Нормирование основных параметров систем и искажений телевизионного изображения

Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, тождественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта задача может быть решена с помощью стереоцветной телевизионной системы со значительно более высокими качественными показателями, чем у современных систем, за счет использования новых методов и средств формирования, передачи и воспроизведения видеоинформации. В настоящее время тождественность передаваемого и воспроизводимого изображений в первую очередь ограничивает основные параметры системы вещательного телевидения: формат кадра, число строк, число кадров, передаваемых в одну секунду, число мельканий, число полутонов и их распределение в динамическом диапазоне

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения____________63

изменения яркости репродукции, цветовой охват и др. Кроме этих ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу нарушается и из-за искажений изображения, возникающих практически во всех элементах ТВ системы.

В настоящее время объективная и субъективная оценки параметров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также условия его наблюдения и обработка результатов измерений регламентированы документами МККР, ГОСТ 7845-92, ГОСТ 26320-84 и др. Большинство норм на искажения изображения базируется на свойствах зрительной системы человека и экспериментальных статистических исследованиях по определению допустимых значений этих искажений. Параметры электрических сигналов и их искажений в разных точках тракта, как правило, оцениваются объективными методами с помощью специальных измерительных приборов, а результирующее качество ТВ изображений — визуально, по изображению универсальных оптических или электронных телевизионных испытательных таблиц (УЭИТ).

Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и методику их оценки.

4.2. Геометрические (координатные) искажения

Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за изменения координат передаваемых объектов. Эти искажения проявляются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимого ТВ изображения его оригиналу. Геометрическое подобие нарушается в основном из-за неидентичности формы растра и относительных скоростей строчной или (и) кадровой развертки при анализе и синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет.

Номинальный формат растра k = b/h = 4/3 и относительные скорости разверток Ук,стр(<) = const жестко заданы. Поэтому оценка геометрических искажений производится по отклонению от номинальных значений указанных параметров с помощью коэффициентов геометрических искажений.

На рис. 4.1 приведены наиболее характерные геометрические искажения формы растра. Коэф4)ициенты геометрических искажений для этих частных случаев оцениваются следующим образом:

• при дисторсиях бочкообразного или подушкообразного вида, возникающих в электронно-оптических системах фотоэлектрических преобразователей (рис. 4.1,а,б):

64__________________ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

• при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за нарушения ортогональности оптической или электрической оси к плоскости изображения (рис. 4.1, б):

• при искажениях типа «параллелограмм», возникающих из-за нарушения ортогональности отклоняющих полей строчной или кадровой развертки (рис. 4.1,г):

• при несоответствии формата кадра на передаче и приеме (b/h) -f-•Ф- (b/hn) / (bn/h) из-за нарушения соотношения размеров растра по вертикали или по горизонтали, т.е. значений отклоняющих полей кадровой или строчной развертки (рис. 4.1,(?,е). Оценка величин искажений в большинстве случаев нецелесообразна, так как искажения этого вида легко корректируются с помощью оперативных регулировок размеров изображения по вертикали и горизонтали;

• при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных периодических помех (рис. 4.1,3ft;).

Геометрические искажения возникают также из-за неидентичности относительных скоростей движения лучей передающей и приемной трубок по вертикали или (и) горизонтали. Практически это чаще всего происходит при нарушении на одной из сторон условия постоянства скоростей движения луча по вертикали или (и) горизонтали г;к,стр(/) = var, т.е. из-за нелинейности токов кадровой или (и) строчной развертки. В этом случае геометрические искаже-

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения _________65

ния в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно (рис. 4.2,о,б) оцениваются следующим образом:

ГДе /Imax, /Imin (Ьщах, &min) —— ЭКСТреМаЛЬНЫС ЗНВЧСНИЯ ВЫСОТЫ (шИ-

рины) элементов телевизионной испытательной таблицы типа «шахматное поле» на экране кинескопа.

Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практически незаметна, а при нелинейности (8...12) % изображение воспринимается еще как хорошее.

Измерение величин геометрических искажений изображений производится по квадратным или прямоугольным испытательным элементам, входящим в состав специализированных (например, «шахматное поле», см. рис. 4.8) или универсальных испытательных таблиц. Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее проводить по испытательным элементам в виде окружностей, так как искажения формы этих испытательных элементов более заметны: оценка производится дифференциально по сравнительно большой площади таблицы и нарушение любой части окружности в любом участке поля изображения четко отмечается зрительной системой.

