Глава 1. Основные принципы телевидения

1.1. Особенности передачи изображения.

Телевизионная система представляет собой совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, используемых для передачи на расстояние движущихся изображений.

Передача изображений в телевидении осуществляется электрическим способом, т.е. оптическое изображение преобразуется в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи, а затем в месте приёма электрический сигнал вновь преобразуется в оптическое изображение. В идеальном случае полученное ТВ-изображение должно в точности соответствовать оригиналу. Однако при этом ТВ-система должна быть способна передать бесконечно большой объём информации, что приведёт к сильному усложнению самой системы. Для ограничения объёма информации необходимо задаться определённой степенью точности воспроизведения ТВ-изображения, т.е. ограничиться определённым назначением ТВ-системы. Для ТВ-вещания, когда изображение воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображения ограничивается физиологическими характеристиками зрения: разрешающей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционностью зрительного восприятия.

Разрешающая способность (острота зрения) – это наименьшее угловое расстояние между двумя рядом расположенными светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Для «стандартного» глаза разрешающая способность составляет  = 1.

Зрение человека инерционно. Это проявляется в том, что при прекращении действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник, кажущаяся яркость которого быстро убывает. В силу инерционных свойств зрения периодическая последовательность световых импульсов может восприниматься как непрерывное излучение. Наименьшая частота повторения импульсных возбуждений глаза, при которой человек перестаёт замечать импульсный характер светового излучения и воспринимает его как непрерывное, называется критической частотой мельканий (f_КР). Для яркостей ТВ-экранов f_КР = 48 Гц.

Основные принципы телевидения.

В основе телевидения лежат два принципа:

1. Разбиение плоского изображения на экране датчика ТВ-сигнала на элементы (пространственная дискретизация изображения);

2. Последовательная во времени передача яркости и цвета каждого из элементов изображения по каналу связи (развёртка изображения)

1. Пространственная дискретизация изображения.

Любая деталь объекта, подлежащего передаче с помощью ТВ-системы, характеризуется положением её на плоскости, определяемым координатами

x, y, яркостью и цветом.

Оптическое изображение на экранах преобразователей ТВ-системы может быть представлено в виде множества элементов разложения изображения (элементарных площадок), яркость и цвет которых можно считать постоянными в пределах границ этих элементов. Каждая такая элементарная площадка является наименьшей деталью, которую может воспроизвести данная ТВ-система. Размеры элементов изображения выбирают из следующих соображений. Чем меньше размеры элементов (а значит, больше этих элементов в изображении), тем точнее соответствует дискретное изображение объекту наблюдения. Однако увеличение числа элементов разложения не должно превышать некоторого значения N_max. Это обусловлено тем, что за пределами этой величины улучшения качества воспринимаемого человеком изображения не происходит в связи с ограниченностью разрешающей способности зрительной системы, а сложность ТВ-системы существенно возрастает. Оценка величины N_max может быть сделана из следующих рассуждений.

Горизонтальный и вертикальный размеры ТВ-экрана должны соответствовать соответствующим углам ясного зрения.

Пространственным углом ясного зрения называется угол, в пределах которого в глаз поступает основная зрительная информация.

Экспериментально установлено, что _Я = 15 и _Я = 11.

Отсюда следует, что количество элементов разложения по вертикали N_B составит

N_B = _Я  ,

где _Я – угол ясного зрения в вертикальной плоскости;

  разрешающая способность зрительной системы;  = 1.

Аналогично количество элементов разложения по горизонтали N_Г составит

N_Г = _Я / ,

где _Я – угол ясного зрения в горизонтальной плоскости.

Подставив эти значения в выражения для N_В и N_Г получим:

N_В = 660 и N_Г = 900.

Отсюда можно определить общее количество элементов разложения изображения:

N = N_Г N_В = 900  660 = 59410^.

2. Развёртка изображения

При одновременной передаче всех элементов изображения число каналов связи должно быть равно числу элементов изображения. Для воспроизведения мелких деталей необходимо уменьшать размеры элемента изображения, и, следовательно, увеличивать их число и количество каналов связи. Система становится громоздкой и технически трудно выполнимой.

В настоящее время используется метод последовательной передачи элементов разложения по одному каналу связи. Такой метод получил название развёртки изображения.

