/
Автор: Быков Р.Е.
Теги: электротехника радиовещание телевидение оптика видеотехника учебник для вузов цифровая обработка изображений
ISBN: 5-8114-0121-3
Год: 1998
Текст
ББК 76.3
Б 95
УДК 621.397
Быков Р. Е.
Б 95 Теоретические основы телевидения. Учеб. для вузов / Оформление
обложки С. Шапиро, А. Олексенко. — СПб.: Издательство «Лань»,
1998. — 288 с: илл.
ISBN 5—8114—0121—3
ББК 76.3
В книге излагаются теоретические основы телевидения и видеотехники,
рассмотрены физические процессы формирования оптических изображений и
преобразования их в сигналы, основы телевизионной передачи, видеозаписи,
цифровой обработки и анализа изображений. Приведены методы синтеза и
анализа современных телевизионных систем, оценки качества телевизионного
изображения.
Для студентов, обучающихся по направлению «Радиотехника» и смежным
направлениям и специальностям («Проектирование и технология радиоэлек-
радиоэлектронных средств» и др.). Книга полезна для аспирантов, инженеров и научных
работников, работающих в области телевидения и радиоэлектроники.
Рецензенты: кафедра «Телевизионные устройства» Томской государ-
государственной академии систем управления и радиоэлектроники (зав. кафед-
кафедрой — проф. И. Н. Пустынский); кафедра «Телевидение и видеотехника»
Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций
им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (зав. кафедрой — проф. В. Е. Джакония).
Охраняется законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение всей книги или любой ее части
запрещается без письменного разрешения издателя.
Любые попытки нарушения закона
будут преследоваться в судебном порядке.
© Издательство «Лань», 1998
© Р. Е. Быков, 1998
© Издательство «Лань»,
художественное оформление, 1998
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 5
Введение 7
Глава 1. Изображение И
§ 1.1. Телевизионная система 11
§ 1.2. Формирование оптического изображения 13
§ 1.3. Светоделение 25
§ 1.4. Классификация и характеристики изображений . . . 28
§ 1.5. Изображение — объект исследования 31
Глава 2. Зрительное восприятие 36
§ 2.1. Зрительная система человека 36
§ 12. Световая чувствительность глаза 38
§ 2.3. Восприятие яркости и число различимых градаций 40
§ 24. Разрешающая способность глаза 42
§ 2.5. Восприятие мерцающих изображений 46
§ 2.6. Восприятие пространства 47
§ 2.7. Цветовое зрение 48
§ 2.8. Цветовые измерения и расчеты 50
Глава 3. Формирование сигнала изображения 65
С; § 3.1. Анализ и синтез изображений 65
; § 3.2. Частотный спектр сигнала изображения 68
§ 3.3. Построение телевизионного растра 71
§ 3.4. Переходная характеристика разлагающего устрой-
устройства 73
§ 3.5. Апертурно-частотная характеристика разлагающе-
разлагающего устройства 77
§ 3.6. Разрешающая способность преобразователя изоб-
изображения 81
§ 3.7. Характеристика разложения 84
§ 3.8. Спектральные характеристики и цветокоррекция. . 86
§ 3.9. Синхронизация процессов анализа и синтеза изоб-
изображений 90
Глава 4. Фотоэлектрические преобразователи изображений... 101
§ 4.1. Преобразователи изображений мгновенного дейст-
действия 101
§ 4.2. Принцип накопления заряда 105
§ 4.3. Преобразователи изображения с полупроводнико-
полупроводниковыми мишенями ПО
§ 4.4. Многосигнальные преобразователи изображений с
полупроводниковыми мишенями 121
§ 4.5. Приборы с зарядовой связью 129
§ 4.6. Принципы построения линейных и матричных пре-
преобразователей изображений 134
3
§ 4.7. Многосигнальные преобразователи с
на базе ГОС „. 139
§ 4.8. Динамические характеристики преобразователей
изображений • • 142
Глава 5. Аналоговая ¦ цифровая обработка сигналов изобра-
изображения 146
§ 5.1. Обработка сигнала и качество формируемого изоб-
изображения *4"
6 5.2. Цифровое представление сигналов 153
§ 5.3. Цифровое кодирование сигналов изображения . . . 165
§ 5.4. Цифровая обработка сигналов изображения .... 173
Глава б. Кодирование и передача сигналов изображения по ка-
каналам связи 182
§ 6.1. Согласование параметров сигналов и характерис-
характеристик телевизионных каналов связи 182
§ 6.2. Яркостный и цветоразностные сигналы 184
§ 6.3. Системы цветного телевидения с частотным уплот-
уплотнением спектра 187
§ 6.4. Временное уплотнение сигналов в системах цветно-
цветного телевидения 203
Глава 7. Воспроизведение изображений 210
§ 7.1. Кинескоп 210
{7.2. Формирование черно-белого изображения 213
7.3. Формирование цветного изображения 220
7.4. Качество телевизионного изображения 224
;, | 7.5. Нетрадиционные устройства воспроизведения изоб-
изображения 228
§ 7.6. Телевизионный приемник 231
Глава 8. Консервация сигналов изображения 235
§ 8.1. Принципы магнитной видеозаписи 235
8.2. Частотная модуляция сигналов изображения.... 239
8.3. Обработка сигнала изображения 245
8.4. Форматы видеозаписи •. . . . 247
8.5. Оптическая видеозапись 255
Глава 9. Анализ и обработка видеоинформации 260
§ 9.1. Сканирующие системы анализа и обработки изоб-
изображений 260
§ 9.2. Системы визуализации 262
§ 9.3. Измерительные системы 268
§ 9.4. Многозональные системы 275
§ 9.5. Фильтрация изображений по цветности 281
§ 9.6. Системы анализа видеоинформации на базе ЭВМ . 284
Заключение '. 286
Список литературы 287
ПРЕДИСЛОВИЕ
Телевизионная техника непрерывно впитывает новейшие науч-
научные и технические достижения, постоянно находится в состоянии
совершенствования и развития. Кроме того, плодотворные исследо-
исследования в области передачи изображений на расстояние охватывают
практически столетний отрезок времени. За это время сформирова-
сформировались некоторые основополагающие принципы формирования оп-
оптических изображений, генерирования сигнала изображения, пере-
передачи его по каналам связи, построения телевизионного изображения
и др. Перечисленные вопросы можно отнести к тем или иным
фундаментальным разделам науки и техники (физике, электронике,
радиотехнике и др.), однако при объединении их одной идеей —
формирование изображений сцен, удаленных от наблюдателя, они
составляют основы телевидения — наукоемкой области знаний,
включающей как теоретические основы, так и вопросы инженерного
проектирования сложных многофункциональных элементов и си-
систем.
Книга написана как учебник, и с этим связаны особенности ее
построения, учитывающие глубокую разницу между научным по-
познанием и познанием в процессе Обучения. Интересно в связи с этим
привести высказывание выдающегося физика и педагога, автора
книги «Принципы теории твердого тела» (русск. перевод под ред.
В. Л. Бонч-Бруевича. — М.: Мир, 1966. С. 9) Дж. Займана: «Суще-
«Существует глубокая разница между монографией и учебником. Моно-
Монография излагает, учебник объясняет. Никогда не предполагалось,
что студент сможет уложить в своей голове всю физику или хотя бы
какую-то область физики целиком. Ему не нужно запоминать то,
что легко найти в монографиях, в обзорных и оригинальных ста-
статьях. Но он должен научиться читать эти источники, должен из-
изучить язык, на котором они написаны, должен знать основные
экспериментальные факты и общие теоретические принципы, на
которых основана изучаемая наука».
Книга посвящена прежде всего рассмотрению физических про-
процессов, протекающих в элементах телевизионной системы, фун-
фундаментальных принципов построения функциональных модулей
и системы в целом. К числу центральных разделов автор относит
рассмотрение вопросов согласования параметров телевизионных
систем с характеристиками зрения, теоретические исследования
механизмов формирования сигнала изображения, количественное
описание процедур обработки сигналов изображения, обеспечива-
обеспечивающих формирование цветного телевизионного изображения безуп-
безупречного качества, и др. Вместе с тем, содержание книги в значитель-
значительной мере определилось программой дисциплины «Основы телевиде-
телевидения», рассчитанной на студентов вузов, обучающихся по направле-
направлению «Радиотехника».
В любом из разделов учебника можно было «углубиться» при
изложении материала, однако этого не позволял ограниченный
объем книги, да и в задачу курса это не входило. Автор следовал
бесспорной истине: «Не гонитесь за количеством преподанного
материала. Возбудите только любопытство. Откройте своим слу-
слушателям глаза, не перегружайте их мозг. Зароните в него искру.
Огонь сам загорится там, где для него найдется пища».* Практичес-
Практически невозможно четко указать контуры той области знаний, которую
относят к телевидению или телевизионной технике. Подбор матери-
материалов, включенных в учебник, естественно, отражает одну аз школ
подготовки специалистов, основы которой заложены профессором
Я. А. Рыфтиным.
Книга возникла в результате переработки курса «Теоретические
основы телевидения)), который автор в течение ряда лет читал
студентам радиотехнического факультета С.-Петербургского госу-
государственного электротехнического университета им. В. И. Ульяно-
Ульянова (Ленина) (ЛЭТИ), в ней использованы также материалы лекций,
прочитанных автором студентам, аспирантам и научным сотруд-
сотрудникам Технического университета (Германия, г. Дрезден, 1984),
Высшего машинно-электротехнического института (Болгария, г. Ва-
Варна, 1989) и Пекинского политехнического института (Китай, 1990
и 1993).
Автор благодарен своим коллегам по кафедре «Телевидение
и видеотехника» С.-Петербургского государственного электротех-
электротехнического университета им. В. И. Ульянова (Ленина); их полезные
советы позволили улучшить содержание и стиль изложения многих
разделов.
Автор выражает признательность и благодарность рецензен-
рецензентам — коллективам кафедры «Телевизионные устройства» Томской
государственной академии систем управления и радиоэлектроники,
возглавляемой профессором И. И. Пустынским, и кафедры «Те-
«Телевидение и видеотехника» С.-Петербургского государственного
университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича,
возглавляемой профессором В. Е. Джакония.
Замечания и предложения прошу направлять по адресу: 101430,
Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, изд-во «Высшая школа».
Р. Быков
, * Анатом Франс. Сад Эпикура. Собр. сочинений. — М: Художественная лите-
литература, 1988. Т. 3. С. 320.
ВВЕДЕНИЕ
Телевизионная система (ГВС) по функциональному назначению
отдельных ее звеньев и сложности их взаимодействия является
типичной радиотехнической системой. Наряду с устройствами пре-
преобразования изображения в электрический сигнал ТВС содержит
устройства цифровой и аналоговой обработки сигналов изображе-
изображения, включая нелинейные и сложные временные преобразователи,
устройства сокращения избыточности цифровых сигналов изобра-
изображений и статистического кодирования этих сигналов. Изучение ТВС
позволяет познакомиться с различными методами кодирования
и декодирования сигналов (на примере передачи сигналов в веща-
вещательном телевидении). Значение временного согласования процес-
процессов, протекающих в сложных радиотехнических системах, выявля-
выявляется в ТВС наиболее ярко.
История развития телевидения достаточно полно отражена
в увлекательной книге В. А. Урвалова [1]. В развитии телевизион-
телевизионной техники автор выделяет следующие периоды: зарождения идей
(до 1920 г.), механического телевидения A920 — 1935), электронно-
электронного черно-белого телевидения A936 —1966) и электронного цвет-
цветного телевидения (с 1967 г.). Последующие этапы связаны с раз-
разработкой цифровых ТВС, систем телевидения высокой четкости
(ТВЧ), широким использованием твердотельных преобразователей
изображений, устройств видеозаписи, развитием спутникового те-
телевизионного вещания, внедрением сканирующих систем анализа
и обработки видеоинформации [2 — 5].
Только перечисление имен выдающихся ученых, работы кото-
которых явились фундаментом для построения современных ТВС, сви-
свидетельствует о том, насколько сложно и многогранно это научно-
техническое направление: исследования фотоэлектрических явлений
Э. Беккерелем в 1839 — 1868 гг., А. Г. Столетовым в 1888 — 1890
гг., получение в 189S году немецким исследователем П. Нишсовым
патента на свое выдающееся изобретение — диск Нипкова и изоб-
изобретение в том же году радио А. С. Поповым, создание
Б. Л. Розингом в 1907 г. первой электронно-лучевой трубки, при-
пригодной для воспроизведения изображения и др.
Развитие отечественной школы телевидения связано с именами
блестящих ученых и инженеров. Среди них следует назвать выпуск-
выпускника Электротехнического института А. А. Полумордвинова, ко-
торый в 1899 г. предложил механическую систему цветного телеви-
телевидения с последовательной передачей информации о цвете. Патент
(«привилегия») на «Светораспределитель для аппарата, служащего
для передачи изображений на расстояние» был выдан лишь спустя
шесть лет после подачи заявки. Устройство с одновременной пере-
передачей сигналов цветного изображения в 1907 г. предложил
И. А. Адамяя (он получил немецкий, российский и французский
патенты).
Одной из первых ТВС, созданных в нашей стране, была оптико-
механическая система с разложением на 40 строк A929 г.). Работа
по созданию этой системы проводилась Я. А. Рыфтиным под руко-
руководством А. А. Чернышева. В 1930 —1931 гг. теми же авторами
была создана оптико-механическая система с разложением на 60
строк. 1 октября 1931 г. начинается регулярное телевизионное веща-
вещание через московские широковещательные радиостанции по оптико-
механической системе.
Фундаментальные исследования, направленные на создание пе-
передающих телевизионных трубок для электронного телевидения,
в нашей стране были выполнены А. П. Константиновым,
С. И. Катаевым, Г. В. Брауде и др. В 1933 г. П. В. Шмаков
и П. В. Тимофеев предложили передающую трубку с переносом
электронного изображения, котороя сыграла заметную роль в раз-
развитии отечественного телевидения на этом этапе.
Одна из первых систем электронного телевидения, созданная
под руководством Я. А. Рыфтина, демонстрировалась в 1934 г.
Система имела 180 строк разложения. Для преобразования оптичес-
оптического изображения в электрический сигнал использовался иконо-
иконоскоп — передающая телевизионная трубка, разработанная в 1933 г.
в США выдающимся ученым и инженером в области телевидения
В. К. Зворыкиным. В нашей стране первая трубка такого типа
была создана коллективом под руководством Б. В. Круссера. В те
же годы появились работы, отражающие теоретические исследова-
исследования, проводимые в нашей стране в области телевидения (Я. А. Ры-
фтин. О четкости и качестве изображений в телевидении //ЖТФ,
1933. Т. III. В 2 — 3; П. В. Шмаков. О чувствительности фотоэле-
фотоэлемента и правильной цветопередаче в телевидении //ЖТФ, 1934. Т.
IV. В 4; А. М. Халфин. Механическое и электронное телевидение —
М.: Радиоиздат, 1937 и др.). В последующие годы крупные те-
теоретические и прикладные исследования были выполнены
О. Б. Лурье в области проектирования усилителей сигналов изоб-
изображения, С. В. Новаковским, который внес значительный вклад
в развитие телевидения, в частности в колориметрию телевизион-
телевизионных систем, М. И. Кривошеевым, создавшим основы теории и тех-
техники телевизионных измерений, И. А. Росселевичем, который вме-
вместе с А. А. Расплетиным (оба выпускники ЛЭТИ) стояли у колыбе-
колыбели отечественного космического телевидения, и др.
Создание телевизионных центров, реализованных на аппаратуре
8
с разложением изображения на 240 строк в Ленинграде и с разложе-
разложением на 343 строки в Москве в 1937 г., разработка отечественного
стандарта на 625 строк разложения и регулярные передачи Мо-
Московского телецентра с этим стандартом с 1948 г. явились началом
триумфального шествия телевидения в нашей стране.
Если в 1940 г. в стране было две телевизионных станции высоко-
высококачественного телевидения, то к концу 1986 г. их число превысило
10 000, из них S15 мощных телевизионных станций, около 6000
маломощных. В 1950 г. П. В. Шмаков предложил использовать для
телевизионного вещания искусственные спутники Земли. В конце
80-х годов в нашей стране было более 90 приемных станций систе-
системы «Орбита», 3500 — системы «Экран», 800 — системы «Москва»,
17 — системы «Интерспутник».
Телевизионное вещание полностью перешло на передачу цвет-
цветного изображения. Постоянно улучшается качество телевизионного
изображения, повышаются надежность и экономичность телевизи-
телевизионных приемников, проводятся работы в области создания и вне-
внедрения в производство новых типов цветных кинескопов, студий-
студийного и внестудийного оборудования для цветного телевидения,
систем кабельного телевидения, видеомагнитофонов бытового на-
назначения. Так, цветные телевизоры нового поколения включают
элементы цифровой обработки сигналов и автоматики, в них ис-
используются кинескопы с планарным расположением электронных
прожекторов и размерами диагонали экранов около 100 см. Наряду
со снижением потребляемой мощности в телевизорах новой конст-
конструкции принимаются меры по повышению надежности, автомати-
автоматизации процесса управления работой телевизора, вводятся устрой-
устройства для использования телевизионного приемника в качестве дисп-
дисплея в системах воспроизведения алфавитно-цифровой и графической
информации справочных и персональных ЭВМ.
К числу выдающихся достижений телевизионной техники следу-
следует отнести первую съемку обратной стороны Луны в 1965 г. с помо-
помощью ТВС, установленной на космическом аппарате «Зонд-3». Этим
было положено начало дистанционного зондирования планет, ос-
основанного на применении ТВС.
"Упомянув лишь о некоторых этапах развития телевидения, сле-
слезет отметить, что исследования в области дальнейшего развития
техники телевизионного вещания направлены на создание систем
высокой четкости, увеличение размера экрана и переход на более
выигрышный формат изображения (например, 16: 9 вместо сущест-
существующего 4: 3), введение высококачественного стереофонического
звукового сопровождения телевизионных программ, развитие спут-
спутникового телевизионного вещания. Для непосредственного спут-
спутникового вещания выделены полосы частот в диапазонах 0,7; 2,6;
4,0; 11,3; 12,2; 23,0; 42,0; 85,0 ГГц. Основным достоинством спут-
спутникового телевидения является резкое расширение числа программ,
доступных телезрителю. В Европе сейчас можно принимать более
500 программ. Большие перспективы развития телевизионного веща-
вещания и улучшения качества изображения открывают системы цифрово-
цифрового телевидения.
Внедрение в вещательную телевизионную аппаратуру компьютер-
компьютерных технологий, цифровых методов обработки и компрессии сигналов,
а также твердотельных преобразователей изображений, коренным
образом изменило подходы к проектированию и эксплуатации телеви-
телевизионных систем. Уже в настоящее время широко используют системы
нелинейного монтажа, обеспечивающие программируемый оператив-
оперативный доступ к фрагментам сюжетов на дисковом носителе, электронные
способы формирования заставок, графических изображений и видео-
видеоэффектов. Эффективное решение задачи сокращения избыточности
видеоинформации открыло перспективы использования огромных
возможностей вещательной телевизионной аппаратуры. Реальные
пути построения новых цифровых телевизионных систем, в которых
на основе разумного компромисса между противоречивыми требова-
требованиями, предъявляемыми с одной стороны к качеству формируемого
изображения, а с другой - к сложности кодирующего и декодирующего *
устройств, открывают международные стандарты ISO/IEC11172,13818
(MPEG-1, MPEG-2 - Moving Picture Experts Group). Они предусматрива-
предусматривают кодирование сигналов изображения, звукового сопровождения и
дополнительной информации для передачи их по каналам связи.
Проектирование систем с компрессией и мультиплексированием
видео- и аудиоинформации на базе стандарта MPEG-2 и его модерни-
модернизаций стало приоритетным направлением в развитии техники телеви-
телевизионного вещания. Открываются новые возможности создания видео-
видеосетей, способных не только обеспечить передачу и воспроизведение
высококачественных цветных телевизионных изображений, но и осу-
осуществить интерактивный режим их работы для пользователя
(возможность выбора телевизионной программы или другой видеоин-
видеоинформации).
Анализ развития телевизионной техники показывает, что специа-
специалист, обладающий узкой подготовкой для работы в некоторой кон-
конкретной области, теряет квалификацию в течение 10 - 15 лет, так как
в пределах указанного периода вся область его работы испытывает
коренные изменения. Современный специалист должен обладать фун-
фундаментальными теоретическими знаниями, лежащими в основе при-
прикладных вопросов. Вместе с тем, изучение принципов построения кон-
конкретных систем приводит к пониманию основных теоретических про-
проблем телевизионной техники.
ГЛАВА 1. ИЗОБРАЖЕНИЕ
§ 1.1. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА
Основным назначением телевизионных систем является фор-
формирование на экране воспроизводящего устройства изображения
передаваемых сцен в реальном времени или с использованием ви-
видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Вместе
с тем телевизионные методы широко используются в системах
анализа изображений с целью извлечения полезной информации об
изучаемых объектах или процессах.
Наиболее привычным для человека носителем информации об
окружающем его мире является видимое излучение (область спект-
спектра электромагнитных колебаний с длиной волны X примерно от 380
до 760 нм, непосредственно воспринимаемых глазом). С помощью
зрительной системы человек получает наибольший (до 80%) объем
информации из внешнего мира. «Соседние» участки оптического
спектра: инфракрасный — 780 ... 10* нм, ультрафиолетовый — 5 ...
380 нм, рентгеновский — 0,01... 5,00 нм и др., — также несут суще-
существенную информацию об окружающих предметах и протекающих
процессах, но она не может непосредственно восприниматься гла-
глазом (указанные границы участков спектров, естественно, условны).
Для восприятия излучений в этих участках спектра используют
различного рода преобразования невидимого оптического изобра-
изображения в видимое — визуализацию невидимых изображений. Такое
функциональное назначение ТВС стало одним из важнейших в на-
настоящее время.
В качестве примера ТВС рассмотрим систему, назначением ко-
которой является формирование изображения передаваемой сцены,
предназначенного для восприятия человеком. Схема подобной ТВС
приведена на рис. 1.1. Источник света освещает передаваемую сцену
световым потоком Fo. Отраженный световой поток F оказывается
сложной функцией координат х, у, z пространства объектов, длины
волны излучения X и времени L С помощью оптической системы
(объектива) формируется изображение передаваемой сцены Е (х, у,
А, /) — распределение освещенности в координатах х, у плоскости
изображения. Это изображение является входным сигналом ТВС.
С помощью фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) оно пре-
преобразуется в электрический сигнал (сигнал изображения). Этот сиг-
11
Фотоэлек-
Фотоэлектрический
гфеоВрозо-
Усилителч
и устройст-
устройство оПродот-
\
Генератор
разверти
Г-
Канап
сдязи
Устройст-
Устройство одрокт-
ки и ус иле
ния
Синхро-
генератор
Этктрон-
ио-лучеШ
трубка
\
Генератор
роздертка
Рис. 1.1. Структурная схема ТВС
нал после усиления и обработки поступает в канал связи (радиока-
(радиоканал, кабельная линия связи и т. п., включающие кодирующие
и декодирующие элементы устройств передачи и приема). С выхода
канала связи сигнал после дополнительной обработки и усиления
поступает на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) — кинескоп. На
экране ЭЛТ воспроизводится изображение передаваемой сцены.
Для синхронной работы всех узлов системы используется генератор
синхронизирующих сигналов — синхрогенератор, а для отклонения
электронных пучков ФЭП и ЭЛТ в системе применены генераторы
развертки.
В системах, предназначенных для автоматического анализа из-
изображений, сигнал с выхода устройства обработки и усиления по-
подается на анализатор, в качестве которого может использоваться
универсальная ЭВМ или специализированный вычислитель. Такие
ТВС часто содержат устройство записи сигнала изображения, реги-
регистратор данных об объектах в поле изображения или исполнитель-
исполнительное устройство (например в устройствах управления подвижными
объектами).
Таким образом, в рассматриваемых системах, как и в любых
других, предназначенных для передачи информации, предусматри-
предусматривается наличие носителя информации, в параметрах которого зако-
закодировано сообщение о передаваемой сцене. Телевизионная система
является сложной многозвенной системой передачи информации,
сигнал которой на различных участках может иметь разную физи-
физическую природу (световые кванты, электроны и др.).
Какие параметры сигнала — носителя информации — можно
использовать для передачи сообщений в ТВС? Это может быть
видимое излучение — белый свет с разномерным или близким к не-
нему распределением мощности по спектру излучения. Как известно,
белый свет может быть представлен в виде суммы большого числа
монохроматических составляющих со случайными амплитудами,
частотами, фазами, направлениями распространения и поляризаци-
поляризацией. Хотя использование этого излучения ограничено вследствие
случайности его параметров, однако и в этом случае можно проек-
проектировать достаточно эффективные ТВС, основанные на модуляции
12
таких параметров, как амплитуда излучения и его спектральный
состав.
Для каждого конкретного момента времени реакция ФЭП на
воздействующее излучение описывается зависимостью его выход-
выходного сигнала s от функции распределения мощности излучения Р(Х)
с учетом спектральной чувствительности ФЭП е(Я):
A.1)
где с — постоянный коэффициент, определяющий чувствительность
ФЭП; Xt... Хг — диапазон спектральной чувствительности.
Выходной сигнал большинства ФЭП, как и реакция зрительной
системы человека (ощущение), может быть определен соотношени-
соотношением A.1) при соответствующих спектральной чувствительности е(Я)
и нормировке ощущения (см. §2. 3). Для глаза — это спектральная
чувствительность или кривая относительной видности v(A). Ощуще-
Ощущение оказывается пропорциональным воздействующему световому
потоку.
§ 1. 2. ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Входным сигналом ТВС является плоское оптическое изображе-
изображение (изображения) — Е(х, у, X, t). Проектирование любой ТВС
включает анализ вопросов формирования оптического изображения
на входе системы. Качество сформированного телевизионного изоб-
изображения в значительной степени определяется качеством входного
оптического изображения. Без учета механизмов его построения
невозможна правильная интерпретация данных об исследуемой сце-
сцене в системах автоматического анализа изображений и системах
технического зрения.
Дня понимания механизмов формирования входного изображе-
изображения будем опираться на основные закономерности геометрической
оптики. Объект, например излучающий (светящийся) _или отража-
отражающий, может быть описан функцией яркости L (х, у, z, X, t), где х,
у,1 — пространственные координаты; Я — длина волны излучения;
/ — время. Аналогично может быть описано плоское изображение
этого объекта L (х, у, X, t), в частности как функция освещенности
Е (х, у, X, t), построенное той или иной изображающей системой
в координатах х, у пространства изображений.
Из оптики известно, что изображением точечного объекта, со-
создаваемым идеальной оптической системой, является точка, в кото-
которую сходятся лучи, исходящие от рассматриваемого точечного
объекта. Если принять каждую точку поверхности объекта, отража-
отражающую свет от постороннего источника, за локальный источник
света, то совокупность изображений этих точек дает оптическое
изображение объекта. Совокупность точек, изображение которых
13
можно получить с помощью отображающей системы, образует
пространства объектов, а совокупность точечных изображений этих
объектов — пространство изображений.
Соответствие световых характеристик изо_бражения, например
оптического L (х, у, X, t) и объекта L (х, у, z, X, f)> определяется
оператором Р { Л, отражающим свойства отображающей системы
L (х, у, X, t)-P (L(x, у, z, X, t)}. Любая реальная отображающая
система вносит определенные искажения, т. е. Р {•} ф 1.
Рассматривая механизмы формирования изображений, важно
учесть, что сцена и оптическое звено, формирующее изображение,
находятся, как правило, в относительно однородной прозрачной
среде (воздух, вода, вакуум и др.). В этом случае световые лучи
слабо преломляются и поглощаются средой. Это дает возможность
формировать изображения, адекватно отображающие свойства пе-
передаваемой (наблюдаемой) сцены. В тех же случаях, когда эти
условия не выполняются, возникают определенные яркостные, цве-
цветовые и геометрические искажения. Например, при наблюдении
удаленных горных ландшафтов или поверхности Земли, с летатель-
летательных аппаратов возникают цветовые и контрастные искажения, вы-
вызванные избирательным поглощением и рассеянием света в атмос-
атмосфере (густозеленые массивы приобретают голубоватый оттенок,
контрасты объектов разной яркости снижаются). В связи с эффек-
эффектами, вызванными преломлением света в атмосфере, на изображе-
изображении, в том числе и при наблюдении глазом, возникают геометричес-
геометрические искажения. В необходимых случаях указанные закономерности
формирования изображений учитываются особо.
Геометрическая оптика основывается не только на постулате об
однородности среды, но и о прямолинейности и взаимной независи-
независимости распространения в ней световых пучков, обратимости хода
световых лучей, известных законах отражения и преломления света,
принципе Ферма и законе сохранения энергии.
Расчет характеристик оптических узлов телевизионных
устройств сводится к выбору структуры оптического звена с учетом
функционального назначения отдельных элементов, определению
их основных параметров, обеспечивающих формирование изобра-
изображения заданного размера, яркости, четкости и других характери-
характеристик. В результате расчетов определяются характеристики механи-
механической конструкции устройства и требуемые значения их вариаций
в процессе фокусировки, изменения яркости, спектрального состава
и других параметров; производится выбор оптических элементов.
Расчет оптического узла базируется на свойствах кардинальных
точек, данных о главной и фокальных плоскостях, а также фокусных
расстояниях. Луч 1 (рис. 1. 2), параллельный оптической оси объек-
объектива, в пространстве изображений Г пересечет оптическую ось
в точке F. Эта точка называется задним фокусом объектива и явля-
является изображением бесконечно удаленного точечного объекта.
В этой точке собираются все лучи, распространяющиеся параллель-
14
и
х Г >
F'
Рес. 1.2. Кордшальные точки
системы
оптической
но оптической оси, в том чи-
числе и луч, совпадающий
с оптической осью, который
проходит через точку фокуса
без изменения направления
своего распространения в
оптической системе.
Параллельные лучи при
распространении в обрат-
обратном направлении B и 2') со-
собираются в точку переднего
фокуса F. Лучи 1 и Г назы-
называют сопряженными, их про-
продолжение образует точку N', лежащую в задней главной плоскости
объектива (N'11% Аналогично образуется точка N, лежащая в пе-
передней главной плоскости (NH).
Важнейшей рабочей характеристикой объектива является его
фокусное расстояние f. переднее — от передней главной плоскости
до точки переднего фокуса (/), заднее — от задней главной плоско-
плоскости до точки заднего фокуса (f). Плоскости, проходящие через
точки фокусов F и F перпендикулярно оптической оси, называют
передней и задней фокальными плоскостями. Фокальные плоскости
являются геометрическим местом точек, в которых собираются
пучки параллельных между собой лучей пространства предметов
произвольного угла наклона к оптической оси системы, например
пучок лучей L собирается в точке Z/, лежащей в задней фокальной
плоскости.
Построение оптического изображения сцены рассмотрим на при-
примере отрезка А В, определяющего положение предмета (рис. 1. 3).
Оптическую систему зададим положением главных плоскостей
Я и Я' фокусов F и F. Из точки В проведем лучи: /, параллельный
оптической оси, и 2, проходящий через передний фокус /объектива.
Первый в пространстве изображений пройдет через задний фокус
F(l% а второй будет распространяться параллельно оптической
оси BГ). Их пересечение В' образует изображение (сопряженную
точку) соответствующей точки В сцены. Изображение точки А,
лежащей на оптической оси, можно получить, проведя из точки В'
перпендикуляр к оптической оси: точка А' будет изображением
точки А. Найти ее можно также путем графического построения.
Выберем произвольный луч 3. Этот луч пересечет переднюю глав-
главную плоскость. Через передний фокус F проведем перпендикуляр
к оптической оси объектива и из точки С пересечения его с лучом
3 построим линию (пунктир 4), параллельную оптической оси, до
пересечения ее с задней главной плоскостью. Если точку С считать
источником света, который находится, как видно из рис. 1. 3,
в передней фокальной плоскости, то воображаемый луч 4 пройдет
через задний фокус F, а луч, распространяющийся из точки С по
15
пути 5, в пространстве изображений будет параллелен лучу 4' (так
как луч 3 и воображаемый луч 4 выходят из одной точки С, лежащей
в передней фокальной плоскости), т. е. это луч 3'. Его пересечение
с оптической осью и будет изображением точки А.
Таким образом, плоскость, проходящая перпендикулярно оп-
оптической оси системы и включающая отрезок А'В', будет плоско-
плоскостью резкого изображения сцены (плоскостью фокусировки), содер-
содержащей изображение отрезка АВ.
Для определения положения плоскости фокусировки изображе-
изображения или соответствующих сопряженных точек относительно перед-
переднего и заднего фокусов можно воспользоваться аналитическими
соотношениями, вытекающими из уравнения Ньютона
xx'-ff A.2)
АЛ —JJ , V?* /
где х,х' — расстояния от переднего фокуса до объекта сцены и от
заднего фокуса до плоскости фокусировки;// — переднее и заднее
фокусные расстояния (если положительным направлением оптичес-
оптической оси считать направление распространения света, то значения
х и/, как видно из рис. 1. 3, будут отрицательными).
Из A. 2) следует, что x'-fffx. Для определения положения
плоскости фокусировки относительно главных плоскостей можно
воспользоваться уравнением Гаусса
//аЧУ7«=1, A-3)
где а, а' — расстояния от передней и задней главных плоскостей до
объекта и плоскости его фокусировки соответственно.
Из A. 3) следует
a'=af%a-j). A.4)
При расчетах значений а' или х' все величины должны исполь-
использоваться с учетом знаков. Уравнения A. 3) и A. 4) вытекают из
элементарных геометрических построений (рис. 1. 3).
В практических расчетах опти-
оптического звена ТВС приходится
пользоваться понятиями о линей-
линейном (поперечном), продольном
и угловом увеличениях.
Линейным увеличением (/?) оп-
оптической системы называют отно-
отношение значения фрагмента изоб-
изображения в плоскости фокусиров-
фокусировки (например, А'В' на рис. 1. 3)
к соответствующему значению
объекта сцены (АВ) ^-A'B'jAB.
Для системы с фокусными рас-
Рис. 1.3. Построение оптического изоб-
изображения
стояниями/и/
16
Продольное увеличение (а), или увеличение по оптической оси, —
отношение расстояния Ах' между двумя точками на оптической оси
в пространстве изображений к расстоянию Лх между сопряженными
с ними точками на оси в пространстве объектов а=(Ах'/Ах) при
Для системы с фокусными расстояниями /и/
Угловым увеличением (у) называют отношение тангенса угла
oil (рис. 1. 3) в пространстве изображений к тангенсу соответст-
соответствующего угла at в пространстве объектов — угла, под которым луч
проходит в пространстве объектов по отношению к оптической оси,
y=tga'/tga. Для системы с фокусными расстояниями /и/'
Для наиболее распространенного случая/=/' (среда пространст-
пространства объектов и пространства изображений — воздух) соотношения
A. 4) — A. 7) приобретают вид
fca'la, a=/?Yy=r *• О- 8)
Видно, что ay=/f.
Оптический узел ТВС, как правило, является сложной оптичес-
оптической системой. Например, в студийной камере цветного телевидения,
телевизионном микроскопе и других преобразователях приходится
сопрягать несколько оптических звеньев. В этих случаях для постро-
построения изображения можно воспользоваться методами, приводящи-
приводящими сложную систему к эквивалентной, т. е. найти положение фоку-
фокусов и глазных плоскостей такой эквивалентной оптической системы
[71-
В процессе синтеза сложной системы определяют взаимное рас-
расположение главных плоскостей составляющих элементов; считают
известными также значения их фокусных расстояний (рис. 1. 4).
Hz Н2
A',(At)
а2
NL
Ц52>
Рис. 1.4. Построение изображения в сложной оптической системе
17
В расчетах будем рассматривать случай оптической системы и ее
звеньев в воздухе. Положим, что произвольная точка в пространст-
пространстве объектов At на рис. 1.4 находится на оптической оси системы на
расстоянии а. от передней главной плоскости Я1 первого оптичес-
оптического звена. Ее изображение А\ будет на той же оси на расстоянии
пи определяемом выражением A. 4): a»=e1/i/(a1-/1). Эта точка
будет объектом Аг для следующего оптического звена. Ее изоб-
изображение Аг можно построить аналогично, причем а'2=а2/2/(а2~/2),
где a2=a'i—di. Принимая эту точку за новый объект А2, можно
найти ее изображение. Аналогичные вычисления можно произвести
для всех т звеньев. Изображением точки Av на выходе системы
будет точка А'т.
Линейное увеличение /?х в первом звене системы в соответствии
с A. 8) Pi^aja^ во втором ^1—d-ija2. Следовательно, увеличение
первых двух звеньев Р^г-^\аЖа\.аг)- Нетрудно видеть, что полное
линейное увеличение системы
т
Р=ШаЫ A.9)
Для определения фокусных расстояний и положения глазных
плоскостей сложной оптической системы рассмотрим входной луч
2, параллельный оптической оси, и проследим, как указано выше,
его прохождение через сложную оптическую систему. Обозначим
расстояние луча 2 от оптической оси кг. В результате построения
установим, что на выходе этот луч пересечет оптическую ось
в точке Fz. Эта точка и определит заднее фокусное расстояние
/? — эквивалентное заднее фокусное расстояние рассматриваемой
оптической системы. Как видно из рис. 1.4,/i;=/22/tgam, а положе-
положение эквивалентной задней главной плоскости системы можно опре-
определить, если продолжить направления входного B) и выходного
Bй) лучей до их пересечения (пунктир) и построить плоскость,
перпендикулярную оптической оси и включающую полученную
точку. Плоскость H'z будет задней главной плоскостью оптической
системы.
Для определения переднего фокусного расстояния/?, положения
точки фокуса Fz и передней главной плоскости Я? следует произ-
произвести построение хода лучей в обратном направлении.
Таким образом, рассматриваемая сложная оптическая система
может быть сведена к эквивалентной, определены ее параметры,
которые могут быть использованы для построения изображения.
Выше рассматривалось построение изображения плоской сцены.
В процессе анализа формирования изображения объемной сцены
вводят понятие о глубине изображаемого пространства.
В пространстве объектов плоскостью, сопряженной плоскости
Н\ изображения, будет Ht (рис. 1.5). Точкам объекта, лежащим вне
этой плоскости на изображении, т. е. в плоскости Н\, будут соответ-
18
ствовать кружки рассеяния. Это
видно из рис. 1. 5, где указаны
точка /, лежащая в плоскости Ht
пространства объектов и сопря-
сопряженная с ней точка /' в плоскости
изображения Н\, точка 2, удален-
удаленная от плоскости Ht на расстоя-
расстояние А2, и сопряженная с ней точка
2' в пространстве изображений,
а также точка 3, удаленная от
плоскости Нх на расстояние А3,
и сопряженная с ней точка 3'. Ви-
Видно, ЧТО в ПЛОСКОСТИ фокусировки pgC j 5. к определению глубины шоб-
(Н\) ТОЧКИ 2 И 5, удаленные ПО ражаемого пространства
глубине сцены на расстояния А2
и Д3, будут отображены в виде кружков рассеяния с диаметрами
d'2 и d\ соответственно.
Если учесть, что светочувствительные элементы преобразова-
преобразователя изображения ТВС имеют конечные размеры, например d x <5, то
точки /, 2,3 и все элементы сцены, лежащие между плоскостями Н2
и Я3, будут переданы практически с одинаковой резкостью, если
будут выполнены условия
d'2<6t d'^5, A. 10)
т. е. если кружки рассеяния не превысят размеры элемента разложе-
разложения преобразователя изображения. Плоскости Нг и Нъ будут огра-
ограничивать пространство объектов, передаваемых с заданной чет-
четкостью. Расстояние А между плоскостями Нъ и Нг называется
глубиной изображаемого пространства: А=а2—Яз- Его нетрудно
определить из рис. 1. 5: D/a2=flf2/A2 и D/a3=вз/А3. Учитывая, что
d2=d'llfl, a\-d'llfl и A.10), т. е. d2=d3~djfl, где 5 — высота элемен-
элемента разложения преобразователя в плоскости изображения, ft — ко-
коэффициент линейного увеличения оптической системы, получим
A. Н)
Можно показать, что глубина пространства А3 (в сторону
к объективу) меньше, чем в сторону удаления от плоскости наведе-
наведения (А2). Из выражения A. 11) видно, что глубина изображаемого
пространства увеличивается с увеличением расстояния aL до пере-
передаваемого объекта и с уменьшением диаметра диафрагмы D, огра-
ограничивающей входной световой поток.
Роль диафрагмы, ограничивающей световой поток, существенна
в формировании изображения не только в отношении глубины
пространства, отображаемого с заданной резкостью. Диафрагмы
19
Рве. 1.6. К определению поля зрения оптической системы
определяют и ту часть сцены в направлении, перпендикулярном
оптической оси, которая может быть отображена на изображении,
т. е. определяют поле зрения оптической системы.
Положим, что D (рис. 1.6) — действительная диафрагма, кото-
которая ограничивает пучок световых лучей, участвующих в формирова-
формировании изображения, — апертурная диафрагма, Dt и D2 — изображе-
изображения этой диафрагмы в передней и задней частях оптической систе-
системы. Если Di или D2 заменить реальными диафрагмами, то они
будут ограничивать световой поток так же, как диафрагма D. На
основании этого в оптике вводят понятие о входном зрачке Dt —
действительном отверстии или его изображении, которое ограни-
ограничивает падающий световой пучок. Выходным зрачком D2 называют
изображение входного зрачка всей системой.
Входной зрачок определяет пучок Световых лучей, участвующих
в формировании изображения. Однако не все световые лучи, про-
прошедшие через входной зрачок, пройдут через оптическую систему.
Действительно, пучок от точки Е минует активную часть оптичес-
оптической системы и, как видно из рис. 1.6, будет поглощен оправой О.
Пучок от точки С лишь частично пройдет через систему и создаст
изображение с уменьшенной освещенностью. Таким образом, пери-
периферийная часть изображения будет затемнена за счет частичного
поглощения пучка; это явление называют виньетированием. Поле
зрения системы оказалось в рассматриваемом случае ограничено
оправой входного звена системы. Ограничение поля зрения может
осуществляться и другими элементами системы или специально
введенной диафрагмой поля зрения.
Качество телевизионного изображения в значительной мере
определяется освещенностью оптического изображения на входе
преобразователя. Для выполнения соответствующих расчетов сле-
следует установить связь между освещенностями изображения Ею и пе-
передаваемой сцены (объекта) Е&.
20
Рассмотрим элементарный уча-
участок изображения AS', сопряжен-
сопряженный с участком объекта передачи
AS (оба находятся на оптической
оси системы, рис. 1. 7). Освещен-
Освещенность Ejb^uJF'IAS', где AF' — све-
световой поток, приходящийся на уча-
участок AS', который можно выразить
через световой поток AF, если
учесть потери света в объективе
О*): AF'=AFu, т. е. E^^AFulAS'.
Световой поток AF может быть
выражен через освещенность Рис 1Л к определению связи меж-
Еур Зрачка, объектива AF—EspStpt ду освещенностями изображения
где площадь зрачка 5рч,=я^2/4; и сцены
следовательно, AF=EmitD2j4. Освещенность зрачка представим че-
через силу света / и яркость L площадки AS: Е^-Ца2, где а —
расстояние от объектива до площадки AS. Так как I=LAS, то
Ejp^LASIa2; следовательно, AF=LASkD2/Da2). Освещенность
Em=LASnD2u/Da2AS')=:LnD2ulDaY), так как Д5/Д5'=Д2.
Воспользовавшись уравнением Гаусса A.3), выразим расстояние
а через фокусное расстояние /и коэффициент увеличения системы /?:
а=/(/?+1)/0. Следовательно, Em=nLub2][4(l+pJ/1]. Учтем, что
отношение Djf в оптике называют относительным отверстием
объектива (б), а также выразим яркость L через освещенность Д*.
