Riassunto esame, prof. Balducci e prof. Silvi, libro consigliato Per fare televisione, Solarino

Parte introduttiva: le immagini e i segnali

La scansione delle immagini

Il più semplice sistema televisivo è composto da una telecamera e un monitor. La telecamera provvede a catturare le immagini e a trasformarle in corrispondenti segnali elettrici, il monitor, ricevuti i segnali, provvede a ricostruire le immagini riprese. I fotogrammi del cinema, i punti o pixel, sono impressionati e riprodotti simultaneamente, le immagini televisive sono ottenute per scansione, con i pixel organizzati in successione temporale. Il percorso di scansione dell’immagine viene detto reticolo o raster. La successione ordinata dei pixel lungo il raster d’immagine, una volta trasformati in impulsi elettrici, genera il segnale video.

La scansione nello schermo del monitor avviene secondo un insieme di righe orizzontali: inizia in alto a sinistra fino a raggiungere la parte destra dello schermo, ritorna a sinistra repentinamente, completa l’ultima riga con arrivo in fondo a destra, si riposiziona in alto a sinistra secondo alcune righe convenzionali dal basso all’alto per dare il via alla nuova immagine. L’insieme delle righe di scansione d’immagine costituisce il quadro televisivo. I tracciati di ritorno a destra a sinistra sono detti ritorno di riga o ritorni orizzontali, e quelli dal basso all’alto, ritorni di quadro o verticali. Entrambi sono soggetti a cancellazione o blanking senza riportare informazioni visualizzabili sullo schermo.

PAL e NTSC → le scansioni si attengono a regole precise di carattere internazionale o standard. Gli standard considerano, in particolare, il numero delle righe di scansione per ciascun quadro e il numero dei quadri esplorati al secondo, frequenza di quadro. Gli standard di riferimento per il mondo della televisione sono due: quello europeo e quello americano.

• Lo standard europeo: prevede 625 righe di scansione per quadro, con 25 scanditi al secondo (625/25). PAL – Phase Alternating Line.
• Lo standard americano: 525 righe di scansione per quadro, con 30 quadri scanditi al secondo. NTSC – National Television System Committee.

Lo standard europeo offre immagini più definite, ma con minore analisi temporale. Lo standard americano offre immagini meno nitide ma dalla maggiore continuità temporale.

Scansione interlacciata: la scansione di ciascuna immagine, anziché in modalità progressiva, avviene secondo un percorso alternato tra righe dispari e pari. Dapprima vengono scandite le righe 1, 3, 5, 7 e poi le righe 2, 4, 6, 8 fino alla completa copertura del quadro. Detta scansione interlacciata è stata ideata fin dalle origini della televisione, e poi universalmente adottata, allo scopo di ottenere maggiore stabilità d’immagine.

I primi dispositivi ricorrevano alla tecnologia CRT, consistente nel costruire le immagini per effetto di luminescenza del fosforo colpito da un raggio di elettroni. Tale effetto determina un forte sparo di luce al momento dell’impatto, soggetto però subito dopo a rapido decadimento. Esteso a tutto il quadro dello schermo questo fenomeno determinava un fastidioso disturbo visivo di pulsazione d’immagine o flicker, del tutto simile a quello delle prime proiezioni cinematografiche. L’interlacciamento rappresenta dunque un trucco per eliminare tale disturbo senza dover aumentare il numero delle scansioni d’immagine al secondo.

Il complesso delle righe dispari, ovvero pari, di un quadro rappresenta un semiquadro o campo. Il quadro viene detto frame, il semiquadro field, la scansione interlacciata interleaved indicata con “i” e quella progressiva, progressive con “p”.

I primi sistemi televisivi, in vista anche di facile diffusione di film, si orientarono dunque anch’essi a cadenze di 24 immagini al secondo. Le relative scansioni, ottenute tramite campi elettromagnetici, denunciavano dei continui disturbi a loro volta provenienti dalle reti di alimentazione elettrica. Le reti di alimentazione si basano infatti su correnti alternate che, negli Stati Uniti e in vari paesi, hanno frequenza di 60 periodi ai secondo o 60 Hertz e in Europa 50 Hertz. Per eliminare tali disturbi le scansioni d’immagine su frequenze in accordo con quelle di rete portandole, rispettivamente a 30 scansioni al secondo per gli Stati Uniti e a 25 per l’Europa. Questi valori, in particolare, fanno assumere all’immagine televisiva una fluidità leggermente superiore a quella cinematografica.

