Передача изображений по радиосвязи

Введение

Передача изображений по радио

Телевидение медленного сканирования (SSTV) — это метод передачи изображений, используемый преимущественно радиолюбителями для передачи и приема неподвижных изображений по радио в монохромном или цветном виде. Дословный перевод SSTV — узкополосное телевидение. Для аналогового телевещания требуются каналы шириной не менее 6 МГц, поскольку оно передает 25 или 30 кадров в секунду (см. стандарты аналогового вещания МСЭ), в то время как SSTV обычно занимает не более 3 кГц полосы пропускания. Это гораздо более медленный метод передачи статических изображений, обычно занимающий от восьми секунд до нескольких минут, в зависимости от используемого режима, для передачи одного кадра. Поскольку системы SSTV работают на голосовых частотах, радиолюбители используют их в коротковолновом диапазоне (также известном как HF), а также в диапазонах VHF и UHF.

Концепция

Концепция SSTV была предложена Копторном Макдональдом в 1957–58 годах. Он разработал первую систему SSTV, используя электростатический монитор и видикон. Для передачи черно-белого неподвижного изображения в телефонном канале шириной 3 кГц было сочтено достаточным использовать 120 строк и около 120 пикселей в строке. Первые практические испытания были проведены в 11-метровом любительском диапазоне, который позднее был передан службе CB в США. В 1970-х годах радиолюбители изобрели два типа приемников для вывода изображения на бумагу.

Раннее использование в исследовании космоса

SSTV использовался для передачи изображений обратной стороны Луны с аппарата "Луна-3". Первая космическая телевизионная система называлась "Селигер Трал Д" и применялась на борту корабля "Восток". "Восток" был разработан на базе более раннего проекта видеофона, использовавшего две камеры с иконоскоповыми лампами LI 23 с остаточным изображением. Выходной сигнал составлял 10 кадров в секунду при разрешении 100 строк на кадр. Система "Селигер" была испытана в ходе запусков корабля "Восток" в 1960 году, включая "Спутник-5" с собаками Белкой и Стрелкой, изображения которых часто ошибочно принимают за собаку Лайку, а также в 1961 году во время полета Юрия Гагарина на "Востоке-1" – первого человека в космосе. "Восток-2" и последующие корабли использовали усовершенствованную 400-строчную телевизионную систему, получившую название "Топаз". Система второго поколения ("Кречет", включающая изображения стыковки, наложение данных о стыковке и т.д.) была внедрена после 1975 года. Аналогичная концепция, также называемая SSTV, применялась на "Faith 7", а также на ранних этапах программы NASA "Аполлон". Камера "Faith 7" передавала один кадр каждые две секунды с разрешением 320 строк. Система SSTV, использовавшаяся в ранних миссиях NASA "Аполлон", передавала 10 кадров в секунду с разрешением 320 строк в кадре, чтобы снизить требования к полосе пропускания по сравнению с обычной телевизионной передачей. Ранние системы SSTV, использовавшиеся NASA, значительно отличаются от систем SSTV, которые в настоящее время используются радиолюбителями.

Прогрессия

Коммерческие системы начали появляться в Соединенных Штатах в 1970 году, после того как FCC легализовала использование SSTV для опытных радиолюбителей в 1968 году. Изначально SSTV требовала значительного количества специализированного оборудования. Обычно это был сканер или камера, модем для создания и приема характерного звукового сигнала, и кинескоп из снятых с вооружения радиолокационных установок. Этот кинескоп имел фосфор с длительным послесвечением, который позволял удерживать изображение видимым около десяти секунд. Модем преобразовывал сигналы изображения в звуковые тоны в диапазоне от 1200 до 2300 Гц и наоборот – звуковые тоны в сигналы изображения. Звуковой сигнал подключался к радиоприемнику и передатчику.

Текущие системы

Современная система, получившая распространение с начала 1990-х годов, использует персональный компьютер и специальное программное обеспечение вместо значительной части специализированного оборудования. Звуковая карта ПК, в сочетании со специальным программным обеспечением для обработки, выполняет функцию модема. Экран компьютера служит для вывода информации. В качестве источника входных данных используются небольшая цифровая камера или цифровые фотографии.

