Читайте также:
|
Предисловие
гурским (гл. 2, гл. 4 совместно с проф. А.А. Гоголем, гл. 15), доц. О.В. Украинским (гл. 13, 14).
Авторы выражают благодарность канд. техн. наук Б.С. Глыби-ну, доц. В.В. Дуклау и инженеру М.С. Чурко за оказанную помощь при подготовке материалов.
Авторы благодарны рецензентам за ряд ценных замечаний и советов по содержанию учебника.
К ЧИТАТЕЛЮ
Этот популярный и признанный в широкой аудитории по предыдущим изданиям учебник вышел в свет, когда уже не стало его научного редактора и старейшего соавтора Владимира Ермилевича Джаконии, заслуженного работника Высшей школы, лауреата Государственной премии, профессора, заведующего кафедрой телевидения и видеотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Всю свою жизнь наш замечательный коллега и товарищ способствовал телевизионному прогрессу в нашей стране, приложив и отдав все силы в научные разработки на важнейших этапах развития телевидения. Большой педагогический дар, самоотверженность и глубочайшая интеллигентность оставили незабываемый след в памяти и душах его студентов, многочисленных аспирантов и коллег, работавших и общавшихся с ним.
Владимир Ермилевич Джакония, достойный и ответственный ученик и последователь П.В. Шмакова, умело и авторитетно руководил и укреплял старейшую в стране кафедру телевидения, сохраняя замечательный климат доброжелательности и товарищества в коллективе.
Переиздаваемый с завидной и оперативной периодичностью, всегда обновляемый и перерабатываемый учебник «Телевидение» в каждом издании успешен, и своей востребованностью свидетельствует о высоком творческом потенциале его научного редактора и авторитете кафедры, его создававшей.
Отдавая заслуженную дань уважения оставившему нас коллеге и товарищу, мы уверены, что лучшей памятью ему будет сохранение кафедральной традиции в создании современных учебников, необходимых для воспитания отечественных телевизионных специалистов.
Р. Е. Быков,
профессор, доктор технических наук,
М.А. ГрудзинскиИ,
профессор, доктор технических наук
ВВЕДЕНИЕ
Термин «телевидение» (telesion) впервые ввел в научный оборот на IV Международном электротехническом конгрессе 1900 г. в Париже русский военный инженер К.Д. Перский в обзорном докладе под названием «Телевидение как электрическое кино» (Television au moyen de I'eiectrisite).
Телевидением мы называем область современной радиоэлектроники, которая занимается изучением вопросов передачи и приема движущихся и неподвижных изображений предметов, расположенных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени.
В общем виде задача телевидения состоит в дистанционном отображении в сознании людей явлений и событий, информация о которых поступает к нам в зрительном и звуковом виде. При этом для полноты восприятия желательно задействовать весь арсенал человеческих чувств, однако решение задачи в таком объеме было бы весьма затруднительно и экономически нецелесообразно. Но и без этого телевидение существенно расширяет возможности человека познавать окружающий мир, позволяя наблюдать объекты на земле и под землей, на воде и под водой, в небе и космическом пространстве, при их освещении солнечными и невидимыми лучами: рентгеновскими, ультрафиолетовыми, инфракрасными, а также при облучении ультразвуковыми волнами. Эта задача телевидения решается с помощью комплекса аппаратуры для оптической проекции, преобразования, кодирования, передачи, декодирования, отображения и других операций по обработке визуальной информации.
Конечным звеном, приемным индикатором в телевидении в подавляющем большинстве случаев служит глаз. Поэтому телевизионная система должна строиться с расчетом на наш зрительный орган, которым мы воспринимаем реальный мир в красках и в динамике. Эти замечательные свойства зрения человек получил в процессе длительного биологического развития. Отсюда следует, что телевизионная передача натурных сцен должна завершаться их воспроизведением с реализацией указанных свойств. Для более совершенной ориентации в пространстве природа сформировала зрительный орган в виде пары глаз. Телевизионная техника позволяет использовать принцип бинокулярного зрения для передачи рельефности предметов.
Телевидение базируется на достижениях многих смежных областей знания, таких как радиотехника, электроника, светотехника и т.п. Вместе с тем телевидение решает частные задачи, опираясь на математику, физику, химию, теорию информации, физиологию и ряд других наук. Поэтому телевидение тесно связано с общим развитием науки и техники [I].
В процессе развития человеческого общества совершенствовались и средства связи. Телевидение, прежде всего как средство связи, также прошло длительный путь развития: от первых нереализованных проектов через этап механических систем до современных электронных. Если учесть, что примерно 85 % информации о внешнем мире человек получает благодаря зрительному аппарату, то становится ясно, почему проблема передачи зрительной информации издавна занимала умы людей, что нашло отражение в народных преданиях, сказках, мифах и легендах.
В основе телевидения лежат три физических процесса: преобразование световой энергии из оптического изображения в электрические сигналы; передача этих сигналов по каналу связи; преобразование принятых сигналов в оптическое изображение.
В XIX в. были сделаны открытия и изобретения для реализации всех указанных выше процессов. В 1839 г. преобразование световой энергии в электрический ток первым осуществил молодой французский физик Э. Беккерель (1820-1891) на основе открытого им же фотогальванического эффекта. В 1873 г. английский инженер-электрик У. Смит (1828-1891) обнаружил, что полученный в 1817 г. шведским химиком И. Берцелиусом (1779-1848) селен обладает свойством изменять проводимость при освещении. Впоследствии это явление было названо внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект — выход электронов из освещенного вещества в окружающее пространство — впервые был обнаружен в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем (1857-1894) как побочное явление в его известных опытах по созданию электромагнитных волн. Основные законы внешнего фотоэффекта были открыты и опубликованы в 1888 г. московским физиком А.Г. Столетовым (1839-1896).
Попытки передачи электростатических зарядов по проводам начались в Западной Европе еще в середине XVIII в. Прообраз современного проводного канала связи мы находим в электромагнитном телеграфе, изобретенном в 1832 г. членом-корреспондентом Петербургской академии наук П.Л. Шиллингом (1786-1937), а канала радиосвязи — в изобретении А.С. Попова (1859-1906), продемонстрированном 7 мая 1895 г.
Удачные опыты по превращению электричества в свет состоялись раньше открытия фотоэффекта. Так, искры во время работы электростатической машины наблюдал еще немецкий физик О. Гери-ке (1602-1686). Новые возможности открылись в 1800 г., после того на основе электронно-лучевой трубки.
