Электронное телевидение

Следующий этап в развитии ТВ связан с именами множества ученых, но, пожалуй, основные изобретения были сделаны нашими соотечественниками. 26 февраля 1888 г. русский ученый, профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов (1839-1896) продемонстрировал внешний фотоэффект— явление «вырывания» электронов с поверхности вещества под действием света. Прибор, созданный Столетовым, стал прообразом современных фотоэлементов.

Профессор Петербургского технологического института Борис Львович Розинг (1869-1933) работал над электронной системой телевидения, действующей по сей день. К этому времени уже существовала электронно-лучевая трубка. 25 июня 1907 г. Б. Л. Розинг получил в России привилегию на «способ электрической передачи изображений на расстояние»2. Позднее ученый напишет: «Катодный пучок есть именно то идеальное перо, которому самой природой уготовано место в аппарате получения изображения в электрическом телескопе. Оно обладает тем ценнейшим свойством, что его можно непосредственно двигать с какой угодно скоростью при помощи электрического или магнитного поля, могущего быть притом возбужденным со скоростью света с другой станции, находящейся на каком угодно расстоянии».

Заметим, что в это время шли активные разработки систем механического ТВ, но Борису Львовичу уже был понятен тупик выбранного пути. Реализацию «электронной телескопии» он видел в применении безынерционных приборов, где необходимо было заставить двигаться пучок электронов. Было бы преувеличением сказать, что система ТВ Б. Л. Розинга была полностью электронной: в передающей камере для развертки изображения он применял оптико-механическую систему вращающихся зеркал (усовершенствованный диск Нипкова). Электрические сигналы поступали на электронно-лучевую трубку Брауна. Яркость свечения экрана зависит от количества электронов, попадающих на единицу площади. Чтобы заставить электронный луч отклоняться («бегать») по экрану, на него воздействали магнитным или электрическим полем.

9 мая 1911 года Борис Львович получил на мониторе свою знаменитую «решетку» — белые полосы на черном фоне. Значимость работ была оценена во всей мире, но, к сожалению, работу не удалось завершить: в 1931 г. Розинга арестовали «за финансовую помощь контрреволюционерам «, а спустя два года он скончался в архангельской ссылке.

Работы Б. Л. Розинга были опубликованы и известны в мире. Казалось бы, зачем надо было «держаться» за механическое телевидение, вкладывая в него немалые средства? Правда, такой вопрос кажется разумным сегодня, а в 30-е годы технические возможности распространения сигнала были сильно ограничены. При развертке в 30 строк полоса частот в эфире была менее 10 кГц, что позволяло транслировать сигнал на средних волнах. При резко возрастающей разрешающей способности экрана неминуемо пришлось бы перемещаться на диапазон УКВ, как в современном телевидении, что было бессмысленным в то время, так как покрыть территорию страны дорогостоящими ретрансляторами в голодающей стране было невозможно, а тянуть электрические кабели до каждого потребителя в то время было утопией.

Завершить работу по созданию электронного ТВ удалось Владимиру Козьмичу Зворыкину (1889-1982) — ученику Бориса Львовича, работавшему в студенческие годы у него ассистентом. В 1912 г. Зворыкин окончил Петербургский технологический институт, затем повышал уровень своих знаний в Париже, а вернувшись в Россию, был призван в армию. Во время Первой мировой воины Владимир Козьмич отвечал за радиосвязь, проявив себя талантливым офицером. Потом революция 1917 г. и вынужденная эмиграция в США — вынужденная, потому что Зворыкин узнал, что ордер на его арест уже выписан.

В 1929 г. Зворыкина пригласил на работу президент RCA («Радио корпорейшн оф Америка») Дэвид Сарнов (1891-1971), тоже выходец из России. Будучи дальновидным человеком, Сарнов решил финансировать разработки в области телевидения, подсчитав вместе со Зворыкиным необходимые инвестиции в 100 тыс. долларов. Тогда они еще не предполагали, что результат обойдется дороже в 500 раз.

В 1931 г. В. К. 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 телевидения была решена.

С этого момента изменяется путь развития ТВ — оно превращается в электронное средство массовой информации. Достаточно продуктивно над электронной телевизионной камерой работал Фило Франсуорт (США), который пытался найти поддержку в киноиндустрии (студия «Парамаунт») и у газетного магната Херста, но получил отказ: кино и пресса рассматривали ТВ как конкурента. Тем не менее его передающая трубка «диссектор» была простой и надежной и даже применялась в качестве экспериментального ТВ в США и Англии, но, лишившись инвестиций, без усовершенствования не могла конкурировать с разработками конкурентов.