4.3. Полутоновые (градационные) искажения

Полутоновые искажения ТВ изображения возникают, как было отмечено в разд. 2.2, из-за уменьшения динамического диапазона изменения яркости оригинала — максимального контраста J\"niax (2.6),

66 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

изменения условий наблюдения изображения (паразитных засветок, размеров изображения и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за увеличения порогового контраста (Л.Ь/Ьф)пор.

В результате число полутонов (число пороговых градаций яркости) -4из в ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом полутонов Ay при непосредственном наблюдении оригинала. В связи с этим ухудшается распознавание объектов.

Для улучшения распознаваемости деталей при Лиз = const (Л'из = const, ^из max = const) приходится перераспределять это число градаций по динамическому диапазону изменения яркости репродукции — увеличивать число полутонов в сюлсетно важном участке диапазона в области белого, т.е. для хорошо (и специально) освещенных деталей изображения (за счет ухудшения распознаваемости объектов — уменьшения числа градаций, в области черного). Подобная операция производится с помощью гамма-корректора (см. гл. 15). Она сводится к тому, что форма характеристики передачи уровней яркости ТВ системы изменяется гамма-корректором так, чтобы она соответствовала параболической функции с показателем степени 7с = 1,2...1,3 (см. рис. 2.7).

Форма характеристики передачи уровней яркости системы определяется формой световых характеристик фотоэлектрических преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, а также формой амплитудной характеристики (АХ) тракта передачи сигнала яркости. Как правило, АХ тракта передачи ТВ сигнала — зависимость выходного напряжения от входного с/вых = /(^вх) — линейна. Поэтому нелинейные искажения сигнала яркости в тракте передачи, как правило, сравнительно мало влияют на число воспроизводимых градаций.

Основное влияние на полутоновые искажения оказывают параметры световых характеристик преобразователей. Помимо того, что форма этих характеристик для различных датчиков ТВ сигнала различна, большое значение имеет и разброс характеристик передающих и приемных трубок, так же как и выбор рациональных режимов их работы. Поэтому каждый датчик ТВ сигнала содержит индивидуальный гамма-корректор, форма АХ которого выбирается с учетом номинальной усредненной формы световой (модуляционной) характеристики кинескопов.

Все эти причины создают большие трудности по реализации оптимальных условий воспроизведения полутонов, число которых сильно зависит и от конкретной индивидуальной настройки режима работы кинескопа (органы управления «Яркость» и «Контрастность» ТВ приемника).

Так как номинальное число градаций в соответствии с (2.5) для сравнительно крупных деталей достигает нескольких десятков, то оперативно измерить число воспроизводимых градаций ТВ репродукции практически не представляется возможным. Поэтому для ориентировочной оценки качества воспроизведения полутонов используют,

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 67

как правило, 10-градационный клин — горизонтальную шкалу уровней (перепадов) яркости от -Lmin до -Lmaxi каждый элемент которого отличается по яркости от соседнего на несколько пороговых градаций (см. рис. 4.9). В оптических телевизионных испытательных таблицах (ТИТ) используют шкалы с логарифмическим, квадратичным или линейным распределением яркости вдоль шкалы. В электронных ТИТ эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с равномерными перепадами напряжения («ступеньками») (рис. 4.3,а).

Нелинейные искажения сигнала яркости, возникающие из-за нелинейной формы АХ тракта передачи, также оцениваются с помощью ступенчатого или пилообразного сигнала. Для удобства измерений в этот сигнал вводятся синусоидальные колебания с частотой 1,2 МГц и размахом порядка 10 % от размаха сигнала яркости (рис. 4.3,6). На выходе тракта или его участка синусоидальная насадка выделяется полосовым фильтром (рис. 4.3,в). Коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле

где тПтах, "1'min — экстремальные значения размаха синусоидального сигнала, пропорциональные соответствующим значениям крутизны АХ (дифференциальному усилению на частоте 1,2 МГц).

Для более точного описания нелинейности АХ целесообразно использовать раздельную оценку коэффициентов нелинейных искажений для областей белого и черного:

где те, тп., — экстремальные значения размаха синусоидального сигнала в областях белого и черного соответственно; тер — размах сигнала в середине пакета синусоидальных колебаний (рис. 4.3,в).

68 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображения может вызвать также неравномерность яркости фона, возникающую из-за специфических искажений в передающих трубках («черное пятно», см. гл. 6) и нечеткой фиксации уровня черного ТВ сигнала (см. гл. 15).