Существенным новшеством трубки Розинга было введение раз-носкоростной развертки по двум координатам для образования на экране прямоугольного растра, а также электрода в виде пары пластин и диаграммы с отверстием, осуществляющего регулировку плотности тока луча. На пластины подавался сигнал от фотоэлемента. В зависимости от величины сигнала электронный луч отклонялся, и через отверстие диафрагмы проходило различное количество электронов, вызывая тем самым различное свечение экрана. Б.Л. Розингу помогали студенты, в их числе известный впоследствии американский ученый В.К. Зворыкин (1889-1982), оставивший об этом воспоминания.
9 (22) мая 1911 г. Б.Л. Розинг впервые в мире осуществил передачу и прием телевизионного изображения в виде решетки из четырех светлых полос на темном фоне. При закрывании одного из просветов решетки на передающей стороне соответствующая полоса на экране приемника тотчас исчезала. Это было первое в мире телевизионное изображение, переданное и в тот же миг принятое с помощью аппаратуры, изготовленной в России. Отмечая научное достижение Б.Л. Розинга, Русское техническое общество присудило ему премию и золотую медаль имени К. Сименса. В это же время в Велико-битании был опубликован проект телевизионной установки инженера А.А. Кемпбелл-Суинтона (1863-1930) с передающей и приемной электронно-лучевыми трубками. Его многократные, но безуспешные попытки практически реализовать данную схему отразились только в научной литературе. Проекты полностью электронных систем телевидения предлагались в ряде патентов, в том числе французском в 1921 г., выданном Э.Г. Шульцу, американском в 1923 г. — В.К. Зворыкину, советских в 1925 г. — А.А. Чернышеву (1882-1940) и Б.П. Грабовскому (1901-1966) с соавторами. Последнему удалось в 1928 г. под патронажем Б.Л. Розинга завершить постройку ТВ установки и продемонстрировать передачу простых изображений. Однако эта работа не получила поддержки в период массового увлечения механическим телевидением. В начале 30-х годов интерес научно-технических кругов вызвали работы Ф. Фарнсворта (1906-1971) в США и М. Арденне (р. 1907) в Германии. Фарнсворт создал модификацию диссектора — передающей трубки мгновенного действия (без накопления). М. Арденне в качестве датчика сигнала использовал фотоэлемент и кинескоп с малым временем послесвечения, работавший по известному еще в механическом телевидении принципу «бегущего луча». Указанные системы избавляли телевидение от механического движения при развертке, но не давали заметного прибавления чувствительности и связанной с ней разрешающей способности. Как и механические системы, они не накапливали заряды, расточительно расход/я световой поток от передаваемого объекта для создания сигнала только в момент коммутации.
Дальнейшее развитие телевидения тормозилось отсутствием передающей трубки с накоплением зарядов. Авторскую заявку на такую трубку подал в конце 1930 г. сотрудник Физико-технического института А.П. Константинов (1895-1937), сформулировав предмет изобретения следующим образом: «Передающее устройство для дальновидения с применением многоячейкового фотоэлемента и конденсаторов, присоединенных к каждой ячейке для накопления зарядов в течение времени передачи кадра, и коммутацией разряда конденсаторов электронным лучом, отличающееся тем, что указанные конденсаторы включены так, чтобы разряд конденсаторов совершался в цепи, проходящей через общий электрод конденсаторов и катодный луч».
Попытка практического осуществления трубки встретила непреодолимые технологические трудности. Такая же участь постигла проект 1931 г. трубки с накоплением С.И. Катаева (1904-1991) и ряд других аналогичных предложений. Решил проблему В.К. Зворыкин, десятилетняя работа которого в США увенчалась созданием иконоскопа — первой передающей трубки с накоплением зарядов. Мозаичный фотокатод иконоскопа изготавливался напылением тонкого слоя серебра на слюдяную подложку размером 10х12 см. При нагреве в печи серебряный слой сворачивался в миллионы изолированных друг от друга мельчайших гранул, на которые наносился фюточув-ствительный цезий. Другой стороной слюдяная подложка крепилась к металлической пластинке. Образованные таким образом фотоэлементы обладали емкостью, необходимой для накопления зарядов. В июне 1933 г. В.К. Зворыкин сообщил о разработке полностью электронной телевизионной установки с разрешающей способностью более 300 строк, пригодной для промышленного производства.
В нашей стране разработка электронной системы телевидения началась после доклада В.К. Зворыкина во время его визита в СССР в августе 1933 г. Уже в ноябре 1933 г. П.В. Шмаков и П.В. Тимофеев (1902-1982) патентуют супериконоскоп — трубку с более высокой, чем у трубки Зворыкина чувствительностью. Заметным успехом явилась демонстрация в феврале 1935 г. электронной системы телевидения на 180 строк, разработанной под руководством Я.А. Рыфтина (1905-1989). Иконоскоп для нее создали Б.В. Круссер (1900-1981) и Н.М. Дубинина (1910-1997). В декабре 1935 г. в ленинградском ВНИИ телевидения под руководством А.В. Дубинина (1903-1953) была создана установка электронного телевидения на 240 строк, 25 кадров. В 1936 г. под руководством А.А. Расплетина был разработан телевизор на этот стандарт с экраном 13х17,5 см. В 1938 г. начались передачи Опытного ленинградского телецентра с указанной выше четкостью, а затем и Московского телецентра с четкостью 343 строки, студийная аппаратура для которого изготавливалась в США.
В годы Второй мировой войны телевизионное вещание продолжалось только в США, где в 1942 г. был разработан суперортикон — одна из наиболее чувствительных трубок. Первым в Европе возобновил работу 7 мая 1945 г. Московский телецентр, переведенный в 1948 г. на стандарт 625 строк. Разработку стандарта, вскоре принятого европейскими странами, вела группа ученых в составе Ю.И. Казначеева (1902-1988), С.И. Катаева, С.В. Новаковского (р. 1913) и др.
Первую передачу телевизионной программы, записанной на ферромагнитной ленте, провела компания CBS (США) 30 ноября 1956 г., используя видеомагнитофон фирмы Ашрех. Так началось внедрение новой технологии телевизионного вещания. Старая технология — передача непосредственно из студии — держала режиссера и исполнителей в напряжении от начала до окончания передачи, ибо любой дефект в их работе был заметен телезрителям. Благодаря видеозаписи неудачные сцены можно было переиграть и заменить при монтаже. Кроме того, новая технология создала условия для оперативного обмена программами, их тиражирования, накопления в централизованных и частных видеотеках.
