1

1) NTSC

Достоинства

1) Применение квадратурной модуляции позволяет компактно решить вопрос о передаче всей информации о цвете передаваемого изображения в любой момент времени, из трех действующих цветных ТВ систем – это единственная полностью одновременная система.

2) Удачный выбор частоты поднесущей как нечетной гармоники полустрочной частоты приводит к самокомпенсации создаваемой ею помехи. Помеха также уменьшается за счет применения балансной модуляции. В системе NTSC заметность помехи наименьшая из всех систем.

Недостатки

1) Любые паразитные фазовые сдвиги между сигналами цветности и цветовой поднесущей приводят к появлению перекрестных искажений между цветоразностными сигналами, вызывающих искажения в передаче цвета. По этой причине в NTSC более высокие требования по сравнению с другими системами предъявляются к качеству исполнения и настройки всей аппаратуры и ТВ тракта.

2) Из–за нелинейности амплитудной характеристики передаваемые вместе с яркостным сигналом сигналы цветности получают различное усиление, если передаются на различных уровнях яркостного сигнала (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Возникновение искажений типа «дифференциальное усиление»

В результате искажается насыщенность цвета. Эти искажения получили название «дифференциальное усиление».

3) Искажения типа «дифференциальная фаза» возникают вследствие изменения реактивных и активных параметров используемых в ТВ тракте схем при изменении уровня U_Y , то есть приобретаемый сигналом цветности фазовый сдвиг зависит от изменения яркости.

4) Ограничение полосы частот канала цветности приводит к некоторому размытию цветовых переходов.

SECAM

Достоинства:

1) Меньшее влияние неидеальности характеристик телевизионного тракта на качество изображения и

2) Значительно меньшая чувствительность к фазовым ошибкам. Поэтому менее строгие требования предъявляются к каналам связи, устройствам видеозаписи.

Выбор системы цветного телевидения для нашей страны производился до появления спутникового вещания. Большое значение имела трансляция программ Центрального телевидения по территории страны при помощи многочисленных радиорелейных линий. Возможность использования их с небольшими переделками при переходе к цветному вещанию было важным фактором в пользу выбора системы СЕКАМ.

Недостатки:

невозможность микширования кодированных сигналов (после сложения АМ яркостного сигнала с ЧМ цветовыми сигналами), так как суммировать можно только АМ сигналы, а в СЕКАМ используется частотная модуляция для передачи сигналов цветности. Поэтому для микширования сигналов нужно разделить на яркостный и цветоразностные сигналы, произвести компонентное микширование, а затем опять собрать все в полный телевизионный сигнал. Но при разделении полного сигнала на отдельные компоненты неизбежно появляются перекрестные искажения между сигналами яркости и цветности. При каждой очередной обработке сигнала, например, при каждой видеозаписи, ошибки будут накапливаться, ухудшается качество изображений.

Благодаря переходу к частотной модуляции, введению низкочастотных и высокочастотных предыскажений помехоустойчивость системы была повышена.

По результатам расчетов и экспериментальных исследований заметность шумов примерно одинакова для всех трех систем. По совместимости (заметности поднесущей) ПАЛ и СЕКАМ несколько уступают системе NTSC.

PAL

Система PAL была разработана в Европе. «PAL» - аббревиатура названия системы — Phase Alternating Line (изме­нение цвета от строки к строке).По существу, ПАЛ можно рассматривать как усовершенствованную систему NTSC. В системе ПАЛ также применяется перемежение спектров и квадратурная модуляция поднесущей двумя цветоразностными сигналами, однако принцип кодирования иной. В одной строке сигнал цветности ПАЛ ничем не отличается от сигнала NTSC, а в следующей (или в предыдущей) по времени строке положительное направление оси модуляции R-Y взято противоположным.

В результате перевернутой оказывается векторограмма сигнала цветности (рис. 1) и изменяется направление отсчета цветового угла φ_С . В результате получится регулярное чередование строчных сигналов с противоположными направлениями отсчета цветового угла. Вследствие нечетного числа строк в кадре на любой строке растра направление отсчета фаз будет меняться от кадра к кадру. При таком способе кодирования фазовая ошибка будет приводить в соседних строках к встречным изменениям цветового тона за счет усреднения зрительной системой наблюдаемое изменение цвета будет резко снижаться и становиться менее заметным. Такой принцип визуального усреднения цвета применялся в «простой ПАЛ». Для него качество цветопередачи оценивалось как удовлетворительное при фазовых ошибках до 24⁰…25⁰.