Модуляция

Как и аналогичный режим радиофакса, SSTV является аналоговым сигналом. SSTV использует частотную модуляцию, в которой каждому различному значению яркости в изображении соответствует своя звуковая частота. Иными словами, частота сигнала повышается или понижается для обозначения более ярких или более темных пикселей соответственно. Цвет достигается путем передачи яркости каждого цветового компонента (обычно красного, зеленого и синего) по отдельности. Этот сигнал может подаваться на SSB-передатчик, который частично модулирует несущую частоту. Существует несколько различных способов передачи, но наиболее распространенными являются Martin M1 (популярный в Европе) и Scottie S1 (используется преимущественно в США). При использовании одного из этих способов передача изображения занимает 114 (M1) или 110 (S1) секунд. Некоторые черно-белые режимы позволяют передать изображение всего за 8 секунд.

Заголовок

Перед изображением отправляется калибровочный заголовок. Он состоит из 300-миллисекундного тона частотой 1900 Гц, 10-миллисекундной паузы частотой 1200 Гц, еще одного 300-миллисекундного тона частотой 1900 Гц, за которым следует цифровой код VIS (сигнализация вертикального интервала), идентифицирующий используемый режим передачи. Код VIS состоит из битов длительностью 30 миллисекунд. Код начинается со стартового бита частотой 1200 Гц, за которым следуют 7 битов данных (младший значащий бит первый; 1100 Гц для 1 и 1300 Гц для 0). Далее следует бит четности, затем стоповый бит частотой 1200 Гц. Например, биты, соответствующие десятичным числам 44 или 32, указывают на режим Martin M1, а число 60 представляет режим Scottie S1.

Линии сканирования

Передача состоит из горизонтальных линий, сканируемых слева направо. Цветовые компоненты передаются отдельно, одна строка за другой. Цветовое кодирование и порядок передачи могут различаться в зависимости от режима. Большинство режимов используют цветовую модель RGB; некоторые режимы – черно-белые, с передачей только одного канала; другие режимы используют цветовую модель YC, состоящую из яркости (Y) и цветности (R–Y и B–Y). Модулирующая частота изменяется в диапазоне от 1500 до 2300 Гц, что соответствует интенсивности (яркости) цветового компонента. Модуляция аналоговая, поэтому, хотя горизонтальное разрешение часто определяется как 256 или 320 пикселей, дискретизация может выполняться с любой частотой. Стандартное соотношение сторон изображения – 4:3. Линии обычно заканчиваются горизонтальным синхроимпульсом частотой 1200 Гц длительностью 5 миллисекунд (после передачи всех цветовых компонентов строки); в некоторых режимах синхроимпульс расположен в середине строки.

Режимы

Ниже представлена таблица некоторых из наиболее распространенных режимов SSTV и их различий. Режимы SSTV Robot были разработаны компанией Robot Research Corporation для собственных устройств SSTV. Все четыре набора режимов SSTV теперь доступны в различных программных системах для ПК и больше не требуют оригинального оборудования.