Для диффузно отражающей поверхности с коэффициентом отраже-
отражения р имеем Ь=зрЕоб1п', следовательно,
A. 12)
4A+/02*
Рассмотренные закономерности построения изображения спра-
справедливы при выполнении следующих условий:
свет поступает в систему в виде параксиальных пучков;
пучки составляют небольшие углы с оптической осью системы;
показатель преломления оптических элементов постоянен для
всех лучей независимо от длины волны.
Невыполнение указанных условий приводит к появлению абер-
аберраций — искажений изображения, создаваемого оптической систе-
системой. Основные аберрации можно разделить на монохроматические,
проявляющиеся при использовании широких, а также узких внеосе-
вых монохроматических пучков, и хроматические, возникающие
при формировании изображений пучками света с широким спек-
спектром длин волн.
В связи с тем что расчеты аберраций оптических систем относят-
относятся к специальным разделам оптики, ограничимся перечислением тех
21
из них, которые могут в большей степени проявиться при фор-
формировании оптического изображения на входе ТВС.
Параксиальный пучок, как было показано выше, дает изображе-
изображение точечного объекта А, например расположенного на оптической
оси, в виде точки А' (рис. 1.8, с). Лучи, проходящие через более
удаленные (периферийные) зоны, например 2,3,..., дадут изображе-
изображения в точках А", А'", ... . Нетрудно видеть, что в любом месте
расположения светочувствительной поверхности ФЭП точка А бу-
будет изображена в виде кружка рассеяния. Этот вид искажений на-
называют сферической аберрацией. Заметим, что этот вид искажений
проявляется не только на сферических поверхностях объективов.
Нетрудно видеть, что и при положении точки А вне оптической оси
системы эти искажения проявляются в полной мере. Положитель-
Положительные (собирательные) и отрицательные (рассеивающие) линзы име-
имеют сферические аберрации разных знаков; это свойство используют
для компенсации искажений при создании оптических систем.
Для периферийных пучков монохроматические аберрации ус-
усложняются и преобразуются в более сложный вид, при котором
точка отображается в виде асимметричного пятна рассеяния, — эти
аберрации называются кома.
Если лучи в пространстве предметов составляют большие углы
с оптической осью, то на изображении можно заметить характер-
характерные искажения, вызванные тем, что увеличение /J зависит от угла,
И Н
1
S)
-0,5 0 0,5
Рас. 1.8. Аберрации оптической системы:
а — сферически, б, в — хроматячесхве
22
образуемого пучком лучей с осью системы, т. е. оно различно для
центральной и периферийной частей изображения. Эти искажения
(дисторсия) приводят к искривлению прямых линий и особенно
заметны при передаче решетчатых структур (подушкообразные и бо-
бочкообразные искажения). С этими искажениями приходится считать-
считаться в измерительных ТВС, а также в вещательном ТВ при передаче
предметов, находящихся на близком расстоянии от телевизионной
камеры.
Для лучей, исходящих из точек объекта, не лежащих на оси
оптической системы, характерны искажения, вызванные тем, что
лучи одного и того же пучка, идущие в двух взаимно перпен-
перпендикулярных плоскостях, после преломления в оптической системе
не собираются в одну точку, а образуют две точки фокуса — воз-
возникает кружок рассеяния. Этот вид аберраций называют астиг-
астигматизмом.
Специфические искажения, возникающие при использовании не-
немонохроматического света, называют хроматической аберрацией.
Фокусное расстояние линзы зависит не только от кривизны перед-
передней и задней ее поверхностей, но и от относительного (njn^
коэффициента преломления, окружающей среды (л4) и материала
линзы (иг). Фокусное расстояние уменьшается с увеличением значе-
значения njn2, т. е. с уменьшением длины волны используемого излуче-
излучения (если Xt<X2, то/i</2; рис. 1.8, б). Следовательно, точечный
объект в плоскости изображения (например, А'А1) отобразится в ви-
виде кружка рассеяния. Рассматриваемый вид хроматической абер-
аберрации удобно представить графически: на рис. 1.8, в по оси ординат
отложены значения длин волн Я видимого спектра, а по оси абсцисс
А/— отличие координат фокусов для соответствующего излучения
от теоретической плоскости фокусировки. В приведенном примере
для пары лучей Xv Х2 (ДГ=О) хроматическая аберрация отсутствует.
Остаточную аберрацию в рабочем диапазоне длин волн называют
вторичным спектром.
В современных объективах хроматическая аберрация корректи-
корректируется путем подбора линз с различными показателями преломле-
преломления и дисперсией (ахроматические системы). Если коррекция осуще-
осуществляется в трех участках спектра, то остаточную аберрацию назы-
называют третичным спектром. В цветном телевидении используют
объективы с высокой степенью коррекции хроматической аберра-
аберрации. Заметим, что рассмотренный вид хроматической аберрации,
проявляющейся на оптической оси, на периферии изображения до-
дополняется хроматической аберрацией наклонных световых пучков
и хроматизмом увеличения оптической системы.
Устранение аберраций возможно путем построения сложных
оптических систем. При решении конкретных задач формирования
изображения удается рассчитать оптическую систему, не выходя за
рамки разумного усложнения конструкции.
Важнейшей рабочей характеристикой оптической системы явля-
23
Рве. 1.9. Частотно-контрастные ха-
рактеристикя:
/ — видаков, 2 — кинопленка, 3 —
объектив
ется ее разрешающая способность,
или разрешающая сила, — способ-
способность раздельно воспроизводить на
изображении (разрешать) две точки,
расположенные раздельно. В иде-
идеальной оптической системе предел
разрешению устанавливает дифрак-
дифракция света. В реальных системах раз-
разрешающая способность определяет-
определяется их аберрациями. Для определения
разрешающей способности можно
воспользоваться частотно-контраст-
частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ), пред-
представляющей собой функцию вида
v(f)=Mna(f)IMet(f). Функция v(/) характеризует зависимость от-
относительного изменения коэффициента модуляции в оптическом
звене от пространственной частоты/ Здесь Мк(/) и M^if) — ко-
коэффициенты модуляции гармонических сигналов на входе и выходе
оптического звена соответственно. На рис. 1.9 в качестве примера
представлены типовые ЧКХ объектива, а для сравнения — цветной
негативной пленки [8] и видикона ЛИ 421 [9]. Как видно, функция
v (/) монотонно убывает с ростом пространственной частоты; сле-
следовательно, оптическое звено является фильтром нижних частот.
Значение пространственной частотыfmn, при которой v (/) достигает
заданного порогового значения v0, определяет разрешающую спо-
способность оптического звена. В оптике наряду с указанным способом
определения разрешающей способности используют методику, ос-
основанную на критерии, введенном Рэлеем [7].
В телевизионных устройствах используют объективы с малыми
углами зрения (менее 15...2О0), универсальные B0 ... 60°) и широко-
широкоугольные (более 60°). При проектировании телевизионных объекти-
объективов, предназначенных для работы с передающими трубками (мар-
(маркируются символом «Т»), учитывают наличие в оптическом звене
плоскопараллельной стеклянной пластинки — планшайбы переда-
передающей трубки. В ТВС со стандартными параметрами разложения
F25/50/2:1) применяют объективы с разрешением 30 ... 55 лин/мм
в центре поля изображения. В прикладных ТВС часто используют
стандартные фотографические объективы.
Широкое распространение в ТВС получили объективы с пере-
переменным фокусным расстоянием — вариообъективы, позволяющие
изменять масштаб изображения в процессе передачи. При констру-
конструировании вариообъективов обеспечиваются высокая стабильность
положения плоскости резкого изображения и постоянство относи-
относительного отверстия при изменении фокусного расстояния. Основные
характеристики объективов, используемых в ТВС, широко освеще-
освещены в литературе [8, 9 и др.].
§ 1. 3. С8ЕТ0ДЕЛЕНИЕ
Оптические звенья преобразователей изображения и устройств
воспроизведения ТВС включают элементы светоделения — разде-
разделения световых потоков на составляющие, обладающие заданными
свойствами. Чаще всего это разделение светового потока на части,
отличающиеся по спектральному составу. В устройствах воспроиз-
воспроизведения изображений часто используют оптические системы, осуще-
осуществляющие обратную задачу — синтез единого изображения из не-
нескольких исходных (см. §7. 5).
Цветное телевидение, кино и фотография базируются на трехко-
мпонентной теории цветового зрения (см. § 2.7), поэтому в преоб-
преобразователях изображения возникает задача разделения светового
потока на три составляющие, обладающие определенными спект-
спектральными характеристиками, с последующим формированием трех
цветоделенных изображений. В светоделителях передающих телеви-
телевизионных камер используют оптические схемы на дихроических зер-
зеркалах или призмах.
Дихроические зеркала представляют собой стеклянные пластины
с нанесенными на них пленками различной толщины из материалов,
обладающих разным коэффициентом преломления. Световой поток
(например, FB)} отраженный от зеркала М1 (рис. 1. 10, а), представ-
представляет собой сумму потоков, отраженных от каждой границы этого
зеркала, разделяющей среды с разными коэффициентами преломле-
преломления. Для разных длин волн условия отражения различны. Путем
подбора материала пленок и их толщины можно получить заданные
спектральные характеристики отражения и пропускания. Подбором
спектральных характеристик отражения р и пропускания ц двух
дихроических зеркал Mi и Мг световой поток F0 можно разделить
о)
400 500 600\,нм
Рве. 1.10. Светоделение на дихроических зеркалах (а); спектральные харак-
характеристики (р)
25
на три (FR, FG, FB), обладающих заданными характеристиками.
Интерференционный характер явлений в дихроических зеркалах
приводит к существенной зависимости спектральных характеристик
р(Х) и ц(Х) от угла падения входящих лучей. Для уменьшения
влияния этого нежелательного эффекта стремятся уменьшить от-
отклонение световых лучей от осевого. Для этого дихроические зер-
зеркала помещают в параллельные или слабо сходящиеся пучки. На
рис. 1.10, а показано положение плоскостей фокусировки HR, HG, HB
каждого из цветоделенных изображений, образованных общим
объективом. Следует обратить внимание на то, чтобы при констру-
конструировании светоделительной системы для получения одновременной
фокусировки всех трех изображений расстояние от главных плоско-
плоскостей объектива до каждой из плоскостей фокусировки было оди-
одинаковым.
Изготовить дихроические зеркала, соответствующие расчетным
спектральным характеристикам, не всегда удается. В этом случае
для корректировки используют дополнительные поглощающие све-
светофильтры с корректирующими спектральными характеристиками,
которые устанавливают в каждом из трех каналов.
Ввиду малых потерь на поглощение обычно для светоделитель-
ных зеркал принимают р(Х)+ц(Х)=\. В этом случае прозрачность
для светового потока F0(X) по каждому каналу без учета коррек-
корректирующих фильтров, как видно из рис. 1.10, с,
В качестве примера на рис. 1. 10, б приведены спектральные
характеристики реальных дихроических зеркал и вычисленные
сквозные характеристики отдельных каналов /1Я(А), цс (X), рв(Х).
На рис. 1.11 приведена оптическая схема светоделения на дихро-
дихроических зеркалах передающей телевизионной камеры. Зеркала рас-
расположены в параллельном пучке световых лучей, образуемых обо-
оборачивающей системой объективов (элементы ее указаны штрихов-
штриховкой)^ влючающей призмы, предназначенные для излома световых
лучей. Светоделение в параллельном пучке уменьшает искажения,
вызванные зависимостью р (X) от угла падения входящих лучей (для
внеосевых точек изображения такие искажения остаются). Основной
объектив строит цветоделенные изображения в плоскостях фокуси-
фокусировки R, G, 3. В этих плоскостях должны быть расположены
светочувствительные поверхности телевизионных преобразователей
изображений.
Одной из существенных характеристик, влияющих на качество
формируемого цветного изображения , является точность оптичес-
оптического совмещения цветоделенных изображений с координатами те-
26
\А
в
Рис. 1.12. Призматичес-
Призматический светоделитель переда-
передающей телевизионной ка-
меры
Рис. 1.11. Светоделение на дихроичес-
дихроических зеркалах в передающей телевизи-
телевизионной камере:
1 — объективы, 2 — светоделительные эер-
жала, 3 — коррелирующие фильтры
левизионных растров преобразователей изображения. Допустимая
суммарная погрешность совмещения, вызванная неточностью оп-
оптического совмещения и рассогласованием трех телевизионных рас-
растров, как показывает анализ, не должна превышать @,2...0,3N, где
8 — размер элемента разложения. Это обеспечивается с большим
успехом в призматических светоделителях. Они имеют более жест-
жесткую конструкцию, меньшие потери света, возникающие на границе
раздела воздух — стекло, допускают более точную оптическую
юстировку устройства. Схема одного из вариантов призматичес-
призматического светоделителя приведена на рис. 1.12. Дихроические зеркаль-
зеркальные слои наносят на стыки призменных компонентов, а коррек-
корректирующие светофильтры — в плоскости выходных окон. Сложный
ход лучей обеспечивает одновременную фокусировку цветоделен-
цветоделенных изображений и малые габариты всего узла светоделения. Такие
светоделители используют в устройствах с твердотельными преоб-
преобразователями изображения, устанавливаемыми в плоскостях R, G,
В путем приклеивания. Призматические светоделители допускают
введение дополнительных изображений (оптической испытательной
таблицы, различных подсветок и др.).
Расчет оптического звена ТВС должен быть строго согласован
с ее характеристиками (по разрещающей способности, геометричес-
геометрическим искажениям, точности совмещения цветоделенных изображе-
изображений, неравномерности освещенности по полю и др.). В процессе
проектирования ТВС, основываясь на приведенных выше данных,
производят выбор структуры и характеристик оптической системы,
в том числе выбор объективов, устройства светоделения и других
оптических элементов, сопрягают оптическую систему и преобразо-
преобразователь изображения по освещенности, полю зрения и другим харак-
характеристикам, производят оценку качества оптического изображения
27
на входе преобразователя и его влияние на качество формируемого
телевизионного изображения, рассчитывают системы автофокуси-
автофокусировки и автоматической регулировки освещенности.
§ 1. 4 КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Изображения, отражающие свойства объектов сцены, могут
быть динамическими (изменяющимися во времени) и статическими.
Статические изображения описываются функцией яркости L(x, у, Я),
не зависящей от времени.
По отношению к пространственным координатам различают
изображения объемные и плоские. Плоские изображения описывают-
описываются функцией двух пространственных координат.
Зависимость от X позволяет разделить изображения по этому
параметру на три группы: цветные, ахроматические и монохрома-
монохроматические. Спектр излучения каждого элемента цветного изображе-
изображения или более крупных его фрагментов различен: L(x, у, X, O^const;
спектр излучения каждого элемента ахроматического изображения
одинаков: L (X)—const. Монохроматические изображения являются
частным случаем ахроматических, когда спектр каждого элемента
изображения представляет собой узкую спектральную зону около
центральной длины волны.
В процессе взаимодействия с исследуемыми объектами проис-
происходит модуляция не только амплитуды электромагнитной волны,
а следовательно, и интенсивности, но и ее фазы. Пространственно-
временная картина модуляции фазы несет информацию об изуча-
изучаемых объектах, что послужило основанием для создания голографи-
ческих телевизионных систем [4].
Следует отметить, что приведенная классификация не наклады-
накладывает ограничений на области определения функции ЦХ). Такие
изображения могут рассматриваться в рентгеновской, ультрафи-
ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и других областях спектра.
Из физической природы света следует, что функция яркости или
освещенности всегда конечна и положительна, т. е. O^L^i^, где
LtDM — максимальная яркость в поле изображения. В прикладной
оптике эту функцию принимают непрерывной в области ее опреде-
определения. Изображения, описываемые такими функциями, называют
непрерывными.
Функцию яркости можно представить и в дискретной форме — в
виде соответствующих матриц чисел. Например, плоское ахромати-
ахроматическое статическое изображение в дискретной форме _может быть
представлено в виде матрицы пх х пу, т. е. l{i,j)> где /= 1, л*;;=Т7лг
Представленное таким образом изображение называют дискретным
с числом элементов п-пгхп
Т
При цифровой обработке изображений, передаче информации об
изображении по каналу связи и в ряде других случаев удобно, если
28
функция L принимает значения только из конечного набора чисел
L={LV L2,...Lk}. Такое изображение называют квантованным. Ча-
Частным случаем квантованного является двоичное изображение:
L={0,1}. С двоичными изображениями особенно часто приходится
встречаться в измерительной телевизионной технике.
Приведенная классификация иллюстрирует подход к описанию
изображений, развиваемый в телевизионной технике, технике об-
обработки изображений и других областях. Такой подход оказывается
наиболее эффективным при изучении изображения как объекта ис-
исследований в измерительных ТВС, как формы представления ин-
информации и при оценке искажений, вносимых ТВС в процессе
передачи информации об изображении по каналам связи.
На выходе ТВС синтезируется телевизионное изображение. Оно
формируется, как правило, на экране электронно-лучевой трубки
(известны и другие способы формирования телевизионного изоб-
изображения). Телевизионное изображение предназначено для воспри-
восприятия глазом. В связи с этим очевидно, что принципы формирования
телевизионного изображения, его параметры, как и параметры ТВС
в целом, должны быть строго согласованы с характеристиками
зрения.
Отдельные параметры изображения, поддающиеся определению
и измерению, отражают общую характеристику изображения — его
качество. При определении качества телевизионного изображения
обычно оценивают подобие его входному оптическому изображе-
изображению или изображению передаваемой сцены, наблюдаемому непо-
непосредственно глазом.
В качестве измеряемых параметров выбирают такие, которые
формируют у наблюдателя субъективные оценки качества изоб-
изображения. К таким параметрам обычно относят:
формат изображения ?=///г, где / — ширина, h — высота изоб-
изображения;
размер, определяемый при заданном формате к высотой телеви-
телевизионного изображения h или диагональю D;
яркость L, оцениваемую обычно по максимальной яркости
ban отдельных участков изображения;
контраст изображения K-LaJL^ им относительный конт-
контраст A:=(Lmiut-Imin)/Lmix (LnM, Imin — яркости самого светлого и са-
самого темного участков изображения);
четкость, определяемую числом условных или реальных элеме-
элементов разложения n-kZ2, где Z —число строк разложения, либо
п-пххпу в случае дискретного изображения не только в направле-
направлении у, но и в направлении х. С особенностями формирования
телевизионного изображения связано введение понятий поперечной
и продольной четкости, определяемых числом элементов на высоту
и ширину изображения соответственно. Реальная четкость опреде-
определяется не только числом элементов разложения, но и другими
29
факторами, и ее принято измерять максимальным числом черных
и белых линий, воспроизводимых в изображении на отрезке Л с за-
заданным контрастом К (эта оценка относится как к поперечной, так
и продольной четкости);
отношение сигнал/шум ф^Ь/Ьщ, где L — размах сигнала, La —
эффективное значение флуктуационной помехи; для оценки воспри-
восприятия помех глазом необходимо знать также и распределение спект-
спектральной плотности мощности помех. Отношением сигнал/шум в ко-
конечном счете определяется число градаций яркости, воспроизводи-
воспроизводимых в телевизионном изображении;
характер воспроизведения градаций яркости внутри яркостного
динамического диапазона. Например, при линейном законе измене-
изменения градаций яркости по яркостному диапазону в исходном изоб-
изображении в соответствующем телевизионном изображении характер
воспроизведения градаций яркости может отличаться от линейного;
цветовоспроизведение, характеризуемое степенью отличия цветов
(цветности) в изображении от цвета (цветности) соответствующих
участков исходного изображения; количественно выражается в ко-
колориметрических единицах;
неравномерность воспроизведения по полю изображения, харак-
характеризующую неодинаковость воспроизведения фрагментов изобра-
изображения по полю телевизионного растра (например, неравномерность
воспроизведения в телевизионном изображении уровней яркостей,
соответствующих одинаковым яркостям в исходном изображении);
геометрические искажения, характеризующие точность воспро-
воспроизведения координат отдельных элементов исходного изображения.
В ряде случаев применяют производные параметры, функци-
функционально связанные с указанными: резкость, ложные сигналы, в част-
частности проявления искажений, возникающих вследствие динамичес-
динамических процессов, инерционность и др.
Совокупность перечисленных параметров не дает, как правило,
исчерпывающей характеристики качества телевизионного изображе-
изображения. С этой целью в ряде случаев используют интегральные оценки
качества изображения. Интегральная оценка качества телевизион-
телевизионного изображения может быть выражена функционалом от откли-
откликов (ощущений) зрительной системы, формируемых на каждый из
перечисленных параметров изображения.
Наиболее распространенной методикой оценки качества телеви-
телевизионного изображения является сравнение его с входным изображе-
изображением (или непосредственно передаваемой сценой) в одинаковых
условиях наблюдения. При этом степень соответствия может быть
выражена следующими категориями.
Если в любой момент времени излучение каждой точки телеви-
телевизионного изображения как по спектральному составу, так и по энер-
энергии идентично излучению соответствующей точки исходного изоб-
изображения, то говорят о тождественном воспроизведении. Тождест-
Тождественному воспроизведению препятствуют флуктуации излучения.
30
Если излучение каждого элемента воспроизводимого изображе-
изображения как по спектральному составу, так и по энергии однаково с ис-
исходным с точностью, определяемой флуктуациями излучения, восп-
воспроизведение называют физически точным.
В условиях наблюдения изображения глазом стремятся к физио-
физиологически точному воспроизведению, когда визуально не обнаружи-
обнаруживаются различия между изображением и оригиналом. Реальные
отличия изображения и оригинала могут находиться в пределах
пороговых характеристик глаза по яркости, цветности и другим
параметрам.
Иногда вводят понятие психологически точного воспроизведе-
воспроизведения. В этом случае яркость и цветность участков воспроизводимого
изображения могут существенно отличаться от соответствующих
характеристик оригинала, но по восприятию изображение подобно
оригиналу и дает достаточное представление о нем, например
черно-белое телевизионное изображение реальной многоцветной
сцены.
В некоторых случаях телевизионное изображение выступает как
форма представления информации в виде, удобном для восприятия
глазом. Такое изображение может и не быть отображением опреде-
определенного реального объекта в рассмотренном смысле, оно является
некоторым первичным изображением в виде графической, знако-
буквенной или иной информации.
§ 1. 5. ИЗОБРАЖЕНИЕ — ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Наряду с широким развитием телевидения как способа передачи
визуальной информации на расстояние телевизионная техника по-
породила новые научно-технические направления, среди которых на-
наибольшее развитие получило исследование изображений с целью
извлечения количественной информации об объектах, явлениях
и процессах, протекающих в поле изображения. Здесь изображение
выступает объектом исследования.
Исследование изображений основывается на их анализе и об-
обработке. Анализ изображения предусматривает изучение отдельных
характеристик, составных частей, фрагментов или отдельных
объектов в поле изображения. В ряде случаев результат анализа
является конечной целью, например в измерительных ТВС таким
результатом являются значения функции распределения объектов
в поле сканирования по размерам (технологический контроль дета-
деталей, измерение размеров клеток в цитологии и т. п.). В других
случаях анализ может быть лишь исходной процедурой для фор-
формирования признаков (системы распознавания зрительных образов,
робототехнические системы и др.). Конечным результатом анализа
и в этом случае может быть распознавание или классификация
объектов или изображений в целом.
Обработка изображения, основанная на обработке соответству-
31
ющих оптических или электрических сигналов, предусматривает
внесение в формируемое изображение тех или иных изменений по
сравнению с оригиналом (увеличение контраста мелких деталей
изображения, окраска определенных деталей изображения в усло-
условные цвета, перераспределение градаций яркости в изображении
и др.). Обработка сигналов изображений часто используется в систе-
системах анализа изображений как этап, предшествующий процедуре
анализа. Например, в системах анализа интерференционных картин
изображение полутоновой интерференционной картины преобразу-
преобразуется в двоичное изображение координат интерференционных полос.
Обработанное таким образом изображение подвергается анализу
с целью восстановления исходного волнового фронта, измерения
параметров интерференционной картины и т. п.
Обработка сигналов изображения широко используется не толь-
только в процессе исследования изображений, но и в системах вещатель-
вещательного телевидения с целью улучшения качества изображения, фор-
формирования определенного художественного воздействия на зрителя,
создания видеоэффектов и др. Если обработку сигналов изображе-
изображения используют с целью коррекции искажений, вносимых средой
распространения светового потока от сцены до ФЭП, преобразова-
преобразователями сигнала или другими элементами ТВС, то такую процедуру
называют реставрацией изображения (приближением к идеальному
неискаженному изображению).
Обработка сигналов изображения может производиться с целью
формирования изображений, отображающих те или иные свойства
объекта исследования, но физически (как изображение) не существу-
существующих. В этом случае говорят о реконструкции изображений. На
реконструкции изображений базируется вычислительная томогра-
томография — метод, позволяющий формировать изображения, соответст-
соответствующие заданной плоскости сечения объемных предметов (рис.
1.13, а). Сформированное изоб-
изображение обладает тем свой-
свойством, что для любой точ-
точки плоскости реконструкции
(хОу— рис. 1.13, б) значение
яркости (плотности объекта
при исследовании в потоке рен-
рентгеновских лучей) не зависит от
значений плотности вне окре-
окрестности этой точки. Вычисли-
Вычислительная томография нашла
5) широкое применение в меди-
медицинской диагностике и техни-
Рис. 1.13. К пояснению принципа томе ческой Дефектоскопии (при ис-
графнн: следовании в потоке рентге-
а—объест исследования, б —реюнетруиро- НОВСКИХ лучей, В ультразвуке
ванное изображение объела в алоежосга Л И др.) [61.
32
Системы анализа и обработки изображений можно разделить на
два класса:
1) системы, в которых анализ и обработку изображения осущест-
осуществляют за время одного или нескольких кадров; основным достоин-
достоинством таких систем является возможность анализа динамических
изображений в реальном времени (к таким системам относятся
телевизионные);
2) системы, реализующие сложные процедуры обработки, требу-
требующие большого объема памяти и времени обработки сигналов,
существенно превышающего время телевизионного кадра; такие
системы используют главным образом для анализа статических
изображений.
Режим реального времени здесь следует понимать как режим,
обеспечивающий регистрацию явлений и выработку заданных реше-
решений (измерений) без вторжения в динамику явлений, протекающих
в поле изображения.
Системы анализа и обработки изображений получили значитель-
значительное развитие с применением микропроцессоров, больших интег-
интегральных схем и матричных фотоэлектрических преобразователей,
устройств оперативной и долговременной памяти большой емко-
емкости, ЭВМ. Такие системы широко используются при изучении кос-
космического пространства, в навигации, биологии и медицине, в про-
промышленности для автоматизации производственных процессов
и в других областях.
При исследовании изображений в большинстве случаев отпадает
необходимость исходить из свойств зрительной системы человека.
Описание изображения, предусматривающее выделение его призна-
признаков в целом, фрагментов или объектов в поле сканирования, опре-
определяется задачами исследований. К таким задачам относят клас-
классификацию изображений, обнаружение объектов с заданными хара-
характеристиками, кодирование сигналов изображения, описание с це-
целью введения количественной меры (измерение).
В связи с широким использованием анализа и обработки изоб-
изображений для решения прикладных задач этому направлению ис-
исследований посвящено большое число работ [4, б, 10 и др.].
В качестве примера приведем несколько характеристик, исполь-
используемых в системах исследования изображений.
Наиболее часто используется гистограмма распределения ярко-
яркости элементов изображения. Эта характеристика является простран-
пространственно-инвариантной. По оси абсцисс откладываются значения
яркости с интервалами AL=(L1MX-Imin)/6, где Ь — число разрядов
гистограммы. По оси ординат откладывается число элементов nh
имеющих яркость, соответствующую определенному интервалу.
Часто гистограмма нормируется и по оси ординат откладывается
нормированное значение, т. е. относительная частота (частоты)
Pi-njnt где п — общее число элементов изображения. В качестве
2 Р. Е. Быков
33
ом-
0,03 ¦
0,02-
0,01 ¦
-1
ГЪ-ьГи
p
0,04
0,03
0.02
0,01
i-j
-
Г" ,
i
О 10 20 30 40 50 L,ormei 0 20 40 60 80 100 S,mkh2
О) 6)
Рис. 1.14. Гистограммы распределений элементов изображения по яркости (а)
и объектов в иоле изображения по площадям (б):
7 — днмфоцнты, 2—моноциты
примера на рис. 1.14, а приведена гистограмма изображения лица
человека. В большинстве естественных изображений темных элеме-
элементов больше, чем светлых, частоты появления более светлых элеме-
элементов убывают примерно по экспоненте.
Приведенные результаты могут быть использованы при постро-
построении систем эффективного кодирования для передачи сигналов по
каналам связи, систем автоматической классификации изображе-
изображений, а также при решении задач описания изображений.
Для классификации объектов может использоваться такой при-
признак, как площадь S. На рис. 1.14, б приведены гистограммы рас-
распределения по площади p(S) для различных форм клеток крови
человека — лимфоцитов A) и моноцитов B). Приведенные данные
использованы при построении автоматического классификатора
клеток крови [4].
Важным компонентом изображений являются текстуры. Под
текстурой понимают некоторую пространственную организацию
элементов в пределах конечного участка изображения, описыва-
описываемую определенными статическими характеристиками распределе-
распределения яркости или цветности. Для описания текстур используют
различные признаки, базирующиеся на измерении пространствен-
пространственных частот, на статистических характеристиках распределения ярко-
яркости элементов изображения или на описании структурных связей
между ними и др.
В процессе исследования изображений, как правило, важно не
только определить тип текстуры, но и указать ее границы. Примеры
модельных текстур и изображение, содержащее три области с раз-
различными текстурами, приведены на рис. 1.15. Примерами естествен-
естественных текстур могут быть изображения лесных массивов или водной
34
.
1
1
„...
1
1 1
1 1
1,1
|'|
,1.
1 1
1 1
¦ I
1
i
1
Vv
АЛ
х>
у>
/V
VV
. ¦ ДЛhip |
i ooootH
¦iUUIAFJ
i ¦'jQOOC1*
1,1.ОС 1 lj
.i.iDO i С
OOOC1 ' ¦
xXXXXXTzi
Wx XXXj 1.
алЛооО1 . i.
ОСХХХХЛЛД
5<хЯь|'|'|У
Vxii i.i.i/
>OC*i. .l.l. >
jQ-.l .i.i.Ik
*So.i .i.i.i.-?
<X I.I, l.l.l.
X. 1. . 1.1.1
*>?.....
>C ¦¦¦¦ . i.i.i
0<,l.l.l.l.l.
3 111
.El.I.I.I
1 Ji.l.l 1.
.El. I.I.I
m_i i i
¦ ¦ ¦ ¦ ¦
. ¦ ¦ ¦ ¦
¦¦¦¦¦I
LPLPL 1 1.
.1.1.1.1.1
111 I S
1 1 1 1 1
1 1 1 1 I
1 1 1 1 1
1 1 1 I 1
1 1 1 [ 1
1 1 1 1 1
/1 1 1 1 1
¦
Рис. 1.15. Примеры текстурных элементов изображений
поверхности на аэрофотоснимках, тканей определенного вида в ги-
гистологических срезах (микроскопия), таких объектов, как кирпичная
стена, дорожное покрытие и др. Текстуры описываются призна-
признаками, связанными с размерами окрестностей элементов изображе-
изображения, на котором они определяются (крупноструктурные или мелко-
мелкоструктурные текстуры). В связи с этим текстуры часто описываются
частотными свойствами (энергия спектра Фурье для крупнострук-
крупноструктурных текстур сосредоточена в низкочастотной области, в то вре-
время как для мелкоструктурных — в высокочастотной). Для описания
текстуры используют число перепадов яркости в окрестностях эле-
элементов изображения, автокорреляционную функцию и другие хара-
характеристики.
Приведенные примеры не исчерпывают многочисленных подхо-
подходов к описанию изображений и их фрагментов.
ГЛАВА 2. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ
§ 2.1. ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА
Знакомство с механизмами (моделями) зрительного восприятия
человека в рамках изучаемой дисциплины вызвано двумя обсто-
обстоятельствами:
1) необходимостью правильного согласования характеристик
ТВС с характеристиками зрительной системы в тех случаях, когда
сформированное на выходе ТВС изображение предназначается для
восприятия глазом человека;
2) механизмы зрительного восприятия являются прекрасными
примерами процедур обработки визуальной информации и могут
служить источниками идей для построения и оптимизации анало-
аналогичных технических систем обработки изображений.
Глазное яблоко (рис. 2.1) представляет собой шарообразное тело
диаметром около 24 мм, окруженное сравнительно твердой оболоч-
оболочкой — склерой. В передней части глаза склера переходит в роговую
оболочку (роговицу) — прозрачную для света относительно твер-
твердую структуру. Диаметр роговой оболочки около 12 мм. Благодаря
хрусталику, имеющему форму двояковыпуклой линзы, и роговице
на внутренней оболочке глаза — сетчатке — образуется действи-
действительное перевернутое изображение предметов. Наибольший вклад
в преломление световых лучей вносит роговица. С передней сторо-
стороны глаза хрусталик прикрывается радужной оболочкой, образующей
зрачок глаза. Диаметр зрачка, играющего роль диафрагмы, изменя-
изменяется от 2 до 8 мм. Хрусталик благодаря действию удерживающих
его мышц обладает способностью изменять радиусы кривизны
передней и задней поверхностей, изменяя тем самым фокусное
расстояние и осуществляя фокусировку изображения на сетчатке.
Это свойство называют аккомодацией. Пространство между рогови-
роговицей и хрусталиком (передняя камера) заполнено прозрачной жид-
жидкостью, пространство между хрусталиком и сетчаткой — студенис-
студенистой прозрачной массой (стекловидное тело).
Светочувствительными элементами глаза являются колбочки
и палочки, они входят в состав сетчатки (около 7 • 10* колбочек
и 130 • 10* палочек). Сетчатка представляет собой дискретную све-
светочувствительную структуру. Распределены колбочки и палочки по
поверхности сетчатки неравномерно. Рис. 2.2 иллюстрирует рас-
36
10 х,мм
Рис. 2.1. Глазное яблоко человека:
1—передняя камера, 2 —радужная обо-
оболочка, 3 — мышцы, 4—склера, 5 — стек-
стекловидное тело, б —сетчатка, 7 — желтое
пятно, 8 — слепое пятно, 9 — зрительный
нерв, 10 — хрусталик, И — роговица
Рис. 12. Распределение светочув-
светочувствительных элементов на сетчат-
сетчатке:
7 —палочки, 2 —колбочки, х — рас-
расстояние от центра желтого пятна
пределение количества палочек A) и колбочек B) на 1 мм2 сетчатки.
Видно, что колбочки концентрируются в основном в области так
называемого желтого пятна (см. рис. 2.1) — на участке сетчатки,
обладающем свойствами наилучшего видения. Желтое пятно имеет
овальную форму длиной около 2 мм и шириной примерно 0,8 мм.
Палочки сконцентрированы на периферии. Светочувствительные
элементы глаза преобразуют световую энергию в нервные импуль-
импульсы, которые по нервным волокнам и зрительному нерву передаются
в зрительные центры головного мозга, где и осуществляется об-
обработка поступающей информации. Следует заметить, что пред-
предварительная обработка информации осуществляется непосредствен-
непосредственно на сетчатке благодаря наличию разветвленной нейронной струк-
структуры, охватывающей значительные участки сетчатки. В месте от-
отведения зрительного нерва имеется нечувствительная зона сетчат-
сетчатки — слепое пятно. Колбочковый аппарат обладает меньшей свето-
световой чувствительностью, чем палочковый, который условно называ-
называют аппаратом сумеречного зрения. Колбочковый аппарат обладает
цветовой чувствительностью, палочковый аппарат такой способ-
способности не имеет.
Обменные процессы в активных тканях глаза осуществляются
благодаря наличию сосудистой оболочки, которая содержит сеть
кровеносных сосудов, связанных с глазными веной и артерией.
Система нервных волокон и кровеносных сосудов расположена
непосредственно перед сетчаткой. Нервная ткань, включающая би-
биполярные, ганглиозные и горизонтальные клетки, практически про-
прозрачна для проходящего через нее света. Кровеносные сосуды для
света малопрозрачны. Однако они не мешают восприятию изоб-
изображения. Снижение светового потока на соответствующих участках
37
сетчатки компенсируется локальной адаптацией светочувствитель-
светочувствительных элементов.
В некоторых случаях характеристики ТВС интересно сопоста-
сопоставить с оптическими характеристиками глаза: переднее фокусное
расстояние/= -17,1 мм, заднее/=22,8 мм; передний фокус нахо-
находится перед глазом на расстоянии 15,7 мм, задний совпадает с сет-
сетчаткой (исключая близорукий или дальнозоркий глаз); поле зрения
неподвижного глаза в горизонтальной плоскости по направлению
к носу — 65°, к виску — 95°, в вертикальной плоскости вверх — 60°,
вниз — 72°. Глаз, как видно, имеет большое поле зрения, однако
поле резкого видения невелико и составляет около 2°.
При анализе механизмов зрительного восприятия удобно выде-
выделить: 1) образование оптического изображения на светочувствитель-
светочувствительной поверхности глаза; 2) преобразование оптического изображения
в нервные импульсы, распространяющиеся по зрительным нервам;
3) обработку полученной информации непосредственно на сетчатке
и зрительными центрами головного мозга. Необходимо, однако,
отметить, что все указанные механизмы представляют единый про-
процесс и не могут рассматриваться как серия последовательных неза-
независимых преобразований поступающей информации.
§2.2. СВЕТОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА
Светочувствительные элементы сетчатки преобразуют световую
энергию в химическую, тепловую, электрическую. Установлено, что
энергия нервных импульсов на несколько порядков больше энергии
падающего света, т. е. между актом поглощения света и возникнове-
возникновением соответствующих сигналов в нервном волокне происходят
промежуточные процессы. Световое излучение выступает в качестве
сигнала, управляющего этими процессами, к числу которых прежде
всего следует отнести фотохимические процессы. Светочувствитель-
Светочувствительные элементы сетчатки — колбочки — содержат родопсин (зритель-
(зрительный пурпур), который при воздействии света распадается на вита-
витамин А и белок (ретинин). Освобождающаяся при этом энергия
создает сигнал в нервном волокне.,'
Способность глаза реагировать на световое раздражение харак-
характеризуется чувствительностью._Чувствительность v глаза к воздей-
воздействию излучения определяется величйнбй7ббратной яркости поля
/*, вызывающей пороговое раздражение: v= 1/Z*. Чувствительность
может выражаться и в единицах, обратных пороговой освещенности
наблюдаемого изображения. Измерения показывают, что глаз спо-
способен реагировать на излучение, соответствующее единицам свето-
световых квантов. Наряду с этим зрительная система обеспечивает нор-
нормальное восприятие и при очень высоких яркостях. Способность
глаза изменять свою чувствительность и приспосабливаться к раз-
различным яркостям наблюдаемого изображения называют адапта-
адаптацией.
38
Как уже было отмечено, палочковый
аппарат обладает большей чувствитель-
чувствительностью, чем колбочковый. Палочковый
аппарат начинает реагировать на ярко-
яркости порядка 1О~4...1О кд/м2, колбоч-
колбочковый — на яркости порядка единиц ка-
ндел на квадратный метр. При яркостях
около 10 кд/м2 палочковый аппарат
ослепляется, так как скорость распада
родопсина при таких яркостях увеличи-
увеличивается настолько, что восстановление
его начинает отставать, концентрация
родопсина резко падает и происходит
600 Х,нм
Рис. 2.3. Кривые относитель-
относительной видаостн глаза
полное разложение зрительного пурпура. При яркостях 10...1С4
кд/м2 работает только колбочковый аппарат. Таким образом, све-
световой динамический диапазон глаза составляет около 109. Такой
широкий динамический диапазон обусловлен прежде всего слож-
сложными фотохимическими процессами разложения зрительного пур-
пурпура и в меньшей степени явлениями, связанными с автоматическим
регулированием воздействующего на сетчатку светового потока
в результате изменения диаметра зрачка (диафрагмирования).
Диапазон длин волн, в котором глаз реагирует на электромаг-
электромагнитное излучение, составляет от 380 до 760 нм. В этом диапазоне
длин волн атмосфера, окружающая нашу планету, обладает на-
наибольшей прозрачностью, что свидетельствует о том, что свойства
глаза формировались в результате многовековой эволюции живых
организмов. В пределах указанного диапазона чувствительность
глаза не одинакова.'Кривая, определяющая чувствительность глаза
к различным длинам волн, называется кривой относительной вид-
ности A на рис. 2.3). Следует заметить, что при существенном
уменьшении яркости кривая относительной видности изменяется
B). При малых яркостях кривая смещается в сторону более корот-
коротковолнового излучения, что приводит к увеличению чувствитель-
чувствительности глаза к синим лучам и резкому ее снижению к красным, —
мление Пуркинье. Указанная характеристика является исходной
при проектировании преобразователей изображения и других элеме-
элементов ТВС.
Феноменологическая модель темновой и световой адаптации
разработана П. П. Лазаревым, она дает представление о меха-
механизмах адаптации и приводит к возможности количественного
описания наблюдаемых явлений.! Теория адаптации описывает из-
изменение чувствительности глаза при переходе от стационарного
освещенного состояния к большей или меньшей освещенности.
Графически примеры этих зависимостей для разных исходных
освещенностей приведены на рис. 2.4. Как подтверждают изме-
измерения, время темновой адаптации составляет десятки минут C0...50
мин), а световой — единицы минут (8... 10 мин). Явления темновой
39
Рис. 2.4. Кривые темновой (а) и световое: (б) адаптации глаза
и световой адаптации должны учитываться при проектировании
систем и наблюдении изображений человеком в условиях нестаци-
нестационарного освещения (изображение флуоресцирующего экрана или
экрана электронно-оптического преобразователя в рентгенодиагно-
рентгенодиагностике, телевизионное изображение при быстрых изменениях внешне-
внешнего освещения и др.).
§2.3. ВОСПРИЯТИЕ ЯРКОСТИ И ЧИСЛО РАЗЛИЧИМЫХ ГРАДАЦИЙ S •
Если на глаз воздействует изображение с яркостью участков L,
то, как показывают эксперименты, наблюдатель реагирует не на
абсолютное изменение яркости AL, а на ее относительное значение
AL/L. Минимальное относительное изменение яркости AL/L, вос-
воспринимаемое наблюдателем, называют относительным разност-
разностным порогом раздражения. Разностный порог в определенных пре-
пределах изменения интенсивности остается постоянным. Таким об-
образом, минимальное заметное приращение ощущения Дб в установ-
установленных пределах интенсивностей пропорционально относительному
разностному порогу:
Ae-JfcAL/L, B.1)
где к — коэффициент пропорциональности.
Если сделать допущение о том, что эта закономерность, устано-
установленная экспериментально для конечных приращений интенсивно-
интенсивностей, справедлива для бесконечно малых значений, то соотношение
B.1) приведет к выражению Ae=JtdL/L. Интегрируя это уравнение,
нетрудно определить
JklL B.2)
Постоянную интегрирования D определим из условия б=0 при
L-jU, т. е. D= -kml*. Тогда соотношение B.2) примет вид
в=кЩЦ1Л. B.3)
Соотношение B.3), называемое законом Вебера — Фехнера, устана-
устанавливает, что ощущение б пропорционально логарифму яркости L.
40
Экспериментальные исследования (рис. 2.S) позволили установить,
что этот закон справедлив в диапазоне яркостей от десятых долей
до 103 кд/м2 (область а на рис. 2.5), где AL/L=An=const. Заштрихо-
Заштрихована область относительных значений яркости, соответствующая
различным длинам волн воздействующего излучения. Практика
показывает, что чаще всего в реальных условиях функционирования
глаза можно считать справедливым соотношение B.3).
Определим для этого случая (область а на рис. 2.5) число регист-
регистрируемых глазом градаций яркости на примере ступенчатого клина
яркостей с пороговым значением различия по яркости на каждой
ступени. Первая градация такого клина отличима от фона, если ее
яркость Li превышает яркость фонового раздражения L$ на вели-
величину 1фАп:
Вторая градация отличима от первой, если
Аналогично, для третьей градации L3==I^(l+AnK.
