Принцип сканирования телевизионного изображения. Телевизионный растр.

Техника и Технология СМИ.

Телевидение – КОСОВ.

Восприятие человеком цвета и света. Преобразование светового сигнала в электрический в телевизионных системах.

А. Особенности восприятия цвета и света

Цветотерапия

Благодаря зрительному аппарату (глазу) и мозгу человек способен различать и воспринимать цвета окружающего его мира. Довольно нелегко сделать анализ эмоционального воздействия цвета, по сравнению с физиологическими процессами, появляющимися в результате световосприятия. Однако большое количество людей предпочитает определенные цвета и полагает, что цвет оказывает непосредственное воздействие на настроение. Трудно объяснить то, что многие люди находят сложным жить и работать в помещениях, где цветовое оформление кажется неудачным. Как известно, все цвета разделяют на тяжелые и легкие, сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие.

Строение человеческого глаза

Опытами ученых сегодня доказано, что у многих люди существует похожее мнение относительно условного веса цветов. Например, по их мнению, красный является самым тяжелым, за ним следует оранжевый, потом синий и зеленый, затем — желтый и белый.

Строение человеческого глаза достаточно сложное

склера;

сосудистая оболочка;

зрительный нерв;

сетчатка.

стекловидное тело;

ресничный поясок;

хрусталик;

передняя камера глаза, наполненная жидкостью;

зрачок;

радужная оболочка;

роговица;

Когда человек наблюдает объект, то отраженный свет сначала попадает на его роговицу, затем проходит через переднюю камеру, и отверстие в радужной оболочке (зрачок). Свет попадает на сетчатку глаза, но прежде он проходит через хрусталик, который может изменять свою кривизну, и стекловидное тело, где появляется уменьшенное зеркально-шарообразное изображение видимого объекта.

Для того, чтобы полосы на французском флаге казались одинаковой ширины на судах их делаю в пропорции 33:30:37

На сетчатке глаза расположены два вида светочувствительных клеток (фоторецепторов), которые при освещении изменяют все световые сигналы. Они также называются колобочками и палочками.

Их существует около 7 млн, и они распределены по всей поверхности сетчатки, за исключением слепого пятна и имеют малую светочувствительность. Кроме того, колобочки подразделяются на три вида, это чувствительные к красному свету, зеленому и синему, соответственно реагирующие лишь на синюю, зеленую и красную часть видимых оттенков. Если же передаются остальные цвета, например желтый, то возбуждаются два рецептора (красно- и зеленочувствительный). При таком значительном возбуждении всех трех рецепторов появляется ощущение белого, а при слабом возбуждении напротив — серого цвета. Если возбуждения трех рецепторов отсутствуют, то возникает ощущение черного цвета.

Можно привести также следующий пример. Поверхность объекта, имеющего красный цвет, при интенсивном освещении белым светом, поглощает синие и зеленые лучи, и отражает красные, а также зеленые. Именно благодаря разнообразию возможностей смешения световых лучей различных длин спектра, появляется такое многообразие цветовых тонов, из которых глаз отличает примерно 2 млн. Вот так колбочки обеспечивают глаз человека восприятием цвета.

На черном фоне цвета кажутся интенсивнее, по сравнению с любом светлым.

Палочки наоборот, имеют намного большую чувствительность, чем колбочки, а также чувствительны к синезеленой части видимого спектра. В сетчатке глаза расположено около 130млн. палочек, которые в основном не передают цвета, а работают при небольших освещенностях, выступая аппаратом сумеречного зрения.

Цвет способен изменять представление человека о настоящих размерах предметов, а те цвета, которые кажутся тяжелыми, заметно уменьшают такие размеры. Например, французский флаг, состоящий из трех цветов, включает синюю, красную, белую вертикальные полосы одинаковой ширины. В свою очередь, на морских судах соотношение таких полос меняют в пропорции 33:30:37 для того, чтобы на большом расстоянии они казались равнозначными.

