[ «УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по дисциплине Основы телевидения и телевизионные системы для студентов направления 6.050901 — Радиотехника дневной и заочной форм обучения Севастополь 2012 2 УДК 621.397 Учебное пособие по дисциплине ...»
Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
Севастопольский национальный технический университет
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
по дисциплине
«Основы телевидения и телевизионные системы»
для студентов направления 6.050901 — «Радиотехника»
дневной и заочной форм обучения
Севастополь
2012
2 УДК 621.397 Учебное пособие по дисциплине «Основы телевидения и телевизионные системы» для студентов направления 6.050901 «Радиотехника» дневной и заочной форм обучения / Ю.П. Михайлюк. — Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2012. — 152 с.
Целью данной методической разработки является оказание помощи студентам очной и заочной форм обучения в изучении дисциплины «Основы телевидения и телевизионные системы».
Рассмотрено и утверждено на заседании научно-методического семинара кафедры радиотехники и телекоммуникаций (протокол № 12 от 2 июля 2011 г.).
Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.
Рецензент:
доцент кафедры РТ, канд. техн. наук, доцент Слёзкин В.Г.
Ответственный за выпуск:
заведующий кафедрой РТ, д-р техн. наук, проф. Гимпилевич Ю.Б.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение1. Основные принципы телевидения ……………………………………………... 1.1 Введение. История ТВ …………………
1.2. Реализация принципов телевидения. ТВ развертка ……….……….. 1.3. Обобщенная структурная схема ТВ системы………………………... 2. Основы зрительного восприятия.……..……………………………………… 2.1. Зрительная система человека…………………………………….…… 2.2. Основные светотехнические величины и их параметры …………… 2.3. Характеристики оптических изображений и их параметры ……….. 3. Параметры ТВ изображения …………………………………………………... 3.1. Координатные параметры …………………………………………….. 3.2. Временные параметры ………………………………………………... 3.3. Яркостные параметры ТВ изображения ………………………….….. 4. Формирование ТВ сигнала ……………………………………………………. 4.1. Основные параметры стандарта вещательного ТВ ……………….… 4.2. Состав и форма ТВ сигнала …………………………………………... 4.3. Спектр ТВ сигнала ……………………………………………….…… 5. Основы цветного ТВ ……………………………………………………….….. 5.1. Колориметрия …………………………………………………………. 5.2. Трехкомпонентное цветное зрение. Система RGB …………………. 5.3. Методы смешения цветов………………………………………….….. 5.4. Способы получения цветного изображения ………..………………. 5.5. Цветопередача в ТВ …………………………..……………………… 5.6. Основные требования к вещательной системе ЦТВ ……………..… 5.7. Яркостный и цветоразностные сигналы …………………………..… 6. Аналоговые системы вещательного цветного телевидения …………..…..… 6.1. Система ЦТВ NTSC …………………………………………………… 6.2. Система ЦТВ SECAM. ………………………………………………… 6.3. Система ЦТВ PAL ……………………………………………………. 7. Оптико-электронные преобразователи ………………………………………. 7.1. Основные показатели передающих трубок ……………………….… 7.2.Типы и законы фотоэффекта ………………………………………….. 7.3. Принцип мгновенного действия ……………………………………... 7.4.Принцип накопления заряда. ……………………………….…………. 7.5. Видикон………………………………………………………………… 7.6. Плюмбикон. ………………………………………………………..….. 7.7. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи на ПЗС ……... 8. Электронно-оптические преобразователи …………………………………… 8.1. Кинескопы черно-белого ТВ …………………………………………. 8.2. Цветной дельта кинескоп …………………………………………….. 8.3. Цветной компланарный кинескоп …………………………………… 8.4. Жидкокристаллические воспроизводящие устройства
8.5. Преобразователи на основе плазменной технологии
8.6. Преобразователи на основе органических светодиодов ………..… 9. Искажения ТВ изображений ………………………………………………… 9.1. Геометрические (координатные) искажения. ……………………… 9.2. Полутоновые (градационные) искажения. ……………………….… 9.3. Восстановление постоянной составляющей. …………………….… 10. Процессы и устройства синхронизации............………………..……….… 10.1. Требования к сигналам синхронизации …………………………... 10.2. Выделение и разделение синхроимпульсов из ТВ сигнала ……... 10.3. Синхронизация генераторов ……………………………….............. 11. Развертка ТВ изображения …………………………………………………. 11.1. Строчная развертка ………………………………………………… 11.2. Кадровая развертка ………………………………………………… 12. Организация ТВ вещания ………………………………..………….……... 12.1. Телевизионные центры …………………………………….……… 12.2. Принцип работы передающей цветной ТВ камеры ………..……. 12.3. Структура усилительного тракта (камерный канал) …………..… 12.4. Особенности наземного ТВ вещания ……………………………... 13. Принципы построения ТВ приемников..………………………………..… 13.1. Конструкция монохромного ТВ приемника …………………….... 13.2. Конструкция цветного ТВ приемника ………………..…………… 14. Общие принципы построения систем цифрового ТВ …………………..… 14.1.Основные понятия ………………..……………………………..…... 14.2. Общие характеристики форматов сжатия MPEG ………………… 14.3. Обобщенная структурная схема тракта цифрового ТВ ………..… Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Основы телевидения и телевизионные системы» входит в состав дисциплин телевизионного цикла. Дисциплина изучается студентами направления 6.050901 «Радиотехника» дневной и заочной форм обучения в 8-м и 9-м семестрах соответственно.Данное учебное пособие содержит разделы основ телевидения, электромеханических систем до современных систем цифрового телевидения.
Методическая разработка базируется на курсах лекций по дисциплине «Основы телевидения», прочитанных автором в течении последних десяти лет, и посвящена в основном традиционным аналоговым телевизионным системам.
Применительно к системам цифрового телевидения рассмотрены только самые общие принципы построения таких систем: обширность материалов по данной тематике требует подготовки отдельного методического пособия.
Методически пособие построено и написано таким образом, чтобы студент мог самостоятельно изучить разделы курса, которые на лекциях из-за ограниченного времени либо не освещаются, либо освещаются недостаточно.
1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
1.1. Введение. История ТВ Термин «телевидение» (видение на расстоянии или дальновидение) возник в 1890 г.Его впервые употребил русский военный инженер-электрик Перский в докладе «Электрическое ТВ» на Международном конгрессе в Париже.
В настоящее время телевидением называется область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом движущихся и неподвижных изображений предметов, расположенных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени.
Задачей ТВ является получение на приемном устройстве изображения, как можно более полно соответствующего объекту передачи. Эта задача решается сложным комплексом аппаратуры преобразования, кодирования, передачи, декодирования, отображения и другими операциями по обработке визуальной информации.
В основе ТВ лежат 3 физических процесса:
преобразование световой энергии в электрические сигналы;
передача и прием электрических сигналов по каналу связи;
преобразование электрических сигналов в оптическое изображение.
Первые ТВ системы имели электромеханический принцип передачи и приема изображений и назывались дисковизорами. Изображение, которое нам демонстрирует телевизор, — иллюзия, возникающая благодаря инерционности нашего зрения. На самом деле в каждый момент времени на экране присутствует одна единственная точка. Но благодаря развертке — процессу быстрого перемещения светящейся точки по экрану — телевизор умеет показывать мультики, кино и рекламу В таких системах развертка изображения осуществлялась с помощью особого диска, изобретенного в 1884 г. немецким студентом Паулем Нипковым, и названного «диском Нипкова». Он представляет собой непрозрачный диск большого диаметра.
Рис. 1.1. — Оптико-механическая ТВ система с диском Нипкова По внешнему краю диска спирально сверлились отверстия (от 18 до — по числу строк развертки) со строго заданным расстоянием между собой и определенным шагом спирали Архимеда. (см. рис.1.1б), около внешнего края которого расположены отверстия по спирали Архимеда, диаметр которых определяет размеры элемента изображения, причем, каждое отверстие имеет смещение по радиусу к центру на величину его диаметра. Перед диском расположена ограничительная рамка, определяющая размер изображения.
Высота соответствует расстоянию по вертикали между началом и концом спирали, а ширина — расстоянию между отверстиями. При вращении диска внутри рамки оказывается только одно отверстие, которое прочерчивает строку, число которых соответствует числу отверстий, а за один оборот передаются все элементы изображения. Перед диском Нипкова размещался объектив, а позади — фотоэлемент, преобразовывавший разворачиваемую картинку в электрический сигнал. Таковой была механическая телекамера.
В механическом телевизоре позади диска Нипкова размещалась неоновая лампа, яркость свечения которой изменялась синхронно с выходным напряжением фотоэлемента телекамеры. Скорость и фаза вращения дисков на передающей и приемной стороне синхронизировались вручную или специальной схемой (см. рис.1.1.).
На рис. 1.2. показаны передающая камера и дисковый телевизор.
Простота конструкции Нипкова позволила в последствии создать целый ряд действующих оптико-механических систем ТВ. В Москве в апреле 1931 г.
коллектив электротехнического института под руководством Шмакова П.В.
осуществил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения в Ленинград, а с четкостью 30 строк и частотой кадров 12,5 Гц. (1200 элементов изображения) на волнах 379 и 720 м. Начиная с осени 1934 г., эти передачи стали регулярными. Электромеханическое телевещание работало в Киеве, Ленинграде, Москве, Нижнем Новгороде, Одессе, Смоленске, Томске и Харькове. Годом позже Ленинградский завод им. Козицкого выпустил первую партию советских телевизоров (модель В-2).
Рис. 1.3 — Первый советский механический телевизор В- Рис. 1.4 — Второй советский механический телевизор «Пионер» (1934 г.) Рис. 1.5 — Дизайн ТВ приемников делали на любой вкус (1928 г.) К 1934…35 г. были разработаны оптико-механические системы с использованием зеркальных барабанов с разверткой на 180 и даже 375 строк, но при увеличении числа строк разложения уменьшалось время считывания каждого элемента, что приводило к падению чувствительности, т.к. сигнал генерировался только во время прохождения светового потока через отверстие, а все остальное время не использовался. Такие системы являются системами мгновенного действия. Кроме того, для увеличения размеров изображения нужно было увеличивать размеры вращаемого диска, однако, никакие дальнейшие усовершенствования не могут заметно улучшить качество изображения, в силу органических недостатков оптико-механических систем.
Для решением проблемы улучшения качества изображений был необходим переход к электронному телевидению. Основоположником его считается русский ученый Борис Розинг Б.Л., запатентовавший первую приемную электронно-лучевую трубку — прообраз кинескопа в 1907 г. и создавший работающую систему, где на передающем конце еще использовал оптико-механическую систему.
В конце 20-х гг. прошлого века одновременно в нескольких странах были проведены успешные эксперименты по электронному телевидению.
Экспериментальные передачи движущегося изображения осуществлялись в Германии, Великобритании, СССР, США, Франции и Японии.
