Лекция 8 Развитие телевещания
План
Технические предпосылки появления телевидения. Механическое телевидение
Электронное телевидение.
Цветное телевидение. Телевизионные стандарты.
Основные типы телевизионных дисплеев.
1. Для осущ-ния передачи и приема тел. сигнала необходимо: а) преобразовать свет в электрич. сигналы, б) передать эти сигналы по какому-либо каналу связи, в) осущ-ть обратное преобразование электрич. сигналов в свет.
В 1817 г., шведский химик и минеролог Йёнс Якоб Берцелиус (1779-1848) открыл химический элемент селен, необходимый для преобразования света в электрические сигналы, но на практике это удалось осуществить в 1839 г. французскому физику Антуану Сезару Беккерелю (1788-1878).
Для обратного преобразования (электричество – свет) использовались газоразрядные источники света – приборы, в которых электрическая энергия при прохождении электрического тока через газ преобразовывалась в оптический сигнал. Впервые такую безынерционную трубку в Германии в 1855 г. получил Иоганн Генрих Гейслер (1815-1879).
Первую идею реализации ТВ выдвинул в 1875 г. в Бостоне Джордж Кэрри. Экран будущего телевизора Кэрри представлял в виде мозаичной панели. Кажд. элемент мозаики был представлен газоразрядной (безынерционной) трубкой. Т.е. каждой геометрической точке экрана можно было придать соотв. яркость. Кажд. кадр нес в себе стопроцентную инф-цию, именно поэтому осущ-ть проект Кэрри было невозможно, т.к. кажд. мозаичный сегмент передающей системы должен быть связан с аналогичным сегментом экрана.
Первое пригодное для практического использования устройство оптико-механической разверстки луча предложил в 1884 г. немец Пауль Нипков (1860-1940). Изобретатель предложил использовать для разверстки телевизионного луча вращающийся непрозрачный диск большого диаметра с отверстиями, располагающимися по спирали Архимеда от внешнего края к центру. Размер изображения, а следовательно, и экрана определяла ограничительная рамка. Число отверстий на диске равно количеству строк на экране телевизора. При вращении каждое отверстие перемещалось по окружности, разбивая цельное изображение на отд. строчки. Существенное увел-ние разрешающей способности экрана было непреодолимо из-за конструктивных особенностей диска Нипкова: чем больше отверстий на нем располагалось, тем меньше становился их размер и соотв-но меньше света падало на селеновый фотоэлемент. Рано или поздно должен был наступить предел, когда кол-во света стало бы недостаточным для его преобразования в электрич. сигнал. Диск расп-ся в телевиз. камере, размеры которой были внушител., экран принимающего телевиз. приемника был 3х4 см. Чтобы увел-ть экран до размера средней фотографии (9х12), диск в телекамере должен был быть более двух метров в диаметре.
В Советском Союзе экспериментами в области «электрич. дальновидения» занимался Лев Сергеевич Термен (1896-1993) – виолончелист по осн. образованию. В св. дипломном проекте в 1926 г. он представил действующий образец телеустановки с мех. разверсткой на 64 строки. Довести до конца работу Термену не удалось: он был послан разведчиком в США, а по возвращении осужден как «участник» покушения на Кирова. Далее сталинские тюрьма и лагерная работа в спецлабораториях вместе с будущим конструктором ракетно-космических систем С.П. Королевым и с авиаконструктором А.Н. Туполевым. Выйдя на свободу, Термен работал в лаб0рии акустики и звукозаписи Моск. консерватории, преп-л в МГУ на физич. фак-те.
В СССР работы по телевизионному вещанию производились под руководством Павла Васильевича Шмакова (1885-1982). Долго не удавалось наладить синхронизацию дисков в передающей камере и приемнике, поэтому в 1930 г. в лаборатории Шмакова оба диска смонтировали на одном валу, при таком способе синхронизации невозможно было развести приемник и передатчик на значит. расстояние – оно составляло чуть больше метра.
В 1930 г. оптико-механическая разверстка луча достигала 30 строк с 12.5 кадрами в сек. Промышленность СС не выпускала телевизоров, но освоила выпуск бумажных дисков Нипкова. Вещание осуществлялось на средних и длинных волнах, звук и изображение передавались раздельно.
С 1 октября 1931 г. по июль 1940 г. вещание в СССР было регулярным.
В Нью-Йорке компания «Дженерал электрик» в 1928 г. начала экспериментальное телевещание, а к 1931 г. телевизионный сигнал передавали более двух десятков станций.
