajanja, pa je prikladna za ugradnju u prenosne televizijske kamere. Ime joj potiče od početnih slova materijala od kojeg je napravljen fotoosjetljivi sloj: selen, arsen i telur. Oni tvore amorfnu, a ne kristalnu strukturu poluvodičkog aloja. Karakteristike satikona su elektrostatičko fokusiranje, magnetski otklon, te novi tip fotovodljivog sloja i filtera u obliku isprepletenih traka. Zbog boljih parametara elektronskog topa, valjkaste konstrukcije elektroda za fokusiranje , ubrzanja i linearizacije, te povećanog nivoa izlaznog kromatskog signala, dobija se i bolji odnos signal/šum. Posebnom konstrukcijom zavojnice smanjuje se izlazni kapacitet između analizirajuće cijevi i pretpojačala, pa je manji i šum komponenata viših frekvancija video signala.

Fotoosjetljiva elektroda na slici je novije konstrukcije i odlikuje se zanemarivim odsjajem, malom strujom tame, niskim povlačenjem i većim statičkim i dinamičkim razlučivanjem. Sastoji se od kremenog filtra, prednjeg stakla, trakastih filtera, prozirne vodljive elektrode na koju je naparen Se-As-Te fotovodljivi sloj. Dodatak telura poboljšava osjetljivost prema crvenom svjetlu. Sloj na koji dolazi elektronski snop za analiziranje napravljen je od antimon-sulfida (Sb2S), koji spriječava pojavu sekundarne emisije elektrona. Poboljšanje prednjeg dijela satikona postiglo se pomoću trakastih dikroidnih filtera, žutog i modrozelenog, za dva krominantna nosioca video signala. Upotrebom trakastog filtra dobija se jednolika osjetljivost u čitavom vidnom spektru. Zato se satikon često upotrebljava u profesionalnim televizijskim kamerama. HARP satikon predstavlja novi tip analizirajuće cijevi konstruisan 1987. godine u Japanu. Cijev ima poboljšanu fotoelektrodu po kojoj je i nazvana (Gigh gain Avalanche Rushing Amorphous Photoconductor). Fotoelektroda se sastoji od četiri sloja. Izlazna signalna struja HARP satikona, uz isto osvjetljenje je 1.3...1.6 puta veća nego kod standardnog satikona. Dovoljno velik odnos signal/šum omogućuje upotrebu ove cijevi u kamerama namijenjenim za televiziju visoke kvalitete (HDTV).

Analizatori slike sa poluvodičkim senzorima Televizijske kamere sa poluvodičkim slikovnim senzorima u praksi se nazivaju CCD kamere. Razvoj poluvodičke tehnologije omogućio je primjenu poluvodičkih nabojno vezanih slikovnih senzora (Charge Coupled Devices, CCD) u televizijskim kamerama umjesto analizirajućih cijevi. Kamere sa slikovnim senzorima su male mase, sa malom potrošnjom energije, uz visoko razlučivanje, pri čemu daju geometrijski vjernu sliku po cijeloj površini bez efekta povlačenja i bez otklonskih su zavojnica. Nabojno vezan slikovni senzor napravljen je u poluvodičkoj tehnologiji MOS. Na Si pločicu se nanese sloj oksida kao dialektrik i na to se napare metalne elektrode. Pod uticajem upadnog svjetla naboj se raspoređuje srazmjerno svjetlosnom toku. Paketi manjinskih nosilaca se skupljaju i uskladištuju u potencijalne jame. Dovođenjem pozitivnog napona na metalne elektrode pomiću se potencijalne jame i tako u diskretnim vremenskim razmacima imamo pomicanje paketa naboja, zbog čega za slikovni senzor kažemo da radi kao pomični registar. a) Princip rada poluvodičkog slikovnog senzora Optička slika se u poluvodičkom slikovnom senzoru pretvara u televizijsku sliku tako što se slika prvo projecira na fotoosjetljivi sloj, pri čemu se u siliciju generira broj elektrona srazmjeran broju fotona optičke slike. U tom se predjelu slike raspored fotona optičke slike preslikava u raspored naboja. Ti se naboji akumuliraju u slikovnom CCD senzoru, a nakon toga tok naboja pomiče sliku u predio memorije, kao što je predstavljeno na slici. Predio memorije kraći je od predjela slike, pa se nabojna slika zbija od vrha prema dnu. Na kraju predjela memorije nalaze se tri izlazna registra koji sjeckaju, odnosno razlažu sliku u televizijske linije i tako tvore video signal. Zbijanje ne utiče na konačnu televizijsku sliku. Nakon toga se u predjelu slike ponovo stvara nabojna slika, koja se opet prenosi u predio memorije i predio stvaranja naboja.

b) Struktura slikovnih senzora Slikovni senzori se razlikuju po strukturi, pa postoje MOS-kondenzator sa tranzistorom, MOS-dioda, HAD senzor i dr. MOS kondenzatori U slikovnim senzorima važni elementi su poluvodički kondenzatori, koji se proizvode u MOS tehnologiji, zajedno sa MOS tranzistorom. MOS kondenzator radi tako da se kao dielektrik na Si podlogu nanosi silicij-dioksid (SiO2) na koji dolazi metalna elektroda. Struktura MOS kondenzatora je data na slici. Kada se na metalnu elektrodu dovede pozitivni naboj, on potiskuje većinske nosioce (šupljine) u dubinu podloge, pa se prostor ispod elektrode osiromašuje pozitivnim nosiocima naboja. Uz dovoljno velik pozitivni napon, počet će se u prostoru ispod elektrode skupljati elektroni. Na granici između Si i SiO2 stvara se površinski potencijal φs, zbog kojeg u podlozi nastaju potencijalne jame. U predjelu sa osiromašenim većinskim nosiocima, pod termičkim djelovanjem se stvaraju parovi elektron-šupljina, koji se zbijaju prema podlozi, a elektroni se privlače prema silicijumskoj graničnoj plohi. Ta nakupnina naboja ispod graničnog sloja se naziva inverznim slojem. Ravnotežno stanje, tj. inverzni sloj nastaje za nekoliko stotinki sekunde, pa zbog toga vrijeme potrebno za obradu signala mora biti maleno, prema vremenu potrebnom za stvaranje inverznog sloja. Kondenzator se može nabijati i vanjskom pobudom poluvodiča, tj. fotoelektrički, pa je tada stvoreni napon mjera za upadni svjetlosni tok. Na toj se pojavi zasniva rad poluvodičkih slikovnih senzora. Prenos naboja se ostvaruje putem trofaznog takta. U trenutku t1 djeluje takt 1, te se stvara naboj elektrona u jamama inverznog sloja u poluvodiču p-tipa. U trenutku t2 se uspostavlja takt 2, pri čemu takt 1 linearno opada, što uzrokuje proširenje potencijalne jame na zonu susjednog kontakta. Trenutak t3 označava presipanje naboja, tj. elektrona u susjednu jamu, dok se u trenutku t4 naboj zadržava samo u oblasti susjednog kontakta.