В 1927 г. профессор Такаянаги — отец японского ТВ и основатель компании Victor, более известной как JVC, — провел серию успешных опытов с катодной трубкой Брауна и добился устойчивой передачи неподвижного изображения электронным методом. Его телевизионная система имела интересную особенность. Рассудив, что габариты студийной передающей камеры менее критичны, чем размер телевизора, Такаянаги использовал электромеханическую телекамеру и приемник с трубкой Брауна, создав прообраз «нормального» кинескопного телевизора (как у Розинга), показанного на рис.1.6. Это оказалось революционным для своего времени решением.
Кстати, японцам принадлежит еще одно важное изобретение, соприкасающееся с телевидением. В 1924 г. профессор Токийского инженерного колледжа при Императорском университете Хидецугу Яга создал направленную антенну с пассивными элементами, которую в СССР именовали волновым каналом, а в остальном мире — антенной Яги. Долгое время волновой канал Яги служил основной телевизионной антенной во всем мире.
Рис. 1.6 — Электронный телевизор Такаянаги (1937 г.) Первый проект полностью электронной системы ТВ был реализован в Ташкенте в 1925 г. под руководством Грабовского: на приемной и передающей сторонах системы использовались специальные электронно-лучевые трубки.
Однако большую известность получил ученик Розинга В.К. Зворыкин, считающийся отцом электронного телевидения. Трудовую деятельность в США русский эмигрант начинал в компании Westinghouse. Но его первые работодатели электронное ТВ проспали. Зато Radio Corporation of America (RCA) щедро спонсировала работы Зворыкина, да еще хорошо заплатила Владимиру Кузьмичу за его изобретения. К середине 30-х гг. RCA стала монопольным держателем телевизионных патентов и одной из первых в мире начала электронное ТВ вещание. В начале 50-х гг. прошлого века специалисты этой корпорации разработали первую электронную систему цветного телевещания NTSC. Основателем RCA был российский эмигрант Давид Сарнов, который 14 апреля 1912 г. оказался единственным человеком в мире, услышавшим сигнал бедствия с тонущего «Титаника». Узнав об этом, президент США распорядился приостановить работу всех американских радиостанций, не причастных к спасательной экспедиции. Сарнов, просидевший трое суток за пультом приемной станции Маркони, покинул свой пост в ранге национального героя.
Рис. 1.7 — Первый серийный цветной телевизор RCA CT-100 (NTSC) Видеомагнитофон был создан в США компанией Ampex. Эта фирма была основана Александром Потаповичем Понятовым, бывшим полковником царской армии, военным связистом. Он эмигрировал из России в 1917 году.
Именно фирма Понятова в 1948 г. создала первый американский катушечный магнитофон Ampex-200, а в 1956 г. — первый в мире видеомагнитофон Ampex VRX-1000 (другие названия — Model-IV, Mark-IV).
Одним из учеников А.П. Понятова был Рэй Долби, изобретатель шумоподавителей Dolby A, B, C, S; системы повышения качества магнитной звукозаписи Dolby-HX (совместно со специалистами датской фирмы Bang& Olufsen); систем многоканального звучания Dolby Surround, Dolby Pro Logic, AC-3 и пр.
1.2. Реализация принципов телевидения. ТВ развертка Разверткой называется процесс последовательной, поочередной передачи элементов изображения.
При выборе типа развертки для ТВ системы необходимо обеспечить одинаковое время передачи каждого элемента, минимальные потери на обратный ход и простоту технической реализации. Всем этим требованиям наиболее полно отвечает линейная развертка. Поэтому в вещательном ТВ и большем числе прикладных систем используют линейные развертки:
чересстрочную и прогрессивную (построчную).
В ТВ используются 2 развертки: горизонтальная — строчная и вертикальная — кадровая, причем, за направление движения развертывающего элемента (например, электронного луча) принято движение слева направо для строчной развертки (СР) и сверху вниз для кадровой (КР), причем, изображение на экране воспроизводящего устройства можно получить только при совместной работе строчной и кадровой разверток.
При работе развертки различают ее прямой и обратный ход. Во время прямого хода происходит анализ или отображение видеоинформации (активная часть), при этом луч движется слева направо для СР и сверху вниз, а при обратном ходе (пассивная часть) возвращается назад, как показано на рис. 1.8.
После каждой строки и каждого кадра во время обратного хода передаются специальные синхронизирующие импульсы, определяющие привязку к началу координат разверток по строкам и кадрам, передающего и приемного устройств.
Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче (см. рис. 1.9).
Рис. 1.9 — Синхронизация разверток передающей и приемной стороны 1.3. Обобщенная структурная схема ТВ системы Общая задача ТВ — преобразование световой энергии в электрический сигнал, передача его по каналу связи и обратное преобразование на приемном стороне электрического сигнала в оптическое изображение. Решение этой задачи обуславливает построение ТВ системы, то есть комплекса технических средств, обеспечивающих получение зрительной информации о передаваемом объекте на приемном конце. В зависимости от назначения системы, состав и устройство технических средств могут быть различными, но они характеризуются общими свойствами.
Обобщенная структурная схема ТВ системы показана рис. 1.10.
ОЭП — оптико-электронный преобразователь;
РУ — развертывающее устройство;
СГ—синхрогенератор;
ПРД — передающее устройство;
ЭОП — электронно-оптический преобразователь (кинескоп);
АСС — амплитудный селектор синхроимпульсов.
Рис. 1.10 — Обобщенная структурная схема ТВ системы Рассмотрим работу ТВ системы по обобщенной структурной схеме.
Объектив преобразует световой поток, создавая оптическое изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-электронного преобразователя (передающей трубки или ПЗС-матрицы). В преобразователе происходит преобразование светового потока в электрический сигнал, за счет явления фотоэффекта и считывания электрических зарядов с помощью развертывающего устройства. Электрические импульсы, несущие информацию об изображении, называются исходным яркостным сигналом. Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синтезирующего устройств, обеспечивающих идентичность положения координат точек на передающем и приемном устройствах, необходимо генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации. Синхронность достигается при равенстве частот разверток этих устройств, а синфазность — при точном начале их работы. Для выполнения этих условий в ТВ используется принудительная синхронизация:
сигналы синхронизации с периодом строк — строчные, и с периодом кадров — кадровые, вырабатываются в синхрогенераторе, поступают в развертывающее устройство на передающей стороне, управляя его работой, и в усилитель (УС), где суммируются с сигналом яркости, и вместе поступают на передающее устройство. Синхрогенератор вырабатывает также сигналы гашения обратного хода электронных лучей, обеспечивающие запирание передающей и приемной трубок на это время. Исходный сигнал яркости вместе с введенным сигналом гашения называется сигналом яркости, а сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигнала синхронизации, называется полным ТВ сигналом (ПТС). В передающем устройстве производится модуляция несущей, и этот сигнал поступает в канал связи, роль которого могут выполнять радиоканалы, радиорелейные, спутниковые, кабельные и другие линии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сигнала. В приемном устройстве происходит усиление ТВ сигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его детектирование. Полученный видеосигнал поступает на видеоусилитель, в усиливается до уровня, необходимого для управления преобразователем сигнал-свет (например, кинескоп) и селектором импульсов синхронизации. В селекторе происходит выделение импульсов синхронизации из ПТС, которые управляют развертывающим устройством на приемной стороне, обеспечивая синхронность и синфазность движения сканирующих элементов анализирующего и синтезирующего устройств.
2. ОСНОВЫ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ
2.1. Зрительная система человека Человек получает зрительную информацию с помощью зрительной системы, состоящей из глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз имеет приблизительно шарообразную форму с диаметром около 2,5 см. Внешняя прочная оболочка (склера) защищает от внешних повреждений. На передней части глаза склера прозрачна (роговица);за ней располагается хрусталик, представляющий собой прозрачное упругое тело в форме двояковыпуклой линзы. Спереди хрусталик прикрыт радужной оболочкой (передняя часть сосудистой оболочки, которая является диафрагмой), имеющей в середине отверстие (зрачок). Диаметр зрачка может непроизвольно (без участия сознания человека) меняться. Таким образом, происходит адаптация – автоматическое регулирование количества света, поступающего внутрь глаза, для защиты от световых перегрузок. Между роговицей и радужной оболочкой находится полость — передняя камера, заполненная прозрачной жидкостью — камерной влагой. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрачной студенистой массой, называемой стекловидным телом. Таким образом, оптическая система глаза состоит из роговицы, камерной влаги, хрусталика и стекловидного тела. С ее помощью изображение объекта проецируется на внутреннюю оболочку глаза — сетчатку, светочувствительных элементов — фоторецепторов: колбочек и палочек.
Колбочки — рецепторы дневного зрения, имеют низкую световую чувствительность, но большой разрешающей способностью и цветовой чувствительность. Наиболее густо они располагаются в центральной области сетчатки, называемой желтым пятном — области наилучшего зрения. Здесь расположена центральная впадина, обладающая способностью различать мелкие детали изображения.
Палочки — рецепторы сумеречного зрения имеют высокую световую чувствительность, но низкую разрешающую способность и чувствительность к цвету. Кривизна поверхности хрусталика может меняться под действием охватывающей его мышцы, за счет чего осуществляется аккомодация — автоматическая фокусировка на сетчатке изображения тех предметов, которые мы хотим рассмотреть.
В желтом пятне преобладают колбочки. Плотность колбочек убывает с удалением от центра сетчатки, а плотность палочек почти постоянна.
Фоторецепторы через сложную нервную систему — зрительный нерв — связаны с корой головного мозга.
При построении ТВ систем необходимо наиболее полно приблизить получаемое изображение с тем, что воспроизводит глаз, то есть согласовать ее параметры со свойствами зрительной системы.
Предельная способность глаза различать мелкие детали изображения определяется разрешающей способностью — остротой зрения. Она определяется наименьшим угловым расстоянием между двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние сильно зависит от яркости наблюдаемых объектов и их контраста относительно фона.
Из-за неоднородности структуры сетчатки по мере удаления от центральной впадины острота зрения падает. Основная зрительная информация сосредоточена в пространственном угле ясного зрения, который имеет угловые размеры около (1612)°, а разрешающая способность глаза составляет приблизительно 1 угловая минута.
Видимая част спектра электромагнитных колебаний: от 380 нм до 760 нм.
Спектральная характеристика чувствительности глаза, показанная на рис. 2.1, имеет максимум на волне желто-зеленого цвета равной 550 нм.
2.2. Основные светотехнические величины и их параметры Оптические изображения характеризуются большим числом светотехнических величин. Основными являются: световой поток, сила света, освещенность и яркость.
Рис. 2.1 — График спектральной чувствительности глаза Светом называется часть электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм, воздействующего на человеческий глаз. Для количественной оценки силы воздействия необходимо учитывать два обстоятельства:
видность излучения – неодинаковую чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (см. рис. 2.1);
неравномерность плотности распределения мощности излучения по различным длинам волн реальных источников света.
Световой поток (F) — мощность излучения, оцениваемая по его воздействию на нормальный глаз. Единица измерения — люмен (лм).
