W tym wpisie na blogu przedstawimy intuicyjne wyjaśnienie historii i zasad działania telewizorów mechanicznych.

Wprowadzenie: Powstanie telewizji i współczesne reakcje

Powieść George'a Orwella „Rok 1984”, wydana w 1949 roku, przedstawiała ponurą przyszłość, w której ludzie byli nieustannie monitorowani przez ekrany na całym świecie. Choć niektórzy mogą przypominać sobie złowieszczą wizję z powieści, widząc współczesne społeczeństwo otoczone ekranami, warto zauważyć, że podobne obawy istniały już w początkach telewizji.
Jedna z najczęściej opowiadanych anegdot o początkach telewizji pochodzi od syna Johna Logie Bairda. Kiedy w Wielkiej Brytanii BBC rozpoczęło nadawanie pierwszych programów telewizyjnych, ludzie mieli dwa główne powody do obaw. Pierwszym z nich była obawa, że ​​migotanie światła ekranu może uszkodzić ich wzrok, a drugim strach przed tym, że ktoś może ich obserwować spoza ekranu. Można zatem powiedzieć, że czujność wobec „Wielkiego Brata” zaczęła się wraz z pojawieniem się telewizji.
Jak dowodzą nieco przesadzone reakcje ówczesnych ludzi, wynalezienie telewizji było prawdziwą rewolucją. Często uważana za jeden z przełomowych wynalazków XX wieku, telewizja ewoluowała od grubych, nieporęcznych kineskopów (CRT) sprzed zaledwie kilku dekad, poprzez technologie LCD, PDP i LED, do cienkich, dużych ekranów o wysokiej rozdzielczości, a ostatnio nawet do wyświetlania obrazów 3D.

Narodziny telewizji mechanicznej i dysk Nipco

Jednak, jak w przypadku każdej technologii, pierwszy telewizor nie był doskonały. Chociaż wiele osób pamięta pierwszy telewizor jako elektroniczny kineskop (CRT), tak naprawdę pierwszy telewizor działał mechanicznie, a nie elektronicznie. Słowo „telewizja” to połączenie słów „tele” (oznaczającego „daleko”) i „vision” (oznaczającego „widzieć”), co reprezentuje połączenie technologii komunikacji i wyświetlania. Ściśle rzecz biorąc, wczesne telewizory mechaniczne są czasami nazywane „telewizorami elektromechanicznymi”, ponieważ wykorzystywały systemy elektroniczne do komunikacji i systemy mechaniczne do wyświetlania.
Dysk Nipkowa, wynaleziony w 1884 roku przez niemieckiego wynalazcę Paula Nipkowa, jest uważany za prekursora technologii telewizyjnej. Urządzenie to działa poprzez wiercenie otworów w spiralnym układzie na metalowym dysku i obracanie go. Zasada działania polega na tym, że gdy światło wpadające przez otwory w dysku jest modulowane zgodnie z sygnałem elektrycznym, światło przechodzące przez otwory jest rzutowane na ekran po przeciwnej stronie.
Może to nasuwać pytanie: „Jak światło przechodzące przez otwory tworzy ruchomy obraz?” i to jest właśnie kluczowa kwestia. Zasada działania dysku Nipkowa jest podobna do tej stosowanej we wczesnym kinie. Filmy wyświetlają szybką sekwencję nieruchomych obrazów, które nasze oczy postrzegają jako ruch. Telewizory mechaniczne wykorzystywały podobną zasadę ciągłości, ale różniły się tym, że musiały „przesyłać informacje o obrazie na duże odległości, używając wyłącznie sygnałów elektrycznych”.
W tamtym czasie technologia komunikacyjna nie dysponowała wystarczającą przepustowością, aby przesłać cały obraz pojedynczej klatki jako sygnał elektryczny. Ponieważ nie było możliwe przesyłanie danych z szybkością gigabitów na sekundę za pośrednictwem komunikacji cyfrowej, tak jak robimy to dzisiaj, przesyłanie całych klatek nie było praktycznym rozwiązaniem. Dysk Nipco rozwiązał ten problem.
Dysk Nipco składa się z wielu koncentrycznych ścieżek, z których każda jest podzielona pod określonym kątem i perforowana otworami. Tę strukturę łatwo zrozumieć, porównując ją do gry masowej. Każda ścieżka odpowiada pojedynczej linii na ekranie, a gdy otwory w każdej ścieżce obracają się, światło jest rzutowane na ekran linia po linii, przesuwając się sekwencyjnie od góry do dołu ekranu. Poprzez regulację jasności światła zgodnie z sygnałami elektrycznymi, renderowany jest kontrast każdej linii.
Ściśle rzecz biorąc, w danym momencie na ekranie widoczna jest tylko jedna kropka, ale ludzkie oko ma tendencję do postrzegania serii kropek jako pojedynczej linii. Działa to na tej samej zasadzie, co w przypadku pojemnika wypełnionego żarem, który jest szybko obracany podczas tradycyjnego koreańskiego pokazu fajerwerków, co sprawia, że ​​wygląda on jak okrąg. Jeśli dysk jest obracany wystarczająco szybko, każda linia jest wyświetlana sekwencyjnie, ostatecznie tworząc pojedynczy obraz.