В 1933 и 1934 гг. по приглашению советского правительства В. К. Зворыкин посещает СССР с докладами о своих изобретениях. Советские ученые угадывают секрет получения мозаичной мишени и уже через год демонстрируют ему действующую ТВ-установку.

Параллельно и независимо от американских разработок в СССР над иконоскопом работал Семен Исидорович Катаев (р. 1904). Проект передающей телевизионной трубки он разработал до Зворыкина, но первым получить практический результат не смог.

В Англии, стране первой телевизионной трансляции, разрешение ТВ достигло 240 строк. После американского революционно-технологического рывка англичане тоже стали склоняться к электронному ТВ: в 1936 г. компания «Эми-Маркони» продемонстрировала систему с разложением на 405 строк. Это вполне закономерно, так как один из руководителей компании, Айзек Шенбер, ранее был студентом Б. Л. Розинга в Петербурге. Механическое ТВ транслировалось в Великобритании регулярно с 1929 г., но со 2 ноября 1936 г. передачи регулярно выходили с электронной разверткой луча.

Немецкий ученый Манфред фон Арденне показал электронную систему с четкостью изображения 100 строк в 1931 г., но его технология передающей трубки с «бегущим лучом» заметно уступала иконоскопу В. К. Зворыкина. Успешным этапом развития немецкого телевидения явилась трансляция с XI Берлинской олимпиады 1936 г. К 1937 г. разрешение немецких приемников достигло 441 строки, а в научных разработках находились приемники с разрешением более 1000 строк. Германия являлась самой радиофицированной страной в Европе, а к началу 1939 г. в стране начался массовый выпуск «народных телевизоров».

Цветное телевидение.

Международные телевизионные стандарты

Как ни странно, работы в области цветного телевидения начались параллельно с черно-белым «дальновидением». Первую цветную трехкомпонентную систему ТВ («Телефот») предложил в 1900 г. Александр Аполлонович Полумордвинов (1874-1942). Развертка луча производилась посредством диска Нипкова с цветными светофильтрами. В 1902 г. Полумордвинов подает заявку на новое устройство — «аппарат для передачи изображения и способ этой передачи в связи с одновременной передачей звука». К сожалению, аппаратура не была закончена, хотя, по мнению специалистов, проект, основанный на методах последовательного смешения цветов, был вполне работоспособен.

В 1907 г. патент на проект двухцветного телевидения с одновременной цветовой передачей в Германии разработал выходец из России Ованес Абгарович Адамян (1879-1932). Позднее он переезжает в Россию и в 1925 г. 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 знаменитому Дж. Берду. Основная проблема данной схемы заключалась в ее несовместимости с чернобелыми ТВ-приемниками, кроме того, эпоха механического телевидения приближалась к концу. В США аналогичными разработками занимался Питер Голдмарк (компания CBS), но Федеральная комиссия связи в 1943 г. утвердила монохромный стандарт. В сущности, внедрение цвета на телевизионном экране было похоже на проникновение цвета в фотографию: технологически это было уже возможно, но читателям или зрителям вполне хватало черно-белой информации на оттиске или экране.

Во время войны работы по внедрению цветного ТВ почти во всех странах, за исключением Великобритании, были прекращены.

В СССР исследования по цветному электронному ТВ возобновились в 1947 г., а 7 ноября 1952 г. в Ленинграде была успешно проведена экспериментальная передача. Перед странами встала дилемма: вписываться в существующий стандарт черно-белого телевидения, что с технической точки зрения было невероятно сложно, или разрабатывать совершенно новый стандарт, в этом случае обладатели черно-белых приемников не смогли бы в принципе видеть передачи цветного формата. Поэтому, несмотря на технические сложности, мир выбрал в ущерб качеству совместимость систем.

Основные характеристики цвета — это яркость (больше-меньше света), цветовой тон (длина электромагнитных волн вызывает цветовое ощущение) и насыщенность (степень разбавления одного из основных цветов белым цветом). Когда зритель смотрит на экран ТВ, он видит цвета в проходящем свете, поэтому почти любой цвет1 можно получить смешением трех основных цветов: красного, синего и зеленого.

Телевизионная строка формируется движением электронного луча слева направо. Одновременно видимые строки (вследствие инерционности зрения) называются телевизионным растром. Совокупность строк видимого изображения называется телевизионным кадром.

Наше зрение острее реагирует на изменение яркости, чем на изменение цвета, поэтому, как правило, яркостных сигналов передается больше, чем цветных.

Черно-белое изображение можно полностью передать яркостным сигналом (от черного до белого), оттенки RGB-цветов можно передать цветоразностными сигналами.