Экспериментально установлено, что в максимуме кривой видности (около 550 нм) 1 Вт мощности излучения соответствует световой поток 683 лм, для белого цвета эта величина — 220 лм, а 100 Вт лампа накаливания создает световой поток (800…1500) лм.
Сила света (I) — плотность светового потока в телесном угле. Сила света характеризует неодинаковость излучения светового потока в разных направлениях. Единицей силы света является канделла (кд) — которая соответствует равномерному распределению в телесном угле в 1 стерадиан светового потока в 1 лм. Средняя сила света определяется отношением излучаемого светового потока к полному телесному углу (4). Для примера:
лампа накаливания мощностью 100 Вт обладает силой света (60…120) кд.
Освещенность (Е) — есть плотность светового потока по поверхности, на которую падает. Единицей освещенности является люкс (лк), который создается световым потоком в 1 лм на площадке в 1 м2. Для примера освещенность киноэкрана — (40…200) лк; книга при чтении — 20 лк;
предметы в тени летом — 1000 лк, на пляже в летний, солнечный день — 100 000 лк.
Яркость — плотность силы сета, излучаемой с поверхности. Единицей яркости является кд/м2. Светящиеся поверхности по способу их светового возбуждения можно разделить на два вида: самосветящиеся (ТВ экран, нить лампы накаливания) и вторичные, отражающие или пропускающие часть падающего на них света (киноэкран, плафон люстры). Для примера яркости некоторых объектов составляют: киноэкрана — (10…30) кд/м2; экрана ТВ — (40…80) кд/м2, пламени спички — 5 тыс. кд/м2; нити лампы накаливания — около 5 млн. кд/м2; Солнца — 1,5 млрд кд/м2.
2.3 Характеристики оптических изображений и их параметры Процесс ТВ передачи начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных объектов, расположенных в пространстве. Качество оптического изображения определяется рядом факторов и не имеет единой, обобщенной количественной оценки.
Освещенность в плоскости оптического изображения Е0 определяется освещенностью объекта Е, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения, и параметрами объектива — прозрачностью, диаметром входного зрачка, фокусным расстоянием. Диаметр входного зрачка меняется с помощью диафрагмы.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива. Наличие искажений изображения, возникающих в оптических системах — аберраций, приводит к тому, что точка воспроизводится в виде кружка и две близко расположенных точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся раздельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему, — разрешающей способностью объектива. Разрешающей способностью объектива оценивается максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на изображении.
Глубина резкости объектива — глубина пространства, где диаметр кружка размытия деталей не превосходит размеров одного элемента разложения изображения.
Количественное нормирование параметров оптических изображений может быть сделано только с учетом параметров и характеристик зрения.
Способность глаза видеть мелкие детали называется разрешающей способностью или остротой зрения. Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей, которую называют остротой глубинного или стереоскопического зрения. Острота зрения сильно зависит от яркости (см. рис. 2.2).
Характер зависимости объясняется тем, что малые яркости сигнала в одном нервном окончании не могут возбудить сигнал, надежно отличающийся от шумов. В этом случае суммируется сигнал от нескольких рецепторов, объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное поле), что приводит к уменьшению разрешающей способности. По мере роста освещенности число объединяемых рецепторов уменьшается и разрешающая способность растет, пока не достигает предельной разрешающей способностью — верхний загиб кривой.
3. ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Различают координатные (формат кадра, оптимальное расстояние наблюдения и число элементов разложения), временные (критическая частота пульсаций и частота кадров) и яркостные (максимальная яркость, средняя яркость — яркость адаптации, контраст и число полутонов — градаций яркости) параметры ТВ изображения.3.1. Координатные параметры К координатным параметрам относятся: формат кадра, оптимальное расстояние наблюдения и число элементов разложения.
Формат кадра k. Размер ТВ изображения должен удовлетворять условиям оптимального наблюдение изображений в пространственном угле ясного зрения. Исходя из соотношения его размеров (1612)° выбирают формат кадра k равным 4/3, что соответствует отношению ширины (b) экрана к высоте (h), (см. рис.3.1).
Рис. 3.1 — К определению числа строк (а) и вертикальной четкости С учетом разрешающей способности зрения (около 1 угловой минуты) можно определить число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения Nя где г и в — углы поля ясного зрения глаза в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Тогда величина Nя составит Nя = (г/)(в/) = (16°·60'/1')(12°60'/1') = 700 000.
Оптимальное расстояние наблюдения L. Экспериментально установлено, что наилучшее восприятие изображение обеспечивается при расстоянии до экрана L, равном приблизительно (4…5) высотам экрана h Число элементов разложения изображения N может быть определено как произведение числа элементов по горизонтали zгор на количество элементов по вертикали z (строк разложения), или с учетом формата кадра k, принятого равным 4/ Число элементов разложения изображения N должно соответствовать числу элементарных участков поля ясного зрения. Так между элементами изображения должны воспроизводиться еще промежутки примерно такого же размера, то число элементов по крайней мере удваивается Тогда число строк разложения должно составлять Однако из-за взаимного расположения деталей растра и строк разложения (см. рис. 3.1) число передаваемых элементов по вертикали различно, так как в зависимости от этого в вертикальном направлении будут воспроизводятся детали размером либо h/z, либо 2h/z. Это делает неоднозначную оценку четкости изображения по вертикали. Поэтому для уверенного различения в ТВ изображении 700000 деталей необходимо использовать еще большее строк разложения. В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к этим требованиям, но для этого требуется значительное увеличение пропускной способности каналов связи. Поэтому в стандарте вещательного ТВ, разработанного в конце 40-х годов 20 столетия, было принято 625 строк разложения, в первую очередь из-за необходимости сокращения передаваемой полосы частот.
Число строк разложения 625 определяет номинальную четкость ТВ изображения при которой обеспечивается 95% максимальной четкости изображения. При этом различимость строчной структуры на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза.
Четкость ТВ изображения определяется максимально возможным числом мелких деталей, различимых в этом изображении. Четкость определяется в первую очередь разрешающей способностью устройств ТВ тракта. А она в свою очередь зависит от выбранного числа элементов (или строк) разложения, от качества работы анализирующих и воспроизводящих устройств, от частотных и фазовых характеристик усилителей и др. Воспроизводимая на экране четкость определяется в первую очередь числом элементов разложения.
В существующем стандарте она в идеале равна С учетом потерь времени на обратный ход по строкам и кадрам реальная четкость соответствует 400 тыс. элементов. Однако, для количественной характеристики четкости пользуются не количеством элементов разложения, а числом строк разложения, т.к. эти два параметра однозначно связаны.
Естественно количество строк или элементов, необходимых для удовлетворительного воспроизведения изображения объекта зависит от характера объекта. Например, для передачи лица крупным планом требуется (120…150) строк; (2…3) человек в полный рост — (250…300) строк; большого количества людей (хор, публика и т.п.) — (450…650) строк.
3.2. Временные параметры К временным параметрам относят частоту мельканий и число кадров.
Зрительное восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс будет зарегистрирован глазом, если его длительность превышает определенную величину tкр. Причем эта величина зависит от освещенности сетчатки, то есть Еtкр = const, и изменяется от сотых (при больших освещенностях) до десятых долей секунды. После прекращения действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей по экспоненциальному закону.
Критической частотой мельканий называется минимальная частота повторения световых импульсов, при которой наблюдатель воспринимает их как непрерывное излучение. Эта частота зависит от средней яркости поля наблюдения, размеров мелькающего участка и т.д. Для яркостей экранов современных ТВ критическая частота мельканий равна (46…48) Гц.
Опытным путем (из практики кино) установлено, что для получения плавного движения изображений движущихся объектов достаточно передавать (16-24) фазы их движения в секунду. В телевидении принята частота смены кадров 50 Гц, которая перекрывает и критическую частоту мельканий (46…48), и критическое число фаз движения (16…24). Эта частота выбрана с учетом ее равенства частоте промышленной сети с целью уменьшения заметности характерных помех от электросети — динамических искажений геометрии (искривление вертикальных краев изображения) и яркости (крупные горизонтальные светлые и темные полосы).
При такой частоте кадров и числе строк разложения 625 (прогрессивная развертка) (см. рис. 3.2 а), полоса частот ТВ сигнала составляет около 13 МГц.
Для уменьшения требуемой полосы частот канала была предложена чересстрочная развертка, при которой ТВ кадр передается за 2 полукадра (поля) (четного и нечетного), в каждом из которых передается половина строк (312,5), как показано на рис. 3.2б. Причем, в первом полукадре происходит развертка нечетных строк, а во втором — четных. Частота смены полей выбирается равной 50 Гц, а кадров — составляет 25 Гц. Несмотря на то, что в каждом полукадре разворачивается лишь 312,5 строк, за счет инерционности зрения изображения двух полукадров воспринимается слитно, как один кадр с строками. При этом полоса частот ТВ сигнала уменьшается до 6,5 МГц.
Рис. 3.2. — К пояснению принципов построчной (а) и черезстрочной (б) 3.3. Яркостные параметры ТВ изображения К яркостным параметрам ТВ изображения относят максимальную яркость, среднюю яркость, контраст и число градаций яркости.
Контрастом называют отношение яркости самого светлого участка изображения к яркости самого темного. Этот параметр характеризует диапазон изменения яркости. Хорошая контрастность делает изображение более естественным и увеличивает его разборчивость. Для примера, контрастность обычного ландшафта около 100; ландшафта в яркий солнечный день — 1000;
внутри помещения при освещении — (20…60); мелкие детали ТВ на экране — (5…8); крупные — до (30…40). Однако, зрение не способено обнаружить сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаза так же дискретна, как и его разрешающая способность. Она ограничивается собственными шумами зрительной системы и квантовыми флуктуациями света. Минимальное значение яркости светового пятна, обнаруживаемое глазом на черном фоне называют абсолютным порогом световой чувствительности. На практике детали изображения наблюдаются на каком-то фоне, яркость Вф которого также меняется. Экспериментально установлено, что минимальное различимое приращение яркости L зависит от величины начальной яркости: чем выше яркость фона, тем большее приращение может быть замечено (воспринято). Отношение В/Вф называется дифференциальным порогом или пороговым контрастом.
При заданном контрасте зритель может воспринять вполне определенное количество ступеней изменения яркости — полутонов, или градаций яркости.
Экспериментально установлено, что человеческий глаз воспринимает от 80 до 130 градаций яркости.
В природе, окружающей человека, яркость изменяется в очень больших пределах: слабо различимая человеческим глазом яркость составляет 0,1 кд/м2;
слепящая яркость, которую еще можно с трудом терпеть, например, свечение нити накаливания — 107 кд/м2. Таким образом, диапазон изменения яркости составляет 108. Зрительная система неспособна одновременно воспринять весь этот диапазон и сужает его на сетчатке благодаря адаптации — приспособлению к различным яркостям за счет непроизвольного изменения размеров зрачка (быстрая адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального поглощающего фильтра на поверхности сетчатки (медленная, инерционная адаптация). Эта способность зрения описывается хорошо экспериментально подтвержденным законом Вебера-Фехнера, согласно которому ощущение от изменения яркости пропорционально логарифму этого изменения. То есть при изменении яркости от 0,1 кд/м2 до 107 кд/м2 зрительное ощущение будет меняться лишь в 18 раз (ln108 = 18,4).