Первое слово в магнитной видеозаписи было воспроизведено еще в 1922 г. Б.А. Рчеули (1899-1942), оформившем патент СССР (а затем и ряда других стран) на способ и устройство записи и воспроизведения визуальных и звуковых сигналов на движущуюся железную ленту. Попытки осуществить этот проект сначала в своей стране, а затем в Великобитании не дали результата. Более успешной оказалась деятельность выходца из России A.M. Понятова (1892-1980), основателя и первого президента фирмы Атрех, которая первой применила вращающиеся магнитные головки для поперечно-строчной записи, позволяющей резко снизить скорость движения магнитного носителя. Фирма в течение длительного времени была «законодателем мод» в области видеомагнитной записи. Аппараты, созданные по системе Атрех, выпускались в США, Германии, Японии, Великобитании, Франции, СССР. У нас работы по созданию профессиональных видеомагнитофонов начались во второй половине 50-х годов. В декабре 1959 г. образец аппаратуры, созданной на заводе «Ленкинап» при участии ВНИИ телевидения и НИКФИ, был принят государственной комиссией.
Важным этапом в послевоенном развитии телевидения явилось внедрение цветного телевизионного вещания, регулярные передачи которого у нас начались 1 октября 1967 г. по совместной советско-французской системе SECAM.
Автором проекта первой цветной телевизионной системы механического типа с последовательной передачей цветовых сигналов является инженер-электрик и технолог А.А. Полу мордвинов. В декабре 1899 г. он предложил устройство, основанное, как и современные системы, на трехкомпонентной теории цветного зрения Ломоносова-Юнга-Тельмгольца. Проект двухцветной системы с одновременной передачей цветовых сигналов по двум каналам связи предложил в 1907 г. О.А. Адамян.
В 1938 г. в Великобитании Дж. Бэрд осуществил демонстрацию цветного изображения с четкостью 120 строк на большом экране. Это была комбинированная система с последовательной передачей цветовых сигналов, использующая элементы механического и электронного телевидения, как и система на 343 строки, демонстрированная в 1940 г. в США П. Голдмарком (1906-1977). В 1951 г. в Нью-Йорке с помощью данной системы началось телевизионное вещание, которое через короткое время было прекращено по причине ее несовместимости с существующей системой черно-белого телевидения и невозможности увеличения размера экрана из-за наличия в приемном устройстве вращающегося диска с цветными фильтрами. В 1953 г. в США была введена для вещания одновременная совместимая система цветного телевидения NTSC. Впоследствии ее использовали Япония, Канада и страны Латинской Америки.
В нашей стране первая опытная передача цветного телевидения по последовательной системе, разработанной под руководством В.Л. Крейцера (1908-1966), состоялась в ноябре 1952 г. В 1954-1956 гг. опытные передачи вела Московская станция цветного телевидения. Для их приема было выпущено небольшое количество телевизоров «Радуга» с экраном диаметром 18 см и вращающимся трехцветным диском.
На кафедре телевидения ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В. Шмакова с начала 50-х годов проводились исследовательские работы по созданию одновременной совместимой системы цветного телевидения. В марте 1956 г. были проведены опытные передачи цветного изображения через ретрансляционный передатчик. В том же году аппаратура была перевезена в Москву для демонстрации ее работы специалистам и членам правительства. Также продемонстрировали аппаратуру цветного телевидения специалисты НИИ радио (Москва) во главе с С.В. Новаковским. В 1958 г. делегатам XI Исследовательской комиссии Международного консультативного комитета по радио (МККР) в Москве и Ленинграде демонстрировались результаты работы по цветному телевидению, получившие высокую оценку международной телевизионной общественности. Дальнейшие работы по внедрению цветного телевизионного вещания проводились во ВНИИ телевидения (Ленинград).
В начале 60-х годов было предложено множество систем цветного телевидения, разработанных в различных странах. После ряда экспериментальных проверок и длительных дискуссий наша страна выбрала для вещания систему SECAM — совместную разработку советских и французских специалистов. Эту же систему предпочли некоторые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Разработанную в Германии систему PAL выбрали страны Западной Европы, Австралии, частично Азии и Африки. В настоящее время в мире действуют три стандарта цветного телевидения: NTSC, SECAM, PAL. Поэтомупри передаче сигналов одной из систем в страну, где принят другой стандарт, необходимо осуществлять преобразование стандартов (транскодирование).
В ходе научно-технического прогресса происходит взаимное обогащение наук и проникновение одной науки в другую. Наглядный пример этому дает использование телевизионной техники в освоении космоса — космическое телевидение [2]. Искусственные спутники Земли в качестве ретрансляторов телевизионных программ позволяют значительно раздвинуть границы телевизионного вещания (спутниковое телевидение).
Телевизионная техника широко используется при изучении и освоении космического пространства. В октябре 1959 г. впервые в истории была осуществлена передача изображения невидимой части Луны. С помощью телевидения обеспечивалось управление движением луноходов. Кроме того, телевидение помогает наблюдать за жизнедеятельностью космонавтов в полете, за их работой в открытом космосе, в невесомости. Телевидение приобщило к научному космическому эксперименту многомиллионную аудиторию зрителей [З].
Благодаря успехам космической техники спутниковое телевидение приобретает глобальный характер. Стала обычной практика передачи телевизионных программ с одного континента на другой. Широко разветвленная есть наземных спутниковых приемных станций позволяет смотреть программы из Останкино в самых отдаленных районах страны. Системы спутникового телевидения обеспечивают непосредственный прием программ с синхронных спутников Земли на индивидуальные телевизоры.
Осуществляются казавшиеся фантастическими проекты. Выдвинутый в 1937 г. проф. С.И. Катаевым проект малокадрового телевидения используется в аппаратуре для передачи изображений удаленных планет. Реализован и предложенный проф. П.В. Шмаковым метод ретрансляции сигналов телевизионного вещания при помощи самолетов и искусственных спутников Земли.
Трудно найти область человеческой деятельности, где прямо или косвенно не используется телевидение. Очевидно, дальнейшее повышение автоматизации научных исследований и производственных процессов приведет к возрастанию роли телевидения, так как оно повышает эффективность труда, а иногда позволяет получить результаты, которые без применения телевидения недостижимы.