MOS dioda Fotodiode izrađene u tehnologiji MOS takođe se upotrebljavaju za izradu slikovnih senzora. Senzorska elektroda je tanak sloj polikristalnog silicija. Naboji nastali fotoelektričnim efektom prenose se djelovanjem električnog polja do vertikalnog CCD senzora. HAD senzor HAD dioda (Hole Accumulation Diode) predstavlja diodu sa nakupljanjem šupljina i dosad je jedan od najkvalitetnijih slikovnih senzora. Površinu senzora čini sloj od nakupnina šupljina P-tipa, dok je podloga N-tipa na dnu senzora, što omogućuje vertikalni kanal za odvod naboja. Površina kanala za odvod smještena sa strane može se iskoristiti kao dodatna senzorska jedinica, te se tako povećava broj elemenata slike. Time se povećava razlučivanje. Povećani broj elemenata slike utiče na smanjenje izobličenja slike, tzv. moire efekta. Osnovna svojstva su: povećana spektralna osjetljivost i smanjeno razmazivanje. Hiper HAD senzor je najnoviji tip slikovnog senzora čije se tehnološko rješenje sastoji u nanošenju mikroleće fotolitografskom tehnologijom. Mikroleća sakuplja dvostruko više dolazećeg svjetla nego što izravno pada na senzorsku površinu, čime se postiže bolja osjetljivost za 6 dB i manji efekat razmazivanja za 20 dB u poređenju sa HAD senzorom. Zbog ovoga se hiper HAD senzori primjenjuju u kamerama visoko kvalitetne televizije. c) Varijante transfera sadržaja slikovnih senzora u registre Razlikujemo tri načina transfera sadržaja slikovnih senzora u pomične registre: poluslikovni senzor, međulinijski i poluslikovni međulinijski. Poluslikovni senzor (Frame Transfer CCD) Poluslikovni senzori za linijsko razlaganje sastoje se od fotoosjetljivih elemenata poredanih u nizu, memorije, te analognog prenosnog registra iza kojeg slijedi izlazno pojačalo, kao što je i prikazano na slici. Naboji proizvedeni u fotovodljivom sloju slikovnog dijela za vrijeme vertikalnog potisnog intervala pomiču se u predio memorije, gdje se preslikava nabojna slika. Na početku sljedeće poluslike fotosenzori su prazni i mogu primiti novu polusliku. Iz prenosnog analognog registra se frekvencijom od 9.55 MHz preko pojačala dobija video signal. Ovi senzori imaju široku primjenu, od senzora za optičko prepoznavanje slike, do senzora za osjetljive faksimil aparate velikih brzina.

Međulinijski senzori (Inerline Transfer CCD) Predstavljaju strukture u kojima su fotosenzori i elementi za uskladištenje međusobno isprepleteni, kao što je prikazano na slici.. Vertikalni i horizontalni pomični registri prekriveni su optički nepropusnim filmom. Prilikom vertikalnog potisnog perioda slikovna informacija se prenosi u vertikalni pomični registar kojim upravljaju impulsi horizontalne frekvencije. Informacija slike dolazi u horizontalni pomični registar nakon čega se očitava video signal sa frekvencijom 9.55 MHz. Poluslikovni međulinijski senzori (Frame Inerline Transfer ) Nastali su združivanjem poluslikovnog i međulinijskog senzora. Kanal za odvod naboja nalazi se na gornjem dijelu slikovnog dijela. Naboji iz senzora prenose se u vertikalni pomični registar, a iz njega prema dole u predio memorije. Pri velikom osvjetljenju aktivira se aluminijski zaslon, te se svi dodatni naboji prenose prema gore u kanal za odvod, gdje se resorbiraju. Sve karakteristike FIT senzora su poboljšane, pa je smanjeno povlačenje i razmazivanje slike, a povećano razlučivanje i odnos signal/šum. d) Karakteristični parametri slikovnih senzora slike Slikovni senzori slike omogućavaju i specijalne modove, kao što su: • Frame/field integration • ClearScan • FT – pruža prednost manjeg vertikalnog razmazivanja Ključni parametri za komparaciju senzora slike su: • Rezolucija: - ukupan broj pixela - broj linija u rezoluciji • Površina senzora, iznosi 2/3 inch, odnosno 1/3 inch. • Aspect Ratio • TV Standard

Konfiguracija TV kamere sa slikovnim senzorima slike Na sljedećoj slici je prikazan dihroidni blok sa tri čipa CCD senzora slike:

Kamerni lanac Osim sistema leća, dihroidnih ogledala (prizma za razvrstavanje boja) i analizatorskih cijevi, u kameri se nalazi izvor signala za horizontalno i vertikalno otklanjanje elektronskog snopa, mrežni ispravljač napona potrebnog za elektronski top i napajanje električnih sklopova, te predpojačala, pojačala video signala i elektroničkog tražila slike.

Elektroničko tražilo slike je mala katodna cijev na kojoj se motri reprodukcija slike koju kamera snima. U kameri se nalaze još sinhronizacijski generator koji proizvodi sinhronizacijske impulse, te horizontalne i vertikalne pogonske imulse i dva stupnja za mješanje.

