Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

мости от формы нервные окончания подразделяются на палочки и колбочки. Колбочки обладают чувствительностью к свету и цвету, палочки – только к свету. Элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдельному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами, они, обладая большой светочувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение.

Важнейшей характеристикой зрения, определяемой структурой сетчатки глаза, является разрешающая способность, т.е. способность глаза различать мелкие детали. Количественно она оценивается величиной, обратной минимальному углу, под которым две светящиеся точки наблюдаются раздельно. При нормальном зрении разрешаемый угол составляет примерно1¢, в этом случае изображение рассматриваемых точек попадает на отдельные колбочки. Ограниченная величина разрешающей способности глаза позволяет воспроизводить конечное число элементов в ТВ изображениях.

Глаз человека обладает инерционностью, т.е. способностью сохранять зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность зрения используется для получения слитного восприятия движения при последовательной передаче неподвижных изображений. Этот принцип используется в ТВ. Слитность движения наступает при передаче16–20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощущает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличением частоты смен изображений мелькания яркости уменьшаются, а затем становятся незаметными. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости, называется критической частотой мельканий ( fкр ). Критическая частота мельканий зависит от средней яркости изображения(L) и определяется следующим эмпирическим выражением:

ностью (K), равной отношению максимальной яркости объекта( Lmax ) к минимальной ( Lmin ), т.е. K = Lmax Lmin . Кроме граничных, объект имеет промежуточные значения яркости, т.е. градации яркости, или полутона. От числа воспроизводимых на изображении полутонов зависит степень точности воспроизведения объекта. При плавном изменении яркости объекта число градаций бесконечно велико, а приращение яркости от градации к градации бесконечно мало. Однако глаз не способен обнаруживать сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаз так же дискрет-

Рис. 7.3. Кривая чувствительности глаза к основным цветам – красному (R), зеленому (G), синему (B)

ТВ изображение должно воспроизводить яркость всех цветов в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. На сетчатке глаза экспериментально установлено наличие трех видов колбочек с различной спектральной чувствительностью (рис. 7.3). Колбочки одного вида в большей степени чувствительны к красному цвету, другие – к зеленому, а третьи – к синему. Поэтому изолированное возбуждение одного вида колбочек дает ощущение насыщенного красного цвета, другого – насыщенного зеленого и третьего– насыщенного синего. В действительности, свет независимо от длины волны действует на все три вида колбочек одновременно. Однако в зависимости от длины волны колбочки возбуждаются различно, и цветовое ощущение определяется степенью возбуждения каждого вида колбочек.

При этом абсолютные значения уровней трех возбуждений создают ощущение яркости, а их соотношение – ощущение цветности.

Таким образом, любой цвет, видимый глазом, характеризуется яркостью и цветностью. Яркость является количественной характеристикой цвета, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, а цветность характеристикой, отражающей различные зрительные цветовые впечатления. Количественными параметрами цветности являются цветовой тон и чистота цвета. Количественно цветовой

тон оценивается длиной волныl соответствующего монохроматического цвета, а чистота цвета – в процентах как степень разбавленности насыщенного цвета белым.

7.2. Принципы телевизионной развертки

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

в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи, который затем в месте приема вновь преобразуется в оптическое изображение.

Для ТВ системы, когда изображение воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображения ограничивается физиологическими характеристиками зрения: разрешающей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционностью зрительного восприятия. Поэтому при передаче изображение условно разбивается примерно на 500 000 элементарных площадок, называемых элементами изображения. ТВ система должна передавать информацию о яркости каждого элемента. При одновременной передаче сигналов яркости всех элементов в ТВ потребовалось бы число каналов, равное числу элементов изображения, что практически невозможно. Поэтому в ТВ используется последовательная передача сигналов яркости элементов изображения, называемая разверткой. Процесс развертки заключается в периодическом движении развертывающих элементов по передаваемому и воспроизводимому -изо бражениям. В настоящее время для развертки используется электронный луч передающей и приемной ТВ трубок. Способ перемещения электронных лучей по плоскости изображений может быть - лю бым. Однако для правильного воспроизведения изображения закон

движения электронных лучей при передаче и приеме изображений должен быть строго одинаковым, т.е. необходимо соблюдать синхронность и синфазность разверток.

В ТВ принята линейно-строчная развертка, при которой по всей площади изображения движение развертывающего элемента осуществляется по двум взаимно перпендикулярным направлениям: по горизонтали – вдоль оси x и по вертикали по– оси y (рис. 7.4). За счет

Рис. 7.5. Временные графики движения развертывающих элементов при прогрессивной развертке:

а – для строчной развертки; б – для кадровой развертки

другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром. Если все строки растра прочерчиваются последовательно одна под другой, то такая развертка называется прогрессивной. При прогрессивной развертке за один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Закон движения развертывающего элемента вдоль оси х как функция времени x = f (t) изображается в виде кривой пилообразной формы (рис. 7.5, а). Чтобы строчки растра были параллельными и располагались одна под другой, характер движения по вертикали также делается линейным. При этом строчки растра оказываются несколько наклоненными по отношению к горизонтальной границе ТВ изображения, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Закон движения развертывающего элемента по вертикали как функция времени y = f (t ) аналогичен закону движения по горизонтали

и также является пилообразным (см. рис. 7.5, б). Аналогично строчной кадровая развертка имеет прямой и обратный ходы.

