books technical details

إشارة الفيديو المركب

إشارة الفيديو هي في الأساس إشارة كهربائية والتي تبدأ من الكاميرا وتذهب إلى غرفة التحكم عبر نظام نقل . وهذا ما يسمى إشارة الفيديو المركب في الدوائر التلفزيونية المغلقة. و إشارة الفيديو تحتوي على سعة قصوى Amplitude بمقدار 1 فولت الذروة إلى الذروة أو 1 Vpeak-to-peak . وتتكون إشارة الفيديو المركب من الأجزاء التالية:

• إشارة الفيديو
• نبضة التزامن العامودية
• نبضة التزامن الأفقية

إشارة الفيديو

في الفيديو المركب، يكون أقصى اتساع Amplitude لإشارة الفيديو هو 0.7 فولت. وبعبارة أخرى، فإن الأبيض أو الجزء المشرق من الصورة يكون بقوة إشارة 0.7 فولت، في حين أن الأجزاء السوداء أو الداكنة ستكون لها إشارة 0 فولت.

نبضة التزامن العامودية

صور الفيديو تصنع إطارات الفيديو. في NTSC هناك 30 اطار في الثانية. لتجنب الارتعاش في صور التلفزيون ينقسم إطار الفيديو إلى حقلين أو مجالين، حقل فردي وزوجي. يتم فصل هذين الحقلين من عند الكاميرا ومن ثم يتم تجميعها مرة أخرى عند الشاشة. وهذا ما يسمى أيضا بالتشابك أو interlacing و هي احدى طرق مسح الشاشة . في نهاية كل إطار أو مجال، يتم إضافة نبض تزامن عامودية. هذا النبض المتزامن يبلغ الأجهزة الإلكترونية في الكاميرا ومكونات التلفزيون الأخرى أن الحقل قد انتهى ويجعلهم مستعدين لتلقي الإطار التالي أو الحقل. مدة النبضة تتوقف على الوقت الذي تستغرقه الأجهزة الإلكترونية للحصول على الحقل التالي. سعة هذا النبض هو 0.3 فولت. و إذا أضيف إلى إشارة الفيديو، يعطي السعة الكلية 1 فولت الذروة إلى الذروة وقيمة تردد النبضة العامودية أو الرأسية هي 15.75 هرتز قبل الألوان وقد عدلت إلى 15.734 هرتز بعد ظهور الألوان .

نبضة التزامن الأفقية

الإطار الواحد في الصورة يتكون من خطوط، في NTSC هناك 525 خط في الصورة الواحدة، كل نقطة في الخط تعكس كثافة إشارة الفيديو، في نهاية كل خط، تضاف نبضة التزامن الأفقي. هذا النبضة المتزامنة تبلغ الأجهزة الإلكترونية أن الخط قد انتهى ولتستعد لبداية السطر التالي. هذه النبضة أيضا لديها سعة 0.3 فولت وقيمة ترددها 60 هرتز قبل ظهور الألوان وقد عدلت إلى 59.94 هرتز بعد الألوان .