Profesionalna studijska kamera visoke kvalitete odlikuje se visokim statičkim razlučivanjem i geometrijski neiskrivljenom slikom. Njome se snima šum pri standardnom osvjetljenju, uz povoljan odnos signal/šum. Osnovni segmenti kamernog lanca su: glava kamere, kamerni kabl i kontrola kamere (CCU – Camera Controll Unit), koja može biti lokalna i/ili daljinska. Glava kamere se sastoji od optičkog sistema-objektiva, senzora slike (cijevni ili slikovni), predpojačavača, procesora primarnih video signala (R,G i B), tragača slike, te raznih blokova za procesiranje impulsa, podataka, interne komunikacije kamermana i sklopova za napajanje. Kamerni kabl omogućava prenos različitih signala od glave do kontrole kamere. U kontroli kamere se formiaraju video signali, komponentni i kompozitni, vrši se podešavanje određenih parametara i obavlja akvizicija (prenos sa obradom) signala neophodnih za funkcionisanje glave kamere. Osnovni elementi u primjeru praktične konfiguracije kamernog lanca sa slike su: glava kamere, kamerni kabl, jedinica kontrole kamere (CCU), panel operativne kontrole (OCP) i panel glavne kontrole (MCP). U studijima se često obavlja snimanje sa više TV kamera, tako da se formiraju odgovarajući kamerni lanci. Reporterske kamere ili kamere za elektroničko novinarstvo sastoje se iz dva dijela. To su dio za snimanje i dio za zapis, koji konstrukcijski mogu biti u jednom ili dva posebna komada. Reporterske kamere su visokoprofesionalne i sadrže sve elemente studijskih kamera, a namjenjene su za vanjska snimanja. Osobito je važno da imaju visoko dinamičko razlučivanje, da rade u širokom rasponu osvjetljaja i temperature okoliša, te da budu što pokretljivije i jednostavnije za rukovanje.

Sinhronizacioni generator Sinhronizacioni generator predstavlja “srce“ TV sistema. On proizvodi signale tačno određenih frekvencija i oblika i upravlja radom predajnog i prijemnog dijela TV sistema. Praktično sinhro generator omogućuje generisanje horizontalnih i vertikalnih sync i blank impulsa. Za postizanje tražene stabilnosti frekvencije i međusobnog faznog odnosa impulsa u složenom video signalu poželjno je da se cjelokupni signal generiše u jednom sklopu. Da bi eventualna greška bila u dozvoljenim granicama potrebno je zadovoljiti sljedeće relacije: n ⋅ Tl fl n T ps = i / ili = 2 f ps 2 gdje je: n – broj linija Tl – period ponavljanja linija Tps – period ponavljanja poluslika fl / fs – odnos frekvencija linija i poluslika Prema konceptu generisanja prikazanom na slici, vidimo da se navedeni odnosi poluslika i slika tih frekvencija ostvaruju djeljenjem frekvencija, a ne množenjem. Na ovaj način se postiže bolja stabilnost frekvencija. Pri izboru osnovne frekvencije sinhro generatora treba imati u vidu da je broj linija u sistemu sa proredom neparan – n/2. Zbog toga je u datom primjeru kao osnovna frekvencija uzeta dvostruka vrijednost linijske frekvencije: f0=2fl. Detaljnija blok šema sinhro generatora je data na sljedećoj slici, gdje je prikazano i generisanje horizontalnih i vertikalnih sync i blank impulsa, te signala podnosioca boje: Sinhronizacioni generator ima glavnu ulogu u sinhronizaciji rada vremenskih baza TV kamera i TV prijemnika.

Snimanje video signala U danima razvoja TV tehnike ukazala se potreba za snimanjem i reproduciranjem video signala. Najpoznatiji i najviše korišten medij za zapis video signala je magnetna traka, a uređaj pomoću kojeg se vrši zapis AV signala na ovaj medij je VTR – Video Tape Recorder. Sada ćemo ukratko prezentirati vrste i forme medija za zapisivanje. Medij za zapisivanje AV signala Postoje različiti mediji za zapisivanje AV signala. Njihov razvoj se podsticao u skladu sa zahtjevima pojedinih aplikacija. U pogledu forme zapisa razlikujemo dvije osnovne forme: • Trake – mogu biti u obliku koturova i kaseta • Diskovi – mini diskovi i HD Načini zapisivanja su sljedeći: a) Filmski zapis – optički zapis na traku širine 35 mm, 16 mm i 8 mm, koji se koristi za telekina b) Magnetni zapis – koristi se za razne forme medija - magnetne trake – predstavljaju dominantnu formu, pri čemu mogu imati različite dužine (od n 10 m do n 100 m) i različito trajanje (od 5 min do 240 min), a zapis može biti analogan ili digitalan. Kod digitalnog zapisa se razlikuju sljedeći tipovi traka: • DAT – Digital Audio Tape • DCC – Digital Compact Cassette • DVTR – Digital Video Tape Recorder - te razne forme mini diskova i HD - hard diskova koji se inače koriste u računarima. c) Magnetooptički zapis MOD – podaci se zapisuju na magnetni disk, pri čemu je zapis digitalan. d) Optički diskovi u kojima se koristi digitalno zapisivanje, optičko skeniranje i korekcija greške. Razlikujemo dvije glavne aplikacije: - CD (Compact Disc) – upis i čitanje se vrše pomoću lasera talasne dužine 780 nm (crvena svjetlost). Kapacitet je reda 600 MB. Osnovna namjena im je za PC CD rom i audio zapis. - DVD (Digital Video Disc) – koristi laser na kraćoj talasnoj dužini 470 nm (plava svjetlost), pa je i gustoća zapisa veća. Standardni kapacitet je 4.7 GB, a pojavili su se i DVD kapaciteta reda 18 GB. e) DVD RAM označava implementaciju video zapisa pomoću SS memorijskih čipova na PCB.