2. Электронное телевидение. Профессор Петербуржского технологического института Борис Львович Розинг (1869-1933) работал на электронной системой телевидения, действующей по сей день. К этому времени уже существовала электронно-лучевая трубка (изобретена нем. физиком Карлом Фердинандом Брауном). Система ТВ Розинга не была полностью электронной: в передающей камере для разверстки изображения он применял оптико-механическую систему вращающихся зеркал. Электрические сигналы поступали на электронно-лучевую трубку Брауна. Яркость свечения экрана зависела от кол-ва электронов, попадающих на единицу площади. Чтобы заставить электронный луч отклоняться по экрану, на него воздействовали магнитным или электрическим полем. 9 мая 1911 г. Розинг получил на мониторе свою знаменит. «решетку» - белые полосы на черном фоне. (В 1931 г. Розинга арестовали, спустя два года он скончался).
Завершить работы по созданию электронного ТВ удалось Владимиру Козьмичу Зворыкину (1889-1982) – ученику Розинга. В 1929 г. его приглашают на работу президент RCA (Радио корпорейшен оф америка) Дэвид Сарнов, тоже выходец из России. Сарнов финансирует разработки. В 1931 г. Зворыкин создает передающую телевизионную трубку – иконоскоп, с большим количеством фотоэлементов. В трубке использовался метод накопления зарядов. Фотоэлементы складывались в мозаичную систему, электронный луч чертил по мозаике горизонтальные строчки, по отдельности разряжая участок за участком, в результате чего образовывались электрические импульсы, соответствующие освещенности объекта съемки. Главная проблема в создании электронного ТВ была решена.
В Англии, стране первой телев. трансляции, разрешение ТВ достигло 240 строк. После америк. рев-технологич. рывка англичане тоже стали склоняться к электрон. ТВ: в 1936 г. компания «Эмми-Маркони» продемон-ла систему с разложением на 405 строк.
Нем. ученый Манфред фон Арденне показал электрон. систему с четкостью изобр-ния 100 строк в 1931 г., но его технологию передающей трубки с «бегущим лучом» заметно уступала иконоскопу Зворыкина. Успешным этапом развития нем. ТВ явилась трансляция с ХI Берлинской олимпиады 1936 г. К 1937 г. разрешение нем. приемников достигало 441 строки, а в научн. разработках находились приемники с разрешением более 1000 строк. Германия являлась самой радиофицированной страной в Европе.
3. Цветное телевидение. Телевизионные стандарты. В 1907 г. патент на проект двухцветного ТВ с одновременной цветовой передачей в Германии разработал выходец из России Ованес Абгарович Адамян (1879-1932). Позднее в России в 1925 г. он патентует трехкомпонентную последовательную передачу цветов (RGB). В развертывающем устройстве было три серии отверстий, каждое из которых закрывалось красным, синим и зеленым светофильтрами. Реализовать эту идею в 1928 г. было суждено Дж. Берду. В сущности, внедрение цвета на телевиз. экране было похоже на проникновение цвета в фотографию: технологически это было уже возможно, но читателям или зрителям вполне хватало черно-белой инф-ции на оттиске или экране.
В СССР исследования по цветному электрон. ТВ возобновились после войны в 1947 г., а 7 ноября 1952 г. в Ленинграде была успешно проведена экспериментальная передача.
Основные характеристики цвета – это яркость (больше-меньше света), цветовой тон (длина электромагнитных волн вызывает цветовое ощущение) и насыщенность (степень разбавления одного из осн. цветов белым цветом). Когда зритель смотрит на экран ТВ, он видит цвета в проходящем свете, пэтому почти любой цвет (на экране невозможно воспроизвести все оттенки цветов, которые способен различать человеческий глаз) можно получить смешением трех осн. цветов: красного, синего и зеленого.
Телевизионная строка формируется движением электронного луча слева направо. Одновременно видимые строки (вследствие инерционности зрения) называют телевизионным растром. Совокупность строк видимого изображения называется телевизионным кадром.
Существующие в настоящее время телевизионные стандарты несовместимы друг с другом, правда, совр. телевизоры способны автоматически перестраиваться с одного стандарта на другой. Европейские и америк. стандарты изначально были зависимы от частоты переменного тока: в Европе и России эта величина составляет 50 Гц, в Америке, Канаде, Японии – 60 Гц. Поэтому количество полей в Европе – 50 и 25 кадров в сек., а в Сев. Америке – 60 и 30 кадров в сек.
NTSC (National Television Standards Committee). Национальным комитетом телевизионных систем в 1953 г. был утвержден стандарт, и в США началось регулярное вещание в системе NTSC. Перв. телевизоры, отвечающие данному стандарту, были настолько сложны, что им требовалась еженед. настройка специалистом. Телеприемники были дорогими и капризными, поэтому только к сер-не 60-х гг цветное ТВ в США стало массовым. Основные технические характеристики NTSC: разрешение 525 строк, кол-во кадров в секунду 30. Стандарт принят в 18 странах: США, Канаде, Японии, странах Лат Америки, Филиппинах, Южной Корее.