Огромное значение на усиление или ослабление восприятия глазом контрастных цветов имеют такие параметры как расстояние и освещение. Таким образом, чем больше расстояние между глазом человека и контрастной парой цветов, тем наименее активно они кажутся нам. Фон, на котором находится предмет определенного цвета, также воздействует на усиление и ослабление контрастов. То есть на черном фоне они кажутся интенсивнее, по сравнению с любом светлым.

б. В основе телевидения лежат три физических процесса: преобразование световой энергии из оптического видеоизображения в электрические сигналы, передача этих сигналов по каналу связи, преобразование принятых сигналов в оптическое видеоизображение. В XIX в. были сделаны открытия и изобретения для реализации всех указанных выше процессов.

К последней четверти XIX века были созданы предпосылки для разработки телевизионных устройств. Непосредственным толчком к их созданию явилось изобретение А. Беллом (1847-1922) в 1876 г. телефона, в котором многие увидели электрический аналог слуха. От него перешли к поискам электрического аналога зрения. Может быть поэтому одна из первых систем телевидения, предложенная американцем

Дж. Кери, копировала сетчатку глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне панели с мозаикой фотоэлементов, на которую проецировалось изображение. Фотоэлементы соединялись проводами с источниками электрического света на приемной стороне, а количество соединительных проводов было равно количеству фотоэлементов. Для передачи сигналов по проводам применялись механические устройства

в передающем и приемном аппаратах. Передавались единичные изображения и в приемном аппарате фиксировались на бумаге, что напоминало больше фотографическую карточку, чем видеоизображение. В 1877-1878 гг. появилось несколько проектов с поочередной передачей сигналов видеоизображения. Среди авторов проектов были португальский физик А. де Пайва (1847-1907), французский адвокат К. Сенлек (1843-1934) и русский физик и биолог Порфирий Иванович Бахметьев (1860-1913) независимо разработали принцип последовательной передачи элементов видеоизображения. Их проекты интересны предложением устройств для передачи сигналов видеоизображения по одному каналу связи. Возможность синтеза видеоизображения при последовательном приеме отдельных элементов основана на инерциальности зрительного аппарата человека. Оказывается, глаз воспринимает прерывистый свет как непрерывный при более 10 мельканий в секунду.

Последовательная передача сигналов элементов видеоизображения _ одни из основных принципов, лежащих в основе современных систем видеонаблюдения. В конце 19 века известны более ста проектов для передачи видеоизображения на большие расстояния. Однако только несколько из них имело практическое применение.

Принцип сканирования телевизионного изображения. Телевизионный растр.

Со времени появления первых электронных телевизоров в 40-х годах прошлого века и до современной суперсовременной техники сам принцип формирования изображения почти не изменился — совершенствовалась лишь его аппаратная реализация.

В передающей телевизионной камере изображение, собранное мощным и высококачественным оптическим объективом, попада­ет на воспринимающее устройст­во. Раньше для этого использовался фотоэффект, т.е. свет, про­ектируемый на слой люминофо­ра, выбивал из него электроны, которые и формировали копию оптического изображения.

В современных камерах вме­сто сложных и капризных пере­дающих трубок применяются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС), но принцип разложения изображе­ния на элементы остался неиз­менным.

Со времени появления первых электронных телевизоров в 40-х годах прошлого века и до современной суперсовременной техники сам принцип формирования изображения почти не изменился — совершенствовалась лишь его аппаратная реализация.

В передающей телевизионной камере изображение, собранное мощным и высококачественным оптическим объективом, попада­ет на воспринимающее устройст­во. Раньше для этого использовался фотоэффект, т.е. свет, про­ектируемый на слой люминофо­ра, выбивал из него электроны, которые и формировали копию оптического изображения.

В современных камерах вме­сто сложных и капризных пере­дающих трубок применяются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС), но принцип разложения изображе­ния на элементы остался неиз­менным.

Огромное значение имеет за­кон перемещения электронного луча вдоль мишени — сканирование. Для того чтобы на прием­ной части линии, то есть в теле­визоре, получилось неискажен­ное изображение, закон форми­рования развертки в нем должен быть в точности таким же, как и в передатчике.