Для повышения качества изображений при усовершенствовании системы ПАЛ было введено звено электронного усреднения сигналов.

Схема декодирования сигналов цветности в системе ПАЛ – на рис. 9.26.

Рис. 9.26. Декодирование сигналов цветности

При задержке в УЛЗ точно на Т_стр при суммировании (или вычитании) сигналов двух строк квадратурные составляющие взаимокомпенсируются (еще до поступления на синхронные детекторы). Поэтому в этом случае при синхронном детектировании в принципе не могут появиться перекрестные искажения между цветоразностными сигналами.

Выбор частоты поднесущей.

Экспериментально, по минимальной заметности поднесущей на изображении, ее частота выбирается:

f_o = (284 - 1/4) f_стр + ½ F_пол = 1135 f_стр/4 + ½ F_пол ≈ 4,43 МГц (9.13)

В соответствии с таким выбором значения строчной частоты двойная строчная частота, необходимая для формирования сигналов в синхрогенераторе, получается делением f₀ в 1135/8 раз с предшествующим вычитанием ½ F_пол (рис. 9.30).

Стабильность несущей частоты в системе ПАЛ, как и в системе NTSC, требуется очень высокой (Δ f₀ < ±1 Гц).

В отличие от NTSC, вспышка в ПАЛ должна дополнительно нести информацию о том, какая строка в данный момент передается – обычная или инвертированная, то есть вспышка выполняет еще и функцию сигнала опознавания строк. Достигается это дополнительной коммутацией фазы поднесущей – в обычной строке она имеет начальную фазу 135⁰, а в инвертированной строке 225⁰ .

Оценка системы ПАЛ

1) Введение электронного усреднения сигнала цветности двух строк делает систему ПАЛ менее чувствительной к фазовым ошибкам, таким образом ослабляются требования к сложности и точности настройки аппаратуры.

2) За счет усреднении цвета двух строк снижается вдвое вертикальная цветовая разрешающая способность по сравнению с NTSC, где она такая же, как и в черно–белом телевидении, то есть определяется полным числом строк разложения. Такое ухудшение допустимо, поскольку цветовая острота зрения на самом деле в 3…4 раза хуже, чем для черно–белых изображений.

3) Заметность поднесущей несколько выше, чем в NTSC.

4) Как и в NTSC, имеют место искажения «яркость – цветность» и «цветность – яркость».

5) За счет введения высокоточной УЛЗ приемник ПАЛ самый сложный из всех систем.

3) Принудительная синхронизация

Для того, чтобы на телевизионном приемнике можно было наблюдать стабильно воспроизведенное изображение, переданное телевизионным центром, необходимо чтобы генераторы строчной и кадровой развертки телевизионного приемника работали строго с той же частотой, что и генераторы разверток передающей камеры. Одинаковыми должны быть и законы отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Кроме синхронности работы генераторов разверток предъявляется также требование синфазности, т.е. одновременности начала развертки по строке и по кадру в передающей камере и в телевизионном приемнике.

Даже небольшие отклонения от синхронности приведут к искажениям при воспроизведении передаваемых изображений, которые с течением времени будут все больше увеличиваться. Пусть в изображении имеется вертикальная полоса в центре экрана (рис. 6.1).

Предположим, что частота строчной развертки телевизионного приемника несколько выше строчной частоты у передающей камеры, то есть и луч на кинескопе пробегает всю строку быстрее. Поэтому уже на первой строке изображение линии появится не в центре строки, а чуть правее. На каждой последующей строке сдвиг будет увеличиваться, и, в результате, будет наблюдаться наклонная линия вместо вертикальной.

Если же не будет совпадать частота вертикальных разверток, все изображение будет перемещаться по вертикали, а в какие-то моменты на экране будет видна темная горизонтальная полоса (шириной около 25 строк), соответствующая в передаваемом сигнале обратному ходу кадровой развертки.

При большой разнице частот разверток изображение вообще нельзя будет рассмотреть, так как оно будет с большой скоростью перемещаться по горизонтали и вертикали (мелькать).

Для того, чтобы обеспечить устойчивое изображение в течении длительного времени (а телецентры ведут передачи чуть ли не целые сутки), требуется очень высокая долговременная стабильность частоты разверток. Согласно проведенным расчетам, в рассмотренном выше варианте независимой (автономной) работы генераторов разверток на передающем и приемном конце телевизионной системы, требуется обеспечить относительную нестабильность их частот порядка 10^-11. Это совершенно нереально, поэтому во всех телевизионных системах используется принудительная синхронизация генераторов разверток телевизионных приемников.