خطوط ومعدل التحديث

يتم استخدام ترميز اللون بنظام M لإشارة التلفزيون، والذي يتألف من 29.97 لقطة من الفيديو المتداخلة في الثانية الواحدة . ويتكون كل إطار من حقلين، يتألف كل منهما من 262.5 خطوط المسح الضوئي، ليصبح المجموع 525 لخطوط المسح . 483 خط من خطوط المسح يشكلون المنطقة المرئية. و الباقي ( للمقاطع العامودية الفارغة ) تستخدم للمزامنة والتقفي العمودي. وقد تم تصميم هذه الفترة الفاصلة في الأصل لتبيض إشارة المستقبل في تلفزيونات CRT و هي اختصار لـ cathode ray tube لتمكين الدوائر التناظرية البسيطة والتقفي العمودي البطيء في الأجهزة التلفزيونية في ذلك الوقت . بعض الخطوط الان أصبحت تحتوي على بيانات أخرى مثل معلومات الفترة الزمنية العامودية أو ما يسمى بـ VITC و هو اختصار لـ vertical interval timecodeيتم تجاهل نصف الخطوط خلال عملية التداخل بين الحقلين، يكون الحقل الأول يحتوي على الخطوط الفردية {1,3,5,…525} و الحقل الثاني يحتوي على الخطوط الزوجية {2,4,6,..524} , و يتم تداخل الحقلين على أن تسفر عن صورة خالية من الوميض على تردد ما يقرب من 59.94 هيرتز (في الواقع 60 Hz/1.001). وعلى سبيل المقارنة، 576i أشرطة نظم مثل PAL-B / G وSECAM استخدام 625 خطوط (576 مرئية)، وبحيث يكون قرار عمودي العالي، ولكن القرار الزماني أقل من 25 لقطة أو 50 حقلا في الثانية الواحدة. صمم تردد NTSC في مجال تحديث الصورة لنظام الأسود والأبيض ليقابل بالضبط تيار 60 هرتز الكهربائي وهو التردد الكهربائي المتناوب المستخدم في الولايات المتحدة في ذلك الوقت وحتى يومنا هذا. فكان الهدف منها مطابقة معدل التحديث لعرض الصور المتتابعة على الشاشة بمصدر الطاقة لتجنب الخطوط البينية من الظهور خلال العرض على الشاشة . عندما تمت إضافة الألوان لوحظ ظهور أنماط من النقاط الثابتة بين الصوت ومحمل الألوان، لذى بناءً على ذلك تم تعديل معدل تحديث تتابع الصور ليتوافق مع 59.94 هرتز بدلاً من 60 هرتز. كما هو موضح أدناه في "ترميز اللون". تزامن معدل التحديث مع التيار الكهربائي، ساعد بامكانية الكاميرا على التسجيل المباشر في وقت مبكر من عهد البث التلفزيوني، كما كان من البسيط جدا مزامنة فيلم الكاميرا لالتقاط إطار واحد من الفيديو لكل إطار فيلم باستخدام التردد الكهربائي بالتناوب لضبط سرعة التزامن لموتور AC-(محرك الكاميرا). وبحلول الوقت تغير معدل الإطار إلى 29.97 هرتز للون.

قياس الألوان

مواصفات اللون الأصلي للـ NTSC، لا تزال جزءا من قانون الولايات المتحدة للأنظمة الاتحادية، وتعرف القيم اللونية للنظام كما يلي:

كانت أجهزة الاستقبال التلفزيوني الملونة وفية لهذه المواصفات في ذلك الوقت، مثل . RCA CT-100 و لكن لتدني كفاءة الفسفور المستخدم في أجهزة التلفاز والتي كانت تسبب بظهور سواد وترك مسارات بعد الأجسام المتحركة أدى إلى زيادة معدل الفسفور للتشبع وزيادة السطوع في الصورة مما أدى إلى الانحراف عن معايير الألوان بين المرسل والمستقبل .

SMPTE "C

لضمان استنساخ ألوان موحدة، بدأت أجهزة الاستقبال بدمج دوائر تصحيح اللون التي تقوم بتحويل الاشارات المستقبلة (بناءً على قيم الألوان المذكورة أعلاه) باشارات مشفرة للفسفورات المستخدمة فعلياً داخل أجهزة الاستقبال. لأن مثل هذا التصحيح للألوان لا يمكن أن يؤديها على نحو دقيق في حالة الإشارة الغير الخطية المرسلة، التعديل يكون تقريبياً, في إدخال كل تدرج اللون وأخطاء النصوع للألوان المشبعة للغاية. في 1968-69 بدأت شركة كونراك بالعمل مع RCA لتعريف مجموعة من الفسفور المحدد لاستخدامه في شاشات البث التلفزيوني الملون، حيث عرفت هذه المواصفات ليومنا هذا بـ SMPTE C نسبة إلى Society of Motion Picture and Television Engineers :

في عام 1987، اعتمدت لجنة مهندسين الصور المتحركة والتلفزيون (SMPTE)، وهو فريق العمل المعني لقياس ألوان الشاشة، اعتمد الـفسفور في معيار SMPTE C للاستخدام العام، مما دفع العديد من الشركات المصنعة لتعديل التصاميم الخاصة بكاميراتهم لترميز مباشرة بما يتوافق مع قياس الألوان في SMPTE "C" دون تصحيح الألوان. يستخدم NTSC الياباني نفس القيم اللونية للأحمر والأزرق، والأخضر، ولكن توظف نقطة بيضاء مختلفة من إنارة CIE (0.293= X = 0.285 , Y). كل من النظم المستخدمة SECAM PAL , استخدمت NTSC الأصلي 1953 لقياس الألوان حتى عام 1970؛ [10] على عكس NTSC، غير أن اتحاد الإذاعات الأوروبية (EBU) تحاشى تصحيح الألوان في استقبال وشاشات الاستوديو، ودعا بدلاً من ذلك بشكل صريح لجميع المعدات لترميز الإشارات مباشرة بما يتناسب مع القيم اللونية ل"اتحاد الإذاعات الأوروبية"، لمواصلة تحسين دقة الألوان من تلك النظم.