Развёрткой изображения называется процесс поочерёдной передачи во времени информации о яркости и цвете элементов разложения изображения. В вещательном телевидении развёртка осуществляется с помощью электронного луча. При перемещении электронного луча по элементам разложения изображения на выходе электронно-оптического устройства «свет – сигнал» (передающей ТВ-трубки) формируется электрический сигнал. Мгновенное значение сигнала пропорционально яркости элемента изображения, на который в данный момент времени направлен электронный луч.

Процесс развёртки (рис.1.1) заключается в периодическом движении луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 1 по передаваемому изображению.

Рис.1.1. Функциональная схема ТВ-системы.

При этом происходит следующее:

• разложение передаваемого изображения на элементы;

• преобразование световой энергии, излучаемой элементарной площадкой, на которой луч в данный момент находится, в электрический сигнал, пропорциональный её яркости;

• передача этого сигнала в канал связи.

На приёмной стороне переданный по каналу связи электрический сигнал управляет яркостью воспроизводящего пятна 2. Полученное изображение представляет собой совокупность элементов разной яркости, образуемых при перемещении луча по плоскости экрана. Поскольку в каждый момент времени на экране приёмной ЭЛТ воспроизводится только один элемент, то для получения слитного восприятия изображения необходимо, чтобы время до его повторной передачи было меньше времени инерционности зрительного ощущения.

Для правильного воспроизведения изображения закон движения электронного луча при передаче и приёме изображения должен быть строго одинаковым, т.е. должна соблюдаться синхронность и синфазность развёрток. Иначе говоря, необходимо обеспечить равенство частот развёрток и одновременности их начала на передающей и приёмной сторонах. В вещательном телевидении используется линейно-строчная развёртка, которая подразделяется на два вида: прогрессивную и чересстрочную.

Прогрессивная (построчная) развёртка.

Развёртка, при которой все строки растра просматриваются одна за другой, начиная с первой строки, называется прогрессивной (построчной) развёрткой. Частота кадров при такой развёртке выбирается, исходя из условия отсутствия мелькания яркости изображения, т.е. F_К>f_КР.Стандартом принято

F_К= 50 Гц.

а) б)

Рис.1.2. Прогрессивная развёртка изображения:

а) – образование растра; б) – временной график строчной развёртки;

в) – временной график кадровой развёртки.

Из рис.1.2 видно, что развёртка всей площади изображения образуется в результате движения луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям: по горизонтали (вдоль оси х) и по вертикали (вдоль оси y). Движение луча по горизонтали вдоль оси х создаёт строчную развёртку изображения. Прочерчиваемые при этом параллельные прямые линии называются строками. В результате перемещения луча по вертикали вдоль оси у, создаваемого кадровой развёрткой, все строки располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром. При прогрессивной развёртке за один период кадровой развёртки передаётся неподвижное изображение. Число строк в кадре (z), число передаваемых в одну секунду кадров (n) и отношение длины строки (b) к высоте растра (h), именуемое форматом кадра (k), называются параметрами разложения ТВ-системы.

Электронный луч перемещается вдоль оси х по пилообразному закону (рис.1.2б). Чтобы строки растра были параллельными и располагались одна под другой, движение луча по вертикали (вдоль оси у) должно осуществляться током, изменяющимся также по пилообразному закону. При этом строки растра оказываются несколько наклонными, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Движение луча от начала к концу строки образует прямой ход развёртки, а время, затрачиваемое на это, называется временем прямого хода Т_Z1. Возвращение луча от конца предыдущей строки к началу следующей называется обратным ходом, а время, затрачиваемое на это перемещение, – временем обратного хода Т_Z2. Сумма времён прямого и обратного ходов составляет период строчной развёртки Т_Z. Аналогично строчной, кадровая развёртка имеет прямой и обратный ходы Т_n1 и T_n2, а период кадровой развёртки Т_n = Т_n1 + T_n2 . Во время обратного хода строчной и кадровой развёрток изображение не передаётся. Время обратного хода кадровой развёртки значительно больше периода строки и охватывает несколько периодов строк, которые не участвуют в образовании растра.

Параметры разложения ТВ-системы (z ,n, k= b/h) выбираются в соответствии с характеристиками зрения и требуемым качеством ТВ-изображения. Частота строчной развёртки f_z = z∙n. Частота кадровой развёртки f_n = n.

Чересстрочная развёртка.

Определяющим фактором для выбора частоты смены кадров является инерционность человеческого зрения, от которой зависит передача слитности движения, и частота мельканий яркости экрана при смене кадров.

