Cet article décrira les principes du système de télévision monochrome analogique. Il commence par la création d’un seul signal de luminosité et se termine par un rappel des grands principes de la télévision monochrome.
Nous nous concentrons sur le système analogique monochrome britannique à 625 lignes et la spécification de la forme d’onde est donnée en détail.
Qu’est-ce que la télévision ?
La British Standards Institution a défini la télévision comme « l’art de produire instantanément, à distance, une image visible transitoire d’une scène réelle ou enregistrée au moyen d’un système électrique de communication, avec ou sans le son qui l’accompagne ».
Cet article décrira les principes essentiels d’un système de télévision CRT analogique monochrome.
Dans un système monochrome, la luminosité de chaque point de la scène à téléviser est convertie en un signal électrique. Le signal est transmis à un écran où il est reconverti en lumière.
Les éléments d’une simple caméra de télévision sont :
- un objet à téléviser
- un microphone pour capter le son
- un appareil photo pour capturer l’image
- un processeur pour convertir le son et l’image en un signal
- un émetteur pour envoyer le signal
- une antenne pour recevoir le signal
- un téléviseur et un récepteur pour convertir le signal et l’afficher
Un premier regard sur la télévision
L’image de télévision est une image en deux dimensions d’une scène vue par la caméra. La luminosité de chaque partie d’une image peut aller du noir à des nuances continuellement variables de gris à blanc.
Envoyer toutes les informations qui décrivent l’ensemble de l’image en une seule fois, c’est-à-dire simultanément, serait techniquement difficile, mais heureusement ce n’est pas nécessaire.
Canal d’information de la caméra à l’affichage
En réalisant des films, nous prenons une série de plans fixes et les montrons rapidement les uns après les autres pour créer l’illusion du mouvement. Cela signifie que la position des objets dans la scène a été échantillonnée dans le domaine temporel. L’intégration des images projetées par l’œil et le cerveau donne un filtre passe-bas temporel pour récupérer l’image animée originale.
Échantillonnage temporel dans les films
En télévision, nous utilisons encore plus l’échantillonnage. La photo que nous prenons à intervalles réguliers ne peut pas être envoyée instantanément. Il doit être envoyé une pièce après l’autre en balayant l’image selon un motif régulier et cette division temporelle multiplie les échantillons de luminosité de la scène prélevés sur tous les éléments de l’image.
Nous sommes habitués à ce processus de numérisation depuis la lecture d’un livre ! Nos yeux ont appris à parcourir le texte de gauche à droite, à revenir rapidement en arrière et à descendre pour lire la ligne suivante.
Les mots du texte sont assemblés sous une forme sérielle pour être transmis de la page via l’œil au cerveau. En utilisant un processus de numérisation identique, les informations peuvent être réécrites pour donner une copie de la page d’origine.
Il faut maintenant approfondir les opérations d’échantillonnage en cours, tant dans le domaine temporel que dans les dimensions horizontales et verticales de la scène.
Taux d’échantillonnage d’image
Toutes les informations de luminosité de chaque image sont balayées en une période d’image. Le nombre d’images par seconde s’appelle la fréquence d’image.
Le choix de la fréquence d’image est primordial dans la conception d’un système de télévision.
L’ensemble du processus de numérisation s’accélère si la fréquence de l’image est augmentée. Maintenant, si le taux d’échantillonnage des niveaux de luminosité de l’image est augmenté, de sorte que les changements de luminosité dans le signal de la caméra se produisent plus rapidement, alors une bande passante de signal plus large est nécessaire.
Pour économiser inutilement de la bande passante, la fréquence de l’image doit être maintenue aussi basse que possible.
Un projecteur de film montre une série d’images fixes (appelées cadres) en succession rapide, que l’œil intègre dans une scène en mouvement.
