СОТ

51

Несложные алгебраические преобразования приводят к выражению:

(рис. 2.12) называется F -числом. F -число характеризует яркость сформи-

рованного линзой изображения и зависит от фокусного расстояния объек-

тива и эффективного диаметра области, через которую проходят лучи света.

Окончательно формула для освещенности непосредственно чувстви-

(2.26), которые обычно с запасом соблюдаются для систем видеонаблюде-

ния, освещенность ПЗС-матрицы можно приблизительно оценить, исполь-

зуя только две характеристики — яркость объекта наблюдения L -, и F -

число объектива.

2.4. Формирование видеоизображения

Формирование чересстрочного видеосигнала

Процесс формирования видеосигнала пояснен на рис. 2.14. В распро-

страненных стандартах телевидения камера делает 50 «снимков» в секун-

ду. Информация с ее матрицы считывается по строкам. Причем сначала считываются нечетные строки, затем, через 1/50 секунды, четные строки следующего «снимка». Совокупность строк, считываемых каждые 1/50 се-

кунд, называется полем. Два последовательно считанных поля образуют телевизионный кадр. За 1 секунду формируется 25 полных кадров. Если объект съемки перемещается относительно камеры, изображения на раз-

ных полях будут отличаться друг от друга, причем чем больше будет ско-

рость перемещения объекта съемки, тем заметнее будут эти отличия. За счет того что камера формирует 50 полей в секунду, а в выходной телеви-

зионный сигнал из каждого такого снимка попадают только четные или

52

нечетные строки попеременно, эффекта мигания кадра в телевизионном изображении не наблюдается.

Телевизионный сигнал формируется в режиме реального времени.

Поля в сигнале следуют одно за другим с частотой 50 Гц в том порядке, в

каком они были считаны с матрицы камеры: поле 1, принадлежащее более раннему моменту времени, чем поле 2, в телевизионном сигнале всегда на-

ходится впереди второго.

Рис. 2.14. Формирование чересстрочного видеосигнала

Структура телевизионного сигнала

В соответствии с ГОСТ 7845-72 для системы телевидения SECAM в

России и аналогичными международными стандартами для систем PAL и

NTSС, в телевизионном сигнале кадр в двух полях содержит 625 строк.

Формат кадра — отношение ширины кадра телевизионного изображения к его высоте — равен 4:3. Разложение изображения происходит по строкам слева направо с частотой 15625 Гц. Часть строк телевизионного сигнала не выводится на экран телевизора и является служебной. Строки отделяются друг от друга строчными синхроимпульсами, поля — кадровыми синхро-

импульсами. Синхроимпульсы предназначены для опознавания начала строки и поля, а также для формирования сигналов развертки в мониторе.

53

Строки внутри полей имеют непрерывную нумерацию: с 1-й по 312-ю в первом поле и с 313-ой по 625-ю во втором поле. Структура телевизионно-

го сигнала по ГОСТ 7845-72 приведена на рис. 2.15. Временные параметры видеосигнала приведены в таблице 2.3.

Рис. 2.15. Структура телевизионного сигнала по ГОСТ 7845-72

Таблица 2.3

Временные параметры видеосигнала по ГОСТ 7845-72

54

Вывод изображения на экран монитора

Из синхроимпульсов телевизионный приемник или монитор СОТ формируют сигналы двух разверток — строчной и кадровой. Изображение на экране аналогового ЭЛТ-монитора «рисуется» узким лучом. Строчная развертка перемещает этот луч слева направо, а кадровая — сверху вниз.

Яркость луча модулируется сигналом той строки, которая прорисовывает-

ся в данный момент. За счет большой скорости перемещения электронного луча по экрану, эффекта послесвечения люминофора и инерционности зрения человека, оператор воспринимает одновременно свечение всей площади. Таким образом, вывод изображения осуществляется также в ре-

жиме реального времени. Процесс вывода чересстрочного телевизионного сигнала на экран монитора поясняет рис. 2.16.

55

55

Рис. 2.16. Вывод изображения на экран монитора

56

Сигнал яркости и цветоразностные сигналы в системах цветного телевидения

В настоящее время существует несколько различных стандартов цветного телевидения, совместимого с монохромными (черно-белыми)

системами телевизионного вещания и технического зрения. Все они явля-

ются системами с одновременным разложением цветного изображения на три основные составляющие (RGB-видеосигнал).