Все рассмотренные параметры изображения относятся к числу параметров, которые характерны как для монохромных, так и цветных изображений. Для характеристики цветных изображений существуют дополнительные параметры: светлота, цветность, цветовой тон, насыщенность, чистота тона и т.д.
4. ФОРМИРОВАНИЕ ТВ СИГНАЛА
4.1. Основные параметры стандарта аналогового вещательного ТВ На всем постсоветском пространстве для аналогового вещательного ТВ принят стандарт со следующими основными параметрами сигналов:общее число строк в кадре — 625;
число кадров в секунду — 25 при через строчной развертке;
число полукадров в секунду — 50 (по 312,5 строк в каждом полукадре);
период строчной развертки Н — 64 мкс (fстр = 15625 Гц);
длительность строчных гасящих импульсов (СГИ) — (10…12) мкс (время обратного хода по строке);
длительность строчных синхронизирующих импульсов (ССИ) — (5…6) мкс, что составляет (0,08…0,1)Н;
период кадровой развертки — 20 мс (fк = 50 Гц);
длительность кадрового гасящего импульса (КГИ) — в интервале от 1500 мкс до 1600 мкс (время обратного хода по кадру);
длительность кадрового синхронизирующего импульса (КСИ) — составляет 3Н, что равно 192 мкс.
4.2. Состав и форма ТВ сигнала В состав полного ТВ сигнала (ПТС) вещательного стандарта, форма которого по строкам и кадрам показана на рис. 4.1, 4.2, входят следующие компоненты:
видео (яркостной) сигнал;
строчные и кадровые гасящие импульсы (СГИ и КГИ);
строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ и КСИ);
врезки в КСИ двойной строчной частоты;
уравнивающие импульсы;
постоянная (яркостная) составляющая.
Амплитуда видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектрического преобразователя, является функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых элементов изображения. Например, для черно-белого изображения показанного на рис. 4.1, большая амплитуда сигнала соответствует белому цвету; меньшая амплитуда соответствует черному цвету, а промежуточные уровни сигнала соответствуют градациям серого.
Рис. 4.1 — К пояснению формирования видеосигнала (а — передаваемое изображение; б — сигнал при развертки строки а-а) Поясним назначение составных частей полного ТВ сигнала (ПТС).
Видеосигнал (сигнал изображения) несет информацию о яркостях передаваемых точек изображения.
Строчные и кадровые гасящие импульсы (СГИ и КГИ) предназначены для гашения лучей передающих трубок и кинескопа на время обратного хода разверток по строкам и кадрам соответственно. Это необходимо для того, чтобы светлые линии обратного хода не создавали помех на изображении в виде ряби от горизонтальных линий строчной развертки и наклонных линий по экрану от кадровой. Гасящие импульсы передаются в конце каждой строки и полукадра на уровне черного (см. рис. 4.2).
Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ и КСИ) предназначены для обеспечения синхронной (одновременной) работы развертывающих устройств не передающей и приемной стороне. Этим достигается привязка начала координат разверток по горизонтали и вертикали телевизора и передающего оборудования. Это очень важные составляющие ПТС, поскольку отсутствие КСИ приведет к срыву кадровой синхронизации:
изображение будет «бежать» вверх или вниз; отсутствие ССИ приведет к срыву строчной синхронизации: изображение будет «бежать» влево или вправо.
Рис. 4.2 — Форма ТВ сигнала за период строки (а) и кадра (б) синхронизации во время действия КСИ. Отсутствие врезок приведет к искажению изображения в верхней части экрана за счет срыва строчной синхронизации во время действия КСИ, так как при одинаковом размахе синхроимпульсов во время действия КСИ ССИ передаваться не будут.
Уравнивающие импульсы предотвращают слипание строк четного и нечетного полукадров (полей). При через строчной развертке в каждом поле разворачивается 312,5 (целое число + половина) строк, причем, если нечетный полукадр начинается с начала строки, то четный полукадр начинается с середины строки (см. рис. 4.3).
Рис. 4.3 — Форма ПТС при черезстрочной развертке При этом меняется интервал между соседними строчными и кадровыми синхроимпульсами. Кроме того, в КСИ нечетного полукадра находится врезки, а в КСИ четного полукадра — 2 врезки. Для выравнивания импульсной картины в четном и нечетном полукадрах применяют врезки двойной строчной частоты, а также вводят специальные уравнивающие импульсы двойной строчной частоты по 5 импульсов до и после КСИ, как показано на рис. 4.3.
Постоянная или средняя (яркостная) составляющая видеосигнала возникает из-за того, что видеосигнал по своей природе сигнал не гармонический, а импульсный; постоянная составляющая зависит от средней яркости передаваемого сюжета изображения.
Если принять размах всего ПТС за 100%, то собственно сигнал изображения (видеосигнал) от уровня белого то уровня черного занимает 70%, а сигнал синхронизации располагается ниже уровня черного на 30%, то есть его уровень чернее черного. Это обеспечивает надежное отделение сигналов синхронизации от сигналов изображения в приемнике.
Таким образом, анализируя видеосигнал, можно сделать следующие выводы:
видеосигнал не является гармоническим колебанием, а имеет импульсный характер, поскольку на изображении могут быть резкие перепады яркостей и участки одинаковой яркости, которым соответствуют плоские вершины импульсов;
исходный сигнал по своей природе униполярен (имеет одну полярность) и содержит постоянную составляющую.
4.3. Спектр ТВ сигнала Определим границы спектра видеосигнала. Спектр должен содержать частотные составляющие в полосе от fmin до fmax и низкочастотные составляющие в интервале (0…2) Гц, соответствующие средней яркости изображения. Нижняя граница спектра fmin определяется частотой полукадров, соответствующей неподвижному изображению горизонтальных белой и черной полос (см. рис. 4.4).
Частота этих импульсов равна частоте кадров. Невозможно придумать изображение, для сигнала которого частота была бы ниже. Таким образом нижняя частота спектра ТВ сигнала составляет 50 Гц.
Верхние частоты спектра fmax определяют передачу мелких деталей изображения. Для определения верхней частоты спектра следует подсчитать число пар черных и белых элементов, которое может быть передано и воспроизведено ТВ системой. Это число в строке равно kz/2, где k = 4/3 (формат кадра). Число пар в кадре составляет (kz/2)z, а число пар элементов, передаваемых за секунду составляет nkz2/2 (n — число кадров в секунду).
Таким образом, верхняя частота спектра видеосигнала при прогрессивной развертке (n составляет 50 кадров в секунду) При использовании чересстрочной развертки частота кадров снижается в 2 раза (до 25 Гц), поэтому верхняя частота уменьшается до 6,5 МГц.
На практике, учитывая конечность размеров электронного луча и снижение вертикальной четкости за счет строчной структуры изображения, можно еще снизить верхнюю границу без заметного ущерба качеству изображения. В формулу вводится коэффициент 0,75…0,85, а частота уменьшается до (5…6) МГц.
Одной из особенностей спектра ТВ сигнала является его дискретность:
линейчатый спектр состоящий из гармоник строчной частоты, вокруг которых группируются боковые полосы в виде гармоник кадровой частоты или частоты смены полей (см. рис. 4.5), обусловленных вертикальной разверткой и движением деталей изображения.
передаваемом изображении, причем энергия этих зон уменьшается с ростом номера гармоники строчной частоты, что используются для передачи сигналов цветного ТВ.
5. ОСНОВЫ ЦВЕТНОГО ТВ
5.1. Колориметрия Световые излучения в диапазоне длин волн (380…780) нм, которые воспринимает зрение человека, принято считать видимым спектром. При этом ощущение цвета зависит от спектрального состава этого излучения. Если все составляющие спектра имеют одинаковую мощность, то воспринимается ощущение белого цвета. Ощущение цвета, отличного от белого, возникает, когда излучение содержит не все длины волн либо является неравномерным.Предельный случай неравномерного излучения — монохроматическое (одного цвета). Монохроматические излучения разной длины волны вызывают у человека ощущение различных спектральных цветов, обладающих максимальной насыщенностью.
«разбавленности» монохроматического цвета белым. Насыщенность белого равна 0. Спектр монохроматических излучений условно разделен на 7 главных цветов (радуга), названия которых могут служить приблизительным обозначением цветового тона.
Цветовой тон и насыщенность не зависят от интенсивности излучения и характеризуют качество цвета. Количество цвета связано с величиной светового потока — светлота. Эти три параметра – субъективные. Им соответствуют физические величины — яркость (светлота), преобладающая длина волны (цветовой тон) и чистота цвета (насыщенность). Очень часто характеристику цвета, называют цветностью.
Количество различимых глазом цветов велико — около 10 млн., различающихся по трем указанным параметрам. Описание такого множества оттенков невозможно без их классификации и символического обозначения.
Цветовая система, позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета, была создана на основе экспериментальных и теоретических работ многих ученых. Наука об измерении цвета — колориметрия, основанная на теории трехкомпонентного зрения и трехмерном цветовом пространстве.
5.2. Трехкомпонентное цветное зрение. Система RGB Физиологические основы цветового зрения базируются на теории трехкомпонентного зрения, выдвинутой М.В. Ломоносовым в 1756 г. и развитой через 150 лет Г. Гельмгольцем. Согласно этой теории в сетчатке глаза имеется три вида колбочек, обладающих различной спектральной чувствительностью. Изолированное возбуждение одного из этих видов дает ощущение одного из трех насыщенных цветов — красного, синего, зеленого.
Обычно воспринимаемое излучение содержит весь спектр видимого диапазона волн, но с разной спектральной интенсивностью. Это приводит к раздражению не одного, а двух или трех видов колбочек одновременно, но в разной степени.
Соотношение возбуждений вызывает ощущение определенного цвета.
Колориметрическая система RGB использует координаты трех основных цвета R, G, B и при графическом представлении цвета образует равносторонний цветовой треугольник RGB. (см. рис. 5.1). Внутри треугольник расположены все цвета, которые могут быть правильно воспроизведены смешением этих основных. С помощью треугольника можно наглядно представить себе количественные и качественные соотношения колориметрии и удобно изучать законы смешения цветов. При перемещении по сторонам треугольника будут меняться цвета, в центре будет находиться точка белого цвета, и при перемещении от сторон к центру будет меняться насыщенность, то есть степень разбавления цвета белым.
Любой цвет F в системе RGB описывается уравнением вида где f, r, g, b — цветовые модули, характеризующие количество соответствующего цвета (цветовые коэффициенты);
F, R, G, B — единицы излучения произвольного и трех основных цветов.