Zapisivanje video signala na magnetnu traku (VCR & VTR) Pred postupak zapisivanja video signala na magnetnu traku javljaju se određeni zahtjevi koje treba formulisati. a) Zahtjevi za zapisivanje video signala Općenito uređaji za zapisivanje videa se nazivaju VR–Video Recorder. Prve verzije zapisa na traku dobile su naziv VTR–Video Tape Recorder, a kasnije su se pojavile i verzije sa kasetom VCR – Video Cassette Recorder, a negdje se koristi i naziv TTR – Television Tape Recorder. Ako se uređaj koristi samo za čitanje, tj. reprodukciju, tada se ona naziva PLAYER. Nakon uvođenja digitalnog zapisa koristi se i naziv DVTR – Digital Video Tape Recorder. Velika širina video signala (5 MHz) uzrokuje veliku potrošnju magnetne trake. Za široko tržište koristi se VCR. Glavni zahtjevi za produkcioni VTR su: - mora postojati mogućnost replay-a za vrijeme recordinga, - TC (Time Code) mora biti upisan i mora se reproducirati pri svim brzinama, - zahtjeva se puna daljinska kontrola (Remote Control), - zahtjeva se video signal visokog kvaliteta, - asembliranje i insert editiranja treba biti podržano nezavisno za audio i video - mora postojati mogućnost promjene brzine replay-a, pri čemu se ovaj mod rada naziva TSO (Tape Speed Override), - u digitalnim mašinama u svrhu editiranja treba postojati mogućnost playback-a sa glavama umetnutim prije glave zapisa b) Koncept magnetnog zapisivanja video signala na magnetnu traku Kod prvih pokusa magnetnog zapisa glavni problem je bila velika širina video signala (10Hz – 5 MHz). Godine 1953. ostvaren je prvi magnetoskop sa direktnim snimanjem pomoću stacionarnih magnetnih glava, kod kojeg je osnovni problem bila velika brzina trake. 1956. godine je stvoren praktično prvi upotrebljiv magnetoskop, čije su osnovne osobine bile: • za smanjenje brzine trake umjesto stacionarnih magnetnih glava koristio se obrtni disk video glave, • da bi se obuhvatio cijeli video opseg frekvencija oko 20 oktava koristi se FM sa niskim nosiocem i malom devijacijom. Magnetni zapis videa se zasniva na istom principu kao i zapis tona, gdje se za snimanje koristi magnetna glava. Reprodukcija predstavlja obrnut proces od snimanja.

c) Snimanje i reprodukcija video signala U početku se koristio uzdužni zapis – LVR (Longitudinal Video Recording), ali je ovaj sistem napušten zbog velike brzine trake. Danas se praktično koristi transverzalni (poprečni) zapis kod profesionalnih magnetoskopa. Ovdje postoji obrtni disk sa četiri video glave, kao što je prikazano na slici. Definisana brzina je 1500 obr/min, pri čemu valjak sa četiri glave u jednom obrtaju zapisuje četiri transferzalna traga na magnetnoj traci.

Prikažimo sada položaj tragova na traci, prilikom snimanja:

Prikažimo sada tragove na traci za VCR, gdje se koristi kosi-helikoidalni zapis:

Prikažimo sada raspored glava za brisanje, video glava i tonske glave i mehanizam za transport trake:

Frekventna modulacija primjenjena u magnetoskopu razlikuje se od konvencionalne u sljedećem: • zbog ograničenog opsega video glave i ograničene magnetne rezolucije trake noseća frekvencija je bliska maksimalnoj modulišućoj frekvenciji. Praktično se spektri FM signala i modulišućeg signala preklapaju, • index modulacije: δ=ΔF/fmax je znatno manji nego kod frekventne modulacije u radio difuziji, gdje je ΔF devijacija, a fmax maksimalna modulišuća frekvencija. Zbog ovoga se spektar baseband video signala i spektar FM video signala djelimično preklapaju. Indeks FM je mali, tako da je energija viših spektralnih komponenata niska. Primjenom ovako definisane FM se smanjuje broj oktava sa 20 na 4. Pri reprodukciji se nakon pojačavanja signala sa video glave koriguju amplitudna izobličenja i mijenja relativno kašnjenje signala za korekciju kvadrature video glave. Pomoću elektronskog preklopnika slažu se signali sa pojedinih video glava u jedan signal, nakon čega se vrši FM demodulacija, kao i dalja obrada video signala. Zbog preklapanja informacija na dvije susjedne glave vrši se neprimjetno prelaženje sa signala jedne video glave na signal druge.

d) Forme video signala u magnetnom zapisu Kod magnetnog zapisivanja koriste se različite forme video signala, što je uslovljeno zahtjevima dotične aplikacije. Razlikuju se: • širokopojasni kompozitni zapis • zapis sa kromom ispod lume • komponentni kroma/luma zapis • analogni komponentni zapis Širokopojasni kompozitni zapis Ovdje postoji jedinstven sistem zapisa koji nosi informaciju krome utisnutu u podnosilac boje. U širokopojasnim recorderima, kao što su B i C formati, kompozitni signal se vodi direktno na FM modulator. Direktni zapis kompozitnog signala se koristi u aplikacijama produkcije, gdje je značajan puni frekventni opseg.

Zapis videa sa kromom ispod lume U slučajevima kada je prihvatljiva niža rezolucija sa bandom od 3 MHz, kao što su komercijalne industrijske aplikacije, primjenjuje se postupak sa spuštenom lumom. Princip se zasniva na primjeni filtera za dolazni kompozitni signal. Ova forma zapisa se koristi u U-matric sistemu. Nakon transpozicije lume, kroma se down-konvertira.

Komponentni luma/kroma zapis Zapis videa u formi luma/kroma koristi se u S-VHS recorderima. Na ulaz S-VHS recordera se dovode komponentni signali iz kamere, pa se formiraju posebno kanali lume i krome. Inače razdvajanje lume i krome u kompozitnom modu veoma je zahtjevno, pa ih S-VHS stoga drži razdvojeno.

Ovo nije striktni kompozitni zapis, jer se signali Y i C drže odvojeno. Takođe, nije ni čisti komponentni zapis, jer su signali razlike boja kvadraturno modulisani. Analogni komponentni zapis Prvi analogni komponentni recorderi su Betacam i M-1. Oni su bili namjenjeni za ENG (Electronic News Gathering), gdje se puni frekventni opseg žrtvovao zbog portabilnosti (prenosivosti). Prednost komponentnog signala je da nema podnosioca boje. Pri redukciji frekventnog opsega komponentnog videa, slika postaje mekša, dok se u slučaju kompozitnog signala gubi boja. U analognim komponentnim recorderima zapisuju se tri signala: luma u punom opsegu i dva signala razlike boja sa reduciranim frekventnim opsezima. Uvođenjem postupka kompresije se multipleksiraju signali razlike boja u jedan kanal iste širine kao i lume. To znači postojanje dva kanala.

e) Korekcija vremenske baze (TBC - Time Base Correction) Karakteristika zapisivanja na traku je da vremenska osa nije naročito stabilna zbog fleksibilnosti trake. U VCR problem se rješava tako što se dopušta da proces skeniranja displeja prati nestabilnosti ose. U profesionalnom VTR rješenje se sastoji u umetanju varijabilnog kašnjenja u riplay signal koji se suprotstavlja greški vremenske baze. Kašnjenje se postiže u digitalnom domenu korištenjem RAM (Random Access Memory), pa se stoga digitalni TBC koristi kako u DVTR tako i u analognom VTR.

