1. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ СИСТЕМИ І ПОВНОЇ ТЕЛЕВІЗІЙНОЇ СІГНАЛА.ІСКАЖЕНІЯ телевізійного зображення

У даному розділі розглядаються основні параметри телевізійної (ТБ) системи і повного телевізійного сигналу (ПТВС), а також аналізуються спотворення ТБ зображення і ПТВС.

Основні принципи передачі та відтворення ТБ зображень

В основі телевізійної передачі та відтворення зображень лежать три фізичні процесу:

– Перетворення світлової енергії, що виходить від об'єкта передачі, в електричні сигнали;
– Передача і прийом електричних сигналів;
– Перетворення електричних сигналів у світлові імпульси, що відтворюють оптичне зображення об'єкту.

Телевізійного перетворенню зображень в електричний сигнал передує побудова оптичного зображення. Це зображення може бути представлене безліччю інтегральних джерел, інтенсивність кожного з яких може приймати т різних значень. Чим більше число елементарних джерел N (елементів зображення), тим вище гранично помітна детальність зображення, тобто елементи повинні бути досить дрібні, а їх число на зображенні має бути достатньо великою, щоб око не помічав дискретної структури зображення.

Перший принцип телебачення полягає в розбитті зображення на окремі елементи і в поелементно передачу всього зображення. Елементом зображення називається мінімальна деталь зображення, яка може бути помітна і відтворена ТБ системою. Зображення, утворене сукупністю всіх елементів, називається кадром.

Другий принцип, на якому базується телебачення, – це послідовні в часі передача і відтворення інформації про яскравість (і кольорі) окремих елементів зображення. Це можливо завдяки інерційності зору людини, яка виявляється в тому, що миготіли джерело світла при високій частоті мельканій здається безперервно, що світиться.

Процес послідовної поелементно передачі (аналізу) і відтворення (синтезу) зображення називається розгорткою зображення.

У ТВ мовлення системах розгортка зображення і на передавальній, і на приймальній стороні здійснюється в результаті руху променя з постійною швидкістю по горизонталі (рядку) зліва направо і по вертикалі (Кадру) зверху вниз. Утворена в процесі розгортки структура поля – сукупність рядків – називається ТБ растром.

Передача і відтворення кожного елемента зображення повинні здійснюватися синхронно і синфазно. Це забезпечується підтримкою в заданих межах закону розгорток та їх періодичної примусової синхронізацією по рядку і по кадру на передавальній і приймальні сторонах ТВ системи.

Основні параметри ТВ системи

Формат кадру. Форматом кадру називається відношення ширини зображення b до його висоті h


(1.1)

У ТБ величина формату кадру обрана рівний k = 4:3, що визначається кутовими розмірами поля ясного зору очі і враховує досвід вибору форми зображення в кіно, фотографії та живопису. У сучасних системах використовується k = 16:9 .

Число рядків розкладання. Число рядків розкладання z визначає номінальну чіткість ТБ зображення, тобто його детальність. Ці параметри залежать від числа елементів в зображенні N . Враховуючи, що вздовж рядка укладається елементів,

N = z · kz = kz 2
(1.2)

Під елементом розуміється мінімальний ділянку ТБ зображення, всередині якого відтворюється лише середня яскравість. Число рядків розкладання вибирається виходячи з величини роздільної здатності ока (При розгляданні зображення у вугіллі ясного зору). Роздільна здатність очі кількісно визначається мінімальним кутом, рівним (1,0 … 1,5) ‘ , В межах якого дві точки ще розрізняються окремо.

У Росії прийнято число рядків розкладання z = 625. Це певною мірою реалізує роздільну здатність очі, якщо спостереження зображення здійснюється при оптимальній відстані розглядання l опт  = (5…6) h , Тобто при розгляданні зображення у вугіллі ясного зору. У ТБ системах високої чіткості (ТВЧ) кількість рядків розкладання z ТВЧ = 1125 (1250).

Ширина спектру ТВ сигналу визначається в основному верхньої граничної частотою


(1.3)

де n – Число кадрів, що передаються у секунду; N 1c  = kz 2 n – Число елементів зображення, що передаються у секунду.