Телевидение остается самым действенным средством информации. Ежедневно телевизионные программы в нашей стране смотрят десятки миллионов зрителей. Ни одно из средств массовой информации не может сравниться с телевидением по степени воздействия на зрителя. Возможности телевидения в области агитации и пропаганды практически безграничны. Телевидение позволяет проводить познавательные, информационные, художественные, музыкальные, спортивные, детские, развлекательные и другие передачи. Оно сочетает в себе оперативность и наглядность, что делает зрителя соучастником происходящих событий.
В октябре 1997 г. Ассамблея радиосвязи Международного союза электросвязи приняла большой пакет мировых стандартов в области телевидения высокой четкости, цифрового многопрограммного телевидения, цифрового наземного телевещания и т.д., подготовленных XI Исследовательской комиссией МСЭ под председательством М.И. Кривошеева (р. 1922). Полный переход к цифровым методам передачи сигналов рассчитан на 10 лет и более. Имеющиеся в мире 1,3 млрд телевизоров подлежат постепенной замене. Рынок цифрового телевидения на ближайшие годы оценивается суммой в несколько сотен миллионов долларов США.
В США законодательно уже принят новый стандарт на цифровое телевидение высокой четкости (ТВЧ), одобрены правила выдачи 1600 бесплатных лицензий на вещание, а 240 миллионов нынешних телевизоров признаны устаревшими, в связи с чем вещание по существующей системе будет полностью прекращено в 2006 г. По новому стандарту число строк увеличивается вдвое, формат кадра вместо существующего 4:3 будет 16:9. Таким образом, в качественном отношении телевидение совершает огромный скачок, сравнимый с переходом от механической развертки к электронной в середине 30-х годов XX в.
По мнению С.В. Новаковского, для внедрения в России новой ТВ системы следует воссоздать мощную научную базу и государственный координирующий орган с широкими полномочиями, восстановить радиоэлектронную промышленность и телевизоростроение, так как разрозненные акционерные общества эту крупнейшую народнохозяйственную задачу решить не смогут. Перечисленные меры позволят организовать много новых рабочих мест для специалистов и производственников, сократить импорт ТВ аппаратуры, создать условия для развития прикладного и бытового телевидения [4].
В становление телевизионной науки и техники и в ее развитие внесли большой вклад видные отечественные ученые: профессора Б.Л. Розинг, П.В. Шмаков, С.И. Катаев, Я.А. Рыфтин, Г.В. Брауде, С.В. Новаковский, И.А. Росселевич, М.И. Кривошеев, Ю.Б. Зубарев и др. Ученые России считают, что научно-технический потенциал страны сейчас вполне достаточен для решения новых задач в области телевидения. При этом нет необходимости догонять мировой уровень, как в случае с другими видама-Дродукции, поскольку многие перспективные технологии находятся пока что в стадии становления и их комплексные разработки и| освоение придется проводить практически с начального уровня.
Выдающийся русский ученый Б.Л. Розинг, основоположник электронного телевидения, на заре его развтия писал «Несомненно, наступит, наконец; такое время, когда электрическая телескопия распространится повсеместно и станет столь же необходимым прибором, каким является в настоящее время телефон. Тогда миллионы таких приборов, таких «электрических глаз» будут всесторонне обслуживать общественную и частную жизнь, науку, технику и промышленность... Тогда, конечно, электрическая телескопия как наука займет подобающее ей место среди других наук техники слабых токов. Возможно даже, ей будут посвящены специальные институты» [б]. Эти пророческие слова ученого полностью сбылись.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Час ть I.
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
1.1. Поэлементные анализ и синтез оптических изображений
Телевизионное изображение формируется на экране приемного устройства и предназначено для рассматривания его глазом. Получателем вещательной телевизионной информации является зритель, наблюдатель; поэтому параметры и характеристики телевизионной системы должны выбираться из условий ее согласования со свойствами и характеристиками зрительной системы человека. При разработке телевизионной системы или отдельных ее узлов необходимо знать, какие характеристики зрительной системы влияют на параметры отдельных узлов и телевизионной системы в целом.
Источником информации для телевизионной системы является окружающий нас мир. Предметы обладают свойством отражать падающий на них световой поток. В подавляющем большинстве случаев — это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное отражение, характерное для так называемых зеркальных поверхностей, к которым относят полированные и лакированные поверхности, поверхности жидкостей и др. Способность каждого предмета или его деталей различно отражать световой поток или излучать (самосветящиеся предметы) является оптическим свойством объекта, а отраженный (излученный) каждой деталью предмета световой поток является источником зрительной информации о предмете, воспринимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описывают коэффициентом отражения
Световой поток, облучающий предметы, определяет их освещенность ео (лк). Освещенность различных участков трехмерного объекта будет различна, так как участки расположены на разных расстояниях от облучающего источника, одни детали затеняют другие и т.д. Большую роль играет характер освещения, т.е. число источников света, их мощность и пространственное размещение. Иными словами, зрительная информация об объекте, воспринимаемая наблюдателем, определяется световой энергией, отражаемой (излучаемой) каждой точкой (элементом) объекта в сторону наблюдателя. Интенсивность и спектральный состав элементарного потока характеризуют воспринимаемые зрителем яркость и цвет каждой точки объекта, а направление потока — пространственное расположение той же точки. Одновременно наблюдатель видит ограниченную часть пространства, определяемую пространственным углом, называемым углом зрения.
В общем случае объект передачи характеризуется следующими параметрами: яркостью, цветом и глубинным расположением предметов. Так как каждая точка объекта располагается в трехмерном пространстве, а при движении и изменении освещенности меняется характер распределения яркости и цвета всех точек рассматриваемых объектов, математическая модель объектов передачи является многомерной функцией пространственно-временного распределения яркости L, цветового тона А и чистоты цвета р, т.е.
где х, у, г — пространственные координаты; t — время.
Эти уравнения определяют яркость L и цветность (А и р) как функцию пространственных координат х, у и г каждой точки движущегося объекта и времени (см. § 10.1).
Главной задачей телевидения является нахождение способов такого преобразования изображения объекта, чтобы его можно былс передавать методами электросвязи. При этом необходимо добиваться того, чтобы изображение, созданное приемным телевизионным устройством, как можно более соответствовало объекту передачи.
Одним из основных свойств электрического канала связи является возможность передавать в каждый момент времени только однс значение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией только одного независимого переменного — времени, т.е. электрический канал связи характеризуется одномерной зависимостью напряжения от времени:
В общем случае выходные параметры L', \', р' могут не совпадать с входными L, А, р и математически описываются совокупно-
стью трех многомерных функций:
Из уравнений (1.1) и (1.3) следует, что задача синтеза телевизионной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы выходное изображение (1.3) с заданной степенью точности соответствовало бы объектам телевизионной передачи (1.1).