Причем нормируют не абсолютные значения единичных цветов, а их соотношение, которое выбирают таким, чтобы при сложении в численно равных количествах получилось ощущение равноэнергетического белого цвета.
Рис. 5.1 — К пояснению колориметрической системы RGB На рис. 5.1 величины r (), g (), b () представляют собой цветовые свойства среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства — удельных цветовых коэффициентов или удельных координат от длины волны (кривые смешения), которые были стандартизированы в 1931 г.
МКО на основе экспериментальных результатов, полученных Райтом и Гилдом.
Отрицательные участки кривых показывают, что в цветовом уравнении величины коэффициентов имеют отрицательное значение, то есть не все цвета могут быть получены смешением основных реальных цветов системы.
Колориметрическая система RGB (см. рис.5.1.) удобна для проведения экспериментальных исследований, так как ее основные цвета являются реально существующими, однако наличие отрицательных участков затрудняет создание измерительных приборов — колориметров. Кроме того, для определения яркости цвета необходимо знать величины всех трех основных потоков.
5.3. Методы смешения цветов В ТВ используют локальное, пространственное и бинокулярное смешение цветов.
Локальное может быть одновременным (оптическим), когда на одну поверхность (см. рис. 5.2) проецируется два или несколько излучений, вызывающих каждый в отдельности ощущение разных цветов, и последовательным, когда излучения воздействуют на глаз одно за другим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате возникает ощущение единого результирующего цвета.
Рис. 5.2 — К пояснению принципа локального смешения цветов При пространственном смешении участки, окрашиваемые опорными цветами, имеют достаточно малые размеры и глаз воспринимает их как единое целое — мелкие штрихи, мозаика и т.д. Чаще всего такой метод используется для воспроизведения цветного изображения на ТВ экране.
Бинокулярное смешение — смешение двух или нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета. Для получения цветного ТВ изображения датчики ТВ сигналов должны не только осуществлять поэлементный анализ, но и спектральное разделение воздействующего излучения на три составные части, аналогично нашему зрительному аппарату.
На приемном стороне требуется обратное действие.
Установлено 3 закона смешения цветов:
1. Для всякого цвета имеется другой цвет, от смешения с которым может образоваться белый цвет. Такие два цвета называются дополнительными.
2. При смешении 2-х различных цветов, лежащих по спектральной шкале цветов ближе друг к другу, чем цвета дополнительные, образуется новый цвет, по тону лежащий между смешиваемыми цветами 3. При смешивании 2-х одинаковых цветов образуется смесь того же цвета.
Основной закон смешения цветов предполагает, что любые 4-ре цвета находятся в линейной зависимости, то есть любой цвет может быть выражен через любые 3 взаимонезависимых цвета ( см. формулу 4.1).
5.4. Способы получения цветного изображения Системы ЦТВ по принципу передачи и воспроизведения цветов разделяются на 2 класса: последовательные (поочередные) и одновременные.
Принцип действия последовательных систем ЦТВ заключается в последовательной передаче цветных полей, строк или элементов поясняется рис. 5.3.
Такая система отличается от черно-белой наличием дисков с цветными фильтрами на передающей и приемной сторонах. С помощью вращающегося диска с тремя цветными светофильтрами изображение превращается в последовательное чередование отдельно красного, синего и зеленого, а на приемном конце опять проходит через такой же диск. При синфазном вращении дисков зритель видит три цветных изображения и благодаря инерционности восприятия возникает впечатление изображения в натуральных цветах. Для незаметности мельканий необходимо, чтобы смена всех трех цветных изображений прошла за время смены кадра, то есть требуется в 3 раза повысить частоты развертки и ширину спектра сигнала.
Недостатки последовательной системы ЦТВ:
несовместимость с вещательной системой черно-белого ТВ из-за разности параметров развертки и ширины спектра сигнала;
при быстром перемещении объектов на изображении появляется цветная «бахрома», так как следующие друг за другом изображения в трех основных цветах оказываются не совмещенными;
применение дисков со светофильтрами ограничивает размеры экрана кинескопа.
Основным достоинством последовательного способа является простота передающего и приемного оконечных устройств, в связи с чем способ нашел применение в замкнутых прикладных ТВ системах.
Одновременная система в общем случае может быть создана путем механического соединения трех стандартных черно-белых ТВ систем, как это показано на рис. 5.4.
Разложение светового потока на 3 составляющих обычно производится специальной цветоделительной системой, содержащей светофильтры на дихроичных зеркалах, отражающих одну часть спектра и практически без потерь пропуская остальную часть. Так дихроичное зеркало 1 отражает синюю часть светового потока на «синюю» трубку и пропускает остальную часть излучения. Зеркало 2 отражает красную составляющую и пропускает зеленую на «зеленую» трубку. Далее полученные от 3 трубок видеосигналы по каналам связи (КС) передаются на приемное устройство, где 3 цветоделенных изображения при помощи аналогичных дихроичных зеркал совмещаются в одно.
Данный способ передачи и воспроизведения основных цветов требует точного оптического и электрического совмещения трех растров передающих и приемных трубок, так как нарушение совмещения может привести к потере четкости и появлению цветовых окантовок.
5.5. Цветопередача в ТВ При выборе параметров отдельных звеньев ЦТ системы важно установить, к какому идеалу верности цветовоспроизведения следует стремиться. Существует три критерия верности:
физический — когда одинаковы спектральные составы и мощности физиологический — когда зрительные ощущения от оригинала и репродукции идентичны;
высококачественное.
В ТВ стремиться к физической точности нет смысла, так как одинаковые ощущения цвета могут быть получены при воздействии излучения разного состава. Физиологическую точность нельзя получить, поскольку из-за выбора треугольника основных цветов нельзя воспроизвести часть реальных цветов, а диапазон воспроизводимых яркостей не может быть столь велик, как яркости реально существующих объектов. Поэтому при разработке вещательных систем ЦТ имеют в виду, что ТВ изображение имеет меньшие размеры деталей, чем объекты, заключено в ограничивающую рамку, яркость фона обычно мала. При этих условиях надо учитывать адаптацию глаза и относительность наших зрительных ощущений, что позволяет не воспроизводить абсолютное значение яркостей, а сохранить лишь соотношения между яркостями отдельных элементов и их цветности. Необходимо отметить, что требование точного воспроизведения цветности выполнимо лишь для цветов, лежащих внутри треугольника основных цветов. Колориметрические требования справедливы для однородно окрашенных полей, воспринимаемых углом зрения 2°. При переходе к меньшим углам зрения цветовые свойства глаза существенно меняются. Так при уменьшении размеров деталей до (10…25)' их цвета воспринимаются как смесь оранжевого и голубого. Полная потеря восприятия цвета происходит при углах зрения (6…10)'. Учитывая, что ТВ изображение воспринимается в пределах угла ясного зрения (12…15) °, детали меньшие, чем (4…6) элементов, могут воспроизводиться в черно-белом виде.
Основные цвета приемного устройства определяются спектральными характеристиками люминофоров. Характеристики люминофоров, принятых в европейской и американской системах ЦТ, несколько различны. Так американский треугольник имеет большую гамму воспроизводимых цветов, но меньшую светоотдачу зеленого люминофора, примерно в (3…3,5) раза, однако, оба они не воспроизводят всех цветов. Это касается главным образом оттенков зеленых и голубых цветов, но это обстоятельство не играет большой роли, т.к.
на глаз это не очень заметно.
5.6. Основные требования к вещательной системе ЦТВ К вещательным системам ЦТВ предъявляются следующие требования:
понимается возможность приема без помех черно-белым приемником ЦТ программ в черно-белом виде. Этот принцип обеспечивает возможность одновременного функционирования цветных и черно-белых приемников. В связи с этим при разработке принципов построения систем ЦТВ должны быть учтены параметры стандартов черно-белого ТВ. Основные параметры — это частоты строчной и кадровой разверток и полоса частот, занимаемая спектром.
2. Высокое качество цветовоспроизведения, которое оценивается степенью соответствия ТВ изображения оригиналу. Это означает, что цветность каждого элемента изображения не должна отличаться от соответствующего элемента оригинала, а отношение яркостей соответствующих элементов передаваемых цветностей.
надежности при его экономической доступности.
4. Перспективность ЦТВ системы с точки зрения ее дальнейшего развития, включающее повышение качества преобразования, обработки и передачи изображения, а также передачу зрителю дополнительной информации с выводом ее на ТВ экран.
5. Совместимость стандартов для обеспечения возможности обмена программами с другими странами.
5.7. Яркостный и цветоразностные сигналы обеспечивающий на экране монохромного ТВ черно-белое изображение — сигнал яркости или яркостный. Таким образом необходимо или ставить еще одну трубку с люминофором, соответствующим кривой относительной видности глаза, и передавать 4 сигнала одновременно, или формировать его схемными способами, суммированием сигналов основных цветов в соотношении, определяемом спектральной чувствительностью глаза к основным цветам люминофоров.
Проведенные расчеты показали, что для цветов R, G, B относительное содержание основных цветов в яркостном описывается выражением Для создания такого сигнала используется матрица.
При наличии сигнала яркости нет необходимости передавать по каналу связи сигналы трех основных цветов. Достаточно передавать два из них, а третий можно будет получить в декодирующей матрице, вычитая их из яркостного.
Человеческий глаз плохо воспринимает цвета мелких деталей. Связь между размерами детали и требующейся для ее передачи верхней границей полосы частоты, показана на рис. 5.5. Многочисленные опыты показали, что с уменьшением размеров деталей их видимая цветовая насыщенность становится меньше, причем для разных цветов эти размеры различны. Подобное явление потери цветового зрения связано с различной спектральной чувствительностью глаза (наибольшая для зеленого цвета, средняя для красного и малая для синего).
Рис. 5.5 — Зависимости цветовой чувствительности глаза от размеров Из рис. 5.5 видно, что зеленые мелкие детали сохраняют различимость цвета почти до верхней границы ТВ спектра, в то время как для красных различимость падает около (1,4…1,6) МГц, а для синих — на (0,6…0,8) МГц.
Это позволяет передавать цветовую информацию о двух основных цветах не в полном спектре.
Кроме того, так как яркостной сигнал несет полную информацию о яркостных соотношениях передаваемых элементов изображения, его можно исключить из сигналов основных цветов. То есть по каналу связи можно передавать EY, EB-Y = EB – ЕY и ER-Y=ER–ЕY.
Два последних сигнала получили название цветоразностных сигналов.
Преимущества применения цветоразностных сигналов в следующем:
1. Вследствие того, что из этих сигналов частично исключена избыточная информация о яркости, их амплитуда обращается в ноль при передаче серых и белых деталей (на белом амплитуды сигналы основных цветов равны EY) и мала на слабонасыщенных местах;
2. Использование цветоразностных сигналов упрощают построение декодирующих устройств приемника, так как исходные цвета могут быть получены простым суммированием цветоразностных сигналов с яркостным.