Наилучшее качество изображения получают установкой (методом последовательных приближений) оптимальных значений яркости и контрастности изображения на экране кинескопа так, чтобы добиться максимально возможного числа различимых глазом уровней яркости градационной шкалы (см. рис. 4.9). При различении 8-9 градаций яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим.

4.4. Искажения яркости мелких деталей и вертикальных границ крупных деталей (искажения четкости и резкости)

Четкость изображения оценивается относительным размером минимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость — относительным размером границы между фоном и деталью с равномерной яркостью; причем длительность сигнала от этой детали должна превышать длительность переходных процессов в системе (см. гл. 2). Размеры деталей и границ измеряются в относительных единицах — по отношению к высоте изображения h, а четкость определяется в условных единицах — телевизионных линиях (ТВЛ). Например, если визуально на репродукции различаются детали размером не менее (l/500)/i, то четкость изображения составит 500 ТВ линий. Параметры четкости и резкости изображения связаны между собой, так как характеризуют способность системы реагировать на быстрые изменения яркости оптического изображения. В отличие от фото- и кинорепродукций четкость ТВ изображения оценивают раздельно по вертикали и горизонтали из-за того, что их значения ограничиваются разными факторами.

Номинальная четкость изображения по вертикали определяется дискретной структурой растра — числом строк разложения изображения;; = 625. Так как конфигурация одного элемента изображения принимается в виде квадрата или окружности размером h/z, то вдоль строки изображения должно содержаться пропорциональное число элементов разложения: в соответствии с форматом кадра k = b/lt = 4/3 оно определится как kz к, (4/3)625 «800.

Номинальная четкость изображения по горизонтали зависит в основном от ширины спектра сигнала яркости, так как высокочастотные составляющие спектра несут информацию о мелких деталях изображения и качество их передачи определяет разрешающую способность ТВ системы в этом направлении.

Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать ее номинальное значение из-за ограничений, накладываемых норми-

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 69

рованными параметрами системы — числом строк г = 625 и шириной спектра А/» 6 МГц сигнала яркости, определяющих воспроизведение минимальной детали в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно. Поэтому искажения четкости (резкости) всегда связаны с уменьшением ее номинального значения, ограничиваемого реальными параметрами данной ТВ системы, и в частности:

• четкость в обоих направлениях — качеством фюкусировки, аберрациями в оптических системах, внутренними и внешними засветками, а также формой апертурных (частотно-контрастных) характеристик электронно-оптических систем фотоэлектрических преобразователей (см. гл. 6 и 7);

• четкость по вертикали — качеством чересстрочной развертки;

• четкость по горизонтали — реальной шириной спектра ТВ сигнала, т.е. линейными искажениями в области высоких частот

тракта передачи сигнала яркости.

Как известно, линейные искажения тракта и его участков описываются с помощью разных, но полностью равноправных методов анализа — с помощью частотных характеристик: у(ш) — амплитудно-частотной (АЧХ) и 1р(ш) — фазо-частотной (ФЧХ), а также с помощью h(t) —- переходной характеристики (ПХ) как реакции системы на единичный скачок яркости (или сигнала изображения). «Язык» частотных характеристик более удобен для анализа конкретных причин, способов коррекции и определения результирующих искажений тракта по частным параметрам его участков. Недостаток этого метода — трудность анализа влияния величин и характера линейных искажений на проявление их в изображении. Достоинство ПХ — четкая качественная связь искажений изображения с искажениями формы ТВ сигнала. Поэтому эти методы удачно дополняют друг друга, что и определяет целесообразность их сопоставления.

На рис. 4.4 приведены типичные случаи искажений АЧХ в области высоких частот полосы пропускания тракта и качественно соответствующие им формы ПХ в области малых времен, соизмеримых со временем передачи одного элемента изображения. Пусть форма кривых 1 этих характеристик соответствует номинальным — нормированным в соответствии с принятыми параметрами ТВ системы и допустимыми искажениями изображения: спадом АЧХ ув1 на верхней граничной частоте /в (или Шц) полосы пропускания и длительностью фронта ПХ тф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9 ее установившегося значения.

Спад АЧХ увз < Ув1 и соответствующее увеличение длительности фронта ПХ тфа > тф1 приводит к уменьшению уровня высокочастотных составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от мелких деталей и увеличению длительности перепадов. Как следствие, четкость и резкость изображения в горизонтальном направлении уменьшаются, так как контраст самых мелких деталей становится ниже порогового, а протяженность границ деталей увеличивается.