SECAM (Sequential Couleur avec Memoire, Sequential Color Memory). SECAM – система последовательной передачи цветов с памятью. В 1954 г. советскими специалистами был разработан вариант системы NTSC (ОСКМ), а в 1956 г. через Ленинградский телецентр был продемонстрирован кинофильм в цветном изображении. Качество оказалось вполне приемлемым. Но все же стандарт NTSC СССР не мог принять из-за разгоравшейся «холодной войны».
Стандартом заинтересовались французы. С 1965 г. над ним начали трудиться французские и русские ученые, дорабатывали его. С 1 окт. 1967 г. в СССР начались регулярные передачи цветного ТВ в стандарте SECAM. Со временем систему принимали 25 стран, включая страны Вост. Европы и франкоговорящие страны Африки и Азии, часть Греции и Иран. С 1977 г. все вещание в СССР велось в цветном формате.
Основные технические характеристики SECAM: разрешение 625строк, количество кадров в сек 25.
PAL (Phase Alternation Line) – чередование фазы по строкам. Стандарт, предложенный немецкими учеными фирмы «Телефункен» доктором Вальтером Брухом, представлял собой усовершенствованную систему NTSC с некоторыми элементами SECAM. Начало разработки нового стандарта относится к 1961 г., введение в действие – 1967 г. Стоимость телеприемника была ниже, чем стандарта SECAM, но выше, чем для NTSC. Основные технические характеристики системы PAL: разрешение 625 строк, количество кадров в сек 25. Стала применяется в большинстве Европ. стран, Австралии, Китае, Индии (в 62 странах).
Внедрение цветн. ТВ повсеместно проходило чрезвыч. тяжело. Главн. причина закл-сь в том, что население не спешило покупать цветн. тел-ры.
Американцы, первыми разработав стандарт NTSC в 1953 г., не подозревали, что потребуется полтора десятка лет для того, чтобы цв. ТВ стало массовым. (Цв. тел-ры стоили 500 $, ч/б – в пять раз дешевле. Компании предлагали выплачивать компенсации).
В СССР ещё до принятия стандарта SECAM с 1953 г. осущ-сь опытные цветные передачи посредством оптико-мех. разверстки луча: в передающей камере и телевиз. приемники синхронно вращались диски с цветн. цветофильтрами. Промышленность начала выпуск цв. тел-ров «Радуга» с экраном 18 см.
Первми цв. тел-рами с электрон. разверсткой стали новая «Радуга» и «Темп-22». Перейдя на SECAM, СССР оказалась без собств. тел-ра, поэтому в перв. время в страну завозили франц. телеприемники KFT. Вскоре нали специалисты изг-ли оборудование для аппаратно-студийных и аппаратно-программных блоков. Однако население не хотело приобретать дорогостоящую технику. И только к 1987 г. почти все местные телецентры получили комплекты для цв. телевещания.
Сейчас ученые всех стран включились в разработку ТВ высокой четкости.
4. В настоящее время телевизионная техника производится на основе трех типов дисплеев - электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), жидко-кристаллический дисплей (ЖКД) и плазменные телевизионные панели (PDP).
Электронно-лучевая трубка состоит из вакуумной трубки, внутри которой находятся электронная пушка, система отклонения электронного луча и экран, покрытый люминофором (веществом, которое светится под действием электронов).
Электронная пушка генерирует пучок электронов, который, проходя через систему отклонения, построчно движется по экрану. Пройдя по всей ширине экрана, луч переходит на начало следующей строки, и так до нижней границы экрана. Весь этот процесс повторяется 50-60 раз в секунду (вертикальная развертка - 50-60 Гц). Это является причиной мерцания экрана
Жидкокристаллические мониторы (LCD)
Жидкие кристаллы - это вещество, которое обладает свойствами как жидкости, так и твердого тела. Одно из самых важных свойств жидких кристаллов, которое используется в ЖК дисплеях - возможность изменять свою ориентацию в пространстве в зависимости от прикладываемого напряжения.
Жидкие кристаллы были открыты случайно. В 1888 году Фридрих Рейнзер (Friedrich Reinitzer), австрийский ботаник, изучал роль холестерина в растениях. Один из экспериментов заключался в нагреве материала. Ученый обнаружил, что кристаллы становятся мутными и текут при 145,5º, а далее кристаллы превращаются в жидкость при 178,5º. Фридрих поделился открытием с Отто Леманном (Otto Lehmann), немецким физиком, который обнаружил у жидкости свойства кристалла в отношении реакции на свет. С тех пор и пошло название "жидкие кристаллы".