Следовательно, для N-fs. градации
B.4)
Из соотношения B.4) нетрудно определить число различимых
градаций N, если известен относительный разностный порог Ап:
Учитывая, что L^L^—K— контраст изображения ступенчатого
клина, имеем
N= In A/In A -f Д„). B.5)
Таким образом, число различимых градаций N определяется не
только относительным разностным порогом раздражения А„, но
и контрастом К наблюдаемого изображения. Эта зависимость для
различных Аа приведена на рис. 2.6. Расчет показывает, что при
0,001 OJ W 1000
Ы/н2
Ряс. 2.S. Зависимость отно-
относительного порога яркости
от яркости
Рис. 2.6. Зависимость числа раз-
различных градаций от контраста из-
изображения
41
X= 100 (черный бархат с коэффициентом отражения 0,009 на снегу
с коэффициентом отражения 0,9) и Дп=0,02 число различимых
градаций iV=232.
Рассмотренные закономерности лежат в основе выбора динами-
динамического диапазона яркостей и контрастности изображения на экране
телевизионного приемника. Контраст черно-белого изображения на
экране цветного телевизионного приемника около 100 (в затемнен-
затемненном помещении).
§ 2.4. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГЛАЗА
Разрешающая способность глаза оценивается тем минимальным
углом зрения, под которым раздельно видны две рядом располо-
расположенные детали изображения, разделенные промежутком, имеющим
яркость, отличную от яркости рассматриваемых деталей. Этот угод
называют углом разрешения глаза. Чтобы видеть две детали изоб-
изображения (например, а и б на рис. 2.7, а) раздельно (разомкнутое
кольцо), необходимо, чтобы на сетчатке оставалось некоторое про-
странство, возбуждение которого вызывало бы ощущение иное, чем
на тех участках изображения а' и б', где отображаются точки а и б.
Минимальное (пороговое) значение угла ср^ и является углом
разрешения. В некоторых случаях разрешающую способность хара-
характеризуют величиной, обратной углу разрешения, — остротой зре-
ния<р^
К числу принципиальных физических факторов, влияющих на
разрешающую способность глаза, прежде всего следует отнести
дифракцию света, дискретность структуры сетчатки и аберрации
в оптической системе глаза.
Рассмотрим влияние дифракции света. Световой поток, попада-
попадающий в глаз, ограничивается радужной оболочкой, которая являет-
является своеобразной диафрагмой. Из оптики известно, что если свето-
световой поток проходит через узкую щель (рис. 2.7, б), то, согласно
принципу Гюйгенса, каждую точку пространства можно рассматри-
рассматривать как источник сферической волны. Рассмотрим лучи I и 5 от
верхней и нижней точек щели, которые пересекутся в точке а плос-
плоскости изображения. Если фазовый сдвиг лучей 1 и 2 составляет Я/2,
то это имеет место и для каждой пары лучей, распространяющихся
в конусах, образуемых лучами 1 и 2, 2 и 5, т. е. яркость в точке
а будет равна нулю. Нетрудно определить положение точки
а в плоскости изображения. Выразим его через расстояние г от
оптической оси. Из рис. 2.7, б видно, что m<p=rJf=X[D, откуда
г=№)Х, B.6)
где /— расстояние от плоскости щели до точки а изображения;
D — диаметр щели; X — длина волны излучения.
Если проанализировать аналогичные явления не для щели, а для
42
Рве. 2.7. К определению раз-
разрешающей способности гла-
глаза
Рис. 2.8. Распределение яркости
в плоскости изображения
отверстия диаметром D, то соотношение B.6) примет вид
го=1Д2(//1)I Распределение яркости излучения в плоскости изоб-
изображения при прохождении плоской волны от удаленного источника
света через круглую диафрагму приведено на рис. 2.8 (кривая 1).
Диаметр 2г0 кружка рассеяния тем больше, чем меньше D и больше
длина волны Я. Если в поле изображения находятся две точки, то
картина распределения дополнится кривой 2. Глаз различает две
точки лишь в том случае, когда спад интенсивности результиру-
результирующей кривой превышает пороговое раздражение соответствующих
рецепторов.
При оценке разрешающей способности оптических приборов
в аналогичной ситуации принято считать различимыми две точки
в плоскости изображения в том случае, когда максимум яркости
излучения одной точки совпадает с первым минимумом в рас-
распределении яркости второй точки (или максимумы лежат на боль-
большем расстоянии). В этом случае расстояние между точками в плос-
плоскости изображения равно г0. В результирующей кривой образуется
провал B7%). Если этот критерий, введенный Рэлеем, применить
для оценки угла разрешения глаза, то получим (рвт=го1/=\,22 X\D.
Для X=500 нм, 2)=5 мм имеем «^=0,03'. Это значение условно
может быть принято за теоретический предел разрешающей способ-
способности глаза, определяемый волновой природой света.
При рассмотрении вопроса о влиянии дискретности структуры
сетчатки на разрешающую способность глаза в первом приближе-
приближении можно считать, что для различения двух деталей изображения
необходимо, чтобы расстояние между ними в плоскости изображе-
изображения было не менее диаметра рецептора (между двумя возбужден-
возбужденными должен быть по крайней мере один невозбужденный рецеп-
рецептор). Б желтом пятне сетчатки глаза расстояние между центрами
43
смежных колбочек составляет около 2 мкм; следовательно, рассто-
расстояние между возбужденными рецепторами г0 должно составлять не
менее 4 мкм. Если учесть геометрию глазного яблока, то можно
показать, что это расстояние на сетчатке соответствует углу раз-
разрешения фшт«0,06'.
Следует заметить, что в том случае, когда расстояние между
двумя точками на сетчатке меньше диаметра рецептора, эти точки
все же могут быть различимы, так как интенсивность возбуждения
этого рецептора меньше, чем смежных. Эксперименты подтвержда-
подтверждают, что минимальный темный промежуток, регистрируемый гла-
глазом, может соответствовать углу, меньшему 0,06'.
Рассматривая вопрос о влиянии структуры сетчатки на разреша-
разрешающую способность, следует иметь в виду, что размер светочувст-
светочувствительного элемента сетчатки лишь в предельном случае определя-
определяется размером рецептора. В процессе преобразования светового
раздражения в нервное возбуждение при малых освещенностях
объекта полезный сигнал становится соизмеримым с помехами
(темновые шумы сетчатки, которые вызываются спонтанным раз-
разложением зрительного пурпура, флуктуации поглощенного светово-
светового потока и др.). В этом случае вступает в действие механизм
пространственного суммирования возбуждений от нескольких реце-
рецепторов, что приводит к увеличению полезного сигнала. Размер
эквивалентного светочувствительного элемента, интегрирующего
по площади изображения световое воздействие, возрастает, образу-
образуется так называемое рецептивное поле. В этом случае разрешающая
способность определяется размерами рецептивных полей. По мере
дальнейшего уменьшения освещенности размеры рецептивных по-
полей увеличиваются, что приводит к падению разрешающей способ-
способности. Детальное рассмотрение механизмов функционирования ре-
рецептивных полей приводит к раскрытию весьма сложных механиз-
механизмов обработки сигналов на сетчатке. Рецептивные поля обладают
внутренней структурой со сложным взаимодействием светочувст-
светочувствительных элементов, что формирует характерные отклики в случае
перекрытия рецептивных полей и приводит к другим эффектам,
объясняющим ряд механизмов зрительного восприятия.
В реальных условиях наблюдения изображения разрешающая
способность глаза в значительной мере определяется влиянием
хроматической аберрации в хрусталике, механизм влияния которой
не отличается от механизма влияния хроматической аберрации на
разрешающую способность оптических приборов.
Зависимость угла разрешения глаза от яркости изображения для
различных значений контраста К деталей испытательной таблицы
приведена на рис. 2.9. При яркости 100 кд/м2 и предельном конт-
контрасте изображения угол разрешения достигает 0,75... 1,00'.
Характеристики разрешающей способности глаза являются ос-
основными для расчета необходимой разрешающей способности ТВС.
Зная расстояния до телевизионного экрана, размеры изображения
44
и его яркость, пользуясь приведенными
данными о разрешающей способности
глаза, нетрудно определить необходимую
степень дискретизации изображения (чис-
(число элементов в поле изображения). Одна-
Однако использование приведенных данных
для расчета систем воспроизведения изоб-
изображения не всегда оправдано, так как они
относятся к пороговым (предельным) ха-
характеристикам зрения. Уместно поста-
поставить вопрос о том, как зрительная систе-
система реагирует на снижение четкости изоб-
изображения по сравнению с предельной,
установленной исходя из характеристик,
приведенных на рис. 2.9. Подобные ис-
исследования были выполнены в 1933 г. Я.
А. Рыфтиным. Для этого были изготов-
100
K-Q05
ю"* it5 ю'Чо'м ю
Рис. 2.9. Зависимость угла
разрешения от яркости
лены несколько серий изображений с различной степенью диск-
дискретизации (разным числом элементов). Испытуемым предлагалось
выбрать одинаковые по восприятию качества изображения. Об-
Обработка результатов показала, что кажущееся приращение четкости
AG пропорционально относительному приращению числа элемен-
элементов Дл/л, из которых формируется изображение:
ДG=рДл/л,
B.7)
где р — коэффициент пропорциональности. Переходя к бесконечно
малым приращениям, соотношение B.7) можно представить в виде
dG=pdnln. B.8)
Интегрируя B.8), нетрудно получить зависимость кажущейся чет-
четкости G от числа элементов изображения:
G=p |<1л/л=р1пл+С. B.9)
Из условия G=0 при л=1 следует, что постоянная интегрирова-
интегрирования С=0. Коэффициент р определяется из другого граничного
условия, т. е. G=\ при л=лШ1О где Лш„— число элементов изоб-
изображения, определенное из следующего условия: каждая пара элеме-
элементов видна под углом, равным углу разрешения при заданных
условиях наблюдения. Из этих условий следует, что р^ОпЛти)*
Соотношение B.9) принимает вид
С=1пл/1плшх. B.10)
Зависимость G от л для лшх«85 • 104 (число элементов изображе-
изображения при числе строк 800 и формате кадра 4/3) приведена на рис.
2.10. Видно, что снижение в два раза числа элементов, участвующих
45
Рис. 2.10. Зависимость ка-
кажущейся четкости от числа
элементов изображения
в формировании изображения (от п^ до
ЛтиД), приводит к снижению кажущейся
четкости изображения до 0,949, т. е. на
5,1%. При малом числе элементов изоб-
изображения незначительное изменение числа
элементов, участвующих в формировании
изображения, как видно из соотношения
B.10) и из рис. 2.10, приводит к существен-
существенному изменению кажущейся четкости изоб-
изображения. Отмеченная особенность зрения
эффективно используется при выборе пара-
параметров телевизионных систем (в частно-
частности, числа строк или элементов разложе-
разложения).
§ 2. 5. ВОСПРИЯТИЕ МЕРЦАЮЩИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Пороговое ощущение при воздействии света определяется в ко-
конечном счете общим числом квантов, поглощенных площадью ре-
рецептивного поля. При фиксированной интенсивности раздражения
это число зависит от площади рецептивного поля и времени воздей-
воздействия света. Следовательно, между моментом воздействия света на
сетчатку и моментом возникновения соответствующего зритель-
зрительного ощущения проходит некоторое время, называемое временем
ощущения.
Для возникновения зрительного ощущения при условии фик-
фиксированной площади рецептивного поля необходимо, чтобы призве-
дение светового потока JF, вызывающего раздражение, т время
воздействия А/ (экспозиция) достигло определенного порога
FA/=const. B.11)
Если F в течение времени воздействия не постоянен, то условие
B.11) можно представить в виде
Л/
jF(/)d*=const. B.12)
о
Соотношение B.12) устанавливает связь между временем воздейст-
воздействия А/ и характером изменения величины F(t). Эксперименты пока-
показывают, что это соотношение лишь качественно описывает наблю-
наблюдаемые явления в ограниченном диапазоне времени A'<V Зависи-
Зависимость времени ощущения от яркости, построенная на основе экс-
экспериментальных данных, приведена на рис. 2.11. При яркостях
изображения, превышающих пороговую в 400 раз, время ощущения
составляет 0,1 с.
Заметим, что при прекращении раздражения для исчезновения
46
100 200 300 Ь.отн.ед.
Рис. 2.11. Зависимость вре-
времени ощущения от яркости
ощущения также требуется определенное
время. Физически инерционность процес-
процессов возбуждения и торможения обуслов-
обусловлена конечным временем протекания фо-
фотохимических реакций, а также конечным
временем распространения нервного воз-
возбуждения и его регистрации зрительными
центрами головного мозга.
В условиях наблюдения телевизионно-
телевизионного изображения глаз человека работает
в режиме воздействия на него периодичес-
периодически изменяющихся световых потоков. При
невысокой частоте возникает ощущение
мерцания изображения. Если частоту вспышек увеличивать, то при
определенном ее значении ощущение мерцания прекращается и на-
наблюдатель воспринимает изображение как слитное. Частоту, при
которой возникает ощущение слитности восприятия, называют кри-
критической частотой мельканий (мерцания)/^.
Нетрудно видеть, что критическая частота мельканий связана
с временем ощущения, а следовательно, с интенсивностью раз-
раздражения. Для описания этой зависимости используют соотноше-
соотношение, полученное при обработке многочисленных эксперименталь-
экспериментальных данных (закон Портера — Айвса):
f^algL+b, B.13)
где а и Ь — постоянные коэффициенты, определяемые скважностью
световых импульсов, их формой и спектральным составом.
При яркости источника белого света 30 кд/м2 и скважности
световых импульсов, равной двум (а=9,6; 6=26,8), как следует из
соотношения B.13), критическая частота мельканий /^,=41 Гц,
а при яркости 100 кд/м2/^=46 Гц.
Рассмотренный параметр определяет выбор частоты смены из-
изображений (частоты кадров) в кино и телевидении. Приведенные
числовые значения относятся к центральной зоне наилучшего виде-
видения глаза. Для периферии сетчатки f^ заметно выше, что должно
учитываться при проектировании широкоформатных ТВС с боль-
большим экраном, рассчитанным на относительно небольшие расстоя-
расстояния рассматривания изображения C...4)Л. В этих условиях наблюде-
наблюдения неизбежно возбуждаются и периферийные участки сетчатки.
§2.8. ВОСПРИЯТИЕ ПРОСТРАНСТВА
Человек воспринимает окружающее пространство трехмерным,
несмотря на то что изображения на сетчатке двумерны. Объемное
восприятие пространства связано с бинокулярностью зрения. Вме-
Вместе с тем существенную роль в объемном восприятии играют
47
%a2
Ряс. 2.12. К определе-
нию остроты стереозре-
аккомодация, вызванная изменением кривиз-
кривизны хрусталика за счет сокращения ресничной
мышцы, восприятие перспективы, относи-
относительное перемещение объектов в поле зрения,
образование теней от предметов и ряд других
очевидных механизмов.
Два изображения, формируемые на сет-
сетчатке каждого глаза, воспринимаются наблю-
наблюдателем как одно. Глаза при фиксации рас-
рассматриваемого объекта, например А на рис.
2.12, поворачиваются — конвергируют —
так, чтобы формировалось изображение
а этого объекта в области желтого пятна.
Углы конвергенции (о^ и а2) содержат инфор-
информацию об удалении рассматриваемого
объекта А (следует учесть, что расстояние
между зрительными осями глаз — глазной
„_ базис — для каждого индивидуума фиксиро-
фиксировано и составляет около 65 мм).
Основная роль в возникновении ощущений объемности наблю-
наблюдаемой сцены связана с различием изображений на сетчатках левого
и правого глаза — диспаратности точек проекций. Изображения bt
и Ьг точки В на сетчатках левого и правого глаза отстоят на разных
расстояниях от изображения точки A (at и а2 соответственно), т. е.
a1bl^a2b2- Отрезки а^ и агЪг различаются тем больше, чем
больше разнесены по глубине точки В и А в пространстве рассмат-
рассматриваемой сцены.
Исследования остроты стереоскопического зрения показывают,
что наблюдатель фиксирует точки, разнесенные по глубине на рассто-
расстояние 7,5 м при удалении точки фиксации от наблюдателя на 100 м
и точки, разнесенные на 2 см при удалении точки фиксации на 5 м.
Глубинный порог стереозрения можно выразить в угловой мере как
минимальную фиксируемую наблюдателем разность углов а1 и а2.
Этот порог составляет 10...30*.
Этот механизм восприятия глубины пространства положен в ос-
основу построения систем объемного (стереоскопического) телевиде-
телевидения.
§ 2.7. ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ
Если на светочувствительную поверхность глаза воздействуют
два световых излучения одинаковой яркости, но различного спект-
спектрального состава, то наблюдатель, как правило, регистрирует это
и его реакция проявляется в различии цветовых ощущений.
Одним из первых серьезные опыты по цветовосприятию провел
И. Ньютон A643 — 1727). Это были опыты по разложению солнеч-
48
ного света с помощью стеклянной призмы. Ньютон показал, что
степень преломления и цвет излучения связаны определенной зави-
зависимостью.
Изучение вопросов цветовосприятия привело Ньютона к мысли
о возможности получения любого цвета путем смешения семи
основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубо-
голубого, синего и фиолетового. Наконец, расположив эти основные цвета
по окружности, он пришел к идее систематизации цветовых ощуще-
ощущений и отображения их в виде точек на плоскости (цветовой круг
Ньютона). Им же было сформулировано правило нахождения коор-
координат точки смеси по координатам смешиваемых цветов.
Однако истоки современной трехкомпонентной теории цветово-
цветового зрения мы находим в работе великого русского ученого М. В.
Ломоносова A711 —1765) «Слово о происхождении света, новую
теорию о цветах представляющее, в публичном собрании Академии
наук июля 1 дня 1756 г. говоренное Михаилом Ломоносовым».
Трехкомпонентная теория цветового зрения основывается на экс-
экспериментально установленном факте: подавляющее большинство
цветов может быть получено путем сложения трех определенным
образом выбранных основных цветов, например красного, желтого
и голубого. Эта теория явилась основой для построения феномено-
феноменологической модели цветового зрения, которая постулирует наличие
трех видов рецепторов, реагирующих на красную, желтую и голу-
голубую части спектра. При равном возбуждении рецепторов создается
ощущение белого, а все другие цветовые ощущения связаны с раз-
различием в возбуждении трех рецепторов.
Трехкомпонентная теория цветового зрения была в дальнейшем
подтверждена и нашла развитие в работах Т. Юнга A773 — 1829),
который в 1802 г. для оценки этих ощущений предложил пользо-
пользоваться цветовым треугольником, в вершинах которого располага-
располагаются основные цвета.
Экспериментальное и теоретическое развитие трехкомпонентная
теория цветового зрения получила в трудах Г. Гельмгольца A821 —
1894) и Дж. Максвелла A831 —1879). Гельмгольц провел многочи-
многочисленные опыты по смешению спектральных цветов и установил
основные закономерности формирования цвета смесей, определил
закономерности смешения световых потоков. Максвелл дал количе-
количественную оценку явлениям смешения световых потоков различного
спектрального состава и предложил математический аппарат для
расчета цвета смеси излучений сложного спектрального состава.
Максвелл впервые ввел цветовое уравнение как способ записи раве-
равенства цветовых ощущений при воздействии на него различных по
спектральному составу излучений. В 1861 г. Максвелл впервые по-
получил цветную фотографию, синтезированную из трех цветоделен-
ных изображений.
По мере развития работ по цветовому зрению были
получены кривые спектральной чувствительности для трех
49
m
Рис. 2.13. Кривые основных воэбу-
типов светочувствительных элемен-
элементов глаза — кривые основных возбу-
возбуждений (рис. 2.13).
Цветовые ощущения возникают
вследствие различного возбуждения
каждого из трех рецепторов. Сум-
Суммирование возбуждения всех трех
рецепторов дает ощущение яркости.
Следует заметить, что гистологичес-
гистологически существование трех различных
рецепторов на сетчатке глаза не на-
нашло полного подтверждения. По-
Поэтому в рамках трехкомпонентной теории цветового зрения суще-
существуют модели, в которых механизм цветоделения, т. е. формирова-
формирования отдельных откликов на различные по спектральному составу
возбуждения, приписывается каждой колбочке (цветоделение осуще-
осуществляется непосредственно внутри светочувствительного элемента),
а также модели, в которых колбочки в зависимости от состояния
светочувствительного компонента изменяют свою спектральную
чувствительность и тем самым осуществляют анализ цветового
содержания изображения и др.
В описании механизмов цветового зрения человека в настоящее
время имеется большое число ((белых пятен». Однако для описания
наблюдаемых явлений и измерения цветовых ощущений создан
аппарат, который достаточно хорошо отражает реальное цветовос-
приятие. Этими вопросами, а также измерением цвета занимается
колориметрия. В основе колориметрии лежат экспериментальные
факты, и она дает хорошие результаты при расчете таких систем
передачи и воспроизведения цветных изображений, как цветная
фотография и кино, типографская печать и цветное телевидение.
§ 2. 8. ЦВЕТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТЫ
Цветовое уравнение. Практически произвести сравнение ощуще-
ощущений от исследуемого и эталонного излучений можно путем визуаль-
визуального сопоставления их на расположенных в непосредственной бли-
близости поверхностях. Возьмем гипсовую призму и осветим ее различ-
различными световыми потоками, обозначенными на рис. 2.14 через KR
и GG, Для конкретизации рассматриваемого эксперимента пред-
предположим, например, что RR — цвет монохроматического излуче-
„ ния с длиной волны 650 им, a SS — с длиной волны 4=550 нм.
Наблюдатель фиксирует цветовое различие между видимыми гра-
гранями призмы, которое никакими регулировками значения светового
потока KR, например с помощью нейтрального светофильтра (JF),
ликвидировать не удается. Наблюдаемое различие в ощущениях
принято описывать характеристикой, называемой цветностью. Рас-
Рассматриваемые цвета имеют разную цветность.
50
Добавим к цвету RR цвет GG (монохроматическое излучение с
длиной волны, например, Яс=500 нм). Если наблюдателю предо-
предоставить возможность изменять световые потоки SR и GG (изменяя
прозрачность нейтральных светофильтров), то он сможет добиться
исчезновения цветового различия. Условимся наблюдаемое цвето-
цветовое равенство обозначать знаком равенства, а пропорция, в кото-
которых смешиваются световые потоки, — множителями. На основании
результатов эксперимента запишем уравнение
SS(R,G)=KR+GG, B.14)
где R, G — обозначение выбранных монохроматических излуче-
излучений — основные цвета; R, G — множители — модули цветов; S —
обозначение цвета смеси. Уравнение B.14) будем называть цвето-
цветовым уравнением. Следует подчеркнуть, что это уравнение описывает
цветовые ощущения и имеет смысл только для глаза или его
моделей.
В рассматриваемом эксперименте оказалось достаточным двух
цветов (RR и GG) для получения цветового равенства с третьим
(SS), но не всякие три цвета находятся в такой зависимости. Для
получения цветового равенства в некоторых случаях приходится
добавлять третий цвет 2Ш, выбранный определенным образом.
Следовательно, можно записать
SS(R. G. B)=*R+GG+5B. B.15)
Основные цвета введены для удобства выражения результатов цве-
цветовых измерений и классификации цветов.
Построим характеристики, показывающие, в каких пропорциях
необходимо смешивать цвета для получения ощущения, соответст-
соответствующего заданному монохроматическому излучению. Для этого
необходимо провести эксперименты, подобные рассмотренным, для
каждого монохроматического излучения и построить соответству-
соответствующие кривые для всего видимого диапазона длин волн.
Опыты показали, что не всякий цвет мо-
монохроматического излучения может быть по-
получен путем сложения трех основных цветов.
Для получения цветового равенства в этом
случае можно монохроматический цвет 5S
«разбавить» одним из основных цветов. Если
он «разбавляется» красным и этим достигается
равенство цветовых ощущений от левой и пра-
правой граней призмы (рис. 2.14), то можно за-
записать SS(R, G, B)+KR=GG+BB. Следова-
Следовательно, SS(R, G, B)=GG+BB-RR, откуда
видно, что некоторые модули цветов цвето- рис. 2.14. Уравнива-
вого уравнения B.15) могут быть отрицатель- ше деетов (к опреде-
ными (здесь это Ж лению цветового урав-
неаия)
51
В качестве основных R, G, В стремятся выбрать такие цвета,
чтобы каждый из них действовал преимущественно на один из
рецепторов модели зрительного восприятия. Кроме того, учитыва-
учитывают необходимость достаточно простого получения этих излучений.
Международной комиссией по освещению (МКО) в качестве основ-
основных цветов рекомендованы монохроматические излучения с длина-
длинами волн ЛЛ=700 нм, Лс=546,1 нм, Лв=435,8 им. Последние являют-
являются линиями в спектре излучения паров ртути и легко выделяются
путем селекции из спектра с помощью фильтров.
При выборе основных цветов необходимо установить их ярко-
яркости. Удобно яркости основных цветов взять такими, чтобы белый
цвет создавался от смешения их в равных количествах, т. е. модули
цветов при этом должны быть одинаковыми: R=G=B= 1/3. Путем
статистических исследований установлено, что эти условия выпол-
выполняются в том случае, когда яркости эталонов находятся в соотноше-
соотношении LR:LG:LB=1:4,5907:0.061. Если в качестве красного взять
источник яркостью 1 кд/м , то яркости источников двух других
основных цветов должны составлять LG=4,5907 кд/м2 и LB=0,061
кд/м2. При смешении A/3)R, A/3)G и A/3)В получим белый цвет (Е)
яркостью LE-1+4,5907+0,061=5,6517 кд/м2.
Если смешать выбранные основные цвета равной яркости, то
получится не белый цвет, а синий. Если яркость одного из основных
цветов принимается за единицу (например, LR=Y), то относитель-
относительные яркости основных цветов I», LG, LB, при смешении которых
в равных количествах получают оелый, называют яркостными ко-
коэффициентами.
Цветовое пространство, цветовая диаграмма. Цветовое уравнение
B.15) показывает, что цвет может быть представлен как вектор «SS
трехмерного пространства. Проекции вектора на оси координат,
задаваемые единичными векторами R, G, В, соответственно равны
R. G, В. Если ввести обозначения R=OL/OR, G-OM\OGb
B=ONfOB и построить систему цветовых координат на единичных
векторах R, G, В, то векторное представление о цвете можно
проиллюстрировать рис. 2.15
(на рисунке концы векторов R,
G, В имеют те же обозначения,
что и сами векторы). Каждому
цвету соответствует точка про-
пространства, определяемая векто-
вектором (например, точка S). Коор-
Координатами цвета являются мо-
модули R, G, В. Таким образом
можно построить некоторую
систему классификации цветов.
Пространство в выбранной си-
системе координат называют цве-
Рис. 115. Цветовое пространство RGB товым пространством.
52
Очевидно, что сложение любых двух цветов не может привести
к «черному» (отсутствие излучения), поэтому все цветовые векторы
должны располагаться в пределах телесного угла, меньшего 2я. Это
свойство должно учитываться при выборе системы цветовых коор-
координат.
Рассмотрим основные свойства цветового пространства. Соеди-
Соединим точки R, G. В (рис. 2.15) прямыми и получим некоторый
треугольник RGB — цветовой треугольник. Любой вектор (напри-
(например, SS) пересекает плоскость, в которой расположен этот тре-
треугольник. Следовательно, каждому вектору на плоскости RGB
соответствует единственная точка (например, точка F на рис.
2.15 и 2.16, в), которая однозначно определяет положение вектора
SS в выбранном цветовом пространстве.
Определим положение этой точки через модули цветов. Для
этого проведем прямые RF, GF, BF и найдем положение точек D,
Ни К пересечения этих прямых со сторонами треугольника RGB.
На рис. 2.16, б изображено основание фигуры, приведенной на рис.
2.15; построим NJ\\BR и EL\\BR. Тогда ELIHR=OL/OR=R;
NJ/BH=ONIOB=B. Следовательно, EL=NR.(R), NJ=BH.(B).
Учитывая, что EL=*NJ, имеем
HRlBN=BfR.
Аналогично можно показать, что
KR/GK=GIR;
DGIBD=B/G.
B.16а)
B.166)
B.16в)
Соотношения B.16) определяют положение точек Н, KuD через
модули цветов. Нетрудно видеть, что полученное правило B.16)
соответствует правилу отыскания центра тяжести треугольника
с грузами, сосредоточенными в его вершинах и равными R,
Gil В соответственно.
Произведем нормировку по компонентам смешиваемых цветов:
I)
Рис. 2.16. Цветовой треугольник (а) к основание цветового тела (б)
53
JF —
b=
в
R+G+B R+G+B R+G+B
B.17)
Видно, что r+g+b=\. Нормированные компоненты r, g, b опреде-
определяют соотношения количеств трех основных цветов, при которых
они воспроизводят данный цвет. Они не содержат информации
о модуле цветового вектора, но в них полностью сохранена инфор-
информация о его направлении. Точка пересечения вектора цвета с плос-
плоскостью треугольника RGB дает количественную меру характеристи-
характеристике, которую мы определили как цветность, поэтому ее называют
точкой цветности (точка F на рис. 2.15 и 2.16, а) или просто
цветностью. Отличия цветности, фиксируемые в экспериментах
с гипсовой призмой, отражают различия в цветовых ощущениях
наблюдателя, т. е. термин «цветность» предполагает корреляцию
с ощущением цветовых различий (ощущением цветности).
Компоненты г, g, b, которые полностью определяют цветность,
называют трехцветными коэффициентами (или координатами цве-
цветности). Задавая две из них, как видно из соотношения B.17), можно
однозначно определить цветность. Таким образом, любой цвет
в выбранной системе координат выражается тремя числами — мо-
модулями цветов, цветность же определяется любыми двумя числами
из трех: г, g, b.
Эксперименты по уравниванию цветов измеряемого и эталон-
эталонного источников, описываемые уравнением B.15), могут быть по-
повторены для всех монохроматических излучений видимого спектра.
Результаты статистических исследований подобных характеристик
цветового зрения человека приводят к зависимостям г, g, b от Я (рис.
2.17). Из них видно, например, что для получения ощущения, эк-
эквивалентного вызываемому монохроматическим излучением с дли-
длиной волны Я=500 нм, необходимо смешать выбранные основные
цвета в соотношении ?=0,78, g=l,39, r= — 1,17. Аналогично с по-
помощью кривых смешения могут быть определены необходимые
соотношения r.gvib для любого монохроматического излучения.
Нанесем в плоскости цветового треугольника RGB (см. рис. 2.16,
а) линию, соответствующую монохроматическим цветам (линию
чистых спектральных цветов). Для этого воспользуемся эксперимен-
экспериментальными кривыми смещения (рис. 2.17). Например, для Я=500 нм
имеем 6=0,78, g=l,39, г=-1,17. Воспользовавшись правилом
B.16), найдем положение точки Л, соответствующей Я=500 нм (рис.
2.18). Аналогично можно найти точки для других длин волн и со-
соединить их в непрерывную кривую чистых спектральных цветов
RGAB. Белый цвет, соответствующий равноэнергетическому в пре-
пределах видимого спектра излучения, отображается точкой
E(r=g=b=\/2>). Если в цветовом пространстве (см. рис. 2.15) из
начала координат через точку Е провести прямую, то получим
линию серых цветов — ахроматическую ось цветового пространст-
пространства. Вблизи этой оси раполагаются цвета, имеющие малую насыщен-
54
Рис. 2.17. Кривые координат цве-
цветности системы RGB
Рис 2.18. Цветовая
рамма/tGJ?
дааг-
вость. В плоскости цветового треугольника штриховая линия RB —
линия смеси красных и синих — пурпурных цветов. Все остальные
цвета, отличные от чистых спектральных и чистых пурпурных цве-
цветов, лежат внутри построенной кривой RGAB. Таким образом
получена цветовая диаграмма RGB, в которой любой цветности
соответствует единственная точка (иногда эту диаграмму называют
цветовым графиком). С помощью цветовой диаграммы можно
количественно (в виде координат точек) определить любые цвето-
цветовые отличия, воспринимаемые человеческим глазом при воздейст-
воздействии излучения.
Из уравнения B.15) видно, что в процессе установления модулей
цветов для получения заданного цвета смеси яркости получаемых
цветов различны (они определяются яркостями источников основ-
основных цветов и соотношением модулей цветов для данной смеси).
Уравнение B.15) после нормировки для любого монохроматичес-
монохроматического излучения с длиной волны Я можно записать в виде
SA=rAR+*AG+&AB. B.18)
Если мощность результирующего излучения смеси обозначить
Рх и разделить обе части уравнения B.18) на эту величину, то
получим
где г, g, Ъ — координаты цвета смеси (заданного спектрального
излучения), мощность которого одинакова для всех длин волн.
Учитывая, что мощность монохроматического излучения связа-
связана со световым потоком соотношением LA=PAvA, где vA — стан-
стандартная относительная видность излучения в точке Я, можно запи-
записать PA=LA/vA, а величины г, g, Ъ определить как
Эти величины называют удельными координатами цвета. Они пока-
показывают, в каких количествах необходимо смешать основные цвета
55
R, G и В для того, чтобы получить цвета, соответствующие равным
по мощности монохроматическим излучениям. Удельные координа-
координаты имеют важное значение в цветовых расчетах. Для системы RGB
они приведены на рис. 2.19. Существенно, что они относятся к ре-
реальным основным цветам R G00,0 нм), G E46,1 нм), В D35,8 нм).
У них есть положительные и отрицательные ветви, переходы между
которыми соответствуют указанным длинам волн основных цветов.
Наличие отрицательных координат и некоторые другие неудобства
системы RGB при использовании ее в расчетах привели к разработке
международной системы классификации цветов XYZ (система
МКО), полученной преобразованием координат системы RGB.
Рассмотрим идею такого преобразования координат. В качестве
основных цветов выберем X, У, Z, ориентация которых в простран-
пространстве приводит к формированию прямоугольного цветового тре-
треугольника, построенного на единичных цветах X, У, Z (рис. 2.20).
Таким образом, в системе МКО диаграмма цветности имеет прямо-
прямоугольные координаты. Они связаны с координатами цвета X, Y,
Z соотношениями
X Y Z
х=-
X+Y+Z X+Y+Z
X+Y+Z
Видно, что x+y+z= 1. Вектор (цвет) 5S (см. рис. 2.15) в системе
XYZ показан на рис. 2.20. Координаты соответствующей ему цвет-
цветности — х, у. Там же указана линия чистых спектральных цветов
с длинами волн Я=380 ... 760 нм. Прямая 380 ... 760 нм — линия
пурпурных цветов. Все реальные цветности заключены внутри фи-
фигуры, ограниченной линиями спектральных и пурпурных цветов.
Вне этой фигуры лежат нереальные цвета (штриховка), в том числе
и основные цвета этой системы: X (х=1; у=0), У @; 1), Z @; 0).
Выбор координат системы МКО произведен так, что координаты х,
Рис. 2.19. Удельные ко-
координаты системы RGB
Рис. 2.20. Формирование диаграм-
диаграммы цветности системы XYZ
56
у, z любой реальной цветности не имеют отрицательных значе-
значений— это видно из рис. 2.20. График координат цветности для
системы МКО приведен на рис. 2.21.
Цветовое уравнение B.15) в системе XYZ принимает вид
SS(X, Y, Z)=JfX+yY-f ZZ, B.19)
или в координатах цветности х, у, г
Любая цветовая координатная система (RGB, XYZ и др.) полно-
полностью определяется заданием трех координатных осей и масштабов
(модулей единичных цветов), которые в общем случае могут быть
различными. Выбор направления осей и масштабов совершенно
произволен, однако основные цвета должны быть линейно незави-
независимы, т. е. один из них не должен быть результатом смешения двух
Других.
Из-за линейности преобразования координат цветовых систем
цвет, в том числе основные цвета и цветность связаны преобразова-
преобразованиями в форме трех линейных уравнений. Например, для основных
цветов XYZ и RGB
Y=aYRR+aYGG+aYBB,
B.20а)
или в матричной форме
X
У
Z
=
ахк
<*YR
аш
aXG
aYG
aZG
ахв
aYB
aZB
R
G
В
B.206)
где aXR, aXG>... — координаты матрицы преобразования. Для рас-
рассмотренного преобразования основных цветов
ахя=0,4184, aXG= -0,0912, ахз=0,0009,
aYR= -0,1587, aFG=0,2524, aYB= -0,0025, B-21)
aZR= -0,0828, aZG=0,0157, aZB=O,Oi768.
Воспользовавшись уравнениями B.20) с учетом значений коэф-
коэффициентов B.21) матрицы преобразования, нетрудно установить
зависимость между координатами цветов в системах XYZ и RGB:
X
Y
Z
2,769 1,752 1,130
1,000 4,591 0,060
0,000 0,057 5,594
R
G
В
57
Аналогично на базе уравнения B.20) устанавливается связь
удельных координат "х, у, I с г, g, b. Вопросы преобразования
цветовых координат излагаются в литературе по колориметрии [11].
Цветовая диаграмма МКО приведена на рис. 2.22. При постро-
построении системы МКО ее координатные оси и масштабы основных
цветов были выбраны так, чтобы цвет разноэнергетического белого
изображался вектором Е, пересекающим диаграмму цветности
в точке с координатами x*=y,=zE= 1/3.
Следствиями правила B,16) являются важнейшие свойства цве-
цветового треугольника XOY:
цвет смеси двух цветов отображается точкой, лежащей на пря-
прямой, соединяющей точки, соответствующие цветам (например,
аи/*);
цвет смеси трех цветов отображается точкой, лежащей внутри
треугольника, в вершинах которого находятся точки, соответст-
соответствующие смешиваемым цветам (например, а, р, у);
дополнительные цвета — цвета, от смешения которых может
быть образован белый цвет; они лежат на прямой, проходящей
через точку белого цвета (например, а и /?).
Цветность белого на плоскости цветовой диаграммы имеет сле-
следующие координаты: белый, образованный равноэнергетическим
излучением (?), как было отмечено выше, лежит в центре тяжести
треугольника XYZ, и его цветность определяется координатами
х= 1/3, у=1/3; источник типа А (вольфрамовая нить с температурой
2854° К): х- 0,448, у=0,407; источник типа В (естественное освеще-
освещение в облачный день): х=0,348, >>=0,352; источник типа С (естест-
(естественное освещение в солнечный день): х=0,310, ^=0,316.
Рассмотрим, как в системе XYZ выражается яркость. Зная ярко-
стные коэффициенты системы RGB и связь между X, Y, Z и R, G,
В B.20), можно определить яркостные коэффициенты системы XYZ.
600 Х,нп
Рнс. 221. Кривые координат
цветности системы XYZ
Рис. 222. Цветовая диаграмма
МКО
58
Подставив в уравнение B.20) значения коэффициентов матрицы
преобразования и яркостных коэффициентов соответствующих цве-
цветов (LR=\; 1^=43907; La=0,061), получим следующие соотноше-
соотношения яркостных коэффициентов системы: XYZ:LX:LY:LZ=0:1:0,
причем яркость Lr=5,6508=L,+LG-}Lfl. Это естественно, так как
цвета X и Z реально не существуют (без Y). Цвет Y может быть
реален при J=0, Z=0.
Теперь можно дать оценку яркости любого цвета в системе XYZ.
Произвольный цвет может быть записан в виде B.19). Яркость
этого цвета Ls=X-0-\ Y-1+Z-0= Y. В частном случае единичного
цвета его яркость определяется трехцветным коэффициентом у.
Так как Y=my, где т=Х+ Y+Z — цветовой модуль, то Ls=my,
откуда m—Lsly. Выражая и другие количественные компоненты
уравнения B.19) через т, получаем
Следовательно, соотношение B.19) можно переписать в виде
Выразив яркость монохроматического излучения с длиной волны
X через мощность Рх, т. е. Ls=Pxvx, где v. — стандартная от-
относительная водность излучения в точке X, получим
Разделив обе части этого уравнения на Ря, получим соответст-
соответствующее выражение для нормированного по мощности излучения:
Z. B.22)
B.23)
Введем новые обозначения
Тогда выражение B.22) можно записать в виде
SS/PA=S=*X+3?Y+*Z.
Коэффициенты "х, у, i являются удельными координатами системы
XYZ и показывают, в каких соотношениях нужно смешать основ-
основные цвета XYZ, чтобы воспроизвести цвета равных по мощности
монохроматических излучений с заданной длиной волны X.
Зная трехцветные коэффициенты х, у, z и стандартную кривую
относительной видности v(A), по формулам B.23) можно вычислить
удельные координаты х, у, z (ряс. 2.23). Кривые показывают, в ка-
каком соотношении нужно смешать цвета X, Y, Z для получения
единичной мощности излучения той или иной длины волны.
Колориметрические системы. Рассмотренные цветовые простран-
пространства RGB и XYZ являются не единственными колориметрическими
59
500 600 X,HM
Рис. 2.23. Удельные координаты
системами. Цветовая диаграмма хОу
может быть преобразована в диа-
диаграмму Я, р, где Я — цветовой тон,
р — чистота цвета. Координаты точ-
точки на плоскости цветовой диаграммы
могут быть выражены в полярной си-
системе координат с центром в точке
белого.
Цветовой тон для любой цветно-
цветности, например 8 (см. рис. 2.22), опре-
определяется длиной волны, соответству-
соответствующей пересечению прямой, проведен-
проведенной через начало координат полярной
системы (точка Е) и точку, определя-
"'"" ющую данную цветность (точка 8),
с линией чистых спектральных цветов (в рассматриваемом примере
цветовой тон Я=500 нм).
Чистота цвета P=FJ(FX+FE) определяет степень «разбавле-
«разбавления» монохроматического излучения Fx белым FE. Нетрудно видеть,
что для монохроматических цветов р= 1 A00%), а для белого р=0.
Для цветности 8 имеем j?=0,8. На цветовую диаграмму часто на-
наносят сетку равных значений р.
Мерой различия цветностей, отображаемых двумя точками на
плоскости цветовой диаграммы, может служить расстояние между
ними. Психофизиологические эксперименты показывают, что оди-
одинаковым ощущениям цветовых отличий в разных участках цвето-
цветовых диаграмм систем XYZ или RGB соответствуют неодинаковые
расстояния между точками, отображающими сравниваемые цвет-
цветности. Однако путем преобразования координат можно построить
цветовую диаграмму, на которой одинаковым расстояниям между
точками двух цветностей соответствуют одинаковые цветовые раз-
различия, оцениваемые по зрительному восприятию. Такая цветовая
диаграмма называется равноконтрастной.
Для построения равноконтрастной цветовой диаграммы необ-
необходимо определить пороги цветоразличения, т. е. те минимальные
цветовые отличия, которые лежат на грани цветоразличения в вы-
выбранных условиях наблюдения. Вокруг любой точки цветовой диа-
диаграммы на основе экспериментов можно построить окрестность,
в пределах которой испытуемый не воспринимает изменения цвета.
Используя статистическую обработку результатов измерений, мож-
можно построить эллипсы, представляющие в статистическом смысле
геометрическое место точек одинаково воспринимаемых цветно-
цветностей. Полуоси эллипсов равны среднеквадратическим ошибкам
установки цветовых равенств по оценке испытуемых. Эти значения
и принимают за пороги цветоразличения. На рис. 2.24, а указаны
пороги цветоразличения для выборочных точек цветовой диаграм-
диаграммы (для наглядности они увеличены в 10 раз). Видно, что пороги
60
цветоразличения на разных участках цветовой диаграммы различ-
различны. Нетрудно представить, что по порогам цветоразличения можно
определить число цветностей, различимых глазом.
Очевидно, что цветовая диаграмма была бы равноконтрастной,
если бы пороги цветоразличения имели вид окружностей оди-
одинакового радиуса по всей плоскости. Получить такую диаграмму
можно путем построения цветового пространства UVW, связь коор-
координат цвета которого (U, V, W) с координатами X, Y, Z системы
BYZ определяется матрицей перехода
и
V
W
=
2/3 0 0
1 0 0
— 1/2 3/2 1/2
X
Y
Z
Координаты цветности и, v этой системы связаны с координата-
координатами х, у соотношениями
u=4xl(\2y-2x+3),
v=6ylA2y-2x+3).