Число кадрів, переданих в секунду . Число кадрів – число нерухомих зображень, що передаються в одну секунду, – вибирається виходячи з інерційних властивостей зорового аналізатора. Завдяки інерції зорового сприйняття («пам'яті») вдається імітувати плавний рух деталей зображення і сприйняття мерехтливого світлового потоку, як безперервного випромінювання.

З досвіду кіно відомо, що для отримання враження плавного руху об'єктів в більшості випадків достатньо відтворювати 16 нерухомих зображень на секунду. Однак при такій кількості кадрів очей зауважує мерехтіння яскравості зображення на екрані. Величина критичної частоти мерехтінь, при якій очей перестає помічати періодична зміна яскравості телевізійного екрану, лежить в межах (48 … 50) Гц. Виходячи з цього кількість кадрів ТВ системи при порядкового розгортці повинно бути вибрано n = 50 к / с.

Однак при n = 50 к / с по каналу зв'язку передається надлишкова інформація, що значно розширює спектр сигналу зображення. При цьому верхня частота спектру згідно (1.3) може бути визначена як

 

Скорочення спектру ТБ сигналу за рахунок зменшення швидкості передачі зображення (числа кадрів в секунду) можна добитися за допомогою черезрядкової розгортки. При чересстрочной розгортці кожен кадр передається за два прийоми: спочатку непарні рядки (непарне поле), потім парні (парне поле). При цьому частота мерехтінь яскравості зображення в 2 рази перевищує число кадрів, що передаються у секунду, тому для сучасних мовних систем з чергуванням рядків число кадрів вибрано рівним n = 25 к / с при мерехтінні яскравості зображення з частотою 50 Гц. Це дозволяє скоротити спектр частот сигналу зображення в 2 рази і забезпечити непомітність мерехтінь яскравості зображення на екрані. Дійсно, при k = 4:3, z
= 625 , n = 25 к / с верхня частота спектру дорівнює

 

Процес скорочення спектру сигналу зображення можна пояснити наступним чином. При передачі зображення з розподілом яскравості L m уздовж рядка m ТБ системою з порядкового розгорткою (рис. 1.1, а, б) форма сигналу зображення буде мати вигляд, показаний на мал. 1.1, в. При передачі цього ж зображення ТБ системою з чересстрочной розгорткою з тим же числом рядків з'являється можливість в 2 рази зменшити кількість кадрів. Через це швидкість руху розгортається променя передавальної трубки по рядку зменшується в 2 рази. Форма сигналу зображення в цьому випадку показано на рис. 1.1, г. Тривалість імпульсів t і від відповідних деталей зображення і тривалість фронтів цих імпульсів t ф збільшуються в 2 рази. Із загальної теорії зв'язку відомо, що ширина спектра імпульсу обернено пропорційна його тривалості, тому при чересстрочной розгортці з тим же числом рядків спектр сигналу зображення зменшується в 2 рази і для його передачі потрібна менша смуга частот тракту.

 

Контраст і число відтворюваних градацій яскравості зображення. Контрастом зображення називається відношення максимальної яскравості зображення L max до мінімальної яскравості L min


(1.4)

Контраст є одним з найважливіших якісних параметрів зображення, так як він характеризує діапазон зміни яскравості і визначає число помітних градацій яскравості (півтонів зображення). При зменшенні контрасту зображення стає бляклим, як би покривається туманом, зменшується розрізнення його деталей. До цього явища призводить і зовнішня засвітка зображення, так як контраст при наявності паразитної засвітки L д неминуче падає:


(1.5)

Особливістю нашого зору є те, що око реагує не на абсолютне значення зміни яскравості D L, а на її відносне збільшення D L/L .

Мінімальний (пороговий) контраст, виявляється оком (порогова градація яскравості), дорівнює ( D L / L) = 0,02 … 0,05. Мірою візуального відчуття будь-якого перепаду яскравості може служити число порогових градацій. Зокрема, при заданому контрасті спостерігач може сприйняти на зображенні цілком певна кількість рівнів змін яскравості (порогових градацій яскравості). Так, при характерних для ТВ зображень значеннях параметрів K з = 100 і ( D L/L) пір = 0,05 максимально можливе число відтворюваних градацій визначається як


(1.6)

Вид розгортки . Передача ТВ зображення може здійснюватися за допомогою порядкового і чересстрочной розгорток. У сучасному мовної ТБ, як зазначалося вище, використовується черезстрокова розгортка, що забезпечує дворазове скорочення спектру ТБ сигналу в порівнянні з порядкового (при однаковій чіткості і частоті мерехтінь яскравості зображення).