Mетоксибензидин бутиланалин (methoxybenzilidene butylanaline)
Молекула, обладающая свойствами кристалла
Увеличенное изображение жидкого кристалла
Основные принципы работы жидкокристаллических мониторов
Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году.
До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд общественности новый ЖК-дисплей был представлен в 1971 году и тогда он получил горячее одобрение.
В настоящее время в жидкокристаллических мониторах используется три различные технологии: TN+Film, IPS и MVA. Но независимо от используемой технологии, все ЖК мониторы опираются на одинаковые принципы работы.
Одна или более неоновых ламп создают подсветку для освещения дисплея. Число ламп невелико в дешевых моделях мониторов, в дорогих же используется до четырех. На самом деле использование двух и более неоновых ламп не улучшает качество изображения. Просто вторая лампа служит для обеспечения отказоустойчивости монитора при поломке первой. Таким образом, продляется жизнь монитора, поскольку неоновая лампа может работать только 50000 часов, в то время как электроника способна выдержать от 100000 до 150000 часов. Для обеспечения однообразности свечения монитора, свет проходит через систему отражателей перед попаданием на панель.
Жидкокристаллическая панель - сложное устройство, состоящее из нескольких слоев: два слоя поляризаторов, электроды, кристаллы, цветовые фильтры, пленочные транзисторы.
Так же, как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков (субпикселей) - красного, зеленого и синего. Каждый субпиксель управляется транзистором, выдающим свое собственное напряжение. Это напряжение может сильно варьироваться, оно заставляет жидкие кристаллы в каждом субпикселе поворачиваться на определенный угол.
Угол поворота определяет количества света, которое проходит через субпиксель. В свою очередь, прошедший свет формирует изображение на панели. Кристалл фактически поворачивает ось поляризации световой волны, поскольку перед попаданием на дисплей волна проходит через поляризатор. Если ось поляризации волны и ось поляризатора совпадают, свет проходит через поляризатор. Если они перпендикулярны, свет не проходит.
PDP (Plasma Display Panel) или плазменные телевизионные панели появились еще в 1991 году. Это были черно-белые панели с диагональю 21 дюйм (54 см). Качество изображения было конечно ниже, чем у традиционной электронно-лучевой трубки. Но технология производства плазменных панелей очень быстро развивалась, и теперь полноцветные плоские PDP способны занять господствующее положение на рынке телевизоров и мониторов.
Плазменные панели объединяют все достоинства ЭЛТ и ЖКД, но свободны от их недостатков.
Основные преимущества плазменных панелей:
1. Абсолютно плоский экран
2. Большая яркость и насыщенность изображения
3. Отсутствие мерцания
4. Небольшой объем и вес панели
5. Большой угол обзора
Технологические особенности PDP
PDP - это две параллельных стеклянных пластины. На переднюю пластину нанесены прозрачные электроды и точки люминофора. А на задней панели размещены такие же электроды, и управляющая электроника. Пространство между стеклянными пластинами заполнено инертными газами (Xe, Ne).
Когда прикладывается электрическое напряжение, газ между передними и задними электродами ионизуется и переходит в состояние плазмы. Происходит разряд, вызывающий поток ультрафиолетового излучения. Из-за этого излучения начинают светиться точки люминофора.
Поскольку нет никакого электронного луча, который необходимо точно направлять на точки люминофора - нет характерных для ЭЛТ искажений (несведения лучей и замагниченности). Электронное устройство PDP одновременно контролирует каждый элемент панели, поэтому стало возможным полностью избавиться от мерцания.
От жидкокристаллических дисплеев PDP отличается большой яркостью и насыщенностью изображения, не требует дополнительной подсветки, обладает большим углом обзора (до 160 градусов).
Вес плазменной панели составляет всего одну шестую веса обычной ЭЛТ (например, 42-дюймовая панель весит всего 18 кг, а ЭЛТ такого же размера более 100 кг).
Толщина плазменной панели около 65 мм, а размер диагонали может быть до 100 дюймов!
Срок службы плазменных панелей свыше 30000 часов (как и обычных ЭЛТ).
Плазменные панели очень удобны в использовании. С их помощью можно просматривать телевизионные передачи, смотреть видео записанное в любых форматах, в т.ч. и DVD, они устанавливаются в любом положении, легко вешаются на стену. Плазменную панель можно использовать в качестве монитора компьютера и для просмотра передач телевидения высокой четкости. PDP-панели рекомендуются для систем "домашнего театра" самого высокого класса.