Ulteriori parametri della scansione

• Righe utili o attive: escludendo dunque quelle di ritorno verticale (576 nello standard PAL, 480 nello standard NTSC).
• Righe di ritorno verticale: sono le righe destinate a riportare la scansione dall’ultimo punto in basso a destra dello schermo, al primo punto in alto a sinistra per dare il via alla scansione della nuova immagine. 49 nel sistema PAL e 45 nel sistema NTSC.
• Tempo di riga: intervallo richiesto per coprire una riga di scansione e il suo ritorno orizzontale, per dare il via alla riga successiva.
• Tempo utile di riga: intervallo destinato all’effettiva costruzione dell’immagine, senza includere il tempo di ritorno orizzontale di riga.

Le immagini televisive presentano conformazione stabilita in base al rapporto 4:3, attribuendo il valore 4 alla larghezza e il valore 3 all’altezza. Si è scelto tale formato in quanto corrispondente a quello della finestra visiva umana, considerato che l’apertura dei nostri occhi si estende circa per 120 gradi in orizzontale e per 90 in verticale. Il medesimo rapporto d’aspetto 4:3 era già stato prescelto in ambito cinematografico, con il ben noto formato Academy, si è fatto seguire poi il formato panoramico 16:9. Ciò che cambia è la velocità delle scansioni di riga anch’essa aumentata di un terzo. L’alta definizione in particolare userà solo il formato 16:9.

Il segnale analogico

Dalla sua nascita, risalente ai primi anni ’40, a oggi, il segnale televisivo ha subito una serie di modificazioni restando tuttavia sempre “retrocompatibile”, ovvero adatto ad essere riprodotto su apparecchiature anche di generazioni precedenti. Un’immagine a colori e in formato digitale può essere vista anche su un vecchio televisore analogico e in bianco e nero, naturalmente senza riportare i colori. Le principali tappe evolutive del segnale hanno riguardato il passaggio dal bianco e nero al colore, dalla tecnologia analogica a quella digitale nonché, ultimamente dalla definizione standard all’alta definizione.

Il segnale in bianco e nero → il segnale video è rappresentato dalla successione ordinata degli impulsi elettrici corrispondenti ai vari pixel lungo il raster di scansione dell’immagine. Ogni riga di scansione genera un segnale video con tensione compresa tra un valore alto corrispondente al bianco, un valore basso corrispondente al nero e con svariati valori intermedi corrispondenti alle diverse gradazioni di grigio. Il segnale video viene misurato in Volt, con la convenzione che al bianco corrisponda 1V e al nero 0,25 V, all’infranero a 0V. Alla fine della scansione dell’intero quadro, il segnale entra nuovamente nell’area dell’infranero restandovi per l’intera durata delle righe di ritorno verticale, anche qui senza riportare informazioni d’immagine. Gli impulsi di ritorno, tanto di riga che di quadro, agiscono inoltre come sincronismi di riga o sincronismi orizzontali H e come sincronismi verticali V, col compito di mettere al passo la scansione della telecamera con quella del riproduttore (televisore o monitor). L’assenza o eventuali difetti di sincronismo non consente la corretta ricostruzione delle immagini. Precisamente: la mancanza dei sincronismi H genera il non allineamento dei margini laterali d’immagine, e la mancanza dei sincronismi V determina la non coincidenza dei ritorni di quadro con i bordi inferiore e superiori dello schermo, oltre a un continuo scorrimento dell’immagine verso l’alto o verso il basso.

Il segnale a colori → il trattamento del colore in ambito televisivo, analogamente a quanto avviene con la pellicola per foto e cinema ricorre ai due processi di analisi e sintesi. L’analisi, operata dalla telecamera, prevede la separazione di ogni colore naturale ripreso nei suoi tre componenti primari Rosso, Verde e Blu o RGB. La sintesi generata dal monitor unitamente al nostro sistema di percezione visiva, prevede l’accostamento dei colori primari fino a consentirne la ricostruzione dei colori naturali ripresi. Con questo processo diventa possibile riprendere e riprodurre tutti i colori con ogni gradazione e sfumatura, ricorrendo alle tre sole informazioni RGB. La telecamera a colori genera tre segnali, uno per ciascun colore primario. Dalla telecamera, in altre parole, deve uscire un segnale a colori compatibile con quello precedente per il bianco e nero, con il vantaggio di salvaguardare il già esistente parco dei televisori e attrezzature in bianco e nero.

