Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. S-Video, Video-Composito, RGB, VGA, SCART, tutti standard che hanno a che fare con il segnale video analogico e che nell’era del digitale continuano ad equipaggiare molte apparecchiature di video editing e non solo. Districarsi tra tutti questi standard, senza fare confusione, per molti è spesso non facile. Proviamo a farlo con questo articolo inquadrando l’argomento in maniera semplice ed organica.
Concettualmente la trasmissione e la ricostruzione di una immagine, grazie al segnale video, è ottenuta scansionando l’immagine stessa da sinistra a destra e dall’alto in basso, riga per riga. Generalmente si riproducono in una prima passata le linee pari e in una seconda quelle dispari (interlacciamento). In generale, il segnale video, per poter essere correttamente interpretato contiene tre informazioni: il segnale in sè, un sincronismo orizzontale ed un sincronismo verticale. Se si vuole trasmettere questo segnale attraverso una connessione fisica non è necessario impiegare 3cavi+ massa ma un solo cavo, poiché le informazioni relative ai sincronismi possono essere inserite, insieme a quelle dell’immagine, alla fine del segnale di ciascuna riga (Figura 1).
Figura 1: Schematizzazione del segnale video e dei sincronismi
Quanto schematizzato in Figura 1 è vero per una trasmissione in bianco e nero. Ricorrendo alla scomposizione della luce nei 3 colori fondamentali, possiamo ricondurre un sistema a colori alla somma di tre sistemi monocromatici, concentrati rispettivamente sui colori Rosso, Verde e Blue. Così facendo, si hanno 3 segnali da trasferire. Se si usano 3 cavi, uno per ogni componente colore, si parla di collegamento RGB, se invece si scompone il segnale video nelle componenti Luminanza (Y), che rappresenta in un certo senso l’immagine monocromatica e Crominanza (C), che rappresenta in un certo senso il colore dell’immagine, è possibile trasmettere il segnale su due cavi separati e si ottiene un collegamento Y/C. Ovviamente, trasferire il segnale con più cavi non è pratico, tanto più se si deve sostituire la connessione con una trasmissione radio. Infatti, il metodo più semplice per trasferire un segnale video prevede l’uso di un solo cavo che permette di trasmettere un segnale che è la “somma”, in qualche modo, di luminanza e crominanza, cioè il cosiddetto segnale Video-Composito (Figura 2), analogamente a quanto si farebbe per la trasmissione di un segnale in bianco e nero.
Figura 2: Segnale video a colori
Dalla tecnica scelta per trasferire crominanza e luminanza deriva la nascita dei vari standard (NTSC - National Television System(s) Committee, SECAM - Séquentiel couleur avec mémoire e PAL - Phase Alternating Line) (Figura 3).
Figura 3: Diffusione di PAL, NTSC e SECAM nel mondo
Il tubo di ripresa è oramai stato sostituito dal CCD (Charge Coupled Device) come pure gli apparecchi CRT sono stati sostituiti dagli LCD, ma il segnale video televisivo analogico è sopravvissuto. Nonostante ciò, si è avuta nel tempo una “rivoluzione” costituita dall’impiego di apparecchiature prettamente digitali. Oggi, a queste evoluzioni se ne aggiunge una nuova e storica, cioè quella del passaggio alla TV digitale (nelle tecniche moderne digitali, il segnale non viene più trattato in modo analogico, ma le componenti dei colori vengono immediatamente convertite in digitale). Nonostante ciò, interfacce analogiche S-Video, Video-Composito, RGB, VGA, SCART continuano e continueranno ancora ad equipaggiare molte apparecchiature che hanno a che fare con il segnale Video. Queste sigle e acronimi racchiudono concetti che molto spesso finiscono per essere confusi. In questo articolo, entreremo nel merito dell’argomento e faremo chiarezza su molti aspetti teorici e pratici riguardanti le connessioni video analogiche tipiche di molti prodotti di video editing e schede TV o che consentono di acquisire e trasferire video analogico. Per questo motivo, nei seguenti paragrafi parleremo dei formati del segnale video, di RGB, SVideo, Video-Composito, di standard VGA, di connettori e adattatori e di altro ancora, cercando di fornire una visione organica della materia.
