Контрольные вопросы

1. Что называется световым потоком?

2. Что такое сила света?

3. Дайте определение яркости и освещенности.

4. Что понимается под пространственным углом ясного зрения?

5. Что такое разрешающая способность зрительной системы?

6. Что называется кривой видности?

7. Что такое дифференциальный порог раздражения зрительной системы?

8. В чем проявляется инерционность зрения человека?

1.2. Основные принципы телевидения

Принципы телевидения. В основе телевидения лежат два принципа [3]:

1) разбиение плоского изображения на экране датчика ТВ сигнала на элементы (пространственная дискретизация);

2) последовательная во времени передачи яркости и цвета каждого из элементов изображения каналу связи (развертка изображения).

Обобщенная схема ТВ-системы. ТВ-система предназначена для передачи изображения. Система состоит (Рис. 1.2) из оптического устройства (ОУ), датчика ТВ-сигнала (Д), передатчика (П), канала связи (КС), приемника (Пр), электронно-оптического устройства (ЭОУ). На вход ТВ-системы поступает световой поток F_o из пространства наблюдения, на выходе системы образуется световой поток F_u от ТВ-изображения на экране электронно-оптического устройства.

Рис.1.2. Обобщенная схема ТВ-системы: Д – датчик; П – передатчик; КС – канал связи; Пр – приемник; ЭОУ – электронно-оптическое устройство

Оптическое устройство предназначено для преобразования светового излу­чения из трехмерного пространства наблюдения в плоское (двумерное) оптиче­ское изображение на экране датчика ТВ-системы.

Датчик ТВ-сигнала преобразует двумерное оптическое изображение в ТВ-сигнал изображения.

Передатчик трансформирует ТВ-сигнал к виду, позволяю­щему передать его по каналу связи.

Канал связи передает сигналы с выхода передатчика ко входу приемника.

Приемник усиливает принятые сигналы и преобразует их к виду, необходимо­му для работы электронно-оптического устройства.

Электронно-оптическое устройство осуществляет преобразование элек­трических сигналов в оптическое изображение.

Пространственная дискретизация изображения. Оптическое изображение на экранах преобразователей ТВ-системы (датчика и электронно-оп­тического устройства) может быть представлено в ви­де множества элементов разложения изображения, яркость и цвет которых можно считать постоянными в пределах границ элементов. Размеры элементов изображения выбираются 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 улучшение 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. Полагая, что экран ТВ должен соответствовать углу ясного зрения, количество элементов разложения по вертикали N_в составит (рис. 1.3):

,

(1.1)

где я – угол ясного зрения в вертикальной плоскости, – разрешающая способность зрительной системы.

Аналогично, количество элементов разложения по горизонтали N_Г

,

(1.2)

где _я – угол ясного зрения в горизонтальной плоскости.

Общее количество элементов изображения

.

(1.3)

Развертка изображения. Разверткой изображения называется процесс по­очередной передачи во времени информации о яркости и цвете элементов разложения изображения [3]. Развертка осуществляется с помощью развертывающего элемента (РЭ). РЭ может быть электронный луч, лазерный луч, отверстие в диафрагме и т.п. При перемещении РЭ относительно элементов разложения изображения на выходе преобразователя свет-сигнал формируется электрический сигнал. Мгновенное значение сигнала пропорционально яркости элемента изображения, на который в данный момент времени направлен развертывающий элемент.

Рис. 1.3. К определению элементов разложения

В приемнике ТВ-системы осуществляется поочередное воспроизведение информации о яркости и цвете элементов передаваемого изображения на экране преобразователя сигнал-свет. На вход преобразователя подается электрический сигнал, а на экране преобразователя этот сигнал с помощью развертывающего элемента преобразуется в световое изображение.

Тип разверток на приемной и передающей сторонах ТВ-системы должен быть одинаков, развертки должны быть синхронными и синфазными (т. е. необ­ходимо выполнить равенство частот разверток и времени их начала на прием­ной и передающей сторонах).

Развертка может осуществляться по различным законам. В технике ис­пользуют: спиральную развертку, радиальную, линейно-строчную и другие типы разверток (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Траектории движения развертывающего элемента при различных типах развертки: а – спиральная; б – радиальная; в – линейно-строчная

При спиральной развертке траектория движения РЭ представляет собой спираль (рис. 1.4, а). Как только РЭ достигает края экрана, он быстро возвраща­ется в его центр и процесс повторяется вновь. При радиальной развертке РЭ передвигается от центра экрана по радиусу, который вращается с малой угловой скоростью (рис. 1.4, б), По достижению края экрана РЭ быстро сдвигается в центр.

При линейно-строчной развертке развертывающий элемент перемещает­ся от одного края экрана (например, левого) к другому с постоянной горизонтальной скоростью и одновременно с этим смещается сверху вниз с гораздо меньшей вертикальной постоянной скоростью. Такое перемещение называется прямым ходом строчной развертки. Достигнув правого края экрана, развертывающий элемент быстро возвращается к левому краю (обратный ход строчной развертки). С нижнего края экрана, РЭ возвращается на верхний край (обратный ход кадровой развертки) (рис. 1.4, в).

В телевидении наибольшее распространение получили линейно-строчная развертка. При такой развертке след, образуемый на поверхности экрана электронно-оптического преобразователя при перемещении РЭ от левого края экрана к правому, называется строкой [3].