70 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ Увз > Ув1 и соответствующее уменьшение длительности фронта ПХ гфз < тф1, приводят к некоторому повышению четкости. При этом на горизонтальной части ПХ может возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответствии с искажениями формы ПХ искажаются и детали изображения:

после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возникнуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей интенсивностью (ложные контуры). Если же колебательный процесс апериодичен, т.е. имеется только один первый выброс 6, то границы детали как бы подчеркиваются. Эти искажения называются «пластикой». В ряде случаев небольшая пластика может быть даже полезна, так как за счет подчеркивания границ деталей улучшается распознаваемость объектов.

Следует еще раз отметить, что существенное повышение четкости можно получить только за счет увеличения числа строк разложения и расширения спектра ТВ сигнала /в > б МГц (при соответствующем увеличении полосы пропускания канала связи), что практически реализуется только в специальных системах ТВЧ при г = 1000...3000 и /в = n2²/'2 = 15... 150 МГц (для аналогового сигнала).

Для оценки четкости по горизонтали ТВ изображения используются вертикальные штриховые миры с одним-тремя штрихами одинаковой толщины d, а также многоштриховые миры с одинаковой или с плавно меняющейся по вертикали толщиной штрихов, т.е. фигуры, состоящей из нескольких вертикальных черных клиньев (и подобными же белыми промежутками между ними, см. рис. 4.9). В электронных ТИТ для этой цели используются пакеты синусоидальных колебаний с частотами 2,8...5,8 МГц. Около этих мир, как правило, нанесены числа условных единиц четкости, соответствующие примерно относительной толщине штрихов h/d = 200...500 ТВ линий. Для количественной оценки четкости наблюдатель определяет область, где штрихи миры перестают различаться. Резкость воспроизведения

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 71

вертикальных границ оценивается по осциллограмме длительности фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ.

Оценка четкости в вертикальном направлении с помощью горизонтальных штриховых мир затруднена муаром, возникающим из-за биений достаточно близких пространственных частот, которые образуются дискретными структурами ТВ растра и штрихов миры. Поэтому с помощью ТИТ ориентировочно оценивается только качество чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий (см. рис. 4.9). При слипании (сближении) строк четного и нечетного полей растра эти линии воспроизводятся в виде ступенчатых кривых.

4.5. Искажения яркости средних и крупных

деталей

Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображения, так же как и мелких, возникают в большинстве случаев из-за линейных искажений в тракте передачи сигнала. Но в данном случае изменение яркости деталей является следствием искажений АЧХ в области низких частот полосы пропускания, т.е. ПХ в области средних и больших времен, сравнимых соответственно с длительностями строки и кадра. Поэтому термины «средние» и «крупные» детали в достаточной мере условны, так как речь идет об искажениях яркостей деталей (и фона за ними), размеры которых по горизонтали сравнимы с длиной активной части строки &а (рис. 4.5,6), а по верти- • кали — и с высотой кадра /г соответственно. Практически вместо ПХ анализируется реакция системы на П-образные импульсы, длительности которых сравнимы с указанными временными интервалами.

В широкополосных резисторных видеоусилителях переменного тока линейные искажения в области низких частот (спад АЧХ уц2) рис. 4.5,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепочек ДдСп между каскадами. Эти дифференцирующие цепочки представляют собой частотно-зависимые делители сигнала, проявляющие

72 ЧАСТЬ I. физические основы телевидения

свои свойства на низких частотах полосы пропускания. В результате даже сравнительно слабого дифференцирования импульса (от детали средних размеров) на вершине его появляется спад, а за ней — тянущееся продолжение с постепенно убывающей интенсивностью. Так как при этом размахи переднего и заднего фронтов импульса (перепады яркости) передаются без искажений, то уменьшение напряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение яркости фона за деталью Д^'п) численно равно величине спада вершины импульса (уменьшению яркости детали ДЬ^д = Ьц — L'^ = ДЬ^ при линейном преобразовании свет-сигнал, рис. 4.5Д кривая 2).

Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при передаче белой детали с наибольшей яркостью Z/д на сером фоне Ьф (размером примерно Ьа/2); даже если яркость детали L^ в результате искажений уменьшится только на несколько процентов (относительно 1»д), это может привести к значительному уменьшению яркости фона Ьф за деталью — на десятки процентов изменения яркости Ьф, так как Ьф < L^, а Д^ф = Дг^п- Например, при практически незаметном изменении яркости детали на

и контрасте между деталью и фоном Яд = Ьд/Ьф = 20 яркость фона после детали уменьшится (при линейном преобразовании сигнал-свет 7пр = 1> см. гл. 15) на

При нелинейном преобразовании сигнал-свет, например, в кинескопе с 7пр > 1) изменение яркости фона будет несколько меньшей интенсивности, так как в этом случае Д^^п ^< ^•^'cn- Но во всех случаях подобные искажения изображения четко отмечаются глазом как медленно уменьшающееся черное тянущееся продолжение вдоль строки за белой деталью «за белым — черное» (или за черной деталью белое продолжение: «за черным — белое»).