Однак черезстрокова розгортка має і недоліки. Найбільш суттєвим з них є жорсткі умови формування черезрядкового растру: в кожному кадрі має бути строго певний непарне число рядків розкладання; отже, в кожному полі має бути ціле число рядків плюс половина рядка. Для цього необхідна жорстка зв'язок частот кадрової і рядкової розгорток. Порушення чересстрочной розгортки – «злипання» рядків – може відбуватися і при неідентичності (близько 0,16%) розмахів сигналів кадрової розгортки непарного і парного полів.

Основні параметри системи ТВ мовлення Росії:

число рядків розкладання z   = 625,
число кадрів в секунду n = 25 к / с,
формат кадру
k  = 3:4,
вид розгортки – черезстрокова.

Склад, призначення і особливості повного телевізійного сигналу

Повний телевізійний сигнал (ПТВС) чорно-білої ТВ системи містить наступні складові: сигнал зображення (сигнал яскравості), сигнал гасіння, сигнал синхронізації розгорток приймачів.

На рис. 1.2 показані осцилограми ПТВС при частотах розгортки осцилографа, кратних частоті рядкової розгортки f z (Рис. 1.2, а) і частоті кадрової розгортки f n (Рис. 1.2, б).

Сигнал зображення. Сигнал зображення (сигнал яскравості) розташовується в активної частини рядка T za (Рис. 1.2, а) і є ос-новном складової ПТВС, тому що несе інформацію про яскравість елементів зображення. Форма сигналу зображення має імпульсний характер і відповідає зміні яскравості зображення в напрямку рядкової розгортки. Будь-яке спотворення форми сигналу неминуче викликає яскравості спотворення деталей ТБ зображення.

Так як яскравість є уніполярні фізичною величиною, сигнал зображення також уніполярен і, отже, має постійну складову, пропорційну середній яскравості зображення. При цьому за позитивну полярність сигналу приймається така полярність, при якій максимальне значення сигналу відповідає максимальної яскравості (рівню білого, рис. 1.2), а за негативну – полярність, при якій максимальне значення сигналу відповідає мінімальній яскравості (рівню чорного).

Розмах сигналу зображення між реальними рівнями білого і чорного характеризує контраст зображення.

Верхня гранична частота спектру сигналу зображення

а нижня, при чересстрочной розгортці,

f н = 2 n
(1.7)

Сигнал гасіння . Сигнал гасіння в ПТВС призначений для запирання променів прийомних трубок – кінескопів – під час зворотних ходів розгорток. Він складається із сукупності П-подібних гасять імпульсів частоти рядків тривалістю 12 мкс (19% від тривалості рядка T z = 64 мкс, рис. 1.2, а) і П-подібних гасять імпульсів частоти полів тривалістю 25 T z = 1600 мкс (8% від тривалості поля T z = 20 мс, рис. 1.2, б). З 625 рядків ТБ растру 50 не використовуються для передачі зображення і витрачаються на два зворотних ходу кадрової розгортки.

Полярність і розмах сигналу гасіння вибираються такими, щоб вершини П-подібних імпульсів перебували на рівні гасіння – на (0 … 5)% нижче за рівень чорного ПТВС (рис. 1.2). У разі відсутності або малого розмаху кадрових гасять імпульсів, недостатніх для надійного запирання променя приймальної трубки, на ньому з'являються характерні білі смужки – слід від променя кінескопа під час зворотного ходу по кадру. У випадку недостатньої розмаху рядкових гасять імпульсів слід від променя при зворотному ході по рядку створює паразитне засвічення. Це призводить до зменшення контрасту ТБ зображення.

Сигнал синхронізації . Сигнал синхронізації призначений для жорсткої синхронізації розгорток ТБ приймача з відповідними розгортки передавальної камери ТБ центру.

Сигнал синхронізації складається із сукупності П-подібних рядкових сінхроімпульсов тривалістю 4,7 мкс і кадрових тривалістю 2,5 T z = 160 мкс (рис. 1.2). Для ідентичності кадрових сінхроімпульсов, наступних на початку парних і непарних полів, в них зроблені п'ять імпульсів врізок з подвійною рядкової частотою тривалістю 4,7 мкс кожен. Для однакових умов виділення сінхроімпульсов парних і непарних полів у приймальнику перед цими імпульсами і після них передаються дві послідовності з п'яти їх розпорядженні імпульсів з подвійною рядкової частотою і тривалістю 2,35 мкс кожен.