I tre segnali RGB generati dalla camera vengono infatti codificati in modo da originare un primo segnale identico a quello per le immagini in bianco e nero, sincronismi inclusi, e un secondo e nuovo segnale con le informazioni colore. Il segnale per il bianco e nero viene detto luminanza e indicato con Y e il segnale per il colore viene detto crominanza e indicato con la C. Il segnale video contenente le due informazioni di Luminanza e Crominanza viene chiamato composito. I sincronismi di riga e di quadro, come detto, sono inseriti nel segnale di Luminanza. Effettuata la connessione tra telecamera e monitor, in bianco e nero o a colori, si manifestano in due casi: il monitor b/n, ricevuto il segnale Composito ed essendo in grado di interpretarne solo la Luminanza, fornisce l’immagine in b/n, il monitor colore, ricevuto anch’esso il Composito e interpretandone Luminanza e Crominanza, fornisce l’immagine a colori.

Il segnale nei formati RGB, Component, S-Video e Composito nel formato composito, la → crominanza viene parzialmente sovrapposta alla luminanza col risultato di reciproci disturbi a scapito della qualità d’immagine. Noti come Cross-Color (perdita di dettagli d’immagine per la presenza del colore) e Cross-Luminance (perdita di sfumature colore per a presenza del b/n). Alcune apparecchiature a partire dagli anni ’80, anziché sul Composito, cominciarono a lavorare su segnali di livello superiore con qualità d’immagine nettamente migliorata. Come i camcorder Betacam di SONY e i registratori S-VHS di JVC.

Circuito di codifica del colore delle telecamere: al momento della ripresa, la telecamera genera i tre segnali RGB, i segnali RGB entrano in un circuito noto come Matrice, da cui escono sotto forma di Luminanza Y e di due segnali detti differenze colore e indicati con R-Y e B-Y. Il segnale Y viene inserito nel circuito CG (Chroma Generator, generatore colore) e poi inoltrato in linea. I segnali R-Y e B-Y vengono anch’essi inseriti nel circuito CG che a sua volta, provvede a creare il segnale di Crominanza C. Infine, il segnale di crominanza viene inserito nel canale di Luminanza Y, dando origine al già visto segnale Composito.

Il segnale in formato Y/R–Y/B –Y viene detto Component e in formato Y/C viene detto SuperVideo o S-Video. In particolare le tre diverse codifiche colore, NTSC, PAL, SECAM avvengono all’interno del circuito CG. Dalla descrizione riportata, consegue che il segnale attraversa quattro fasi, con progressiva attenuazione di qualità dell’immagine associata: in formato RGB massima qualità (produzioni alto livello), in formato Y/R–Y/B –Y ovvero Component (produzioni broadcast), soggetto alla sola elaborazione eseguita dalla Matrice, presenta qualità ottima. In formato Y/C o S-VIDEO con le elaborazioni anche del circuito colore, qualità buona (produzioni professionali/aziendali). Infine in formato Composito, qualità soddisfacente (utenza finale).

La televisione analogica funziona sulla base di segnali ad andamento continuo. Il principale parametro che misura ovvero esprime la portata del segnale è la sua frequenza, corrispondente al massimo numero di oscillazioni al secondo che tale segnale in grado di compiere. Tanto maggiore è la frequenza sostenuta da un’apparecchiatura, tanto più elevata sarà la sua classe di qualità. La frequenza attribuita alle apparecchiature televisive di classe broadcast è sull’ordine dei 5MHz, pari a 5 milioni di oscillazioni al secondo. L’immediata ricaduta di tale parametro riguarda la definizione d’immagine ovvero il numero complessivo dei punti o pixel che l’immagine è in grado di rappresentare. Tanto maggiore è la definizione, tanto maggiore sarà la nitidezza dell’immagine riprodotta.

Un’oscillazione completa prevede una semionda superiore, corrispondente a un pixel bianco, e una semionda inferiore, corrispondente a un pixel nero. Ogni oscillazione del segnale genera quindi due pixel. Dato che il tempo utile di scansione di riga è di 52 microsecondi, si ottiene che il numero complessivo dei pixel per riga è di 520:

N° dei punti per riga = 5.000.000 x 2 x 52/1.000.000 = 5 x 2 x 52 = 520

Nel segnale composito infatti la Crominanza viene inserita sul medesimo canale della Luminanza sottraendo dai suoi 5 MHz, 1 MHz, con effetto Cross Color. Per l’immagine a colori, i pixel per riga saranno quindi non saranno più 520, ma 416 → l’immagine in bianco e nero è più definita rispetto a quella a colori. Un immediato riscontro tra frequenza di segnale e definizione d’immagine è fornito dal monoscopio, consistente in un’immagine composta da un insieme di simboli e grafici con funzione di test e analisi sulla qualità di riproduzione.

