Il segnale video analogico

Nelle vecchie proiezioni cinematografiche i video venivano realizzati grazie all'utilizzo di una pellicola, sulla quale erano stati impressi, mediante delle tecniche fotografiche, migliaia di fotogrammi. Questi fotogrammi riprodotti in rapida successione davano allo spettatore la percezione del movimento. Oggi il progresso tecnologico ha modificato profondamente le tecniche di acquisizione , riproduzione ed archiviazione delle immagini, ma il concetto di video è rimasto invariato, ossia realizzato mediante la riproduzione, in rapida successione, di una sequenza di fotogrammi.

Per poter trasmettere un segnale video bisogna che quest'ultimo venga convertito in un segnale elettrico con determinate caratteristiche, i sistemi di videosorveglianza hanno adottato una tecnologia nata per la trasmissione dei segnali TV ossia quella del video composito. Un segnale video composito è un segnale analogico con uno spettro di frequenza che va dai 50Hz ai 5,3MHz ed un'ampiezza, tra il suo picco massimo e quello minimo, di 1Volt. All'interno di questo segnale vengono allocate, su bande di frequenza diverse, tutte le informazioni: sincronismo, luminanza, crominanza, audio ecc., utili alla riproduzione del video. Come vedremo nei paragrafi successivi un video per essere trasmesso, archiviato e riprodotto, deve attenersi a particolari regole di codifica. Gli standard di codifica più diffusi sono la codifica PAL (Phase Alternating Line) e quella NTSC (National Television Sistem Committee), la scelta di adottare un tipo di codifica piuttosto che un altro viene fatta in funzione della frequenza della corrente elettrica di alimentazione, per cui useremo lo standard PAL nei paesi che usano la corrente alternata ad una frequenza di 50 Hz, Italia, Spagna, Portogallo ecc., e quello NTSC nei paesi che usano la corrente alternata ad una frequenza di 60Hz, Canada, Messico, USA. Per completezza è giusto dire che esiste un terzo tipo di codifica sviluppato dai francesi, anch'esso basato su una corrente alternata a 50 Hz, chiamato SECAM (SÉquentiel Couleur À Mémoire).

Linea TV

Prima di parlare di codifica credo sia meglio spiegare il significato del termine Linea TV. Nell'articolo sul CCD abbiamo visto che esso è ricoperto da una griglia di fotodiodi che hanno il compito di catturare le informazioni relative alla luminanza e alla crominanza di quel punto della scena, queste informazioni, associate alla posizione fisica del fotodiodo sul sensore, danno vita ad un dato chiamato pixel (picture element). In realtà, nei sistemi di videosorveglianza tradizionali (analogici), il pixel in sé conta poco, infatti il segnale elettrico inviato sul cavo non contiene l'informazione relativa ad un unico pixel, ma bensì, ad una linea di essi chiamata linea TV. La scelta di lavorare con le linee TV non è casuale ma è stata fatta per venire incontro ai vecchi dispositivi di riproduzione, quali i famosi ed ormai obsoleti monitor a tubo catodico o CRT (Cathode Ray Tube).

Il tubo catodico è costituito da un imbuto di vetro, che nella parte più stretta alloggia un cannone ad elettroni e in quella più larga alloggia lo schermo. Il compito del cannone è quello di emettere un sottile fascio di elettroni in direzione del pannello frontale. All'interno del pannello frontale i pixel sono realizzati mediante il deposito di fosfori, questi materiali hanno le proprietà della fluorescenza, cioè si illuminano quando assorbono delle radiazioni, e della fosforescenza, cioè una volta cessata la radiazione che li ha accesi continuano, per un breve periodo, ad emettere della luce. L'intensità del fascio di elettroni viene modulata dal segnale video in ingresso, la scansione di tutti i pixel avviene grazie a degli elettromagneti che, basandosi sulle informazioni di sincronismo contenute nel segnale video, generano dei campi magnetici, più o meno intensi, capaci di indirizzare il fascio verso qualsiasi punto dello schermo.