Основные стандарты в облас­ти монохромного («черно-бело­го») телевизионного сигнала бы­ли приняты Федеральной комис­сией связи США еще в 1941 году и действуют до сих пор.

При выборе основных харак­теристик телевизионной картин­ки исходили из особенностей человеческого зрения. Известно, что глаз не способен различать детали, расположенные друг от друга на расстоянии менее одной угловой минуты. Создание элек­тронно-лучевых трубок с диагональю экрана более 60 см и сей­час является сложной техничес­кой проблемой, поскольку на краях таких кинескопов очень трудно бороться с геометричес­кими искажениями и добиться точного сведения цветов.

По этой причине было приня­то, что каждый кадр в американском стандарте NTSC будет состоять из 525 строк разложения. Позднее, при разработке PAL и ВЕСАМ, остановились на другом числе — 625, что дало бо­лее четкую картинку. Правда, впоследствии это решение создало серьезные проблемы при транскодировании сигнала из одного стандарта в другой. При переводе PAL или ВЕСАМ в NTSC лишние строки по определенным прави­лам выбрасывают, что, конечно, качество изображения не улучшает. При об­ратном преобразовании дело обстоит еще хуже, поскольку недостающие 100 строк растра взять неоткуда, и приходится просто удваивать некоторые стро­ки исходной программы. Именно поэтому преобразование ТВ-сигнала в NTSC или из NTSC всегда сопровождается заметными потерями качества. А вот конвертирование PAL в SECAM и наоборот таких проблем не создает, поскольку различия между этими стандартами не столь существенны.

Первоначально для телевидения выбрали формат изображения 4:3. Не­трудно подсчитать, сколько элементов разложения будет содержать одна строка (при условии равной четкости по горизонтали и вертикали). Для это­го нужно умножить 625 (количество строк в растре) на 4/3, в результате по­лучится чуть более 800 элементов.

При построчной развертке весь растр должен отрисовываться на экране телевизора за малый промежуток времени, такой, чтобы глаз воспринял от­дельные строки как цельную картину. В стандарте NTSC частота смены кад­ров 60 Гц, такая же, как частота переменного тока в электрической сети. В стандартах PAL и SECAM частота смены кадров по этой же причине 50 Гц. Кстати, ошибочно думать, что частотой сети можно синхронизировать кадровую развертку телевизоров, для этого у нее слишком низкая стабиль­ность, да и фазы напряжений в разных подстанциях относительно друг дру­га совершенно произвольны.

Таким образом, если за 1/50 секунды на экране должен прорисовываться весь растр, то можно определить, чему должна быть равна длительность од­ной строки:

1/50: 625 = 0,000032 с = 32 мкс,

тогда длительность одного элемента строки при построчной развертке будет составлять:

32/800 = 0,04 мкс.

Именно за это время электронный луч должен создать элемент изобра­жения на экране трубки. Но на практике получить импульсы такой малой длительности очень трудно. Главным образом потому, что электронные це­пи из-за реактивной составляющей сопротивлений будут искажать фронты, в результате чего изображение станет нечетким. Более того, передача такого сигнала требует в эфире канал шириной 12,5 МГц, и тогда в метровом диапазоне поместилось бы каналов шесть, не больше. Вдобавок передача и при­ем широкополосного сигнала существенно усложняет и удорожает соответс­твующее оборудование.

Самым простым способом сужения спектра ТВ-сигнала было бы сниже­ние скорости строчной развертки, но тогда на экране появятся весьма замет­ные и неприятные мелькания. Чтобы этого избежать, и был разработан принцип чересстрочной развертки. В соответствии с ним весь растр разбива­ется таким образом, чтобы вся картинка отрисовывалась в два приема.

В первом полукадре (поле) воспроизводятся только нечетные строки, с 1 по 625, а во втором — только четные, со 2 по 624. При этом строки будут располагаться на тех же местах, что и при построчной развертке. Поля чередуются с частотой 50 Гц, а кадры — 25 Гц. Длительность одной строки при чересстрочной развертке 64 мкс, а одного элемента разложения строки — 0,08 мкс, что уже вполне допустимо технически. Ширина спектра телевизи­онного сигнала получается 6,25 МГц, и емкость телевизионного диапазона увеличивается вдвое.