При перекоррекции АЧХ унз (рис. 4.5, кривая 3) за деталями могут возникнуть тянущиеся продолжения того же «знака» («за белым — белое», «за черным— черное»). Однако эти искажения менее заметны на изображении из-за сравнительно меньшего относительного изменения яркости фона за деталями.

Длительность сигнала изображения от крупных деталей, размер которых составляет некоторую часть кадра, во много раз превышает длительность сигнала от средних деталей. Поэтому он иска/кается значительно больше при прочих равных условиях. Максимальные искажения будут наблюдаться при передаче белой и серой горизонтальных «деталей» с размерами каждой, примерно равными полови-

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 73

не кадра (см. рис. 15.5). При этом тянущиеся продолжения могут весьма заметно исказить яркость серой части кадра на значительной его площади. Однако эти искажения, как правило, частично корректируются с помощью фиксации уровня черного ТВ сигнала во время следования строчных гасящих импульсов (см. гл. 15). В результате фиксации уровня черного значение остаточных искажений яркости деталей и фона получается такого же порядка, как и у деталей средних размеров. Заметим, что с помощью фиксации уровня черного изменение яркости внутри активной части строки не корректируются.

Таким образом, специфика искажений средних и крупных деталей заключается в четкой заметности даже весьма малых значений этих искажений, а также в необычном проявлении их на изображении, особенно за движущимися деталями. Они воспринимаются в основном как тянущиеся продолжения за деталями, т.е. как появление заведомо ложных фрагментов, не содержащихся в подавляющем большинстве передаваемых изображений и не возникающих ни в фото-, ни в кинорепродукциях.

Оценка величины тянущихся продолжений производится по специальным испытательным сигналам, например, по симметричным П-образным импульсам с частотой следования, равной частоте строчной развертки 15625 Гц (средние детали) и с частотой следования, равной частоте кадровой развертки 50 Гц (крупные детали). Последние прорезаны строчными гасящими импульсами (см. рис. 15.5). Визуально эти искажения оцениваются по качеству воспроизведения наибольших по размеру черно-белых деталей, входящих в состав универсальных ТИТ, или по бело-серо-черным и черно-серо-белым испытательным элементам УЭИТ (см. рис. 4.9).

4.6. Цветовые искажения

Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие яркости, и оцениваются числом порогов цветоразличимости (см. гл. 2,10). Искажения цветности изображения в ТВ системах возникают из-за:

• использования реальных красного, зеленого и синего люминофоров цветных кинескопов, спектральные характеристики и насыщенность которых ограничивают воспроизведение максимального цветового охвата (диапазона воспроизводимых цветов, который может быть реализован в рамках трехкомпонентной ТВ

системы);

• использования реальных источников освещения, светоделитель-ных устройств и передающих трубок, спектральные характеристики которых не полностью обеспечивают верность цветопередачи;

• линейных и нелинейных искажений ТВ сигнала, возникающих в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал-свет, а также в тракте передачи и особенно в устройствах формирования и селекции сигналов яркости и цветности;

74 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

• разброса параметров, старения, неоптимальных режимов работы элементов системы и в первую очередь — цветных кинескопов;

• рассовмещения и неидентичности растров цветоделенных изображений, перекрестных искажений и наличия временного сдвига между сигналами яркости и цветности из-за различных условий их передачи (в частности, разной полосы пропускания соответствующих каналов тракта), которые вызывают цветные окантовки, повторы (ложные контуры) и т.п. нарушения в репродукциях деталей изображения;

• специфических особенностей передачи и селекции сигналов цветности в различных системах цветного телевидения.

С помощью специальных устройств — цветокорректоров, корректоров нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров, см. гл. 15) и др., на телецентрах производится компенсация цветовых искажений при условии использования в приемнике цветного

кинескопа со среднестатистическими нормированными характеристиками (см. гл. 7).