Il segnale digitale

Il passaggio dalla tecnologia analogica (con segnali dall’andamento continuo analogo alla realtà) a quella digitale (con segnali discreti basati sui due livelli 0 e 1) è una tendenza ormai convalidata in ogni settore dell’elettronica: telefonia, audio, per non parlare dell’informatica. Va precisato che sia la ripresa che la riproduzione delle immagini, così come dei suoni, avvengono sempre in tecnologia analogica, con la conversione dell’analogico al digitale, Conversione A/D, operata sui segnali di partenza e la conversione dal digitale all’analogico, Conversione D/A, operata sui segnali in arrivo. La conversione analogico digitale viene fatta sul formato Component. I vantaggi sono innanzitutto la migliore qualità dell’immagine finale e la definitiva eliminazione delle tre codifiche colore NTSC, PAL, SECAM caratteristiche del solo segnale analogico Composito.

La conversione A/D

Per convertire un qualsiasi segnale da analogico a digitale, è indispensabile effettuare due operazioni: scegliere, a intervalli regolari di tempo, i suoi valori più significativi o campioni e trasformare tali valori in formato digitale. La conversione effettuata sui soli campioni, e non su tutto il segnale, ha la funzione di snellire le elaborazioni e generare file digitali meno pesanti. La prima operazione viene detta campionamento, la seconda quantizzazione.

• Il campionamento: se i campioni sono tra loro troppo distanti, cioè a frequenza troppo bassa, non saranno in grado di rappresentare il segnale in modo significativo; se invece sono troppo densi, cioè a frequenza troppo alta, risulteranno ridondanti con inutile aggravio di elaborazioni. La regola del campionamento si attiene al teorema di Shannon o all’equivalente criterio di Nyquist: la frequenza di campionamento di un segnale continuo deve essere almeno doppia della massima frequenza in esso contenuta. Quindi se la max frequenza del segnale video è di 5 MHz allora la frequenza di campionamento dovrà essere di almeno 10 MHz. Si è però deciso di fissare la frequenza di campionamento video, anziché a 10 Mhz, a 13,5 MHz. Con tale scelta si determina un sovracampionamento del segnale di partenza e si ottengono due risultati: immagini con maggiore definizione delle precedenti in tecnologia analogica; medesimo numero di pixel per riga tanto per il sistema NTSC che PAL.

La definizione di riga passa da 520 pixel del segnale analogico a 720 pixel del segnale digitale. Il campionamento Luminanza viene condotto su tutti i pixel e il campionamento colore a pixel alterni. Sarà poi compito del riproduttore riempire di colore anche i pixel in b/n, ricopiandolo dai pixel precedenti. Si determina una certa perdita di fedeltà cromatica rispetto all’originale, giudicata tuttavia più che accettabile. Il campionamento così ordinato è detto 4:2:2 intendendo con ciò che la componente di Luminanza viene → campionata con frequenza doppia (4) rispetto a quella delle due componenti differenza colore (2,2). I sincronismi di riga e di quadro inoltre, anch’essi campionati, sono sempre inseriti nel segnale di Luminanza.

• La quantizzazione: fissati i campioni per riga, si tratta adesso di esprimere i loro valori di tensione in aspetto numerico o digitale. Considerato che l’occhio umano è in grado di distinguere circa 200 gradazioni tra il nero e il bianco, si è deciso di effettuare la quantizzazione del segnale video sulla base di 8 bit. Dall’analisi binaria è noto infatti che con 8 bit si possono rappresentare 256 diversi livelli di segnale (2 alla ottava= 256). Di norma gli 8 bit sono usati in fase di diffusione dei segnali all’utenza finale, come pure in apparecchiature consumer (camcorder MiniDV, lettori DVD, ecc) ricorrendo invece, in fase di produzione dei programmi a 10 o fino a 14 bit.

La conversione dall’analogico al digitale, che crea un segnale a gradini rispetto a quello continuo, genera una perdita di fedeltà rispetto all’originale nota come rumore di quantizzazione. Aumentando dunque il numero dei bit, ovvero diminuendo i dislivelli tra i gradini, si ottengono segnali digitali che meglio approssimano l’originale.