No title

Ing. Petr Kuba Ing. Vladimír Vít

TELEVIZNÍ TECHNIKA studiové zpracování televizního signálu

Praha 2000

ANOTACE V rámci souboru publikací TELEVIZNÍ TECHNIKA vychází jako kniha D2 další díl popisující televizní studiovou techniku. Ètenáø zde nalezne popis principù hlavních používaných studiových obrazových zaøízení, tj. kamer, režijního zaøízení, záznamových zaøízení, synchronizace, digitálního zpracování obrazových signálù a základních principù jejich komprese. Publikace je urèena všem technikùm a dalším zájemcùm o studiovou techniku.

Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít

TELEVIZNÍ TECHNIKA – studiové zpracování televizního signálu Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autoøi a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace a zapojení jsou zveøejnìna bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena © Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít, Praha 2000 Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít: Televizní technika – studiové zpracování televizního signálu BEN – technická literatura, Praha 2000 1. vydání ISBN 80-86056-88-0

PØEDMLUVA Kniha, kterou právì otevíráte, se snaží srozumitelným zpùsobem popsat základní principy snímání a zpracování obrazových signálù. Vzhledem k velmi rychlému pokroku ve všech oblastech techniky a technologie jsme svìdky nevídaného rozmachu a nástupu nových funkèních možností televizní techniky, což je umožnìno jednak trvalým zvyšováním stupnì integrace aktivních elektronických obvodových prvkù, zejména však využíváním výkonné poèítaèové techniky. Z hlediska metodiky popisu a výkladu používaných funkèních principù jsou zaøízení s vysokým stupnìm integrace a s programovaným øízením ménì vhodná, protože nejen vùèi laickým uživatelùm, ale i vùèi technikùm vystupují jako uzavøené celky bez jakékoli možnosti náhledu do jejich vnitøního uspoøádání. Z uvedeného dùvodu je výklad používaných principù založen pøevážnì na popisu analogových obvodových celkù, kde lze ještì nalézt dostateènì názorné pøíklady obvodových øešení. Cílem výkladu je seznámit zájemce s významem nejèastìji se vyskytujících pojmù a zprostøedkovat jim buï pøedstavu možného obvodového øešení, anebo alespoò funkèních principù na základì pøehledových skupinových schémat. Je naší milou povinností podìkovat všem, kteøí pøispìli ke zdárnému vydání publikace. Oceòujeme vstøícný postoj nakladatelství BEN – technická literatura vedeného panem Liborem Kubicou pøi pøípravì publikace, peèlivé redakèní zpracování panem Davidem Nováèkem a pøesné nakreslení obrázkù panem Jaroslavem Duškem. Za cenné rady a pøipomínky dìkujeme Ing. Dušanu Líškovi CSc, Ing. Josefu Peškovi a Ing. Bohuši Získalovi. Ing. Vladimíru Èížkovi patøí dík kromì pøipomínek k rukopisu i za zajištìní fotografické dokumentace. Pracovníkùm firmy Sony Czech dìkujeme za ochotu pøi poskytování technických podkladù. V Praze v kvìtnu 2000

Ing. Petr Kuba Ing. Vladimír Vít

OBSAH Pøedmluva ................................................................................................................... 5 Obsah .......................................................................................................................... 6 I.

TECHNIKA STUDIOVÉHO ZPRACOVÁNÍ TELEVIZNÍHO SIGNÁLU ................. 9 1.0 2.0 3.0 4.0 4.1 4.2 4.3 5.0 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 6.0 7.0 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 8.0 9.0

II.

STUDIOVÁ SNÍMACÍ TECHNIKA ....................................................................... 49

10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 11.0 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.2 11.2.1 11.2.2 11.3 11.3.1 11.3.2