Для обеспечения совместимости необходимо, чтобы сигналы цвет-

ного телевидения содержали все составляющие черно-белого изображения,

в том числе и информацию о двухмерной функции распределения яркости

B x, y в передаваемом изображении. Остальные составляющие сигнала цветного телевидения не должны вызывать видимого ухудшения качества изображения на экране черно-белого монитора. В системах цветного теле-

видения из трех первичных сигналов R, G, B, которые формируется в пере-

дающей видеокамере, получают четвертый — сигнал яркости Y, соответст-

вующий черно-белому изображению.

Яркостной сигнал получается путем смешивания в определенных пропорциях трех сигналов основных цветов: красный (red) R — 30 %, си-

ний (blue) B — 11 %, зеленый (green) G — 59 %. Такое соотношение ос-

новных цветов продиктовано особенностями спектральной чувствительно-

сти человеческого глаза (см. п. 2.1). В соответствии с этим соотношением уравнение яркости цветного телевидения имеет вид:

0,3R 0,11B 0,59G . (2.27)

Полученный сигнал является общим яркостным сигналом совмести-

мых систем и позволяет воспроизвести на экране черно-белого телевизора нормальное изображение. Из уравнения (2.27) вытекает, что при наличии яркостного сигнала Y передавать сигналы всех трех цветов не обязательно,

достаточно передать любые два из них. В стандартных системах цветного телевидения исключается зеленый, поскольку он максимально представлен в яркостном сигнале. Поэтому исходные RGB-видеосигналы в передающей

57

видеокамере преобразуют (кодируют) в сигнал яркости Y и два цветораз-

ностных сигнала U R Y и V B Y . Особенностью цветоразностных сигналов является то, что на белых и серых участках изображения они равны нулю.

Все вышеизложенное в значительной степени определяет форму полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС) и его спектр.

Частотный спектр ПЦТС

Между размерами деталей изображения и спектром частот телевизи-

онного сигнала существует строгая связь. Например, очень мелким дета-

лям изображения соответствуют частоты от 3 до 6,5 МГц, мелким — от 1

до 3, средним — от 0,5 до 1 МГц. Поэтому сигнал яркости занимает полосу частот до 6,5 МГц. Формируемое при этом черно-белое изображение имеет качество, которое обеспечивает успешное выполнение задач, решаемых телевизионными системами наблюдения.

Специальные исследования показали, что различимость окрашенных деталей изображения зависит не только от их размеров (полосы спектра сигнала цветности), но и от цвета (длины волны). Так, с уменьшением раз-

меров насыщенных синих деталей с черными промежутками цветность быстро теряется и при полосе 0,6 МГц различимость цвета практически равна нулю. На частотах ниже 0,6 МГц мелкие синие детали кажутся свет-

ло-серыми. Красные детали сохраняют цветность при более мелких разме-

рах, бесцветными они становятся при ограничении до 1,4–1,6 МГц. Зеле-

ные детали сохраняют цветность практически до верхних границ телеви-

зионного спектра.

В целом человеческий глаз хорошо различает по цвету те детали, ко-

торым соответствуют телевизионные сигналы со спектром, не превышаю-

щим 1,5 МГц. Это свойство зрения позволяет ограничить полосу частот цветоразностных сигналов до 1,5 МГц без потери качества воспроизводи-

мого изображения. Отсюда следует, что полная полоса частот телевизион-

ного сигнала цветного изображения должна быть равна:

Однако такая полоса частот чрезмерно велика, она не укладывается в

стандартный канал черно-белого телевидения (6,5 МГц), что приводит к нарушению условий совместимости. Возможность уплотнения полосы частот видеосигнала основывается на специфической особенности телеви-

зионного спектра — его дискретном характере.

Известно, что в яркостном сигнале имеются области частот, в кото-

рых передаваемый сигнал практически отсутствует. Максимум энергии сигнала яркости сосредоточен в диапазоне нижних частот, а амплитуды спектральных составляющих сигнала в диапазоне верхних частот очень малы. В незаполненных промежутках спектра яркостного сигнала можно располагать гармонические составляющие цветоразностных сигналов, пе-

редавая их путем модуляции напряжения добавочной (поднесущей) частоты.