Причем, сигналы основных цветов восстанавливаются в полной полосе частот (высокочастотная часть спектра из яркостного), что упрощает схему декодирования.
В приемном устройстве третий цветоразностный сигнал получают из двух других в соответствии с выражением Уплотнение ТВ спектра. Хотя ограничение спектров цветоразностных сигналов и дает выигрыш по спектру, но все еще сумма полос частот трех сигналов больше, чем одного яркостного, и это не отвечает условию совместимости. Дальнейшая возможность сокращения полосы частот основывается на специфической особенности спектра ТВ сигнала — его линейчатости. Так как составляющие яркостного сигнала не заполняют всю ось частот, в промежутках можно разместить спектры цветоразностных сигналов.
Амплитуды цветоразностных сигналов заметно меньше амплитуд сигналов основных цветов, однако на экране черно-белого ТВ приемника будут видны дополнительные шумы и мелькания. Чтобы устранить или уменьшить заметность этих помех, спектры цветоразностных сигналов помещают на поднесущих частотах как можно ближе к верхней границе спектра яркостного сигнала, где в области мелких деталей восприимчивость глаза снижена.
Структурная схема совместимой системы ЦТ. Структурная схема преобразования и передачи трех сигналов основных цветов по одному каналу связи, изображенная на рис. 5.6, является общей для всех совместимых систем ЦТВ. Различие между системами заключается в методах передачи информации о цветности в спектре яркостного сигнала.
Рис. 5.6 — Структурная схема совместимой системы ЦТВ На вход декодирующей матрицы М1, обобщенная структурная схема которой показана на рис.5.7, подаются прошедшие обработку и коррекцию в камерном канале сигналы основных цветов. Матрица преобразуется их в сигналы первичных цветов передачи — яркостный и два цветоразностных, в соответствии с выражениями Рис. 5.7 — Обобщенная структурная схема кодирующей матрицы Сформированные сигналы поступают в кодирующее устройство КУ, где формируется полный цветовой ТВ сигнал (ПЦТС) содержащий:
яркостной сигнал в полной полосе частот;
два цветоразностных сигнала (ER-Y и EB-Y) в ограниченной частотой 1,5 МГц полосе частот, которыми осуществляется модуляция одной или двух поднесущих частот; промодулированными сигналами цветовых поднесущих уплотняется спектра яркостного сигнала, причем спектры сигналов цветности размещаются в высокочастотной части спектра яркостного сигнала;
сигналы синхронизации приемника;
Сигналы цветовой синхронизации. С выхода кодирующего устройства ПЦТС через канал связи поступает на декодирующее устройства ТВ приемника, в котором производится обратная операция выделения из общего спектра яркостного сигнала спектров сигналов цветовых поднесущих частот, их детектирования для получения двух цветоразностных сигналов. Затем в матрице М2 формируется третий цветоразностный сигнал ЕG-Y. При помощи матрицы М3 из яркостного и 3-х цветоразностных сигналов формируются исходные сигналы основных цветов.
6. АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ЦВЕТНОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
6.1. Система ЦТВ NTSC Разработана в США в 1950…1953 гг. национальным комитетом телевизионных систем (National Television System Committee) и утверждена в стране как национальный стандарт. Позже была принята в большинстве стран американского континента, Японии, Корее и др.В системе NTSC, обобщенная структурная схема которой показана на рис.
6.1, передается яркостный сигнал и два цветоразностных EI и EQ. Передача цветоразностных сигналов осуществляется в спектре яркостного на одной поднесущей частоте fцв, равной 3,579545 МГц (см. рис. 6.1а). Напряжение поднесущей частоты, промодулированное цветоразностными сигналами называется сигналом цветности. Сумма сигналов яркости EY и сигнала цветности Us образует полный цветовой сигнал. Для того чтобы модулировать двумя цветоразностными сигналами одну поднесущую частоту, используют метод квадратурной амплитудной модуляции. Сущность метода заключается в суммировании двух напряжений поднесущей частоты uR-Y и uB-Y, промодулированных каждым из цветоразностных сигналов в отдельных амплитудных модуляторах. Поднесущая частота на модуляторы поступает в квадратуре, то есть с фазовым сдвигом 90°. Результирующий сигнал промодулирован по амплитуде и по фазе. Фаза результирующего вектора Us (см. рис. 6.1) несет информацию о цвете, а амплитуда Us определяет его насыщенность. В системе NTSC используются балансные модуляторы, которые, подавляя саму поднесущую, оставляют только боковые полосы. Это позволяет как минимум в 2 раза уменьшить размах сигнала цветности и соответственно снизить заметность помех от сигнала цветности на экране черно-белом ТВ приемника. Для неокрашенных деталей сигнала цветности вообще равен 0 (см.
рис. 6.1б). На приемной стороне с помощью синхронных детекторов восстанавливаются исходные сигналы цветности. Для работы синхронных детекторов необходимо опорное напряжение, синфазное с поднесущей в кодере. Поскольку поднесущая при балансной модуляции не передается, то во время строчного гасящего импульса после синхронизирующего передается сигнал цветовой синхронизации: пакет колебаний поднесущей длительностью (8…10) периодов, так называемая цветовая вспышка (см. рис.6.1в).
Рис. 6.1 — Обобщенная структурная схема системы ЦТВ NTSC Для снижения заметности помех от сигнала цветности спектр сигналов цветности должен располагаться как можно ближе к верхней частоте в спектре сигнала яркости fгр. С другой стороны, между fгр и fS должна помещаться боковая полоса сигнала цветности, чтобы он весь разместился в спектре яркостного.
Так как минимальная полоса сигнала синего цвета составляет 0,6 МГц, а fгр равна 4,18 МГц, тогда выбирают значение fS из условия fS = (2n+1)fz/2, чтобы еще дополнительно снизить заметность помех от сигнала цветности. Тогда в интервале строки размещается нечетное число полупериодов поднесущей, и рисунок от помехи имеет вид шахматного чередования светлых и темных участков (см. рис 6.2б). В смежных кадрах полярность поднесущей меняется на 180° (см. рис. 6.2а) и участки поменяются местами, то есть за счет интегрирующего эффекта зрительной системой наблюдателя помеха скомпенсируется.
Рис. 6.2 — Метод уменьшения заметности помехи от поднесущей Кроме того, при выполнении этого условия составляющие сигнала цветности располагаются точно посередине между строчными и кадровыми гармониками яркостного сигнала, что позволяет с большей точностью разделить эти два спектра. Этот коэффициент достаточно просто получить в синхрогенераторе делением двойной строчной частоты, поэтому выбрали частоту цветовой поднесущей выбрали как 455 гармонику fстр, а точное числовое значение составляет 3,579545 МГц. Но выбор такой поднесущей позволяет передать лишь 0,6 МГц сигнала цветности. При этом цветовая четкость по горизонтали оказывается неудовлетворительной.
После множества экспериментов нашли возможность передавать нижнюю боковую шириной 1,3 МГц без существенного ухудшения совместимости. В системе NTSC передают один узкополосный сигнал с полосой 0,6 МГц (EQ), а второй широкополосный — 1,3 МГц (EI), причем перекрестные помехи будут в спектре узкополосного сигнала на частотах, где подавлена одна боковая, т о есть вне полосы пропускания ФНЧ (0,6 МГц).
Основные достоинства системы ЦТВ NTSC:
хорошая совместимость за счет жесткой связи частот развертки с поднесущей и удачного выбора поднесущей;
эффективное использование канала полосы частот канала: при сравнительно узкополосных сигналах цветности достигается достаточно высокое качество;
применению синхронного детектирования.
Главный недостаток системы ЦТВ NTSC — чувствительность системы к дифференциальным искажениям амплитуды и фазы сигнала цветности из-за возможной модуляции его сигналом яркости, что влечет изменение цветового тона и насыщенности, разной на разноярких участках. Происходит это из-за неточной работы звеньев системы, а потому влечет за собой довольно жесткие требования к параметрам канала передачи, что усложняет и удорожает аппаратуру.
6.2. Система ЦТВ SECAM Разработка начата во Франции в 50-е годы 20-го века. В 1965-66гг. и затем доработана совместно со специалистами из СССР и с 1967 г. в СССР начато цветное ТВ вещание. Система распространена в странах восточной Европы, Ближнего и Среднего Востока, Африки. Названа по французским словам Seguentiel Couleur a Memoire (поочередность цветов и память).
Главная особенность системы: в каждой строке передается только один из двух цветоразностных сигналов, что позволяет избежать перекрестных искажений, присущих NTSC. Второй важной особенностью является применение ЧМ сигнала поднесущей частоты цветоразностными сигналами.
Кроме того, для повышения помехоустойчивости передают измененные цветоразностные сигналы: DR= –1,9ER-Y и DВ=1,5EB-Y (при таком выборе (1,90,7=1,50,89=1,33). Выбор знака минус объясняется так: статистические исследования показали, что в красном преобладают положительные значения, а в синем — отрицательные. Изменив знак красного добиваются, что в обоих сигналах преобладает отрицательная девиация частоты, что повышает устойчивость системы к ограничению верхней боковой полосы сигнала цветности, возникающее в каналах связи (что особенно важно для тех стран, где уменьшена полоса частот яркостного сигнала).
Применение ЧМ дает выигрыш в помехоустойчивости при выборе индекса модуляции больше 1 (широкополосная ЧМ). Использовать широкополосную ЧМ в SECAM невозможно из-за необходимости ограничения спектра сигналов цветности: индекс модуляции в среднем равен 0,2. Кроме того, приходится существенно уменьшить размах цветоразностных сигналов. В NTSC размах достигает 120% яркостного, что, благодаря подавлению поднесущей, почти незаметно на черно-белом приемнике. В системе SECAM ЧМ поднесущая воспринимается сильнее и приходится уменьшать размах цветоразностных сигналов до (20…25)% яркостного. Все это делает систему крайне уязвимой к шумовым помехам, и без специальных коррекций, которые иллюстрируются рис. 6.3, система SECAM не смогла бы конкурировать с другими системами ЦТВ.
Рис. 6.3 — Методы повышения помехоустойчивости системы SECAM Одна из них — НЧ коррекция (см. рис. 6.3а), основанная на специфическом для ЧМ спектральном распределении шума на выходе частотного дискриминатора: максимум шума сосредоточен в верхней части спектра. Используя цепь коррекции с АЧХ (кривая 2), можно достичь заметного улучшения отношения сигнал-шум. Однако верхние частоты сигнала также будут подавлены. Чтобы не возникли эти искажения на передающем стороне производят предкоррекцию (кривая 3), которая поднимает ВЧ составляющие спектра цветоразностных сигналов на столько, на сколько они будут подавлены в приемнике. При этом для сигнала изменений не происходит, но шумы канала связи будут подавлены.
