Основы телевидения

     Системы видеонаблюдения и охранного телевидения (CCTV) – Самая интересная область телевизионных технологий. Само же телевидение зародилась в 1817 году, с открытием Джонсом Берцелиусом селена и фотоэлектричества. Продолжение последовало только в 1875 году, когда американский изобретатель Кейри собрал первую в мире телесистему. В 1923 году была осуществлена первая практическая передача изображения по проводам. Первая ТВ-камера, названная “иконоскопом”, была разработана уже в 1931 году, инженером Владимиром Зворыкиным. Изначально телевидение основывалось на такой особенности человеческого зрения, как инертность, то есть, если за секунду показывать несколько неподвижных картинок (похожих друг на друга) то создается эффект движения. В отличии от кино, где изображение проецируется световым проектором через целлулоидную пленку, в телевидение проецирование изображения происходит с помощью электронно-лучевого сканирования. Но фундаментом для всей концепции телевидения, кино и фото, является свет. 

     В 1873 году Джеймс Кларк доказал, что свет является высокочастотной волной, это позволило оценить величину скорости света (300 000км/сек). Позже Эйнштейн доказал, что помимо волновых, свет имеет и корпускулярные свойства. Человеческий глаз может воспринимать не все частоты света, а лишь малую его часть (от 400нм –фиолетовый цвет, до 700нм – красный цвет). При попадании луча света в плотную среду, вроде воды или стекла, он замедляет скорость в n раз, (n – показатель преломления). Многие встречались с описанием подобного свойства света еще в школе, и не только на уроках по физике, но и в биологии, при изучении глаза. Человеческий глаз, это сложный природный оптически прибор, позволяющий видеть предметы на различном расстоянии, фокусируя при этом изображение с помощью изменения толщины хрусталика глаза (природной линзы). Видеокамеры созданы, как и многие технологии, основываясь на решения, подсказанные самой природой, поэтому в конструкции камер можно увидеть сходство с глазом. На данное время не существует технологий позволяющих искусственно воссоздать линзу, подобную хрусталику глаза, поэтому для фокусировки изображения применяют несколько линз собранных в объектив. Большое количество линз в объективах объясняется тем, что процесс формирования четкого изображения довольно сложный процесс, за счет аберраций (различные искажения). Одно из таких искажений, разложение белого света на различные цвета, при прохождение через линзу. Это происходит из за того что в белом свете присутствуют лучи всех частот, при прохождение через наклонную поверхность эти лучи преломляются под разным углом, соответственно, у каждого цвета будет свое фокусное расстояние. Для предотвращения этого эффекта применяют специальные пары линз, которые компенсируют подобные искажения. 

     Одним из главных показателей формирования четкого изображения, это правильно подобранное фокусное расстояние. В видеокамерах, фокусом называется расстояние от светочувствительного элемента (ПЗС матрицы) до оптического центра объектива. Чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора объектива. У каждого объектива есть свое F-число которое характеризует яркость сформированного изображения. Оно зависит от фокусного расстояния и эффективного диаметра области, через которую проходит свет. Чем F-число меньше, тем больше отверстие диафрагмы и тем больше света проходит через объектив. В большинстве объективов встраивают диафрагму, выполняющую роль светового ограничителя. Если видеокамера находится в сильно освещенном месте, диафрагму прикрывают, ограничивая тем самым прохождения света, для более четкого изображения. Если же ведется съемка плохо освещаемой местности, диафрагму открывают, и светочувствительность повышается.

   В каждой телекамере есть устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. В ранних телекамерах это была передающая трубка, сейчас применяют ПЗС матрицы. Передающая трубка представляла сбой стеклянную трубку с фоточувствительным покрытием с одной стороны и группой контактов с другой. Но эта трубка имела ряд серьезных недостатков: большие габаритные размеры, необходимость высокого напряжения (до 1000В), сложности при производстве, геометрические искажения выдаваемого изображения, малый срок службы. Им на смену пришла ПЗС (прибор с зарядовой связью) технология. Матрица значительно превосходит трубку по всем показателям. Она имеет различные стандартные размеры светочувствительной поверхности:  2/3” = 8.8 мм., 1/2” = 6.4 мм., 1/3” = 4.8 мм., 1/4” = 3.2 мм. Светочувствительная поверхность ПЗС матрицы воспринимает степень освещенности на каждом участке, на котором сформировывается заряд, который сразу же “стекают” на выходной каскад. Далее заряд обрабатывается и передается на выходной разъем камеры. Качество изображения (разрешение) измеряемое в ТВЛ, так же влияет на итоговое изображение. Оно определяется числом вертикальных элементов, которые может фиксировать камера.

   Сформированный видеокамерой сигнал передается на устройство обработки. Разнообразие подобных устройств настолько велико, что описывать их все не имеет смысла. Они выбираются в зависимости от задач. К примеру, нужно вывести видео от четырех камер, на один экран. Для этого используют квадратор (для аналоговой системы), видеорегистратор (для цифровой записи), ПК и плату видеозахвата (для цифровой системы) или ПК с программным обеспечением (для IP камер) 

    Представленная здесь информация максимально сжата и сокращена, для получения общих представлений. Телевидение и видеонаблюдение в частности, это целая отдельная наука, включающая в себя физику, математику и даже психологию.