Преобразование трех многомерных функций передачи непосредственно в одномерный сигнал невозможно. Поэтому, учитывая опыт фотографии, можно пойти на ряд упрощений в формировании передаваемого изображения, упрощая и их математические описания.
При передаче плоского черно-белого неподвижного изображения математическое описание упрощается до вида
что показывает распределение яркости в плоскости изображения, т.е. изменение яркости в координатной системе х, у. Даже в этом простейшем случае оно описывается двумерным распределением яркости (1.4) и не может быть непосредственно преобразовано в одномерный сигнал.
Если рассматривать передачу движущихся изображений, что является основным назначением телевидения, то задача еще больше усложняется. При передаче черно-белых плоских движущихся изображений распределение яркости будет являться функцией трех переменных
В телевидении кроме информации о мгновенном значении яркости L необходимо точно знать, из какой точки передаваемой сцены эта информация получена, т.е. его геометрическое место.
Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала в одномерный используются два фундаментальных принципа, которые лежат в основе телевидения, — дискретизация изображения и его развертка, т.е. в телевидении используется пространственная и временная дискретизация.
Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных элементов. На рис. 1.1 показаны фотографии женской гоговы (крупный план), разбитые примерно на 1000 и 250000 элементов соответственно. Теоретически количество элементов на изображении может быть бесконечно большим. На практике в связи с ограниченной разрешающей способностью зрения любое изображение может быть представлено определенным числом элементов с конечными
Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение плоского оптического изображения и поэлементный его анализ. Плоское оптическое изображение может быть представлено множеством элементарных источников, интенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Число элементарных источников N тем больше, чем 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.
Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, внутри которой яркость и цвет считаются постоянными, т.е. внутри элемента неравномерность яркости и цвета уже не будут различаться глазом.
Первый основной принцип телевидения заключается в разбивке изображения на отдельные элементы и поэлементной передаче всего изображения. Одновременная передача сигналов всех элементов неприемлема, так как это потребует такого количества линий связи между передатчиком и приемником, сколько элементов изображения, что исключает возможность практического осуществления.
Проблему каналов связи решает второй основной принцип,накотором базируется телевидение, — это последовательная во времени передача по каналу связи информации о яркости элементов. Этот принцип называется разверткой. Возможность последовательной передачи телевизионного изображения по одному каналу связи базируется на явлении инерционности зрения. Инерционностью зрения называется способность зрительного аппарата сохранять зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность проявляется в том, что мелькающий источник спета при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся. Поэтому при достаточно высокой частоте передачи
мелькающих сигналов они будут казаться наблюдателю непрерывно светящимися.
Процесс последовательной, поочередной передачи элементов изображения называется разверткой (сканированием) изображения. Следовательно, принцип развертки, который превращает изображение в чередование последовательных электрических сигналов, решает поставленную задачу, т.е. получение слитного изображения.
Развертку можно осуществлять, перемещая развертывающий элемент (электронный луч, сканирующее отверстие и др.) по поверхности изображения по определенному закону.
Координаты развертываемых точек изображения являются функциями времени:
где φ (t) и φ{t) — произвольные однозначные функции времени.
Если подставить (1.5) в (1.4), получим необходимую для передачи функцию времени L = (х,у) = fL[Vx(t),Vy(t)} = fuW.
Следовательно, процесс развертки решает задачу преобразования изображения в последовательность электрических сигналов. Эта последовательность передачи выбирается в зависимости от назначения системы. Развертка может быть детерминированная, когда траектория движения развертывающего элемента строго определена и наперед задана. Недетерминированная развертка предполагает такое движение развертывающего элемента, которое автоматически устанавливается в зависимости от содержания изображения. Такие развертки используются в системах обработки изображений или для оптимизации систем передачи.
При детерминированной развертке разложение изображения может происходить по различным траекториям движения развертывающего элемента, т.е. движение может быть произвольным. Необходимо лишь, чтобы движение развертывающих элементов в оптико-электронном и электронно-оптическом преобразователях осуществлялось по одному закону. В зависимости от закона движения развертывающего элемента по поверхности изображения возможны различные виды разверток: линейные, зигзагообразные, спиральные, синусоидальные, радиальные и др.
При выборе типа разверток к вещательной телевизионной (ТВ) системе предъявляются определенные требования, основные из которых: одинаковое время передачи каждого элемента, минимальные затраты времени на обратный ход и простота технической реализации. Как видно из рис. 1.2, ни один тип разверток не удовлетворяет этим требованиям, за исключением линейной развертки. Поэтому в вещательном телевидении и в большинстве случаев прикладного телевидения используется линейная развертка, в частности прогрессивная и чересстрочная.
Недетерминированная развертка в настоящее время применяется в телевизионной автоматике. Там имеют дело с более простыми, чем в телевизионном вещании, изображениями. Это позволяет достаточно просто согласовать законы движения развертывающих элементов с геометрическими или оптическими характеристиками различных объектов. Это является шагом на пути создания ТВ систем состатистическим согласованием. Такие системы широко применяются при исследовании биологических микрообъектов, петрографии, исследовании образцов металлоизделий, искусственных алмазов идр.
Недетерминированные развертки строятся по принципу разделения на два режима: поиска и слежения. В режиме поиска развертывающий элемент движется по заданной траектории, а при попадании на изображение объекта он переходит в режим слежения, во время которого производится считывание информации и ее обработка. Существуют несколько режимов слежения в зависимости от решаемой задачи. Например, может использоваться следящая разверткапоконтуру объекта, по площади. В первом случае развертывающий элемент подчеркивает только контур исследуемого объекта, а во втором — развертка обеспечивает получение упорядоченной информации о каждом объекте в отдельности [7].
Основная задача в телевидении — передача движущихся изображений — осуществляется так же, как и в кино, методом последовательной передачи большого количества неподвижных изображений в секунду. Благодаря быстрой смене кадров, каждый из которых представляет собой неподвижное изображение, запечатленное с определенной фазой движения объекта передачи, у зрителя создается иллюзия непрерывного движения. Передача цветных и объемных объектов, которые описываются тремя и более функциями, может осуществляться одновременно по трем или более каналам или последовательно во времени по одному каналу связи. Метод последовательной передачи большого количества информации позволяет передавать по одному каналу более сложные изображения, но при этом необходимо уменьшить шаг дискретизации во времени, т.е. повысить частоту передачи кадров в секунду, чтобы изображение воспринималось зрителем немелькающим.