Слитность движения наступает уже при частоте смены кадров 16 ÷ 24 Гц, однако мелькание яркости изображения исчезает только при частоте, превышающей критическую частоту мельканий f_КР = 46 ÷ 48 Гц. Для ТВ-систем частота мельканий согласуется также с частотой питающей сети и берётся равной 50Гц.

Выбор такой частоты кадров приводит к следующим особенностям прогрессивной развёртки.

Во-первых, возникает избыточность количества кадров при воспроизведении движущихся объектов, т.к. эффект плавного перемещения объекта, как было сказано, достигается уже при частоте смены кадров, равной 16 ÷ 24 Гц. Каждое мгновенное положение движущегося объекта (т.е. каждая его фаза) может быть передана одним кадром. Следовательно, для воспроизведения плавного движения объекта вполне достаточно передавать 24 кадра в одну секунду.

Во-вторых, полоса частот ТВ-сигнала пропорциональна частоте смены кадров и определяется выражением

F = pknz ² / 2 ……………. (1.1),

где p = 0,75  0,85 – коэффициент, учитывающий конечные размеры

площади сечения (апертуры) электронного луча;

k = 4/3 – формат кадра;

n – число кадров;

z – число строк в кадре.

Если в выражение (1.1) подставить известные значения частоты строк и кадров, то полоса частот, занимаемая ТВ-сигналом, будет равна

F  11,2 МГц.

Уменьшить полосу частот, занимаемую сигналом изображения, и одновременно устранить избыточность числа кадров удаётся применением чересстрочной развёртки.

Сущность чересстрочной развёртки заключается в том, что полный кадр

передаётся и воспроизводится в два этапа (поля). За время развёртки первого поля прочерчиваются все нечётные, а за время развёртки второго поля – все чётные строки кадра. Каждое поле содержит информацию о половине элементов изображения, т.е. количество строк в каждом поле равно 625 /2 = 312,5. Время развёртки каждого поля делается равным Т_П = 1/50 с = 20 мс. Полный цикл обхода всего экрана (период кадра) составляет Т_К = 2Т_П = 40 мс. Вследствие инерционности зрения изображение обоих полей воспринимается как слитное изображение кадра, содержащего полное число элементов. Таким образом, устраняется избыточность кадров при воспроизведении движения объектов.

В соответствии с выражением (1.1) уменьшение частоты смены кадров n приводит к уменьшению полосы частот, занимаемой ТВ-сигналом, в два раза по сравнению с полосой частот при прогрессивной развёртке.

Принцип получения чересстрочной развёртки иллюстрируется на рис.1.3.

Рис. 1.3. Чересстрочная развёртка изображения: а) – образование растра;

б) – временные графики.

При совмещении полей строки чередуются, образуя кадр с полным числом строк (рис.1.3,а). Чередование строк первого и второго полей достигается выбором нечётного числа строк в кадре. Поэтому второе поле начинается с половины строки, и все строки второго поля оказываются сдвинутыми по вертикали относительно строк первого поля (рис.1.3,б).

Частота строчной развёртки f_Z и развёртки полейf_2n должны быть жёстко связаны по времени (синхронизированы) между собой, т.к. в противном случае не будет сдвига на полстроки и произойдёт наложение строк первого и второго полей. При этом полный кадр будет содержать половину общего числа строк, что приведёт к снижению чёткости изображения в вертикальном направлении вдвое.

Уменьшение полосы частот при чересстрочной развёртке даёт возможность значительно упростить аппаратуру ТВ-системы, т.к. коэффициент усиления каскадов обратно пропорционален их полосе пропускания. Кроме того, в диапазоне частот, отведённом для передачи ТВ-сигналов, можно разместить большее число ТВ-каналов.

Недостатком чересстрочной развёртки является требование жёсткой связи между строчной и кадровой частотами. Это требование приводит к усложнению аппаратуры передающей части ТВ-системы, а также к необходимости применения более сложной формы кадровых синхронизирующих импульсов, чем при прогрессивной развёртке. Однако достоинства чересстрочной развёртки являются столь существенными, что все стандарты разложения для систем ТВ-вещания предусматривают её применение.

Приведём основные параметры системы ТВ-вещания России.

• Число строк разложения (z) 625;

• Частота полей в секунду (f_2П) 50;

• Частота кадров в секунду (n) 25;

• Частота строк в секунду (f_Z) 15 625;

• Формат кадра (k) 4 : 3;

• Полоса частот ТВ-сигнала (F), МГц 6,0.