При этом цветоразностные и яркостный сигналы не должны взаимо-

действовать между собой сколь-либо заметно. Частота поднесущей должна соответствовать нечѐтной гармонике полустрочной частоты. Такой выбор частоты поднесущей обеспечивает частотное перемножение линейчатых спектров сигналов яркости и цветности и компенсацию помехи от подне-

сущей благодаря интегрирующему действию глаза наблюдателя. Эффек-

тивное разделение спектров этих сигналов возможно с помощью специ-

альных гребенчатых фильтров, широкое применение которых весьма про-

блематично ввиду их сложности и дороговизны. Такие фильтры использу-

ются пока только в профессиональной аппаратуре высокого разрешения.

В обычных цветных телевизионных системах при формировании полного (композитного) видеосигнала идут на упрощение спектра, а имен-

но: в области цветовой поднесущей делают режекцию спектральных со-

ставляющих яркостного сигнала, намеренно облегчая последующее выде-

ление сигнала цветности обычным полосовым фильтром, тем самым ухудшая чѐткость воспроизводимого цветного изображения.

59

В любом случае полный цветовой телевизионный сигнал (ПЦТС),

состоящий из яркостного и двух цветоразностных сигналов, занимает стандартную полосу частот. Структура ПЦТС приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Частотный спектр ПЦТС

Характеристики систем цветного телевидения

В настоящее время для телевизионного вещания распространены три системы цветного телевидения. Системы различаются между собой в ос-

новном способами модуляции поднесущих частот двумя цветоразностны-

ми сигналами.

Система NTSC принята в качестве стандартной вещательной систе-

мы в США, Канаде, Японии и ряде стран Американского континента. Час-

тота кадров в данной системе равна 30 (60 полей в секунду). Для передачи двух цветоразностных сигналов используется только одна поднесущая, а

для разделения этих сигналов применяется квадратурная модуляция. Сущ-

ность ее заключается в том, что оба цветоразностных сигнала на модуля-

торы поступают раздельно. Фазы этих напряжений сдвинуты на 90 граду-

сов. Модуляторы цветоразностных сигналов построены по балансной схе-

ме, что обеспечивает подавление самой поднесущей и снижение влияния сигнала цветности на яркостную составляющую. Выходные напряжения модуляторов подаются в блок сложения и образуют полный сигнал цвет-

ности, который меняется как по амплитуде, так и по фазе. При этом ампли-

туда сигнала цветности определяется насыщенностью, а фаза сигнала —

60

цветовым тоном. В блок сложения поступает также яркостный сигнал,

сигналы синхронизации разверток, импульсы гашения, сигналы цветовой синхронизации, которые совместно образуют ПЦТС.

Одним из основных недостатков данной системы является большая чувствительность к фазовым искажениям сигнала. Кроме того, система подвержена амплитудно-частотным искажениям изображения.

Система PAL — Phase Alternation Line (изменение фазы от строки к строке) — принята в большинстве стран Западной Европы. Частота кадров в этой системе равна 25 (50 полей в секунду).

PAL — усовершенствованная система NTSC с квадратурной моду-

ляцией поднесущей (4,430 МГц), в которой устранена чувствительность к фазовым искажениям. Основной принцип работы системы PAL заключает-

ся в том, что фаза поднесущей цветоразностного сигнала R-Y меняется от строки к строке на 180 градусов. В телевизоре осуществляется запомина-

ние сигналов цветности с помощью линии задержки на время передачи од-

ной строки, а затем оба сигнала складываются. При сложении двух напря-

жений фазовая ошибка устраняется.

SECAM (последовательная передача цветов с запоминанием) — со-

ветско-французская система. Частота кадров в системе составляет 25 (50

полей в секунду).

В системе SECAM цветоразностные сигналы передаются в частот-

ном спектре яркостного сигнала на двух вспомогательных цветовых под-

несущих (4,406 и 4,250 МГц) методом частотной модуляции попеременно через строку. В течение времени одной строки передается только R-Y, дру-

гой — только B-Y, во время третей строки вновь передается R-Y и т. д.

Система SECAM обладает тем преимуществом, что нечувствительна к фа-

зовым искажениям благодаря частотной модуляции, однако в этой системе вдвое снижена цветовая четкость по вертикали вследствие того, что цвето-

разностные сигналы передаются по очереди через строку.