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Sappiamo che l'occhio dei vertebrati vede la realtà circostante perché i fotoni provenienti da una sorgente luminosa e riflessi in varia misura dagli oggetti ( tridimensionali) vengono focalizzati dal cristallino sulla retina formando un'immagine a due dimensioni. Tale immagine viene poi analizzata da un sistema molto complesso di neuroni già nella retina stessa e in varie parti del cervello.
Una fotografia ci da' un'immagine che ci appare molto realistica perché la macchina fotografica funziona come l'occhio: trasforma ciò che e' compreso nel suo campo visivo in un'immagine bidimensionale.
E' noto poi che se invece che riprendere una singola foto ne riprendiamo molte in rapida sequenza e poi le facciamo vedere con la stessa velocità (almeno 16 al secondo ) diamo l'illusione del movimento
La televisione permette la visione a distanza ( tele-visione, appunto ) utilizzando l'elettricità per trasmettere una rapida successione di immagini.
L'idea su cui si basa la televisione è quella di leggere in rapida sequenza i valori di luminosità dei vari punti che costituiscono un'immagine e di trasmettere tale sequenza a un apparecchio in grado di "ricostruire" un'immagine basandosi su questi valori.
Le origini di questa idea risalgono alla metà dell'800, ma il suo sviluppo concreto avvenne nella prima metà del '900 .
In Italia la Rai inaugura le trasmissioni televisive il 3 gennaio 1954, adottando gli standard che erano stati definiti a livello europeo sulla base delle tecnologie elettroniche (analogiche) disponibili a quell'epoca, che utilizzavano sia per la trasmissione che per la ricezione il tubo catodico. Tutte le innovazioni successive, compresa la TV digitale, hanno dovuto necessariamente mantenere la compatibilità con gli standard definiti allora.
Per questo, per spiegare il meccanismo con cui viene generata l'immagine televisiva, conviene far riferimento a quelle tecnologie, anche se, come sensore di ripresa, il tubo catodico è stato del tutto sostituto dai dispositivi a stato solido ( CCD e CMOS ) ed è stato abbandonato a favore degli schermi a cristalli liquidi e al plasma nei televisori, mentre il segnale televisivo analogico è stato nella maggior parte dei casi sostituito da un flusso di informazioni digitalizzate.
Il tubo catodico
Il tubo catodico
Pur assumendo diverse forme a seconda delle varie applicazioni, il tubo catodico è in generale costituito da un contenitore di vetro in cui è stato realizzato il vuoto, recante a un'estremità un dispositivo (cannone elettronico) che emette un fascio di elettroni.
Sulla sinistra è visibile il cosiddetto "cannone elettronico". Gli elettroni emessi dal catodo (da cui il nome di raggi catodici) vengono accelerati da una serie di griglie a potenziale positivo rispetto al catodo; quindi passano attraverso anodi di forma opportuna, che focalizzano il fascio fino a renderlo di sezione puntiforme. Il percorso del fascio di elettroni può essere deviato da un campo elettrico (come in questo caso) o magnetico generato esternamente al tubo. Nella figura il fascio di elettroni, che di per sé sarebbe invisibile, è rappresentato deviato verso l'alto dal campo elettrico generato dalle due piastre.Il cinescopio
Sulla sinistra è visibile il cosiddetto "cannone elettronico". Gli elettroni emessi dal catodo (da cui il nome di raggi catodici) vengono accelerati da una serie di griglie a potenziale positivo rispetto al catodo; quindi passano attraverso anodi di forma opportuna, che focalizzano il fascio fino a renderlo di sezione puntiforme. Il percorso del fascio di elettroni può essere deviato da un campo elettrico (come in questo caso) o magnetico generato esternamente al tubo. Nella figura il fascio di elettroni, che di per sé sarebbe invisibile, è rappresentato deviato verso l'alto dal campo elettrico generato dalle due piastre.Il cinescopio
Il tubo catodico più familiare è il cinescopio che si trova nei vecchi televisori o monitor. In questo dispositivo il "pennello" di elettroni emesso dal cannone elettronico viene fatto muovere dal campo elettromagnetico generato dalla corrente che passa in avvolgimenti di rame (visibili nel dettaglio) che circondano il "collo" del cinescopio. La parete interna dello schermo è rivestita di una sostanza fluorescente, che nel punto in cui viene colpita dagli elettroni del fascio emette luce. Ogni 64 milionesimi di secondo, muovendosi da sinistra a destra, il pennello elettronico traccia sullo schermo una riga orizzontale, poi si spegne e torna rapidamente alla sinistra dello schermo dove comincia la scansione di una nuova riga, leggermente più in basso, proseguendo in questo modo fino a coprire tutto lo schermo ( nella figura la distanza tra le righe è molto esagerata ) L'intensità del pennello elettronico non è costante, ma varia in funzione del segnale ricevuto, in modo che la luminosità delle righe varia da punto a punto, generando così un'immagine. Nello standard europeo la scansione dell'intero schermo avviene in 1/50 di secondo, cosicché ogni secondo si formano 50 immagini che danno l'illusione del movimento.