Совокупность видимых сток на экране называется растром.

Полный цикл обхода всего экрана РЭ называется кадром.

Время, за которое РЭ совершает обход всего экрана и возвращается в исходное положение, называется периодом кадровой развертки.

Время, за которое РЭ проходит строку и возвращается к левому краю экрана, называется периодом строчной развертки.

Время, затрачиваемое на прямой ход развертки по строке, называется длительностью активной части строки.

Параметры развертки. К параметрам линейно-строчной развертки относят: формат кадра, число строк, частоту кадра, частоту строк.

Формат кадра k – отношение, горизонтального размера растра (в) к вертикальному (h), k = в/h (рис. 1.3). Размеры растра должны соответствовать углу ясного зрения, поэтому

.

(1.4)

Число строк (z) ТВ-изображения. При качественном ТВ-изображении каждая строка должна передавать один элемент развертки изображения по вертикали (рис. 1.3), т. е. z = N_В. Стандартом ТВ-вещания в России выбрано z = 625.

Частота кадров F_к. Этот параметр развертки зависит от ее вида. Линейно-строчные развертки бывают двух видов: построчная и чересстрочная.

Построчная развертка. Развертка, при которой все строки растра просматриваются последова­тельно одна за другой, начиная с первой строки, называется построчной. Час­тота кадров при такой развертке выбирается исходя из условия отсутствия мерцания яркости изображения, т.е. F_к > f_кр. Стандартом принято F_к = 50 Гц.

Выбор такой частоты кадров приводит к следующим особенностям построчной развертки. Во-первых, возникает избыточность количества кадров при воспроиз­ведении изображения движущихся объектов. Дело в том, что в силу инерцион­ности зрения эффект плавного перемещения предмета в пространстве может быть достигнут, если передавать 16…24 отдельных его мгновенных положений (фаз) в одну секунду. Каждая фаза может быть передана одним кадром. Следовательно, для воспроизведения движения объектов достаточно передавать 24 кадра в секунду. Во-вторых, для передачи сигнала изображения требуется сравнитель­но большая полоса частоты. Забегая вперед, скажем, что полоса частот, требуемая для передачи сигнала изображения F. может быть оценена из выраже­ния [3]

,

(1.5)

где _э – время развертки одного элемента изображения; Р – коэффициент Кэлла, равный 0,75.

В свою очередь,

,

(1.6)

где Т_к – время развертки одного кадра; N – общее количество элементов изображения. (Временами обратного хода по кадру и строкам в первом приближении пренебрегаем.)

Учитывая выражения (1.3), (1.5), (1.6), а также то, что Т_к = 1/50 с, имеем

.

(1.7)

Уменьшить полосу частот, отводимую для передачи сигнала изображения и устранить избыточность числа кадров удается путем применения чересстрочной развертки, широко применяемой в вещательном ТВ.

Чересстрочная развертка. Сущность этой развертки заключается в том, что полный кадр передается и воспроизводится в два этапа (поля). В первом поле развертывают нечетные строки растра, во втором – четные (рис. 1.5). Таким образом, число строк в каждом поле оказывается в два раза меньше по сравнению с числом строк в кадре. Поскольку общее количество строк в кадре принято z = 625, то в каждом поле чис­ло строк оказывается равным 312,5. Время развертки каждого поля делают равным Т_п = 1/50 с. Поэтому полный цикл обхода всего экрана (период кадра) составит Т_к = 2Т_п = 1/25 с, тем самым устраняется избыточность кадров при воспроизведении движения объектов.

С другой стороны, поскольку за время Тп = 1/50 с РЭ при чересстрочной развертке пробегает вдвое меньше число строк, чем при построчной развертке, время развертывания одного элемента изображения оказывается вдвое большим. Тогда, как следует из выражения (1.5), полоса частот, требуемая для передачи изображения, уменьшается в два раза по сравнению с построчной разверткой. Для отечественного стандарта ТВ-вещания принята F = 6 МГц.

Рис. 1.5. Траектория движения луча при чересстрочной развертке: (– – –) – первое поле; (–––) – второе поле; 1, 2, 3, 4 … – номера строк растра на экране (обратный ход по строкам на рисунке не показан)

Частота строк. Период строки при чересстрочной развертке может быть вычислен по выраже­нию

,

(1.8)

где Т_п = 210^-2 с – период повторения полей; n_п = 312,5 – число строк в одном поле.

Тогда в соответствии с (1.8) частота строк при чересстрочной развертке составит F_c = 1/Т_с = 15625 Гц.

Краткие итоги

• в основе телевидения лежат два принципа: принцип разбиения плоского изображения на экране датчика ТВ-сигнала на элементы изображения (пространственная дискретизация) и принцип последовательной передачи во времени яркости и цвета каждого элемента изображения (развертка изображения);

• количество элементов изображения в вещательном ТВ определяется величиной угла ясного зрения и разрешающей способностью глаза;

• в вещательном ТВ используется чересстрочная развертка, когда кадр передается за два этапа (поля). Это позволяет уменьшить полосу частот, занимаемую ТВ-сигналом в два раза по сравнению со случаем использования более простого вида развертки – построчной развертки.