Для этой цели к телевизионному сигналу, содержащему видеосигнал (несущий информацию о передаваемом изображении) и гасящие импульсы приемной трубки (для выключения электронного луча кинескопа на время обратного хода разверток), добавляются импульсы синхронизации. Все эти составляющие вместе образуют полный телевизионный сигнал (рис. 6.2) [1].

Рис. 6.2. Телевизионный сигнал

Импульсы синхронизации:

• должны обеспечивать надежную синхронизацию генераторов разверток ТВ приемника, в том числе и при наличии помех в канале связи;

• должны легко выделяться в приемнике из принятого полного телевизионного сигнала (используется амплитудный ограничитель);

• не должны влиять на видеосигнал;

• должны простым способом разделяться на импульсы синхронизации кадровой и строчной разверток.

В вещательном телевидении сигналы синхронизации – прямоугольные импульсы, отличающиеся по длительности. Длительность кадрового синхроимпульса составляет 160 мкс (или 2,5 Т_стр), строчного - 4,7 мкс.

Соответственно этому, по-разному эти импульсы используются для целей синхронизации. Кадровые синхроимпульсы подаются на интегратор, сигнал с которого поступает в цепь управления кадровой разверткой. Строчные же синхроимпульсы (ССИ) дифференцируются и полученные “пички” воздействуют на генератор г оризонтальной развертки (рис. 6.3).

2) Совместимость цветных телевизионных систем

В процессе разработки цветных телевизионных систем были сформулированы требования их совместимости (с черно-белыми системами) [10].

Требования совместимости:

1. Возможность приема цветных передач (в черно-белом виде) на черно-белый ТВ приемник.

2. Возможность приема черно-белых передач на цветной ТВ приемник.

3. Передача сигналов цветного телевидения в полосе частот черно-белого телевидения.

Первые два требования означают идентичность параметров разложения у черно-белых и цветных систем, а также одинаковые параметры сигналов, несущих информацию о яркости изображения.

Третье требование обусловлено нереальностью изменения полосы пропускания существующих эфирных каналов; кабельных и иных систем передачи телевизионных сигналов.

Рассмотрим возможности удовлетворения этих требований.

По способу передачи информации о цвете телевизионные систем можно разделить на:

• одновременные системы;

• системы с последовательной передачей информации (последовательные системы).

Пути достижения совместимости

В черно-белом телевидении информация об изображении передается одним сигналом U (t), с полосой до f_В = 6,0 МГц. Для формирования же цветного изображения необходимо иметь три сигнала U_R (t), U_G (t), U_B (t). Эти сигналы образуются от таких же по своему содержанию изображений, что и в черно-белом телевидении, и с помощью тех же самых разверток. Поэтому каждый их них будет иметь полосу до 6,0 МГц.

Однако, если ограничиться передачей только этих трех сигналов, то не будет выполняться первое условие совместимости. Действительно, ни один из цветовых сигналов не содержит полной информации о распределении яркости в изображении (в каждом из них содержится только своя часть этой информации) и поэтому черно-белый приемник не сможет ни по одному из этих сигналов в отдельности (а все три он принять неспособен) правильно воспроизвести изображение. Поэтому во всех цветных вещательных системах приходится передавать еще так называемый яркостный сигнал U_Y (t), полностью аналогичный сигналу черно-белого телевидения.

Таким образом, полный комплект сигналов цветного телевидения требует как минимум учетверенной полосы частот:

U_R (t) - 6,0 МГц,

U_G (t) - 6,0 МГц,

U_B (t) - 6,0 МГц ,

U_Y (t) - 6,0 МГц.

Отсюда понятно, что основное направление на пути к достижению совместимости было связано с поиском способов сокращения полосы частот. Причем эти способы не должны приводить к большому усложнению методов кодирования/декодирования сигналов, или к схемному усложнению приемников (а следовательно и к повышению их стоимости) и ни в коем случае не должны приводить к снижению качества цветных или черно-белых изображений.

4)Выбор частоты поднесущей.

Если в системе NTSC полной автокомпенсации ложных узоров от поднесущей добиваются выбором f₀ как нечетной гармоники полустрочной частоты, то в ПАЛ такой выбор не дает полезного эффекта.