Диаграмма цветности uOv приведена на рис. 2.24, б. Одинако-
Одинаковым расстояниям здесь соответствуют примерно одинаковые на-
наблюдаемые цветовые отличия. Таким образом, мерой цветового
отличия на диаграмме uOv будет
где Дм, Av — проекции расстояний между точками а, /?, отобража-
отображающими рассматриваемые цвета на соответствующие оси координат
(рис. 2.24, б).
Равноконтрастность системы UVW относится к плоскости
V
0,3
0,2
0,1
540
rf/1/l
\ш
\
\
48о\
. \
470
560
¦».—
450
580
f—.
а
р
W/
600
——*—.
осЛ
AW
№у
ли /
/
i
620
- f m
/
1
780т
7
О 0,2 0,4 0,6 х 0 0,1 0,2 0,5 0,4 0,5 0,6 и
0) 5)
Рис. 224. Пороги цветоразличения в системе XYZ (а) я равнокоитрастная цветовая
диаграмма (б)
61
диаграммы цветности и0«,т. е. к случаям оценки характеристик
участков с примерно одинаковыми яркостями. Вместе с тем в цвет-
цветном телевизионном изображении яркости отдельных участков, как
правило, существенно отличаются. В этом случае с успехом могут
использоваться системы, обладающие равноконтрастностью цвето-
цветового пространства. Например, цветовое пространство МКО 1964 г.
— пространство с прямоугольными координатами
где W* — равноконтрастная ось светлоты, обычно выражаемая
в относительных единицах; Y— координата системы XYZ
A < Г^ЮО); и, v — координаты, определяемые выражением B.24);
и0, v0 — значения координат для ахроматического цвета (начало
координат системы U* V*), в качестве такого цвета обычно берут
цвет источника освещения.
Видоизменениями системы являются равноконтрастные про-
пространства МКО 1976 г. (L*u*v*) и (L*a*b*). Последнее имеет
прямоугольные координаты
а*=500даг/3-(Г/ГйI/3,
где Л",, У„, Zn — координаты белого (источника освещения) при
У„=100, диапазон ВД,>0,01, Г/Г„>0,01, Z/Z,>0,01.
Равноконтрастной осью светлоты в этой системе является L*.
Различие между двумя цветами а, /? в цветовом пространстве оце-
оценивается расстоянием
где №,*, Аа*, &Ь* — проекции расстояний между точками а, /? на
соответствующие координатные оси.
При анализе изображений иногда используют диаграммы цвет-
цветности и цветовые пространства, согласованные со свойствами ис-
исследуемых объектов в смысле адекватности описания или распоз-
распознавания объектов в поле изображения [4].
Связь между спектральными характеристиками ¦ цветом. Введя
понятия яркостных коэффициентов и удельных координат, можно
установить связь между спектральными характеристиками и цве-
цветом, т. е. определить цвет излучения по известному спектральному
составу.
Любое излучение, имеющее заданное спектральное распределе-
распределение мощности Р(Х), можно рассматривать как смесь большого
числа монохроматических излучений. Возьмем спектральную со-
62
ставляющую Рх в интервале АД. Цвет этой составляющей определя-
определяется уравнением SSx=PxAX(xX+yY+zZ). Цвет смеси п спектраль-
спектральных составляющих, т. е. цвет всего излучения, получим суммирова-
суммированием цвета составляющих:
«X
j,ДЛ+Z I)
где
hM, Г-
*ДЯ
— координаты цвета сложного излучения. Если излучение имеет
сплошной спектр, то суммирование следует заменить интегрирова-
интегрированием:
i, *i ^i
Х= J x(X)P(X)dA, F= f y(X)P(X)dX, Z= J i(A)P(A)d>l, B.25)
К Д1 д|
где XV...L — диапазон видимого спектра.
Таким образом, зная спектральное распределение мощности
излучения и удельные координаты, можно определить величины X,
Y,Ze координаты цветности х=Х/(Х+ Y+Z), y= Yj(X+ Y+Z).
Если известна спектральная характеристика излучения Р(Я), на-
например люминофора кинескопа, то цветовые координаты определя-
определяются в соответствии с B.25) и, далее, координаты цветности х, у.
Если определяется цветность отражающей поверхности, то для
описания отраженного светового потока (цветность которого опре-
определяется) используются спектральный коэффициент отражения р(Х)
и спектральный состав освещающего излучения Р(Х):
Да
ЛГ= J х(Х)р(Х)Р(ХЩ,
д,
Z=lz(X)p(X)P(X)dX.
При определении цвета просвечиваемого объекта (транспарант)
р(Х) приобретает смысл спектрального коэффициента пропускания
рассматриваемого участка.
Рассмотренные оценки и расчеты цвета и цветности относятся
к «стандартному наблюдателю». Они получены на базе эксперимен-
экспериментов с участков изображения углового размера B...4H и более. При
63
наблюдении объектов меньшего размера восприятия цвета и цвет-
цветности существенно отличаются от рассмотренного.
Вослрштяе цветвостж мелких деталей. Экспериментально устано-
установлено, что при уменьшении размеров полей сравнения (например,
в экспериментах на установке рис. 2.14) погрешности установки
цветового равенства увеличиваются (рис. 2.25, а) [11,12]. Это свиде-
свидетельствует об увеличении размеров эллипсов, описывающих пороги
цветовосприятия, при переходе к оценке цветности мелких деталей
(различение цветов ухудшается). При рассматривании деталей, ви-
видимых под углом менее 10...20', характер восприятия цвета стано-
становится дихроматичным (двухцветным). Цветность таких деталей вос-
воспринимается в голубоватых, оранжевых тонах или как смесь этих
оттенков. Восприятие более мелких деталей (углы наблюдения ме-
менее 100 осуществляется как ахроматичное. Количественно это ил-
иллюстрирует рис. 2.25, б [11]. Указаны цветности используемых
в эксперименте деталей изображения, а стрелками — изменения
(цветности, воспринимаемые наблюдателем) при уменьшении уг-
угловых размеров деталей до 10...20'. При дальнейшем уменьшении
угловых размеров деталей они воспринимаются как черно-белые
(смещение происходит в точку W).
«Оранжево-голубая» ось, к которой смещаются цветности, вос-
воспринимаемые наблюдателем, получила название оси /, а направле-
направление, по которому смещаются цветности при рассматривании мелких
деталей, — направления Q.
Таким образом, процесс изменения цветности наблюдаемых де-
деталей при уменьшении их угловых размеров характеризуется пере-
переходом от трехцветного восприятия к двухцветному (смещение по
оси 0 и, далее, к черно-белому (смещение по оси У).
Рассмотренные особенности зрения эффективно используются
при построении систем цветного телевидения.
Рис. 2.25.
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ
§ 3.1. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Осуществить передачу изображений можно различными спосо-
способами. Один из способов передачи изображений на относительно
небольшие расстояния — при помощи пучка световодов. Такой пу-
пучок (рис. 3.1, а) представляет собой регулярный жгут прозрачных
для света волокон световодов, каждый из которых имеет светоизо-
лирующую оболочку. В пучке с круглым сечением диаметром в еди-
единицы миллиметров содержатся десятки тысяч отдельных световеду-
щих жил диаметром в единицы микрометров. Если на входной
торец пучка световодов, как показано на рис. 3.1, в, спроецировать
оптическое изображение сцены, то с помощью оптических волокон
Рнс. 3.1. Одновременная оптическая (а) и последовательная телеви-
телевизионная (б) передача нзображеняй; диск Нишсова (в):
/ —полевая диафрагма, 2—жовденсор, 3 — фотодетектор, 4 — электродви-
электродвигатель, 5 — два Нишом
3 Р. Е. Быков
65
реализуется разбиение изображения на элементы — участки поля
изображения, в пределах которых осуществляется суммирование
соответствующих световых потоков. По каждому из волокон свето-
световой поток будет передан к выходному торцу, и в силу регулярности
структуры входного и выходного торцов на последнем будет вос-
воспроизведено переданное по пучху световодов изображение.
В рассматриваемом способе разбиение на элементы (анализ)
входного изображения осуществляется благодаря мозаичной струк-
структуре входного торца, а передача изображения происходит одновре-
одновременно по всем световодам (каналам связи). Воспроизведение выход-
выходного изображения (синтез) реализуется одновременно по всем эле-
элементам выходного торца.
Место оптических световодов могут занять электрические кана-
каналы связи: для этого на входе и выходе должны быть осуществлены
преобразования свет — сигнал и сигнал — свет соответственно на
каждом элементе изображения. И в первом, и во втором случаях
реализуется одновременная передача информации об освещенности
каждого элемента изображения. В телевидении такие системы ис-
используются редко, как правило, лишь в отдельных звеньях телеви-
телевизионного тракта. Передачу информации об изображении осуществ-
осуществляют по одному каналу связи. Для этого используют способы
последовательного преобразования и передачи сигналов.
Пояснить способ последовательного преобразования изображе-
изображения в электрический сигнал можно на примере оптико-механичес-
оптико-механического устройства (рис. 3.1, б). Основой его является предложенный
в Германии в 1894 г. П. Ншжовым способ разложения изображения
с помощью непрозрачного диска с отверстиями, расположенными
по спирали, — диска Нипкова (рис. 3.1, в). Расстояния по дуге между
отверстиями составляют равную угловую величину, а смещения по
радиусу от периферии к центру равны диаметрам отверстий. Оп-
Оптическое изображение формируется в плоскости диска Нипкова,
вращающегося с помощью электродвигателя. В плоскости изоб-
изображения, ограниченного полевой диафрагмой, в любой момент
времени находится лишь одно отверстие — элемент разложения.
Световой поток, соответствующий элементу изображения, с помо-
помощью конденсора направляется на фотодетектор (фотоэлектронный
умножитель, фотодиод, фоторезистор и т. п.). На выходе фотодете-
фотодетектора формируется сигнал изображения, пропорциональный значе-
значению освещенности соответствующего элемента изображения. Та-
Таким образом осуществляется последовательное преобразование
распределения освещенности в сигнал изображения.
После передачи сигнала изображения по каналу связи можно
с помощью аналогичного диска Нипкова и преобразователя элект-
электрического сигнала в оптический синтезировать изображение. Необ-
Необходимым условием является синхронность и синфазность вращения
дисков на передающей и приемной сторонах.
Перемещение разлагающего элемента в процессе анализа и син-
66
s(t)
Рис. 3.2. Матрица фотодиодов (а) в функция коммутации (б)
теза изображения по определенному лериодическому закону назы-
называют разверткой. Развертка может осуществляться с помощью
электронных пучков или способами электрической коммутации све-
светочувствительных элементов. На рис. 3.2, а показан преобразова-
преобразователь изображения на матрице фотодиодов пхх.пу, формирующих
с помощью электронного коммутатора последовательность выход-
выходных сигналов изображения s(t). Функция коммутации имеет линей-
линейно- ступенчатый характер (рис. 3.2, б) — линейная развертка изоб-
изображения. Аналогичный вид имеет и функция коммутации ny(t).
Последовательность коммутации элементов изображения, или to
траектория разложения, может быть различной. Распространен- »v
ным в телевидении разложением является построчное с" Ш
НЫМИ СКОРОСТЯМИ движения рячпагаюптего элемента
@Л
р щ р^р
тали у, и вертикали у.х=уЛ@</<ГЛ .k=V@</<7;), где
Тх и Ту — время перемещения элемента разложения от начала
fa=0, у-Щ до конца строки (*=/) и кадра (y=h) соответственно
(рис. 3.3, а). При этом обеспечивается построение телевизионного
jtacmpa, представляющего совокупность прямых и обратите xQflfljg
разлагающего элемента. Такой растр показан на рис. 3.3, б. Если
Рис. 3.3. Построение построчного растра
соотношение скоростей vx и v, выбрать таким, чтобы за время
Тх смещение разлагающего элемента по оси у составило высоту
разлагающего элемента 3, то за время Ту будет передано все изоб-
изображение без пропусков и перекрытий. Любая точка изображения
будет передана однократно за время кадра Тг. Время передачи
каждого элемента изображения будет одинаковым х=ТУ1(пхп,).
В телевизионных и прочих сканирующих системах используют
и другие траектории разложения — чересстрочные, синусоидаль-
синусоидальные, спиральные, зигзагообразные и др. Выбор траектории опреде-
определяется целевым назначением сканирующей системы.
Естественно, что при синтезе изображения должна использо-
использоваться траектория разложения, подобная последней на передающей
стороне. Вместе с тем в современных ТВС часто используют про-
пространственно-временные преобразования видеосигнала, которые
позволяют успешно согласовывать различные траектории разложе-
разложения в процессе анализа и синтеза изображений.
§ 3. 2. ЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ
Рассмотрим статическое черно-белое изображение с распределе-
распределением освещенности Е(х, у). Воспользуемся подходом к определе-
определению частотного спектра сигнала изображения, изложенным в рабо-
работах П. Мертца, Ф. Грея, Я. А. Рыфтина и др. [2,13].
Будем считать, что изображение сканируется растром с раз-
разлагающим элементом, периодически перемещающимся вдоль строк
(направление х) и по высоте изображения (направление у). Поло-
Положим также, что размер сканирующего элемента бесконечно мал.
В направлении х вдоль произвольной i-й строки распределение
освещенности в изображении можно выразить с помощью ряда
Фурье:
m-0
C.1)
где Em(yi), mjl, q>m — амплитуда, относительная частота и фаза w-ro
компонента (гармоники).
В направлении у
Д»О0= Е Дм«»[2*(и/%+*А C.2)
я-0
где EMJt, njh, % — амплитуда, относительная частота и фаза «-го
компонента.
С учетом C.1) и C.2) имеем
со со
E{x>y)=Y* I ^cos[2re(n/%+<joJcos[2K(m/OJf+<P«]. C.3)
м-0 я-0
Учитывая, что
cos [2я (я
cos [2я (
+cos [1% [(т}1)х + (л/%]+р«.-*1},
где 9>^=<р*+фя, <рт.-я=<рм-(ря, выражение C.3) приобретает вид
*&*)=! Z ^соз{2я[(т//)х+(л/%]+^}. C.4)
Для линейного преобразователя изображения сигнал на его вы-
выходе пропорционален освещенности соответствующего элемента
изображения, а текущее значение его координат x=vxt, y=vyt. Сле-
Следовательно, соотношение C.4) может быть использовано для опре-
определения текущего значения сигнала изображения:
? Е
ж-0 я--оо
C.5)
где к — коэффициент, определяемый чувствительностью преобра-
преобразователя.
Видно, что частоты компонентов спектра сигнала изображения
f-mfx+nf^ me fx=VjJl, fy-yf\h — частоты горизонтальной и вер-
вертикальной разверток. Компоненты спектра сигнала дискретны
и кратны частотам горизонтальной и вертикальной разверток
(рис.3.4).
Л=0 1 2 3...-1 Of 2 -2-10 12 -2-1 0 1 2 -2-1 0 ffOmed.
Ш=0 1 2 3 *
Рнс. 3.4. Спеггр телевизионного сигнала
69
Так как значения т изменяются от 0 до со, а значения п — от — со
до оо, то боковые спектры компонентов строчной частоты перекры-
перекрываются, что приводит к специфическим искажениям изображения.
На рис. 3.5 в качестве примера приведены два изображения:
первое (а) соответствует изменению освещенности в горизонталь-
горизонтальном направлении с синусоидальным профилем и частотой 2fx, вто-
второе (8) — такому же изменению освещенности с частотой 2ft по
вертикали. Там же показаны спектры сигналов, формируемых иде-
идеализированным преобразователем при передаче этих изображений.
В реальных условиях в силу сложности содержания изображений
спектр также носит сложный характер, однако дискретность его
структуры при передаче статических изображений не нарушается.
При передаче динамических сцен со скоростями объектов v в поле
изображения, соизмеримыми со скоростью вертикальной развертки
уя возникают компоненты сигнала с относительным отклонением
частот bflf,= vl(y,—v).
Особенностью спектра телевизионного сигнала, определяемого
соотношением C.5), является суммирование перекрывающихся ком-
компонентов в интервале между соседними гармониками строчной час-
частоты f=mfx+nf>=fs(m+nlZ), где Z— число строк разложения. В
тех случаях, когда значения сигнала на этих частотах оказываются
существенными, при воспроизведении изображения возникают лож-
ложные узоры (муары), ухудшающие качество телевизионного изобра-
изображения.
Выше рассматривался идеализированный преобразователь изоб-
изображения, имеющий пренебрежимо малую апертуру. В реальных
системах частотный спектр сигнала ограничен усреднением яркости
в пределах разлагающего элемента, что снижает перекрытие спек-
0 fx 2fx If, ... f 0 fy 2$ 3fy ... f
a) 6)
Рис. З.5. Примеры изображений и соответствующих им
спектров сигналов
70
тров компонентов сигнала и, следовательно, уменьшает интенсив-
интенсивность ложных узоров. Вместе с этим апертура разлагающего
устройства определяет и ограничивает разрешающую способность
ТВС.
§ а. а. построение телевизионного растра ft ^
Наряду с построчным растром, рассмотренным выше, оказыва-
оказывается эффективным использование чересстрочных растров. При этом
передача всего поля изображения производится не за пдиу, a ia
несколько циклов вертикальной развертки, например за два. На рис.
3.6, а показано построение такого растра. Для его реализации при
прочих равных YCJTf>R**g* вертикальную скорость отклонения vr уве^.
личивают в д»а ра^я r^rrt\ приводит к тому, что за время передачи
строки Тх разлагающий элемент смещается не на 8 (высоту элемен-
элемента разложения), а на 2S, т. е. между двумя переданными строками
остается промежуток ПОЛЯ изображения, уотпрмй не передаётся.
р
гпщ апемецт вычерчивает нечетныеЛ. 3, 5, ...) лсроки-
растра (сплошные линии). Четные B. 4.6....) строки передаются за,
дтпрой, цикп ря-^дугги, как показано пунктиром на рис. 3.6, а (растр
из 9 строк).
Таким образом, полное изображение будет передано за две
развертки; первая формирует совокупность нечетных строк (первое
поле), вторая — четных (второе поле). Изменение координат х,
у разлагающего элемента показано на графиках рис. 3.6, б. Видно,
что за время вертикальной развертки (Г,) будет передано Z строк,
причем Z= Туг» или Z=fjfr, rmfx,f, — частоты строчной и вер-
вертикальной разверток. Соотношение /, и/; определяет, будет ли
Z целым или дробным числом. Обозначим Z=Z±a, где Z=l, n,
0<а<1. Покажем, что если а=0; 1, то разложение изображения
будет построчным, если 0<а< 1 — чересстрочным.
За одну развертку будет передано Z+a строк, за две — 2(Z+a),
за три — 3(Z+a), за п разверток — л (Z+a).
-*¦
х
<—
1 &—*
*
t
в) 6)
Рис. З.б. Построение чересстрочного растра
71
Передача изображения будет завершена, когда разлагающий
элемент вернётся в начало координат растра, Т. е. когда
«^Z+^-Zq оудеТцёлым числом. Если а=0,5, как на рис. 3.6, то
Z=n(Z+0,5). Минимальным целым Zo будет при я=2, тогда
Z0=2Z+1, здесь Z — число целых строк разложения в поле, Zo —
полное число целых строк в кадре. Таким образом, ддя реализации
чересстрочного разложения_на_два поля полное число строкв кадре
» более
(^)^oля^бьIIЬJffiчe ^^]^
чересстрочного разложения. На практике исполы^ют ра
высоких кратн<*ггёиП»^^ 2,
кХ З
и боль-
тше тлострокХ Заметим, что если а выражается иррашональным
числом, то кратн'с<^1чер^ст^>таого разложения становится бес-
бесконечной (строки в каждом поле завшшют новые положения);
теоретически при этом Zo-*со, а частота кадеовТ^О^
При формировании выбранного растра должно строго поддер-
поддерживаться соотношение/Д,.
При рассмотрении построения растра предполагалось, что раз-
разлагающий элемент изменяет свои координаты от значений х=! до
х=0иот}>=Адр)>=0 скачкообразно, т. е. за пренебрежимо малое
время. Не во всех системах это можно реализовать, например в ТВС
с разложением электронным пучком (электронно-лучевые преоб-
преобразователи изображения, устройства воспроизведения изображения
и др.) требуется вполне определенное время для перемещения раз-
разлагающего элемента в начало строки и кадра. Таким образом,
периоды передачи строки (Г,), поля (Гу), кадра (Г^ делятся на две
части; .активные, в течение уоторьг» тп^дяятг» инфг>рмящд штги
удредственно об из^рртютчч (сигт^" изображения), и пассивные
АГХ, АГ„св течение которых осуществляются обратные xftnrtrF pa>t-
Рйс. 3.7. Построение реального построчного
72
лагающего элемента и, как
увидим ниже, передается до-
дополнительная информация,
обеспечивающая функцио-
функционирование различных элеме-
элементов ТВС.
На рис. 3.7 показано по-
построение реального построч-
построчного растра. Пунктиром
указана траектория движе-
движения разлагающего элемента
во время обратного хода по
вертикали. Высота растра
ha за счет потерь на обрат-
обратные ходы уменьшается на
АА=А - йв, а ширина / умень-
уменьшается на А/= /- 4. Это при-
водит к уменьшению числа
строк изображения в реальном (активном) растре, число которых
Ze=Z-AZ=Z(l-AZ/Z). При линейной развертке tsZ\Z-bh\h-
=ATy/Ty=ty (относительные потери на обратный ход развертки).
Следовательно, Ze=Z(l-ty). Ширина реального растра /«=/A—tx),
где tx=ATJTx — относительные потери на обратный ход строчной
развертки. Реальный формат телевизионного изображения
K=l^ha=k{i-tx)l{\-Q. Нетрудно определить и число элементов
разложения, которые непосредственно участвуют в формировании
изображения: n^kgZ^kZ^il-Q (l-ty).
Число активных строк Za, элементов изображения пй и формат
растра ка, следовательно, зависят от величин ts и tr Например, при
Z=625, fc.=4/3, fs=0,18, ^=0,08 имеем Ze=575, и,=440833.
В системах вещательного телевидения нашли применение рас-
растры с форматами ?«=4/3,16/9,5/3 и др. В прикладных ТВС исполь-
используют самые различные растры: с форматами ка= 1/1 и др.
§ 3. 4. ПЕРЕХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛАГАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Элемент разложения в ТВС всегда имеет конечные размеры.
Стремление уменьшить его приводит к падению чувствительности
преобразователя изображения пропорционально уменьшению его
площади. При использовании механической развертки (см. рис. 3.1,
6) элемент разложения формируется отверстием в диске Нипкова.
Если это отверстие квадратное со сторонами §х5, то функция
прозрачности р(х', у') диска в районе элемента разложения (в
координатах х, у', связанных с его центром) определяется как
1, C.6)
где через \Рг\ обозначено отображение, которое ставит в соответст-
соответствие истинным предикатам Рг функцию р (х',у')= 1, а ложным — фу-
функцию р(х\ у')=0. Вид ее приведен на рис. 3.8, а.
Аналогично, для круглого отверстия радиусом г
р(х', Я=ГИ2+(у02<г21=1. C-7)
Вид этой функции указан на рис. 3.8, б.
В системах с разложением изображения электронным пучком
функция р{х', у1) переменна по всей площади элемента разложения.
Это связано с закономерностью распределения плотности тока
в сфокусированном электронном пучке, которая приближается к но-
нормальному распределению:
р(х', ^')=
C.8)
где а — параметр распределения — расстояние от оси симметрии
функции р (V, у1) до точки перегиба.
73
A
-t/2 о t/г
г)
Рис. 3.8. функции прозрачности разлагающих элементов
(а, б, в) и соответствующие им переходные характеристики
(г. д, е)
Если р (х\ у') нормировать по отношению к прозрачности в цен-
центре элемента разложения (х'=0, /=0), то выражение C.8) приоб-
приобретает вид
"р(х', j'/)-exP{~KJlf'J+0'')T/Bff2)}- C-9)
Распределение ~р(х', у1) теоретически не имеет границ, в связи
с этим оказывается удобным ввести понятие об условном радиусе
ге элемента разложения, при котором "р^—е~1.
При этом C.9) принимает вид
Р (х'> У1=ехр {- [(х '/О2+(уУ*J]}- C.10)
На рис. 3.8, в показана функция прозрачности для рассмотрен-
рассмотренного случая. При исследовании и проектировании ТВС используют
и другие функции для описания прозрачности элемента разложения:
косинус-квадратную, колокольную и др. Форма и прозрачность
элемента разложения в преобразователях изображения с накоплени-
накоплением сигнала (плюмбикон, матрица твердотельных элементов и др.)
74
часто имеют не только слож-
сложные, но и изменяющиеся во
времени параметры.
Для определения переход-
переходных характеристик разлагаю-
разлагающих устройств (рис. 3.8, г, д, е)
рассмотрим механизмы фор-
формирования сигнала изображе-
изображения на выходе преобразовате-
преобразователя с реальными апертурами
элемента разложения. Пусть
распределение освещенности в
плоскости преобразователя за-
задано функцией Е(х', у'), а фун-
функция прозрачности элемента
*(*')
Рис. 3.9. К определению переходной ха-
характеристики сканирующего устройства
разложения р(х, у). Координаты х', у' жестко связаны с центром
элемента разложения.
Фототок d/, на выходе преобразователя (фотоэлектронный ум-
умножитель, фотоэлемент и др.), соответствующий участку US с ко-
координатами х+х', у'+у' в поле изображения (рис. 3.9), связан
со световым потоком dF и освещенностью E(x+x't у+у') со-
соотношением
d/,=sdF=sp (x\ y')E(x+x', y+y^dS. C.I1)
Сигнал изображения на выходе преобразователя в силу интег-
интегрирующих свойств фотокатода в текущий момент времени, т. е.
когда на освещенную часть поля изображения вышел участок эле-
элемента разложения площадью Д?,
/,=sf \ р(х', yWx+x', y+y^dx'.dy'.
Д S
Если освещенность в пределах передаваемого элемента изоб-
изображения постоянна, т. е. весь элемент находится на освещенной
части поля изображения, то ток сигнала
прозрачность элемента разложения;
где Р—\\р{х',
s
S — его площадь.
Рассмотреть влияние параметров элемента разложения на каче-
качество формируемого сигнала можно на примере передачи идеально
резкой границы, разделяющей неосвещенный участок изображения
(черное) и освещенный (белое). Проследим динамику формирования
сигнала изображения при пересечении такой границы элементом
разложения с прозрачностью р(х', у1) (рис. 3.9.). Сигнал в момент
75
времени, когда элемент разложения находится в /-й строке растра
и имеет координату х (в рассматриваемом случае за начало коор-
координат принято положение черно-белой границы),
J
J R(x')dx',
C.12)
где &S(x) — площадь элемента разложения, занимающая освещен-
освещенное поле изображения в тот момент времени, когда его координата
V
равна х; R(x')= J p(x', y^dy' — интегральная прозрачность эле-
элемента разложения *в сечении х' (рис. 3.9).
Произведем преобразования выражения C.12):
г
где Р= J R(x')dx' — прозрачность элемента разложения.
Зависимость h(x)=it(x)lismu называют переходной характери-
характеристикой разлагающего устройства. Здесь w=e?P — установивше-
установившееся значение сигнала изображения (элемент разложения полностью
на освещенной части поля изображения).
Воспользовавшись C.13), имеем
C.14)
Полученное выражение отображает переходную характеристику
устройства и во временной области, так как x=vxt. Рассмотрим
пример. Если элемент разложения имеет квадратную форму C.6)
(см. рис. 3.8, а), то /?(*')= J p(x', y^Ay'-S, так как в указанных
пределах интегрирования р(х', у^-Х, Р= f Л(*0<Ьс'=Л2. Пере-
Переходная характеристика C.14) имеет вид
C.15)
76
~ifl
Эта характеристика приведена на рис. 3.8, г. Воспользовавшись
соотношением C.14), можем получить переходные характеристики
для других разлагающих устройств: с элементами разложения круг-
круглой формы с радиусом г C.7) (см. рис. 3.8, б) и с нормальным
законом распределения прозрачности (ЗЛО) (см. рис. 3.8, в). Они
определяются следующими зависимостями [13]:
Гх .
I - V1 -xzlr2+arcsin (x/r)
где Ф(х/г,)=B/уя) J exp[—(x'JrtJd(x'lre)] — интеграл вероятно-
вероятности в координатах
Эти переходные характеристики приведены на рис. 3.8, д, е.
Переходные характеристики дают полное представление о дина-
динамике формирования сигнала изображения в области малых времен,
соизмеримых с временем передачи элемента изображения.
Вместе с тем в процессе анализа и синтеза ТВС широко исполь-
используется гармонический метод — метод частотных и фазовых харак-
характеристик. Эти методы в значительной степени дополняют друг
друга, позволяя полнее описать свойства не только разлагающих
устройств, но и других элементов ТВС (оптики, тракта передачи
сигналов изображения и др.). Рассмотрим частотные характеристи-
характеристики разлагающего устройства.
§ 3. 5. АПЕРТУРНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
РАЗЛАГАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
Структура спектра сигнала изображения при разложении эле-
элементом с д-»0 определяется соотношением C.5). Рассмотрим меха-
механизмы образования сигнала изображения с помощью разлагающего
элемента конечной апертуры р(х', у').
При использовании растров с непрерывным разложением по оси
х и дискретным по у (растры со строчной структурой см. §3.3)
условия формирования сигналов изображения, соответствующих
направлениям хну, существенно различны.
Рассмотрим механизмы формирования сигнала изображения
при движении разлагающего элемента вдоль строки — продольное
разложение. Пусть изображение описывается выражением C.1), ко-
которое в направлении горизонтальной развертки представим в виде
(ЗЛ6)
77
Л1-1
где Ей — средняя освещенность; M(m)=EJEQ — нормированное
значение т-го компонента сигнала, определяющее глубину модуля-
модуляции соответствующей составляющей.
Как было показано в C.11), компонент фототока с участка dS
(см. рис. 3.9) составляет di't=Ep(x', yr)E(x-\-x\ y+y^dS. Если до-
допустить, что в вертикальном направлении освещенность в пределах
разлагающего элемента постоянна, то с участка изображения
в форме полоски шириной dx' возникает сигнал
«у
d4seA(xO?(x+xQ<br'f где R(x>)- J Р (*'» /W ~" интегральная
прозрачность разлагающего элемента в сечении х' (рис. 3.9). Сигнал
на выходе преобразователя
it(x)=e
с учетом C.16)
—т м-1
-г м-1
я-1
Учитывая, что в радиально-симметричном пятне R(-x)~R(x)
функция четная, последнее слагаемое равно нулю; следовательно,
jh"»1
— г
/л{1 + ? M(m)v(m)cos[2n(m!l)x+(pd. C.17)
м-1
В этом соотношении множитель v(m), устанавливающий глуби-
глубину модуляции т-го компонента сигнала изображения, определяет
апертурно частотную характеристику разлагающего устройства:
Компоненты пространственной частоты mfl удобно нормировать
относительно размера элемента изображения. Учитывая, что
l=8kZ, где к — формат растра, Z — число элементов на высоту
изображения (число строк), 5 — условный размер элемента, имеем
w//=m/(^Z)=^~1, где i—mj(kZ)— пространственная частота;
следовательно,
78
C.18)
При преобразовании изображения квадратным разлагающим
элементом 5x5 [Р=52, R(xl)=S\ (см. рис. 3.8, а) апертурно-часто-
тная характеристика, как следует из C.18), имеет вид
v(O=sin^/K). C.19)
Для круглого разлагающего элемента с радиусом г=5/2 (см. рис.
3.8, б) [13]
v(?)=2A (*?)/(*?), A20)
где Jx — функция Бесселя первого порядка.
Апертурно-частотная характеристика разлагающего устройства
с круглым отверстием и нормальным законом распределения про-
прозрачности с ге=5/2 (см. рис. 3.8, в)
v(?)=exof—(я/2?}^1 C.21)
На рис. 3.10 приведены характеристики, построенные в соответ-
соответствии с C.19) — C.21): для круглого отверстия (кривая /), квадрат-
квадратного B) и круглого с нормальным законом прозрачности C). Видно,
что в низкочастотной области (?<0,5) кривые бл&зки по форме
и путем подбора соотношений г, ге и 5 характеристики могут быть
сведены к единой. Кривые / и 3 практически совпадают в этом
диапазоне с кривой 2 при Ъ-1,65 и 2г,=0,86<5 (рис. 3.10). Как видно,
разлагающее устройство обладает свойствами фильтра нижних ча-
частот. Характеристики этого фильтра определяются параметрами
разлагающего элемента: условным диаметром и характером рас-
распределения р (х\ у1).
В процессе приведенного выше анализа не учитывалось влияние
входных цепей канала связи. В реальных устройствах с этим влия-
влиянием, безусловно, приходится считаться. Частотные искажения, воз-
возникающие в процессе формирования сигнала изображения и вы-
вызванные влиянием входных цепей усилительного устройства, будут
учтены и рассмотрены ниже.
Разложение изображения в направлении у (поперечное разложе-
разложение) отличается от разложения в направлении х дискретностью
зависимости координаты у при фиксированном значении х, т. е.
y—j8, rfle/=l,Z — текущее значение номера строки растра; 5=A/Z.
Как и при рассмотрении продольного разложения, считаем, что
изображение описывается выражением C.1), т. е. в направлении у
я-1
79
где Ео — средняя освещенность; M(n)=EJE0— нормированное
значение w-го компонента сигнала, определяющее глубину модуля-
модуляции соответствующей составляющей; (рп — ее фаза.
Фототек на выходе преобразователя, соответствующий участку
<Ю(рис. 3.11), di'^epix'.yWix+x'j'S+y^dS. Если в горизонталь-
горизонтальном направлении освещенность в пределах разлагающего элемента
постоянна, то с участка изображения в форме полоски шириной йу'
возникает фототок di^
', где Riy1)- \ p{x', /)d*'
-ГУ
— интегральная прозрачность разлагающего элемента в сечении у
(рис. 3.11). Сигнал на выходе преобразователя
Если воспользоваться выражением C.2) и E{jS) представить
аналогично Е(х), т. е. использовать структуры выражения C.16), то
получим
-г я-1
Применив преобразования, аналогичные случаю горизонталь-
горизонтального разложения, получим
00
h (jo)—in {1 +1^ M (л) v (л) cos [2я (л/Л)/д+фя]}. C.22)
я-1
г
В этих выражениях ?= JR(y')dy' — интегральная прозрачность
разлагающего элемента; i^=sE0P — средняя составляющая сигна-
Рис. ЗЛО. Апертурно-частотные харагте-
ристихн разлагающего устройства
80
Рас. 3.11. К определению характе-
характеристик поперечного разложения
ла изображения; v(n) — апертурно-частотная характеристика пре-
преобразователя изображения для поперечного разложения:
v(n)=l/P ]R(y')cos[2n(nlh)yW-
—г
Учитывая, что h=8Z, полученное соотношение можно выразить
через пространственную частоту {=w/Z, нормированную относите-
относительно размера элемента 5:
\ C.23)
Видно, что в случае элемента разложения, симметричного от-
относительно его центра, апертурно-частотные характеристики попе-
поперечного C.23) и продольного C.18) разложений, а следовательно их
частные случаи C.18) — C.21), идентичны (рис. 3.10).
Заметим, что в силу дискретности вертикального разложения
компоненты, период изменения яркости которых не кратен шагу
разложения 8, будут передаваться с искажениями, т. е. должны
выполняться условия Д»=1/^=2/<5, где; —целое число, и ^„=0.
В связи с тем что в реальных изображениях эти условия не выполня-
выполняются, при формировании сигнала образуются специфические ис-
искажения, которые приводят к соответствующим искажениям изоо-
§ ЗА РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Применительно к преобразователю изображения разрешающая
способность характеризует его способность формировать раздель-
раздельные (различимые во времени) сигналы, соответствующие изображе-
изображению двух близких друг к другу точек объекта. Наименьшее линей-
линейное или угловое расстояние между двумя точками, начиная с кото-
которого их сигналы перестают быть различимы, называют пределом
разрешения. с
Разрешающую способность преобразователя изображения мо-
можно измерять аналогично измерению подобной величины в оптике
или физиологии зрения, т. е. пользуясь критерием Рэлея для
различения изображения двух точек. В телевидении чаще испо-
используют частотные критерии, основанные на различении макси-
максимальных частот в сигнале или соответствующем ему изображении.
Так, например, если установить предельный (пороговый) уровень
глубины модуляции Ао сигнала изображения при передаче си-
синусоидальной штриховой таблицы, то, используя апертурно-ча-
апертурно-частотные характеристики vtf), например C.18) — C.20), можно опре-
определить предельное значение vg) в сигнале изображения, гене-
генерируемом преобразователем. Значение ^ находится из уравнения
81
v(?)=A0 и определяется точкой пересечения апертурно-частотной
характеристики v(?) с отсчетным уровнем Ао. Графически это пока-
показано на рис. 3.12.
Например, для разлагающего устройства с нормальным рас-
распределением прозрачности C.8), формирующим продольную апер-
турно-частотную характеристику вида C.20), т. е. v(?)=
=ехр -(-? г (см. кривая 3 на рис. 3.10), значение ^ находится
из уравнения
Как видно,
?г =-
Для Ао=0,05 ?„„=1,102 (рис. 3.12).
Определяя рассмотренным способом максимальную частоту си-
сигнала, генерируемого преобразователем изображения, или полосу
частот спектра сигнала изображения, следует иметь в виду, что она
зависит от выбора величины Ао. В качестве критерия для выбора
этой величины может быть задана не только глубина модуляции
соответствующего частотного компонента; часто в качестве крите-
критерия используют отношение сигнал/шум, в тех же случаях, когда
шумы малы, уровень Ао может определяться свойствами зрения
(контрастной чувствительностью глаза к восприятию мелких дета-
деталей изображения). В последнем случае при выборе критерия должны
учитываться все особенности наблюдения изображения (яркость
фона, расстояние рассматривания и др.).
Полученные результаты по продольной разрешающей способ-
способности справедливы для разла-
, гающего устройства с неогра-
U"i «-^ ^ 1 ничейной полосой пропускания
4 ' усилительного канала. Если
учесть влияние усилительного
канала, имеющего частотную
характеристику v,(?), то
^ш можно найти из уравне-
уравнения v(?)v,(€)=Ao- Естественно,
в этом Уравнении аргументы
зависимостей v(?) и v,(?) Долж-
ны быть выражены в одинако-
одинаковых единицах: относительных
Рве. 3.12. К определению разрешающей пространственных частотах
способности преобразователя изображе- ?=M/(fcZ) иж В частотах/, СИГ-
о г * б 8 ю ю к
82
нала изображения. Связь между ними устанавливается через пара-
параметры разложения f=kZ2f?. Для fc=4/3, Z=625,/j=25 Гц шкала
частот сигнала изображения/приведена на рис. 3.12.
Требования к полосе частот усилителя сигнала изображения
и канала связи в целом чаще всего устанавливают исходя из условия
обеспечения равенства разрешающих способностей системы по го-
горизонтали (продольной) и вертикали (поперечной). Как было от-
отмечено выше, в поперечном направлении могут быть переданы без
искажений сигналы, пространственный период которых не превы-
превышает 25 и фаза которых строго соответствует строчной структуре
растра (Х„=28, j=l, (рк=0), т. е. если с одной строкой совпадает
положительная полуволна (светлый штрих на изображении), а с со-
соседней — отрицательная (темный штрих). На высоту растра h, сле-
следовательно, умещается Z светлых и темных штрихов. Пространст-
Пространственная частота такого сигнала €лти=0,5. Для равенства продольной
и поперечной разрешающих способностей необходимо, чтобы
€мши=&1ши- Следовательно, максимальная частота в сигнале изоб-
изображения должна бьпъ не ниже/Eaex=A:Z2/j^wmM=0,5 kZ2ft.
Обычно значение /„, находят из аналогичных простых пред-
предпосылок: в пределах элемента изображения происходит усреднение
яркости; следовательно, можно ограничиться передачей в канале
связи первой гармоники сигнала изображения, т. е./mM=1/2t> где
т — время передачи элемента изображения, которое составляет TJn
(Г, — время передачи кадра, n-kZ2 — число элементов разложе-
разложения). Следовательно, fmK^kZ2lBTx)=0iSkZ%
Для *=4/3, Z=625,/s=25 Гц/ш.^6,51 МГц, а с учетом потерь
на обратные ходы при fce=4/3, fx=0,18, ^=0,08 /щ«=7,3 МГц.
Заметим, что нижняя граничная частота сигналов изображения
определяется частотой кадров /ж (в системах с чересстрочным раз-
разложением — практически частотой полукадров /Д так как при пе-
передаче неподвижных юображений минимальный период повторе-
повторения сигналов изображения составляет период кадра. Вместе в тем
в сигнале изображения всегда присутствует постоянная составля-
составляющая (?=0), определяемая средней освещенностью передаваемого
изображения. Таким образом, полоса частот сигналов изображения
при передаче статических изображений с9ставляет/Е.../аи. При пе-
передаче динамических сцен (подвижных изображений) в спектре сиг-
сигнала изображения появляются составляющие частот ниже/г Следо-
Следовательно, если преобразователь изображения имеет апертурно-ча-
стотную характеристику v (?), а усилитель сигнала изображения —
v,(/) или v,(f), то их общая характеристика vr(f)=v(?)v,(?)» a
разрешающая способность, определяемая критерием Ао> составляет
? (см- рис. 3.12).
§ 3.7. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛОЖЕНИЯ
К основным характеристикам разложения изображения относят
количество строк разложения (количество элементов), траекторию
разложения, формат растра и количество полных изображений,
передаваемых в единицу времени (частоту кадров).
Выбор количества строк разложения Z^ или числа элементов
в растре nvpi=kZlvt базируется на свойствах глаза по различению
мелких деталей изображения (разрешающей способности глаза; §
2.4).
Две точки, воспроизводимые на телевизионном экране, будут
восприниматься наблюдателем раздельно, если они расположены
по крайней мере через строку растра, т. е. на расстоянии не менее
25 A на рис. 3.13), и если наблюдатель будет видеть их под углом
У^ <Ртш> где Рпш, — угол разрешения глаза; в противном случае они
будут восприниматься слитно B на рис. 3.13). Из этих условий,
а также с учетом малости угла у, как видно из рис. 3.13, у=25/а, где
а — расстояние между экраном и глазом наблюдателя. Учитывая,
что 8=h/Z, y=2hl(aZ);
2А
C.24)
Как видно, Zopt зависит от относительного расстояния рассмат-
рассматривания изображения a/h. Обычно это значение составляет 3 ... 12;
следовательно, для этих условий и при ^шш=1,5' (что соответствует
наблюдению телевизионного изображения с яркостью экрана около
100 ... 150 кд/м2) Zopt= 1500 ... 380. Практика кино и телевидения
показывает, что для формата растра А:=4/3 предпочтительным
является наблюдение изображения с расстояния а/Л=6. Для этого
значения Zopt=760. Зависимости Zm от ajh для различных <Ршш при-
приведены на рис. 3.14, а.
Выше было показано, что максимальная частота сигнала изоб-
изображения и полоса частот усилительного тракта связаны с числом
строк разложения зависимостью
/„,=0,5 kZ2fx. В связи с этим
естественно стремление к сниже-
снижению Z. Такое снижение по сравне-
сравнению с величинами, вытекающими
из соотношения C.24) и графиков
рис. 3.14, а, возможно произвести,
если учесть зависимость кажу-
кажущейся четкости G изображения от
числа элементов разложения (со-
(соотношение 2.10 и рис. 2.10). Зави-
Зависимости G от Z для Zopt=760 и
Р*с, 3.13. К выбору числа строк раз- 1500 (условий наблюдения изоб-
ложення
5*4
J Zq,(=760 WOO
i i
500 WOO Z
S)
Рис. 3.14. Зависимость оптимального числа строк разложения от
расстояния рассматривания изображения (а) и кажущейся чет-
четкости от числа строк F)
ражения при ajh=6 и 3 соответственно) приведены на рис. 3.14, б.
