Campuri si Cadre. Analog si digital.

campuri si cadreIn mod ironic, atat imaginile in miscare (cele de pe film) cat si cele TV sunt bazate pe o iluzie. Miscarea ca atare nu exista nici in televiziune si nici in film. Iluzia de miscare este produsa atunci cand o secventa de imagini statice este redata cu o anumita viteza.

Aceasta iluzie a fost descoperita dupa un pariu in valoare de 25.000 de dolari de o fundatie de film in anul 1877. Pentru mult timp a existat un diferend asupra ideii daca un cal de curse are la un moment dat toate cele 4 copite pe sol in acelasi timp.

Intr-un efort de a rezolva problema, Leland Stanford, profesor la Universitatea Stanford, a configurat un experiment in care un fotograf a luat-o succesiune rapida de fotografii ale unui cal pe pista de rulare. (Si da, au descoperit ca un cal de curse are intr-un moment dat toate cele patru picioare de pe pamant in acelasi timp.)

Acest experiment a stabilit ceva chiar mai important. Aceasta a ilustrat faptul ca, in cazul in care o secventa de imagini statice este prezentata la o rata de aproximativ 16 sau mai multe pe secunda, aceste imagini individuale se amesteca si dau impresia unei imagini continue, neintrerupte.

secventa calului de curse

 Puteti vedea in secventa de mai sus cadrele in care imaginile individuale variaza usor pentru a reflecta schimbarile in timp.

Vedem o versiune mai primitiva a acestui lucru in "miscare" acea sageata a unui semn cu LED-uri care sugereaza ca trecatorii vina si sa cumpere ceva, in supermaket-uri de obicei.

Filmele mute au inceput cu o rata a imaginii de 16 sau 18 cadre pe secunda, adica afisau 16 sau 18 imagini statice intr-o secunda.
In momentul aparitiei filmelor cu sunet, aceasta rata a trebuit crescuta pana la 24 de cadre pe secunda pentru a avea o calitate buna a sunetului.

Pentru a reduce licarirea, acel efect de palpaire a imaginii, proiectatoarele din cinematografele de astazi utilizeaza un declansator cu doua pale, care proiecteaza fiecare cadru de doua ori, rata efectiva fiind de 48 de cadre pe secunda. (Unele aparate proiecteaza un cadru de 3 ori.)
Televiziunea are aceasta rata de 25 sau cca 30 de cadre pe secunda.

NTSC (National Television System Comisiei) e sistemului de televiziune utilizat in Statele Unite, Canada, Japonia, Mexic, si alte cateva tari care reproduce imagini (cadre), la o rata de aproximativ 30 pe secunda. In Europa se foloseste standardul PAL (Phase Alternating Line) cu o rata de 25 de cadre pe secunda.

Deci un aparat de filmat cu film efectiv face 24 de fotografii intr-o secunda, iar proiectorul reda acea secventa cu aceeasi viteza.

Lucrurile sunt diferite in televiziune. Intr-o camera video, sute de linii orizontale formeza imaginea in fiecare cadru. De-a lungul acestor linii exista mii de puncte cu informatii de culoare si de luminozitate. Aceste informatii sunt interpretate de electronica camerei video si mai apoi de catre aparatul TV, intr-o miscare de la stanga la dreapta si de sus in jos, exact cum folosim ochii pentru a citi ceva.

Scanarea Intretesuta (Interlaced sau Interleaving Scanning)

Initial, pentru a reduce licarirea si variatia de luminozitate in timpul procesului de scanare, precum si pentru a solutiona unele limitari tehnice, procesul de scanare a fost impartit in doua jumatati.

Sunt scanate intai liniile impare si apoi cele pare, care sunt intercalate intre cele pare, creandu-se astfel o imagine completa. Numim acest proces scanare intretesuta.

scan2scaninterlacedLiniile impare sunt cele verzi si cele impare sunt colorate cu galben (stanga).
Daca eliminam aceste culori, putem vedea modul in care acestea se combina pentru a crea imaginea video alb-negru (dreapta).

Fiecare dintre aceste treceri de jumatate de cadru (fie toate impare sau toate liniile cu numar par, sau cele verzi sau liniile galbene din ilustratie), este un camp (field). In final cele doua campuri formeaza un cadru.

Dupa o scanare completa a imaginii (sau a cadrului), procesul incepe din nou. In cazul in care obiectul din scena se modifica in raport cu timpul (adica se misca), cadrul urmator va reflecta aceasta schimbare.
Creierul uman percepe aceasta trecere rapida a unei secvente de cadre statice dar cu usoare modificari in raport cu timpul drept o miscare continua, neintrerupta.

Abordarea intercalata, necesara inainte de recentele progrese in domeniul tehnologiei, are drept rezultate cateva artefacte minore ale imaginii, sau distorsiuni ale imaginii, inclusiv usoare variatii de culoare.

Scanarea progresiva

interlaced vs progressiveDupa mai multe decenii de utilizare a scanarii intretesute, astazi majoritatea monitoarelor video (inclusiv televizoarele cu ecran plat si monitoarele de calculator) folosesc o scanare progresiva sau non-interlaced scan.