6

TELEVIZNÍ STØEDISKO ........................................................................................ 9 TELEVIZNÍ STUDIO PAL ...................................................................................... 10 SLOŽKOVÉ STUDIO ............................................................................................. 11 DIGITÁLNÍ STUDIO .............................................................................................. 13 Digitalizace obrazového signálu ............................................................................... 14 Digitální zpracování obrazového signálu ................................................................. 18 Sériový pøenos digitálního signálu SDI 270 Mbitù/s ............................................... 25 DIGITÁLNÍ PØENOS SIGNÁLÙ ........................................................................... 30 Základní principy signálové komprese ..................................................................... 30 Diskrétní kosinová transformace .............................................................................. 30 Diferenciální pulsnì kódová modulace DPCM ........................................................ 34 Kompenzace pohybu ................................................................................................ 34 Hybridní DCT ........................................................................................................... 35 SOUSTAVA MPEG 2 ............................................................................................... 35 NOVÉ METODY PØENOSU TELEVIZNÍCH SIGNÁLÙ .................................... 41 Systémy pro pøenos komprimovaných signálù ......................................................... 45 Soustava ATM .......................................................................................................... 45 Sbìrnice Fibre Channel ............................................................................................ 46 Sbìrnice IEEE 1394 Fire Wire ................................................................................. 46 Sbìrnice Ethernet ...................................................................................................... 47 PRINCIPY DIGITÁLNÍHO VYSÍLÁNÍ ................................................................. 47 TELEVIZNÍ SYSTÉM 24 SNÍMKÙ/S .................................................................... 48 TELEVIZNÍ KAMERA ........................................................................................... 49 Optická dìlicí soustava ............................................................................................. 51 Kamerové snímací soustavy ..................................................................................... 54 Nestandardní snímací soustavy ................................................................................. 55 Soustavy s jedním snímacím prvkem ....................................................................... 56 SNÍMAÈE OBRAZOVÉHO SIGNÁLU – OPTICKOELEKTRICKÉ MÌNIÈE .. 57 Základní pojmy ......................................................................................................... 57 Fotoelektrický jev ..................................................................................................... 57 Akumulaèní snímání ................................................................................................. 58 Citlivost kamer ......................................................................................................... 58 Snímací elektronky ................................................................................................... 59 Vidikon ..................................................................................................................... 59 Plumbikon ................................................................................................................. 61 Snímací prvky CCD ................................................................................................. 62 Snímací prvek CCD typu FT .................................................................................... 64 Snímací prvek CCD typu IL ..................................................................................... 66 Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít: Televizní technika – BEN technická literatura

11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.3.7 11.3.8 11.3.9 11.3.10 11.3.11 11.3.12 12.0 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.9.1 12.10 12.10.1 12.10.2 12.10.3 12.10.4 12.11 13.0 13.1 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 15.0 15.1 15.2

Snímací prvek CCD typu FIT ................................................................................... 66 Technologie HAD se zvýšenou rozlišovací schopností ............................................ 68 Technologie Hyper HAD .......................................................................................... 68 Øádkový prvek CCD ................................................................................................ 68 Vlastnosti prvkù CCD .............................................................................................. 69 Optický interferenèní filtr ......................................................................................... 71 Prostorové posunutí prvkù CCD ............................................................................... 71 Rušivé signály ........................................................................................................... 73 Elektronická závìrka ................................................................................................ 73 Pøepínání formátu snímání 4 : 3 a 16 : 9 u prvkù CCD ............................................ 73 ZPRACOVÁNÍ OBRAZOVÉHO SIGNÁLU ......................................................... 75 Korekce délky a zpoždìní kamerového kabelu ........................................................ 76 Korekce rušivých signálù ......................................................................................... 77 Kompenzace rozptylového svìtla ............................................................................. 78 Korekce teploty chromatiènosti ................................................................................ 79 Obnovení stejnosmìrné složky ................................................................................. 79 Zatemnìní signálu ..................................................................................................... 82 Nastavení stejnosmìrné složky ................................................................................. 82 Omezení na úrovni bílé ............................................................................................. 84 Èinitel gama a jeho korekce ..................................................................................... 85 Obvod korekce gama ................................................................................................ 86 Aperturové zkreslení a jeho korekce ........................................................................ 88 Diferenciální aperturová korekce ............................................................................. 89 Kosinová aperturová korekce ................................................................................... 90 Úprava aperturové korekce pro pleové barvy ......................................................... 92 Vertikální aperturová korekce ................................................................................... 92 Zpracování velkých hodnot kontrastu ...................................................................... 93 KAMERY S DIGITÁLNÍM ZPRACOVÁNÍM OBRAZOVÉHO SIGNÁLU ....... 96 Kamery s vysokou rozlišovací schopností ................................................................ 97 AUTOMATICKÉ ZAOSTØOVÁNÍ OPTICKÉHO OBRAZU ............................... 98 Ultrazvukový systém ................................................................................................ 98 Systém s infraèervenými paprsky ............................................................................. 99 Zaostøovací systém SST ......................................................................................... 100 Zaostøovací systém TCL ......................................................................................... 101 Zaostøování s piezoelektrickým krystalem ............................................................. 101 FILMOVÉ SNÍMAÈE ........................................................................................... 103 Filmové snímaèe s létajícím paprskem (flying-spot) .............................................. 104 Filmové snímaèe s prvky CCD ............................................................................... 105