Видно, что при a/h=6 для Z=625 кажущаяся четкость составляет
G=0,971, а при Ze=575 (число активных строк в растре с Z=625)
G=0,959. При в/А=3 для Z=1125 ... 1250 G=0,96 ... 0,975, т. е.
практически отличается от оптимальной во всех случаях менее чем
на 5%. Это определяет возможность использования стандартов
разложения с числом строк 625 (европейский стандарт), 525 (амери-
(американский стандарт), 1125 и 1250 (стандарты ТВЧ).
Заметим, что логарифмическая зависимость кажущейся четкости
от числа строк разложения, различия в требованиях к качеству
телевизионного изображения и значительная свобода выбора рас-
расстояния его наблюдения дают возможность достаточно широкого
варьирования величины Z при проектировании ТВС. При этом
выборе учитываются факторы совместимости систем, особенности
U каналов связи и др,_ _
n —В-телевидении, как и в кино, нзобразкенвя воспроизводятся
в виде последовательной серии статических кадров. Выбор частоты
кадров определяется двумя факторами: условиями восприятия слит-
слитности движения при воспроизведении серии дискретных изображе-
изображений отдельных фаз движущихся объектов и необходимостью превы-
превышения критической частоты мельканий. Опыт показывает, что для
восприятия слитности движения дастаточно 16 ... 20 кадров в секун-
секунду. В связи с этим в профессиональном кино съемка ведется с часто-
частотой 24 кадра в секунду, а в телевидении — 25 (европейский стан-
стандарт) или 30 (американский стандарт) кадров в секунду. Вместе
с этим было показано (см. §2.5), что критическая частота мельканий
для яркостей изображения в кино и телевидении превышает эти
значения. В кино каждый кадр проецируют на экран дважды с ча-
частотой проекции 48 Гц, т. е. превышающей критическую частоту
мельканий. В телевидении частоту «вспышек» экрана увеличивают
по сравнению с частотой кадров в два раза за счет использования
чересстрочной развертки (см. рис. 3.6). Кадр в этом случае, как было
85
показано в §3.3, передается за два поля. Естественно, что при этом
появляются межстрочные мерцания с частотой ниже критической.
Однако они практически незаметны, так как наблюдаются под
углом зрения меньше угла разрешения <Ршш (при оптимальном рас-
расстоянии наблюдения изображения). Таким образом, частота полей
составляет 50 Гц (европейский стандарт) или 60 Гц (американский
стандарт).
Как было отмечено в §2.5, критическая частота мельканий для
периферийных участков сетчатки глаза выше, чем для центральных.
Это приводит к необходимости повышения частоты «вспышек»
экрана при наблюдении изображения больших размеров с малых
расстояний (системы ТВЧ). С этой целью в высококачественных
устройствах воспроизведения используют мультиплексоры, повы-
повышающие частоту воспроизведения изображения в два раза.
§3. 8. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЦВЕТОКОРРЕКЦИЯ
Системы цветного телевидения основаны на трехкомпонентной
теории цветового зрения. В связи с этим наряду с дискретизацией
изображения в пространстве и времени (развертка) в системах цвет-
цветного телевидения осуществляют его дискретизацию по спектру, т. е.
производят разделение цветного изображения на три цветоделен-
цветоделенных. После формирования сигналов Ек, Ес, Ев, соответствующих
этим цветоделенным изображениям, осуществляют их обработку
и передачу по каналам связи. В устройстве воспроизведения осуще-
осуществляют синтез цветного изображения.
Известны многочисленные способы формирования сигналов
цветного изображения. Целесообразно выделить из них два, осно-
основанных на последовательной во времени и одновременной передаче
цветоделенных изображений.
Обеспечение колориметрически правильной цветопередачи свя-
связано с выбором спектральных характеристик ФЭП и устройства
цветоделения с учетом спектральной характеристики источника
освещения передаваемой сцены. Заметим, что во многих случаях
с целью получения желаемого художественного или иного воздейст-
воздействия на зрителя, а также в системах прикладного телевидения задачи
выбора спектральных характеристик ФЭП и цветокоррекции выхо-
выходят за рамки обеспечения колориметрически правильной цветопере-
цветопередачи. Такие случаи выбора спектральных характеристик и обработ-
обработки сигналов изображения рассматриваются особо [4].
Формирование цветоделенных изображений в последовательной
системе цветного телевидения может осуществляться с помощью
вращающегося между плоскостью изображения и объективом диска
со светофильтрами основных цветов, как правило, красного, зеле-
зеленого и синего (R, G, Вен рис. 3.15, а).
Нетрудно видеть, что при определенной скорости вращения
диска на светочувствительной поверхности ФЭП последовательно
86
ФЭП
ЭЛТ
Рис. 3.15. Последовательная (а) в одновременная (б) системы
цветного телевидения
с частотой полей можно формировать цветоделенные изображения.
Эти изображения могут быть последовательно переданы по каналу
связи и воспроизведены на экране кинескопа с люминофором бело-
белого свечения. Если синхронно и синфазно со сменой цветоделенных
изображений производить смену светофильтров, расположенных
между экраном и зрителем (рис. 3.15, а), то он будет видеть цветное
изображение передаваемой сцены. Естественно, высокое качество
изображения может быть получено при строгом согласовании хара-
характеристик системы со свойствами зрения.
Например, при использовании чересстрочного разложения ча-
частоту смены цветоделенных изображений (полей) fm приходится
выбирать в три раза выше частоты полей f, черно-белой ТВС
(fm~Yy)- Действительно, наиболее низкочастотные «вспышки» эк-
экрана приемника будут при передаче одноцветных объектов (сцен)
высокой насыщенности; в этом случае сигнал будет появляться
лишь в одном поле из трех. Частота такого сигнала в три раза ниже
87
частоты полей/^,. Вместе с тем она должна быть выше Д; следова-
следовательно, частота одноцветных полей должна быть в три раза выше
критической: fyn^lfxy Увеличение частоты полей (кадров/} при
сохранении неизменного числа строк приводит к трехкратному
расширению полосы частот сигнала изображения (fmu.=0,5kZ2f^.
Если рассмотреть картину передачи всего изображения, то мож-
можно убедиться, что при чересстрочной развертке полное цветное
изображение будет передано за шесть полей (три нечетных и три
четных).
Последовательная система находит ограниченное применение
лишь в ТВС специального назначения (исследование космического
пространства, медицина и др. [4]). Такое относительно ограничен-
ограниченное применение связано с присущими ей недостатками: необходи-
необходимость существенного расширения полосы частот канала связи, не-
несовместимость с действующими системами телевидения, появление
цветных окантовок при быстрых перемещениях объектов в поле
изображения (несовмещение последовательных во времени цветоде-
ленных изображений), наличие механического устройства смены
цветов, что затрудняет формирование изображения большого раз-
размера, и др.
В системе одновременного типа цветоделенные изображения
формируются светоделительными устройствами, рассмотренными
в § 1.3, и преобразуются в сигналы изображения ER, EG, Ев (рис. 3.15,
б). После передачи по каналу связи их используют для формирова-
формирования цветного изображения на экране кинескопа (ЭЛТ). Рассмотре-
Рассмотрение одновременной системы цветного телевидения связано в основ-
основном с особенностями обработки и последующей передачи этих
сигналов по каналам связи, а также способами воспроизведения
цветного изображения в приемнике.
Расчет спектральных характеристик преобразователя изображе-
изображения в системах цветного телевидения связан с выбором основных
цветов приемника. Последние, в свою очередь, определяются люми-
люминофорами кинескопа. Для расчета спектральных характеристик пре-
преобразователя изображения считаем характеристики приемника из-
известными.
При использовании в качестве эталонных источников монохро-
монохроматических излучений с длинами волн Ад=700 нм, AG=546,1 нм,
Лв=435,8 нм получены функции сложения для системы RGB (см.
§2.8, рис. 2.19, для системы XYZ — рис. 2.23), которые показывают,
в каких пропорциях необходимо взять эти излучения для получения
заданного цвета. Аналогичные функции могут быть получены, если
в качестве эталонов взять излучения люминофоров с заданными
спектральными характеристиками излучения. На рис. 3.16, а приве-
приведены такие данные для стандартного кинескопа — функции сложе-
сложения цветовой системы кинескопа г„, ?„, Ъп. Относительные количест-
количества излучений люминофоров кинескопа с учетом у-коррекции сиг-
сигналов изображения пропорциональны относительным значениям
сигналов на выходах преобразователей изображений ER, EG, EB (см.
рис. 3.15). Зависимости относительных значений сигналов от длины
волны монохроматических излучений фиксированной энергии —
это спектральные характеристики ФЭП. Следовательно, спектраль-
спектральные характеристики ФЭП вместе с устройством светоделения долж-
должны быть идентичны функциям сложения цветовой системы кинеско-
кинескопа г„, !„, Ьп.
Как видно из рис. 3.16, а, реализовать такие спектральные
характеристики чувствительности преобразователей невозможно
из-за наличия отрицательных ветвей в каждой из трех кривых.
В связи с этим используют ФЭП, спектральные характеристики
чувствительности которых совместно со спектральными характери-
характеристиками отдельных каналов устройства светоделения максимально
приближаются к соответствущим положительным ветвям кривых
?„, ga, \. Ошибки цветопередачи, неизбежно возникающие при та-
таком подходе, уменьшают путем введения цветокорректора в канал
связи (см. рис. 3.15).
Цветокорректор в простом варианте представляет собой анало-
аналоговое или цифровое устройство, в котором реализуется матричное
преобразование сигналов изображения вида B.20), т. е.
ERtta=aiEIi+blEG+clEB,
EGm=a2ER+b2EG+c2EB, C-25)
Ев»а=а^Ец+ЬгЕй+съЕв.
Коэффициенты av bv cv аг,... определяются методами оптими-
оптимизации качества цветопередачи по контрольныму набору испыта-
испытательных цветов. Возможность такой оптимизации в первом прибли-
приближении видна из кривых рис. 3.16, а: отрицательные ветви каждой
кривой функции сложения расположены под положительными вет-
ветвями других кривых и подобны им по форме. Это позволяет путем
1,0
fJn Г
- k л
1
1
c'
'л,
нм
Рис. 3.16. Функции сложения цветовой системы кинескопа (а) в спект-
спектральной чувствительностн камеры цветного телевидения (б)
89
комбинации сигналов различных каналов осуществить их взаимную
коррекцию/ Например, для коррекции сигнала Ея (при прочих рав-
равных условиях он пропорционален площади Sr+) можно вычесть из
этого сигнала составляющую канала G в количестве, пропорци-
пропорциональном площади ?,_, и добавить составляющую канала В в коли-
количестве, пропорциональном площади S'n. В уравнениях C.25) это
эквивалентно выбору b^-S^, сх=8'г+.
Для дальнейшего улучшения качества цветопередачи производят
совместную коррекцию — цифровую и оптическую, т. е. не только
путем подбора коэффициентов цветокоррекции, но и подбором
спектральных характеристик каналов преобразователя изображе-
изображения. На рис. 3.16, б приведены реальные спектральные характери-
характеристики е (А) камеры цветного телевидения [14]. Матрица цветокоррек-
цветокоррекции для этого случая имеет вид
1,14 -0,18 0,04
-0,06 1,23 -0,17
^_ ^ _-°>03 °>02 Ш
где !?„ — один из сигналов, используемых вместо Eq, формиру-
формируемый преобразователем, спектральная характеристика чувствитель-
чувствительности которого близка к кривой видности глаза («псевдояркостная
кривая» [14]).
Заметим, что все характеристики, указанные на рис. 3.16, приве-
приведены к единым максимумам. Реальные характеристики им подобны,
но максимумы их определяются параметрами светоделителя, спект-
спектральной чувствительностью ФЭП, характеристиками усилительно-
усилительного канала. Нормирование этих характеристик производится из усло-
условия формирования равных сигналов ER, EG, EB при передаче белого.
Существенным при расчете цветокорректоров является анализ
преобразований не только сигналов C.25), но и шумов, содержа-
содержащихся в сигнале. Из C.25) видно, что при любых изменениях
сигналов изображения в процессе матрицирования шумы на выходе
только увеличиваются, так как их суммирование осуществляется по
мощности, т. е. увеличение отрицательных коэффициентов матрицы
C.25) ограничивается допустимым снижением отношения сиг-
сигнал/шум сигналов изображения.
Колориметрия цветного телевидения содержит данные о различ-
различных аналитических подходах к обеспечению высокого качества цве-
цветопередачи [11, 14].
§ 3. t. СИНХРОНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА
ИЗОБРАЖЕНИЙ
Функционирование устройств анализа, обработки и синтеза из-
изображений (преобразователей, устройств обработки сигналов,
формирователей изображения и др.) взаимосвязано. Возможны раз-
90
личные подходы к организации такой связи. Современные ТВС
работают в синхронном режиме, при котором последовательности
событий, протекающих в них, происходят синхронно, т. е. одновре-
одновременно или со сдвигом на определенное время (синхронно, но не
синфазно). Для реализации и поддержания такого режима использу-
используют синхронизацию. Другой режим реализуется в том случае, когда
синхронизируются лишь блоки информации (например, кадры).
В этом случае источники сигналов изображения работают автоном-
автономно, а для согласования параметров сигналов с параметрами прием-
приемной сети используют запись видеосигналов в память блоками в па-
параметрах источников сигналов, а считывание производят с парамет-
параметрами приемной сети. Такой режим позволяет производить преоб-
преобразование сигналов изображения, формируемых в одном стандарте,
например 1250/60/1:1, в другой, например 625/50/2:1.
Проектирование систем синхронизации связано с выбором син-
синхросигналов, организацией связи между ведущими и ведомыми
устройствами, разработкой способов выделения и обработки сиг-
сигналов синхронизации.
Одним из распространенных видов синхронизации является син-
синхронизация отсчетов времени. При этом синхронные отсчеты упра-
управляют процессами анализа, обработки сигналов и синтеза изоб-
изображения. Другой вид синхронизации основан на установлении жест-
жесткой связи между соответствующими событиями (началом строки,
поля, кадра и др.). И в первом, и во втором случаях для осуществ-
осуществления синхронизации используют периодические или иные сигна-
сигналы — синхросигналы, которые передают по отдельным линиям свя-
связи или вместе с сигналами изображения. В последнем случае для
выделения синхросигналов на приемной стороне используют амп-
амплитудное, временное, частотное или иное разделение сигналов.
Одним из главных требований к системе синхронизации является
обеспечение высокой помехозащищенности. Если воздействие по-
помех на сигнал изображения приводит к определенным яркостным
или цветовым искажениям, то их воздействие на сигналы синхрони-
синхронизации может привести к изменению геометрического положения
элементов изображения в процессе его синтеза по отношению к ис-
истинному, что, как правило, существенно искажает изображение.
Значительные помехи в канале синхронизации приводят к наруше-
нарушению стабильности изображения или полному его разрушению. В те-
теории синхронной связи показано, что если нет ограничений на
сложность аппаратуры, форму синхросигнала или иных условий, то
оптимальным для целей синхронизации является псевдошумовой
сигнал или ему подобный в сочетании с оптимальным приемником
в форме параллельно соединенных согласованных фильтров.
Централизованному управлению работой подвергаются много-
многочисленные устройства ТВС, например генераторы электрических
колебаний. Для управления частотой автогенератора его подверга-
подвергают воздействию внешнего сигнала достаточно большой амплитуды
91
с частотой, близкой к частоте собственных колебаний автогенерато-
автогенератора. После переходного процесса частота колебаний автогенератора
становится равной частоте внешнего сигнала — происходит захва-
захватывание или полное увлечение частоты. Явление захватывания на-
называют принудительной синхронизацией. Как известно, при задан-
заданном значении синхросигнала захватывание существует в некоторой
области частот, лежащих близко к частоте собственных колебаний
автогенератора, — полосе захватывания. Захват автогенератора
осуществляется не только гармоническим сигналом, но и импульс-
импульсным.
Путем синхронизации можно управлять частотой колебаний
автогенератора и фазой, например в начале каждой строки телеви-
телевизионной развертки устанавливать заданную фазу колебаний автоге-
автогенератора.
Принудительную синхронизацию применяют для управления
широко используемыми в телевизионных устройствах блокинг-гене-
раторами, генераторами пилообразных напряжений и токов (гене-
(генераторами развертки), генераторами прямоугольных и более слож-
сложных по форме импульсов [15].
Широкое распространение в телевизионной технике получили
методы параметрической синхронизации. Суть их сводится к управ-
управлению внешним сигналом параметрами электронной схемы, фор-
формирующей те или иные колебания. В результате внешнего воздейст-
воздействия в схеме формируются вынужденные колебания необходимой
частоты. Элементами схем, через которые осуществляют изменение
частоты колебаний автогенератора, являются емкости, индуктив-
индуктивности, сопротивления, питающие напряжения, пороговые уровни
и др. Построение подобных схем чаще всего основано на сравнении
частоты собственных колебаний автогенератора с частотой синхро-
синхроимпульсов и вырабатыванием на этой основе сигнала рассогласова-
рассогласования, который и используют для управления одним из указанных
выше параметров. Такие схемы, следовательно, являются типич-
типичными устройствами автоматического регулирования. Использова-
Использование в цепи автоматического регулирования элементов с заданными
электрическими характеристиками позволяет воздействовать на
процесс синхронизации. На этом основано построение схем помехо-
помехоустойчивой синхронизации телевизионных приемников и других
элементов ТВС [15].
Наряду с генерированием синхросигналов возникает необходи-
необходимость формировать гасящие сигналы, предназначенные для запира-
запирания электронных пучков преобразователей изображения и кинеско-
кинескопов во время обратного хода развертки. В противном случае во
время обратного хода коммутирующего пучка передающей трубки
будет производиться частичное считывание потенциального релье-
рельефа, а в кинескопе — осуществляться высвечивание траектории элек-
электронного пучка по экрану во время обратного хода как по горизон-
горизонтали, так и по вертикали. Изображение будет «перечеркнуто» следа-
92
мп обратного хода электронного пучка, как указано штриховыми
линиями на рис. 3.7. Для того чтобы запереть электронный пучок,
необходимо, чтобы уровень гасящих импульсов был равен или ниже
уровня «черного» в сигнале изображения. Гасящие импульсы ис-
используют также для фиксации исходного уровня сигнала изображе-
изображения с целью верного воспроизведения уровней яркости на экране
кинескопа, в аналого-цифровых преобразователях, в измерительных
и других устройствах ТВС.
Таким образом, синхросигналы и гасящие сигналы служат для
управления развертывающими устройствами, устройствами фикса-
фиксации уровней сигнала изображения, кодирующими и декодирующи-
декодирующими устройствами, генераторами испытательных видеосигналов, эле-
электродвигателями и иными элементами видеомагнитофонов и др.
Эти сигналы вырабатываются синхрогенератором.
Синхрогенератор включает хронизатор — автономный или уп-
управляемый источник опорных колебаний, устанавливающий основ-
основные ритмы работы элементов ТВС. В хронизаторе формируют
сетку основных частот — частоты следования элементов, строк,
кадров и др. Синхрогенератор содержит также устройства форми-
формирования сигналов синхронизации и гасящих по амплитудам, длите-
длительностям, формам, а также сложного синхросигнала, включающего
необходимые составляющие. Эти устройства формируют, как пра-
правило, гармонические сигналы и сигналы прямоугольной формы.
Выбор построения системы синхронизации ТВС определяется ее
назначением. Рассмотрим основы построения системы синхрониза-
синхронизации ТВС вещательного назначения [15]. В этом случае синхрониза-
синхронизацию устройств телецентра осуществляют, как правило, сигналами
синхронизации, которые распределяют по предназначенным для
этого каналам связи (электрическим или оптическим). Для синхро-
синхронизации удаленных устройств (телевизионных приемников и др.)
используют сложный синхросигнал, передаваемый по общему кана-
каналу передачи сигнала изображения. В соответствии с этим синхроге-
синхрогенератор формирует: 1) импульсы синхронизации генераторов раз-
разверток датчика сигнала изображения и генераторов разверток конт-
контрольных устройств, 2) гасящие импульсы для датчиков сигналов
изображения и приемных трубок, 3) импульсы управления цепями
фиксации сигнала изображения, 4) сигналы тактовой частоты для
управления цифровыми устройствами, 5) сигналы управления
устройствами магнитной записи, 6) сигнал синхронизации прием-
приемников.
Наряду с перечисленными формируют специальные сигналы, такие,
как сигнал цветовой синхронизации, сигналы управления для схем
формирования сигналов цветности и др. Естественно, фор-
формируемые сигналы должны иметь жесткую связь частот и фаз,
устанавливаемую используемым стандартом и структурой ТВС.
Например, импульсы синхронизации датчиков сигналов должны иметь
определенные опережения, учитывающие время распространения
93
сигналов от синхрогенератора до конкретной телевизионной камеры
и обратно [2]. Это обеспечивает правильные совмещения сигналов
от различных источников в микшере — устройстве совмещения
и переключения сигналов изображения многочисленных источников
видеосигнала (камеры, видеомагнитофоны, кино- и диапроекторы
и др.).
Хронизатор включает задающий генератор опорной частоты,
делители и умножители частот и схемы формирования последова-
последовательностей управляющих импульсов. Опорную частоту выбирают,
как правило, кратной частоте строк. В системах с двукратным
чересстрочным разложением и частотой строк/*= 15 625 Гц исполь-
используют основные частоты 31,25; 125 кГц; 1,0; 2,5; 5,0 МГц. В системах
цветного телевидения NTSC, PAL основную частоту хронизатора
выбирают равной частоте колебаний цветовой поднесущей (см.
§6.3).
Хронизатор может работать в автономном режиме, обеспечивая
при этом за счет использования высокостабильных генераторов
частоты заданную стабильность основной частоты. В ведомом ре-
режиме генератор опорной частоты синхронизируется сигналом от
внешнего источника. Формирование сетки частот (строчной, кад-
кадровой и др.) обеспечивают за счет структуры схемы — используют
последовательные делители частот. Необходимые кратные частоты
снимают с промежуточных точек тракта деления. Для реализации
делителей частоты можно использовать двоичные счетчики с обрат-
обратной связью. Кратность деления в таких делителях изменяют путем
переключения цепи обратной связи. Многочисленные варианты по-
построения генераторов опорных колебаний, делителей и умножи-
умножителей частоты широко освещены в литературе [15].
Сигналы синхронизации приемников, как было отмечено, пере-
передаются вместе с сигналом изображения. Рассмотрим в качестве
примера основные фрагменты такого сигнала системы вещатель-
вещательного телевидения. Логику формирования структуры полного те-
телевизионного сигнала, включающего сигнал изображения (верти-
(вертикальная штриховка) и синхросигнал, иллюстрирует рис. 3.17. Дли-
Длительность кадрового гасящего импульса — tp строчного — tM
строчного синхроимпульса — xXi кадрового — ху (наклонная штри-
штриховка). Обычно т,=B,5...3)Гх. Выбирая Ту»тх, обеспечивают воз-
возможность простого разделения кадровых и строчных синхроим-
синхроимпульсов на приемной стороне. Как видно из рис. 3.17, а, при
указанной форме синхросигнала во время кадрового гасящего им-
импульса отсутствуют строчные синхроимпульсы, что лишает генера-
генератор строчной развертки на этот период принудительной синхрони-
синхронизации. При возобновлении синхронизации в начале кадра (поля)
в связи с возможным отклонением частоты автоколебаний генера-
генератора строчной развертки от/* возникает переходный процесс вхож-
вхождения его в синхронизм — несколько первых строк растра может
94
Строчный синхроимпульс Кадровый синхроимпульс
Уродень синхроимпульсов |
\ УроВень
\ I гашения
Уровень белого
Уродень черного
Рис. 3.17. Формирование структуры сигнала синхронизации пре-
преемников
быть искажено. Для устранения подобных искажений во время
кадрового гасящего импульса формируют сигналы синхронизации
строк (рис. 3.17, б). В период передачи кадрового синхроимпульса
строчные имеют форму врезок, которые в приемнике преобразуются
в обычные синхроимпульсы, управляющие генератором строчной
развертки. Заметим, что синхронизацию обычно осуществляют пе-
передним фронтом строчного синхроимпульса или задним фронтом
врезки (моменты строчной синхронизации отмечены стрелками на
рис. 3.17, б).
В синхросигнале должны быть учтены и особенности чересстроч-
чересстрочного разложения. Структура сигнала, приведенная на рис. 3.17, а, б,
соответствует началу (Q нечетного полукадра, т. е. вертикальная
и горизонтальная развертки начинаются в момент времени tv На
95
рис. 3.17, в показана структура сигнала для четного полукадра,
длительность последней строки нечетного полукадра составляет 1/2
(TJ2). Начало кадрового синхроимпульса соответствует середине
времени передачи последней строки нечетного поля — Г2 (на рис.
3.17, б — д графически совмещены строчные синхроимпульсы пос-
последней строки нечетного и четного полукадров — вертикальная
штриховая линия). Видно, что кадровые синхронизирующие им-
импульсы получились различными для начала нечетного (рис. ЗЛ7, б)
и четного (рис. 3.17, в) полукадров: в кадровом синхроимпульсе
нечетного полукадра время от его начала до первой врезки — Тх (с
точностью до длительности импульса врезки), а в синхроимпульсе
четного полукадра — Г,/2. Такая разница приводит к ошибкам
установления момента синхронизации при выделении кадрового
синхроимпульса методом интегрирования и нарушению по этой
причине точности чересстрочной развертки (спариванию строк рас-
растра).
Для достижения идентичности кадровых синхроимпульсов не-
нечетных и четных полукадров на отрезке ху используют врезки
с двойной строчной частотой. Для образования равных условий
работы схем выделения кадровых синхроимпульсов вводят несколь-
несколько импульсов двойной строчной частоты до начала и после оконча-
окончания кадрового синхроимпульса, на рис. 3.17, г пять-шесть импуль-
импульсов до и пять после кадрового синхросигнала — уравнивающие им-
импульсы. Длительность врезок и уравнивающих импульсов, как и пе-
период их следования, вдвое меньше аналогичных значений для строч-
строчных синхроимпульсов. Синхросигнал четного полукадра приведен
на рис. 3.17, д, там же указаны уровни сигнала: синхроимпульсов,
гашения, черного, белого. Амплитуда синхроимпульсов составляет
30% от полного размаха сигнала. Способы и устройства формиро-
формирования синхросигналов рассмотрены в [15].
Методы выделения сигналов синхронизации и их разделения
рассмотрены в [2, 15]. В системах цветного телевидения вводят
дополнительные синхросигналы: сигналы цветовой синхронизации,
частоты и фазы цветовой поднесущей и др.
Как было отмечено, точность синхронизации может быть повы-
повышена за счет использования сложных сигналов синхронизации. Эти
методы используют в нестандартных системах передачи изображе-
изображений. К таким сигналам относят частотно-модулированные, кодовые
и др. Наряду с повышением точности синхронизации при исполь-
использовании сложных синхросигналов и согласованных фильтров при их
селекции появляется возможность передавать их в соответству-
соответствующие моменты времени в одном амплитудном диапазоне с сигна-
сигналом изображения. Расширение за этот счет примерно на 30% дина-
динамического диапазона передачи сигнала изображения приводит к со-
соответствующему повышению помехоустойчивости системы по ка-
каналу видеосигнала. Вместе с тем появляется возможность увеличе-
96
Рис. 3.18. Формирование (а, б) я выделе-
выделение (в) сложного сшгаросигвала
НИЯ аМПЛИТуДЫ СИНХрОСИГНа- г Сигнал
ЛОВ, ЧТО ПРИВОДИТ К ПОВЫШе- З^шхросигиап ^изображения
нию помехоустойчивости син-
синхронизации.
Естественно, что форма
синхросигнала должна в этом
случае выбираться из условия
минимизации вероятности по-
появления подобных посылок
в сигнале изображения. К та-
таким сигналам можно отнести
частотно-модулированные, ко-
которые в отличие от рассмот-
рассмотренных выше относят к слож-
сложным или шумоподобным сигна-
сигналам. Как известно, сжатие их
происходит в согласованных
фильтрах [16, 17]. Огибающая
частотно-модулированного си-
сигнала имеет прямоугольную
форму, а частота заполнения
изменяется по линейному зако-
закону (рис. 3.18, а, б). Анализ вы-
выражений для модуля и фазы
спектральной плотности подобного сигнала позволяет найти харак-
характеристики фильтра, реализующего требуемые амплитудную и фазо-
фазовую характеристики [16]. Используя приемлемые для инженерных
расчетов допущения, можно показать, что в качестве такого
фильтра может быть применена цепь, у которой задержка в некото-
некотором диапазоне вблизи частоты/0 (рис. 3.18, б) линейно зависит от
частоты (например, дисперсионные линии задержки на поверхност-
поверхностных акустических волнах). Примерная форма сигнала на выходе
фильтра показана на рис. 3.18, в. Наибольшая амплитуда в момент
Т„ в ч/2/йТм раз больше, чем на входе. Длительность основного
лепестка сигнала, отсчитываемая на уровне 1Д/2 от максимального
значения, т«1/2/д. Отношение TJx — коэффициент сжатия часто-
частотно-модулированного импульса в фильтре (Ги/т)«2/дГ„. Таким
образом при использовании согласованной фильтрации удается
сократить длительность импульса в 2fJ!u раз при одновременном
увеличении его амплитуды в <^2/лТи раз.
Упомянутые свойства сложных сигналов в сочетании с согласо-
согласованными фильтрами позволяют использовать их для синхрониза-
синхронизации. В этом случае их можно передавать по одному каналу с сиг-
сигналами изображения и выделять с помощью согласованных
фильтров. Сигнал изображения в канале синхронизации в этом
случае является помехой. Для уменьшения влияния этой помехи
4 Р. Е. Быков 97
к Синхросигнал
Сигнал изображения
Рис. 3.19. Формирование (а) и выделение
(б) фазоманипулированного синхросигнала
полный телевизионный сиг-
сигнал в канале синхронизации
перед согласованной фильтра-
фильтрацией подвергают низкочас-
низкочастотной фильтрации и ампли-
амплитудному ограничению. Такая
обработка сигнала приводит
к уменьшению корреляцион-
корреляционных связей с сигналом изобра-
изображения, т. е. повышению поме-
помехоустойчивости синхрониза-
синхронизации. Методы согласованной
фильтрации заданного сигнала
(например, синхросигнала) при
небелом шуме рассмотрены
в литературе [15, 16].
Относительно просто зада-
задача выделения синхроимпуль-
синхроимпульсов решается при использова-
использовании для этих целей фазомани-
пулированных сигналов [16,17]. Сигнал в этом случае представляет
собой радиоимпульсы, следующие без интервалов в течение всей
длительности синхросигнала, но с изменяющейся по выбранному
закону (коду) фазой высокочастотных колебаний импульсов. Фаза
колебаний может быть 0 или я. Чередование фазы осуществляют
в соответствии с выбранным кодом (к-му импульсу приписывают
коэффициент bk равный ±1, причем +1 соответствует фазе О,
а -1 — фазе я). В качестве примера на рис. 3.19, а представлен
фазоманипулированный сигнал из пяти радиоимпульсов с коэф-
коэффициентами Ьй=Ь^=Ь2=Ь^--\-\, Ьъ=-\. На рис. 3.20 приведена
структурная схема, которая может быть использована для выделе-
выделения синхросигнала; фильтр кх согласован с одиночным импульсом
длительностью т0. Многоотводная линия задержки имеет к+1 от-
отводов, которые обеспечива-
обеспечивают последовательно задерж-
задержку на т0. Элементы Ьо,
blt...bn-\ обеспечивают пово-
поворот фазы в соответствии
с выбранным кодом (чередо-
(чередование коэффициентов Ьо,
bv... является заркальным
по отношению к сигналу).
Максимальная амплитуда
сигнала пА0 формируется на
выходе сумматора Е в мо-
момент лт0 (см. рис. 3.19, б).
Линия задержки
JL
4X1
J
Рис. 3.20. Структурна* схема фильтра для
выделение фазоманипулированного синхро-
синхросигнала
98
ППП.П.
а)
U
ЛГЪОГи1
n >
Ц»
Таким образом, коэффициент сжатия
равен п — числу импульсов, чем обес-
обеспечивается простое амплитудное раз-
разделение синхросигнала и сигнала изоб-
изображения.
В качестве синхросигналов могут
быть использованы двоичные последо-
последовательности видеоимпульсов, содержа-
содержащие, например, компоненты кода Бар-
кера [2, 15]. Пример согласованной
фильтрации синхроимпульса, сформи-
сформированного на основе 7-элементного ко-
кода Баркера, для которого
b0=bi=b2=bs = l, ЬЪ=Ь^=Ь6=О, по-
показан на рис. 3.21. Длительность одно-
одного элемента sQ составляет т0 (рис. 3.21,
а). В связи с тем что при декодирова-
декодировании синхросигнала вводят низкоча-
низкочастотную фильтрацию и ограничение
с целью уменьшения мешающего дей-
действия сигнала изображения, неизбежны
искажения формы сигнала синхрониза-
синхронизации. Для устранения возникающих
ошибок при выделении синхросигна-
синхросигналов вводят предыскажения формы син-
синхросигнала. Они заключаются в фор-
формировании сигнала s'q, который после
подавления низкочастотных компонен-
компонентов и двустороннего ограничения со-
сохраняет форму, необходимую для со-
согласованной фильтрации в соответствии с выбранным кодом. Стру-
Структурная схема фильтра приведена на рис. 322. Она включает
фильтр klt осуществляющий низкочастотную фильтрацию и элеме-
элементы задержки т0, инверторы -1, расположение которых зеркально
по отношению к положению нулей в коде, сумматор 2 и фильтр К2,
согласованный с простым прямоугольным импульсом. Формирова-
Формирование выходного сигнала stia показано на рис. 321, б. Форма сигнала
на выходе фильтра имеет вид корреляционной функции сложного
сигнала, с которым согласован фильтр. Рассмотренные устройства
относятся по своему алгоритму работы к корреляционным селек-
селекторам.
Дня выделения непосредственно синхроимпульса используют
пороговую схему, подавляющую все сигналы с размахом ниже
порога sa (см. рис. 3.21, б), для чего между фильтром К2 и пороговой
схемой включают схему фиксации уровня вершин импульсов.
Рассмотренный пример иллюстрирует идею применения согла-
99
Рис. 3.21. Согласованная
фильтрация двоичной последо-
последовательности синхропосылки
Рис. 3.22. Структура согласованного фильтра для выделения
синхросигнала
сованной фильтрации в системах синхронизации. Реальные устрой-
устройства используют более сложные сигналы и алгоритмы фильтрации.
Выбор сигнала синхронизации (частотно-модулированного или ко-
кодового, закона модуляции или вида кода) базируется на связанных
с точностью синхронизации требованиях обеспечения необходимой
помехоустойчивости, в частности по отношению к сигналу изоб-
изображения. При проектировании устройств синхронизации рассмот-
рассмотренного типа необходимо использовать данные о спектре преды-
скаженных синхроимпульсов и корреляционных функциях, а также
об аналогичных характеристиках сигналов изображения. Наличие
таких данных позволяет построить эффективные селекторы синхро-
синхросигналов [2].
Выбор системы синхронизации диктуется назначением проек-
проектируемой ТВС и ее структурой. Варианты обоснования выбора
различных систем синхронизации широко освещены в литературе.
ГЛАВА 4. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
§ 4.1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЙ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) предназначен для
формирования электрического сигнала, адекватного изображению,
спроецированному на его вход. Основными характеристиками ФЭП
являются преобразование, чувствительность, спектральная и раз-
разрешающая способность. Работа ФЭП описывается и другими харак-
характеристиками: инерционностью, равномерностью передачи уровней
яркости, темного поля и др. Они рассматриваются в каждом конк-
конкретном случае его использования.
Кроме того, характеристики ФЭП в значительной степени зави-
зависят от устройств, обеспечивающих его работу (усилителей, развер-
развертывающих устройств, оптических элементов и др.M а также от
электрического режима ФЭП. Рассмотрим ФЭП, использующие для
преобразования ахроматического Е(х, у, t) или цветного Е(х, у, X, t)
изображения в электрический сигнал /,(*) развертку: Е(х, у. t)-*it(t).
В гл. 3 было показано, что развертка используется для поочередной
передачи информации о яркости и цветности отдельных элементов
изображения. Она осуществляется по выбранному (например, ли-
линейному) закону со строго установленной скоростью.
В ФЭП мгновенного действия, или ФЭП без накопления заря-
зарядов, световой поток воздействует на площадь элемента разложения
в течение времени коммутации (времени формирования электричес-
электрического сигнала, соответствующего рассматриваемому элементу изоб-
Можно выделить две группы ФЭП мгновенного действия:
устройства, в которых вся световая энергия концентрируется на
одном элементе изображения и затем преобразуется в электричес-
электрический сигнал, — ФЭП с «бегущим световым пучком»;
устройства, на вход которых поступает световой поток, соответ-
соответствующий всей передаваемой сцене, а формирование элемента изоб-
изображения происходит посредством его пространственного диафраг-
диафрагмирования в оптическом (устройства с диском Нипкова) или элект-
электронном (диссектор) звене.
Систему с «бегущим световым пучком» используют как
для преобразования изображения транспаранта (диапозитива,
101
Рве 4.1. Система с «бегущим свето-
световым пучком» для транспаранта (а)
и натурной сцены (б):
1 — ЭЛТ, 2 — конденсор, 3 — ФЭУ, 4 —
транспарант, 5 — передаваемое изображе-
изображение
кинокадра и т. д. ) в сигнал (ряс.
4.1, с), так и для регистрации
натурных сцен, освещенных «бе-
«бегущим световым пучком» (рис.
4.1, б).
Бегущий световой пучок обра-
образуется электронно-лучевой труб-
трубкой (ЭЛТ), на экране которой
формируется телевизионный
растр (в первых ТВС для этого
использовали диск Нипкова). Све-
Светящийся участок люминофора
с малым послесвечением является
источником света, формирующим
элемент разложения. С помощью
объектива сформированное свето-
световое пятно проецируется в плос-
плоскость объекта (транспарант или
передаваемое изображение). Све-
Световой поток, промодулирован-
ный в результате поглощения или
отражения света, регистрируется
фотоэлектронными умножителя-
умножителями, на выходе которых формиру-
формируется сигнал изображения /,. Для
концентрации на фотокатоде светового потока, прошедшего через
транспарант, используется конденсор.
Если пренебречь инерционностью люминофора, то в любой
момент времени вся световая энергия концентрируется на одном
элементе растра и после взаимодействия с соответствующими
участками передаваемого объекта преобразуется в сигнал изобра-
изображения. Зависимость амплитуды выходного сигнала от освещенно-
освещенности — характеристика свет — сигнал — линейна из-за линейности
фотоэффекта. Поэтому устройства с «бегущим световым пучком»
используют в фотоэлектрических приборах и других измерительных
ТВС. Апертурно-частотная характеристика устройства определяет-
определяется главным образом характеристикой используемой ЭЛТ и ее инер-
инерционностью, спектральная — аналогичными характеристиками из-
излучения люминофора ЭЛТ и чувствительностью применяемого
ФЭУ.
Диссектор. В ФЭП типа «диссектор» (англ. dissect — рассекать)
на вход поступает световой поток, который соответствует передава-
передаваемой сцене и с помощью полупрозрачного фотокатода преобразует-
преобразуется в электронный поток — электронное изображение (рис. 4.2, а).
Конструкция фотокатода, включающего непосредственно полу-
полупрозрачный фотокатод, металлическую (практически прозрачную
для света) подложку и стеклянную планшайбу, показана на рис.
102
S)
Рис. 42. Устройство диссектора (а) ж его фотокатода (б):
1 — фотосдой, 2 — фокусирующая катушка, 3—ускоряющий электрод, 4 — диафрагма,
5 — ЮУ,6—отклоняющие катушки, 7 — планшайба, 8 — полупрозрачный фотослой, 9—
подложка
4.2,5. С помощью магнитного и электрического полей, создаваемых
фокусирующей катушкой, и ускоряющего электрода изображение
фокусируется в плоскости диафрагмы. Отверстие диафрагмы явля-
является апертурой, формирующей элемент изображения.
Поток электронов, прошедший через отверстие диафрагмы, по-
попадает на вход вторично-электронного умножителя (ВЭУ), на выхо-
выходе которого формируется сигнал изображения ^Развертка изоб-
изображения в диссекторе осуществляется в результате отклонения эле-
электронного изображения относительно отверстия диафрагмы. Для
этого используют магнитное отклонение, реализуемое с помощью
двух пар магнитных отклоняющих катушек. Таким образом, через
отверстие диафрагмы последовательно элемент за элементом про-
проходят электроны, соответствующие различным участкам передава-
передаваемой сцены.
Следовательно, в формировании сигнала изображения на нагру-
нагрузочном резисторе Д, в любой момент времени принимает участие
лишь х/,-я часть (и — число элементов разложения) электронного
потока с фотокатода, а также 1/,-я часть светового потока, поступа-
поступающего на вход ФЭП. Большая часть светового потока не принимает
участия в формировании сигнала изображения. Этим объясняется
низкая чувствительность диссектора.
Определим световую чувствительность ТВС с диссектором как
величину, обратную освещенности передаваемого объекта Е^, необ-
необходимой для формирования на выходе сигнала изображения —тока
{, с заданным отношением сигнал/шум ф. Отношение сигнал/шум
фф еа входе вторично-электронного умножителя или в фототоке ц,
отнесенном к одному элементу изображения, определяется дробо-
дробовым эффектом фотоэлектронной эмиссии
103
ДР
DЛ)
со среднеквадратачеекям значением флуктуации фототока
D.2)
где е — заряд электрона, А/— эффективная полоса частот сигнала
изображения. Из формул D.1) и D.2) следует, что
*/)¦ D.3)
Фототок с элемента изображения, освещенность которого равна
средней освещенности фотокатода для рассматриваемой сцены,
*Ф=/ф/л» где /ф — среднее значение фототока со всей площади 5ф фо-
фотокатода, n—kZ1 — число элементов разложения.
Учитывая, что /ф=?Дп5ф, а также используя связь между осве-
освещенностью изображения и освещенностью передаваемого объекта
A.12), получим
где е — чувствительность фотокатода; Е^ — средние значения ос-
освещенности на объекте; р — среднее значение коэффициента отра-
отражения в передаваемой сцене; ц — прозрачность объектива; О —
относительное отверстие объектива; /? — коэффициент увеличения
оптической системы (при передаче удаленных объектов /?«0).
Следовательно,
D'4)
Подставляя выражение D.4) в D.3) и решая полученное уравне-
уравнение относительно ?<*, получим
D.5)
Известно, что при прохождении сигнала через ВЭУ к нему
добавляются шумы динодов умножителя. Это приводит к сниже-
снижению отношения сигнал/шум, которое определяется коэффициентом
а вторично-электронной эмиссии динодов умножителя: *Р=
Р(-1)/<г. Соотношение D.5) может быть преобразовано:
D.6)
104
0,5
Соотношение D.6) может быть исполь-
использовано для определения как чувствитель-
чувствительности системы с диссектором, так и осве-
освещенности, необходимой для формирова-
формирования на выходе диссектора сигнала с задан-
заданным отношением сигнал/шум *Р.
Пример. Параметры ТВС соответствуют веща-
вещательному стандарту: *=4/3:ze=575; А/=7,3106 Гц;
используется объектив с 0=1:2; /i=0,9; диссектор
имеет следующие характеристики: е=70 мкА/лм;
5ф=24х32 мм; <г=«5; объектив сфокусирован на уда-
удаленные объекты (fixO); р=0,6; заданное отношение
сигнал/шум ?=40.
Используя приведенные данные и соотношение
D.6), можно определить, что ^=1,4-10* лк. Следо-
Следовательно, диссектор непригоден для работы в реаль-
реальных условиях передачи (например, максимальная
освещенность в солнечный день на открытой мест-
местности ниже требуемой более чем в 10 раз).
Как видно из соотношения D.6), чувствительность диссектора
существенно увеличивается при уменьшении числа строк Z или
снижении скорости передачи изображения. Например, при Z= 100
чувствительность увеличивается по сравнению с данными приведен-
приведенного расчета в 2000 раз.