Существующие в данное время телевизионные стандарты несовместимы друг с другом, правда, современные телевизоры способны автоматически перестраиваться с одного стандарта на другой, европейские и американский 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 секунду, а в Северной Америке — 60 и 30 кадров в секунду.

NTSC

Телевизионный стандарт устанавливает основные параметры систем ТВ-вещания, такие, как телевизионная развертка (способ и число строк разложения, формат и частота кадров и т. д.); параметры радиосигналов для передающей телевизионной станции; ширина полосы частот радиоканала; характеристики телевизора; состав и параметры сигнала яркости и цветоразностных сигналов, способ модуляции и т.д.

Разработка собственного государственного стандарта требовала гигантских материальных ресурсов. США менее других стран были обескровлены Второй мировой войной, да и у населения было достаточно средств для приобретения новых телеприемников. Национальным комитетом телевизионных систем (NTSC) в 1953 г. был утвержден совместимый стандарт, и в США началось регулярное вещание в системе NTSC. Первые телевизоры, отвечающие данному стандарту, были настолько сложны, что им требовалась еженедельная настройка специалистом. Американцы не хотели покупать дорогие и капризные телеприемники, компании продавали их ниже себестоимости, тем не менее массовым цветное ТВ в США стало только в середине 60-х гг. К моменту внедрения цветного стандарта у населения было 28 млн. черно-белых телеприемников.

В формировании изображения участвуют один сигнал яркости и два цветности. Сигнал цветности присутствует в каждой строке. Использование квадратурной модуляции дозволяет одновременно передавать два цветоразностных сигнала. Системе присуща высокая помехоустойчивость и хорошая цветопередача благодаря эффективному разделению сигналов яркости и цветности. Полный кадр формируется двумя полукадрами (полями), в системе принята чересстрочная развертка. Недостатком системы, который может заметить зритель, являются цветоискажения на ярких и темных участках одинаково окрашенного объекта. Как известно, человеческий глаз особенно остро видит искажения белого цвета и оттенков кожи лица. Например, если одна часть лица будет освещена очень ярко, а другая будет в тени, зритель увидит зеленый оттенок в светлых и красный в недостаточно освещенных участках лица.

Основные технические характеристики NTSC:

— Разрешение — 525 строк.

— Количество кадров в секунду — 30.

— Количество полей — 60 (точнее, 59.94).

— Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

Стандарт NTSC принят в 18 странах: США, Канаде, Японии, странах Латинской Америки, Филиппинах, Южной Корее.

SECAM

SECAM (Sequential Couleur avec Memoire, Sequential Color Memory) — система последовательной передачи цветов с памятью.

Перед советскими специалистами была поставлена трудная задача разработки собственного ТВ-стандарта. Московский телецентр с 1948 г. вел вещание с разложением в 625 строк, разработанным С. И. Катаевым и С. В. Новаковским.

В 1954 г. нашими специалистами был разработан вариант системы NTSC (ОСКМ), а в 1956 г. через Ленинградский телецентр был продемонстрирован кинофильм в цветном изображении, с целью проверки качества приема сигнала на существующие черно-белые телевизоры «КВН-49», «Ленинград Т-2», «Луч», «Экран», «Зенит» и «Темп-1». Качество оказалось вполне приемлемым. Но все же стандарт NTSC Советский Союз не мог принять из-за разгоравшейся «холодной войны» и, как тогда казалось, неоправданной дороговизны.

Оригинальный телевизионный стандарт был предложен французским инженером Анри де Франсом (Henri de France) в 1961 году. Отношения с Францией у Советского Союза были теплыми, и лично де Голль был заинтересован в продвижении французского стандарта. Руководству Советского Союза была нужна независимость от Америки, поэтому было принято политическое решение, без учета технологических недостатков или преимуществ. С 1965 г. над системой совместно начали трудиться французские и советские специалисты. Оказалось, что стандарт, продемонстрированный в ограниченном студийном масштабе, на практике был неэффективен. В течение двух лет его удалось существенно доработать.

С 1 октября 1967 г. в СССР начались регулярные передачи цветного телевидения в стандарте SECAM. Со временем систему приняли 25 стран, включая страны Восточной Европы (бывший социалистический лагерь, кроме Югославии) франкоговорящие страны Африки и Азии, часть Греции и Иран.

К достоинствам SECAM следует отнести большую помехоустойчивость системы у что было особенно актуально при передаче видеосигнала на огромных просторах Советского Союза. Сигналы цветности передавались в разные строки, поэтому перекрестные искажения между ними были исключены. В телевизоре информация о каждой строке запоминалась до прихода следующей строки. Телевизионный приемник в данной системе более сложен, следовательно, дороже в изготовлении, чем приемник системы NTSC. Цветная информация, записанная в SECAM, может потерять цвет в системе PAL. Однако запись PAL не теряет цвет в системе SECAM.