Цветовые искажения оцениваются по качеству воспроизведения специальных электрических испытательных сигналов, имитирующих опорные цвета. Например, широко используются сигналы, формируемые специальным генератором цветных вертикальных полос (ГЦП), с помощью которых на экране кинескопа воспроизводится восемь наиболее важных цветов: белый, желтый, голубой, пурпурный, красный, синий и черный (см. рис. 4.9). Подобные две цветовые шкалы с разной насыщенностью использованы для визуальной оценки верности цветопередачи в УЭИТ. Более подробно особенности возникновения и коррекции цветовых искажений в различных системах ЦТ рассмотрены в гл. 10 и в [13].

4.7. Флуктуационные помехи

Помехи, возникающие в процессе формирования, передачи и приема ТВ сигналов, могут значительно ухудшить качество изображения. Влияние различных помех проявляется в основном двояко: помехи на сигналы изображения вызывают нарушение яркости и цветности деталей изображения, а помехи на сигналы синхронизации разверток приводят к нарушению формы растра, т.е. к искажению

координат элементов изображения (вплоть до полного разрушения

его структуры).

Конкретные формы проявления мешающего действия помехи зависят от ее вида и интенсивности. К числу наиболее характерных помех относят:

• флуктуационные помехи;

• сетевые фоновые помехи с частотой сети и ее гармоник до 1 кГц;

• гармонические регулярные помехи в виде полос, сетки, муара,

посторонних узоров и т.д.;

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 75

• импульсные помехи различного происхождения в виде точек и штрихов различной протяженности;

• перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровождения;

• эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизионных сигналов и рассогласования линий связи;

• шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возникающие при использовании ТВ сигнала в цифровой форме для передачи и коррекции сигналов, для сокращения избыточности видеоинформации, а также для формирования видеоэффектов и преобразования стандартов различных ТВ систем.

Визуально особенно заметны помехи, быстро меняющие свою яркость и цветность или движущиеся по полю изображения, т.е. некратные частотам строк или кадров, например, сетевые, гармонические, импульсные, флуктуационные и др.

Особое место занимают флуктуационные шумы, так как в отличие от других видов помех они в принципе всегда присущи всем электронным устройствам. Причиной возникновения флуктуацион-ных помех является хаотическое движение электронов в активных сопротивлениях — тепловой шум, а также флуктуации светового потока и тока в фотоэлектрических преобразователях, усилительных элементах и т.п. Засорение ТВ сигнала шумами обычно происходит в тех узлах тракта, где размах сигнала изображения небольшой и сравним с уровнем флуктуационных помех (в передающих трубках, во входных цепях предварительных усилителей передающих камер, в линиях связи большой протяженности, во входных цепях ТВ приемников и др.), а также, как правило, при коррекции любых искажений ТВ сигнала (см. гл. 15).

Флуктуационные помехи воспроизводятся на ТВ изображении в виде мерцающих хаотически движущихся мелких точек и штрихов. Наиболее отчетливо эти помехи проявляются на серых участках изображения, где даже сравнительно незначительная их величина существенно изменяет яркость изображения. При большом уровне помех создается как бы паразитная засветка экрана. В результате ухудшаются все параметры изображения — уменьшаются четкость, резкость, контраст (особенно мелких деталей), число полутонов и т.д.

Флуктуационные помехи имеют непрерывный спектр. Поэтому величина помех и их визуальное восприятие зависят от ширины полосы пропускания канала связи и от характера распределения мощности шумов по спектру.

Спектральная плотность мощности тепловых помех на активном сопротивлении R не зависит от частоты («белый шум»)

76 ___ ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

где U ц, — действующее значение напряжения помех; k = 1,38 • 10 ²³ Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К.

Действующее значение напряжения флуктуационных помех в ограниченной полосе частот

где /н, /в — граничные частоты полосы пропускания устройства (как правило, принимают /н = 0, так как /в 'S> /н).

Спектральная плотность мощности дробовых флуктуации тока также не зависит от частоты («белый шум»). Эти помехи принято оценивать как равные тепловым по (4.10) в соответствующем эквивалентном сопротивлении шумов Яш.

Однако подобная энергетическая оценка величины помех не учитывает визуальное восприятие различных спектральных составляющих шумов из-за того, что чувствительность глаза зависит от размеров и цветности деталей. Например, низкочастотные составляющие «зеленой» флуктуационной помехи оказывают большее мешающее действие, чем высокочастотные, окрашенные в красные (или синие) тона. Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью экспериментально определенных весовых функций помех [13]:

• для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис. 4.6, кривая 1) эта функция аппроксимируется как

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 77

• для композитных сигналов (сигналов яркости, в высокочастотной области которых размещены сигналы цветности) различных систем ЦТ (рис. 4.6, кривая 2)

где Твзв = 0,245 мкс; Ь = 1/4,5; / — частота, МГц;

• для композитного сигнала системы SECAM (рис. 4.6, кривая 5) со вторым максимумом в области спектра сигнала цветности;

• для сигнала цветности системы SECAM (рис. 4.7).