Как было сказано выше, законы развертки ТВ изображения могут быть выбраны любыми. Но при этом необходимо, чтобы закон развертки на приемном и передающем преобразователях был одинаковым. Кроме того, требуется строгая синхронность и синфазность разверток на передающем и приемных устройствах. Если эти условия не будут соблюдаться, то воссоздать на приемном конце изображение объекта невозможно. В результате синхронной и синфазной развертки распределение светлых и темных элементов на экране приемного устройства будет соответствовать распределению их на передаваемом объекте.
В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка (слева направо и сверху вниз, что аналогично привычному письму и чтению), т.е. передача элемента за элементом с постоянным направлением и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью чередования строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра передаются синхронизирующие сигналы, определяющие начало разверток по строке и кадру. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче.
Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (например, электронный луч) по оси X, называется строкой. Вследствие инерционности зрительного аппарата наблюдатель одновременно видит всю совокупность следов движения электронного пятна на экране. Совокупность видимых строк на экране называется растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим устройством всех элементов изображения называется кадром. При. линейно-строчной развертке телевизионную систему обычно характеризуют числом строк г в кадре и числом кадров п полных изображений в секунду.
Качество ТВ изображения может быть охарактеризовано степенью приближения восприятия его наблюдателем к непосредственному наблюдению передаваемого объекта. Очевидно, качество телевизионного изображения определяется параметрами и характеристиками ТВ системы. Так, воспроизведение мелких деталей и резких границ раздела полей разной яркости (контуров изображения) находится в прямой зависимости от числа передаваемых ТВ системой элементов или, что то же самое, от числа строк в телевизионном растре. Слитность восприятия яркости и плавность движения объектов связаны с числом передаваемых изображений (кадров) в единицу времени и с выбором временного закона развертки. Число воспроизводимых ступеней яркости на изображении — число световых градаций — определяется динамическим диапазоном системы. Геометрическое подобие переданного и принятого изображений определяется качеством синхронизации и точностью в соответствии законов развертки в преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, т.е. относительным равенством координат любого элемента растра как по полю растра, так и по времени.
Таким образом, выбор параметров системы определяется заданным качеством изображения. С другой стороны, любое повышение качества влечет за собой удорожание системы. Следовательно, качество системы и выбор ее параметров должны быть экономически обоснованы.
1.2. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал
Для восприятия окружающего нас реального мира природа наделила человека пятью чувствами, три из которых (зрение, слух, обоняние) являются дистантными, а два (осязание и вкус) — контактными. Значение стимулов, доводимых до нашего сознания разными органами чувств, далеко не одинаково. Физиологи утверждают, что 80...85 % всех ощущений человек воспринимает через зрение. Но как ни изумительно устроен глаз человека, мы видим малую часть нашего непосредственного окружения, и только то, что излучает или рассеивает падающий свет, который, как известно, занимает весьма узкий диапазон электромагнитных колебаний.
Известно, что весь спектр электромагнитных колебаний условно делят на две части: лежащие ниже 3000 ГГц относят к радиоволнам, а выше — к оптическому диапазону. Видимая часть спектра лежит в области оптического диапазона и составляет лишь узкий участок (380...760 нм). На этом участке размещаются все видимые цвета: от фиолетового до красного (рис. 1.3,а). На рис. 1.3 показана кривая относительной спектральной чувствительности глаза, или, как иногда ее называют, стандартной кривой относительной видности глаза. Максимальная спектральная чувствительность глаза находится в области желто-зеленой части видимого спектра частот (0,55 мкм). Слева и справа от максимума кривой видности глаза, где располагаются синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза падает. Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона различает одинаково. Это обстоятельство было учтено при создании совместимых систем цветного телевидения (см. гл. 12).
Телевизионная система может расширить зрительные возможности человека, т.е. она способна видеть то, что человек не может видеть невооруженным глазом. Источником ТВ сигнала может быть любое излучение не только в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный преобразователь имел соответствующую спектральную чувствительность.
Следовательно, с помощью телевидения можно сделать видимыми объекты, невидимые простым глазом.
При передаче черно-белого ТВ изображения каждый элемент характеризуется мгновенным значением яркости. В процессе развертки, т.е. последовательной во времени передачи элементов изображения, образуется сигнал яркости как функция времени. Для получения этого сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в электрический сигнал, что осуществляется в современном телевидении устройствами, использующими фотоэффект. Под фотоэффектом понимается возможность освобождения электронов в веществе под действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать вещество, тогда это называется внешним фотоэффектом, или оставаться свободными внутри вещества, увеличивая его проводимость, тогда это называется внутренним фотоэффектом. В первом случае процесс вылета электронов из вещества называется фотоэмиссией, а во втором — электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в нем, называются электронами фотопроводимости.
Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении электронной эмиссии с поверхности некоторых металлов, облучаемых лучистым потоком [8].
Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, преодолевая работу выхода. Ясно, что световые лучи, обладающие небольшой энергией световых квантов, не способны вырвать ни одного электрона из вещества, следовательно, во внешней цепи не будет тока. Если световой квант обладает большой энергией, то он способен освободить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмиссионный ток. Он будет пропорционален световому потоку, если прибор, в котором этот процесс реализуется (фотоэлемент), работает в режиме насыщения. Тогда все элементы, испускаемые данным веществом, попадают во внешнюю цепь потока в электрический ток при внешнем фотоэффекте безынерционно. Основные закономерности внешнего фотоэффекта установлены А.Г. Столетовым в 1888-1890 гг.
При внутреннем фотоэффекте за счет поглощения энергии излучения увеличивается энергия отдельных электронов вещества и нарушаются связи электронов с ядром своего атома, в результате чего внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны не покидают вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости. Это приводит к изменению сопротивления фотослоя. Возбужденный светом электрон через некоторое время рекомбинирует, т.е. возвращается в заполненную зону. Скорость этого процесса возрастает по мере увеличения концентрации фото-генерированных электронов. При неизменном потоке излучения скорость генерации носителей постоянна, скорость рекомбинации возрастает, поэтому через определенный промежуток времени интенсивность рекомбинации становится равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние — стационарное значение проводимости.
При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя некоторое время. Следовательно, нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются процессом инерционным.