IL SEGNALE S-VIDEO
Il segnale S-Video o Separate Video è un segnale video a componenti separate, anche conosciuto con il termine Y/C (o erroneamente come “S-VHS” e “super video”). Si tratta di un segnale analogico, esattamente come il Video-Composito, di cui parleremo a seguire, ma che segna un netto miglioramento rispetto al Video-Composito. Esso trasporta le informazioni video affidandole a due distinti segnali cioè luminosità e colore e che per questo è detto a componenti separate. Questa è la principale caratteristica che lo differenzia dal Video-Composito che trasporta entrambe le informazioni in un unico segnale. I due cavi distinti sono contenuti in un’unica guaina e terminati, generalmente, con un connettore standard mini-DIN a quattro poli. Il segnale di luminanza e quello di crominanza (indicati rispettivamente con Y e C da cui Y/C) sono ovviamente sincronizzati. Mentre nel segnale Video-Composito il segnale di luminanza all’origine è filtrato passa-basso per prevenire possibili sovrapposizioni tra le alte frequenze del segnale di luminanza e il segnale di crominanza (che è modulato), l’S-Video presenta i due segnali separati e ciò rende superfluo il filtraggio. La banda disponibile per il segnale di luminanza è più ampia ed il problema della sovrapposizione è eliminato all’origine; ne consegue una migliore qualità dell’immagine rispetto al Video-Composito. Grazie alla separazione nelle due componenti luminosità e colore, l’S-Video è a volte considerato un segnale “component video”, nonostante sia qualitativamente inferiore a questi (tra cui l’RGB). L’S-Video, riconoscibile dal classico connettore mini-DIN a quattro pin è comunemente presente nel settore video consumer e semiprofessionale per connessioni video Y/C in televisori, lettori DVD, videoregistratori e console per videogiochi. Una connessione S-Video trasporta i seguenti segnali: Massa Luminanza, Massa Crominanza, Luminanza (Y), Crominanza (C). Come vedremo nel seguito è anche possibile portare l’S-Video a mezzo SCART. Buona parte delle uscite TV (TV out) sulle schede grafiche dei PC presentano connettore S-Video. In alcuni dispositivi per l’uscita S-Video sono utilizzati mini-DIN non standard a 7-pin (per esempio in alcuni computer portatili e in qualche scheda video). La particolarità di questo connettore sta nel fatto che l’ingresso a 7-pin può accettare anche connettori a 4-pin in quanto i quattro pin di segnale si trovano nella stessa posizione del connettore a 4-pin.
LUMINANZA E CROMINANZA
In un segnale S-Video la luminanza (o componente Y) è il segnale che trasporta, praticamente, l’informazione relativa alle immagini in bianco e nero (bassa luminanza corrisponde ad un puntino scuro sullo schermo, alta luminanza ad un puntino chiaro). Storicamente, con l’avvento della televisione a colori, la necessità di mantenere la retro-compatibilità con i vecchi televisori in bianco e nero (ma anche con le vecchie emittenti), portò a progettare i nuovi trasmettitori in maniera tale che anche per le trasmissioni a colori si continuasse a trasmettere il segnale di luminanza, tuttavia, ad esso si affiancava opportunamente un nuovo segnale, la crominanza, che veicolava l’informazione aggiuntiva (colore). La crominanza è quindi una componente dello spettro di un segnale televisivo che, unita alla luminanza, permette di ricostruire immagini a colori. Chi per primo si trovò di fronte alla sfida di trasmettere il segnale televisivo a colori, infatti, capì subito che per assicurare la retro-compatibilità con gli apparecchi in bianco e nero bisognava comunque continuare a trasmettere la luminosità. Per questo motivo, si pensò di continuare a trasmettere la luminanza che rappresenta l’intensità complessiva dell’immagine (cioè la somma dei tre colori primari) più altri due segnali:
- i valori di differenza dal colore rosso (Cr)
- i valori di differenza dal colore blu (Cb)
In questo modo un televisore in bianco e nero, riceveva tutti e tre i segnali, ma utilizzava solo quello di luminanza, ignorando gli altri due, mentre un televisore a colori poteva utilizzare i tre segnali per riottenere le tre componenti RGB:
Y = Blu + Rosso + Verde
Cb = Y - Blu
Cr = Y - Rosso
IL SEGNALE VIDEO-COMPOSITO
Comunque venga generato all’origine un segnale video (con i vecchi sistemi di ripresa o con una moderna matrice di CCD in una telecamera) è necessario anche trasportarlo, per cui è necessario trasformarlo in una forma opportuna. Poiché un filmato video è una successione di fotogrammi, per trasferire questi attraverso un cavo è necessario trasformare la luminosità ed i colori contenuti nei fotogrammi in segnali elettrici. Nella TVCC di alcuni anni fa, per esempio, (oggi la TVCC su rete IP ha rivoluzionato molto il settore), si usava molto il Video-Composito dal momento che esso consentiva di inviare, su un unico cavo, l’intero segnale video, cioè in altri termini sia l’informazione di luminosità che di colore. Nel Video-Composito, pertanto, tutte le informazioni del filmato (luminosità, colore, audio, sincronia) sono inviate attraverso un segnale elettrico composto da molte frequenze. Fra il suo valore massimo ed il suo minimo c’è un’escursione di 1Vpp. Il fatto che più informazioni siano contemporaneamente contenute nello stesso segnale non è strano in quanto esse sono distinte per banda di frequenza, in uno spettro complessivo che si estende da 50Hz a 6MHz. La Figura 4 mostra l’andamento tipico di una linea TV Video-Composito: il picco verso il basso determina l’inizio della riga mentre il segnale successivo contiene le informazioni che consentiranno al monitor di riprodurre quella linea TV.