Сигнали синхронізації передаються під час слідування відповідних гасять імпульсів в області рівнів нижче рівня гасіння. Розмах сигналу синхронізації встановлюється рівним 30% від розмаху ПТВС (Рис. 1.2).

Оцінка параметрів і спотворень ТБ зображення і ПТВС

Оцінка величин основних параметрів і спотворень ТБ зображення, а також налагодження обладнання виробляються в більшості випадків за допомогою телевізійних випробувальних таблиць (Тит). Зокрема, у лабораторному макеті ТВ системи для оцінки параметрів і спотворень ТБ зображення використовується універсальна електронна таблиця випробувальна УЕІТ.

Координатні спотворений. Координатні (геометричні) спотворення зображення – порушення геометричного подібності репродукції по відношенню до оригіналу. Найчастіше вони виникають через наступних причин:

1) неідентичності форматів кадру на передавальною і приймальною трубках, тобто неправильного співвідношення розмахів сигналів малої й кадрової розгорток. При цьому виникає рівномірне по всьому полю зміна масштабу зображення по горизонталі або по вертикалі. Ці спотворення ліквідуються зміною розмірів зображення по вертикалі або горизонталі;

2) неідентичності форми сигналів рядкових (кадрових) розгорток передавальних і приймальних пристроїв, тобто неоднаковості відносних швидкостей руху променів в горизонтальному (вертикальному) напрямку в передавальною і приймальною трубках. При цьому частина репродукції збільшується в розмірах відносно оригіналу, а інша частина зменшується.

Візуальна якісна оцінка координатних спотворень і їх корекція за допомогою регулювань розмахів і лінійних сигналів малої й кадрової розгорток проводиться за окружностях порівняно великого діаметра. Вони розміщуються звичайно в центрі і по кутах поля Тит. До спотворень цих кіл очей найбільш критичний.

Оцінка спотворень низькочастотних складових сигналу зображення . Спотворення низькочастотних складових сигналу зображення викликають спотворення яскравості великих деталей зображення (що тягнуться продовження).

Сигнал зображення від відносно великих деталей (рис. 1.3, а) оригіналу представляє собою імпульси порівняно велику тривалості (рис. 1.3, б), тому спектр такого сигналу містить і щодо низькі частоти. Спотворення зазначених імпульсів визначаються формою амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) тракту в області низьких частот (або формою перехідної характеристики в області великих часів – Горизонтальної частини одиничного стрибка).

Як відомо, при спаді (підйомі) АЧХ в області низьких частот, у імпульсу порівняно велику тривалості спостерігається спад (підйом) плоскої частини, а за імпульсом з'являються тягнучі продовження «За білим – чорне» («за білим – біле»). Плавне зміна яскравості великої деталі в напрямку рядкової розгортки, що виникає через нахилу плоскої частини імпульсу, візуально порівняно мало помітно. А ось спотворення яскравості фону Тит – тягнуться продовження за деталлю у вигляді своєрідного «хвоста» – помітно значно сильніше (рис. 1.3, в).

У УЕІТ для оцінки низькочастотних спотворень сигналу зображення передбачені чорні і білі деталі в центрі таблиці.

Оцінка спотворень високочастотних складових сигналу зображення . Спотворення високочастотних складових сигналу зображення викликають зміну чіткості зображення в горизонтальному напрямку і поява помилкових візерунків на зображенні (пластика, повтори контурів деталей і т. п.).

Чіткість зображення визначається: по вертикалі – кількістю рядків розкладання z і якістю черезрядкової розгортки, а по горизонталі – шириною смуги частот пропускання каналу передачі сигналу зображення (або формою перехідної характеристики в області малих часів – тривалістю фронту перехідної характеристики).

Практично чіткість зображення оцінюється величиною мінімальної деталі, що відтворюється за допомогою ТВ системи.

Величини деталей вимірюються у відносних одиницях (по відношенню до висоти кадру h ), А чіткість – в умовних одиницях – рядках. Наприклад, якщо візуально на репродукції розрізняються деталі розміром не менше (1 / 550) h , То чіткість зображення складе 550 рядків.