Причина этого заключается в том, что при таком выборе наряду с чередованием фазы поднесущей от строки к строке есть еще сдвиг на 180⁰ за счет коммутации фазы U_R-Y. Суммарный сдвиг (для U_R-Y ) оказывается равным 360⁰, и ложное изображение будет иметь регулярную полосатую структуру с большой заметностью.

Экспериментально, по минимальной заметности поднесущей на изображении, ее частота выбирается:

f_o = (284 - 1/4) f_стр + ½ F_пол = 1135 f_стр/4 + ½ F_пол ≈ 4,43 МГц (9.13)

В соответствии с таким выбором значения строчной частоты двойная строчная частота, необходимая для формирования сигналов в синхрогенераторе, получается делением f₀ в 1135/8 раз с предшествующим вычитанием ½ F_пол (рис. 9.30).

Стабильность несущей частоты в системе ПАЛ, как и в системе NTSC, требуется очень высокой (Δ f₀ < ±1 Гц).

В отличие от NTSC, вспышка в ПАЛ должна дополнительно нести информацию о том, какая строка в данный момент передается – обычная или инвертированная, то есть вспышка выполняет еще и функцию сигнала опознавания строк. Достигается это дополнительной коммутацией фазы поднесущей – в обычной строке она имеет начальную фазу 135⁰, а в инвертированной строке 225⁰ .

Для системы NTSC по стандарту США (z = 525, f_пол = 50 Гц) f_в = 4,2 МГц, а частота поднесущей выбирается как

f₀ = 455/2ּf_стр ≈ 3,58. (9.12)

Небольшой зазор от спектра цветности до f_в оставляют для того, чтобы обезопасить сигнал цветности от потерь в случае неидеальности тракта – ограничения полосы сверху.

Для системы NTSC в европейском варианте (z = 625, f_в = 6 МГц) частота поднесущей выбирается как

f₀ = 567/2ּf_стр ≈ 4,43 МГц. (9.13)

Заметность поднесущей

Вследствие недостаточно полноценного разделения сигналов яркости и цветности в яркостный канал приемника попадает не только сигнал U_Y, но также и поднесущая с боковыми спектрами. Любой из этих спектральных компонентов, попав на кинескоп, будет создавать помеху, дополнительно модулирующую изображение по яркости.

Как отмечалось выше, Р. Доум для наиболее четкого перемежения спектров предложил частоту цветовой поднесущей выбрать по условию (9.2):

f ₀ = (m + ½) ּ f_стр .

Во временнόм представлении сигнал поднесущей – это синусоида (рис. 9.17).

Особенность этого сигнала в том, что в каждом очередном строчном цикле начальная фаза синусоиды противоположна той, которая была в предыдущей строке

Помеха от этой синусоиды будет проявляться в чередовании участков строки, подсвечиваемых и затемняемых под воздействием сигнала поднесущей. При этом вследствие различия начальных фаз ложное изображение будет типа шахматной доски (рис. 9.18), где горизонтальный размер чередующися светлых и темных участков определяется длительностью полупериода колебаний поднесущей.

Рис. 9.18. Ложное изображение, создаваемое поднесущей

Так как при этом любая пара смежных строк, имеющих противоположную модуляцию по яркости, видна наблюдателю под весьма малым углом, за счет ограниченной разрешающей способности зрения происходит усреднение ложных изображений, создаваемого поднесущей на двух строках, и его заметность уменьшается. Это свойство поднесущей, выбранной по условию (9.2), называется самокомпенсацией.

Дополнительное уменьшение заметности происходит еще и потому, что в двух смежных кадрах ложное изображение будет иметь противоположную полярность.

Существенным обстоятельством является неподвижность помехи от поднесущей на изображении, так как частота поднесущей четко связана с частотой строк (9.2). В случае подвижности заметность любой помехи возрастает в 10 раз – это обусловлено особенностями обработки информации зрительной системой, реагирующей в первую очередь на любые изменения в изображениях.

Отметим также, что помеха от поднесущей – это сетка с очень мелкой структурой, поскольку f₀ = 0,85f_B (где f₀ - частота передачи самых мелких элементов изображения). По этой причине помеха не очень заметна для наблюдателя.

5)7

связь между четкостью А и числом строк разложения z:

Для ТВ стандартов большинства стран принято z = 625 ( для США, Японии z = 525). Этого достаточно, чтобы обеспечить высокое качество телевизионного изображения.