Analogni VTR vrši digitalizaciju u reprodukciji za olakšanje TBC-a, kao što je prikazano na slici (a), dok digitalni VTR obavlja digitalizaciju prije zapisa – slika (b). f) Vremenski kod (TC - Time Code) TC predstavlja signal koji se snima duž video trake. On omogućuje da se pojedinačne slike (frame) numerišu prema vremenu u kome su bili snimljeni. Postoje dva koncepta: • LTC – Linear Time Code, koji označava linearni trag na magnetnoj video traci, pri čemu jedan broj odgovara svakom frame-u traku. • VITC – Vertical Interval Time Code, ovdje se informacija zapisuje u svakoj poluslici, tj. u vertikalnom impulsu zamračenja. VITC se koristi i za DVTR i za VTR.

Kućni magnetoskop Danas se u kućnim magnetoskopima – VCR uglavnom koristi VHS (Video Home System) sistem. Sada ćemo prikazti blok šemu kućnog magnetoskopa.

U slučaju reprodukcije postupak se odvija u suprotnom smjeru. Kućni magnetoskop sadrži više sklopova: • Servo sistem – transport magnetne trake koji je sinhroniziran sa pogonom bubnja sa magnetnim glavama, • Sklop za kompenzaciju ispada signala • Sklopovi za napajanje,

• Komandni panel Digitalno zapisivanje video signala (DVTR) Poznato je iz tehnike analognog zapisa da je magnetna traka nesavršen medij. Zbog toga se pojavljuju i ispadi koji su vidljivi u analognom signalu. a) Korekcija grešaka – prikrivanjem U slučaju digitalnog zapisa pri reprodukciji binarnog podatka za dotični bit postoje samo dvije mogućnosti: ispravan i pogrešan. Mali nivoi šuma se otklanjaju, ali povremeni impulsni šumovi uzrokuju pogreške u bitima. Ispadi uzrokuju veći broj pogrešnih bita, odnosno nastaju paketi grešaka. Vidljivost bita zavisi od toga koji je to bit u uzorku. Ako je LSB – Least Significant Bit uzorak pogrešan, u detaljnoj kontrastnoj slici efekat će biti maskiran. Ako je MSB – Most Significant Bit uzorak pogrešan, u glatkom polju niko neće uočiti rezultujuću tačku. To znači da je potrebno sredstvo za korekciju grešaka. Korekcija grešaka u binarnom sistemu je jednostavna, jer ako je bit pogrešan treba uzeti suprotno stanje i on je ispravan. Problem predstavlja identifikacija pogrešnih bita. Ovo se postiže kodiranjem podataka, tako da se dodaju redundantni biti. Iznos redundance proporcionalan je iznosu grešaka koje mogu biti korigovane. Ako iznos grešaka prekoračuje ugrađenu redundancu, korekcija grešaka neće biti moguća. U cilju spriječavanja degradacije koristi se prikrivanje grešaka. U ovom postupku se vrijednosti izgubljenih pixela procjenjuju ili interpoliraju prema okolnim pixelima. Prikrivanje se vrši preuređivanjem sekvenci uzorka prije zapisa. Primjer! Originalna sekvenca uzoraka: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16.

Pretpostavka ispravnog rada je korektan redosljed uzoraka u zapisu. Praktično se parni i neparni uzorci zapisuju u različite tragove. Pogrešan uzorak 8 se može odrediti interpolacijom uzoraka 7 i 9 i slično.

b) Produktni kodovi Dodavanje redundance je ograničeno sa povećanjem gustoće zapisa. Umjesto toga može se koristiti preplitanje (interliving). Sekvencijalni uzorci iz ADC se asembliraju u kodere duž vrsta u memoriji.

Na svaku vrstu memorije dodaju se redundantni biti, tzv. parity biti, a memorija se zatim očitava po kolonama i podaci se šalju na medij zapisa. Pri čitanju se nesekvencijalni uzorci sa medija raspliću i vraćaju u njihovu normalnu sekvencu. Pojava paketa grešaka se pretvara u jedan pogrešan simbol u vrsti memorije. Ova se greška koriguje vrlo jednostavno pomoću redundantnog simbola bita pariteta. c) Razmještanje uzoraka (shuffling) Kada se u zapisu pomoću produktivnog koda pojavi katostrofalna greška rezultat je pravougli blok neispravnih uzoraka koji zahtjevaju prikrivanje. Takva neregularna struktura bi bila vidljiva i nakon prikrivanja, pa se stoga zahtjeva dodatni proces koji reducira vidljivost greške. Proces razmještanja uzoraka (shuffling) se izvodi prije produktnog kodiranja, odnosno prije samog zapisa na traku, u kome se uzorci razmještaju po slici na pseudoslučajan način.

Obrnuti proces se koristi pri reprodukciji. Vidljivo je da se pri pojavi nepopravljive greške blokovi pogrešnih podataka razmještaju na slučajne pozicije. Greške se prostiru preko slike u nepravilnoj strukturi, te je efekat reduciran. d) Kanalno kodiranje U većini recordera za digitalni zapis medij sadrži trag koji reprodukuje talasni oblik. U DVTR se snima više tragova istovremeno na magnetnu traku (2 ili 4) sa velikom gustoćom zapisa. Stoga fizikalne tolerancije uzrokuju fazne pomake ili greške u vremenu između tragova, tako da ih nije moguće čitati u paraleli. Zbog toga se upis podataka vrši serijski (bit po bit). Svaki trag mora biti samoodrživ sve dok reprodukovani signal nije korigovan u TBC-u. To znači da se na serijsku struju podataka primjenjuje linijsko kodiranje, koje će omogućiti prolaz signala u jednom kanalu. Prikažimo liniju serijskog kodiranja.