III. SYNCHRONIZACE TELEVIZNÍHO ZAØÍZENÍ ................................................. 107 16.0 16.1 16.2

SYNCHRONIZAÈNÍ SIGNÁLY .......................................................................... 107 Synchronizátor ........................................................................................................ 113 Soubìh nesynchronních signálù ............................................................................. 117

IV. REŽIJNÍ ZPRACOVÁNÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLÙ ......................................... 119 17.0 17.1

ZÁKLADNÍ REŽIJNÍ OPERACE ........................................................................ 119 Trikové zpracování ................................................................................................. 119

Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít: Televizní technika – BEN technická literatura

7

17.2 17.2.1 17.3 17.4 18.0 18.1 V.

Vkládání nového pozadí do obrazu ........................................................................ 127 Virtuální studio ....................................................................................................... 133 Vkládání titulkù do obrazu ..................................................................................... 134 Digitální efekty ....................................................................................................... 137 TRANSKÓDOVÁNÍ SIGNÁLÙ ........................................................................... 145 Pøevod norem .......................................................................................................... 145

MAGNETICKÝ ZÁZNAM OBRAZOVÝCH SIGNÁLÙ ....................................... 149

19.0 19.1 19.2 19.3 19.4 19.4.1 19.4.2 19.4.3. 19.4.3.1 19.4.3.2 19.4.4 19.5 19.5.1 19.6 19.6.1 19.6.2 19.7 19.8 19.9 19.9.1 19.9.2 19.9.2.1 19.9.2.2 19.9.2.3 19.9.2.4 19.9.2.5 19.9.2.6 19.9.2.7 19.9.3 19.10 19.10.1 19.10.2 19.10.3 19.10.4

TECHNIKA MAGNETICKÉHO ZÁZNAMU ...................................................... 149 Základní principy magnetického záznamu obrazových signálù ............................. 149 Vliv šíøky štìrbiny magnetické hlavy ..................................................................... 154 Kmitoètovì závislé ztráty pøi reprodukci ................................................................ 155 Systémy záznamu obrazového signálu ................................................................... 156 Pøíèný záznam ......................................................................................................... 156 Šikmý záznam ........................................................................................................ 157 Jednopalcový záznam podle normy C .................................................................... 158 Korekce èasových chyb a výpadkù signálu ............................................................ 162 Opakování a zpomalování obrazu, informativní reprodukce pøi pøevíjení ............. 164 Analogový kazetový složkový záznam Betacam SP .............................................. 165 Servosystémy záznamových strojù ......................................................................... 168 Sledování obrazových stop ..................................................................................... 172 Elektronický støih ................................................................................................... 174 Problémy spojené s elektronickým støihem na pásek ............................................. 177 Èasový a øídicí kód ................................................................................................. 178 Azimutový záznam ................................................................................................. 178 Digitální záznam zakódovaného signálu PAL ........................................................ 179 Digitální záznamové systémy s kompresí signálu .................................................. 183 Digitální Betacam ................................................................................................... 183 Záznamové systémy DV, DVCPRO, DVCAM ...................................................... 187 Systém DV .............................................................................................................. 187 Systém DVCPRO ................................................................................................... 190 Principy komprese systémù DV a DVCPRO ......................................................... 190 Systém DVCAM .................................................................................................... 192 Systém Betacam SX ............................................................................................... 193 Systém DIGITAL S (D9) ........................................................................................ 194 Systém MPEG IMX .............................................................................................. 196 Pøehled studiových záznamových formátù ............................................................. 196 Záznamové systémy VHS, S-VHS, Professional-S ................................................ 199 Systém VHS ........................................................................................................... 199 Pøevod barvonosného signálu pod pásmo jasového signálu ................................... 200 Systém S-VHS ........................................................................................................ 203 Systém Professional-S ............................................................................................ 204

VI. KONTROLA A MÌØENÍ TELEVIZNÍHO SIGNÁLU .......................................... 205 20.0

MÌØICÍ ØÁDKY ................................................................................................... 205

Závìr ...................................................................................................................................... 210 Literatura ............................................................................................................................... 211 Rejstøík .................................................................................................................................. 212

8

Ing. Petr Kuba, Ing. Vladimír Vít: Televizní technika – BEN technická literatura