ترميز اللون

من أجل التوافق مع الإصدارات السابقة مع التلفزيون الأسود والأبيض، يستخدم NTSC نظام ترميز إنارة التلون الذي اخترع في عام 1938 من قبل جورج فالنسي والتلون يحمل معلومات اللون . وهذا يسمح باستقبال الفيديو باللونين الأسود والأبيض من خلال تصفية التلون أو ما يسمى بـ chrominance في إشارات NTSC. وقد صممت جميع أجهزة التلفزيون بالأسود والأبيض التي بيعت في الولايات المتحدة لتلائم ذلك . في NTSC، يتم ترميز التلون باستخدام اثنين من إشارات ذو 3.579545 ميغاهيرتز 90 درجة، والمعروفة باسم In-phase و الـ Q و هو Quadrature-QAM .هذه الإشارات يتم تضمين سعتها أو amplitude لكل منهما ثم تضاف معاً . ويتم إلغاء الإشارة الناقل. رياضياً، يمكن أن ترى النتيجة بأنها موجة جيبية احادية مع اختلاف الطور النسبي ومتفاوتة في السعة. الphase يمثل لون لحظي التي تقوم الكاميرا التلفزيونية بالتقاطها، والسعة أو الـ Amplitude للإشارة يمثل تشبع اللون اللحظي . التلفزيونات تقوم باسترجاع معلومات درجة اللون من I/Q phase , لذى يجب وجود zero phase كمرجعية لتحل محل الإشارة الناقلة الملغية . أيضاً يحتاج إلى مرجعية من أجل السعة Amplitude لاسترجاع معلومات التشبع . لذى إشارة NTSC تتضمن مثال صغير من الإشارة المرجعية، تعرف بـبروز اللون أو Color burst و تقع بما يعرف بـ back porch أو بالرواق الخلفي للإشارة في كل خط أفقي وهي تأتي في الوقت بين نهاية إشارة التزامن الأفقية ونهاية إشارة التقطيع . The color Burst تعمل كمرجعية تستخدمها شاشات العرض والتلفاز لتزامن عرض الألوان في الإشارة المستقبلة، التلفزيونات تحتوي على قارئ للإشارة ما يعرف بـ Local Oscillator و الذي يقوم بمزامنة إشارة بروز اللون ثم استعمالها كمرجع لفك ترميز التلون في الإشارة المستقبلة من خلال مقارنة الإشارة المرجعية المشتقة من إشارة بروز اللون بالنسبة لسعة ودرجة اشارات التلون في نقطة معينة من المسح الضوئي . و جمع هذه الإشارة مع سعة إشارة النصوع المستقبلة .و يقوم المستقبل باحتساب كل لون لكل نقطة . في إشارة NTSC تكون إشارة الناقل أو إشارة التضمين 4.5 MHz مع إشارة الصوت، إذا حصل تشويه غير خطي لاشارة البث، الإشارة الحاملة للون ذو 3.579545 MHz يمكن أن تصطدم مع الإشارة حاملة الصوت لتنتج نمط نقاط على الشاشة .لجعل النمط الناتج أقل ملاحظة، المصممين قاموا بمعايرة الحقل ذو 60 Hz بمعامل 1.001 (0.1%) لمقاربتها لـ 59.94 حقل في الثانية . هذه المعايرة ضمنت بأن يكون مجموع واختلاف بين حامل الصوت والناقل الفرعي للون مع مضاعفاتهم ليست بالضبط كمضاعفات معدل الإطار، والذي هو شرط ضروري للنقاط لتبقى ثابتة على الشاشة، مما يجعلها أكثر ما يلفت الانتباه. معدل 59.94 مشتق من الحسابات التالية، المصممين اختاروا ليجعلوا تردد حامل التلون n+0.5 من مضاعفات تردد الخط لتقليل التداخل بين إشارة النصوع وإشارة التلون . و تم اختيار تردد الناقل الفرعي للصوت بأن يكون من مضاعفات عدد صحيح تردد الخط لتقليل امكانية التداخل بين إشارة الصوت وإشارة التلون . معيار الأسود والأبيض الأصلي، كان مع تردد خط 15750 هرتز و 4.5 ميغاهيرتز لتردد الناقل الفرعي للصوت، وكان ذلك لا يلبي احتياجات عرض اللون، لذلك كان على المصممين إما رفع تردد الناقل الفرعي للصوت أو خفض تردد الخط. أما رفع وتيرة تردد الناقل الفرعي للصوت سمنع المستقبلات الموجودة (أبيض وأسود) من الضبط بشكل صحيح لإشارة الصوت. خفض تردد الخط هو غير ضار نسبياً، وذلك لأن معلومات التزامن الأفقي والرأسي في إشارة NTSC تسمح لجهاز الاستقبال لتحمل قدر كبير من الاختلاف في تردد الخط. ولذلك فقد اختار المهندسين تردد الخط للتغيير في معيار اللون. في معيار الأسود والأبيض، نسبة تردد الناقل الفرعي للصوت إلى تردد الخط هو 4.5Mhz/15.750 = 285.71 في معيار اللون، ويقرب إلى عدد صحيح وهو 286، وهو ما يعني تردد الخط في معيار اللون هو 4.5 ميغاهيرتز / 286 = حوالي 15.734 خط في الثانية الواحدة. للحفاظ على نفس العدد من خطوط المسح في الميدان (والإطار)، يجب أن يكون معدل الخط السفلي يسفر عن معدل حقل أقل. تقسم 4,500,00/286 خطوط في الثانية الواحدة بواسطة 262.5 خط لكل حقل يعطي ما يقرب من 59.94 الحقول في الثانية الواحدة.