Квантовый выход, т.е. отношение числа фотоэлектронов к числу падающих квантов света, при внутреннем фотоэффекте значительно выше, чем при внешнем. При внешнем фотоэффекте выбитые квантами света фотоэлектроны должны совершить «работу выхода», чтобы покинуть свою среду, т.е. иметь большой запас энергии. При внутреннем фотоэффекте фотоэлектроны работу выхода не совершают, они только отрываются от своих атомов и остаются в пределах фотопроводника. При этом требуется значительно меньше энергии. Следовательно, оптико-электронные преобразователи, использующие явление внутреннего фотоэффекта, обладают более высокой чувствительностью, и поэтому современные датчики телевизионных сигналов используют в основном принцип внутреннего фотоэффекта [9].
1.3. Обобщенная структурная схема телевизионной системы
Общая задача телевидения — преобразование световой энергии в электрический сигнал, передача этого сигнала по каналу связи и, наконец, преобразование на приемном конце электрического сигнала в оптическое изображение. Исходя из этого строится ТВ система, включающая весь комплекс технических средств, обеспечивающих получение на приемном устройстве зрительной информации о передаваемом объекте. В зависимости от назначения системы объем и
устройство технических средств могут быть различными, но они характеризуются общими для всех систем свойствами. Обобщенные, характерные для ТВ системы устройства и их взаимосвязь представлены в структурной схеме рис. 1.4.
Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптическое изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-электронного преобразователя 2. Это устройство преобразует световую энергию в электрическую.
Оптическое изображение проецируется на мишень передающей трубки или на твердотельный датчик ТВ сигналов, и с этих устройств снимаются заряды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал. С помощью развертывающего устройства 3 получают последовательные электрические импульсы. Электрические импульсы, несущие информацию о яркости изображения, называются яркостнъш, сигналом.
Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синтезирующих устройств, обеспечивающих идентичность положения координат точек на передающем и приемных устройствах, необходимо генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации. Синхронность достигается при равенстве частоты разверток на анализирующем и синтезирующих устройствах, а синфазность — при точном начале их работы. Для выполнения этих условий в телевидении используется принудительная синхронизация. Сигналы синхронизации вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации вырабатываются с частотой строк, другие — с частотой кадров. Эти импульсы поступают в развертывающее устройство 3, а также в усилитель 5, где суммируются с сигналом яркости и поступают в передающее устройство 6.
В ТВ системе развертывающие устройства на передающей и приемной сторонах работают в автоколебательном режиме. Поэтому сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройствами передающей части.
Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения лучей передающей и приемной трубок во время их обратных ходов, называемых гасящими импульсами. На вершинах гасящих импульсов располагаются синхронизирующие импульсы.
Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения называется сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигнала синхронизации, называется полным сигналом яркости.
В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей. Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль канала связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, кабельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие линии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сигнала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может подвергаться различным преобразованиям, но на выходе должен восстанавливаться полный ТВ радиосигнал.
В приемном устройстве 8 происходит усиление телевизионного радиосигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его детектирование. После детектирования видеосигнал поступает на усилитель видеосигналов 9, где происходит усиление сигнала до необходимой величины для управления преобразователем сигнал-свет (кинескоп, приемная трубка) 10, и на селектор импульсов синхронизации 11. В этом устройстве осуществляется выделение из видеосигнала импульсов синхронизации. Эти импульсы управляют развертывающими устройствами 12, обеспечивая синхронность и синфазность движения сканирующих элементов анализирующего и синтезирующих устройств.
Г л а в а 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1 Характеристики оптического изображения
Процесс телевизионной передачи начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных предметов, расположенных в пространстве. Качество оптического изображения определяется рядом факторов и не имеет единой, обобщенной количествен-. 
ной оценки. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного преобразования характеристики оптического изображения.
Освещенность в плоскости оптического изображения Еу определяется освещенностью объекта Еоб, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения роб; и параметрами объектива. Она может быть определена как
где т — коэффициент прозрачности объектива; О = D/f — относительное отверстие объектива, определяемое отношением диаметра его входного зрачка D к фокусному расстоянию f'; т = Уо/Уоб — линейный масштаб изображения; уоб и ус, — линейные размеры объекта и оптического изображения соответственно.
Относительное отверстие объектива регулируется с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка. Фокусное расстояние объектива выбирается по известным значениям расстояния до объекта ао (рис. 2.1) и масштаба изображения т для получения репродукции с крупным, средним или тому подобным планом; с достаточной точностью при малых значениях т фокусное расстояние может быть определено как f' к тАц.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива.
Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в оптических системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в виде некоторого кружка, а две близко расположенные светлые точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся отдельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему, — разрешающей способностью объектива. Разрешающая способность оценивается максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на изображении. Аберрации уменьшаются с приближением пучков к параксиальным, поэтому разрешающая способность объектива увеличивается при диафрагми-ровании, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако это справедливо до тех пор, пока О > 1/20. Дальнейшее уменьшение относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, снижающих разрешающую способность.
При передаче изображений объектов, протяженных по глубине, разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей, расположенных на одном от него расстоянии Ао, т.е. в плоскости sо, сопряженной с плоскостью резкого изображения (см. рис. 2.1). Точки, расположенные дальше и ближе к этой плоскости, например в плоскостях S1 и S2 соответственно, будут воспроизводиться на изображении кружками различных диаметров (кружки размытия). Глубина резкости — глубина воспроизводимого пространства ∆А = A1 –А2, для которого максимально допустимый диаметр кружка размытия d принимают обычно равным линейному размеру одного элемента разложения изображения d = h/z, где h — высота изображения на светочувствительном слое (мишени) передающей трубки;
z — число строк разложения.
Из уравнения тонкой линзы
Учитывая, что для каждого типа преобразователя свет-сигнал высота изображения h жестко задана его конструктивными особенностями, глубина резкости практически определяется относительным отверстием объектива и квадратом линейного масштаба изображения. Требуемое значение глубины резкости зависит от характера изображения и от художественного замысла режиссера: она не должна быть слишком большой, чтобы «не засорять» изображение «лишними» деталями, например тонкой структурой декораций, и в то же время не должна быть слишком малой, чтобы обеспечить качественное воспроизведение изображений актеров при их перемещении в рабочем пространстве сцены.
Геометрические (координатные) искажения, возникающие в оптической системе, обычно пренебрежимо малы, но могут оказаться заметными при некоторых нарушениях нормальных условий оптической проекции. Так, при передаче изображений плоских объектов (графики, картины, чертежи, фасады зданий и т.д.) возникают трапецеидальные искажения прямоугольных форм из-за несоблюдения параллельности плоскостей светочувствительной мишени и объекта
(наклон камеры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг оптической оси (наклон камеры влево или вправо) приводит к диагональной композиции и т.д.