Дальнейшее увеличение числа строк не приводит к заметному повышению четкости (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость четкости от числа строк разложения

Формат кадра телевизионного изображения

В вещательном телевидении принят формат (отношение горизонтального размера к вертикальному), равный 4:3.

Таким образом, яркое телевизионное изображение занимает лишь небольшую часть всего поля зрения, а все остальное - темный (вечером при выключенном свете) или светлый (но не яркий) фон. Особенностью же работы зрительной системы заключается в том, что она адаптируется к средней яркости изображения, которая в данном случае определяется в основном яркостью фона (стены комнаты).

Контраст

Недостаточный контраст изображения заметно сказывается на качестве, с понижением

контраста субъективное ощущение качества снижается (рис. 3.14).

Четкость

Четкость, то есть способность ТВ системы воспроизводить мелкие детали и контура, может

субъективно оцениваться по виду изображения.

6)12)Перекрестные искажения сигналов яркости и цветности

Путем перемежения спектров оказывается возможным передавать одновременно в общей полосе частот информацию и о яркости и о цветности. Однако последствия наложения спектров сказываются в приемнике, где из общего ТВ сигнала необходимо выделить отдельно яркостный и цветовой сигналы.

Для получения цветовых сигналов можно с помощью полосового фильтра (рис. 9.5б) выделить из общего спектра (рис. 9.5а) участок, где размещена информация о цвете.

Рис. 9.5. Выделение спектра цветности из общего спектра

При этом на выходе фильтра сигнал цветности будет выделен, но к нему окажутся добавлены и частотные составляющие яркостного сигнала, попавшие в полосу прозрачности фильтра (штриховка на рис. 9.5в). Появятся искажения, называемые «яркость – цветность».

Для уменьшения помехи «яркость – цветность» спектр цветовых сигналов всегда сдвигается насколько возможно в область высших частот, где меньше уровень яркостного сигнала. Однако при этом некоторый зазор до f_ГР всегда остается, чтобы предотвратить вероятность обрезания части цветового спектра в случае, если АЧХ тракта по каким-то причинам окажется ограниченной ниже f_ГР (например, из-за неточной настройки селектора каналов в приемнике).

Аналогично предыдущему, при выделении сигнала яркости из общего сигнала необходимо избавиться от чужеродных цветовых составляющих. Для этого в яркостной канал цветного приемника включается режекторный фильтр с максимальным подавлением на частоте f₀. Полное подавление сигналов недопустимо, поскольку этот фильтр одновременно ослабляет в пределах своей полосы и нужные составляющие яркостного сигнала. Не до конца уничтоженные спектральные составляющие цветового сигнала будут в яркостном канале приемника создавать помеху «цветность - яркость», проявляющуюся в паразитной модуляции изображения по яркости.

Следует учесть, что черно-белые приемники вообще не защищены от помехи «цветность - яркость», так как в них нет режекторного фильтра, поэтому режекция цветовых сигналов осуществляется в передающем тракте.

8) Особенности спектра видеосигнала

Выражение представляет собой значения частот гармонических составляющих видеосигнала и показывает, что они имеют дискретный характер. Так как k представляет собой целые положительные числа от 0 до ∞, а m – целые числа от -∞ до ∞ , выражение для спектра можно представить в виде

(4.12)

Таким образом, при сделанных допущениях спектр видеосигнала состоит из основных частот (кратных частоте строк), образующих первичную структуру спектра, и вторичных спектров, располагающихся до + ∞ в обе стороны от каждой из основных частот.

Распределение энергии между первичным и вторичным спектрами зависит от характера передаваемого изображения.

В частном случае, когда k ≠ 0, а m = 0, что соответствует передаче вертикальных полос, спектр сигнала будет состоять только из гармоник строчной частоты f_стр, 2 f_стр, 3 f_стр ...

Если же k = 0, а m ≠ 0, что соответствует постоянству яркости в горизонтальном направлении (горизонтальные полосы), спектр сигнала будет состоять только из гармоник кадровой частоты F_кад, 2 F_кад, 3 F_кад …

Если же в изображении и k ≠ 0 и m ≠ 0, спектр сигнала будет состоять из гармоник строчной частоты с боковыми полосами, лежащими по обе стороны от этих гармоник на расстояниях F_кад, 2 F_кад, 3 F_кад …(аналогично процессу модуляции). Количество гармоник и их амплитуды зависят от содержания изображения. При этом амплитуды быстро убывают с ростом порядкового номера чисел k и m. Спектр частот телевизионного сигнала показан на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Частотные составляющие начальной части спектра

При определенных сюжетах изображения, когда велика детальность изображения в вертикальном направлении (m велико), боковые полосы у соседних гармоник строчной частоты могут перекрываться.