Разрешающая способность диссектора составляет не менее 600
лин., а в малокадровом режиме — до 3000 лин. Характеристика
свет — сигнал — линейная во всем рабочем диапазоне (из-за линей-
линейности фотоэффекта и вторичной электронной эмиссии элементов
ВЭУ). Спектральная характеристика определяется типом использу-
используемого фотокатода. Примеры этих характеристик приведены на рис.
4.3.
0
400 500 600 700 Х,нп
Рис. 4.3. Спектральные ха-
характеристики фотокатодов:
1 —гаслородао-цезиевый, 2 —
сурьмяно-цезиеный, 3 — мно-
многощелочной
§ 4.2. ПРИНЦИП НАКОПЛЕНИЯ ЗАРЯДА
Низкая световая чувствительность систем мгновенного действия
связана с нерациональным использованием светового потока. За
время Тг передачи кадра световая энергия, падающая на элемент
г,
изображения, AQt= l&F(f)dt.
о
Если изображение в течение времени Тг неподвижно, то световой
поток на элемент Air= const и &QT=tiFTx. Как следует из принципа
действия диссектора, в формировании сигнала изображения непо-
непосредственно участвует свет, воздействующий на рассматриваемый
элемент изображения в течение времени т: A0,=AjFt, что меньше
Д& в А&/Д&= TJ^kZ1 раз.
Чтобы для формирования сигнала изображения использовать
всю световую энергию, падающую на элемент ФЭП, предложена
103
Свет
Л
+J-
f
Рис. 4.4. Обобщенная схема пре-
преобразователя изображения:
1 — жатод, 2 — фотожатод, 3 — сиг-
сигнальная пластина, 4— жоллеггор
идея накопления заряда. Принцип
преобразования светового изображе-
изображения в электрический сигнал с исполь-
использованием накопления заряда рассмот-
рассмотрен в [13]. С помощью объектива не-
непосредственно на накопитель проеци-
проецируется изображение передаваемой
сцены. В качестве накопителя в преоб-
преобразователе может использоваться
мозаичный конденсатор. Одна
из обкладок конденсатора (рис. 4.4)
обладает внешним фотоэффектом,
другая — является общей сиг-
сигнальной пластиной, в цепь которой
включен резистор /?,. Накопление за-
заряда на элементарных емкостях
происходит под действием света
при прохождении тока в цепи коллектора:
D.7)
За время накопления Гш= Тх каждая элементарная емкость при-
приобретает заряд "Sq-i^^-sEnS^TjKkZ2). Если считывание заряда
производится последовательным разрядом элементарных емкостей
(например, электронным пучком), то в цепи нагрузочного резистора
Дв проходит средний ток разряда:
ц^Щх^вЕ^ TJ(xkZ2). D.8)
Сопоставляя выражения D.7) и D.8), видим, что ц1ц-Т^-п.
Ток разряда является током сигнала изображения: г,= ?р. Таким
образом, ток сигнала изображения больше фототока (тока сигнала
в системе без накопления заряда) в п раз. Так как число элементов
изображения определяется параметрами разложения n=kZ2, то
увеличение сигнала при переходе к системе с накоплением заряда
пропорционально числу элементов разложения или квадрату числа
строк. Например, при fc=4/3, Z=625 ток сигнала по сравнению
с сигналом в системе без накопления может увеличиться примерно
в 500 000 раз.
Для определения выигрыша в чувствительности системы с нако-
накоплением заряда необходимо учесть, что одновременно с увеличени-
увеличением полезного сигнала происходит накопление шумов, вызванных
дробовым эффектом фототока.
Как было- показано, полезный заряд на элементарном на-
накопителе 25=?Дв5фГия/(*;^2)' №* описания статисшчесжих
свойств потока зарядов, поступающих с фотокатода на мшш&ь,
может быть использовано распределение Пуассона. Среднеквадра-
106
тическое отклонение накопленного заряда определяется соотноше-
соотношением
Отношение сигнал/шум, определяемое как отношение энергии
накопленного заряда к энергии шума, равно
D.9)
Учитывая, что в системе мгновенного действия Т^—х (время
усреднения сигнала равно времени передачи элемента изображе-
изображения), а в системе с накоплением заряда ГМ1=ГЖ (время передачи
кадра), из соотношения D.9) имеем
Для определения необходимой освещенности сцены или чувст-
чувствительности системы с накоплением можно воспользоваться полу-
полученным соотношением, из которого следует, что ?Гж=*Р,^/л, а так-
также выражением D.3), так как для рассматриваемого случая ^=ТФ.
Тогда
следовательно,
D.10)
С учетом соотношения D.10), а также известной связи между
осг.ещенностями изображения и передаваемой сцены A.12) имеем
D.11)
Чувствительность системы определяется обратной величиной.
Сопоставляя соотношения D.11) с соотношением D.5), определя-
определяющим необходимую освещенность в системе без накопления, видим
что при использовании накопления требуемая освещенность сцены
уменьшается в n-kZ2 раз и во столько же раз увеличивается
чувствительность системы.
При реализации принципа накопления зарядов используют
как преобразователи изображения с дискретными накопителями
(кремникон, матричные ФЭП и др.), так и с непрерывными
(видикон, плюмбикон и др.). Для понимания механизмов на-
накопления и считывания зарядов на мишени передающих трубок
107
Ж'
0 \U,
6)
рассмотрим образование потенциаль-
потенциального рельефа мишени, бомбардируе-
бомбардируемой пучком электронов.
Равновесные потенциалы элементов
накошпеля. Накопление зарядов
в ФЭП — передающих трубках с внеш-
внешним или внутренним фотоэффектом —
осуществляется на диэлектрической
или полупроводниковой мишени. Весь-
Весьма важным с этой точки зрения для
понимания принципа действия ФЭП
является изучение процессов установ-
установления равновесных потенциалов на эле-
элементах накопителя при бомбардировке
их электронами.
Рассмотрим схему эксперименталь-
экспериментальной установки, приведенную на рис.
4.5, а. На пути электронного пучка iit
формируемого электронной пушкой,
установлена диэлектрическая мишень.
Между источником электронов и кол-
коллектором действует ускоряющее элект-
электрическое поле. Зависимость коэффици-
коэффициента эффективной вторичной эмиссии
от скорости первичных электронов
приведена на рис. 4.5, б\ здесь коэф-
коэффициент вторичной электронной эмис-
эмиссии a-i2jit (отношение тока вторич-
вторичных электронов i2 к току первичных ^).
Как видно из рис. 4.5, б, на кривой
можно выделить три участка : O...Ult где <г<1; UV..U2, где а>\,
и US>U2, где а<\.
Снижение коэффициента истинной электронной эмиссии на на-
начальном участке кривой при понижении Ux — потенциала коллек-
коллектора — связано с уменьшением энергии первичных электронов. Од-
Одновременно при приближении С/, к 0 начинает сказываться элект-
электронно-оптическое отражение первичных электронов; их доля в об-
общем числе электронов, уходящих с мишени (ток /2), при ?/к->0
стремится к 100%. Этим объясняется сложный характер зависимо-
зависимости коэффициента эффективной вторичной эмиссии, т. е. отношения
общего числа электронов, уходящих с мишени (ток i2), к числу
приходящих электронов (ток г.) в начальном участке кривой
(сплошная линия на рис. 4.5, б). Зависимость истинного коэффици-
коэффициента вторичной эмиссии на участке О...С/j показана штриховой
линией.
С увеличением Ux энергия первичных электронов увеличивается,
Рис. 4.S. К определению равно-
равновесных потенциалов накопителя:
а—схема, б— зависимость а=
-ДУд'в—зависимость Км=/ (Кк);
1—катод, 2 — мишень, 3 — колле-
коллектор
108
что приводит к увеличению а. Уменьшение а с ростом Us на участке
UV..U1 вызвано увеличением глубины проникновения первичных
электронов в толщу мишени и связанным с этим затруднением
выхода вторичных электронов.
Определим равновесный потенциал элементов накопителя
при бомбардировке его электронами для каждой из указанных
областей.
1. В области 0< Us< Ut a< 1; следовательно, количество вторич-
вторичных электронов меньше количества первичных и бомбардируемый
участок мишени заряжается отрицательно, а его потенциал умень-
уменьшается. При достижении потенциала катода электронной пушки
электроны, имеющие нулевую начальную скорость вылета, достиг-
достигнут мишени и возвратятся обратно, не изменяя потенциала поверх-
поверхности мишени. Следовательно, в этом случае, если бы начальная
скорость вылета всех электронов была действительно равна нулю,
стационарным потенциалом мишени был бы Uu—0. Однако извест-
известно, что эмиссия электронов происходит с некоторой начальной
скоростью (точнее, описывается распределением по начальным ско-
скоростям вылета). Энергия этих электронов оказывается достаточной,
чтобы преодолеть тормозящее поле мишени и уменьшить ее потен-
потенциал. В результате одновременного протекания процессов пониже-
понижения потенциала и утечки электронов из-за явлений поверхностной
и объемной (полупроводниковая мишень) проводимостей устанав-
устанавливается некоторый равновесный потенциал Uo, практически
G0«-1...3В.
Таким образом, при любом исходном потенциале коллектора (в
пределах 0< Ux< UJ в результате электронной бомбардировки ми-
мишени потенциал ее поверхности стремится к значению UM= — Uo.
2. В области Ut< Us<U2l o> 1. Количество вторичных электро-
электронов больше количества первичных, в результате этого на бомбар-
бомбардируемом участке мишени устанавливается избыточный положи-
положительный потенциал. С увеличением положительного потенциала
создается тормозящее поле между мишенью и коллектором. Когда
потенциал мишени становится выше потенциала коллектора, с ми-
мишени уходят лишь те электроны, начальная скорость вылета кото-
которых больше нуля. Чем выше потенциал мишени, тем меньшее
количество вторичных электронов уходит на коллектор и большее
их количество возвращается на мишень. Наконец, когда потенциал
мишени станет таким, что на коллектор будет уходить столько
электронов, сколько приходит с первичным пучком, т. е. «г=1,
потенциал мишени перестанет изменяться и наступит состояние
равновесия с равновесным потенциалом GК+С/ОЮ, где С/Ою — на-
начальная скорость вылета вторичных электронов, зависящая от ма-
материала мишени и составляющая приблизительно 3 В.
3. В области Ut> иг\ а<\ с мишени уходит больше электронов,
чем приходит на нее. Потенциал элемента мишени снижается
109
и достигает значения Uv Дальнейшего понижения потенциала не
происходит, поскольку в данном случае а— 1.
Таким образом, потенциал поверхности изолированной мишени
в результате ее бомбардировки стабилизируется при значениях,
указанных на рис. 4.5, в.
§ 4. 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ МИШЕНЯМИ
Вцдккои. К числу ФЭП, использующих внутренний фотоэффект,
относятся передающие телевизионные трубки, например видикон
и его последующие модификации: плюмбикон, кремникон и др.
В преобразователях этого типа реализовано накопление заряда, в
результате этого они обладают высокой чувствительностью. Прин-
Принцип формирования сигнала в трубках подобного типа можно прос-
проследить на примере видикона.
Основой конструкции видикона (рис. 4.6, а) является цилиндри-
цилиндрическая колба. Торец колбы служит входным окном, через которое
на фотопроводящий слой (рис. 4.6, б) проецируется изображение
передаваемой сцены. На стеклянную пластину нанесен тонкий слой
проводника (оксид олова, оксид индия, золото и др.), прозрачный
для проходящего света, — так называемая сигнальная пластина,
соединенная с кольцевым электродом, через который снимается
выходной сигнал изображения.
Непосредственно на сигнальную пластину наносится светочувст-
светочувствительный слой полупроводника, являющийся для коммутирующе-
коммутирующего пучка мишенью, преобразующей падающий световой поток в по-
потенциальный рельеф. Толщина этого слоя составляет 2...4 мкм,
Рис. 4.6. Устройство вндихона (а, б):
1— фокусирующая катушка, 2 — коллектор, 3 — фокусирующий электрод, 4 —
анод, 5 — электронный прожектор, 6 — корректирующие катушки, 7—отклоня-
7—отклоняющие катушки, 8 — планшайба, 9 — фотопроэодящнй слой, 10—сигнальная пла-
пластина
110
а материал — полупроводник с высоким темновым сопротивлени-
сопротивлением A0..Л О13 Ом-см) и световой чувствительностью. Наибольшее
распространение получили мишени из трхсернистой сурьмы. Кроме
того, используют мишени из селена, оксида свинца, сернистого
кадмия и др. Выбор того или иного полупроводника диктуется
прежде всего необходимостью получить заданную спектральную
характеристику чувствительности преобразователя. Использование
трехсернистой сурьмы позволяет получить спектральные характери-
характеристики чувствительности, достаточно близкие к кривой относитель-
относительной видности глаза человека. Материал мишени определяет и дру-
другие характеристики прибора (инерционность, свет — сигнал и др.).
Для формирования коммутирующего электронного пучка 1„ исполь-
используют плоский термокатод и модулятор, имеющий отрицательный
потенциал от 0 до 100 В (все потенциалы измеряют относительно
потенциала термокатода). Потенциал анода с апертурной диафраг-
диафрагмой, непосредственно формирующей коммутирующий пучок, поло-
положительный. Фокусирующий электрод с потенциалом, близким к по-
потенциалу анода, служит для создания эквипотенциальной области,
в которой происходит отклонение электронного пучка, а также его
фокусировка. Коллектор имеет мелкоструктурную сетку для об-
образования равномерного отбирающего электрического поля в рай-
районе мишени.
Потенциал сигнальной пластины Ua определяет режим работы
прибора. При низких положительных потенциалах — до +100
В (область О...С/j на рис. 4.5, а<\) — обеспечивается стабилизация
потенциала элементов мишени после коммутации их электронным
пучком при Uut близком к потенциалу катода. Такой режим работы
называют коммутацией медленными электронами. При потенци-
потенциалах сигнальной пластины Ui - U2 (см. рис. 4.5) стабилизация поте-
потенциала элементов мишени происходит при значениях, близких зна-
значению потенциала коллектора. Этот режим называют коммутацией
быстрыми электронами. Большинство приборов работает в первом
режиме. Рассмотрим приборы, работающие в режиме коммутации
пучком медленных электронов.
Фокусирующая катушка совместно с фокусирующим электродом
обеспечивают фокусировку коммутирующего пучка в плоскости
мишени. Отклонение пучка по вертикали и горизонтали осуществ-
осуществляется двумя парами отклоняющих катушек, для этого в них
генерируются токи пилообразной формы с частотой полей и строк.
Для направления коммутирующего пучка параллельно оси трубки
используют корректирующие катушки. Выходной сигнал снимается
с нагрузочного резистора Rm включенного в цепь сигнальной пла-
пластины.
Чтобы понять, как формируется сигнал в видиконе, восполь-
воспользуемся эквивалентной схемой мишени, приведенной на рис. 4.7.
Элемент изображения на мишени формируется коммутирующим
111
пучком. Проводимостью мишени по ее поверхности в первом при-
приближении можно пренебречь и представить мишень как мозаику из
элементарных конденсаторов Q, шунтированных резисторами
Д, (проводимость мишени). Емкость конденсатора С, определяется
площадью поперечного сечения коммутирующего пучка, (площа-
(площадью элемента ¦$,), толщиной полупроводникового слоя d и диэлект-
диэлектй й материала полупроводника:
D.12)
Сопротивление резистора Д, элемента мишени определяется
проводимостью а3 полупроводникового слоя на рассматриваемом
участке мишени:
R*=dl(o3S3). D.13)
Оно зависит от освещенности Д, рассматриваемого элемента изоб-
изображения, так как <?,=/(?,). Для большинства полупроводников эта
зависимость хорошо описывается соотношением
+а?> D.14)
где ат — темновая
Рве. 4.7. Эквивалентная
схема светочувствитель-
светочувствительного слоя видикона
112
проводимость; а — коэффициент, определя-
определяющий чувствительность полупроводника
к свету; у — коэффициент, учитывающий не-
нелинейную связь между проводимостью
и освещенностью; для большинства полу-
полупроводников у<1.
При проецировании изображения на ми-
мишень различные ее участки имеют различное
сопротивление: распределение освещенно-
стей Е(х, у) в плоскости изображения преоб-
преобразуется в распределение сопротивления
R(x, у) в объеме полупроводника.
Мишень заряжается коммутирующим
пучком. Заряд каждого конденсатора С, осу-
осуществляется в течение времени коммутации
рассматриваемого элемента (при стандарт-
стандартных параметрах разложения т=0,77 ¦ 10 с)
до значения Um, так как в процессе заряда
потенциал на правых обкладках конденсато-
конденсаторов становится близким к потенциалу като-
катода С/, =0 (<т<1, см, рис. 4.S). На эквивалент-
эквивалентной схеме процедура коммутации представ-
представлена замыканием ключа переключателя S.
В течение времени коммутации конденсатор
С, заряжается током, обозначенным на рис.
4.7 буквой 3 (заряд). В течение остального времени (практически
в течение времени кадра) емкость разряжается током, проходящим
по пути, обозначенном буквой Р (разряд).
Скорость разряда определяется постоянной времени Л,С„ а сле-
следовательно, как видно из соотношений D.13) и D.14), освещен-
освещенностью рассматриваемого элемента мишени. При увеличении осве-
освещенности постоянная времени уменьшается и конденсатор за время
кадра разряжается быстрее. Таким образом, рельеф R(x, у) преоб-
преобразуется в потенциальный рельеф UM(x, у). Процесс разряда каж-
каждого элемента мишени является процессом накопления. Чем быст-
быстрее разряжается конденсатор С» тем больший ток заряда во время
коммутации проходит по цепи 3, т. е. через нагрузочный резистор
Ra. Именно этот ток является выходным сигналом изображения.
В процессе заряда элементов мишени потенциальный рельеф преоб-
преобразуется в сигнал изображения. Элементу изображения с большей
освещенностью соответствует меньшее значение Д» а следователь-
следовательно, большие потенциал мишени и ток заряда (сигнала). При указан-
указанном на рис. 4.7 направлении тока на выходе видикона формируется
сигнал отрицательной полярности.
Для определения зависимости выходного сигнала видикона от
освещенности — характеристики свет — сигнал (характеристики
преобразования) — воспользуемся эквивалентной схемой рис. 4.7.
Рассмотрим динамику изменения потенциала Uu отдельного эле-
элемента мишени начиная с момента, когда переключатель S замыка-
замыкается, а потенциал С/м=0. После размыкания начинается разряд
конденсатора С, через резистор Д,. Изменение потенциала можно
описать соотношением
D.15)
Разряд (накопление) продолжается в течение времени кадра
Тх и к моменту следующей коммутации, как видно из соотношения
D.15), для освещенного элемента
DЛ6)
для неосвещенного
— сопротивления участков соответственно освещенного
и неосвещенного элементов мишени.
ИЗ
Усредненные за время коммутации т значения сигналов на на-
нагрузочном резисторе для освещенного и неосвещенного элементов
i^CVJx. D.18)
Полезный сигнал, определяемый разностью сигналов освещен-
ного и неосвещенного элементов, как следует из соотношений
D.16) -D.18),
D19)
Из соотношений D.12) — D.14) следует, что Л;Сэ=?/Dя<х)=
=еД4я((Т1+а??)]. С учетом этого для освещенного и неосвещенного
(?,-0) элементов выражение D.19) принимает вид
где kL =4я<тт Сэ TJ(ex), кг=4па TJe — коэффициенты, определяемые
свойствами используемого полупроводника и параметрами ТВС.
Для анализа зависимости D.20) воспользуемся разложением вто-
второго слагаемого в степенной ряд и ограничимся двумя членами
этого ряда:
UaEl D.21)
где к1/г=к1к2. Соотношение D.21) связывает сигнал на выходе
видико'на с освещенностью (характеристика свет — сигнал). Она
хорошо описывает реальные характеристики видиконов: имеет вид
показательной функции, причем у определяется в основном свойст-
свойствами используемого светочувствительного материала; для боль-
большинства полупроводниковых мишеней у < 1. В качестве примера на
рис. 4.8 приведена характеристика свет — сигнал для одного из
видиконов.
В видиконах чаще используют элект-
электромагнитное отклонение коммутиру-
коммутирующего пучка и комбинированную (маг-
(магнитную и электростатическую) его фоку-
фокусировку. В некоторых приборах фокуси-
фокусировка и отклонение осуществляются
с помощью электрического поля.
Чувствительность видиконов изме-
изменяется в широких пределах и поддается,
как видно из соотношения D.21), доста-
достаточно простому управлению изменени-
изменением величины (/«.
3 Е,т
Рис. 4.8. Характеристика
свет—сигнал видшеона
114
Инерщошюсть мдмкона. Если освещенность элемента мишени
изменяется, то сигнал на выходе преобразователя соответственно
также изменяется, но не сразу: в течение нескольких коммутаций он
увеличивается, достигая установившегося значения (инерционность
«нарастания»), или уменьшается (инерционность «спада»). В види-
коне возникновение инерционности связано с инерционностью фо-
фоточувствительного слоя (фотоэлектрическая составляющая) и не-
неполным считыванием накопленного заряда в процессе коммутации
(коммутационная составляющая).
Если освещенность элемента фоточувствительного слоя в мо-
момент времени ti изменяется от некоторого конечного значения Ео
до 0 (рис. 4.9, а), то сопротивление элемента мишени Д, изменя-
изменяется от Яд до к„ не скачкообразно, а в течение конечного про-
промежутка времени (рис. 4.9, б). Закон изменения сопротивления,
а также время, в течение которого оно достигнет равновесного
значения, определяются характером образования и рекомбинации
носителей зарядов в фоточувствительном слое. Заряды, накаплива-
накапливаемые к моментам последующих коммутаций в разных кадрам
окажутся различными вплоть до установления стационарного зна-
значения, определяемого темнозым сопротивлением слоя (рис. 4.9, в).
-Ч 1—
/, / 2 3 4 ] ] tg 1 2' 3 4
t. t234tgi234n
Л~ ' ( Г~ ~ж
t, 1 2 3 4 tz I 2 3 4 n(t)
t, / 2 3 4 tt t 2 3 4n(t)
Рве. 4.9. К образованию ннерцяояЕеети ввдщоаа:
а — жмгяеаш! ссвещенасстн, б — оовротвзлеша, в — по-
потенциала мшзсеш, s — сигнала
115
Соответственно сигнал, формируемый преобразователем, будет
изменяться от гл, определяемого исходной освещенностью элемен-
элемента, до i,«>=i,T, соответствующего в рассматриваемом случае темно-
вому сопротивлению (рис. 4.9, г). Аналогичные процессы проис-
происходят и при изменении освещенности от меньшей к большей —
инерционность «нарастания» (начиная с момента t2 на рис. 4.9).
Приведенные кривые соответствуют экспоненциальному закону из-
изменения сопротивления элемента светочувствительного слоя
Д»(О=(Лэт-адехр{-ах[(л-1)Г,+<1}+Лэо, где л —номер кадра
после изменения освещенности в стандартном режиме разложения
0</<Г„ причем в этом примере ^=7,35-1013 Ом, Д,о=7,35-1012
Ом, а=59.
Допущение об изменении потенциала Uu элемента мишени в те-
течение времени коммутации т до потенциала катода ((/м«0) прак-
практически реализовать не удается. За время коммутации коммутиру-
коммутирующий пучок должен приносить на мишень заряд, способный изме-
изменить ее потенциал от Um0 до 0. Если считать, что за время накопле-
накопления потенциал рассматриваемого элемента изменится до значения
Gмо=О,5 Um, то должно выполняться условие 0/„=О,5GшСэ/т @ —
коэффициент, определяющий эффективность коммутации). Зная па-
параметры реального видикона, можно определить необходимое зна-
значение /п. Например, при СЭ=1,З.НГ14 Ф; т=0,77.1(Г7 с; 0=0,33
имеем /п=5 мкА. В реальных условиях формирования коммутиру-
коммутирующего пучка на площади одного элемента разложения можно
сконцентрировать поток электронов, на порядок меньший. Даль-
Дальнейшее увеличение тока пучка приводит к его расфокусировке. Этот
ток оказывается явно недостаточным для того, чтобы обеспечить
понижение потенциала элемента до потенциала катода за время т.
Для этого требуется несколько коммутаций. В моменты коммута-
коммутации потенциального рельефа на выходе трубки формируется сигнал,
определяемый соответствующим остаточным потенциальным ре-
рельефом, т. е. проявляется инерционность спада сигнала. Механизм
увеличения сигнала аналогичен рассмотренному.
Полная инерционность видикона не является простой суммой
составляющих, а более сложным образом зависит от инерцион-
инерционности фотоэффекта и коммутации. Инерционность фотоэффекта
увеличивается при уменьшении освещенности. Это приводит к уве-
увеличению полной инерционности видикона в условиях малых осве-
щенностей (смазывание изображения).
Инерционность ?(п) проявляется в большей или меньшей степе-
степени практически у всех преобразователей изображения с накоплени-
накоплением сигналов. Ее принято характеризовать зависимостью
«00=7
U0)-/,(oo)
D-22)
116
где сигналы для рассматриваемого элемента изображения в момен-
моменты изменения освещенности, л-й коммутации и в установившемся
режиме обозначены соответственно /,@), /,(л), /Доо).Пример зависи-
зависимости D.22) приведен на рис. 4.10.
Инерционность преобразователя изображения можно оценить
временем (числом кадров), в течение которого сигнал достигает
значения, не превышающего заданного. Для примера, приведенного
на рис. 4.10, при заданном ?<0,1 инерционность составляет 0,12 с,
или три кадра. В ряде случаев инерционность характеризуют значе-
значением, соответствующим первой (второй) коммутации после измене-
изменения освещенности (для кривой рис. 4.10 ^=0Д2).
На практике получили распространение видиконы различных
типоразмеров — диаметром 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм и др. Они
предназначены для работы как со стандартными F25/50/2:1),так и
нестандартными параметрами разложения.
Многообразие преобразователей с полупроводниковыми мише-
мишенями связано прежде всего с различиями материалов мишеней и их
структуры. Вместе с этим такие преобразователи отличаются по
конструкции термокатодов, способу отклонения коммутирующего
пучка и др. Кроме мишеней Sb2S2 используют такие материалы,
как ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, Se и др.
Пример спектральной характеристики и видикона приведен на
рис. 4.11. В преобразователях, чувствительных в инфракрасной об-
области спектра, используют мишени, выполненные на основе PbS,
CdS, Sb2 Te3, Ge и др. Теоретически преобразователи с подобными
мишенями нельзя относить к видиконам, так как в них используют-
используются дополнительные слои, поглощающие инфракрасное излучение,
они имеют сложную мозаичную структуру, что изменяет принципы
действия мишени. При создании преобразователей для инфракрас-
инфракрасной области спектра должны быть приняты меры по защите от
воздействия собственного инфракрасного излучения термокатода.
Для зашиты от излучения термокатода прожектор трубки распола-
располагают под некоторым углом к ее оси, а сформированный элект-
5 п
Рве. 4.10. Характеристи-
Характеристика инерционности видико-
видикона
0 400 500 600
Рис. 4.11. Спепральаая характери-
характеристика и
117
Рас 4.12. Мишень плюмбижона (а) и кремникона (б):
1 — противоореольный диск, 2 — планшайба, 3 — оксид свинца, 4 — полупро-
полупроводник р-тнпа, 5 — полупроводниж л-типа, 6 — сигнальная пластина, 7 —диож-
сид кремния, 8 — вывод сигнала
ровный пучок направляют к мишени с помощью дополнительного
магнитного поля.
Плюмбиков. В плюмбиконе используют оксидно-свинцовую ми-
мишень (ОСМ). Преобразователь такого типа имеет ряд фирменных
аналогов: леддикон, видикон с ОСМ и др. Мишень плюмбикона
наносят на стеклянную планшайбу (рис. 4.12, а). Она включает
в себя слой полупроводника с электропроводностью n-типа, моно-
монокристаллический слой оксида свинца, обладающий светочувствите-
светочувствительностью, и полупроводниковый слой с электропроводностью р-
типа. Общая толщина мишени 12 ... 20 мжм. Между мишенью
и планшайбой находится полупрозрачная сигнальная пластина. По-
Поглощение света происходит в основном в слое оксида свинца,
представляющем собой упорядоченную игольчатую структуру
с кристаллами размером ~0,1 х 3 хО,О5 мкм, которые расположены
перпендикулярно поверхности стеклянной планшайбы.
Формирование потенциального рельефа происходит на поверх-
поверхности слоя, к которому непосредственно подходит коммутирующий
пучок. Для предотвращения «растекания» потенциального рельефа
вдоль этого слоя (между соседними элементами мишени, имеющи-
имеющими различный потенциальный рельеф) его толщина берется очень
малой, что обеспечивает высокое сопротивление слоя в направлении
вдоль мишени.
Коммутация потенциального рельефа осуществляется пучком
медленных электронов; следовательно, мишень стабилизируется
при потенциале, близком потенциалу катода. Выходной сигнал
снимается с нагрузочного резистора, включенного в цепь сигналь-
сигнальной пластины (см. рис. 4.6). Учитывая, что на сигнальную пластину
подается положительный потенциал, вся система представляет со-
собой мозаику /м-л-фотодиодов, включенных в обратном направле-
направлении. Это приводит к существенному снижению темнового тока
мшпени и его неравномерности по полю изображения.
При рабочих потенциалах сигнальной пластины в толще мишени
118
создается относительно высокая напряженность электрического по-
поля, обеспечивающая эффективное разделение генерированных све-
светом электронно-дырочных пар. При этом ток сигнала оказывается
близким к току насыщения, что обусловливает высокую линейность
характеристики свет — сигнал. Показатель линейности этой харак-
характеристики в рабочем диапазоне освещенностей находится в преде-
пределах 0,95 ±0,05. Высокая линейность характеристики преобразова-
преобразования обеспечивает успешное использование этих приборов в камерах
цветного телевидения.
Плюмбиконы обладают малой инерционностью. Коммутацион-
Коммутационная составляющая инерционности уменьшается в результате сниже-
снижения накопительной емкости. Последнее является следствием увели-
увеличения толщины мишени и ее высокой пористости. Уменьшение
фотоэлектрической составляющей происходит как вследствие созда-
создания в слое отбирающего электрического поля высокой напряжен-
напряженности, так и из-за свойств самого материала мишени. Для уменьше-
уменьшения инерционности в некоторых типах плюмбиконов дополнитель-
дополнительно используют внутреннюю подсветку мишени, повышающую эф-
эффективность считывания потенциального рельефа в затемненных
участках изображения. Возникающее при этом смещение уровня
черного сигнала изображения корректируется в процессе преобразо-
преобразования сигнала в тракте усиления и обработки.
Для предотвращения эффектов, связанных с отражением от вне-
внешней поверхности планшайбы диффузно рассеянного света, исполь-
используют противоореольный диск 1 толщиной не более 7 мм, закреплен-
закрепленный на входном окне плюмбикона с помощью оптической склейки.
Антнкометный прожектор. При передаче изображений, в которых
содержатся объекты повышенной яркости (источники света, поверх-
поверхности с бликами и др.), ток коммутирующего пучка становится
недостаточным для считывания потенциального рельефа, соответ-
соответствующего этим участкам изображения. При движении ярких
объектов в поле изображения или панорамировании передающей
камеры на телевизионном изображении возникают характерные
искажения («тянучки», «хвосты кометы» и др.). Для значительного
ослабления этих эффектов используют так называемый «антикомет-
ный» (АК) прожектор. Он обеспечивает дополнительное считывание
усиленным по току (в 10... 15 раз) коммутирующим пучком потенци-
потенциального рельефа пересвеченных участков, соответствующих элемен-
элементам изображения с повышенной яркостью. Это считывание произ-
производится во время обратного хода по строке. Чтобы сохранить
полезный потенциальный рельеф на уровне заданного значения, во
время обратного хода пучка по строке потенциал катода повышают
до «7Ж=5...15 В, т. е. до максимального значения полезного потенци-
потенциального рельефа мишени; во время обратного хода для полезного
рельефа пучок оказывается запертым. Этим режимом обеспечивает-
обеспечивается стабилизация «пересвеченных» участков при значениях потенци-
119
ала 5... 15 В. Одновременно на управляющий электрод подается
импульс положительной полярности амплитудой 25...50 В, опреде-
определяющий ток коммутирующего пучка во время обратного хода. Для
динамического управления пучком в видиконе с АК-прожектором
имеется дополнительный электрод (в области первого анода), на
который подается импульсное напряжение отрицательной поляр-
полярности. Настройка режима АК-прожектора производится подбором
потенциалов дополнительного электрода, катода и модулятора
в периоды обратного хода.
Отклонение и фокусировка коммутирующего пучка в плюмбико-
не — электромагнитные. Размер изображения на мишени 9,5 х 12,7
мм2 при диаметре колбы 26,7 мм. При освещенности на мишени
1 лк ток сигнала составляет не более 0,05 мкА. Разрешающая
способность плюмбикона 600 лин, в плюмбиконах, предназначен-
предназначенных для использования в системах ТВЧ, — 800..Л250 лин. Остаточ-
Остаточный сигнал (инерционность) через 40 мс составляет 8... 17%.
Спектральная характеристика чувствительности плюмбиконов
различна: она может быть близка к кривой видности глаза, иметь
повышенную чувствительность в красной или синей области (плюм-
биконы для цветного телевидения).
Кремнжкои. По принципу действия кремникон относится в ФЭП
с полупроводниковой светочувствительной мишенью. Отличие его
от рассмотренных видикона и плюмбикона состоит в способе фор-
формирования потенциального рельефа. Мишень кремникона является
дискретной — представляет собой матрицу фотодиодов, изготов-
изготовленных методами планарной технологии.
В отличие от светочувствительных слоев видиконов в качестве
материала мишени кремникона используют легированный полупро-
полупроводник с низким сопротивлением. Основой мишени является диск из
монокристалла кремния с электропроводностью л-типа диаметром
не более 20 мм и толщиной 150 мкм (рис. 4.12, б). На одной из
поверхностей диска выращивается пленка диоксида кремния. Мето-
Методом фотолитографии в ней создается матрица отверстий, а диф-
диффузией вещества с электропроводностью /мила сформированная
матрица преобразуется в мозаику дискретных р-л-переходов. Не-
протравленные участки диоксидной пленки обеспечивают изоляцию
элементов мозаики. Толщина рабочего участка мишени (в круге
диаметром ~ 16 мм) составляет 15...20 мкм. На поверхности,
обращенной к планшайбе, сформирован слой с электропроводно-
электропроводностью п+-типа толщиной 0,2...0,8 мкм, являющийся сигнальной пла-
пластиной. Вывод сигнала изображения осуществляется с помощью
тонкого металлического кольца, которое наносится на краевую
часть диска.
Накопительной частью мишени является активная часть матри-
матрицы (фотодиоды). Для предотвращения накопления зарядов между
фотодиодами наносится резистивное покрытие Sb2S3, имеющее
высокое удельное сопротивление. Размер элементов матрицы (фо-
120
тодиодов) не более 8 мкм, т. е. меньше сечения коммутирующего
пучка на мишени, поэтому дискретность структуры мишени прак-
практически не ограничивает разрешающую способность прибора.
Коммутация осуществляется пучком медленных электронов
(<т<1), поэтому потенциал элементов мишени в процессе считыва-
считывания стабилизируется и приближается к потенциалу катода. Потен-
Потенциал сигнальной пластины положительный F... 10 В); следователь-
следовательно, диоды матрицы находятся в закрытом состоянии, а накопитель-
накопительные емкости после коммутации заряжены. Образующиеся под дей-
действием света возбужденные неосновные носители заряда разряжают
элементарные конденсаторы, причем скорость разряда определяет-
определяется освещенностью. Следовательно, ток заряда (сигнала) в этих
условиях также определяется скоростью разряда накопительной
емкости к моменту повторной коммутации. Таким образом, форми-
формирование сигнала в процессе коммутации аналогично формированию
сигнала в видиконе.
Достоинствами кремникона являются малые темвовые токи (фо-
(фотодиоды в темноте закрыты), линейность характеристики преоб-
преобразования и устойчивость мишени к большим освещенностям (пере-
светкам), отсутствие инерционности. Характеристики свет — сиг-
сигнал, спектральная и другие приведены в [2].
§ 4. 4 МНОГОСИГНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ МИШЕНЯМИ
На базе рассмотренных ФЭП могут быть построенные телевизи-
телевизионные камеры для формирования сигналов не только в черно-
белом, но и в цветном телевидении, однако в последнем случае
используют три или четыре преобразователя. К этим преобразова-
преобразователям предъявляют весьма жесткие требования по идентичности
характеристик свет — сигнал, геометрических искажений, инерци-
инерционности и др. Этим обусловлены высокая стоимость ФЭП и цвет-
цветной телевизионной камеры, ее большие габариты и масса.
В 50-е годы появились лабораторные макеты, а в 70-е годы —
передающие телевизионные трубки, формирующие сигнал изоб-
изображения , содержащий информацию о цветовом содержании переда-
передаваемой сцены, — так называемые многосигнальные видиконы.
Мыогоскгаалыше вндмкоеы. Это устройства с пространствен-
пространственным разделением светового потока непосредственно на светочувст-
светочувствительной поверхности ФЭП. Принцип действия таких преобразо-
преобразователей основан на использовании оптико-электронного кодирова-
кодирования изображения. При этом спектральные свойства светового пото-
потока в плоскости изображения находят отражение в пространственном
распределении потенциального рельефа в соответствии с функци-
функциональной связью между спектральными характеристиками и вре-
временными (или частотными) параметрами формируемого сигнала
121
Крезисторам
нагрузки
Рис. 4.13. Мишень трехсигналь-
ного вндикона:
7 — светофильтры, 2 — * —сиг-
—сигнальные пластины, 5—фотопрово-
дящвй слой, б — планшайба
изображения. Используя эти функцио-
функциональные связи, производят декодиро-
декодирование сигнала и преобразование его
в цветоделенные сигналы изображения.
Многосигнальные видиконы нашли
применение в прикладных системах
цветного телевидения, системах видео-
видеожурналистики, бытовой видеотехнике.
Как правило, это трехсигнальные или
трехцветные ФЭП. В ряде случаев ис-
используют двухсигналъные преобразо-
преобразователи изображения. Схема, поясня-
поясняющая принцип действия трехсигналь-
ного вндикона, приведена на рис. 4.13.
Чередующиеся полосковые электроды
образуют три сигнальные пластины 2,
3, 4. Между планшайбой б и сигналь-
сигнальными пластинами расположены свето-
светофильтры 1 основных цветов колориме-
колориметрической системы преобразователя
(например, красный, синий и зеленый).
Фотопроводящий слой (как и в обыч-
обычном видиконе) нанесен на сигнальную пластину. Образованный на
его поверхности потенциальный рельеф в каждом участке определя-
определяется не только содержанием передаваемой сценм, но ш тем, какому
светофильтру соответствует этот участок.
Таким образом, на поверхности мишени формируется рельеф,
соответствующий трем цветоделенным изображениям, участки ко-
которых чередуются соответственно чередованию светофильтров.
Группы электродов, образующие сигнальную пластину и соответст-
соответствующие светофильтрам одного цвета, гальванически соединяются
и на трех нагрузочных резисторах формируются цветоделенные
сигналы. Полосковые светофильтры и сигнальные пластины рас-
располагаются перпендикулярно строчной развертке. Теоретически на
каждый элемент изображения должно приходиться три электрода
и три светофильтра разных цветов. Количество полосковых элект-
электродов получается весьма большим. Расстояние между электродами
разных сигнальных пластин очень мало. Это приводит к появлению
нежелательной емкостной связи между сигнальными пластинами.
Для ее уменьшения гребенки сигнальной пластины располагаются
в разных плоскостях. Как видно из рис. 4.13, одну из них или две
углубляют в стекло планшайбы.
Наряду с емкостными связями между сигнальными пластинами
в цветоделЕтельном узле возникают значительные оптические связи
между цветоделенными изображениям» на мишени (из-за рассеяния
и отражения света в светоделительном узле). Действие перечислен-
перечисленных факторов приводит к значительному взаимному влиянию цве-
122
тоделенных изображений и снижению качества формируемого сиг-
сигнала и цветного изображения.
Дальнейшие успехи в использовании многосигнальных видихо-
нов связаны с созданием систем с кодирующими полосковыми
фильтрами. В таких системах используется метод частотного или
временного кодирования оптически цветоделенных изображений.
На выходе преобразователя формируется один сигнал, в котором
информация о содержании цветоделенных изображений разнесена
по различным частотным диапазонам выходного сигнала или зако-
закодирована в фазе сигнала.
Система с частотным кодированием (Kell R. D, Macovski A.
— США). Оптический кодирующий фильтр устанавливается
в плоскости изображения и представляет собой группу наложенных
друг на друга полосковых светофильтров: чередующиеся прозрач-
прозрачные (белые) и желтые светофильтры устанавливаются перпендику-
перпендикулярно направлению строчной развертки, а чередующиеся прозрач-
прозрачные и голубые — под некоторым углом а к вертикали, равным,
например, 45°. Фрагмент этого фильтра показан на рис. 4.14, а.
Очевидно, что структура кодирующей маски представляет собой
желтые, голубые, прозрачные и зеленые участки (наложение желто-
желтого и голубого фильтров). Частотный состав выходного сигнала
определяется шагом вдоль строк желтой и голубой масок. Количе-
Количество полосковых светофильтров выбирается таким, чтобы обес-
обеспечить в выходном сигнале частоту fB=5 МГц при пересечении
коммутирующим пучком желтой маски.
Таким образом, при декодировании обеспечивается передача
информации о синем цветоделенном изображении на этой частоте.
Следовательно, при пересечении голубой маски, установленной
под углом к вертикали, образуется более низкочастотный сигнал.
Если а=45°, iofR-fBl>J2 (~ 3,5 МГц). Этот сигнал после декоди-
декодирования формирует красный цветоделенный сигнал изображения.
0,8
0,6
ОА
——* ч
300 400 500 600 Л,нм
Рис. 4.14. Структура кодирующего фильтра (а) и спектральные ха-
характеристика светофильтров (б) преобразователя с двумя поднесу-
ЩИШЕ
1—4 — желтые, голубые, прозрачные н зеленые, 5 — голубой, 6 — нелтый
участки
123
Выбор соответствующих спектральных характеристик пропуска-
пропускания желтого и голубого фильтров (например, как показано на рис.
4.14, б) обеспечивает прозрачность в центральной части спектра по
всей плоскости изображения и, следовательно, формирование низ-
низкочастотной составляющей, соответствующей яркостному сигналу.
Спектральный состав формируемого сигнала изображения S(j) по-
показан на рис. 4.1S, а. Наряду с низкочастотной компонентой сигнала
Еу, полоса частот которого в рассматриваемом примере ~3 МГц,
в сигнале формируются два компонента ER и Ев с поднесущими/х
и fg. Используя сформированный сигнал (Ej), можно получить
цветоделенные компоненты ER, EG, Eg. Схема, поясняющая принци-
принципы их формирования, приведена на рис. 4.15, б. С помощью полосо-
полосовых фильтров детекторов и соответствующих фильтров нижних
частот ФНЧ2, ФНЧЗ формируются сигналы ER и Ев. Сигнал EG
образуется низкочастотной фильтрацией ФНЧ1 и матрицированием
с сигналами ER и Ев. Реальные схемы включают дополнительные
элементы временного согласования, высокочастотной коррекции
и др.
Частотный диапазон формируемого сигнала ограничивается
апертурой коммутирующего пучка. Это приводит к заметному сни-
снижению эффективной полосы частот, отводимому для яркостного
сигнала (EY), и, следовательно, снижению четкости формируемого
изображения.
Расфокусировка пучка на периферии растра, которая приводит
к частотным искажениям
формируемого сигнала, про-
проявляется в виде цветовых
искажений по полю изобра-
изображения. Для ее ослабления
необходимо улучшать систе-
систему фокусировки коммутиру-
коммутирующего пучка.