Rozdzielczość, objętość informacji i przykłady działania

Rozdzielczość telewizora mechanicznego zależy od liczby ścieżek (lub linii). Telewizor mechaniczny zaprezentowany przez Johna Logie Bairda miał około 30 ścieżek, co skutecznie dzieliło ekran na 30 cienkich linii, co dawało rozdzielczość na tyle wysoką, że ledwo można było dostrzec ludzką twarz.
Zaletą tej metody jest drastyczne zmniejszenie ilości wymaganych informacji. Ponieważ znajomość jasności pojedynczego punktu przechodzącego przez otwór wystarcza do przedstawienia pojedynczej linii ekranu, transmisja była możliwa przy użyciu jedynie sygnału jasności (przebiegu napięcia), który zmienia się w czasie. Prosty sygnał napięcia niesie ze sobą wystarczająco dużo informacji, aby można go było przesłać jednym przewodem bez konieczności dodatkowej kompresji, co umożliwia transmisję na duże odległości, o czym świadczy prefiks „tele”.
Łatwiej to zrozumieć na przykładzie. Zakładając, że dysk ma 30 ścieżek i obraca się 600 razy na minutę, wykonuje on jeden obrót w 0.1 sekundy. Ten 0.1-sekundowy interwał jest równomiernie rozłożony na 30 ścieżek, więc każda ścieżka wyświetla jedną linię przez około 0.0033 sekundy. Na przykład, od 0 do 0.0033 sekundy oświetlenie rozjaśnia się i przyciemnia zgodnie z napięciem, aby przedstawić brew, a od 0.0033 sekundy do 0.0066 sekundy przechodzi do następnej linii, aby przedstawić oko.
Oczywiście, cała twarz nigdy nie pojawia się na ekranie w jednym momencie. Jednak w ciągu 0.1 sekundy wszystkie ścieżki sekwencyjnie wypełniają ekran, a ponieważ proces ten powtarza się 10 razy w ciągu 1 sekundy, ludzkie oko postrzega go jako pojedynczy, ciągły obraz i rozpoznaje go jako ruchomy film.

Ograniczenia i znaczenie historyczne

Choć był to pierwszy telewizor o tak intuicyjnej zasadzie działania, telewizor mechaniczny nie potrafił przezwyciężyć swoich zasadniczych wad: niskiej rozdzielczości i ciągłego migotania. W porównaniu z dzisiejszą technologią, która dzieli ekran na miliony pikseli, aby uzyskać naturalnie wyglądający obraz, rozdzielczość zaledwie kilkudziesięciu linii była wówczas mocno ograniczona. Co więcej, ze względu na specyfikę urządzenia, światło musiało stale migać, co sprawiało, że ekran wyglądał nienaturalnie.
Ostatecznie, mechaniczny telewizor, który zadebiutował w 1926 roku, nie przetrwał długo i został zastąpiony elektronicznym systemem CRT około 1930 roku. Dziś mechaniczne telewizory można znaleźć jedynie w muzeach lub w archiwach, ale ich wynalezienie wyraźnie zwiastowało narodziny nowego medium i wywarło głęboki wpływ na całe współczesne społeczeństwo. Po Bairdzie, wysiłki niezliczonych wynalazców, naukowców i przedsiębiorców były kontynuowane, co doprowadziło do stopniowego wzrostu złożoności technologii telewizyjnej i osiągnięcia poziomu zaawansowania, jaki obserwujemy dzisiaj.