Еще один вид коррекции производится до ЧД и потому получил условное название ВЧ коррекции (см. рис. 6.3б). Она основана на механизме взаимодействия сигнала и шума и проникновении составляющих шума на выход ЧД. Это взаимодействие будет проявляться как дополнительная девиация частоты полезного сигнала помехой, зависящая от амплитуды шума и разности частот его и сигнала. Поэтому в ТВ приемнике корректирующей цепью подавляют ВЧ составляющие цветоразностных сигналов, а на передающей стороне их поднимают.
Предискажение сигнала на передающей стороне 3 сводится к увеличению амплитуды ЧМ сигнала в зависимости от величины девиации, то есть сигнал цветности приобретает еще и АМ. После прохождения сигнала через ВЧ корректор АМ исчезает и он приобретает первоначальную форму. Этот способ дает заметный выигрыш не для всех цветов, потому что частота настройки корректора постоянна, а частота поднесущей меняется в зависимости от передаваемого цвета. В итоге в системе используют для передачи сигналов цветности две отличающиеся поднесущие: «красная» с частотой 4406,25 кГц (282fстр) и «синяя» с частотой 4250 кГц (272fстр). Цепь коррекции настраивают на частоту, находящуюся между поднесущими, составляющую 4286 кГц.
Достоинства системы SECAM:
теоретически полностью исключены перекрестные искажения между сигналами цветности, хотя из-за несовершенства работы коммутаторов они все-таки могут проходить;
нечувствительность к дифференциально-фазовым искажениям;
меньшая чувствительность к изменениям амплитуды сигналов цветности.
Недостатки системы SECAM:
большая восприимчивость к флуктуационным помехам, особенно при достаточно малых сигналах;
худшая совместимость: в черно-белых ТВ приемниках: из-за отсутствия режекции поднесущих ее структура достаточно заметна;
сильнее проявляются перекрестные искажения яркость-цветность;
хуже цветовая четкость из-за последовательности передачи цветов, что особенно сказывается на горизонтальных границах насыщенных цветов (получается комбинация цветов).
6.2.1. Кодирующее устройство системы ЦТВ SECAM Кодирующее устройство системы SECAM (см. рис. 6.4) предназначено для формирования из исходных цветов ER, EB и EG полного видеосигнала содержащего яркостной сигнал EY, сигнал цветности US и сигнал синхронизации приемника и состоит из следующих функциональных блоков:
Первичные сигналы ER, EB и EG поступают на матрицу, где из них образуется яркостный и 2 цветоразностных сигнала.
Цветоразностные сигналы DR и DB через цепи НЧ предыскажений, которые предназначены для повышения помехоустойчивости канала цветности за счет подъема уровня ВЧ составляющих цветоразностных сигналов, поступают на электронный коммутатор К. Коммутатор обеспечивает поочередную передачу цветоразностных сигналов через строку, т.е. одна строка передает красный цветоразностный сигнал, а другая синий.
ЛЗ — линия задержки;
К — коммутатор;
ФНЧ — фильтр нижних частот с частотой среза 1,5 МГц;
АО — амплитудный ограничитель;
СФУ — схема фиксации уровня;
ФД — фазовый детектор;
ЧМГ — частотно-модулированный генератор;
ФИС — формирователь импульсов срыва;
КФ — коммутатор фазы;
ГКИ — генератор коммутирующих импульсов;
КГ — кварцевый генератор;
ГУИ — генератор управляющих импульсов;
УПП — устройство подавления поднесущих;
КПИ — корректор перекрестных искажений яркость-цветность.
Рис. 6.4 — Обобщенная структурная схема кодера системы SECAM С выхода коммутатора сигнал через ФНЧ, который ограничивает спектр цветоразностных сигналов и устраняет коммутационные помехи от работы коммутатора поступает на вход амплитудного ограничителя, в котором ограничиваются выбросы сигнала, вызванные НЧ предыскажениями. С выхода АО сигнал поступает на частотный модулятор (ЧМГ), на входе которого включена схема фиксации уровня (СФУ). Основной особенностью частотного модулятора в системе SECAM является, с одной стороны, модуляции сигналами DR и DB двух отличающихся по частоте поднесущих, с другой стороны, необходимо обеспечить высокую точность номинальных значений поднесущих (4406,25 ± 2 кГц для красного и 4250 ± 2 кГц для синего).
Непосредственная стабилизация таких частот невозможна, поэтому в схеме используется импульсная автоподстройка частоты фазовым детектором (ФД) по эталонным кварцевым генераторам КГ, которые поочередно, через строку, подключаются коммутатором К. Для обеспечения подстройки ЧМГ по эталонному генератору не только по частоте, но и фазе в начале строки, используется схема формирователя импульсов срыва (ФИС), которая запускает генератор всегда с одной и той же фазы. Далее сигнал с выхода ЧМГ поступает на коммутатор фазы КФ, который под действием генератора управляющих импульсов ГУИ меняет значение фазы цветовых поднесущих на 180 градусов для уменьшения их заметности на экране. С выхода КФ сигнал через цепь ВЧ предыскажений, необходимою для повышения помехоустойчивости канала цветности, поступает в устройство подавления поднесущих УПП. УПП подавляет поднесущие на время действия синхронизирующих импульсов и управляется генератором управляющих импульсов ГУИ. Далее сигал цветности поступает на один из входов сумматора, где смешивается с сигналом яркости.
Яркостной сигнал через линию задержки (ЛЗ) на (0,4…0,7) мкс, необходимую для задержки яркостного сигнала на время запаздывания сигнала цветности, поступает на корректор перекрестных искажений (КПИ). КПИ уменьшает влияние сигнала яркости на сигнал цветности, поскольку цветовые поднесущие цвета находятся в полосе частот сигнала яркости. С выхода КПИ яркостной сигнал поступает на сумматор, где смешивается с сигналом цветности и сигналом синхронизации приемника (ССП).
6.2.2. Декодирующее устройство системы ЦТВ SECAM Декодирующее устройство (см. рис. 6.5) предназначено для получения из полного цветного ТВ сигнала (композитного) исходных RGB сигналов.
АО — амплитудный ограничитель;
ЭК — электронный коммутатор;
ГКИ — генератор коммутирующих импульсов;
Рис.6.5 — Обобщенная структурная схема декодера системы SECAM Декодирующее устройство SECAM, также как и кодирующее, содержит два канала: яркостного сигнала и цветности.
Полный цветовой сигнал Uп с видеодетектора (ВД) выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на ВЧ корректор сигнала цветности, который повышает помехоустойчивость канала цветности. АЧХ ВЧ корректора обратна АЧХ цепи ВЧ предыскажений, в результате уровень сигнала остается неизменным, а уровень помех снижается на 8 дБ. С выхода корректора сигнал через амплитудный ограничитель (АО), подавляющий паразитную амплитудную модуляцию поднесущих, поступает на вход линии задержки на строку (ЛЗ 64 мкс) и один из входов электронного коммутатора (ЭК). На второй вход ЭК поступает, задержанный на длительность строки, сигнал с выхода ультразвуковой ЛЗ. Для нормальной работы декодирующего устройства цвета необходимо, чтобы на него поступали одновременно оба цветоразностных сигнала, а поскольку в SECAM цветоразностные сигналы передаются через строку, то ЛЗ позволяет совместить эти сигналы по времени. Пока первый сигнал поступает напрямую, предыдущий поступает с линии задержки, а поскольку значение цветоразностных сигналов меняется через строку, то ЭК позволяет направлять соответствующий цветоразностный сигнал на свой цветовой канал. Управление ЭК осуществляется импульсами с генератора коммутирующих импульсов (ГКИ). Далее сигналы с выхода ЭК через АО, подавляющие помехи и паразитную амплитудную модуляцию, вызванную неравномерностью АЧХ ЛЗ, поступают на соответствующие частотные детекторы.
После детектирования цветоразностные сигналы подвергаются НЧ коррекции, повышающей отношение сигнал-шум еще на 10 дБ. АЧХ корректоров обратны АЧХ цепей предыскажений на передающей стороне.
Далее цветоразностные сигналы поступают на матрицу, где происходит формирование зеленого цветоразностного сигнала и далее на цветной кинескоп.
Для правильной работы ЭК необходима его синхронизация по типу передаваемых цветоразностных сигналов. Эта синхронизация обеспечивается при помощи специальных импульсов цветовой синхронизации SR и SB, которые выделяются устройством цветовой синхронизации (УЦС).
Канал яркости содержит широкополосную ЛЗ на (0,4…0,7) мкс, которая выравнивает запаздывание сигналов в канале цветности, и режекторный фильтр для подавления цветовых поднесущих в яркостном канале. Это позволяет снизить их заметность на экране ТВ приемника. Для того, чтобы режекция не ухудшала четкость черно-белых передач, она отключается с помощью управляющего напряжения с устройства цветовой синхронизации.
6.3. Система ЦТВ PAL Разработана немецкой фирмой Telefunken и принята в 1966 г. в качестве стандарта большинства стран Западной Европы. В 20-ом веке система ЦТВ PAL являлась самой распространенной системой в мире. Названа по английской фразе «Phase Alternation Line» (чередование фазы по строкам).
Может рассматриваться как удачная модернизация системы NTSC. В системе PAL используются те же сигналы, что и в других системах ЦТВ, и квадратурная модуляция. Основное отличие в том, что фаза одной из квадратурных составляющих сигнала цветности от строки к строке меняется на 180°, что устраняет основной недостаток системы NTSC (чувствительность к дифференциально-фазовым искажениям) и дает ряд дополнительных преимуществ.
Векторные диаграммы цветовых сигналов в двух соседних строках и примеры сложения и вычитания показаны на рис. 6.6.
Рис. 6.6 — Векторные диаграммы передачи цвета в сиcтеме PAL С помощью ЛЗ на строку осуществляется «запоминание» сигналов цветности, а затем оба сигнала складываются или вычитаются. Таким образом, в приемнике можно обычным детектором разделить цветоразностные сигналы.
Но так как на обычные детекторы надо подавать восстановленную несущую, то их стоимость сопоставима со стоимостью синхронных детекторов и поэтому их используют также, как и в NTSC. Однако искажение цвета из-за фазовых ошибок значительно снижено из-за того, что изменение фазы через строку позволяет скомпенсировать действие помехи путем усреднения фазовой ошибки в двух соседних строках, как показано на рис. 6.7.
Рис. 6.7 — Компенсация фазовых ошибок в системе PAL Таким образом, при одинаковом воздействии помех на сигналы двух строк и более, направление результирующего вектора, определяющее цветовой тон, всегда останется неизменным, а разница будет проявляться только в насыщенности (причем чем больше фазовый сдвиг, тем больше изменение насыщенности).
Обобщенная структурная схема системы PAL показана на рис. 6.8.