مخطط إشارة التضمين الناقلة

ان القناة التلفزيونية العاملة بنظام NTSC تشغل نطاق ترددي بما يقارب 6 Mhz , إشارة الفيديو المتضمنة بالإشارة الحاملة تنقل بين 500 kHz إلى 5.45 Mhz فوق الحد السفلي للقناة . الإشارة الناقلة للفيديو 1.25 Mhz فوق الحد السفلي للقناة، مثل كل اشارات الـ AM الإشارة الناقلة للفيديو تولد اثنين من Sideband , واحدة أعلى من الإشارة الناقلة وتحتها، سعة كل واحدة منهم 4.2 Mhz . يبث كامل الـ Sideband العلوية وفقط 1.25 Mhz من الـ Sideband السفلية يتم ارساله، أما الناقل الفرعي للون الذي تمت الإشارة اليه فيما سبق بـ 3.579545 Mhz فوق الإشارة الناقلة للفيديو ويتم تضمينها باشارة ذو سعة تربيعية تسمى بـ Quadrature-Amplitude و باشارة ناقلة من نوع Suppressed Carrier .
إشارة الصوت يتم تضمينها كما في اذاعات التي تعمل باشارة الـ FM بين التردد من 88 – 108 MHz , و لكن مع 25 kHz كأقصي انحراف للتردد، مما يجعل اشارات الصوت للتلفاز التناظري أكثر وضوحاً من اشارات الصوت للـ FM عند استلامه في مستقبلات النطاق العريض أو Wideband Receivers .
الإشارة الناقلة الرئيسية للصوت هي 4.5 Mhz أعلى من الإشارة الناقلة للفيديو، مما يجعل من 250 kHz أدناه الجزء العلوي من القناة . أحياناً القناة تحتوي على إشارة MTS , و التي تقدم أكثر من إشارة صوت للقناة باصاقة واحد أو اثنين من إشارة الناثل الفرعي على إشارة الصوت، كلها متزامنة مع مضاعفات تردد الخط . و يستخدم ذلك في نظام ATSC , حيث يتم بث الإشارة الرقمية الحاملة على 1.31 Mhz أعلى من الحد السفلي للقناة . و توجد خاصية Set-up المذكورة مسبقاً وهي 54mV (7.5 IRE) كمقدار ازاحة للفولتية بين الأسود وإشارة Blanking و هي فريدة من نوعها أي محجوزة في معيار NTSC لتقوم بسهولة بفصل إشارة الفيديو عن إشارة التزامن.

وحدة IRE

وحدة IRE هي وحدة تم اعتمادها لتسهيل التعامل مع مستويات النصوع المختلفة في الصورة وتحديد اللون فيها وتستعمل بشكل خاص في نظام البث التناظري NTSC و أنظمة البث الأخرى، فبما ان إشارة الفيديو لا تتعدى 1 فولت ذروة للذروة (1 V peak-to-peak) فقط قام معهد مهندسين الراديو الذي تم تأسيسه في 1912 بتقسيم الفولت الواحد إلى 140 وحدة سميت بالـ IRE نسبة إلى Institute of Radio Engineers لتسهيل التعامل مع مستويات النصوع أو luminance في إشارة الفيديو، وتم تقسيمها إلى جزئين جزء الصورة وهو بين 0 IRE إلى IRE 100 و جزء التزامن وعرف بالقيم بين -40 IRE إلى 0 IRE . و لذلك كل وحدة IRE تعادل 1/140 فولت . معظم الأجهزة المنتجة للصورة أو الفيديو عادة يكون اللون الأسود في الصورة بين 7.5 IRE و 10 IRE و الحد الأقصي لسطوع الصورة عادة أقل بقليل من 100 IRE .
و هناك إشارة ثالثة داخلية وهي إشارة اندفاع اللون أو Burst Signal ذو قيمة ما بين -20 IRE و +20 IRE و هي عينة قصيرة من تردد الناقل الفرعي للون . و يتم استخدامه في كيفية عرض الألوان على الشاشة .