Cu aceasta metoda, campurile de linii (pare si impare) sunt combinate impreuna si reproduse intr-o secventa.
Scanarea progresiva are o serie de avantaje, inclusiv o mai mare claritate si capacitatea de a interactiona mai usor cu echipamente video sau de pe calculator. Cu toate acestea, se adauga o cerere mai mare din punct de vedere tehnic in ceea ce priveste sistemul TV.

Modulul de captare a imaginii

Charge-coupled-Device-CCDLentila unei camere de filmat capteaza o imagine printr-un dispozitiv sensibil la lumina, in acelasi mod in care un aparat de fotografiat face o imagine pe film.

Dar, in loc de film, camere de televiziune folosesc de obicei un receptor sensibil la lumina numit CCD (charged-coupled device) sau, mai nou, un CMOS (complementar metal oxide semiconductor). Ambele sunt capabile de a detecta diferentele de luminozitate de la diferite puncte in intreaga zona de imagine.

Zona cip-tinta (mica zona dreptunghiulara din centrul acestei fotografii) contine sute de mii de milioane de pixeli (picture element) (puncte). Fiecare punct poate raspunde electric la cantitatea de lumina axata pe suprafata sa.

O sectiune foarte mica a unui cip este reprezentata mai jos - marita de cateva mii de ori. Pixelii individuali sunt reprezentati in albastru.

pixelsDiferentele in luminozitatea imaginii detectate in fiecare dintre aceste puncte de pe suprafata cip-ului duce la schimbarea unei tensiuni electrice.

Electronica din cadrul camerei verifica in mod regulat fiecare zona de pixel pentru a determina cantitatea de lumina care cade pe suprafata sa.

Aceasta informatie secventiala este directionata catre un amplificator de iesire de-a lungul caii indicata de sagetile rosii.

In celalat sens, receptorul TV inverseaza acest proces. Tensiunile generate de pixel-punctul dintr-un aparat de filmat sunt schimbate inapoi in lumina, pe care le vedem ca pe o imagine pe ecranele televizoarelor noastre.

 

 Semnale analogice si digitale

atod convSemnalele electronice - asa cum acestea provin din microfoane si camere video - sunt analogice (sau analog), in forma.

Acest lucru inseamna ca echipamentele detecteaza semnalele ca variatii continue in puterea relativa sau amplitudine.

In audio, acest lucru se traduce in volumul relativ sau intensitatea sunetului, la filme, in luminozitatea relativa a diferitelor zone ale imaginii.

Asa cum este ilustrat mai sus, putem schimba aceste semnale analogice (din stanga) in date digitale (dreapta). Acestea din urma sunt niste siruri de 0 si 1 (cod binar). Semnalul digital este apoi trimis la echipamente electronice ulterioare.

ana digitalSa incercam sa explicam functionarea procesul analog-digital. Partea de sus a ilustratiei din dreapta arata modul in care un semnal analogic se poate ridica si cobora in timp pentru a reflecta schimbarile in sursa audio sau sursa video.

Pentru a converti un semnal analogic la unul digital, modelul undei analogice este esantionat ca valori statice preluate intr-un interval scurt de timp si la o viteza mare. Amplitudinea fiecarui esantion este convertit intr-un numar echivalent.

Aceste numere sunt pur si simplu combinatii de 0 si 1 utilizate in limbaj binar.

Din moment ce avem de a face cu cantitati numerice, acest proces de conversie se numeste in mod corespunzator cuantificare.

Odata ce informatia este convertita in numere, putem face unele lucruri interesante (in general, efecte vizuale), prin adaugarea, scaderea, inmultirea, si impartirea acestor numere. Cu cat mai rapid se pot face aceste operatii cu atat mai bine se pot realiza efecte video sau audio de calitate. Aceasta duce insa la cerere de echipament tot mai sofisticat.

Astfel avem de a face cu echipamente care pot procesa la superviteze si din care rezulta o imagine de o foarte buna calitate, sau cu altele cu o viteza de procesare mai mica. Astfel se explica de ce unele camere costa 300 de lei si altele 30000 de lei.

Care este avantajul unui echipament digital?

analog digitalComparativ cu semnalul digital, un semnal analogic parea sa fie cea mai precisa reprezentare a semnalului original.

Acest lucru poate fi adevarat, dar apar probleme in nevoia constanta de amplificare si re-amplificare a semnalului de-a lungul fiecarei etape a procesului de audio si video.

Ori de cate ori un semnal analogic este reprodus sau amplificat, se introduce inevitabil si un zgomot (audio sau video), care degradeaza semnalul.

In audio, acest lucru poate lua forma unui sunet fluierat, in filme, el apare ca un fundal subtil "un efect de zapada sau purici". Acest lucru este exagerat in fotografia de mai jos.

noise-sample

Prin conversia semnalului original analogic in format digital, putem elimina aceasta acumulare de zgomot, chiar daca semnalul este amplificat sau "copiat" de zeci de ori.

Deoarece semnalele digitale sunt limitate la forma de 0 si 1, nu pot aparea informatii (zgomot false) care pot degrada semnalul.