Qui a fianco vediamo uno schermo televisivo fotografato con un tempo di esposizione di 1/80 di secondo. Quando l'otturatore della macchina fotografica si è aperto il pennello elettronico stava tracciando la riga all'altezza della punta del naso dell'attore, ha proseguito fino alla base del semiquadro ed è arrivato a tracciare la prima parte (in alto) del fotogramma successivo quando l'otturatore della fotocamera si è chiuso. La fascia centrale del fotogramma risulta comunque visibile perché i fosfori che rivestono lo schermo hanno una certa persistenza e continuano a emettere un po' di luce anche dopo il passaggio del pennello elettronico.
Questa foto è stata invece realizzata con un tempo di esposizione di 1/200 di secondo; è evidente che l'otturatore è rimasto aperto mentre il pennello elettronico esplorava il secondo quarto dell'immagine. Nel quarto superiore (dove il pennello elettronico era appena passato) si nota una certa persistenza .Perché non compaiano righe scure quando si fotografa uno schermo televisivo bisogna che il tempo di esposizione sia superiore a 1/50 di secondo.
La scansione interlacciata
La scansione interlacciata
Ci si potrebbe chiedere come mai la televisione utilizza 50 immagini al secondo, quando sappiamo che 20/25 fotogrammi al secondo sono più che sufficienti a rendere senza problemi l'illusione del movimento.
Come abbiamo appena visto, i punti dello schermo televisivo rimangono per la maggior parte del tempo scuri e se il pennello elettronico li illuminasse 25 volte al secondo invece che 50 si avvertirebbe un fastidioso sfarfallio. ( E' sempre per combattere questo inconveniente, chiamato "flikering", che i monitor dei computer hanno una frequenza ancora maggiore, in genere compresa tra 60 e 85 hertz, e che gli otturatori rotanti dei proiettori cinematografici hanno due o tre lame, in modo che, pur proiettando 24 diversi fotogrammi al secondo, lo schermo viene illuminato 48 o 72 volte al secondo.)
Gli ingegneri che fissarono gli standard del segnale televisivo dovevano però fare i conti con i limiti imposti dalla larghezza di banda, ovvero la quantità massima di informazione che può essere trasmessa in un certo tempo attraverso un certo canale. Senza entrare troppo nei dettagli possiamo dire che, volendo trasmettere 50 immagini al secondo, ogni immagine non poteva essere composta da più di 300/350 righe.
In questo modo, però, la risoluzione verticale, ovvero la quantità di dettagli che si possono distinguere sarebbe stata piuttosto bassa.
Il problema fu risolto con un trucco ingegnoso: si stabilì che ogni fotogramma fosse composto da 625 righe e che fosse esplorato in due riprese, in un 1/50 di secondo le righe dispari e nel cinquantesimo di secondo successivo le righe pari. In altri termini, nello standard europeo, abbiamo 25 immagini al secondo (quadro o frame) ognuna delle quali è composta da due semiquadri (field) da 312 righe e 1/2 per un totale di 625 righe.