Число строк разложения определяется разрешающей способностью глаза и оптимальным углом рассматривания ТВ изображения. Чтобы строчная структура изображения не была заметной, отечественным ТВ стандартом принято число строк z, равное 625, при условии, что наблюдатель находится на расстоянии5h (пяти высот ТВ

236 Глава 7. Физические основы телевидения

экрана). В этом случае зритель будет воспринимать ТВ изображение в вертикальной плоскости под оптимальным углом15°. Выбранное число строк характеризует четкость ТВ изображения в вертикальном

направлении, т.е. способность воспроизводить мелкие детали по вертикали.

В перспективных системах телевидения для обеспечения максимальной комфортности зрителей предлагается рассматривать ТВ изображение с расстояния 3h, т.е. под углом 20° в вертикальной плоскости. Для слияния строчной структуры ТВ изображений и повышения вертикальной четкости при таком расстоянии рассматривания требуется увеличение числа строк разложения в каждом кадре практически в 2 раза. Системы с увеличенным числом строк разложения получили название ТВ систем высокой четкости (ТВЧ).

При выборе частоты смены кадров учитывается инерционность зрения. Для систем ТВ вещания частота мельканий воспроизводимых изображений согласуется также с частотой питающей сети переменного тока. Например, частота смены кадров при применении прогрессивной развертки должна быть равной50 Гц. Это делается для того, чтобы фон сети переменного тока, создающий неравномерность яркости вдоль кадра, был менее заметен на изображении.

Поскольку полоса частот ТВ сигнала пропорциональна частоте смены кадров, увеличение последней приводит к значительному расширению полосы частот, занимаемой ТВ сигналом. Для ее сокращения в 2 раза применяется чересстрочная развертка, сущность которой заключается в передаче одного кадра изображения в два приема. Полный кадр изображения состоит из двух полей. За время развертки первого поля прочерчиваются все нечетные, а за время развертки второго поля – все четные строки кадра. Вследствие инерционности глаз воспринимает изображение обоих полей как слитное изображение кадра, содержащего полное число элементов.

Чередование строк первого и второго полей достигается выбором нечетного числа строк в кадре, благодаря чему второе поле начинается с половины строки и все строки второго поля оказываются соответственно сдвинуты-

Важнейшим параметром ТВ системы является частота строчной развертки fz , которая определяется выражением fz = zfк .

Для отечественного вещательного ТВ стандарта, который предусматривает применение чересстрочной развертки, fz имеет следующее численное значение:

fz = 625 ´ 25 Гц = 15 625 Гц.

При этом период строчной развертки Tz равен

Tz = 1 fz = 1 15 625 = 64 ´ 10–6 c = 64 мкс.

Причем Tz = Tz1 +Tz2 , где Tz1 , Tz2 – длительности соответственно прямого и обратного ходов строчной развертки. Во время обратного хода строчной развертки видеосигнал не передается и изображение не воспроизводится, поэтому это время желательно делать короче. Практически длительность обратного хода составляет 12 мкс. Период кадровой (вертикальной) развертки равен

Tп = 1 fп = Tп1 +Tп2 =1 50 = 2 ´ 10–3 c = 20 мс,

где Tп1 , Tп2 – длительности соответственно прямого и обратного ходов кадровой развертки. Время обратного хода кадровой развертки

охватывает 25 периодов строк, которые не участвуют в образовании ТВ растра, т.е. Tп2 = 25Tz = 64 ´ 10–6 c ´ 25 = 1,6 мс. Если учесть, что

в ТВ используется чересстрочная развертка, то в течение периода каждого кадра осуществляется два обратных хода по вертикали. Поэтому из номинального числа строк в одном кадре(z = 625) 50 строк не воспроизводятся на изображении, так как они приходятся на интервалы обратных ходов по вертикали.

7.3. Общие сведения о телевизионном сигнале

Полный ТВ сигнал состоит из сигналов яркости(видеосигнала), сигналов строчной и кадровой синхронизации и гасящих импульсов (ГИ).

Для упрощения процесса ознакомления целесообразно рассмотреть сначала структуру ТВ сигнала во временном интервале, где отсутствуют кадровые гасящие импульсы(КГИ). Форма полного ТВ сигнала, соответствующего одному периоду строчной разверткиTz , представлена на рис. 7.7. В интервале времени Tz1 , соответствующем прямому ходу строчной развертки, передается видеосигнал, представляющий собой совокупность электрических импульсов, пропорциональных яркости передаваемых элементов изображения. Уровень видеосигнала, соответствующий минимальному значению яркости, называется уровнем черного, а уровень, соответствующий максимальному значению яркости, – уровнем белого. Между этими уров-

Рис. 7.7. Форма ТВ сигнала положительной полярности на строчном интервале

нями располагаются все остальные значения видеосигнала, соответствующие промежуточным значениям яркости.