Quando inviamo un fotogramma ad un monitor CRT, questo, non viene rappresentato istantaneamente, ma una riga alla volta, dall'alto verso il basso; in pratica il cannone ad elettroni, chiamato anche pennello elettronico, comincia con l'accensione del primo pixel sulla sinistra dello schermo, poi del secondo, del terzo e così via fino al completamento di una riga orizzontale, dopodiché torna indietro e ricomincia col primo pixel della riga successiva, questo movimento, simile a quello del carrello di una vecchia macchina da scrivere, viene definito scansione.

In base all'ordine con cui vengono accese le linee del monitor, possiamo distinguere due tipi di scansione quella interlacciata e quella progressiva,

Scansione progressiva 

Nella scansione progressiva le linee del monitor vengono accese in sequenza dalla prima all'ultima, questa tecnica veniva usata per i monitor CRT dei computer ed è tutt'oggi utilizzata, dai monitor di ultima generazione, per la visualizzazione di contenuti ad alta definizione. Naturalmente per poter riprodurre un video su di un monitor a scansione progressiva bisogna che quest'ultimo sia stato acquisito con delle telecamere progressive. In una telecamera a scansione progressiva le linee che compongono il fotogramma vengono catturate tutte nello stesso istante, questo aspetto è molto importante per i sistemi di videosorveglianza perchè in caso di fermo immagine il risultato che si ottiene sul monitor è simile a quello di una fotografia, aumentando così le possibilità che il malfattore o la targa della sua auto vengano riconosciuti. Uno svantaggio della tecnica a scansione progressiva sta nella maggiore larghezza di banda richiesta per il passaggio del segnale e nel maggior costo delle apparecchiature impiegate per gestire tale banda. Inizialmente anche le trasmissioni televisive venivano diffuse in progressive scan, questo però, oltre alla richiesta di una maggiore banda passante, introduceva ulteriori disturbi, dovuti più che altro all'inadeguatezza dei vecchi sistemi televisivi. Uno di questi disturbi era lo sfarfallio dell'immagine ed era dovuto al fatto che mentre il pennello elettronico si accingeva ad accendere le ultime linee in fondo al monitor quelle in alto cominciavano a spegnersi creando una sorta di tremolio. Un altro tipo di disturbo era caratterizzato dalla visualizzazione a scatti delle scene veloci, ed era dovuto alla bassa frequenza (Frame Rate), con cui i vecchi sistemi acquisivano e riproducevano il video.

Scansione interlacciata

L'innovazione che ha risolto questi problemi è stata l'invenzione del video interlacciato; nella scansione interlacciata le linee del monitor vengono accese in modo alternato, prima le pari e poi le dispari, sul monitor, quindi, non verrà riprodotto l'intero fotogramma ma due porzioni di esso chiamate campi (1 fotogramma = 2 campi), l'occhio umano, a causa di un effetto chiamato persistenza della visione, non percepisce questa divisione e vede il fotogramma nella sua interezza. L'introduzione della scansione interlacciata ha ridotto il problema dello sfarfallio ed ha dimezzato la banda passante richiesta, un campo necessita di una larghezza di banda pari alla metà di quella richiesta da un fotogramma intero. Il problema delle immagini a scatti è stato risolto grazie ad un escamotage degno di nota; in pratica acquisendo i due semiquadri o campi in due momenti leggermente diversi si da alle immagini di oggetti in movimento una maggiore fluidità; supponiamo di fare due foto istantanee di un auto in corsa, naturalmente nella prima istantanea il veicolo sarà leggermente più arretrato rispetto alla seconda, dall'interlaccio dei due fotogrammi se ne ottiene uno unico composto dalle linee pari della prima foto e da quelle dispari della seconda, questa immagine, riprodotta in sequenza con le altre, ci darà la sensazione di un movimento più fluido ed il nostro occhio, come al solito, non noterà la differenza. Quello che è stato un vantaggio per le trasmissioni televisive è però uno svantaggio per i sistemi di videosorveglianza, infatti facendo un fermo immagine di un video interlacciato il risultato a monitor è un'immagine composta dalle linee di due fotogrammi diversi e quindi leggermente sfalsata. 


La codifica


Per far si che un fotogramma venga acquisito, trasmesso, riprodotto ed archiviato correttamente è necessario che tutti i componenti chiamati in causa, telecamera, monitor, DVR, parlino la stessa lingua, per questo motivo sono state stabilite una serie di rigide regole che prendono il nome di codifica.