Figura 4: Il Video-Composito racchiude tutte le informazioni in un unico segnale elettrico composto da molte frequenze
Per riprodurre un segnale Video-Composito è necessario che il monitor integri un’elettronica in grado di interpretare le informazioni in esso contenute. I parametri caratteristici di un segnale Video-Composito sfortunatamente non sono gli stessi in tutti i paesi del mondo; esistono cioè diversi formati video (PAL, NTSC e SECAM) che differiscono per numerosi aspetti, ed in particolare (Figura 3):
- Il numero di fotogrammi al secondo che compongono il video, espresso in campi/secondo o in fotogrammi/secondo (frames/sec) tenendo presente che un fotogramma è sempre composto da due campi (interlacciamento);
- La risoluzione dei fotogrammi cioè il numero di linee orizzontali componenti. I due formati video principali sono il PAL e l’NTSC, le cui differenze di fondo scaturiscono dal fatto di basarsi su una frequenza dell’alimentazione elettrica differente (50 e 60 Hz).
Infatti, quasi tutti i paesi con energia elettrica a 50 Hz utilizzano il PAL, mentre l’NTSC è diffuso nei paesi dove la frequenza è di 60 Hz. Il formato PAL (Phase Alteration Line) è il formato video più diffuso in Europa (Figura 3), è definito da una frequenza di alimentazione di 50Hz da cui discende un numero di fotogrammi al secondo pari a 25 (50 campi/sec). Il numero di linee orizzontali componenti ogni fotogramma è 625. Il formato NTSC (National Television Systems Committee) invece è il formato video utilizzato in America, si basa su una frequenza dell’alimentazione pari a 60Hz e prevede un numero di fotogrammi al secondo pari a 30 (60 campi al secondo) ed un numero di linee orizzontali, componenti ciascun fotogramma, pari a 525. Il formato SECAM (Systeme Electronique Couleur Avec Memoire) è invece un formato video utilizzato in Francia ed in numerosi paesi dell’Est Europeo. Ha gli stessi parametri di fotogrammi al secondo e risoluzione del sistema PAL anche se differisce sia dal PAL che dall'NTSC nella gestione del colore. Ovviamente, la comunicazione video tra due apparati comporta che i dispositivi che ricevono il segnale, quali monitor, televisori, schede di acquisizione per P.C., utilizzino lo stesso formato video dei dispositivi che lo generano e che trasmettono. Il Video-Composito o Composite Video o CVBS (Composite Video Blanking and Sync o Color Video Blanking and Sync) si contrappone al video a componenti per il fatto di avere le informazioni componenti il video (luminanza, crominanza, sincronismi d’immagine e di colore) miscelate in un unico flusso informativo.
Questo è anche il motivo per cui normalmente ha una qualità peggiore dato che è difficile impedire che le componenti video interferiscano tra loro. Esso è in pratica il segnale della televisione analogica come appare prima che sia combinato con il segnale audio e che il tutto sia modulato su una portante RF. La modulazione del Video-Composito per la corretta frequenza portante RF consente, infatti, di allocare il video stesso nel canale di trasmissione desiderato. I segnali di luminosità e di crominanza sono combinati insieme secondo il principio di un Multiplex a divisione di frequenza. I circuiti di filtro presenti nel televisore sono in grado, dall’altra parte, di separare i segnali. La presenza di un ingresso o uscita Video-Composita è spesso riconoscibile dalla presenza, sull’apparecchiatura, di un unico connettore RCA, in genere di colore giallo, da non confondere con quelli bianco e rosso destinati all’audio stereo. Come è logico attendersi, il segnale Video-Composito può essere impiegato anche a mezzo SCART come avremo modo di illustrare meglio successivamente. Il cavo RCA Video-Composito termina su entrambi i lati con uno spinotto RCA maschio, anch’esso di colore giallo. La trasmissione, tra apparecchiature, di un segnale di questo tipo avviene normalmente attraverso cavi coassiali RG59, o equivalenti, aventi impedenza caratteristica di 75 (Figura 5).
Figura 5: Connettore BNC, utilizzato per il Video-Composito in campo professionale
Lo spettro del Video-Composito raggiunge i 5,3MHz, presenta ampiezza tipica pari ad 1Vpp, livello della base dei sincronismi 300 mV, livello del nero 0 mV e livello del bianco 700 mV. Il segnale composito è ottenuto, più precisamente, dalla somma di luminanza (Y) e crominanza (C) modulata in ampiezza su una sotto portante a 3.58 MHz nello standard televisivo NTSC o 4.433 MHz nello standard televisivo PAL, diversamente da quanto accade nello standard televisivo SECAM in cui la crominanza è invece modulata in frequenza. Questo spiega anche perché parlare di Video-Composito non equivale affatto ad aver definito il segnale; è necessario cioè definire anche lo standard adottato (PAL o NTSC). Il sistema della sotto portante di crominanza permette al Video-Composito di essere compatibile sia con i sistemi in bianco e nero che a colori.