Для оцінки чіткості зображення використовуються штрихові світи з чорно-білих ліній з одним, двома і трьома чорними штрихами однакової товщини, а також многоштріховие світи з однаковою товщиною штрихів в центрі і кутах Тит. Близько цих світ нанесені числа умовних одиниць вимірювання чіткості зображення, відповідні відносної товщині штрихів у даному місці. Для кількісної оцінки чіткості зображення спостерігач визначає область, де штрихи світи перестають відрізнятися роздільно.

Спад АЧХ тракту в області верхніх частот і відповідне збільшення тривалості фронту перехідної характеристики (рис. 1.4, а) є основною причиною зменшення чіткості зображення по горизонталі.

При підйомі АЧХ в області верхніх частот зменшується тривалість фронту перехідної характеристики (рис. 1.4, б), і, крім того, на горизонтальній частині її може виникнути загасаючий коливальний процес (рис. 1.4, в). Відповідно до спотвореннями перехідної характеристики спотворюються і деталі зображення, тобто після різкої зміни яскравості по рядку на репродукції можуть виникнути повтори контуру деталі з поступово спадною інтенсивністю. Якщо ж коливальний процес аперіодічен, тобто, якщо є тільки один (перший) викид e , То межі деталі їм як би підкреслюються. Ці спотворення носять назву «пластику». У ряді випадків невелика пластику навіть корисна, тому що вона поліпшує позначатися об'єктів.

Оцінка чіткості по вертикалі за допомогою горизонтальних штрихових світ утруднена муар-ефектом – биттям просторових частот, утворених дискретної структурою растра по вертикалі і горизонтальними штрихами світи. За допомогою УЕІТ побічно оцінюється лише якість чересстрочной розгорнення по спотворень похилих ліній у центрі таблиці. При порушенні чересстрочной розгортки ці лінії відтворюються у вигляді ступінчастих кривих.

Оцінка нелінійних спотворень сигналу зображення. Нелінійні спотворення сигналу зображення викликають зміну контрасту деталей репродукції і числа відтворюваних градацій (півтонів).

Оцінка контрасту зображення і числа відтворюваних градацій проводиться за шкалою перепадів яскравості – градаційної клину. Ці шкали Тит складені в більшості випадків з 10 порівняно великих чорно-білих прямокутників, причому перший і останній мають відповідно максимальну і мінімальну яскравості, а яскравість проміжних прямокутників візуально лінійно змінюється в заданому діапазоні яркостей. Шкали розташовуються, як правило, горизонтально в центральній частині таблиці. Форма сигналу зображення від подібного клину являє собою східчасту спадаючі (зростаючу) криву.

Вимірювання яркостей першого і останнього елементів шкали дає можливість оцінити величину контрасту зображення, а число прямокутників з відмінними від сусідніх яскравості (число ступенів яскравості) дозволяє орієнтовно оцінити кількість відтворюваних градацій (півтонів) зображення. Зазвичай для універсальних Тит контраст репродукції повинен бути близько 50, а число півтонів 7-9. Слід врахувати, що при цьому номінальна число градацій, яке може відтворити ТВ система, буде приблизно на порядок вище – 70-80, так як величина кожного перепаду яскравості градаційної клину містить 8-10 порогових градацій.

Зазначені значення яскравості параметрів зображення на екрані кінескопа ТБ приймача досягають за допомогою багаторазових послідовних регулювань яскравості та контрасту (розмаху ПТВС). Інші параметри репродукції (чіткість, що тягнуться продовження та ін) оцінюються за Тит тільки після встановлення оптимальних яскравості параметрів зображення.

Контрольні питання

1. Поясніть призначення всіх складових ПТВС.
2. Поясніть, чому параметри розкладання зображення визначають смугу пропускання тракту передачі ТБ сигналу.
3. Які спотворення форми ТВ сигналу будуть мати місце при спаді (підйомі) амплітудно-частотної характеристики в області нижніх (верхніх) частот смуги пропускання і як вони виявляться на ТБ зображенні?
4. Перерахуйте параметри ТВ системи та їх вплив на якість зображення.
5. Перерахуйте спотворення ТБ зображення та основні причини, що їх викликають.

Джерело матеріалу