Sada ćemo prikazati uproštenu blok šemu DVTR-a sa serijskim prenosom:

Zapisivanje se ne vrši direktno nego nakon modulacije. Ovim načinom se postiže da serijski podaci budu samotaktni (self-clocking) što se i naziva kanalnim kodiranjem. Kodiranje uz to uobličava spektar serializovane struje, tako da se izvršava prilagođenje na transfer karakteristiku medija, tj. magnetne trake. Primjeri linijskih kodova su: NRZ, Sinhronizovani NRZ, Milerov kod, itd. e) Video kompresija Digitalni video radi sa velikim brzinama, te se javlja potreba redukcije brzine prenosa bez degradacije kvaliteta slike. Oko čovjeka nije jednako osjetljivo na prostorne frekvencije, tako da se može ostvariti dobitak u kodiranju putem dubljeg kvantiziranja prostornih frekvencija koje su manje vidljive. Omogućavanje kompresije daje i činjenica da i slika sadrži veliki iznos redundanse (nepotrebnih detalja). Redukcija podataka i odgovarajuće kodiranje su kompleksni postupci koji unose dodatna kašnjenja u putanju signala.

f) Blok šema DVTR Blok šema snimanja (recording) signala u sistemu 4:2:2:

Blok šema reprodukcije (playback) signala u sistemu 4:2:2:

Digitalni video formati magnetnih traka: • • • • • •

DV – koristi koncept Intraframe DCT kompresije i sisteme PAL: 4:2:0 i NTSC: 4:1:1 sa brzinom od 25 Mbps. DVCam – firma Sony, sa istim konceptom kao i format DV. DVCPro – firma Panasonic, sa istim konceptom kao i DV, uz format PAL: 4:1:1 Digital-S – firma JVC, sa formatima PAL, NTSC: 4:2:2, uz brzinu od 50 Mbps Betacam SX – firma Sony, sa formatima PAL, NTSC: 4:2:2 i brzinom 18 Mbps Digital Betacam – firma Sony, sa formatima PAL, NTSC: 4:2:2 i brzinom od 100 Mbps.

Mikseri video signala Program koji se emituje iz TV studija je najčešće kombinacija video signala iz različitih izvora, pa zbog toga u TV centru (studio i režija) postoje tačke ukrštanja na koje se mogu dovesti različiti izvori signala. Ovu funkciju kombinovanja AV signala obavljaju mikseri video signala koji se nazivaju i video svičevi. Prikaz ćemo jednu konfiguraciju video miksera:

Osnovu miksera predstavlja prekidačka matrica na čije ulaze dovodimo razne izvore signala. Razlikujemo produkcioni mikser i režijski mikser. Glavna operacija u procesu elektronskog miješanja je prelazak sa jednog izvora na drugi izvor. Ovu operaciju obično obavlja brzi elektronski preklopnik uz dejstvo generatora specijalnih efekata. Operacija preklapanja se vrši u vremenu vertikalnog blank intervala. Pored direktnog preklapanja postoji i ručno ili postepeno preklapanje pomoću ručnog miksera na bazi tandem potenciometara. Miješanje se može izvoditi kao površinsko na taj način da dio površine potiče iz jednog izvora, a drugi dio površine iz drugog izvora. Kvalitet emisija TV studija zavisi od kvaliteta produkcione i postprodukcione opreme. On takođe zavisi i od sposobnosti dotične TV stanice da dovede adekvatan izvor video signala do TV odašiljača kao i da se može ostvariti gladak prelaz sa jednog izvora na drugi izvor. Za ove svrhe se koristi master switcher, koji predstavlja glavni kontroler emitovanog programa.

Router U TV instalaciji signal prolazi brojne i raznovrsne komponente na svom putu od TV kamere do finalnog gledaoca. Primjer jednog takvog koncepta je predstavljen na slici:

Kod ovakve konfiguracije uočavamo dva problema: • Ako otkaže jedna komponenta i sve ostale će biti u prekidu • Promjena konfiguracije zahtjeva izmjenu prespojnog ožičenja Umjesto ovakve konfiguracije mogu se sve komponente procesiranja signala spojiti na jedan blok koji nazivamo router (usmjerivač). On odgovara komutacionom čvoru video, audio i kontrolnih signala.

Router sadrži unakrsne prekidače koji omogućavaju spajanje vertikalne šine na bilo koju horizontalnu. Pored komutacije, prekidačka matrica rutera omogućava i zaobilaženje komponenata u kvaru. Zbog toga sam router treba biti ekstremno pouzdan. U tu svrhu se elektronska prekidačka kola napajaju iz dualnog izvora napajanja. Uređaji namjenjeni

radu na direktnom programu ON-AIR su takođe izgrađeni sa povećanom pouzdanošću, tako što koriste i dodatne bypass releje, koji omogućavaju zaobilaženje komponente koja je otkazala. Konfiguracija sa ruterom u sistem uvodi fleksibilnost i pouzdanost. Televizijski odašiljač Televizijski odašiljač se sastoji od odašiljača slike u boji i odašiljača tona, koji se mogu načiniti u zajedničkom bloku ili svaki posebno. Frekvencijsko područje odašiljača pokriva I, III, IV i V frekventni pojas, a snaga zračenog signala je reda 10 W – 100 kW. TV odašiljač se sastoji od visokofrekventnog lanca za prenos slike u boji, niskofrekventnog lanca za prenos tona, energetskog dijela za napajanje , sistema za hlađenje i logičkih sklopova za upravljanje i kontrolu rada odašiljača. Prije ulaska u TV odašiljač kromatki signal se obrađuje u procesnim pojačalima, gdje se regenerišu sinhronizacijski impulsi, namješta amplituda referentnog nosioca, krominantnog signala i složenog video signala (luminantni i krominantni signal). Ako se složeni video signal pojavi sa vršnom amplitudom većom od 1V, signal se limitira da bi se spriječila premodulacija odašiljača. Kromatski signal dalje ulazi u predkorektor na ulaznom dijelu odašiljača, gdje se obavlja fazna korekcija signala prema frekvenciji, a amplitudna karakteristika ostaje ista. Iz MF oscilatora dolazi signal frekvencije 38.9 MHz te zajedno sa video signalom horizontalne frekvencije 15.623 kHz ulazi u modulator, gdje se obavlja amplitudna modulacija. U sljedećem sklopu se kompenzira vrijeme grupnog kašnjenja, a zatim dolazi filter VSB (Vestigal Side Band – ostatak bočnog pojasa) za potiskivanje gornjeg bočnog pojasa, čime se smanjuje širina pojasa modulisanog signala. Tako nastaju fazna i amplitudna izobličenja, koja se koriguju u narednim stepenima. Nakon toga MF signal dolazi u balansno mješalo, gdje se pomoću VF signala na izlazu dobija zbir i razlika frekvencija uz potisnuti nosilac. Pomoću pojasnog propusnog filtra izdvaja se donji bočni opseg i dalje se signal dovodi i izlazno pojačalo, gdje se pojačava do vršne snage od 1W. U tonskom dijelu odašiljača dolazi ton amplitude 1.55 V na predpojačalo koje poboljšava omjer signal/šum. Takav signal dolazi do modulatora, gdje se obavlja FM modulacija. Za stabilan rad modulatora centralna frekvencija se stabilizira pomoću referentnog kristalnog oscilatora frekvencije 33.4 MHz i faznog komparatora. Drugi dio međufrekvencijskog tonskog signala odlazi u mješalo, gdje se miješa sa VF signalom i pojačava, što predstavlja izlazni signal koji se pojačava u izlaznom pojačalu. Signali iz odašiljača slike i tona se vode preko dipleksera do zajedničke antene.