Величину зашумленности ТВ сигнала принято оценивать величиной отношения сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха:

— действующее (эффективное) значение напряжения помехи и ее

взвешенное значение соответственно.

Особую роль для сопоставления и определения результирующего мешающего действия помех имеет отношение сигнал/взвешенная помеха при оценке зашумленности ТВ сигнала от источников с разной формой спектральной плотности мощности помех, например «белого шума» (передающая трубка, ее сопротивление нагрузки и др.) и «треугольного шума» (предварительный усилитель передающей камеры и др., см. гл. 15).

Различное восприятие «красных», «зеленых» и «синих» флуктуационных помех оценивается с помощью экспериментально установленных коэффициентов относительной видности, соответственно равных: q = 0,40; /Э = 1,0; е = 0,35. При этом напряжения визуально одинаковых помех соотносятся как

Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью достаточно сложных специальных приборов. Качество изображения считается хорошим, если •ф' яя 30...40 дБ.

4.8. Оценка искажений изображения по испытательным таблицам

Оперативная оценка искажений изображения по телевизионным испытательным таблицам (ТИТ) широко практикуется в ТВ системах. С помощью специализированных ТИТ оценивается обычно

¹⁰ __________________ ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

один-два качественных параметра (рис. 4.8), а с помощью универсальных — все основные (рис. 4.9). Преимущество универсальных ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо уменьшается точность оценки качественных параметров за счет огрубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных локальных местах кадра из-за ограниченных возможностей размещения в поле таблицы большого числа различных испытательных элементов.

Указанные ТИТ могут быть оптическими (рис. 4.8) или электронными (рис. 4.9). Преимуществом оптических таблиц является возможность оценки результирующего качества изображения при проверке всего тракта системы «от света до света», а также оценки величины искажений как в передающем, так и в приемном оборудовании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, к тому же еще в многочисленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно из-за сравнительно быстрого старения цветных испытательных элементов и, как следствие, из-за изменения их спектральных характеристик. Поэтому в ЦТ для оценки искажений, возникающих в видеоусилительном тракте телецентра, линиях связи и в приемниках. используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) составляется из эталонных электрических сигналов, формируемых специальным генератором. Искажения в 4'отоэлектрических преобразователях свет-сигнал оцениваются по монохромным ТИТ и специальными методами.

Универсальная электронная таблица предназначена для объективного и субъективного контроля основных параметров и искажений изображения в трактах передачи черно-белых и цветных ТВ си-

глава 4. Искажения телевизионного изображения 79

стем. Состав испытательных элементов таблицы, как правило, многофункционален. В то же время оценка тех или иных искажений производится как по различным испытательным элементам, так и по одинаковым, но расположенным в разных местах рабочего поля для дифференциальной оценки этих нарушений [102].

Рамка таблицы УЭИТ (рис. 4.9) состоит из черно-бело-черных штрихов, расположенных по ее периметру и образованных сигналами с уровнями (0/100/0) % от максимального размаха сигнала. Белые штрихи между черными полосами служат реперными линиями рабочего поля таблицы с 4>орматом 4/3.

Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное 18 (2...19) горизонтальными и 24 (б...щ) вертикальными серыми полосами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создаются синус-квадратичными импульсами длительностью 0,16...0,17 мкс;

толщина горизонтальных линий — две строки; размах сигнала линий и серых полос составляет (75/37,5) %. С помощью указанных элементов проверяются горизонтальный и вертикальный размеры изображения, их соотношение (4:>ормат кадра), центровка рабочего поля таблицы, величина геометрических искажений, качество сведения лучей цветного кинескопа и др.

При формате 4/3 реперные белые линии должны совмещаться с обрамлением экрана трубки. При формате 5/4 (используемом80 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения

в большинстве кинескопов по конструктивным соображениям) с горизонтальным обрамлением экрана должны совмещаться наружные черные края рамки, а с вертикальным — внутренние черные края. При нарушении формата квадраты сетчатого поля воспроизводятся как прямоугольники, а окружности напоминают эллипсы (при сравнительно небольших искажениях линейности строчной и кадровой разверток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы центральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана.