Il dettaglio nell'immagine di sinistra è stato ripreso fotografando lo schermo del televisore con un tempo di esposizione di 1/50 di secondo e pertanto risultano visibili solo le linee di scansione di un semiquadro.
La foto di destra è stata ripresa con 1/25 di secondo e quindi ha registrato sia le linee pari che quelle dispari.
Osservando con attenzione la zona sovrastante la pupilla si nota che le righe più scure mostrano l'occhio mentre le più chiare mostrano la palpebra. Se ne deduce che, nel 1/50 di secondo tra le due scansioni, la palpebra si è mossa.
Questo dettaglio del manico di un ombrello, ripreso durante una panoramica veloce, è stato ritagliato dal fotogramma di un video digitale. In generale, nel video interlacciato, quando abbiamo a che fare con riprese in movimento , nei due semiquadri il soggetto apparirà leggermente spostato. (Ciò può diventare una fonte di problemi quando l'immagine digitalizzata viene sottoposta a ulteriori elaborazioni, ad esempio se viene rallentata o proiettata all'indietro.)
Il colore
Il colore
L'ingrandimento di una piccola porzione ( 12 x18 mm.) di uno schermo televisivo a colori mostra chiaramente come ogni riga orizzontale sia costituita da moltissime triplette di segmenti fluorescenti colorati: rossi, verdi e blu. Il rapporto tra le luminosità dei tre segmenti che compongono una tripletta determina il colore in quel punto, mentre la loro somma ne determina la luminosità. Dall'immagine risulta anche chiaramente che le tre sostanze fluorescenti sono disposte sullo schermo in sottili linee verticali.
Come si vede i tre pennelli elettronici sono leggermente convergenti, in modo che si incrociano solo poco prima di colpire le strisce fluorescenti sulla superficie interna dello schermo.
Nel punto dove si incrociano i tre fasci è posta una maschera bucherellata, che impedisce ai tre fasci di illuminare le strisce degli altri colori mentre procedono alla scansione di una riga. La tripletta più luminosa è quella che viene colpita dai tre pennelli elettronici, i punti dove i fasci devono ancora passare sono rappresentati in grigio-verde ( il colore del materiale fluorescente illuminato dalla luce naturale ) mentre i punti dove i fasci sono appena passati sono rappresentati in colore scuro dato che continuano a emettere un po' di luce colorata.
I tre colori (rosso con lunghezza d'onda di 615 nanometri, verde 532 nanometri, e blu con 470 nanometri.) sono stati scelti in quanto nessuno dei tre può essere ottenuto da una combinazione degli altri due, perché esistono pigmenti che permettono di costruire i filtri per i sensori delle telecamere (tubi di ripresa e CCD) e, soprattutto, perché all'epoca in cui furono stabiliti gli standard erano disponibili sostanze in grado di emettere luce a quelle lunghezze d'onda con buona efficienza.
Attualmente i visori basati sulla tecnologia del tubo catodico ( CRT , Catode Ray Tube ) vengono sempre più spesso sostituiti dai dispositivi a cristalli liquidi ( LCD ) e dagli schermi al plasma.
I primi, sfruttando la capacità di alcuni materiali di cambiare la propria polarizzazione alla luce se sottoposti a un campo elettrico, controllano la trasparenza di ogni pixel a una luce che li illumina dal retro.
Gli schermi al plasma sono invece costituiti da moltissime minuscole cellette, isolate una dall'altra e rivestite internamente di una sostanza fluorescente che viene eccitata da un gas ionizzato.
Un segnale televisivo può anche essere visualizzato con proiettori basati su varie tecnologie.
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Gli schemi mostrano, dall'alto e in prospettiva, come viene controllata la luminosità dei singoli fosfori all'interno di un cinescopio a colori.
Dal cannone elettronico, a sinistra, partono non uno ma tre fasci di elettroni, uno per il rosso, uno per il verde e uno per il blu ( nella realtà, naturalmente, i tre fasci sono invisibili).
L'intensità di ogni fascio è controllata separatamente, mentre il movimento è contemporaneo, dato che tutti i tre fasci sono egualmente soggetti al campo elettromagnetico generato dagli avvolgimenti attorno al collo del cinescopio .
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