Телевидение

ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ СЕРВИСА

Т Е Л Е В И Д Е Н И Е

Рецензенты: Волков Ю.А., д.т.н., зав. кафедрой электроники МИФИ; ПетраковА.В., д.т.н., зав. кафедрой автоматизации почтовых операций Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Розов Б.С. Телевидение: Учебное пособие, ГАСБУ. М., 1997.

В настоящем учебном пособии достаточно ярко изложены вопросы теории телевизионных систем. Работа предназначена для студентов, изучающих курс «Телевидение».

Лицензия ЛР № 020362 от 14.01.1997 г.

 Государственная академия сферы быта и услуг, 1997 год.

1. ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Поэлементный анализ и синтез оптических изображений

Окружающие нас предметы в той или иной степени отражают световой поток – либо за счет диффузного (в основном), либо зеркального отражения. Эта способность отражать илиизлучать (самосветящиеся объекты) свет определяет оптические свойства объекта, а световой поток от предметов и их деталей несет зрительную (визуальную) информацию.

Если падающий на объект световой поток равен F(), то отраженный поток F_о() зависит от коэффициента отражения (), который так и определяется:

Визуальная информация содержится в световом потоке, поскольку этот световой поток неоднороден в пространстве – и не только за счет разного (). Разной является освещенность деталей объекта, хотя весь он может иметь один и тот же коэффициент (), например, гипсовая скульптура. Зрительная информация переносится световой энергией, попадающей к наблюдателю от точек объекта.

Интенсивность и спектральный состав потока от каждой такой точки характеризуют яркость (светлоту) и цвет точки, а направление потока определяют ее пространственное положение.

Наблюдатель воспринимает одновременно некоторую часть пространства, ограниченную углом зрения. При этом существует наименьшая пространственная деталь, которую он еще различает, но в ее геометрических пределах уже не различает яркостные или цветовые различия. Размеры этой детали определяют минимальный угол разрешения . Две этих величины – угол зрения и угол разрешения – определяют счетное (т.е. конечное) множество элементов изображения N, т.е. площадок различной яркости или цветности.

Элемент изображения – это та часть изображения, в пределах которой все оптические характеристики (яркость, цветность) принимаются одинаковыми, т.е. они могут меняться только во времени. В принципе элемент изображения может быть и гораздо большим, чем следует из разрешающей способности глаза – это зависит от разрешения аппаратуры, а также от желания получить специальные эффекты – например, размывание картинки за счет последовательного уменьшения количества элементов в изображении.

Изображение, образованное совокупностью всех элементов изображения, называется кадром.

Подход, основанный на принципиально ограниченном количестве элементов изображения, давно используется в полиграфии. Чем выше должна быть четкость (детальность) воспроизводимого изображения, тем больше должно быть элементов n на единицу поверхности.

Итак, плоское оптическое изображение может быть представлено множеством интегральных источников, количество которых достигает N510⁵ (полмиллиона). В каждом из таких световых элементов световое поле характеризуется амплитудой , фазой  углами плоскостей поляризации. И все это для пяти аргументов (x, y, z, , t):

 (x,y,z,,t),  (x,y,z,,t), ₁ (x,y,z,,t), ₂ (x,y,z,,t), ₃ (x,y,z,,t)

Это и есть наиболее полная математическая модель изображения (М=25). Это означает, что для N элементов дискретного изображения необходимо передавать MN информационных сообщений, где М=25. При передаче данных о состоянии каждого элемента по независимому каналу надо иметь 25  5  10⁵ = 1,25  10⁷ каналов. Это практически невозможно.

Полную модель светового поля можно упростить. Для создания оптических изображений используются некогерентные и неполяризованные источники, поэтому функции  и ₁ можно не учитывать. Даже если источники когерентные и поляризованные, то используемые ныне преобразователи свет-сигнал (также как и человеческий глаз) нечувствительны к фазе и плоскости поляризации. С учетом этого, а также учитывая двумерность изображения, остается модель в виде  (x,y,,t) – для цветного изображения. Черное изображение имеет разделяющиеся переменные (x,y,,t)=₁(x,y,t)₂() = L(x,y,t), т.к. преобразователь свет-сигнал реагирует только на мощность излучения, которая находится путем интегрирования в пределах видимого диапазона произведения ()S(), где S() – спектральная чувствительность преобразователя.

Таким образом, каждый элемент изображения описывается функцией L_i(x,y,t), а изображение в целом – совокупностью таких функций:

.

Если принять идею многоканальной телевизионной системы, т.е. системы, обеспечивающей самостоятельный канал связи для каждого элемента изображения на передающей и приемной стороне (рис. 1.1), то координаты (x,y) каждого элемента однозначно определяются каналом связи, поэтому при общем количестве каналов N по каждому из них должно передаваться значение яркости (черно-белое изображение). Для цветного изображения необходимо передавать также значение цвета.

Очевидно, что даже такая упрощенная многоканальная телевизионная система нереальна.