Заметим, кстати, что полученная частота кадровой развертки — 25 Гц — чуть превышает частоту смены кадров в кинопроекторах — 24 кадра в се­кунду.

Как же в телевизионном приемнике формируется чересстрочная разверт­ка?

Растр создается за счет пилообразных токов, протекающих в катушках отклоняющей системы. Для формирования строк используется генератор строчной развертки и строчные катушки, а для кадров/полей — генератор кадровой развертки и кадровые катушки. Как выглядят пилообразные от­клоняющие строчные токи 1с и кадровые токи 1к, показано на рисунке 1.

При этом электронный растр будет формироваться на экране кинескопа так, как показано на рисунке 2. Обратите внимание, что, дойдя до края строки, луч должен переместиться справа налево, к началу следующей стро­ки, а добравшись до конца поля — снизу вверх, к началу следующего полу­кадра. Если не предпринимать специальных мер, то паразитные линии об­ратного хода будут видны на экране кинескопа.

Рассмотрим принцип синхронизации телевизионного сигнала.

Если бы генераторы кадровой и строчной развертки телевизоров и пере­дающих центров работали несинхронно, то на экране телевизоров вместо упорядоченного изображения была бы видна цветная каша. Для синхрони­зации изображения в телевизионный сигнал замешивают импульсы кадро­вой и строчной синхронизации, гасящие и некоторые другие импульсы, ко­торые формируют в телецентрах с помощью высокостабильных генераторов. Выглядит эта синхросмесь так, как показано на рисунке 3.

Когда заканчивается сигнал изображения одной строки и луч развертки доходит до правого крана экрана, подается гасящий импульс такой ампли­туды, чтобы гарантированно запереть кинескоп и сделать линии обратного хода незаметными. На гасящем импульсе размещается импульс строчной синхронизации, по приходе которого генератор строчной развертки перево­дит луч кинескопа в начало следующей строки. После окончания гасящего импульса начинается следующая строка. Защитные полосы слева и справа нужны для того, чтобы луч не рисовал на краях ЭЛТ, где изображение было бы искаженным.

Поскольку время обратного хода луча по кадру больше, чем по строке, кадровый гасящий импульс имеет большую длительность (см. рис. 4).

На самом деле структура синхросмеси ТВ-сигнала несколько сложнее, так как в нее добавляются еще импульсы цветовой синхронизации.

На сегодняшний день системы аналогового вещания считаются безна­дежно устаревшими, и на смену им идет телевидение высокой четкости, HDTV. А устарели они вот почему.

Наверное, вы замечали, что при телевизионной трансляции широко­экранного фильма на экране возникают горизонтальные черные полосы. На Западе такое изображение называют Letterbox — «Почтовый ящик». Оно возникает потому, что форматы кинокадра и телевизионной картинки не совпадают. Если в первом случае на активную часть кадра приходится 576 строк, не считая интервалов обратного хода луча, то во втором их число сокращается до 432, а это ведет к снижению вертикальной четкости изображе­ния. Выход заключается в изменении формата телевизионного экрана с 4:3 на 16:9. В западных странах действует т.н. система PAL-плюс, которая поз­воляет просматривать передачи формата 16:9 на экране телевизора формата 4:3 с повышенной четкостью, но для этого с телецентра должен транслиро­ваться специальный сигнал вертикальной поддержки Helper, а в телевизоре — быть соответствующий декодер.

Широкое распространение персональных компьютеров привело, в частности, к тому, что многих перестало удовлетворять качество телевизионного изобра­жения. Действительно, ведь компьютерный CRT-монитор — это по сути тот же телевизор, только высококачественный. Различие, прежде всего, состоит в том, что у мониторов размер элемента разложения изображе­ния (пикселя) примерно в 4 раза меньше, чем у телевизора, и, следовательно, четкость картин­ки куда выше. Кроме того, все современные мониторы имеют построчную (прогрессивную) развертку, то есть за один кадр прорисовывается все изображе­ние, а не одно поле.