На характер спектра на влияет также и переход от прогрессивной к чересстрочной развертке. При чересстрочном разложении любая строка изображения будет повторяться через период, равный двум высотам изображения (2h), и, следовательно, скорость движения развертывающего элемента вдоль оси у будет иметь вид V_у = 2hF_кад, а так как частота полей равна удвоенной частоте кадров, то V_у = hF_поля.

Соответственно из (4.12)

. (4.13)

Таким образом, при чересстрочном разложении спектр частот будет также дискретным. Боковые полосы около строчных частот будут находиться на расстояниях, кратных частоте полей. В то же время взаимное расположение групп дискретных частот при чересстрочном разложении несколько отличается от расположения при прогрессивном разложении.

При прогрессивном разложении в кадре содержится целое число строк z (f_стр = zF_кад) и каждая строка повторяется в каждом кадре. В соответствии с этим, расстояние между двумя соседними гармониками строчной частоты в спектре кратно целому числу кадров n. Поэтому при перекрытии вторичных спектров будет точное попадание друг на друга боковых линий из верхней полосы одной строчной гармонии и из нижней боковой полосы следующей гармоники строчной частоты (рис 4.12)

Совпадение боковых линий этих спектров приводит к тому, что видеосигналы образующиеся от передачи таких составляющих, имея одинаковые частоты, сложатся в один общий сигнал и создадут на телевизионном изображении посторонние узоры - муары (муар [фр. moiré узор в виде сетки, волнистых линий]).

Рис. 4.12. Перекрытие побочных спектров при прогрессивной развертке

При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через поле , то есть в каждом кадре один раз. Поэтому расстояние между двумя соседними спектральными линиями гармоник строчной частоты также кратно целому числу кадров, но поскольку при чересстрочном разложении z обязательно является нечетным, то это расстояние будет равно нечетному числу F_кад.

_р

10) 13) Телевизионная система как система дискретной передачи информации

Рассмотрим, как происходит процесс дискретизации аргументов в телевизионной системе. Как известно, в вещательном телевидении для передачи плоских подвижных изображений В(x, y, t) используется принцип растровой развертки. Согласно этому принципу производится дискретизация одного из пространственных аргументов – y и времени – t: изображения разбивают во времени на кадры, а каждый кадр - на строки.

Шаг дискретизации по времени есть период кадра Т_кад, а шаг дискретизации по у есть ширина строки δ. При чересстрочном разложении кадр разбит на два поля – одно с четными, другое – с нечетными строками, так что период поля , а расстояние между строками одного поля равно 2δ.

Таким образом, преобразование многомерного сообщения В (х, у, t) в одномерное - видеосигнал U_С (t), осуществляется благодаря пространственно - временной дискретизации. Необходимость фильтрации до и после дискретизации приводит телевизионную систему к универсальной эквивалентной схеме дискретизации, приведенной на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Схема дискретизации многомерного сообщения

Так как имеет место пространственно – временная дискретизация при преобразовании светового изображения в видеосигнал с частотами дискретизации F_cтр и F_кад соответственно, то необходимо, чтобы входной Ф_вх и выходной Ф_вых фильтры обеспечивали пространственно – временную фильтрацию и имели, соответственно, частоты среза и .

В телевизионной системе роль входного фильтра Ф_вх, задачей которого является ограничение пространственно – временного спектра исходного

сообщения перед дискретизацией, выполняют оптическое звено Ф_опт телевизионной системы и электрический преобразователь свет – сигнал Ф_эоп (передающая телевизионная трубка). Оптический фильтр Ф_опт ограничивает спектр пространственных частот, как это обычно происходит в объективах (например, за счет сферической аберрации или неточной фокусировки), то есть он является пространственным фильтром нижних частот.

В свою очередь, электронно–оптический фильтр Ф_эоп необходимо рассматривать как совокупность двух фильтров: фильтра мишени Ф_м, производящего фильтрацию на накопительной мишени до считывания и формирования видеосигнала и фильтра Ф_л, роль которого играет электронный луч. Фильтр Ф_эоп при передаче изображений является сглаживающим в отношении временных частот, а также ограничивает и пространственные частоты.