Televizijski pretvarač Kanalni pretvarači ili repetitori primaju signal od glavnog odašiljača i prenose ga pomoću međufrekvencije u drugi frekvencijski kanal. Služe za dopunsko pokrivanje područja koja su u sjeni pokrivanja glavnog odašiljača. Pretvarači rade u multipleksnom sistemu, pri čemu se zajedno pojačavaju i ton i slika. Signal se prima na jednom kanalu, a emituje na drugom u cilju izbjegavanja interferencije. Blok šema TV pretvarača sa osnovnim stepenima je data na slici:

Signal primljen usmjerenom kanalnom antenom se vodi u prvi stepen TV pretvarača – Down Converter. Frekvencija za rad miksera i lokalnog oscilatora se dobija iz synthesizer-a koji je fazno kontrolisan od strane frekvencije koja se generiše u međufrekventnom stepenu. Dotični kanal se u D/C stepenu spušta na međufrekvenciju (IF), pri čemu se vrši zajednička obrada signala slike i tona. IF stepen posjedije oscilator kontrolisan kvarcom koji se može dodatno kontrolisati vanjskim referentnim generatorom. Obrađeni IF signali slike i tona se vode na sljedeći stepen koji predstavlja Up Converter. Pomoću frekvencije iz synthesizer-a i miksera se IF signali transliraju u frekventno područje željenog kanala. TV pretvarač radi po principu automatskog START/STOP principa. Pretvarač se podesi na određeni nivo, tj. prag prijemnog signala. Ukoliko iz nekih razloga dolazni signal oslabi ispod praga prijema, tada se glavni DC napon skida iz izlaznog stepena, te se pretvarač prebacije u Stand-by mode. U trenutku kada nivo prijemnog signala dostigne prag prijema priključuje se napajanje tako da se brzo uspostavi izlazni kanal. Broj stepena u lancu TV pretvarača ograničen je dozvoljenim pogoršanjem odnosa S/N. Prijemna antena treba biti kanalna, sa uskim dijagramom zračenja kako bi se poboljšali i frekventna i prostorna selektivnost prijema odabranog kanala.

Televizijski prijemnik

Televizijski signal u boji dolazi iz prijemne antene na birač kanala, odnosno kanalni preklopnik, gdje se nalaze selektivni filtri, VF pojačala, lokalni oscilator i stepen za miješanje. Selektivni filtri odvajaju signale u frekvencijska područja, tj. na UHF i VHF band, a VF signal se miješa sa frekvencijom iz lokalnog oscilatora, pa nastaju međufrekventni signali. Video detektor omogućuje detekciju MF signala i daje složeni video signal BVPS, tj. signal koji sadrži luminantnu i krominantnu komponentu, horizontalne i vertikalne sinhronizacijske impulse, te referentni nosilac (Subcarrier utisnut u Burst impuls). U toj detektovanoj komponenti se nalazi međufrekvencija tona, koja se odvaja u tonski dio prijemnika. Tonski dio prijemnika se sastoji od MF pojačala, FM detektora, NF pojačala i zvučnika. Nosilac tona frekvencije 5.5 MHz, sa znatno potisnutom amplitudom dovodi se u MF pojačalo, a odatle u FM detektor. Detektovani NF signal odlazi u NF pojačalo. Glasnoća se namješta potenciometrom, a u tom skupu je i regulator boje tona.

Luminantni signal nakon pojačanja prolazi kroz liniju za kašnjenje da bi se ujednačilo vrijeme prenosa sa krominantnim signalom. Tu se može regulisati kontrast i svjetlina slike. Nakon linije za kašnjenje luminantni signal se dovodi na katode elektronskih topova u kineskopu. Krominantni signal se odvaja preko propusnog filtra, pri čemu se prigušuje luminantna komponenta. Dva signala moduliranog krominantnog nosioca (E'R-E'Y) i (E'B-E'Y) se dovode na sinhrone demodulatore zajedno sa signalima referentnog nosioca. Budući da se krominantne komponente amplitudno modulišu potisnutim nosiocem, očigledno je da se onda ne mogu izravno demodulirati amplitudnim detektorom, nego im treba dodati krominantni nosilac frekvencije 4.43 MHz. Demodulatori pojačavaju komponentu krominantnog signala (E'R-E'Y) za 1.14 puta, a komponentu (E'B-E'Y) za 2.03 puta da bi se dobila ispravna amplituda signala kakva je bila u PAL koderu. Na izlazima iz sinhronizacijskih demodulatora dobijaju se signali razlike za crvenu i plavu boju (E'R-E'Y) i (E'B-E'Y), a signal razlike za zelenu boju dobija se iz matričnog sklopa prema relaciji: '

(

'

'

'

)

(

'

EG − EY = −0.51 ⋅ E R − EY − 0.19 ⋅ E B − EY

'

)

Sva tri signala razlike boja se dovode do sklopa za sumiranje sa luminantnim signalom, tako da se na izlazu iz matričnog sklopa dobijaju signali primara crvene, zelene i plave boje: ' ' ' ' ( E R − E Y ) + EY = E R '

'

'

'

'

'

'

'

( E G − E Y ) + EY = E G ( E B − E Y ) + EY = E R

Promjenom faze referentnog nosioca mijenja se dominantna talasna dužina, odnosno ton boje. Separatorom sinhronizacijskih impulsa odvajaju se sinhronizacijski impulsi koji upravljaju oscilatorima struje pilastog oblika, koja je potrebna za horizontalno i vertikalno otklanjanje elektronskih snopova u kineskopu. Sve sklopove TV prijemnika treba napajati stabilnim istosmjernim naponom. Antena za primanje TV signala mora se prilagoditi određenom prijemnom kanalu, mora imati veliko pojačanje i pripadnu širinu frekventnog propusnog opsega.