تحويلات معدل الإطار

هناك فرق كبير في معدل الإطار بين الفيلم، الذي يقام في 24.0 لقطة في الثانية، ومعيار NTSC، الذي يقام في حوالي 29.976 لقطة في الثانية. و أيضاً في المناطق التي تستخدم أنظمة تلفاز ذو 25 اطار في الثانية، هذه المشكلة يمكن التغلب عليها بما يسمى بعملية التسريع أو speed-up . للمعايير التي تستخدم 30 اطار في الثانية تسمى العملية للمعايير التي تستخدم 30 اطار في الثانية تسمى العملية المستخدمة 3:2 pulldown , يتم بث اطار واحد للفيلم لثلاث حقول بمعنى 1.5 اطار للفيديو، والإطار التالي يتم نقله لحقلين فيديو أخريين بمعنى اطار فيديو واحد . وهكذا ينتقل إطارين للفيلم في خمسة حقول للفيديو، بمدة متوسطها 2 ½ حقل للفيديو في لإطار الفيلم الواحد. ويبلغ متوسط معدل الإطار بالتالي 60 ÷ 2.5 = 24 لقطة في الثانية الواحدة، وبالتالي فإن متوسط سرعة الفيلم هو بالضبط ما ينبغي أن يكون. في الواقع، على مدى ساعة من الوقت الحقيقي للعرض، يتم عرض 215,827.2 حقل للفيديو، تمثل 86,330.88 إطار للفيلم، بينما في ساعة واحدة من معيار 24 إطارا في الثانية، تظهر بالضبط 86,400 إطار وهكذاعندما تتم عملية 3:2 pulldown فأنه يعرض 99.92% من فيلم NTSC في نفس الوقت المستغرق للـ 24 اطار بالعرض . ليتم عرض NTSC ذو 30 اطار على 25 اطار أو العكس، هناك طريقتين للـ 3:2 pulldown هما :

• التقنية التناظرية : تقوم بتبطيء معدل الإطار 4% من 25 إلى 23.976 اطار في الثانية .
• التقنية الرقمية : والتي تنطوي على الاستكمال من محتويات الإطارات المجاورة من أجل إنتاج إطارات متوسطة جديدة؛ ويتم تطبيق خوارزميات تحسس الحركة متطورة للغاية.

و قد جرت العادة عند عرض NTSC بـ 24 اطار بأن يقوموا بتسريع مقدراه 1/24 أي بحدود 104.17% من السرعة الطبيعية في المناطق التي تستخدم معايير الأنظمة ذو 25 اطار، ذلك يؤدي إلى تسريع الصورة عن طريق زيادة ممائلة لدرجة وايقاع الصوت . وفي الآونة الأخيرة، تم استخدام التقنيات الرقمية لتجنب الزيادة في الدرجة بينما الإيقاع للفيديو لا يزال يتم تسريعه، ولتجنب التسارع بالكامل يتم عن طريق توزيع إطارات الفيلم، مع درجات متفاوتة من إذابة في حقول الفيديو، بحيث ثانية واحدة من الفيلم لا تزال تحتل بالضبط ثانية واحدة من الفيديو. في عرض الفيلم في المناطق التي تستخدم معايير 25 اطار في الثانية يمكن التعامل معها باحدى الطريقتين :

• باستخدام التقنية التناظرية المذكورة أعلاه .
• يمكن اتخاذها الفيلم في 25 لقطة في الثانية الواحدة. و في هذه الحالة، عندما ينتقل من منطقته الأصلية، يظهر الفيلم في السرعة العادية، مع عدم وجود تغيير في التسجيل الصوتي المصاحب. عندما يتم عرض نفس الفيلم في المناطق التي تستخدم خلال 30 إطارا في الثانية، سيتم إبطاء الفيلم بنسبة 4٪، إلى 24 إطارا في الثانية، بحيث 3:2 pulldown يمكن تطبيقها. هو تباطأ سرعة من 4.096٪، حيث يصبح 23.976 إطارا في الثانية. وهناك تغير سيحصل في إيقاع الصوت المرفق ما لم يتم استخدام تصحيح رقمي، وخفض الدرجة بنحو 1 نغمة.