14)СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В самом общем виде структура телевизионной системы может быть представлена следующим образом (рис. 2.1):

	1		2		3

Рис. 2.1. Структурная схема телевизионной системы:

1 – источник визуальной информации; 2 – аппаратурный комплекс, включающий в себя передающий телевизионный центр, канал связи, телевизионный приемник;

3 - получатель информации – зрительный анализатор человека

Для того чтобы создать аппаратуру телевизионной системы (ТВС), надо определить, какие она должна иметь характеристики. Они будут обусловлены требованиями, предъявляемыми к качеству изображения зрителем.

Как известно, для описания случайных функций используют статистические характеристики – функцию автокорреляции и энергетический спектр, однозначно связанные между собой прямым и обратным преобразованиями Фурье.

Автокорреляционная функция (АКФ) характеризует степень статисти-ческой связи между смежными значениями исследуемого сигнала. Для одномерного сигнала она вычисляется как

где: τ – интервал корреляции, то есть расстояние между двумя сравниваемыми отсчетами исследуемой функции (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Отсчеты сигнала для построения АКФ

Чтобы получить функцию автокорреляции, необходимо сначала интервал корреляции взять минимальным (то есть τ = ∆t) и сравнить смежные отсчеты (сначала 1-й со 2-м, затем 2-й с 3-м и так далее в пределах всего времени Т). Усреднив полученные результаты, получим первое значение для АКФ, равное R (1).

Аналогичным образом, берём двойное смещение (τ = 2∆t) и вычисляем величину R (2) и так далее.

По полученным значениям строится график функции автокорреляции R (τ).

В телевизионных системах подвижное изображение, то есть трёхмерная функция B (x, y, t) посредством развертки разбивается на дискретные кадры и дискретные строки, дающие, в конечном счете, на выходе передающей камеры, непрерывный электрический сигнал – видеосигнал U_c (t). Тем самым, за счет двукратной дискретизации (временной – по кадрам и пространственной – по строкам) трехмерная функция B (x, y, t) преобразуется в одномерную функцию U_c (t). Этим достигается возможность передачи информации о яркости подвижного изображения по одномерному каналу связи.

Видеосигнал U_c (t), при условии использования линейных развёртывающих функций и линейности преобразования свет-сигнал, пропорционален значению яркости B (x, y) в каждой точке поля изображения. Следовательно, для оценки взаимосвязи между значениями яркости в соседних точках поля изображения может быть использована функция автокорреляции телевизионного сигнала вида (2.1)

,

где τ – интервал корреляции.

Значение R (τ) для сигнала в пределах строки соответствует K (ξ) (2.3) для распределения яркости в пределах данной строки.

Рис. 4.13. Перекрытие побочных спектров при чересстрочной развертке

Так как боковые спектральные линии вокруг гармоник строчной частоты находятся на расстояниях, кратных частоте поля F_поля, то при перекрытие спектров, боковые линии соседних гармоник строчной частоты не будут совпадать (рис. 4.13).

Общая протяженность спектра определяется детальностью изображения в горизонтальном направлении. При передаче крупного плана основная энергия будет сосредоточена в начальной части спектра, его огибающая будет быстро спадать, а высокочастотные компоненты иметь низкий уровень. Для мелкоструктурных изображений энергия будет распределена во всей полосе частот более равномерно (рис. 2.5).

Передача движущихся объектов обуславливает изменение от кадра к кадру функций распределения яркости В (х, у), и, следовательно, изменение амплитуд и фаз компонентов сигналов по случайному закону, то есть модуляцию каждого k-го и m–го компонента по амплитуде и фазе. Модуляция амплитуды и фазы приводит к появлению непрерывных боковых спектров около каждой из фиксированных частот.

Считая телевизионный сигнал случайной функцией, можно описывать спектральную плотность мощности непрерывного спектра телевизионного сигнала функцией S (2f) и рассматривать эту функцию как произведение трех функций (рис. 4.14):

,

где:  (2 f ) – периодическая функция с периодом, равным частоте кадров F_кад, определяющая характер непрерывного спектра возле каждой из фиксированных частот k f_стр + m F_кад;

h (2 f ) – периодическая функция с периодом T_стр для аппроксимации огибающей максимумов непрерывных спектров в промежутке между двумя соседними частотами k f_cтр и (k+1) f_стр ;

 (2 f ) - кривая, проведенная через значения S (2f ) в точках k f_стр.