Геометрические (координатные) искажения оцениваются инструментально по квадратам сетчатого поля (см. § 4.2), а визуально — по окружностям в центре и в углах таблицы.

Сведение лучей цветного кинескопа проверяется по центральному перекрестию осевых сетчатого поля и осевым линиям на краях растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по углам таблицы (см. гл. 7).

Определение других параметров, как правило, требует предварительной настройки яркостного режима работы приемника — выбора оптимальных значений яркости и максимального контраста изображения (максимального размаха ТВ сигнала), при которых воспроизводится максимально различимое число градаций яркости (для данного кинескопа). Эта операция производится по шкале перепадов яркости 8б-8ц (см. § 4.3), причем черный и белый испытательные элементы шкалы 86 и 8ц являются опорными уровнями экстремальных значений яркости, определяющими максимальный контраст изображения.

Минимизация полутоновых (градационных) искажений, возникающих в процессе преобразования сигнал-свет, может быть выполнена следующим образом. Вначале регулятор «Контрастность» устанавливается на минимально возможное значение, а затем с помощью регулятора «Яркость» выбирается величина яркости изображения так, чтобы испытательный элемент шкалы 8в (уровень сигнала на 3 % «чернее» уровня черного) визуально отличался по яркости от одинаковых черных элементов 86 и 8г (0 %). После этого яркость уменьшается до потери различимости этих трех испытательных элементов, а контраст устанавливается в положение, при котором воспроизводится наибольшее число (как правило, 8-9) визуально различимых градаций шкалы.

После выполнения этой операции можно приступить к оценке значений других качественных параметров.

Четкость по горизонтали (воспроизведение мелких черно-белых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четкости 13б-13щ и подобным же испытательным элементам мир внутри окружностей в углах таблицы (см. § 4.4). В центральной части таблицы штрихи образованы семью пакетами синусоидальных колебаний с частотами 2,8, 3,8, 4,8 и 5,8 МГц, что соответствует четкости 200, 300, 400 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами 2, 3, 4 и 5), а

ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 81

в углах — колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ линий). Отсчет четкости производится по визуальному различению наименьших черно-белых штрихов.

Резкость воспроизведения вертикальных громив деталей изображения характеризуется интервалом времени нарастания от 10%- до 90%-ного уровня сигнала изображения. Он измеряется с помощью осциллографа с выделением строки по сигналу от черно-белых квадратов 16и-16т.

Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по качеству чересстрочной развертки по воспроизведению наклонных белых линий в испытательных элементах Юс-Юх и 11е-11к. При нарушении чересстрочной развертки линии воспроизводятся с изломами.

Цветовая четкость (воспроизведение цветных деталей в горизонтальном направлении) оценивается по воспроизведению пурпурных и зеленых, желтых и синих, а также красных и голубых штрихов 9е-9х. Искажение цветности штрихов и ее неоднородность чаще всего возникают из-за неточной настройки контура селекции сигнала цветности из спектра сигнала яркости в ТВ приемнике. Частота следования сигналов штрихов 0,5 МГц.

Качество воспроизведения «средних» деталей, т.е. наличие за ними тянущихся продолжений (см. § 4.5), оценивается по бело-серо-черным Юе-lOxvi черно-серо-белым lle-llx испытательным элемен-там, а также по черно-белым квадратам 16и-16с и деталям с плавно изменяющимися горизонтальными размерами 16в-16е и 16х-16ш.

Баланс белого определяется соотношением токов трех лучей цветного кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (гра-дационной мире) 8б...8щ, все элементы которой должны воспроизводиться как черно-белые, т.е. не должны окрашиваться.

Однородность цвета по рабочему полю изображения контролируется по крупным белым, серым и черным участкам большой протяженности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках наблюдаются обширные цветные пятна с малой насыщенностью.

Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум цветовым шкалам: шкале 6-7б...6-7щ с пониженной насыщенностью (уровень «белого» 75 %, уровень «черного» 37,5 %, экстремальные уровни сигнала цветных полос (75/37,5) %, т.е. уровни всех сигналов составляют 75/37,5/75/37,5); шкале 14-156...14~15щ с повышенной насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями 75/0/75/0. Чередование цветов испытательных элементов шкалы:

белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, серый (черный). Последовательность и цветовой тон элементов обеих шкал должны соответствовать указанным цветам.

Искажения изображения типа «эхо» — многоконтурность, окантовки и т.п. — возникают из-за перекоррекции АЧХ в области

Дата добавления: 2015-11-26