Система с частотно-фазо-
частотно-фазовым кодированием (с частот-
частотным разделением и переме-
жением спектров сигналов).
По сравнению с другими си-
системами здесь наиболее эф-
эффективно используется ча-
частотный диапазон формиру-
формируемого сигнала изображения.
Информация о красном и си-
синем цветоделенных изобра-
изображениях передается в одном
Рис. 4.15. Спепралышй состав сигнала (а) частота°м Диапазоне, распо-
и структурная схема для его декодирования ложенном в высокочастот-
(б) ной области спектра сигнала
124
Рис. 4.16. Структура кодирующего
фильтра преобразователя с одной под-
1 — 4 — желтые, голубые, прозрачные и зе-
зеленые увели
изображения. За счет этого рас-
расширяется полоса частот, отводи-
отводимых для передачи яркостного сиг-
сигнала (Еу\ что приводит к повы-
повышению разрешающей способно-
способности преобразователя. Поднесу-
щая частота сигналов красного
и синего цветоделенных изобра-
изображений выбирается несколько ни-
ниже частоты поднесущей синего
цветоделенного сигнала в рассмо-
рассмотренной ранее системе, а это сни-
снижает требования к фокусировке
коммутирующего пучка передаю-
передающей трубки.
В системе с частотно-фазовым
кодированием голубой и желтый
фильтры имеют одинаковый шаг
и расположены под одинаковыми
углами (+а) относительно напра-
направления сканирования, но с накло-
наклоном в разные стороны относительно вертикали изображения (рис.
4.16). Поднесущие частоты для обоих цветоделенных изображений
одинаковы, они определяются шагом полосковых фильтров и углом
их наклона. Примерный спектр формируемого сигнала показан на
рис. 4.17, а. Шаг и наклон полосок фильтров выбирают такими,
чтобы в смежных строках i и i+1 обеспечивался фазовый сдвиг на
90° на поднесущей частоте, формируемой одним фильтром, и опе-
опережение на 90° для сигнала, формируемого другим фильтром.
Один из вариантов формирования цветоделенных сигналов ER,
EG, Ев иллюстрируется схемой рис. 4.17, б. Основным звеном схемы
является гребенчатый фильтр, включающий элемент задержки сиг-
сигнала изображения на время строки Тх, задержху, обеспечивающую
сдвиг фазы сигнала по частоте/»» на четверть периода (р=90°),
и алгебраические сумматоры I. этот фильтр после выделения с
помощью полосового фильтра fRBt отделяющего высокочастотную
составляющую сигнала Е& позволяет сформировать цветоделенные
сигналы ER и Ев. В одном из каналов сигнал задерживается на 90°
по несущей частоте и суммируется с сигналом предыдущей строки,
т. е. после задержки сигнала на время одной строки Тх во втором
канале из сигнала предыдущей строки вычитается сигнал, сдвину-
сдвинутый на 90°. Сформированные высокочастотные сигналы после дете-
детектирования и низкочастотной фильтрации ФНЧ2, ФНЧЗ образуют
сигналы ER, Ещ. Сигнал EG образуется из сигнала Ej. низкочастотной
фильтрацией ФНЧ1 и матрицированием.
За счет совмещения спектров красного и синего цветоделенных
сигналов полоса пропускания по яркостному каналу Ег может быть
125
J 4
о)
5 ?МГц
ФНЧ1
Матрица
ПопосоШ
мы
flt,B
Задержка
Тх
Задержка
=90°
н
Детек-
Детектор
Детек-
Детектор
ФНЧ2
ФНЧЗ
Рис. 4.17. Спектральный состав сигнала (а) и схема для его
декодирования (б)
расширена (в приведенном примере до 3,6 МГц), что приводит
к повышению четкости изображения, и частота поднесущей fR B
может быть установлена несколько ниже частоты fB в предыдущем
преобразователе, что снижает цветовые искажения, возникающие
благодаря расфокусировке коммутирующего пучка.
Использование задержки для разделения двух информационных
цветовых сигналов основано на значительной корреляции изобра-
изображения в соседних строках. Это приводит к снижению разре-
разрешения в цвете по вертикали в два раза. Кроме того, дополнитель-
дополнительные меры позволяют сохранить разрешение по яркости неизменным
Система с кодовым разделением снгвалов цветоделенвых изоб-
изображений. В таких системах кодовый сигнал, используемый для
декодирования цветовой видеоинформации, генерируется непосред-
непосредственно в процессе формирования сигнала изображения.
Принцип действия преобразователя с кодовым разделением сиг-
сигналов можно рассмотреть на примере преобразователя типа «три-
никон», разработанного японской фирмой «Sony Corporation». Сиг-
Сигнальная пластина выполнена в виде двух гребенок (рис. 4.18). Све-
Световой поток проходит через светофильтры, представляющие собой
структуру из красных, зеленых и синих полосок (R, G, В), рас-
расположенных перпендикулярно направлению строчного сканирова-
сканирования. На светочувствительной поверхности мишени формируется
потенциальный рельеф, отражающий три цветоделенных в простра-
126
нстве мишени изображения. После счи-
считывания потенциального рельефа
обычным способом образуется файл
сигнала изображения, в котором с по-
последовательностью, определенной
структурой светофильтра, чередуются
значения сигналов, соответствующих
красному, зеленому и синему цветоде-
ленным изображениям. Для разделе-
разделения такого сигнала на три цветоделен-
цветоделенных используется синхронное детекти-
детектирование.
Для управления синхронными дете-
детекторами цветоделенных каналов в сиг-
сигнал изображения должны быть введе-
введены опорные (индексные) сигналы. Для
этого сигнальная пластина разделяется
на две группы полупрозрачных поло-
сковых электродов (первая и вторая
сигнальные пластины), каждая из кото-
которых имеет вывод для подачи потенци-
потенциала смещения UM положительной или
отрицательной полярности, переклю-
переключаемого электронным переключателем
с частотой строчной развертки. Через
этот переключатель на сигнальную
пластину подается напряжение VM.
Импульсные изменения потенциалов
сигнальных пластин приводят к прак-
практически равным по значению U^ изменениям потенциалов соответ-
соответствующих участков поверхности мишени и не изменяют падения
напряжения на накопительной емкости, т. е. не влияют на процесс
накопления. Они влияют только на процесс считывания рельефа
(изменение потенциала происходит во время обратного хода по
строке перед коммутацией). Следовательно, при коммутации к по-
потенциальному рельефу добавляется значение им.
Сформированный сигнал определяется содержанием передава-
передаваемого изображения, структурой полоскового светофильтра, а также
включает опорные импульсы положительной и отрицательной по-
полярности (по отношению к средней составляющей сигнала), фаза
которых изменяется от строки к строке в такт с работой переключа-
переключателя. Сопоставляя сигналы смежных строк (для этого используют
линию задержки сигнала изображения на одну строку), можно,
суммируя сигналы соседних строк, получить сигнал изображения
без опорных импульсов, а вычитая эти сигналы — сформировать
опорные импульсы (без сигнала изображения).
ft
Рис. 4.18. Мишень преобразо-
преобразователя с кодовым разделением
сигналов:
/ — планшайба, 2 — светофильтры,
3. ?-г первая и вторая сигнальные
пластины, 5 — фотопроводшций
слой, б — электронны* переключа-
переключатель
Так как положение светофильтров относительно сигнальных
пластин строго фиксировано, сформированные опорные импульсы
позволяют распределить сигнал изображения во времени по трем
каналам, т. е. сформировать три цветоделенных сигнала. Техничес-
Технически это осуществляется синхронным детектором, управляемым
опорными импульсами.
Система формирования цветоделеаных сигналов координатным
способом. При этом способе цветоделительная маска (система све-
светофильтров) может иметь как периодическую, так и случайную
структуру элементарных светофильтров. Ее устанавливают непо-
непосредственно перед сигнальной пластиной (мозаичный светофильтр
на рис. 4.19, а). Бели устройством памяти зафиксировать текущие
координаты элементов изображения, относящихся соответственно
красному, зеленому и синему светофильтрам, то электронным ком-
коммутатором, управляющим сигналами модуля памяти координат,
можно сформировать цветоделенные сигналы в режиме передачи
изображения. Для реализации этого принципа осуществляется за-
запись координат светофильтров конкретного преобразователя (т. е.
после каждой установки новой передающей трубки в камеру). Све-
Светочувствительная поверхность освещается световым потоком крас-
красного монохроматического источника (полупроводникового лазера),
а координаты светофильтров фиксируются в модуле памяти (пере-
(переключатель сигнала изображения в положении / — рис. 4.19, б).
Далее светочувствительная поверхность освещается потоком си-
синего монохроматического излучения, при этом фиксируются коор-
координаты синих светофильтров.
В процессе передачи изображения (переключатель сигнала изоб-
изображения в положении // — рис. 4.19, б) видеосигнал с выхода преоб-
преобразователя поступает на вход электронного коммутатора, управля-
управляемого сигналами модуля памяти координат. Таким образом осуще-
Сдет
ж
Переключатель
Электрон-
Электронный концу —>
тштр
Модуль
памяти
и
-I
В) 6)
Рис. 4.19. Мишень (а) и декодер (б), реализующие юординатай
способ формирования сигналов:
] — олавш&й-
ба, 2—мозаичный светофильтр, 3 — сигнальная пластина, 4—фотопрово-
дящий слой
128
ствляется разделение во времени видеосигнала на три цветоделен-
цветоделенных. Естественно, выходные каскады коммутатора должны содер-
содержать низкочастотные фильтры или другие устройства, формиру-
формирующие аналоговые или цифровые цветоделенные сигналы ER, EG, EB.
§ 4.5. ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
Приборы с переносом заряда (ГШЗ), появившиеся в конце 60-х
годов, нашли широкое применение в электронике как устройства
памяти, обработки цифровой и аналоговой информации, мультип-
мультиплексирования сигналов и др., однако наибольший эффект был полу-
получен при их использовании в качестве преобразователей изображе-
изображения.
По принципу действия ППЗ можно разделить на две группы:
приборы с зарядовой связью (ПЗС) и приборы с зарядовой имжекцией
(ПЗИ).
В ПЗС реализуется принцип самосканирования, т. е. направлен-
направленного перемещения накопленных зарядов вдоль цепочки элементар-
элементарных накопителей зарядов. В ПЗИ вместо последовательного пере-
переноса зарядов к выходу устройства используется единичный перенос
заряда от каждого накопительного элемента и параллельное считы-
считывание информации в поле изображения. Приборы с зарядовой ин-
жекцией существенно отличаются от ПЗС более сложной струк-
структурой системы вывода сигнала изображения, что приводит к боль-
большой выходной емкости прибора.
Основой ПЗС является конденсатор со структурой металл — ок-
оксид — полупроводник (МОП-конденсатор), способный хранить ин-
информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием
света или инжекции через /wi-переход. Цепочка из МОП-конден-
МОП-конденсаторов, связанных друг с другом, передает зарядовые пакеты под
воздействием управляющих напряжений от одного элемента струк-
структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются
в потенциал или ток.
К достоинствам ПЗС-структур относятся:
возможность непосредственного преобразования светового по-
потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую инфор-
информацию;
способность направленной передачи зарядовой информации
и преобразования ее в сигнал изображения при точном соблюдении
геометрии точечного растра (координаты элементов фиксируются
с точностью, превышающей 0,3 мкм);
высокое быстродействие;
возможность обработки информации непосредственно на ма-
матрице;
высокая степень интеграции, малая потребляемая мощность
и габариты;
5 Р. Е. Быков
129
высокая механическая прочность, стойкость к вибрациям и эле-
электромагнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.
Непосредственными предшественниками преобразователей на
ГОС-струггурах являются матричные фотодиодные преобразова-
преобразователи с координатной выборкой сигналов изображения (см. § 3.1,
рис. 3.2, а). Внедрению этих приборов в телевизионную технику
препятствуют помехи на изображении, вызванные большой емко-
емкостью считывающих шин и разбросом ее значений для разных участ-
участков матрицы. Как правило, в ПЗС-преобразователях вывод сигнала
осуществляется через один выход. Как и фотодиодные преобразова-
преобразователи, ПЗС делятся на линейные и двумерные (матрицы). Линейные
ПЗС содержат ряд фоточувствительных элементов, т. е. передают
одну строку изображения. Для передачи двумерной сцены использу-
используют перемещение передаваемого изображения поперек строки (на-
(например, в системах телекинопроекции кинопленку непрерывно пере-
перемещают относительно ПЗС-линейки) или линейный преобразова-
преобразователь перемещают относительно сцены, (например, в системах съем-
съемки поверхности Земли сканирование по одной координате осуществ-
осуществляется за счет движения носителя).
ПЗС-структуры часто используют как устройства сопряжения
информации систем с разным быстродействием, логические устрой-
устройства обработки цифровых сигналов, линии задержки с расширением
или сжатием сигналов и др. В таких устройствах применяют элект-
электрический ввод сигнала.
Принцип действия ГОС-преобразователей. Активной ячейкой, осу-
осуществляющей преобразование светового потока в электрический
заряд, является МОП-конденсатор (рис. 4.20). В качестве основы
в ней используют подложку — слой полупроводника, например из
/нсремния. Термическим окислением на ее поверхности формируют
слой оксида, являющийся диэлектриком, на который наносят про-
проводящий электрод. Если между электродом и подложкой прило-
приложить положительное напряжение U3, то в результате действия элек-
электрического поля под электродом образуется зона, обедненная ос-
основными носителями (условно обведе-
обведена пунктиром в рассматриваемом ва-
варианте для дырок).
Энергетические диаграммы МОП-
структуры для этого случая приведены
на рис. 4.21, а — в [19]. По вертикаль-
вертикальной оси отложена полная энергия элек-
электронов Ее (с учетом потенциальной
энергии электронов в электрическом
поле), а по горизонтальной — расстоя-
ние (координата х в направлении ме-
талл __ оксид — полупроводник);
(рп _ поверхностный потенциал. В об-
У////ЩЩ
Рис. 4.20. Элементарная ячейка
МОП-струпуры.
1 - подложи, *^т3 -а**-
130
Рис. 4.21. Энергетическая диаграмма МОП-структуры для трех
состояний:
а— в темноте, ? — при освещении,«— с объемным певдом; J — ожсцд,
2 — полупроводник р-гшл, 3 — металл, 4 — объемный канал
разевавшейся потенциальной яме происходит накопление неоснов-
неосновных носителей заряда — электронов, образуемых в результате фо-
фото- им термоэлектронной эмиссии. По мере накопления неоснов-
неосновных носителей энергетическая диаграмма изменяется: величина <ра
уменьшается, как показано на рис. 4.21, а, б. Таким образом, если
ячейка освещена, то у поверхности полупроводника образуются
пары носителей заряда электрон — дырка. Электроны заполняют
потенциальную яму, причем заряд, накопленный за определенное
время, пропорционален освещенности.
Распространение области потенциальной ямы вдоль границы
раздела полупроводник — оксид ограничивается областями полу-
полупроводника /?+-типа со степенью легирования на несколько поряд-
порядков выше, чем в основной массе подложки, — так называемыми
областями стоп-диффузий (на рис. 4.20 показана штриховкой). В об-
областях стоп-диффузий поверхностный потенциал на границе раз-
раздела оксид — полупроводник близок к нулю.
Характеристика накопления заряда в накопительной ячейке
МОП-конденсатора иллюстрирует рис. 4.22 [19], где показано, как
изменяется поверхностный потенциал <рп (в относительных едини-
единицах) по мере накопления заряда Q. На том же графике приведена
зависимость ширины Xi обедненного слоя от накопленного заряда.
Характер зависимостей у* и х* от Q определяется физическими
характеристиками материала и конструкции МОП-конденсатора,
в частности концентрацией легирующей примеси и толщиной слоя
оксида.
Рассмотрим механизм накопления заряда в ячейке МОП-конден-
МОП-конденсатора с учетом изменения потенциала С/, во времени. Процесс
Ш
хфмкм %1из
t-U
a)
6)
6)
-\ f/—"
г)
О 0,2 ОЛ 0,6
Рве. 4J22. Характеристика накоп-
накопления заряда в накопительной
ячейке МОП-конденсатора
Рис. 423. Линейка из МОП-кон-
МОП-конденсаторов (а); диаграммы потен-
потенциалов для различных моментов
времени (б — г) и временные диа-
диаграммы (д):
1—электроды, 2 — ожеид, 3 — под-
дожжа
образования потенциальной ямы начинается после подачи на про-
проводящий электрод МОП-конденсатора положительного потенциа-
потенциала. Накопление заряда в потенциальной яме происходит и при
отсутствии освещения за счет тепловой генерации неосновных носи-
носителей. В зависимости от температуры и свойств материалов МОП-
конденсатора максимальный заряд в ячейке под действием тепло-
тепловых процессов может образоваться за время от сотых долей до
единиц секунд. Если ограничить максимальное значение заряда,
возникающего под действием тепловой генерации (уровень логичес-
логического нуля), то можно определить максимальное время накопления
заряда в ячейке, т. е. нижний предел рабочих частот накопительной
ячейки. В реальных приборах при комнатной температуре обычно
его устанавливают равным единицам — десяткам килогерц.
Рассмотрим принципы организации ПЗС-линеек и ПЗС-матриц,
а также механизм считывания накопленных зарядов, реализованных
в этих приборах [19].
Линейка из МОП-конденсаторов, выполненных на общей под-
подложке, показана на рис. 4.23, а. Расстояние между электродами
настолько мало, что обедненные области при подаче на электрод
положительного потенциала простираются практически до сосед-
соседних электродов.
Значение поверхностного потенциала на соответствующих участ-
участках структуры для различных моментов времени /l§ t2, /3> f4 показа-
показано условно штриховой линией на рис. 4.23, а — г.
132
Рассматриваемая линейка представляет собой трехфазную стру-
структуру, электроды которой соединены между собой через два. Как
видно из рис. 4.23, д, потенциалы электродов изменяются с цик-
циклической последовательностью. Зарядовый пакет (на рис. 4.23 пока-
показан штриховкой), который за время накопления формируется под
электродом 3j, после подачи на соседний электрод Э2 положитель-
положительного потенциала (рис. 4.23, б, в) перемещается под электрод Э2.
Если потенциал электрода ЭА уменьшается до исходного (близкого
нулевому) значения, то зарядовый пакет полностью переместится
под электрод Э2 (рис. 4.23, г). Таким же образом зарядовый пакет
может быть смещен под электрод Э3 и т. д. Цикличность изменения
потенциалов электродов обеспечивает процесс перемещения зарядо-
зарядовых пакетов в направлении, указанном на рис. 4.23, а стрелкой.
В этом случае предполагается, что во время переноса зарядовых
пакетов вдоль структуры освещение (накопление заряда) прекраща-
прекращается.
Рассмотренная структура может быть использована для фор-
формирования сигнала изображения одной строки. Элементу изображе-
изображения соответствует ячейка из трех МОП-конденсаторов. Соседние
пакеты зарядов, сформированные в процессе накопления (например,
импульсной проекцией изображения), изолированы друг от друга
потенциальными барьерами электродов, находящихся под низким
напряжением. Канал переноса зарядов ограничивается областями
стоп-диффузий.
Быстродействие ПЗС-структур лимитируется временем переноса
заряда из одной накопительной ячейки в другую, которое достигает
единиц наносекунд. Поэтому максимальные тактовые частоты для
ПЗС-структур составляют десятки или сотни мегагерц. Таким об-
образом, указанные диапазоны работы ПЗС-структур обеспечивают
успешное их применение в ТВС с параметрами вещательного стан-
стандарта.
В отличие от идеализированных механизмов передачи зарядо-
зарядовых пакетов вдоль структуры в реальных условиях заряд пакета по
мере передачи его вдоль структуры изменяется. Одна из основных
причин этого явления состоит в захвате носителей заряда поверх-
поверхностными энергетическими уровнями. Для количественной оценки
потерь при переносе зарядовых пакетов используют показатель
эффективности передачи заряда — неэффективность переноса
Ku=(Qei-QUi)IQh где Q' — полезный заряд (общий заряд за выче-
вычетом заряда логического нуля) в /-й и (/+ 1)-й ячейках структуры. Для
ПЗС-структур &= НГ4,..1(Г5.
Одним их эффективных способов уменьшения потерь в процессе
переноса заряда является создание структур с объемным каналом.
В таких устройствах на границе полупроводник — оксид создается
эпитаксиальный или ионно-легированный приповерхностный слой
кремния, тип проводимости которого противоположен типу
133
Рис. 4.24. Двухфазная структура:
1,2 — элепроды
проводимости подложки. Это
приводит к тому, что максимум
потенциала в потенциальной
яме находится не на поверхно-
поверхности полупроводника, а на неко-
некоторой глубявз (см. рис. 4.21, в).
В результате носители заряда
движутся не вблизи поверхно-
поверхности, а на некоторой глубине, что
приводит к существенному сни-
снижению потерь на захват носите-
носителей. (На рис. 4.21, в показана
энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения.)
Направленный перенос зарядовых пакетов можно создать не
только в трехфазной ПЗС-цепочке, но и в двухфазной. Для этого
необходимо обеспечить условия формирования асимметричной
в направлении продвижения зарядовых пакетов потенциальной
ямы. Существует несколько способов формирования асимметрич-
асимметричных потенциальных ям, один из них поясняется конструкцией, при-
приведенной на рис. 4.24 [19]. Толщина диэлектрика между полупровод-
полупроводником и электродом неодинакова в направлении перемещения заря-
зарядовых пакетов. Это приводит к различию поверхностных потенци-
потенциалов под толстым и тонким слоями диэлектрика. Это видно из
диаграммы распределения поверхностного потенциала для U1 > U2,
где накопленный заряд концентрируется под правой частью элект-
электрода 1 (сплошная линия показывает примерную картину распреде-
распределения поверхностного потенциала перед накоплением). После пере-
переключения напряжения на электродах U2>Ul (штриховая линия)
накопленный заряд смещается на один шаг вправо. Переключая
периодически потенциалы E/t и U2, можно обеспечить направленное
перемещение зарядовых пакетов.
§ 4. в. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И МАТРИЧНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В настоящее время известно значительное число схем постро-
построения линейных и матричных преобразователей изображений на базе
ГОС. Рассмотрим некоторые из известных схем. Как было показа-
показано, в преобразователе должны быть реализованы процессы поэле-
поэлементного накопления зарядовых пакетов под действием излучения
и считывания их со скоростью, принятой в рассматриваемой ТВС.
В приборах используется временное или пространственное разделе-
разделение процессов накопления и считывания.
Структура линейного преобразователя с разделением во време-
времени показана на рис 4.25, а. Накопление и передача зарядовых
пакетов к выходу в таком преобразователе осуществляются одними
и теми же элементами ПЗС-структуры. На заштрихованных элемен-
134
Рве. 4.25. Линейный преобразователь (а)
¦ различная организация его структуры
(б, в):
1 — оежцвж накопления, 2—затвор переноса,
3 — сежцш сштыванвя
тах происходит накопление. За-
Затем накопление прерывается
с помощью механического или
электрического затвора и про-
происходит проталкивание зарядо-
зарядовых пакетов к выходу устрой-
устройства манипуляцией потенциа-
потенциалов Ult U2l U3 (стрелками ука-
указаны направления перемеще-
перемещения зарядовых пакетов). Стру-
Структура работает как трехфазный
регистр сдвига. После считыва-
считывания сигнала строки возобнов-
возобновляется процесс накопления. Ес-
Если время накопления сущест-
существенно превышает время считы-
считывания, возможен режим рабо-
работы такого преобразователя
с постоянной засветкой (без за-
затвора).
Для реализации накопления
в течение всего периода строки
при сохранении высокого каче-
качества изображения используют
пространственное разделение накопления и считывания. Пример
организации структуры линейного преобразователя такого типа
приведен на рис. 4.25, б. Секции накопления 1 (светочувствительные
элементы) в считывания 3 разделены затвором переноса 2. После
завершения накопления заряды, сформированные в светочувстви-
светочувствительных элементах параллельно, переносятся в несветочувствитель-
несветочувствительную секцию считывания (регистр сдвига), для чего открывается
затвор переноса. Далее, после закрытия затвора параллельно проис-
происходят процессы накопления и считывания. По завершении считыва-
считывания процессы повторяются. Регистр считывания подобен рассмот-
рассмотренному на рис. 4.25, а. В современных ПЗС используются и другие
способы управления процессами переноса зарядов.
Для повышения разрешающей способности преобразователя чи-
число светочувствительных элементов может быть увеличено вдвое
при той же длине линейки билинейным считыванием (рис. 4.25, в).
В этом случае прибор представляет собой две структуры, вставлен-
вставленные одна в другую. Суммируя сигналы с выхода регистров в опре-
определенной фазе, можно получить последовательность строчных сиг-
сигналов изображения. Известны различные способы вывода сигнала
изображения из выходного сдвигового регистра [3, 19]. Хорошие
результаты получены при использовании плавающего затвора, рас-
расположенного над каналом переноса, при этом считывание заряда
осуществляется электростатически, т. е. зарядовый пакет при этом
135
/ /
o)
6)
Phc. 4.26. Матричные преобразователи с покадровым (а) я межстрочным (б)
переносом зарядов:
1 — сежцм нахошкшш, 2 —затвор переноса, 3, 5 — секция хранения, *—-регистр
ечнтыванм
не разрушается, что приводит к возможности его неоднократной
регистрации (зарядовый пакет пропускается над плавающими за-
затворами нескольких усилителей) и суммированию выходных сиг-
сигналов (с учетом их фазовых соотношений). При этом достигаются
малая входная емкость каждого канала регистрации и достаточно
высокое отношение сигнал/шум.
Рассмотренные способы построения линейных ФЭП могут быть
использованы для образования матричных структур. Линейные
ФЭП, приведенные на рис. 4.2S, могут быть скомпонованы в ма-
матрицу.
Наибольшее распространение получили ПЗС-преобразователи
с покадровым переносом (рис. 4.26, а). После завершения периода
накопления в течение короткого времени (обратный ход по кадру)
заряд переносится в секцию хранения 3; режим накопления возоб-
возобновляется, а в это время в соответствии с принятыми параметрами
разложения происходит считывание информации через регистр счи-
считывания 4.
Аналогично происходит накопление и считывание в приборах
с межстрочным переносом (рис. 4.26, б). В этом случае столбцы,
в которых происходит накопление, располагаются параллельно
и рядом со столбцами хранения зарядовых пакетов. Считывание
происходит через регистр считывания 4, а переносом из столбцов
накопления в столбцы хранения управляют затворы переноса 2.
Работа линейных и матричных ПЗС-структур связана с доста-
достаточно сложными алгоритмами управления процессами накопления
136
хранения зарядовых пакетов и их считывания. Управляющие им-
импульсы для ПЗС образуются, как правило, в два этапа: цифровой
схемой формируются импульсы с требуемой длительностью и вре-
временным положением, амплитуда которых определяется уровнями
логического нуля и единицы используемого типа логических микро-
микросхем, далее в отдельном устройстве эти импульсы формируют
требуемую амплитудную диаграмму уровней. Для линейного ПЗС
эти импульсы относительно просты и представляют несколько по-
последовательностей сигналов, сдвинутых один относительно другого
на определенную часть периода.
Сформированный сигнал изображения V, поступает на усили-
усилитель и устройство обработки сигнала. Эта обработка включает
процедуры построчной фиксации, у-коррекции, апертурной коррек-
коррекции, устранения тактовой помехи, поэлементной фиксации и др.
Относительно небольшое (до нескольких тысяч) число элемен-
элементов линейных ПЗС позволяет реализовать поэлементную коррек-
коррекцию сигнала изображения: темновых токов, неравномерности чув-
чувствительности элементов, неравномерности освещенности, погреш-
погрешностей объектива и др. Для этого используют запоминающее звено,
в котором хранятся данные о коэффициентах коррекции для каж-
каждого светочувствительного элемента, определенные в процессе ис-
испытания ГОС-структуры и позволяющие реализовать перечислен-
перечисленные выше виды коррекции.
Матричные ПЗС по сравнению с линейными характеризуются
значительно большей сложностью в управлении и большим разно-
разнообразием структур. Это приводит к усложнению как всей структур-
структурной схемы устройства управления, так и отдельных входящих в него
элементов [3].
Характеристика преобразования (свет — сигнал) для линейных
и матричных ПЗС линейна. Иногда используют представление
о широте такой характеристики, т. е. о диапазоне освещенностей,
в котором может работать преобразователь. Минимальное значе-
значение Дщ, этого диапазона для ПЗС определяется допустимым от-
отношением сигнал/шум, а максимальное E^ — возникающими ис-
искажениями типа «растекания» изображения ярких деталей (растека-
(растекания зарядов в ПЗС). Возникновение этих искажений связано с запол-
заполнением потенциальных ям максимальным зарядом.
Существенным для обработки сигнала изображения преобразо-
преобразователя на базе ПЗС является определение начала отсчета сигнала
(соответствующего ?=0). Темновой ток ПЗС, связанный с тепловой
генерацией электронно-дырочных пар, пропорционален времени на-
накопления заряда, площади элемента, зависит от температуры пре-
преобразователя и скорости термической генерации носителей заряда,
создаваемых рекомбинационно-генерационными центрами поверх-
поверхности и объема полупроводниковой подложки. Для определения
уровня сигнала Е=0 используют различные способы, в частности
137
затемнение части элементов ПЗС специальными шторками, что
приводит к формированию в этих участках эталонных сигналов,
соответствующих ?=0.
Характеристики преобразования в различных частях ГОС-мат-
рицы могут различаться, что вызвано рядом технологических фак-
факторов (неидеальностью толщины электродов элементарных накопи-
накопителей, различием концентрации примесей в накопительных ячейках,
размеров светочувствительных элементов и др.). Это приводит
к неравномерности сигнала по полю растра. Наряду с совершенст-
совершенствованием технологии изготовления ПЗС используют обработку сиг-
сигнала изображения в процессе работы преобразователя на ПЗС.
Спектральные характеристики преобразователей на ПЗС опреде-
определяются в основном свойствами исходных материалов и оптической
частью преобразователя. Определенные трудности формирования
спектральной характеристики в коротковолновой части спектра свя-
связаны с поглощением света в слое кремния. Требуемую чувствитель-
чувствительность в этой области спектра удается получить формированием
в полупрозрачных электродах специальных окон или использовани-
использованием проекции изображения со стороны подложки. Для этого подлож-
подложку делают достаточно тонкой.
Промышленностью выпускаются преобразователи для видимой,
инфракрасной и других частей спектра. Диапазон вариации спект-
спектральных характеристик преобразователей на ПЗС достаточно ши-
широк [3].
Апертурно-частотные характеристики преобразователей на ПЗС
кроме размера и шага светочувствительных элементов матрицы
определяются диффузией носителей заряда и переносом зарядов
в процессе считывания (последнее приводит к зависимости этой
характеристики от координат в поле сканирования). Определение
апертурно-частотных характеристик преобразователей с двумерной
пространственной дискретизацией с помощью таблиц, содержащих
черно-белые штрихи, затруднено из-за дискретности разложения
изображения не только по вертикали, но и по горизонтали. Это
обусловлено тем, что в общем случае шаг дискретизации в преоб-
преобразователе и шаг штрихов испытательной таблицы не совпадают.
Вследствие этого смещение отсчетов на половину шага дискретиза-
дискретизации (изменение взаимной фазы) сопровождается практически дву-
двукратным изменением числа штрихов, разрешаемых на телевизион-
телевизионном изображении. Специальные методики измерения апертурных
характеристик матричных ПЗС позволяют определить их предель-
предельные характеристики, которые в профессиональных камерах превы-
превышают 1000 телевизионных линий; отношение сигнал/шум при этом
добОдБ.
Благодаря использованию матричных ПЗС в камерах цветного
телевидения добиваются высокой точности совмещения растров —
0,05% по всему полю изображения.
В преобразователях на ПЗС регулирование времени накопления
138
и скорости считывания информации, а также обмен раз-
разрешающей способности на чувствительность реализуются достаточ-
достаточно просто.
Последнее достигается суммированием зарядовых пакетов, при-
принадлежащих соседним по горизонтали и вертикали элементам. Сум-
Суммирование зарядовых пакетов соседних по вертикали элементов
осуществляется в выходном регистре матричного ПЗС задержкой
выноса зарядов на время переноса из секции памяти в регистр
считывания нескольких последовательных строк. Суммирование за-
зарядовых пакетов соседних по горизонтали элементов возможно
в выходном устройстве прибора.
Матричные ПЗС, используемые в цветных телевизионных каме-
камерах, имеют высокую равномерность сигнала по полю изображения
и малые темновые токи. Для высококачественного чересстрочного
разложения в матричных ПЗС со строчным и строчно-кадровым
переносом используют различные светочувствительные элементы,
а в матричных ПЗС с кадровым переносом — секции накопления
с четным числом фазных электродов.
Присущие^ матричным ПЗС недостатки — низкая чувствитель-
чувствительность в синей области спектра, наличие смаза от ярких деталей,
растекание зарядов из переполненных потенциальных ям — преодо-
преодолевают технологическими и конструктивными приемами, а также
оптимизацией режима управления.
Современная технология позволяет создать матричные ГОС
с числом элементов 1035 х 1920 и более, работающие на частоте
74,25 МГц с высокой эффективностью переноса и имеющие высо-
высокую чувствительность за счет нанесения специальных светочувст-
светочувствительных слоев или оптических растров. На основе таких датчиков
созданы цветные камеры для систем ТВЧ, обеспечивающие раз-
разрешение более 1000 телевизионных линий и отношение сигнал/шум
выше 50 дБ.
§ 4, 7. МНОГОСИГНАЛЬНЫЕ ПРЕО&РАЗОБАТЕПИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
НА БАЗЕ ПЗС
Развитие многосигнальных одноматричных преобразователей
изображений обусловлено в первую очередь широким распрост-
распространением бытовой видеозаписывающей аппаратуры различных
форматов. Характеристики этих форматов определяют основные
требования к одноматричным преобразователям. Так, для стандар-
стандарта видеозаписи VHS требуемое разрешение цветной телевизионной
камеры составляет 240 — 280 телевизионных линий, а для стандар-
стандарта Super-VHS — 400 — 450.
Для получения сигналов цветоделенных изображений на све-
светочувствительную поверхность матричного ПЗС наносят кодиру-
кодирующие светофильтры, выполненные на органической основе или
139
по интерференционной технологии. В преобразователях на матрич-
матричных ПЗС с кадровым переносом кодирующие светофильтры выпол-
выполняют полоосовыми, т. е. в виде столбцов, закрывающих вертикаль-
вертикальные ряды светочувствительных элементов. Такое расположение ко-
кодирующего светофильтра снижает перекрестные искажения цветов,
возникающие при характерном для матричных ПЗС с кадровым
переносом вертикальном смазе изображения, блюминге и неэффек-
неэффективности переноса.
Наибольшее распространение получили два основных типа ко-
кодирующих полосковых фильтров. В первом случае (рис. 4.27, а)
используют чередующиеся в направлении х полоски красного И,
зеленого G и синего В цветов. Применение такой структуры
фильтра упрощает схемы обработки, в том числе матрицирования
сигналов. Для разделения файла сигнала изображения на три цвето-
деленных можно использовать электронный коммутатор, управ-
управляемый импульсами, связанными с сигналами управления матри-
матрицей.
Во втором случае (рис. 4,27, б) используют светофильтры с до-
дополнительными цветами — желтым Ye=G+R и голубым
Cy=G+B, а также зеленым G. Такая структура кодирующего
фильтра обеспечивает повышенные чувствительность и разрешение
в зеленом цвете, так как все ячейки ПЗС чувствительны к зеленому
свету. Кроме того, такая структура технологически проста. Полоски
зеленого цвета G формируются наложением полосок желтого Ye
и голубого Су цветов. Формирование цветоделенных сигналов изоб-
изображения аналогично предыдущему, а переход к системе R, G, В осу-
осуществляется матрицированием сигналов.
В многосигнальных матричных ПЗС широко используют считы-
считывание сигналов цветоделенных изображений с различных выходов.
Для этого применяют встроенные мультиплексоры зарядов или
несколько выходных регистров.
Более эффективны мозаичные светофильтры, повышающие раз-
J1UIII
III
II
а)
Рис. 4.27. Преобразователя с полосювыми светофильтрами
(б)
140
решающую способность примерно в полтора раза. Их используют
в матричных ПЗС со строчным переносом. Некоторые типы моза-
мозаичных кодирующих светофильтров приведены на рис. 4.28.
Структура светофильтра, представленного на рис. 4.28, а, для
получения одновременных сигналов красного и синего цветоделен-
цветоделенных изображений в схеме обработки сигнала позволяет использо-
использовать линию задержки на строку. Зеленые светофильтры имеют
частоту, в два раза более высокую, что приводит к повышению
горизонтальной разрешающей способности преобразователя по яр-
костному сигналу.
В матричных ПЗС со строчным и строчно-кадровым переносом
используют режим накопления поля, позволяющий уменьшать вре-
время накопления в два раза (при стандартном разложении с 40 до 20
мс). Мозаичный кодирующий светофильтр, ориентированный на
использование в таком режиме, (рис. 4.28, б) содержит желтый Ye,
голубой Су и прозрачный W элементы. Зеленая составляющая,
содержащаяся во всех ячейках, определяет ширину полосы пропу-
пропускания яркостного канала. Для полей 1 и 2 элементы объединяются
по вертикали различными способами (на рис. 4.28, б указано стрел-
стрелками). За счет этого обеспечивается высококачественное чересстроч-
чересстрочное разложение. Сигнал яркости формируют из выходного сигнала.
При этом сигналы отдельных элементов усредняются таким об-
образом, чтобы во всех случаях получать одну и ту же сумму
Y=2W+2Ye+Cy=3R+4G+W. Как видно из структуры маски,
компоненты этой суммы по-разному расположены в соседних стро-
строках. При прохождении выходного сигнала через полосовой фильтр
с центральной частотой, равной половине частоты горизонтального
регистра, формируется гармоника, промоделированная по амплиту-
амплитуде сигналом, пропорциональным разности соседних элементов
строки. Так, для нечетных строк поля 2 модулирующий сигнал
пропорционален значению (W+ W)-(Ye+ Cy)=B+R, а для четных
строк — (W+Cy)-(Ye+W)=B-R. Применяя обработку сигналов
R
Я
G
G
R
R
G
G
G
G
В
В
G
G
В
±
R
R
G
G
R
R
G
G
G
В
В
G
G
R
R
G
G
R
С
G
В
В
R
R
YeW
WYe
YeW
WСи
WCyW
Cj/W
Сц
МЧ
Ye
Ml?
дц
Hq
Ye_
G
Ye
G
CH
G
Ye
G
°H
Hf
Ге
G
Ye
G
G
«4
Ye
Q
Ye
G
Q/
Щ
' 1,2-номер поля
§) V
Рис. 428. Преобразователи с мозаичными светофильтрами (а —в)
141
с использованием линии задержки на строку, можно выделить
необходимые компоненты сигналов цветности.
Аналогичную структуру, но с другими цветами, имеет модули-
модулирующий мозаичный светофильтр, показанный на рис. 4.28, в.В
телевизионной камере на этом ПЗС также используют режим нако-
накопления поля и близкую к рассмотренной обработку сигнала.
При этом качество формируемых цветоделенных сигналов в ма-
матричных преобразователях со сложной структурой кодирующих
светофильтров определяется технологией изготовления кодиру-
кодирующей маски, матрицы ПЗС, а также схемой обработки сигнала
изображения, формируемого преобразователем. Для обработки
этого сигнала используют аналоговые и цифровые коммутаторы,
полосковые фильтры, фильтры низких частот и др. Варианты по-
построения таких устройств формирования цветоделенных сигналов
приведены в [3].
§ 4. в. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
Характеристики преобразователей изображений, рассмотренные
в предыдущих разделах, относятся к режиму передачи статических
объектов и сцен. При передаче движущихся объектов в поле изоб-
изображения, а также движений камеры относительно сцены уменьша-
уменьшаются эффективная разрешающая способность преобразователя
и значение выходного сигнала, изменяется характер передачи града-
градаций яркости, появляются дополнительные искажения, вызванные
движением.
Вопрос о разрешающей способности преобразователей изобра-
изображений при передаче движущихся объектов представляет существен-
существенный интерес, т. к. именно в таком режиме передающие камеры
работают при передаче натурных сцен, в системах телекинопроек-
телекинопроекции, автоматических телевизионных устройствах и др.
При использовании преобразователей изображений с накоплени-
накоплением возможны четыре режима их работы:
преобразователь безынерционен, изображение объекта переме-
перемещается относительно светочувствительной поверхности скачкооб-
скачкообразно, синхронно со сменой кадров (система телекинопроекции
с импульсной засветкой во время обратного хода);
преобразователь безынерционен, изображение объекта переме-
перемещается относительно светочувствительной поверхности непрерывно
(системы, работающие в условиях студийной передачи и высокой
освещенности сцены);
преобразователь обладает инерционностью, изображение
объекта перемещается относительно светочувствительной поверх-
поверхности скачкообразно, синхронно со сменой кадров (системы с элек-
электронным или механическим затвором);
142
преобразователь имеет инерционность, изображение объекта пе-
перемещается непрерывно относительно светочувствительного слоя
(система передачи натурных объектов).
Рассмотрим передачу движущихся вертикальных штрихов с си-
синусоидальным профилем применительно к этим режимам работы.
Для выявления основных закономерностей рассмотрим случай пе-
передачи достаточно низкочастотных штрихов, не учитывая апертур-
ные искажения (глубину модуляции сигнала изображения при пере-
передаче неподвижных объектов будем считать близкой к 100%).
Распределение освещенности Е вдоль строки х изображения
представим в виде
=E0(l +sia2nfx),
D.23)
где Ел — среднее значение освещенности передаваемого изображе-
изображения; /— частота, определяемая количеством передаваемых линий
на длину строки или высоту растра.
Если ограничиться режимом работы, определяемым линейным
участком световой характеристики преобразователя, то сигнал на
выходе преобразователя можно представить как
где /0 — среднее значение сигнала изображения.
За начало отсчета сигнала принят его уровень, соответствующий
передаче черных участков в изображении.
Если изображение передаваемого объекта перемещается по по-
поверхности светочувствительного слоя скачкообразно со средней ско-
скоростью v, то в л-м кадре на выходе преобразователя в соответствии
с D.24) будет сформирован сигнал
где Г, — время передачи кадра.
Следовательно, если преобразователь безынерционен и объект
перемещается скачкообразно от кадра к кадру, глубина модуляции
сигнала изображения остается неизменной независимо от скорости
перемещения объекта.
Если изображение синусоидальных штрихов перемещается по
поверхности светочувствительного слоя равномерно со скоростью
v, то распределение освещенности вдоль строки в любой момент
времени в соответствии с D.23) может быть представлено как
Е(х)=Е0
сь рассмотрением линейного участка характеристи-
характеристики накопления преобразователя, можно показать, что в этом случае
сигнал изображения на выходе будет определяться соотношением
D.25)
143
Из соотношения D,25) видно, что при передаче изображения
объекта, непрерывно перемещающегося относительно светочувст-
светочувствительной поверхности, даже в случае безынерционного преобразо-
преобразователя наблюдается значительное уменьшение глубины модуляции
в мелких деталях, вызванное эффектом накопления.
При передаче изображения синусоидальных штрихов, скачкооб-
скачкообразно перемещающихся относительно светочувствительной поверх-
поверхности инерционного преобразователя (с электронным или механи-
механическим затвором), инерционность проявляется как дополнительный
сигнал, образуемый при передаче рассматриваемого кадра и опре-
определяемый характером передаваемого ранее изображения. При пе-
передаче реальных сюжетов наиболее частым случаем является ча-
частичное изменение освещенности от Ех до Е2Ф$, т. е. на определен-
определенную величину АЕ-Е1-Е2. Зависимость инерционности с от от-
относительного изменения освещенности для случая перехода от света
к темноте с определенной степенью точности может быть представ-
представлена следующим выражением:
?=?0 A-ад,.!), D.26)
где Ет Д,_1 — освещенности участка светочувствительного слоя
в и-м и (я— 1)-м кадрах; f 0 — инерционность при Д,=0.