АВТ

AVT – это аббревиатура от "Amiga Video Transceiver", программно-аппаратного модема, изначально разработанного компанией "Black Belt Systems" (США) около 1990 года для домашнего компьютера Amiga, который был популярен во всем мире до того, как семейство IBM PC достигло достаточного качества звука с помощью специальных звуковых карт. Эти режимы AVT радикально отличаются от других упомянутых выше режимов тем, что они синхронные, то есть не имеют импульса горизонтальной синхронизации на строку, а вместо этого используют стандартный вертикальный сигнал VIS для идентификации режима, за которым следует последовательность цифровых импульсов, предварительно выравнивающая время кадра путем последовательного подсчета в одном и другом направлении, что позволяет зафиксировать последовательность импульсов во времени в любой из 32 точек, где она может быть успешно разрешена или демодулирована. После этого передаются фактические данные изображения в полностью синхронном и, как правило, разностном режиме. Разностность, независимость от синхронизации и восстановление межстрочной интерполяции обеспечивают режимам AVT лучшую помехоустойчивость, чем любому другому режиму SSTV. Изображения полного кадра могут быть восстановлены с уменьшенным разрешением, даже если до половины принятого сигнала было потеряно в виде сплошного блока помех или затухания благодаря функции разностности. Например, сначала передаются нечетные строки, затем четные. Если блок нечетных строк потерян, четные строки остаются, и разумная реконструкция нечетных строк может быть выполнена с помощью простой вертикальной интерполяции, в результате чего получается полный кадр, где четные строки не затронуты, хорошие нечетные строки присутствуют, а плохие нечетные строки заменены интерполяцией. Это значительное визуальное улучшение по сравнению с потерей несмежного блока строк в неразностной передаче. Разностность является опциональным режимом, однако без нее теряется значительная часть помехоустойчивости, хотя синхронный характер передачи гарантирует, что прерывистая потеря сигнала не приведет к потере всего изображения. Режимы AVT в основном используются в Японии и Соединенных Штатах. Существует полный набор режимов в черно-белом и цветном исполнении с количеством строк сканирования 128 и 256. Цветные полосы и шкалы серого могут быть опционально наложены сверху и/или снизу, но полный кадр доступен для данных изображения, если оператор не выберет иное. Для приемных систем, где синхронизация не была выровнена по времени входящего изображения, система AVT обеспечивала повторную синхронизацию и выравнивание после приема.

AVT is an abbreviation of "Amiga Video Transceiver", software and hardware modem originally developed by "Black Belt Systems" (USA) around 1990 for the Amiga home computer popular all over the world before the IBM PC family gained sufficient audio quality with the help of special sound cards. These AVT modes differ radically from the other modes mentioned above, in that they are synchronous, that is, they have no per line horizontal synchronization pulse but instead use the standard VIS vertical signal to identify the mode, followed by a frame leading digital pulse train which pre aligns the frame timing by counting first one way and then the other, allowing the pulse train to be locked in time at any single point out of 32 where it can be resolved or demodulated successfully, after which they send the actual image data, in a fully synchronous and typically interlaced mode. Interlace, no dependence upon sync, and interline reconstruction gives the AVT modes a better noise resistance than any of the other SSTV modes. Full frame images can be reconstructed with reduced resolution even if as much as 1/2 of the received signal was lost in a solid block of interference or fade because of the interlace feature. For instance, first the odd lines are sent, then the even lines. If a block of odd lines are lost, the even lines remain, and a reasonable reconstruction of the odd lines can be created by a simple vertical interpolation, resulting in a full frame of lines where the even lines are unaffected, the good odd lines are present, and the bad odd lines have been replaced with an interpolation. This is a significant visual improvement over losing a non recoverable contiguous block of lines in a non interlaced transmission mode. Interlace is an optional mode variation, however without it, much of the noise resistance is sacrificed, although the synchronous character of the transmission ensures that intermittent signal loss does not cause loss of the entire image. The AVT modes are mainly used in Japan and the United States. There is a full set of them in terms of black and white, color, and scan line counts of 128 and 256. Color bars and greyscale bars may be optionally overlaid top and/or bottom, but the full frame is available for image data unless the operator chooses otherwise. For receiving systems where timing was not aligned with the incoming image's timing, the AVT system provided for post receive re timing and alignment.

Другие режимы

Семейство Разработчик Имя Время [сек] Разрешение Цвет VIS VIS+PPDPaul Turner, G4IJEDon Rotier, K0HEO SKPD5050.000000320 x 256G, R Y, B Y PD90 89.989120 320 x 256 99 99 PD120 126.103040 640 x 496 95 95 PD160 160.883200 512 x 400 98 226 PD180 187.051520 640 x 496 96 96 PD240 248.000000 640 x 496 97 225PD290 289.000000 800 x 616