Следует сказать и о недостатках: качество цветопередачи было ниже, чем в системе NTSC, так как использовался принцип последовательной передачи цветов (технология, предложенная еще А. Полумордвиновым и О. Адамяном), особенно это было заметно на мелких деталях изображения.

С 1977 г. все вещание в СССР велось в цветном формате.

Технические характеристики SECAM:

— Разрешение — 625 строк. Количество кадров в секунду — 25.

— Количество полей — 50.

— Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

PAL

PAL (Phase Alternation Line) — чередование фазы по строкам. Стандарт, предложенный немецким ученым 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. Вальтер Брух устранил недостатки, свойственные NTSC, в результате чего улучшилась цветопередача. Сигналы цветности, как и в NTSC, передавались одновременно, но, как в SECAM, применялись цветоразностные сигналы.

К достоинствам системы следует отнести меньшую полосу частот, чем в стандарте SECAM, воспроизведение оптимальных цветов в светах и тенях телевизионного изображения, хорошую помехоустойчивость к фазовым искажениям сигнала цветности, стабильность информации о цветовых оттенках, прекрасную совместимость с черно-белыми телевизорами.

Стоимость телеприемника была ниже, чем для стандарта SECAM, но выше, чем для NTSC.

Технические характеристики системы PAL:

— Разрешение — 625 строк.

— Количество кадров в секунду — 25.

— Количество полей — 50.

— Развертка луча чересстрочная (интерлейсинг).

Система оказалась настолько успешной, что стала применяться в большинстве европейских стран, Австралии, Китае, Индии (в 62 странах).

Внедрение цветного телевидения повсеместно проходило чрезвычайно тяжело. Главная причина заключалась в том, что население не спешило покупать цветные телевизоры. Как писал один из отцов советского телевидения Павел Васильевич Шмаков, «черно-белое телевидение удовлетворяет нас по тем же причинам, как и простая фотография или кинокартина. Но этим мы обязаны только длительному насилию над своей психикой, заставляя себя ограничиваться изображениями без наличия цветов, чем так богата окружающая нас природа».

Американцы, первыми разработав стандарт NTSC в 1953 г., не подозревали, что потребуется полтора десятка лет для того, чтобы цветное телевидение стало массовым» Телекомпаниям было невыгодно производить вещание в цвете, зная, что население смотрит в черно-белые экраны. В свою очередь телезрители не спешили выкладывать средства, понимая, что количество цветных передач недостаточно. Почти все расходы легли на компанию RCA. Первые цветные телевизоры стоили около 500 долларов, а черно-белые в пять раз дешевле. RCA пообещала со временем выплачивать компенсацию тем, кто приобретет цветной телеприемник, и сдержала обещание. К середине 60-х гг. количество цветных приемников подошло к цифре в 10 млн. штук. Только после этого к цветному вещанию приступили телекомпании ABS и CBS.

В Советском Союзе еще до принятия стандарта SECAM с 1953 г. осуществлялись опытные цветные передачи посредством оптико-механической развертки луча: в передающей камере и телевизионном приемнике синхронно вращались диски с цветными светофильтрами. Промышленность начала выпуск цветных телевизоров «Радуга» с экраном в диаметре 18 см.

Первыми цветными телевизорами с электронной разверткой стали новая «Радуга» и «Темп-22», хотя их выпустили немного. Перейдя на SECAM, СССР оказался без собственного телевизора, поэтому в первое время в страну завозили французские телеприемники KFT. Вскоре наши специалисты изготовили оборудование для аппаратно-студийных и аппаратно-программных блоков. Далее картина напоминала американскую: население не желало покупать дорогие цветные телевизоры, хотя государство продавало их ниже себестоимости, объем цветного вещания был недостаточен. И только к 1987 г. почти все местные телецентры в конце концов получили комплекты для цветного телевещания.

Введение в действие различных телевизионных стандартов поделило «сферы влияния» в телевизионном мире. Советско-французский стандарт оказался самым неудачным с технической точки зрения, но зато успешно выполнял роль «берлинской стены». К 1985 г. все европейские телеприемники стали выпускаться с совместимым стандартом PAL/SECAM, а позднее телевизоры «научились» самонастраиваться на любую телевизионную систему. При этом к концу XX века стало очевидным, что существующие стандарты безнадежно устарели. Ученые всех развитых стран включились в разработку телевидения высокой четкости.