Une cadence de, disons, 20 à 25 images/seconde donne une représentation satisfaisante du mouvement. Un film cinématographique utilise 25 images/seconde. Comparez cela avec les anciens films muets à 15 images/seconde, où la fréquence d’image n’est pas tout à fait suffisante pour donner un mouvement fluide.
Après avoir résolu la représentation du mouvement, un autre problème se glisse.
Le passage rapide d’une image de film projetée à la suivante doit être dissimulé. Un obturateur rotatif coupe momentanément la lumière du projecteur pendant le pull-down de remplissage. Cela provoque un scintillement de luminosité qui est très perceptible s’il se produit en dessous d’environ 40 Hz.
Malheureusement, doubler le taux d’image (image) pour éviter le scintillement utiliserait deux fois plus de film coûteux. Cela réduirait également le temps d’exposition pour chaque image de l’appareil photo, le rendant moins sensible dans des conditions de faible éclairage.
Une solution intéressante consiste à obturer la lumière dans le projecteur deux fois par image de film pour donner une fréquence de scintillement projetée double de celle de la fréquence d’image, montrant ainsi chaque image deux fois.
À la télévision, l’écran d’affichage est continuellement écrasé de haut en bas de l’écran. Les anciennes valeurs de luminosité doivent diminuer avant que les nouvelles ne soient écrites, pour éviter un affichage maculé sur les zones en mouvement.
La décomposition et la réécriture font scintiller l’image et nous devons concevoir l’action de numérisation pour minimiser ce défaut.
Numérisation de l’image
Nous pourrions imaginer que l’image se divise en un motif régulier d’éléments d’image. Un modèle simple de 48 éléments est illustré ci-dessous. Le processus de numérisation doit échantillonner la valeur de luminosité (appelée luminance) de chaque élément à son tour. Le flux de valeurs de luminosité sera transmis aux éléments corrects de l’affichage par une action de balayage similaire.
Mosaïque simple de 48 éléments d’image
En pratique, plus de 300 000 éléments sont nécessaires pour fournir une image de télévision satisfaisante. Vous pouvez maintenant comprendre pourquoi la transmission simultanée du signal de chaque élément de la caméra à l’écran n’est pas une solution pratique.
Un tube capteur de caméra contient une surface photosensible sur laquelle est focalisée une image de la scène. L’apport de lumière provenant de la scène modifie la charge électrique à l’intérieur de cette couche d’une manière qui est proportionnelle à la quantité de lumière tombant sur chaque partie de la surface.
En balayant la surface photosensible avec un faisceau d’électrons, un seul signal électrique peut être généré. Son niveau à tout instant représente la luminosité de la lumière tombant sur l’élément en cours de balayage.
Deux actions de balayage distinctes, un mouvement horizontal rapide et un mouvement vertical plus lent, se produisent simultanément pour provoquer une déviation du faisceau d’électrons de la caméra.
Numérisation horizontale et verticale
Le faisceau se déplace de gauche à droite en échantillonnant les éléments le long d’une ligne de la mosaïque. Au bout de la ligne, le faisceau est supprimé puis repart rapidement vers la gauche. C’est le flyback horizontal.
Le balayage vertical plus lent a tiré le faisceau vers le bas pendant tout ce temps, de sorte que lorsque le faisceau est allumé pour le prochain balayage horizontal, il couvre les éléments de la ligne suivante. Au bas de la scène, le retour vertical fait revenir le faisceau vers le haut pour recommencer le processus.
La fréquence de ligne est la fréquence de l’image multipliée par le nombre de lignes par image.
Le motif tracé par la trajectoire du faisceau s’appelle un raster.
Raster séquentiel à neuf lignes
L’action simultanée du balayage horizontal rapide et du balayage vertical plus lent signifie que la trajectoire du faisceau n’est pas tout à fait horizontale, mais descend très légèrement sur chaque ligne. Le retour en arrière est dessiné sous la forme d’une ligne pointillée et affiché comme instantané, bien qu’un système de balayage pratique ait besoin d’un certain temps pour effectuer le retour en arrière.