Digitalna televizija (DVB – Digital Video Broadcasting) Danas u Evropi dominira DVB koncept digitalne televizije. Pored ovog koncepta postoji još i ATSC – Advanced Television System Comittee, koji je dominantan u USA. Ključni aspekti koncipiranja DVB sistema su: • Marketinški princip – koji označava nastojanje ispitivanja želja tržišta, prije nego se pristupi tehnološkom razvoju, • Princip inter-operabilnosti – označava činjenicu da su moguće sve aplikacije unutar DVB projekta pod jednim krovom. Jedna od esencijalnih odluka u vremenu ranih dana razvoja DVB-a je način obrade signala u osnovnom opsegu, tj. izbor načina kodiranja izvora, odnosno kodiranja audio i video signala. Za ovu svrhu je primjenjen sistem MPEG-2. Nakon obrade signala u osnovnom opsegu potrebno je izvršiti kanalno kodiranje u cilju prilagođenja osobina izvorno kodiranog video i audio signala na osobine specifičnog medija. Osnovni segmenti procesiranja u DVB lancu su:

Digitalni video i audio se nakon odgovarajućih kodera pretvaraju u komprimirani MPEG-2 signal, koji se naziva elementarna struja podataka (ES – Elementary Stream) i ona predstavlja neograničen signal u realnom vremenu. U cilju daljeg procesiranja komprimiranih signala pogodno je cijepati ES u blokove podataka konvencionalne veličine-pakete. Stoga se nakon paketiziranja dobija paketizirana elementarna strujaPES. Ovi paketi su snadbjeveni zaglavljima u cilju identifikacije starta paketa i vremenskim pečatom, obzirom da oni kidaju vremensku osu, pa je potrebno vršiti sinhronizaciju. Iz prethodnog primjera se vidi da se pomoću jednog video PES i niza audio PES mogu tvoriti dvije forme: • Programska struja – PS (Program Stream) ili struja za snimanje na DVD, koja ima pakete varijabilne dužine sa headerima. Programska struja se može koristiti u prenosu podataka ka i od HDD i optičkih diskova, koji nemaju grešaka i u kojima se očekuju file-ovi proizvoljne dužine

•

Za prenos digitalnih signala i digitalnu distribuciju (broadcasting) može se nekoliko programa i odgovarajućih PES multipleksirati u pojedinačnu transportnu struju – TS (Transport Stream). Transportna struja se razlikuje od programske struje po tome što su paketi transportne struje dalje podjeljeni u kratke podpakete fiksne dužine, kao i da se multipleksiranje može ostvariti sa nekoliko različitih taktova. Napomenuli smo da se transportna struja sastoji od paketa podataka fiksne dužine od 188 byte, kao i da se razlikuju header i payload. Treba napomenuti da uz to svaki paket započinje Sync Byte-om, pri čemu nosi kod identifikacijskog paketa PID (Packet Identifier code). Na osnovu podataka u PID-u mogu se razlikovati razne vrste paketa. Na strani prijema se nalaze demultiplexer (sistemski dekoder), kao i dekoder PES, pri čemu je prisutna sintaksa PES-a. Demultiplexer može na osnovu toga izabrati sve podatke iz dolazećih kontejnera podataka dotične ES tako što izuzima pakete sa pravim PID. Podaci cjelokupnog programa se biraju korišćenjem PID za video, audio i teletext. Za dekodiranje transportne struje TS služi PSI, koji se nosi u paketima koji imaju jedinstveni PID, od kojih su neke standardizirane i koje su specificirane u tabeli povezivanja programa PAD (Program Association Table) i tabele uvjetovanog pristupa CAT (Conditional Access Table). Sama distribucija programa odnosno digitalnih TV signala se izvodi pomoću uobičajenih komunikacionih medija: satelitska distribucija, zemaljska difuzija, kablovska televizija. Razmotrimo sada osnovna obilježja glavnih digitalnih distribucionih medija: satelitska distribucija, zemaljska difuziona mreža i kablovska distribucija. DVB-S označava digitalni satelitski sistem u frekventnom području down-linka od 11/12 GHz, koji se može konfigurirati za ispunjavanje široke palete frekventnih opsega i snaga transpondera. Ovo je sistem na jednom nosiocu i koristi QPSK modulaciju, jer ima relativno konstantnu amplitudu nosioca, a QPSK obezbjeđuje prenosni kapacitet od 2 bita po simbolu. . DVB-C je kablovski sistem distribucije koji je kompatibilan sa DVB-S sistemom. Tehnika modulacije je QAM i nije potrebno unutarnje FEC kodiranje. Najčešće se koristi 64QAM, a može i 32QAM. Sistem kablovske televizije omogućuje distribuciju TV i radio programa preko kablovske distributivne mreže. Ovaj sistem podrazumjeva sljedeće segmente: • Antenski prijemni sistem • Kablovska stanica / head-end • Kablovska distribuciona mreža DVB-T označava digitalni sistem za zemaljsku distribuciju po kanalima širine 7 odnosno 8 MHz, tj. unutar postojećih analognih VHF i UHF lokacija spektara. I ovdje se payload formira pomoću MPEG-2 kodiranja audia i videa. Osnovni elementi DVB-T specifikacije su: • Prenosna šema se zasniva na modulaciji tipa OFDM (Orthogonal FDM), pri čemu se ovaj sistem modulacije kombinuje sa QPSK/QAM. OFDM koristi veliki broj nosilaca koji raspršuju informacioni sadržaj signala, što opet daje imunost na multipath efekat. • Koristi se Reed-Solomon kodiranje i vanjski konvolucioni interliving, kao i kod drugih standarda

•

Unutarnje kodiranje (punktirani konvolucioni kod) je isto kao i kod DVB-S