По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб их изображения, и удаленное пространство как бы сжимается — две параллельные линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну точку. Такая точка называется точкой схода, а сама трансформация пространства на изображении называется перспективой. Точка схода тем ближе, чем больше угол зрения системы. Искажения перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же ограниченное пространство рассматривается под разными углами зрения — глазом и передающей ТВ камерой. В прикладных телевизионных системах, когда необходима документальная точность, все эти искажения должны жестко регламентироваться.
Количественное нормирование параметров оптических изображений, и в частности изображения на экране приемника, обязательно должно учитывать параметры и характеристики зрительной системы.
2.2. Зрительная система. Основные параметры телевизионного изображения
Зрительная система. Получение зрительной информации о внешнем мире — форме вещей, их пространственном расположении, цвете, движении и т.п. осуществляется с помощью зрительной системы. Зрительная система состоит из органа зрения — глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз представляет собой оптическую систему с углом зрения порядка 120°, которая с помощью хрусталика формирует изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя образует светочувствительную поверхность дна глазного яблока. Оптическая система глаза легко управляется с помощью хорошо организованного мышечного аппарата. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаз автоматически фокусирует изображение тех предметов, которые мы хотим рассмотреть в данный момент. Диапазон фокусировки охватывает предметы, удаленные от наблюдателя на десятки сантиметров и до бесконечности. Кроме того, оптическая ось глаза автоматически устанавливается так, чтобы подвергающееся рассматриванию изображение проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа) с наибольшей разрешающей способностью.
Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из светочувствительных нервных окончаний. Существует два вида нервных окончаний — фоторецепторов: колбочки и палочки. Колбочки — рецепторы аппарата дневного зрения. Дневное зрение характеризуется малой светочувствительностью, но большой разрешающей способностью и цветоразличительными свойствами. Палочки — рецепторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью различать цвета и имеющего малую разрешающую способность, но большую световую чувствительность. Центральная часть сетчатки (с угловыми размерами 1...30) содержит только колбочки, а перифирия — колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фоторецепторы через сложную нервную систему связаны со зрительным центром головного мозга.
Световое раздражение сетчатки вызывает появление электрических импульсов с различными частотами повторения, которые по сложным цепям проводящей системы поступают к головному мозгу. Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, он подвергается сложной обработке — кодированию. Механизмы анализа зрительной информации, ее обработки, кодирования и дешифровки еще далеко не изучены.
При реализации различных систем воспроизведения изображений необходимо обеспечить рациональное приближение изображения к образу, непосредственно воспринимаемому зрением. Поэтому при построении ТВ системы необходимо соответствующим образом согласовать ее параметры со свойствами зрительной системы.
Рассмотрим характеристики зрительного восприятия и оценим ориентировочные значения основных параметров ТВ изображения.
Число строк. Формат кадра. Предельная способность зрительной системы видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью (остротой зрения). Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного или стереоскопического зрения. И та и другая острота зрения зависят от разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы. Для нормального зрения доминирующую роль играет разрешение сетчатки. Однако определять остроту зрения только по статическим характеристикам нельзя. Глаз — динамическая оптическая система. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока — тремором. Кроме того, оптическая ось глаза обегает контуры (границы раздела полей разной яркости) изображения, как бы выбирая наиболее существенную информацию. Эти движения глаза оказывают весьма существенное влияние и на остроту зрения, увеличивая ее по сравнению со статической (расчетной).
Рассмотрим усредненные характеристики глаза для большого числа наблюдателей с нормальным зрением. Разрешающая способность глаза характеризуется наименьшим угловым расстоянием 6 между двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние изменяется в значительных пределах при изменении яркости наблюдаемых точек и их контраста относительно фона. На рис. 2.2 приведена экспериментальная зависимость остроты зрения
(величины, обратной 6), отнесенной к значению Voi соответствующему
6 = 1', от 
яркости L. Характер этой зависимости может быть объяснен следующим образом. Малые световые сигналы не в состоянии вызывать в одном нервном окончании (рецепторе) сигнал, отличающийся от собственных шумов и флуктуации квантов падающего света. Поэтому при малых световых раздражениях сигналы от нескольких рецепторов, объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное поле), суммируются, что увеличивает световую чувствительность, но снижает разрешающую способность. По мере увеличения освещенности площадь рецептивного поля (за счет уменьшения числа объединенных рецепторов) уменьшается, и разрешающая способность растет. Однако площадь рецептивного поля может убывать лишь до значения, определяемого размерами одного рецептора, поэтому предельная разрешающая способность ограничивается раздельным возбуждением двух рядом лежащих нервных окончаний сетчатки. Этим объясняется верхний загиб кривой рис. 2.2.
В практике телевидения максимальные значения яркостей экрана приемной трубки достигают примерно 200... 300 кд/м2. При этом для «стандартного» глаза разрешающая способность определяется минимальным угловым расстоянием бmin = 1 при достаточно большом контрасте и неограниченном времени наблюдения.
Из-за неоднородностей структуры сетчатки острота зрения уменьшается по мере удаления от центрального углубления этой оболочки на угловое расстояние а° (рис. 2.3). Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°), основная зрительная информация, поступающая в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения αя. Приняв размеры поля ясного зрения по вертикали αяв. = 12° и по горизонтали αяг. = 16° и положив разрешение глаза 6miп = l', получим число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения
Nя= (αяг / 6miп)(αяв./ 6miп)=(16·60/1)(12 ·60/1) = 0,7 • 106.
Назначением ТВ системы является создание репродукции оптического изображения. Телевизионное изображение должно обеспечивать отображение передаваемого образа таким же, каким его воспринимает зритель при непосредственном наблюдении. Однако для начального этапа построения ТВ систем было характерно использование более простых технических решений по статистическому согласованию параметров ТВ систем со свойствами зрительной системы. В частности, для сокращения объема передаваемой информации были уменьшены поле зрения, разрешающая способность ТВ систем и число мельканий изображения, а также не передавалась информация о его цвете и объеме. В то же время применялись системы более простые в реализации, но с большой информационной избыточностью — с постоянными неадаптируемыми параметрами для передачи обширного ансамбля всевозможных изображений. Подобным образом были реализованы вещательные ТВ системы с «постоянной» разрешающей способностью во времени и в пространстве (по полю изображения) для наблюдения любых статических и динамических изображений только в пространственном угле, равном углу ясного зрения α°я.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 186 | Нарушение авторских прав