Les formes d’onde de déviation simplifiées pour la création d’une trame à neuf lignes sont présentées ci-dessous :
Analyser les formes d’onde de déviation pour une trame à neuf lignes
Balayage entrelacé
En utilisant le balayage entrelacé, un débit d’image juste suffisant pour une bonne représentation du mouvement peut être utilisé sans scintillement excessif.
Le balayage entrelacé signifie que la vitesse de balayage vertical est doublée, et ainsi la déviation vers le bas du faisceau l’amène à balayer chaque ligne alternative d’éléments d’image dans la mosaïque.
Le faisceau atteint le bas de la mosaïque dans la moitié de la période de l’image et revient vers le haut. Lors du deuxième passage, il balaie chaque ligne alternative et transmet la ligne laissée de côté lors du premier balayage.
Deux balayages verticaux, champs d’appel, doivent être effectués pour échantillonner tous les éléments d’image de la scène.
Le balayage vertical est identique en taille et en durée sur les deux champs pour le garder simple. L’entrelacement se produira alors naturellement lorsqu’un nombre impair de lignes par image sera choisi, de sorte qu’un champ se termine sur une demi-ligne et l’autre se termine sur une ligne complète.
Par rapport au balayage horizontal, le retour vertical commence une demi-ligne plus tard sur un champ. À partir d’une position à mi-chemin entre les lignes du dernier champ, le faisceau revient pour commencer à tracer des lignes du champ suivant dans les espaces intermédiaires.
L’image ci-dessous montre un raster entrelacé de 9 lignes. Pour plus de clarté, ceci est dessiné avec un retour instantané horizontal et vertical. Le flyback vertical commence sur un champ à la fin du flyback horizontal et sur l’autre au milieu d’une ligne. Les deux flybacks ont une amplitude de 9 lignes d’affichage.
Trame entrelacée à neuf lignes avec chemins de retour en arrière affichés en pointillés
La fréquence globale de l’image reste similaire à celle du film, mais le scintillement se produit à la fréquence du champ, deux fois la fréquence de l’image.
L’affichage non entrelacé nécessite le double de la fréquence de ligne, car, pour éviter le scintillement, toutes les lignes doivent être balayées dans le temps d’une trame d’un affichage entrelacé.
Fréquences d’image et de champ
La fréquence de l’image est choisie de manière à ce que la fréquence du champ soit très proche de la fréquence de l’alimentation principale. Cela minimise la visibilité de tout bourdonnement de ligne électrique capté sur le signal de luminosité, ce qui était important à l’époque de la technologie des vannes chauffées par courant alternatif.
Ratio d’aspect
Le rapport entre la largeur et la hauteur de l’image affichée est appelé rapport d’aspect. Lorsque la télévision a été développée dans les années 1930, l’industrie cinématographique utilisait un format d’image 4:3, et cela a été adopté pour la télévision.
Des développements ultérieurs ont montré que d’autres rapports d’aspect donnaient des avantages artistiques, c’est pourquoi la télévision moderne utilise le rapport d’aspect 16: 9.
Génération de la forme d’onde de télévision
La forme d’onde de télévision doit contenir une représentation électrique de la luminosité des éléments d’image le long de chaque ligne de l’image. C’est ce qu’on appelle le composant de signal d’image.
Le balayage est généré dans la caméra et le récepteur par des circuits similaires, et il n’est pas nécessaire de faire transiter les formes d’onde de déviation elles-mêmes afin de faire correspondre les actions de balayage à chaque extrémité du système. Tout ce dont nous avons besoin, c’est d’informations supplémentaires suffisantes pour permettre à la caméra et au balayage de l’écran de se produire ensemble. C’est ce qu’on appelle le composant de signal de synchronisation.
Ils sont additionnés pour donner le signal vidéo final à transmettre au spectateur.
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