Ограничения на ширину по­лосы телевизионного канала в HDTV снимаются за счет того, что ТВ-сигнал передается в зако­дированном виде.

К сожалению, из-за разно­гласий между фирмами-разра­ботчиками и чиновниками раз­личных стран единого стандарта HDTV не существует. Известно около 20 разных вариантов циф­рового телевидения, причем пять из них определяются как HDTV: 1125-ти, 1080-ти и 1035-строчные с чересстрочной раз­верткой (i), а также 720-ти и 1080-строчные с прогрессивной разверткой (р). Любой из выпус­каемых в настоящее время быто­вых телевизоров HDTV обяза­тельно будет отображать один из сигналов 720р или 10801 в фор­мате 16:9. Естественно, что он может показывать программы в «старых» форматах, для чего ав­томатически выполнит преобра­зование, называемое апконверсией. Смысл его состоит в том, что 50 или 60 полей (в зависимо­сти от стандарта) преобразуются в картинку с чересстрочной разверткой. В некоторых циф­ровых телевизорах ап-конверсия выполняется по-другому: аналоговое изображение преобразуется в 1080 чередующих­ся строк, при этом недостающие строки получаются мето­дом удваивания существующих. Конечно, о полноценном ТВЧ в этих случаях говорить нельзя, поскольку новые теле­визоры работают со «старым» сигналом, а чудес, как изве­стно, не бывает.

Пожалуй, оценить качество HDTV российский зритель может пока только с помощью домашнего кинотеатра при просмотре DVD-диска. Однако будьте внимательны! Многие современные DVD-плееры поддерживают режим прогрес­сивной развертки, но со старым телевизором оценить ее преимущества не удастся. Более того, подача «прогрессив­ного» сигнала может привести к перегрузке узла строчной развертки телевизора и, скорее всего, к выходу ее из строя, а то и к возгоранию аппарата.

Но это не единственная проблема согласования. Если к современному цифровому телевизору подключить DVD-про­игрыватель по компонентным входам или S-Video, качество картинки может сильно разочаровать. Дело в том, что теле­визору в этом случае приходится выполнять ап-конверсию, а столь сложное преобразование всегда сопровождается заметными артефак­тами. К счастью, теперь цифровыми выходами (DVI, iLink, HDMI) оснащаются и не слишком дорогие модели DVD-проигрывателей, так что увидеть «прогресс» во всей его красе вполне реально.

А вот насладиться ТВ-картинкой высочайшего качества мы сможем, ког­да в нашей стране начнется полномасштабное HDTV-вещание в системе DVB-S2.

Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение оптического изображения. Это изображение может быть представлено множеством интегральных источников, интенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Чем больше число элементарных источников N (элементов изображения), тем выше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры изображения.

Первый принцип телевидения заключается в разбиении изображения на отдельные элементы и в поэлементной передаче всего изображения. Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, которая может быть различима и воспроизведена ТВ системой. Изображение, образованное совокупностью всех элементов, называется кадром.

Второй принцип, на котором базируется телевидение, - это последовательные во времени передача и воспроизведение информации о яркости (и цвете) отдельных элементов изображения. Это возможно благодаря инерционности зрения человека, которая проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся.

Процесс последовательной поэлементной передачи (анализа) и воспроизведения (синтеза) изображения называется разверткой изображения.

В ТВ вещательных системах развертка изображения и на передающей, и на приемной стороне осуществляется в результате движения луча с постоянной скоростью по горизонтали (строке) слева направо и по вертикали (кадру) сверху вниз. Образованная в процессе развертки структура поля - совокупность строк - называется ТВ растром. Передача и воспроизведение каждого элемента изображения должны осуществляться синхронно и синфазно. Это обеспечивается поддержанием в заданных пределах закона разверток и их периодической принудительной синхронизацией по строке и по кадру на передающей и приемной сторонах ТВ системы.

Дата добавления: 2015-11-26