В популярной культуре

В видеоигре Valve 2007 года Portal, 3 марта 2010 года произошло обновление программных файлов. Это обновление предложило игрокам найти спрятанные радиоприёмники в каждой тестовой камере и доставить их в определённые места для получения скрытых сигналов. Эти сигналы стали основой для анализа в стиле ARG, проведённого фанатами игры, намекающего на продолжение. Некоторые звуки представляли собой строки кода Морзе, указывающие на перезагрузку компьютерной системы, а другие можно было расшифровать как преднамеренно низкокачественные изображения SSTV. Соединив некоторые из этих расшифрованных изображений в правильном порядке, можно было получить декодируемый MD5-хэш телефонного номера системы электронных объявлений (BBS): (425) 822 5251. Эта BBS содержала множество ASCII-артов, связанных с игрой и её возможным продолжением. Позже выход продолжения, Portal 2, был подтверждён. Согласно скрытому комментарию в SSTV-изображении из Portal 2, BBS работает на компьютере под управлением Linux и подключена к 2400-битному модему 1987 года выпуска. Он установлен на кухне одного из разработчиков Valve, имя которого не указано. У них были запасные модемы на случай поломки, и один из них действительно вышел из строя. BBS передаёт в общей сложности около 20 мегабайт данных. В вышеупомянутом продолжении, Portal 2, есть четыре изображения SSTV. Одно из них транслируется в логове Раттманов. При расшифровке это изображение оказывается очень тонким намёком на концовку игры: на нём изображён Куб весомого компаньона на Луне. Остальные три изображения были расшифрованы из комментариев в другом логове Раттманов. Эти три изображения – слайды с перечислением пунктов о том, как была организована ARG и каков был её результат, например, сколько времени потребовалось интернет-сообществу в целом, чтобы решить головоломку (среднее время решения составило 7,5 часов). В другой видеоигре, Kerbal Space Program, на планете "Дюна" в южном полушарии есть небольшой холм, который передаёт цветное SSTV-изображение в формате Robot 24. На нём изображены четыре астронавта, стоящие рядом с лунным посадочным модулем миссий "Аполлон" или незавершённой пирамидой. Над ними – логотип игры и три круга. Холм издаёт звук, когда рядом оказывается объект. Итальянский автор песен Капарецца вставил изображение в скрытый трек своего альбома Prisoner 709. В релизе Aphex Twin release 2 Remixes by AFX есть трек, который отображает SSTV-изображение с текстом о программах, использованных для создания релиза, а также фотографию Ричарда, сидящего на диване.

In Valve's 2007 video game Portal, there was an internet update of the program files on 3 March 2010. This update gave a challenge to find hidden radios in each test chamber and bring them to certain spots to receive hidden signals. The hidden signals became part of an ARG style analysis by fans of the game hinting at a sequel of the game some sounds were of Morse code strings that implied the restarting of a computer system, while others could be decoded as purposefully low quality SSTV images. When some of these decoded images were put together in the correct order, it revealed a decodable MD5 hash for a bulletin board system phone number (425)822 5251. It provides multiple ASCII art images relating to the game and its potential sequel. The sequel, Portal 2, was later confirmed. According to a hidden commentary node SSTV image from Portal 2, the BBS is running from a Linux based computer and is linked to a 2,400 bit/s modem from 1987. It is hooked up in an unspecified Valve developer's kitchen. They kept spare modems in case one failed, and one did. The BBS only sends about 20 megabytes of data in total. In the aforementioned sequel, Portal 2, there are four SSTV images. One is broadcast in a Rattman den. When decoded, this image is a very subtle hint towards the game's ending. The image is of a Weighted Companion Cube on the Moon. The other three images are decoded from a commentary node in another Rattman den. These 3 images are slides with bullet points on how the ARG was done, and what the outcome was, such as how long it took the combined internet to solve the puzzle (the average completion time was 7 1/2 hours). In another video game, Kerbal Space Program, there is a small hill in the southern hemisphere on the planet "Duna", which transmits a color SSTV image in Robot 24 format. It depicts four astronauts standing next to what is either the Lunar Lander from the Apollo missions, or an unfinished pyramid. Above them is the game's logo and three circles. It emits sound if an object is near the hill. Caparezza, an Italian songwriter, inserted an image on the ghost track of his album Prisoner 709. The Aphex Twin release 2 Remixes by AFX contains a track that displays an SSTV image that has text about the programs used to make the release as well as a picture of Richard sitting on a couch.