Рис. 4.14. Спектр телевизионного сигнала для подвижных изображений

Незаполненные промежутки свидетельствуют о статистической избы-точности телевизионного сигнала и позволяет говорить о возможности использования этих промежутков для передачи дополнительной информации (например, в системах цветного телевидения сигналы цветности передаются на цветовой поднесущей, расположенной в верхней части полосы частот, отведенной для передачи сигнала черно–белого телевидения).

Временную фильтрацию фильтр Ф_м осуществляет за счет конечного времени (Т_кад) накопления заряда при преобразовании светового изображения в потенциальный рельеф. Образование потенциального рельефа вследствие конечной проводимости мишени сопровождается также растеканием заряда. Растекание заряда (сглаживание потенциального рельефа) можно рассматривать в свою очередь как фильтрацию пространственных частот, ослабляющую верхние частоты. Следовательно, накопительная мишень - фильтр может Ф_м, быть уподоблена фильтру нижних пространственно – временных частот.

Фильтр Ф_л осуществляет пространственную фильтрацию, что связано с конечными размерами электронного пятна в плоскости мишени (апертурой луча), вследствие электронно–оптических аберраций, возникающих при формировании считывающего луча преобразователя свет – сигнал.

Задачей выходного фильтра Ф_вых нижних пространственных частот является выделение из полного спектра дискретизированного изображения основного спектра и подавление побочных составляющих.

Выходной фильтр Ф_вых состоит из фильтров Ф_лк и Ф_люм – апертуры луча и люминофора кинескопа и фильтра Ф_зр – зрительного анализатора человека.

Фильтр Ф_лк, аналогично входному фильтру Ф_л, осуществляет пространственную фильтрацию, подавляя верхние частоты. Фильтр Ф_люм, вследствие инерционности люминофора (конечного времени послесвечения), осуществляет временную фильтрацию.

Фильтр Ф_зр в силу инерционности зрения подавляет верхние временные, а в силу дискретности сетчатки глаза – верхние пространственные частоты, то есть является пространственно – временным фильтром нижних частот.

Полная схема телевизионной системы как системы дискретной передачи информации предоставлена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Схема телевизионной системы как системы дискретизации

,

где τ – интервал корреляции.

Значение R (τ) для сигнала в пределах строки соответствует K (ξ) (2.3) для распределения яркости в пределах данной строки.

Аналогично предыдущему, полная корреляция имеет место, когда τ = 0 (R (τ) = R (0)). С учетом этого, нормированная функция автокорреляции для сигнала определится выражением

Связь между R (τ) и спектральной плотностью (энергетическим спектром) видеосигнала U_c (t) устанавливается теоремой Винера - Хинчина

,

. (2.7)

Функция автокорреляции наглядно отражает статистические связи в изображении.

Чем меньше τ и, следовательно, ближе друг к другу сравниваемые элементы, тем больше ρ (τ). На рис. 2.4 показаны кривые ρ (τ) для двух резко отличающихся изображений.

Рис. 2.4. Функция автокорреляции телевизионного сигнала

Кривая 1 построена для изображения портрета крупным планом, в котором число мелких деталей мало; кривая 2 относится к изображению мелкого плана, когда в поле зрения видна группа, состоящая примерно из 100 человек.

Из рис. 2.4 видно, что чем крупнее изображение, чем меньше в нём содержится мелких деталей и резких переходов яркости, тем более пологий характер имеет функция автокорреляции, то есть сильнее корреляционные связи между последовательными элементами изображения. Численную оценку поведения АКФ дает величина коэффициента корреляции между двумя смежными элементами ρ (1).

Зная функции автокорреляции, по теореме Винера – Хинчина (2.7) можно определить энергетический спектр телевизионного сигнала (рис. 2.5).

Для крупноплановых изображений (кривая 1 на рис. 2.4 и 2.5) средние и мелкие детали занимают лишь малую долю всей площади изображения, а в основном есть только участки постоянной или медленно меняющейся яркости. Поэтому основная энергия спектра сосредоточена в начальной, низкочастотной области. На практике считают, что до 90% энергии спектра сосредоточено в области частот до 1,0…1,2 МГц.

Для мелкоструктурных изображений распределение энергии в пределах всего спектра более равномерное (кривая 2 на рис. 2.5).