Реальным телевидение, т.е. передача изображений на расстоянии, стало после появления идеи последовательной передачи световых параметров каждого элемента («точки») кадра в определенном порядке. Такая последовательная передача значений яркости элементов изображения называется «разверткой» изображения во времени. На приемной стороне одновременно с этим происходит процесс «свертки» – в том же порядке производится обход всех площадок кадра и каждая из них засвечивается в соответствии с текущим значением сигнала яркости. Если цикл развертка-свертка повторяется много раз в секунду, то глаз человека в силу своей инерционности воссоздает оптическое изображение как сплошное.

Главное преимущество временной развертки изображения заключается в том, что по одной физической линии связи (пара проводов, радиоканал) за счет временного разделения передаются значения яркости всех элементов. Адрес элемента, т.е. его координаты x и y обычно пропорциональны времени t, прошедшему от начала цикла развертки, т.е.:

x = k₁t, y = k₂t

В этом случае координаты x,y линейно растут со временем, так что передается только совокупность сигналов L_i(t), принадлежащих разным элементам.

Очевидным условием временной развертки являются одинаковые моменты начала развертки и ее постоянная скорость во времени (строго говоря, скорость развертки может быть и не постоянной, но развертка на передающий и приемной стороне телевизионной системы должна иметь один и тот же закон изменения во времени).

Структура поля изображения, образованного в процессе развертки, называется телевизионным растром. Другими словами, растр – это траектория обхода элементов разворачиваемого изображения.

В современных системах телевизионного вещания принята прогрессивная линейно-строчная и линейная кадровая развертки, т.е. последовательная передача элементов изображения с постоянной скоростью и одним и тем же направлением строчной и кадровой разверток. В телевизионных системах специального назначения используются и другие виды разверток (двусторонняя строчная, спиральные и др.).

Строки и кадры синхронизируются. Точность синхронизации (синхронность) и постоянство скорости разверток (синфазность) – необходимое (хотя и не достаточное) условие геометрической точности передаваемого изображения.

При линейно-строчной развертке телевизионную систему характеризуют числом строк в кадре z и числом кадров n_k в секунду (параметры разложения).

Получение сигнала изображения при последовательной передаче показано на рисунке 1.2.

Видно, что сущность телевизионного анализа изображения сводится к тому, что двумерная функция распределения яркости (освещенности) преобразуется в одномерную функцию времени:

L(x,y)u(t) или E(x,y)u(t)

Сигнал u(t) (или i(t) мал, поэтому он усиливается, в него замешиваются другие, служебные сигналы (синхронизации, гашения и др.). Для передачи сигнала используют разные виды модуляции – амплитудная, фазовая и др. Применяют также цифровые методы передачи.

В приемной части системы полный сигнал изображения подвергается демодуляции и усилению, а затем осуществляется синтез изображения. При синтезе электрические сигналы изображения преобразуются в яркость (или и цвет) элементов изображения, так что одномерная функция сигнала изображения возвращается к двумерной функции распределения яркости на экране.

Основная функция синтезатора заключается в объединении процессов декодирования и электронно-оптического преобразования. Обычно для этого используется явление катодолюминесценции – свечение экрана при бомбардировке его сфокусированным электронным пучком. Развертывающим элементом является электронный пучок, интенсивность которого управляется сигналом, пропорциональным

Ясно, что синтез изображения возможен тоже лишь при наличии развертки, которая должна быть синфазной с разверткой передающей части (анализатора). В процессе синтеза надо обеспечить геометрическое и светотехническое подобие между оптическим (первичным) и выходным (репродукцией) изображениями. При этом за основу принимается физиологическая точность воспроизведения – когда входное и выходное изображения при наблюдении в одинаковых условиях различаются мало.

Пространственные частоты поля изображения

Использование понятия «элемент изображения» означает замену непрерывной функции яркости по координатам x и y дискретной функцией яркости по полю изображения (рис. 1.3).

Для некоторой строки с координатой y_i яркость выражается в виде L(kx,y_i), которая отличается от истинной яркости L(x,y), поскольку внутри элемента изображения по любой координате L=const=L_cp.

После оптического изображения может быть разложено в ряды Фурье по обеим координатам. В качестве пространственного периода первой гармоники разложения удобно выбирать геометрические размеры изображения: “b” по оси абсцисс и “h” по оси ординат. Очевидно, что при этом всегда присутствует нулевая составляющая яркости (или освещенности, что практически, как будет показано в гл.2, одно и то же), а также некоторый набор гармоник первой пространственной частоты. Непосредственный интерес представляет верхняя пространственная частота _вгр, определяемая как обычно через минимальный пространственный период (длину волны) _нгр:

_вгр =

Минимальная пространственная длина волны _нгр определяется, в свою очередь, как период наиболее мелкой пространственной решетки (рис. 1.4).

_нгр = 2x , так что _вгр = .

В направлении x изображение состоит из N_x элементов:

N_x =

А в направлении y , соответственно

N_y =

Если принять x = y (одинаковое разрешение в горизонтальном и вертикальном направлении), то общее количество элементов изображения N составит:

N = N_x  N_y = =

Отсюда: , а частота .

В ряде случаев (требования к зернистости люминофора и т.п.) представляет интерес обратная зависимость:

Пространственная частота поля изображения и скорость формирования растра (скорость сканирования) определяют, как будет показано позже (гл. 6), требования к полосе частот (временных) аппаратуры телевизионной системы.