Рис.6.8 — Обобщенная структурная схема системы PAL Сигналы первичных цветов ER, EG, EB в кодирующей матрице преобразуются в яркостной EY и два цветоразностных сигнала, EI и EQ. Далее цветоразностные сигналы поступают на первые входы балансных модуляторов, а на их вторые входы в квадратуре (со сдвигом 90°) подается частота поднесущего колебания с входа генератора поднесущей fS. Для устранения основного недостатка системы NTSC (чувствительности к дифференциальнофазовым искажениям) при помощи коммутатора фазы от строки к строке меняется фаза поднесущего колебания модулятора цветоразностного сигнала (EI), что позволяет скомпенсировать воздействие помех. Далее два амплитудномодулированных сигнала поступают на входы сумматора, где вместе с яркостным сигналом образуют суммарный композитный сигнал.
В декодере из композитного сигнала полосовым фильтром выделяется спектр цветоразностных сигналов, который затем через линию задержки на строку поступают на одни входы сумматоров сигналов I и Q, а на вторые входы этих сумматоров поступают эти же сигналы в противофазе. Благодаря использованию сумматоров и линии задержки на строку удается скомпенсировать фазовую ошибку цветового сигнала его зеркальным сигналом следующей строки. Далее сигналы поступают на входы синхронных детекторов, для нормальной работы которых требуется опорное колебание со сдвигом 90°, формируемое устройством выделения поднесущей из сигнала цветовой синхронизации. Затем с цветоразностные сигналы с выхода СД через фильтры нижних частот поступают на декодирующую матрицу, где при помощи яркостного сигнала формируются исходные сигналы ER, EG, EB, а для коррекции времени запаздывания цветоразностных сигналов относительно яркостного, в яркостном канале используется дополнительная ЛЗ на время (0,3…0,7) мкс.
При рассмотрении системы NTSC отмечалось, что для компенсации помех от сигналов цветности в монохромном ТВ приемнике частота поднесущей должна быть (2n+1)fстр/2. Для системы PAL это неприемлемо, так как добавочный поворот фазы еще на 180° в сумме даст 360°, то есть устранит компенсацию поднесущей. Эксперименты показали, что в системе PAL поднесущая наименее заметна, если она имеет сдвиг относительно гармоники fстр на + 25 Гц.
Достоинства системы PAL те же, что и у NTSC:
хорошая совместимость c черно-белым ТВ;
эффективность разделения сигналов яркости и цветности;
высокая помехоустойчивость к флуктуационным помехам;
В качестве дополнительных достоинств следует выделить:
малая чувствительность к фазовым искажениям сигнала цветности возможность работы с частично подавленной верхней боковой полосой обеих квадратурных составляющих сигнала цветности, что очень важно, так как в большинстве стран полоса ТВ сигнала 5,5 МГц;
более эффективное подавление составляющих яркостного сигнала, что уменьшает перекрестные помехи в канале цветности, так как блок задержки по структуре и параметрам близок к гребенчатому фильтру;
нет мерцания границ из-за задержки на строку, как в SECAM, так как цветности двух соседних строк усредняются.
К недостаткам PAL можно отнести несколько большую сложность приемника по сравнению с NTSC, а также уменьшение цветовой четкости по вертикали за счет усреднения информации двух соседних строк.
7. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
7.1. Основные показатели передающих трубок Преобразователи оптического изображения в электрический сигнал – датчики ТВ сигнала — преобразуют световую энергию, отраженную от объекта последовательность электрических сигналов с определенными параметрами, обеспечивающими обратное преобразование. Датчик должен обладать способностью не только оценивать яркость отдельных элементов изображения, но и осуществлять процесс развертки. В современной ТВ технике преобразование осуществляется с помощью передающих электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) и твердотельных датчиков.Качество изображения зависит во многом от таких параметров эти преобразователей, как чувствительности, разрешающей способности, световой и спектральной характеристик, инерционности. Рассмотрим эти параметры.
освещенность светочувствительного элемента (фотослоя) в люксах, при которой обеспечивается заданное соотношение сигнал/шум. Чем выше чувствительность датчика, чем меньшая требуется освещенность.
Световая характеристика — зависимость тока сигнала на выходе преобразователя от освещенности его фоточувствительной поверхности – позволяет судить об интервале освещенностей, в котором способен работать датчик.
Спектральная характеристика — зависимость величины ТВ сигнала от длины волны падающего на датчик излучения равной интенсивности.
Инерционность — параметр, характеризующий запаздывание изменения ТВ сигнала на выходе преобразователя относительно изменения освещенности его фоточувствительной поверхности.
7.2. Типы и законы фотоэффекта использовании внешнего и внутреннего фотоэффекта. При внешнем фотоэффекте освобожденные электроны покидают облученное вещество, вылетая в пространство, – фотоэлектронная эмиссия, при внутреннем – остаются внутри твердого тела, изменяя его проводимость, – фотопроводимость.
Для фотоэлектронной эмиссии установлены следующие законы внешнего фотоэффекта.
Закон Столетова (основной закон фотоэффекта) — фототок фотоэлемента iф пропорционален интенсивности светового потока вызывающего этот ток где Ф — световой поток, лм; S — чувствительность фотокатода, мкА/лм.
Безинерционность фотоэлектронной эмиссии — фототок следует за изменениями светового потока практически без запаздывания до частоты около 100 МГц.
пропорциональна частоте падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Она определяется энергией кванта света.
По принципу действия датчики на ЭЛТ подразделяются на трубки мгновенного действия и с накоплением зарядов.
7.3. Принцип мгновенного действия Принцип мгновенного действия основан на том, что фотоэлектронная эмиссия с каждого элемента изображения используется в интервале времени, равному времени коммутации одного элемента и, следовательно мгновенные значения тока сигнала изображения пропорциональны световому потоку падающему на 1 элемент изображения в течение времени коммутации этого элемента. При этом напряжение сигнала на нагрузке Rн при замыкании ключа К на время коммутации этого элемента определяется протекающим током фотоэмиссии, как показано на рис.7.1.
Рис. 7.1 — Образование сигнала в системе мгновенного действия На внешнем фотоэффекте основана работа таких передающих трубок как — ДИССЕКТОР (рассекатель) и СУПЕРОРТИКОН.
Конструктивно диссектор, изображенный на рис. 7.2, состоит из стеклянной колбы внутри которой имеется полупрозрачный фотокатод (ФК), ускоряющий электрод (УСЭ), диафрагма с отверстием, диноды вторичноэлектронного умножителя (ВЭУ), коллектор, а снаружи трубки располагаются отклоняющие катушки (ОК) строчной и кадровой развертки и фокусирующая катушка, создающая вдоль трубки однородное магнитное поле.
Рис. 7.2 — Схема устройства трубки типа ДИССЕКТОР В отличие от других передающих трубок в диссекторе отсутствует электронно-лучевая пушка и поэтому развертка в нем осуществляется отклонением электронного изображения перед отверстием диафрагмы, которое является развертывающей апертурой. В диссекторе различают 3 секции:
оптико-электронного преобразования;
переноса и отклонения электронного изображения;
вторично-электронного умножителя.
Световое изображение преобразуется в электронное на полупрозрачном светочувствительном слое — фотокатода, нанесенном на внутреннюю поверхность планшайбы трубки, за счет того, что падающий световой поток выбивает фотоэлектроны с его поверхности. Причем, число фотоэлектронов зависит от яркости элементов изображения – чем ярче изображение, тем больше фотоэлектронов. Далее это электронное изображение переносится в плоскость диафрагмы с помощью ускоряющего напряжения, приложенного к УСЭ в магнитном поле ФК. В плоскости диафрагмы под действием отклоняющего поля ОК электронное изображение перемещается относительно отверстия диафрагмы по закону развертки. При этом фотоэлектроны с различных участков ФК попадают через отверстие на первый динод ВЭУ в котором мгновенное значение фототока усиливается за счет размножения вторичных электронов. Питание на диноды подается таким образом, что потенциал каждого последующего динода выше предыдущего, таким образом выбитый электрон из 1 динода ускоряется полем 2 динода и выбивает из него уже 2 электрона и так далее.
Коэффициент усиления ВЭУ достигает 100000, что позволяет поучить ток сигнала порядка 100мкА, отрицательной полярности.
освещенности ФК от десятых долей люкса до нескольких тысяч, обеспечивают хорошее воспроизведение градаций яркости и высокую разрешающую способность. Современные диссекторы обладают высокой механической прочностью, виброустойчивостью и могут работать в большом интервале температур. Кроме того, они после подачи питающих напряжений мгновенно готовы к работе, поэтому они активно используются в различных системах прикладного ТВ, обеспечивающих автоматизацию производственных процессов, слежение за слабосветящимися точечными объектами в телескопах и астронавигации, чтении микрофильмов, а также в телекинопроекционных установках и т.д.
Недостатком диссекторов, а их промышленность выпускает более типов, является их низкая чувствительность в стандарте вещательного ТВ, что, однако, является недостатком всех систем мгновенного действия.
Следует отметить, что наиболее чувствительной передающей трубкой, использующей внешний фотоэффект, является суперортикон (ЛИ201, ЛИ221…) Высокая чувствительность обеспечивается за счет переноса электронного изображения с полупрозрачного фотокатода на 2-х стороннюю накапливающую мишень и ее развертки пучком медленных электронов с последующим усилением изображения внутренним ВЭУ.
способность, однако очень сложны в производстве и эксплуатации из-за большого числа регулировок. Кроме того, имеют большие габариты и низкий срок службы (200-750 ч), большое время включения (20-30 мин из-за прогрева мишени до температуры 35-600С) и к тому же высокую чувствительность к вибрациям, ударам, изменению температуры.
7.4. Принцип накопления заряда Как уже говорилось, основным недостатком систем мгновенного действия является их низкая чувствительность, поскольку у них в образовании сигнала участвуют лишь те фотоэлектроны, которые эмитируются с участка фотокатода, соответствующего одному элементу изображения во время коммутации, хотя фотоэмиссия происходит со всей мишени постоянно.
Повысить эффективность работы фотопреобразователей можно за счет использования принципа накопления заряда, заключающегося в том, что световая энергия, облучающая элемент в межкоммутационный период, накапливается на накопительном конденсаторе (рис. 7.3.а).
Рис. 7.3 — Принцип накопления световой энергии:
а — эквивалентная схема; б — модуль ТВ системы с накоплением Емкость Сэ за счет фотоэмиссии накапливает заряд в течении кадра, а поскольку увеличение светового потока сопровождается увеличением фототока, то элементы имеющие разную освещенность получат различные заряды. Сигнал с элементарного конденсатора Сэ э получается в результате его быстрого разряда коммутирующим лучом развертки за время tэ на нагрузочный резистор Rн, причем, в идеале принцип накопления увеличивает напряжение сигнала в N раз, равное количеству элементов разложения, поскольку:
где N — количество элементов разложения.
Однако, на практике такой выигрыш получить не удается.
передающих трубок содержащих мозаичную или фотопроводниковую фотомишень, эквивалентная схема которой показана на рис. 7.4,б. Она состоит из изолированных ячеек, каждая из которых содержит фотоэлемент и накопительный конденсатор. При проекции оптического изображения в цепях ФЭ возникает ток, пропорциональный освещенности, поэтому конденсаторы заряжаются до различных значений, образуя потенциальный рельеф.
«