Свет по своей природе униполярен, так как яркость не может быть отрицательной величиной. Видеосигнал, являясь величиной, пропорциональной яркости изображения, также униполярен, т.е. изменяется

водну сторону от нулевого значения и, следовательно, имеет «постоянную» составляющую, пропорциональную средней яркости передаваемого изображения. Если уровню белого соответствует максимальное значение сигнала, а уровню черного– минимальное, то полярность такого сигнала называется положительной, а сигнал – позитивным. В обратном случае видеосигнал имеет отрицательную полярность и является негативным.

Величина полного ТВ сигнала определяется его размахом, т.е. разностью между максимальным и минимальным значениями напря-

жения (Umax ), и выражается в вольтах.

Чтобы обратные ходы разверток не были заметны на изображении, необходимо яркость в это время сделать минимальной. Для этой цели в видеосигнал во время обратного хода строчной и кадровой разверток вводятся специальные строчные гасящие импульсы(СГИ)

и КГИ, длительность которых соответствует длительности обратных ходов строчной и кадровой разверток. По форме ГИ представляют собой прямоугольные импульсы. Второе назначение ГИ заключается

впередаче «постоянной» составляющей ТВ сигнала. С этой целью амплитуда СГИ меняется в соответствии с величиной напряжения «постоянной» составляющей.

Чтобы обеспечить синхронность и синфазность работы развертывающих устройств в телевизорах и в ТВ оборудовании телецентра,

Рис. 7.8. Форма ТВ сигнала отрицательной полярности на кадровом интервале

одновременно с видеосигналом передаются строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ, КСИ). Данные импульсы не должны мешать передаче видеосигнала, поэтому их располагают на вершинах ГИ в так называемой области«чернее черного». Различие между ними состоит в частоте повторения и длительности: частота повторения ССИ соответствует частоте строк fz , а длительность рав-

на 4,7 мкс, частота следования КСИ равна50 Гц при длительности

160мкс.

Вполном ТВ сигнале за опорный принимается уровень ГИ. Он создает границу между областью передачи видеосигнала и областью передачи сигналов синхронизации. Если принять весь размах ТВ сиг-

нала Umax за 100 %, то согласно стандарту амплитуда синхронизирующих импульсов (СИ) всегда должна составлять 30 % от этого максимума вне зависимости от содержания изображения. Это постоянство амплитуды обеспечивает надежное их отделение от видеосигнала в телевизорах. Уровень белого видеосигнала при положительной полярности (см. рис. 7.7) отстоит от максимального уровня полного ТВ

сигнала (контрольного уровня белого) на 10–15 % от Umax , а между уровнем черного и уровнем ГИ располагается охранная полоса, со-

ставляющая от 0 до 7 % от Umax . Данная охранная полоса необходима для предохранения синхронизирующих импульсов от попадания импульсных помех из области видеосигнала.

Структура ТВ сигнала во время передачи кадровых импульсов показана на рис. 7.8. Строки кадра нумеруются последовательно цифрами от 1 до 625, начиная от передачи фронта КСИ в первом поле. Первым считается то поле, у которого фронты КСИ и ССИ совпадают. При чересстрочной развертке первое поле включает строки 1с по

312и половину 313 строки, а второе поле включает вторую половину строки 313 и строки с314 по 625. Для исключения нарушений строчной синхронизации ССИ следует передавать и во время КГИ,

и во время КСИ. ССИ во время передачи КСИ помещаются внутри него в виде врезок, из которых в телевизорах формируются обычные ССИ. Перед КСИ размещена первая (1 = 2,5Tz ), а после него вторая (n = 2,5Tz ) последовательности уравнивающих импульсов. Необходимость уравнивающих импульсов, а также врезок в КСИ, следующих

с двойной строчной частотой 2fz = 31 250 Гц, вызвана особенностью построения схем синхронизации блоков развертки в ТВ приемниках.

7.4. Спектральный состав телевизионного сигнала

Характерной особенностью ТВ сигнала является широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом. Спектр частот видеосигнала Df определяется разностью между верхней fв и нижней fн граничными частотами:

Df = fв – fн .

Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует передаче неподвижного изображения, имеющего минимальное число изменений яркости. Наиболее простым является неподвижное изображение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра fн следует принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е. fн = 50 Гц.

Эта нижняя граница спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения.

Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее сложного с точки зрения детальности ТВ изображения следует, что верхняя частота спектра fв определяется выражением

fв @ 0,5k фz 2fк ,

где kф – формат кадра ТВ изображения, т.е. отношение ширины b к его высоте h, равное 1,33. Расчет, выполненный по вышеуказанному соотношению, показывает, что fв » 6,25 МГц. Верхняя частота опре-

деляет степень воспроизведения контуров мелких деталей ТВ -изо бражения. Это объясняется тем, что в горизонтальном направлении ТВ изображение не имеет дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента изображения определяется длительностью его передачи tэл , которая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра ТВ сигналаfв , т.е. fв = 1 2 tэл . С увеличением верхней частоты спектра длительность элемента уменьшается, а го-