Nel mondo esistono tre tipi di codifica e sono:

  • SECAM (SEquentiel Couleur Avec Mémoire), è una derivazione del PAL sviluppato dai francesi (prevalentemente per motivi politici fra i quali imporre all’Europa dell’est uno standard che non fosse quello statunitense né quello tedesco), ed è utilizzato in Francia, nei territori francesi, ex-URSS., gran parte dell’Europa dell’est, il Medio oriente, est e nord Africa. Il sistema utilizza la stessa risoluzione del PAL, 625 linee, e la stessa frequenza di quadro, 25 quadri al secondo, ma non è compatibile con il PAL. Il SECAM è un sistema solo per la trasmissione: cioè non esistono dispositivi di acquisizione in formato SECAM.
  • NTSC (National Television Sistem Committee), sviluppato negli USA fra il 1939 e il 1941 come sistema di trasmissione in bianco-e-nero e proposto come sistema a colori nel 1953. Lo standard NTSC si basa su una alimentazione in corrente alternata a 60 Hz e prevede la trasmissione di un video interlacciato a 30 fotogrammi al secondo (60 campi). Ogni fotogramma è composto da 525 linee di cui 486 (la notazione 486i indica un video interlacciato in codifica NTSC) vengono utilizzate per la rappresentazione dell'immagine, mentre le restanti vengono utilizzate per la trasmissione dei segnali di sincronismo e di altre informazioni di servizio.
  • PAL (Phase Alternating Line), fu sviluppato da Walter Bruch per la Telefunken tedesca fra la fine degli anni ‘50 e l’inizio degli anni ‘60. Lo standard PAL si basa su una alimentazione in corrente alternata a 50Hz e prevede la trasmissione di 25 fotogrammi al secondo (50 campi). Ogni fotogramma è composto da 625 linee di cui 576 (la notazione 576i indica un video interlacciato in codifica PAL) vengono utilizzate per la rappresentazione dell'immagine mentre le restanti vengono utilizzate per la trasmissione dei segnali di sincronismo e di altre informazioni di servizio.

I segnali di sincronismo servono ai dispositivi di riproduzione per poter rappresentare correttamente un fotogramma, essi sono di due tipi: I blanking intervals verticali, utili per indicare al monitor l'inizio e la fine di ogni fotogramma, ed i blanking intervals orizzontali, utili per indicare al pennello elettronico l'inizio e la fine di ogni linea TV.

La rigidità di tali regole di codifica ha limitato e limita ancora la qualità delle immagini ottenute dai sistemi di videosorveglianza analogici, questo perché anche la migliore delle telecamere, equipaggiata con il migliore dei CCD, viene costretta a trasmettere un segnale con una risoluzione verticale fissata a 625 misere linee TV. Quando acquistate una telecamera analogica sappiate che la sua risoluzione verticale è stata fissata a 625 TVL, quindi quello che fa la differenza tra "una buona ed una cattiva telecamera" (in realtà oltre alla risoluzione andrebbero visti anche altri parametri), è la sua risoluzione orizzontale. Con l'avvento dei DVR(Digital Video Recorder) le cose sono andate anche peggio, infatti questi sistemi ricevono un segnale video composito PAL e lo convertono in un segnale digitale, dalla digitalizzazione di un fotogramma in codifica PAL, qualsiasi risoluzione esso abbia, il massimo risultato ottenibile è un fotogramma in formato D1 con una risoluzione pari a 720x576 pixel poco meno di 0,42 megapixel. Da qualche anno la Sony ha immesso sul mercato delle telecamere analogiche che motano un sesore CCD detto 960H, queste telecamere equipaggiate con il nuovo DSP a tecnologia Effio sono in grado di offrire delle immagini con una risoluzione orizzontale che va dalle 700 tvl per immagini a colori alle 800TVL per immagini in bianco e nero. Per sfruttare al massimo questa tecnologia bisogna che le immagini vengano registrate con dei DVR che supportino il formato 1,5 D1 in questo modo si potranno ottenere delle immagini più definite con una risoluzione pari a 960x576 pixel l'equivalente di poco più di 0,5 megapixel.

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