Сигналы, формируемые инерционным преобразователем в пер-
первом, втором и третьем кадрах с учетом соотношений D.24) и D.26),
следующие:
hi(x)=io(l+sia27tfx),
где f' и ?" — инерционности, обусловленные содержанием первого
и второго кадров соответственно.
Сигнал в п-м кадре
Г 3
)sin2Tr/(x+2v
Г," D-27)
Выражение D.27) существенно упрощается, если пренебречь инерци-
инерционностью, проявляющейся после третьего кадра (?j<0,01):
D.28)
144
0,5
1,5 2,0 2,5 V
Рис. 4.29. Динамические хара-
характеристики преобразователя
изображения
Анализ соотношений D.25) — D.28)
раскрывает сложный характер зависи-
зависимости глубины модуляции высокоча-
высокочастотных сигналов изображения от инер-
инерционности и других параметров преоб-
преобразователя. В качестве примера на рис.
4.29 приведены результаты расчетов за-
зависимости глубины модуляции М сиг-
сигнала изображения от скорости v переме-
перемещения по светочувствительному слою
изображения синусоидальных штрихов
(скорость v выражена в элементах изоб-
изображения за время одного поля). Для значения, соответствующего
отметке 300 линий на высоту изображения, верхняя кривая ?0=0
относится к расчету в соответствии с выражением D.25), т. е.
иллюстрирует искажения, вызванные эффектом накопления, кривые
?о=0,3 и Jo=0,5 — к расчету D.28), т. е. иллюстрируют искажения,
вызванные эффектом инерционности для случаев ?0=0,3 и ^0=0,5
соответственно.
Приведенный анализ может быть использован для расчетов
динамической разрешающей способности преобразователей изоб-
изображений всех типов, а также расчетов четкости изображения стоп-
кадров движущихся объектов и др.
ГЛАВА 5. АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА
СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
§ 5.1. ОБРАБОТКА СИГНАЛА И КАЧЕСТВО
ФОРМИРУЕМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Обработка сигналов изображения в системах вещательного те-
телевидения производится с целью формирования высококачествен-
высококачественного телевизионного изображения (уменьшения влияния помех слу-
случайного характера, искажений цветопередачи, амплитудных искаже-
искажений и др.). Эта задача, естественно, решается в условиях эффектив-
эффективного использования технических ресурсов ТВС. В системах приклад-
прикладного телевидения обработка сигналов изображения производится
с целью оптимизации процедур, направленных на решение конкрет-
конкретных задач (обнаружение объектов в поле изображения, их распоз-
распознавание и др.). В широком смысле также преобразования, как
кодирование сигнала изображения с целью передачи его по каналу
связи, также связаны с обеспечением заданного качества формиру-
формируемого изображения в условиях, определяемых характеристиками
используемого канала связи.
Как было показано в гл. 4, в процессе формирования сигнала
изображения неизбежно вносятся искажения, которые отражаются
в нелинейности характеристики преобразования (свет — сигнал),
падении глубины модуляции сигнала на высоких частотах (апертур-
ные искажения), инерционности и др. Влияние этих искажений на
качество формируемого изображения в значительной степени мо-
может быть уменьшено за счет обработки сигнала изображения в трак-
тракте передачи.
Коррекция полутоновых искажений предусматривает нелинейные
преобразования сигнала изображения с целью формирования задан-
заданной характеристики передачи уровней яркости всем телевизионным
трактом (от света до света): Lna-kL*, где L^ и !»„ — яркости
соответствующих участков передаваемой сцены и формируемого
изображения; к — постоянный коэффициент; уЕ — коэффициент,
определяющий степень нелинейности этой связи.
Если аналогичная характеристика преобразователя изображения
¦Wi=fcib5i, канала связи 4ш2-&2*шь монитора (кинескопа)
1*ы*=&з5йи2» то l^a^kL^-k^l^-^k^s^^k^k^L1^11* (здесь
146
ь *шх2 — сигналы изображения на выходе преобразователя и ка-
канала связи соответственно, а кукгкъ> УхУгУъ — соответствующие ко-
эффнииены характеристик этих устройств). Следовательно,
yt=y1y?y2. Если в канале связи предусмотреть корректор нелиней-
нелинейности (у-корректор), то у^у^аУзУюрр- Значение у^ может быть
определено из условия получения заданного значения уЕ, т. е.
Ужт^УЖУхУгЪ)-^4^™3^ ЧТ0 элементы канала связи, как правило,
линейны (у2=1), то Ущ>р=Ух/G1Уз)» т. е. для заданных условий этот
коэффициент определяется характеристиками преобразователя из-
изображения и устройства воспроизведения (хинескопа). Заметим, что
практически для разных преобразователей у1 =0,6 ... I, а для кине-
кинескопов у2-2... 3.
Выбор коэффициента уЕ определяется выбранными критериями
качества формируемого изображения. Исходя из условий физиоло-
физиологически точного воспроизведения (см. § 1.4), имеем уЕ= 1; следова-
следовательно, Ужорр—^КУгУъ)- В системах вещательного телевидения, осо-
особенно при передаче сцен, контраст которых существенно превышает
возможный контраст выходного телевизионного изображения, ис-
используют значение уЕ=1,2 ... 1,3. В ряде случаев для получения
заданного художественного эффекта ух может изменяться в широ-
широких пределах. Таким образом, у-корректор в тракте усиления и пе-
передачи сигнала изображения рассчитан на возможности оптимиза-
оптимизации качества воспроизведения градаций яркости передаваемой сце-
сцены, а также получения заданных художественных эффектов при
формировании изображения на экране монитора. В последнем слу-
случае используют у-корректор с регулируемой характеристикой кор-
коррекции. В качестве примера на рис. 5.1 приведены: амплитудные
характеристики у-корректора 5МВ~/EВ(} с регулируемой величиной
Укорр в пределах от 0,5 до 2 (плоскость а), а также ступенчатый сигнал
на входе у-корректора sa(t) (плоскость 5) и его выходе при Ужорр=0,5
(пунктир) и уВорр=2 (сплошная линия) (плоскость в).Графики ил-
иллюстрируют характер изменения передачи градаций яркости при
различных Упрр (при yIopp~ * он остается неизменным).
Существенное значение имеет место включения у-корректора
в тракте передачи, которое определяется главным образом харак-
характеристиками источников флуктуационных помех, а тахже степенью
влияния на качество цветопередачи. Схемотехническая реализация
у-корректора может быть аналоговой или цифровой.
В схемах аналоговых у-корректоров формирование заданной
амплитудной характеристики осуществляется за счет применения
нелинейных элементов, например цепи нелинейной отрицательной
обратной связи в каскадах усиления [20].
Коррекция апертурных искажений, вносимых преобразователя-
преобразователями изображения (см. гл. 3, 4), усилителями сигналов изображения,
устройствами воспроизведения и другими элементами тракта пе-
передачи, осуществляется также в канале усиления и передачи емшана
147
изображения. Апертурньш корректор, реализуемый в аналоговой
или цифровой форме, осуществляет подъем верхних частот сигнала
изображения, сохраняя фазовые соотношения между спектральны-
спектральными составляющими сигнала. При этом учитывают природу возник-
возникновения апертурно-частотных искажений. Например, в искажениях
сигнала, возникающих в ФЭП с симметричной апертурой, отсут-
отсутствуют фазочастотные искажения, в то время как частотные искаже-
искажения тракта усиления сопровождаются фазочастотными, которые
требуют соответствующей коррекции.
Апертурно-частотную характеристику преобразователя изобра-
изображения часто аппроксимируют функцией
у1(ш)=[1+е1((В/йHJ+а2(й)КL+ .» Г1, E-1)
где (о0 — частота компоненты сигнала изображения, на которой
размах сигнала уменьшается в е раз, av аг,... — постоянные коэф-
коэффициенты.
Для коррекции такой характеристики необходимо, чтобы амп-
амплитудно-частотная характеристика апертурного корректора К^ (ш)
имела вид
^oppN=l/Vi(w)=l+a1(Q)/Q)oJ+a2(ffl/ffloL .... E.2)
Результирующая частотная характеристика в рабочей полосе
частот сигнала изображения, как видно из E.1) и E.2) (рис. 5.2),
При возникновении фазовых искажений сигнала изображения (в
усилительном тракте или в ФЭП при асимметричной апертуре
со
с. 5.1. Амплитудные характеристики у-
корреггора
Рве. 5.2. Апертурно-ча-
стотгая коррекция
148
разлагающего элемента) апертурньш корректор включает элементы
фазочастотной коррекции.
В аналоговых апертурных корректорах используют схемы диф-
дифференциальной коррекции совместно с элементами временной за-
задержки высокочастотных компонентов сигнала изображения и др.
[12].
Наряду с рассмотренной коррекцией, улучшающей качество из-
изображения в горизонтальном направлении, широко применяют дву-
двумерные апертурные корректоры. Для аиертурно-частотыой коррек-
коррекции в вертикальном направлении используют аналогичные подхо-
подходы, однако для сопоставления сигналов соседних по вертикали
элементов изображения используют схемы задержки сигналов на
время передачи строки (Тх) и ему кратное B Тх). Хорошие резуль-
результаты двумерной апертурной коррекции получены при цифровой
реализации схем таких корректоров.
Место апертурного корректора в видеотракте и степень коррек-
коррекции сигнала изображения определяются допусками на возникающее
ухудшение отношения сигнал/шум: относительное увеличение высо-
высокочастотных компонент сигнала приводит к возрастанию доли флу-
ктуационных помех, вносимых ФЭП и предварительным усили-
усилителем сигнала. Наилучших результатов можно достигнуть примене-
применением нелинейных адаптивных апертурных корректоров, в которых
степень коррекции зависит от уровня текущего значения сигнала
изображения, протяженности относительно ровных участков и др.
Протаошумоаая коррекция. Формирование сигнала изображе-
изображения, его усиление, обработка и передача по каналам связи со-
сопровождаются возникновением шумов (помех) различной природы.
Степень влияния шумов на качество формируемого изображения
зависит от отношения сигнал/шум, спектрального состава шума,
его^^уктдо^ влияние проявляетйпвепо-
средствённо как помеха на изображении, снижении числа различи-
различимых градаций яркости, а при низких значениях отношения сиг-
сигнал/шум возникает нарушение синхронизации развертывающих
устройств, проявляющееся как снижение четкости изображения, на-
нарушение стабильности телевизионного растра и т. п. Естественно,
что во всех звеньях телевизионной системы принимаются меры
к снижению величины вносимых помех, а также меры, направлен-
направленные на уменьшение проявления помех на формируемом изображе-
изображении. В некоторых системах телевизионной автоматики борьба с по-
помехами входит в число центральных проблем (обнаружение мало-
малоразмерных объектов на фоне шума, распознавание объектов в усло-
условиях недостаточной освещенности сцены и др.).
Помехи флуктуационного характера оценивают с помощью эне-
энергетического спектра — зависимости спектральной плотности мощ-
мощности шума от частоты, среднеквадратического значения шума для
фиксированного частотного диапазона и др. К числу основных
149
видов флуктуационных помех относят фотонные (оптические), дро-
дробовые шумы фотокатодов и каскадов вторично-электронных ум-
умножителей, генерационно-рекомбинационные шумы в полупровод-
полупроводниковых преобразователях, тепловые шумы входных цепей усили-
усилителей и др.
Фотонный шум связан с флуктуациями потока излучения источ-
ника_света. Эта помехи ограничивают предельную чувствитель-
чувствительность ТВС и проявляются в условиях дефицита освещения сцены
пр&лспользовании сверхчувствительных преобразователей изобра-
изображения (как правило, включающих докоммутационное усиление све-
световых и электронных потоков).
Дробовые шумы фотокатодов и каскадов вторично-электронно-
вторично-электронного усиления ограничивают чувствительность преобразователей
с внешним фотоэффектом и вторично-электронным усилением сиг-
сигнала (диссектор; см. § 4.2 и др.).
Генерационно-рекомбинационные шумы проявляются в полу-
полупроводниковых преобразователях (матрицы фотодиодов, ПЗС
и др.).
Тепловые шумы входных цепей усилителей сигналов изображе-
изображения доминируют над другими в преобразователях с высоким внут-
внутренним сопротивлением и малой величиной выходного сигнала
(видикон, плюмбикон).
Наряду с указанными в ряде случаев приходится считаться со
специфическими помехами, такими, как шумы переноса зарядов
в ПЗС-структурах, шумы квантования сигнала изображения и др.
В качестве примера рассмотрим противошумовую коррекцию,
используемую в тех случаях, когда помехи, возникающие во вход-
входных цепях усилительного канала, достаточно велики по сравнению
с шумами, генерируемыми преобразователем. Такая коррекция с ус-
успехом применяется при использовании в качестве преобразователя
изображения плюмбикона.
Эквивалентная схема рассматриваемого варианта входной цепи
содержит источник сигнала изображения is с высоким внутренним
сопротивлением Rb резистор нагрузки Д„ коденсатор Ся, включа-
включающий выходную емкость преобразователя, входную емкость усили-
усилительного каскада и неизбежную емкость монтажных соединений, а
также источник тепловых шумов входного резистора щ (рис. 5.3).
Для такой цепи сопротивление нагрузки 2,,=/?„/(! +j2itfRuCj); сле-
следовательно, активное сопротивление
E.3)
E.4)
Значение сигнала изображения
/ \
150
Как видно из E.4), наблюдаемое
с ростом частоты уменьшение сиг-
сигнала изображения может быть скор-
скорректировано в канале усиления с по-
помощью частотно-зависимой схемы
коррекции с коэффициентом переда-
передачи Щ (рис. 5.3)
E.5)
Ряс. 5.3. Эквивалентная схема
у
изображения
К числу доминирующих помех ?^
отнесем тепловые шумы входного резистора, значение которых на
входном резисторе щ и выходе корректирующей цепи щж определя-
определяются следующими соотношениями:
JfflM
u]=4kT f R,(/)d/,
/щ« E.6)
/хяа.
где
/mm
__ постоянная Больцмана; Г—абсолютная температура;
faafma — диапазон частот сигнала изображения.
Отношение сигнал/шум на выходе корректирующей цепи с уче-
учетом E.6)
ш
А №"""¦ ——
E.7)
Используя E.3), E.4), E.5) и E.7), нетрудно получить
где А/=/шк-Л>ш — полоса частот усилителя сигнала изображения.
Использование цепи коррекции с коэффициентом передачи E.5)
при одновременном увеличении сопротивления входного резистора,
как видно из E.8), приводит к увеличению отношения сигнал/шум.
Такие преобразования сигнала изображения получили название
противошумовой коррекции.
В качестве цепей коррекции используют схемы с частотнс-завн-
симой отрицательной обратной связью, частотно-зависимые потен-
циометричесхие делители и др. Безусловным достоинством рас-
рассмотренного метода противошумовой коррекции является благо-
'- ^ на выходе
151
схемы коррекции. Как видно из соотношения (S.6), происходит
относительное перераспределение помех в высокочастотную об-
область спектра, вследствие чего на изображении они становятся
менее заметными.
Принципы рассмотренной противошумовой коррекции и более
сложные схемы предложены в 30-х годах Г. В. Брауде, а методы их
анализа и расчета в настоящее время хорошо разработаны.
Среди методов противошумовой коррекции особое место зани-
занимают временные шумоподавители. В них используется временная
фильтрация сигналов изображения, которая основана на исполь-
использовании корреляции сигналов изображения двух последовательных
кадров (при передаче неподвижного изображения эти сигналы иден-
идентичны). При рассмотрении спектра сигнала изображения (см. § 3.1)
было показано, что этот спектр дискретен и при неподвижном
изображении отдельные составляющие отстоят друг от друга на
fs (например, 25 Гц). Вместе с тем спектр шума непрерывен во всей
полосе сигнала изображения. Из этого следует, что без ущерба для
качества сигнала изображения помеха может быть существенно
уменьшена с помощью гребенчатого фильтра с максимумами про-
пропускания на частотах, кратных f* B5 Гц). Реализация гребенчатого
фильтра возможна на базе устройств памяти на время кадра и осу-
осуществляется в цифровом виде.
Естественно, что при передаче движущихся изображений, когда
в спектре сигнала изображения появляются частоты ниже /?, систе-
система шумоподавления вносит определенные искажения. Для уменьше-
уменьшения этих искажений используют адаптивные шумоподавители,
управляемые измерителем скоростей движения объектов в поле
изображения (детекторами движения).
При проектировании ТВС часто отказываются от критерия фи-
физиологически точного воспроизведения изображения: в системах
вещательного телевидения это связано с необходимостью получе-
получения определенных художественных эффектов, в рентгенотелевиде-
нии используются подчеркивание границ и окраска в условные
цвета малоконтрастных деталей изображения, в системах обнаруже-
обнаружения применяют выделение фрагментов заданного цвета, размера,
формы и т. п. Подобные задачи решаются с помощью специальной
обработки сигналов изображения, которая приводит к преобразова-
преобразованию контрастов, видоизменению гистограмм яркостей, появлению
условных цветов, реставрации утраченных или поврежденных участ-
участков изображения [4]. Эти преобразования производят, как правило,
с цифровыми сигналами изображения. Некоторые из них будут
рассмотрены ниже.
Обеспечение заданного качества телевизионного изображения
путем соответствующей обработки сигналов изображения — об-
обширная область, широко рассмотренная в специальной и учебной
литературе [2, 14]. Рассмотренные виды обработки могут быть
152
лишь примерами, иллюстрирующими возможности современных
систем формирования заданного качества телевизионного изобра-
изображения. В практике телевидения широко используются цветокоррек-
цветокоррекция, рирпроекция, формирование видеоэффектов и другие виды
обработки сигнала изображения.
§ 5.2. ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ
Аналоговый сигнал изображения преобразуют в цифровую
форму с целью расширения возможностей его обработки, а также
устранения или существенного снижения искажений (амплитудных,
частотных, фазовых и др.), накапливающихся в процессе многократ-
многократных преобразований аналогового сигнала изображения. Примером
таких искажений может служить значительное снижение отношения
сигнал/шум в аналоговом сигнале при многократной перезаписи
видеофрагментов в процессе монтажа видеопрограммы. Процедуры
цифрового представления сигналов изображения можно рассматри-
рассматривать как во временном, так и в пространственном базисах. Переход
между такими представлениями, как правило, весьма прост, так как
в большинстве случаев используются линейные преобразователи
изображения как по амплитудной характеристике, так и по законам
развертки (is=bE, x=vxt, y=:v,t). Процедуры преобразования не-
непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровые включают дискрети-
дискретизацию в плоскости изображения х, у (времени /), квантование
дискретной структуры отсчетов по амплитуде и представление каж-
каждого квантованного отсчета в виде кодовой комбинации. Следова-
Следовательно, преобразованное в цифровую форму изображение отоб-
отображается в виде конечного множества чисел. Операции преобразо-
преобразования, обработки, передачи по каналам связи и анализа изображе-
изображения осуществляют в этом случае в цифровой форме. С этим связаны
основные преимущества цифровых ТВС или их звеньев по сравне-
сравнению с аналоговыми.
Отметим главные из них. Обеспечиваются высокая стабильность
параметров отдельных устройств и ТВС в целом, высокая помехо-
помехозащищенность каналов связи, расширяется арсенал возможных пре-
преобразований сигналов (например, с целью создания видеоэффектов,
преобразования параметров разложения, геометрических преобра-
преобразований изображений и др.), появляется возможность практически
неограниченного числа перезаписей фрагментов видеоинформации
при формировании программ, реализации сложных сервисных про-
программ управления телевизионным оборудованием и др.
В вещательных ТВС и им подобных цифровые сигналы, сфор-
сформированные на выходе, используют для восстановления изображе-
изображения. Перечисленные достоинства цифровых систем, естественно,
приводят к существенному повышению качества телевизионного
153
Особо следует выделить такое направление, как анализ изоб-
изображений (системы распознавания образов, измерительные ТВС,
системы обнаружения и др.). При цифровой форме представления
сигналов изображения удается осуществить достаточно сложные
процедуры анализа, реализуемые в реальном времени.
Существенным недостатком систем с цифровым сигналом изоб-
изображения является необходимость значительного расширения поло-
полосы пропускания канала связи по сравнению с аналоговым, а в систе-
системах обработки сигналов — применения быстродействующих элеме-
элементов. Для преодоления этих трудностей с успехом используют
различные методы сокращения избыточности телевизионного сиг-
сигнала.
Рассмотрим процедуру дискретизации детерминированных изоб-
изображений [10]. Если входное изображение представить в пространст-
пространственном базисе в виде непрерывной функции Е(х, у) (будем считать
размеры изображения неограниченными), то процедура дискретиза-
дискретизации такого изображения может рассматриваться как перемноже-
перемножение этой функции с некоторой пространственнс-дискретизирующей
*,¦ -оо кгш -оо
E.9)
где значения ^-функции задаются в узлах решетки с шагом Ах, Ьу
(рис. 5.4, а).
Дискретное в пространстве изображение с учетом E.9) будет
описываться соотношением
= I Z Е(к1Ьх,к2Иу)Цх-к1Ах,у-к2Ьу). E.10)
*t"-oo it,«-oo
Рве. 5.4. Простраяственно-диофетюирующая функция (а) я спектр
дискретязнрованного изображения (б)
154
Как видно, функция Е(х, у) введена под знак суммирования
и задана в виде отсчетов в точках кх Ах, кгАу.
Спектр ?? (о)х, (о,) изображения E.10), полученный в результате
непрерывного двумерного преобразования Фурье для дискретного
изображения,
00 А
E.11)
Этот спектр можно представить в виде свертки спектра исход-
исходного изображения Те (шх, щ) и спектра дискретизирующей функции
м((ох, о)у):
ft (а>х, ю,)=A'/4я2) ГЕ(а>х, ю> Гй(р„ соу). E.12)
Двумерное преобразование Фурье днскретизирующей функции
E.9) приводит к формированию набора ^-функций в плоскости
пространственных частот с шагом ю„=2я/Дх, а},г=2п/Ау:
оо оо
Tt (а>„ (оу)={An1 (Ах Ау) ? J] 5 (тх - кх mxs, <оу - кг(оуз). E.13)
Л:,--оо *а--оо
В реальных системах спектр пространственных частот изображе-
изображения Е(х, у) ограничен (влияние аберраций оптики и др.) Tit®*»
СОу) = 0 ПрИ \(ОХ\>(ОХШ№, К|>й)>1МХ.
Определим ?$ E.11), E.12) как свертку E.12), для чего восполь-
воспользуемся E.13):
. (оу)=[\/(АхАу)] Jf
—оо
t,"-00 Jt2»-00
E.14)
Рассматривая в соотношении E.14) подынтегральное произведе-
произведение функции ТЕ с бесконечной последовательностью ^-функций
и учитывая свойства ^-функции, получаем
] 2 2
Jt,--oo t,--o
ж-М».<»г-*Л)- E.15)
Как видно из E.15), спектр дискретного изображения представ-
представляет собой бесконечное повторение в плоскости (Ох, оь, спектра
исходного изображения, причем шаг сдвига составляет по осям
шх и oiyln/Ax и 2ж/Ау соответственно (рис. 5.4, б). При увеличении
Ах к Ау шаг уменьшается и возможно перекрытие соседних спек-
спектров. При восстановлении это приводит к существенным помехам
изображения.
155
Дискретное изображение E.10) во временном базисе представля-
представляет серию последовательных ^-функций или (в реальных системах)
сигналов, которые после кодирования, передачи по каналу связи
и декодирования преобразуются в адекватную последовательность
отсчетов, которые используются для восстановления (воспроизведе-
(воспроизведения) исходного изображения. С этой целью применяют линейную
интерполяцию или аналогичную процедуру обработки дискретизи-
рованного сигнала.
Обозначим отклик интерполяционного фильтра в пространст-
пространственном базисе R(x, у). Восстановленное изображение Lk(x, у) явля-
является сверткой последовательности отсчетов Е (х, у) с импульсным
откликом R (х,у)\
LR{x,y)=k{x,y)*R{x,y).
Используя E.10) и E.16), получаем
*,«—оо Jfcj--oo
E.16)
,y-k2Ay). EЛ7)
Сопоставляя E.17) и E.10), видим, что импульсный отклик R(x,
у) реализует интерполирующие отсчеты по всей плоскости изоб-
изображения с шагом Ах, &у (здесь не учтены масштабные преобразова-
преобразования плоскостей входного и выходного изображений).
Пространственно-частотный спектр восстановленного изображе-
изображения E.16) можно определить как произведение частотной харак-
характеристики восстанавливающего фильтра f K со спектром дискрет-
дискретного изображения Т% {шх, <оу) E.11), E.12):
,--» Jt,«-oo
Видно, что если суммируемые спектры не перекрываются, то
множитель FR(a)x, (oy) подавляет все спектры, кроме того, для
которого &!=0, к2=6, т. е. спектр исходного непрерывного изоб-
изображения. Восстановленное изображение будет идентичным исход-
исходному.
В реальных условиях, как было отмечено ранее, передаются
изображения со спектром, ограниченным максимальными частота-
частотами <охш№, соутм. Спектры дискретизированного изображения не бу-
будут перекатываться, если, как видно из рис. 5.5, а, выполняются
неравенства а>хюи^(Охг123 (оути^(оуг/2. Следовательно, шаг дискре-
дискретизации Ах и Ау не должен превышать половины периода простран-
пространственной гармоники, соответствующей самым мелким деталям
156
Рис. 5.5. Пространственные спектры двскретизированных изображений
изображения: Ax^nl(oxmM, Ay=nl(oyaui. Нетрудно видеть, что это
условие во временном базисе соответствует теореме отсчетов (те-
(теореме Котельникова) о дискретизации одномерных сигналов.
Для восстановления исходного изображения при выполнении
указанных условий можно воспользоваться восстанавливающим
пространственным фильтром, имеющим частотную характеристику
{
const при
0 в остальных случаях.
При этом, естественно, должно выполняться условие (охц>(охаи,
и (оуЛ>(оути. Изьестны различные принципы построения таких вос-
восстанавливающих фильтров. Частным случаем такого фильтра явля-
является зрительная система человека, обладающая свойствами
фильтра нижних частот. Аналогичным фильтром является и кине-
кинескоп, на экране которого воспроизводится изображение. Получен-
Полученные результаты справедливы в случае дискретизации случайных
двумерных полей. Следовательно, их можно применить к задаче
о дискретизации изображения, пораженного случайным шумом.
Следует, однако, учесть, что если спектр шума будет заметно шире
спектра изображения, то в процессе дискретизации возникнут ис-
искажения, вызванные шумом. Для борьбы с подобными искажени-
искажениями стремятся уменьшить спектр шума до величин, удовлетворя-
удовлетворяющих указанным выше условиям применительно к спектру полез-
полезного сигнала.
Рассмотренные условия дискретизации и восстановления изоб-
изображений относятся к идеальным дискретизирующим функциям (ти-
(типа ^-функции) и восстанавливающим фильтрам. В реальных систе-
системах осуществить подобные дискретизнрующие функции в форме
электрических сигналов и идеальные восстанавливающие фильтры
не удается. Это приводит к появлению искажений в восстановлен-
восстановленном изображении: ухудшению резкости, появлению паразитных
157
высокочастотных составляющих яркости и др. Восстановленное
изображение имеет конечные размеры, т. е. интерполяционные фун-
функции отсекаются на его границах, что приводит к ошибкам вос-
восстановления вблизи его границ.
Если частота дискретизации изображения недостаточна и воз-
возникают перекрытия спектров (штриховка на рис. 5.5, б), то в вос-
восстановленном изображении, даже прм идеальных характеристиках
восстанавливающих фильтров, синтезируются ложные пространст-
пространственные гармоники, которые приводят к появлению на изображении
ложных узоров (муар-эффект). Для уменьшения этих нежелатель-
нежелательных эффектов используют низкочастотную фильтрацию исходного
изображения (например, путем незначительной его расфокусиров-
расфокусировки). Естественно, в этом случае приходится искать компромисс
между резкостью восстановленного изображения и степенью его
ухудшения за счет появления ложных компонентов.
Лучшие результаты можно получить, если использовать вос-
восстанавливающий фильтр, частотная характеристика которого со-
согласована со спектром исходного изображения, а структура рас-
расположения отсчетов в плоскости изображения учитывает форму
пространственного спектра. Это в конечном счете приводит к плот-
плотной «упаковке» спектров (например, рис. 5.5, а) [10].
Процедуру дискретизации в пространственном базисе удобно
использовать при рассмотрении процессов преобразования оптичес-
оптического изображения с помощью матриц ПЗС, фотодиодов и т. п. [3].
Вместе с тем дискретизация часто осуществляется непосредственно
с сигналом изображения, т. е. после формирования одномерного
сигнала s(t). В этом случае для рассмотрения процессов используют
временной базис и его частотное представление [21].
Сигнал s(t), спектр которого ограничен по частоте значением
/ж, в соответствии с теоремой отсчетов (Котельникова) однозначно
описывается дискретными отсчетами s(kl), соответствующими от-
отсчетам по элементам оси времени, взятыми через равные интервалы
^д= V^/mai (интервал дискретизации), т. е. с частотой дискретизации
fn= 1/Гд. При выборе этой частоты, как нетрудно видеть, практичес-
практическое значение имеет выбор ее нижней границы, т. е. ее верхний предел
теоретически не ограничен.
Спектр рассматриваемого сигнала s(t)
00
J (ш)= J s(t)txp(-j(oi)dt.
Для И>2я/щ„ значение *Г(ю)=0, а в диапазоне частот от -/
¦f/тм спектр можно представить рядом Фурье:
до
Г(со)=
-7- 4
2/шм /
158
1
/
E.20)
Сигнал изображения s (t) с учетом его ограничений по спектру
,ч 1 2х/?" re, ч ,. ,ч. /сои
Видно, что в моменты времени кТа сигнал может быть опреде-
определен из соотношения
1 2я/юах
=- J Т
2я -2*/т«
С учетом E.20)
5
Полученное соотношение позволяет выразить коэффициенты
Ак через значения сигнала s(t) в фиксированные моменты времени
кТ'
л
А — е> C\rT\lOf \ ($ "У0\
Ak—S [Kl fl//\*ymtx/# \J*?*>/
Спектр сигнала изображения Т(ш) в соответствии с E.19) и E.22)
можно аппроксимировать рядом
л
У(со)= ? ехрп со ь
—оо rnin \ *Лвм
С учетом полученного соотношения, а также E.21), можно опре-
определить значения сигнала s (t) для любого момента времени /.
1 2*/щ» оо S (*Гд)
*@=- J I —-
2я -2*/шм -» •'т"
Это соотношение может быть преобразовано:
V « rife
4ялмх „„о
оо
— V р (
~ jL д v
-ао
Тд) J exp[/o)(/+fc7
кТ\
E.23)
159
Таким образом, исходный аналоговый сигнал, спектр которого
перед дискретизацией ограничен частотой fmni может быть вос-
восстановлен с помощью идеального фильтра нижних частот (прозрач-
(прозрачность которого Н(со)~const для |соК2ж/щм, Н((о)~0 для
Щ>2я/шю) по отсчетам, следуюпдим через интервалы времени Гд,
т. е. в соответствии с E.23).
Во временной области процесс дискретизации представляется
как перемножение сигнала s(t)n функции дискретизации 5(t), в ча-
частотной области это эквивалентно операции свертки соответству-
соответствующих спектров:
¦д -»
E.24)
где (ол=2п/Та.
Из соотношения E.24) видно, что спектр J д(ю) представляет
собой спектр ?{<я) (рис. 5.6, а), повторяющийся на частотах ксоа
(рис. 5.6, б). Спектр исходного сигнала можно восстановить путем
фильтрации с помощью идеального
фильтра нижних частот:
Н((О) = COllSt ДЛЯ |О>| < 2кУшах,
Я(ш)=0 для М>2я/щм. Этим усло-
условиям удовлетворяет фильтр, харак-
характеристика прозрачности которого
показана на рис. 5.6, в.
В процессе восстановления сигна-
сигнала изображения возможны искаже-
искажения, если нарушены условия дискре-
дискретизации и восстановления, указан-
указанные выше. К таким искажениям при-
приводит появление в спектре исходно-
исходного сигнала частот, превышающих
/пи, или неверный выбор частоты
дискретизации/д <2^и,. При восста-
восстановлении сигнала даже идеальным
фильтром происходит проникнове-
проникновение высокочастотных составляющих
побочных спектров (штриховка на
рис. 5.6, г), что вызывает появление
ложных компонентов в восстанов-
восстановленном сигнале и соответствующих
^?*?^JJU лож!шх уз0|юв в изображении. От-
Отлов i шоюЧастотаого (в) фялира личие характеристик восстанавлива-
160
-2п/ГА
ющего фильтра от указанных выше также вносит искажения
в спектр восстановленного сигнала: если в рабочей полосе фильтра
Я (со) ^const, то спектр восстановленного сигнала fa^—J{(o)H((o)t
т. е. отличен от Т(со). К появлению ложных компонентов, естест-
естественно, приводит и неверный выбор рабочей полосы фильтра.
Наряду с дискретизацией сигналов изображения во времени
в процессе формирования цифрового сигнала изображения исполь-
используется дискретизация сигнала по амплитуде, или квантование по
уровню. При этом весь динамический диапазон изменения выход-
выходного сигнала изображения разбивается на конечное число уров-
уровней— уровней квантования — так, что все возможные значения
входного сигнала (от 0 до J^ou) представляются конечным числом
дискретных значений (?ш1, ?ш2, ..., smn) в диапазоне от 0 до
Smamtx. (рис. 5.7, а). Такое представление сигнала изображения воз-
возможно прежде всего в связи с тем, что получатели видеоинфор-
видеоинформации (зрительный анализатор, измерительный прибор и др.) об-
обладают ограниченной контрастной чувствительностью (см. § 2.3),
в то же время квантование позволяет уменьшить влияние помех
в тракте передачи и преобразования видеоинформации.
Рассмотрим основы процедуры квантования сигнала изображе-
изображения [21]. Основной характеристикой преобразователя аналогового
сигнала в квантованный по уровню является характеристика кван-
квантования яюа=/Ы с равномерным (рис. 5.7, а) или неравномерным
(рис. 5.7, б) квантованием. Характеристика может быть рассчитана
для униполярного (рис. 5.7, а) или биполярного (рис. 5.7, б) сиг-
валов. Видно, что каждому определенному интервалу входного
сигнала соответствует фиксированное значение выходного. Интер-
Интервал между соседними уровнями квантования называют шагом кван-
квантования а, а интервалы между соседними порогами квантования —
интервалом квантования As.
При равномерном распределении уровней и порогов квантования
"тех
. Пороги
квантования
„ Уробни
- кВантобания
/ 2 3 /Г" (я)
о)
Рве. S.7. Хараггеристшси квантователей сигналов изображения
6 Р. Е. Быков
161
\
(рис. 5.7, а) характеристику квантования униполярного сигнала
можно представить в виде
E.25)
fO для {.}<0,
для {.}>0.
Для неравномерного квантования выражение E.25) приобретает
следующую форму:
где единичная функция И*}—л«
Иногда используют понятие о коэффициенте усиления квантова-
квантователя сигнала Q=sa^Jsa. Нетрудно видеть, что значение Q зависит от
величины входного сигнала и изменяется в пределах интервала
квантования. При увеличении числа уровней квантования харак-
характеристика равномерного квантования приближается к линейной
амплитудной характеристике, коэффициент усиления стремится
к постоянной величине, определяемой углом наклона амплитудной
характеристики. Характеристика нелинейного квантователя при
увеличении уровней квантования приближается к нелинейной амп-
амплитудной характеристике с коэффициентом усиления преобразова-
преобразователя, зависящим от амплитуды входного сигнала.
Выбор числа уровней квантования при обработке сигнала, пред-
предназначенного для формирования изображения (вещательное телеви-
телевидение), должен производиться с учетом контрастной чувствитель-
чувствительности зрения (см. § 2.2), т. е. с учетом соотношения B.3) и кривой
рис. 2.5. Естественно, что при этом должны быть учтены специфика
воспроизведения телевизионного изображения, характер передачи и
обработки сигнала в телевизионном тракте. При квантовании сиг-
сигналов цветного телевидения учитываются цветовые искажения, воз-
возникающие в связи с квантованием сигналов и особенностями вос-
воспроизведения и восприятия цветных изображений [14].
Вследствие представления сигнала изображения конечным чис-
числом уровней квантования в восстановленном изображении возника-
возникают шумы квантования. Особенностью шумов квантования является
то, что они возникают одновременно с сигналом. По природе
возникновения шумы квантования обусловлены неизбежным раз-
различием между исходным и квантованным сигналами. Поэтому они
существенно зависят от вида характеристики квантователя. Шум
квантования на изображении проявляется по-разному и зависит от
характера передаваемого сюжета. В мелких деталях изображения
шум квантования проявляется в форме случайного шумового ком-
компонента яркости. В низкочастотной области помехи квантователя
проявляются в виде ложных контуров (плавные изменения яркости
162
преобразуются в скачкообразные), заметность которых уменьшает-
уменьшается при увеличении числа уровней квантования.
Для уменьшения заметности шумов квантования наряду с увели-
увеличением числа уровней квантования используют неравномерное
квантование, учитывают статистические характеристики класса пе-
передаваемых изображений, особенности зрительного восприятия по-
помех квантования и др. Эти вопросы, так же как подходы к оценке
шума квантования, широко освещены в литературе [10, 12]. При
равномерном квантовании и достаточно большом числе уровней
квантования плотность вероятности обрабатываемого сигнала мо-
можно считать постоянной. Все амплитуды sm попадающие в ин-
интервал квантования А^, т. е. для которых u-o,5<JMOi+o,5, будут
заменены амплитудой ;Ш1 или sK (будем считать Q~l). Ошибка
квантования в этом случае |5j<|A$J2|.
Если в качестве меры шума квантования взять среднеквадрати-
ческое значение сигнала, то можно определить ошибку квантования:
(j-^J= J (s-sKfp(s)ds,
где p(s) — плотность вероятности сигнала г, для анализируемого
случая, т. е. для рассматриваемого интервала, p(s)=p(sj.
Следовательно,
-*)*= f
12
E.26)
Суммарное значение шума квантования определяется суммой
значений в отдельных интервалах квантования; следовательно,
с учетом E.26)
(Л*K
Ik) E.27)
Введем вероятность
%+0,5
(у)= f
E.28)
С учетом E.27) и E.28)
12
При равномерном распределении уровней квантования
АГ(АJ
E.29)
ш
Если число уровней квантования л, то при равномерном распределе-
распределении вероятности p(s)= \J(nAs), а мощность сигнала
во « яДл/2 |
ЛГ,= f s2p(s)ds=— J s2ds=-n2(AsJ.
я Ад _,
яДл/2
12
С учетом полученного соотношения и с учетом шумов квантова-
квантования E.29)
NtzNNt(n
Отношение сигнал/шум для квантованного сигнала
Учитывая, что обычно и»1, имеем ^F^wn2.
Для уменьшения заметности шума квантования, как было от-
отмечено, используют неравномерное квантование с помощью нерав-
неравномерной характеристики квантования или используют равномер-
равномерную характеристику квантования, но сигнал предварительно преоб-
преобразуют путем нелинейного амплитудного преобразования. Для это-
этого используют компрессор, имеющий амплитудную характеристику
передачи с у < I. Для устранения нелинейных искажений в выходном
изображении в последующих трактах обработки и передачи сигнала
изображения используют обратное нелинейное преобразование
с помощью экспандера. Подобные преобразования видеосигнала
называют компандированием. В современной аппаратуре чаще ис-
используют компандирование в цифровой форме, т. е. непосредствен-
непосредственное неравномерное квантование.
Заметим, что уровень квантования внутри интервала квантова-
квантования может быть выбран и не в центре интервала Asn. Можно
показать, что для минимизации шума квантования, если пороги
выбраны достаточно близко друг от друга, т. е. плотность вероят-
вероятности/ф) в пределах интервала квантования можно считать посто-
постоянной, уровень квантования необходимо располагать в центре каж-
каждого интервала. При равномерном квантовании, следовательно,
характеристика, указаяная на рис. 5.7, а, оптимальна. При нерав-
неравномерном распределении вероятности p(s) квантуемого сигнала
задача минимизации шума квантования приводит к более сложным
характеристикам квантования. Одна из таких характеристик для так
называемого квантователя Макса приведена на рис. 5.7, б. Известны
и другие подходы к минимизации искажений, возникающих в про-
процессе квантования сигналов изображения.
Как видно из вышеизложенного, квантование по уровню пред-
представляет собой нелинейный процесс. Следовательно, это преобразо-
преобразование связано с изменениями частотного состава сигнала изображе-
изображения. Известны различные подходы к описанию частотных преоб-
164
разованнй в процессе квантования, однако в общем случае анализ
частотных преобразований сигнала оказывается сложным [21].
Как видно из изложенного, процедура квантования выполняется
последовательно, т. е. каждое значение видеосигнала квантуется
независимо от остальных отсчетов. Вместе с тем ошибки, вносимые
при квантовании, можно уменьшить, если квантование производить
относительно группы отсчетов (векторное квантование). При со-
совместном квантовании группы из л отсчетов квантованию подлежит
вектор в л-мерном пространстве. В этом случае стоит задача не
только выбора числа ячеек квантования, но и их формы. Поиск
способа квантования, при котором минимизируется среднеквадра-
тическая ошибка квантования, привел к появлению блочного кван-
квантования. Более сложные алгоритмы используются при квантовании
сигналов цветных изображений [4,10].
§ 5. 3. ЦИФРОВОЕ КОДИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Квантованные сигналы изображения подвергаются кодирова-
кодированию в виде, например, последовательности m-ичных кодовых ком-
комбинаций. Такое преобразование называется импульсно-кодовой мо-
модуляцией (ИКМ). Кодирование
в этом случае чаще всего пред-
представляется в виде записи номера
уровня квантования, соответству-
соответствующего значению сигнала изобра-
изображения, в двоичной системе счис-
счисления. Вся процедура преобразо-
преобразования сигнала изображения 5@,
включающая дискретизацию, ква-
квантование и представление в виде
последовательности двоичных
импульсов (кодирование), иллю-
иллюстрируется рис. 5.8. Использова-
Использование восьмиразрядного кодирова-
кодирования в рассмотренном варианте
обеспечивает кодирование сигна-
сигнала с 256 уровнями квантования
B8=256). Полученный таким об-
образом сигнал поступает в цифро-
цифровые устройства обработки,
устройства видеозаписи или циф-
цифровой канал связи. После переда-
передачи цифрового сигнала по каналу
связи он на приемной стороне
с помощью цифроаналогового
S)
- •
-
1
•*—
г .
t
1 I
\iOO\1OO\11O\f1l\11O\GQl\O0O
0
Рис. 5.8. Дискретизация сигнала изоб-
изображения (а), его квантование (б) и ко-
(в)
165
преобразователя (ЦАП) восстанавливается, т. е. приобретает анало-
аналоговую форму. В состав ЦАП входят декодирующее устройство,
преобразующее кодовую комбинацию в квантованную последовате-
последовательность импульсов, интегратор и сглаживающий фильтр, восстана-
восстанавливающий аналоговый сигнал изображения. При использовании
ИКМ в каналах связи достигается высокая помехоустойчивость,
однако при этом существенно расширяется спектр сигнала по срав-
сравнению со спектром исходного сигнала изображения.
Спецификой сигнала изображения является наличие статистичес-
статистических, в частности корреляционных, связей между сигналами соседних
элементов изображения. Использование этих связей позволяет по-
повысить эффективность функционирования каналов связи за счет
применения более рациональных способов кодирования. Одним из
них является кодирование с предсказанием [22]. Этот способ кодиро-
кодирования основан на том, что значительная часть информации об
очередном @ отсчете сигнала st содержится в предшествующих
отсчетах, т. е. 5,=/(у,_ь ^_2, ^-35 — , $-»)• Наиболее часто использу-
используются методы линейного предсказания. В этом случае сигнал 1-го
отсчета (элемента) определяется как
Ъ =
k-\
E.30)
где п — полное число отсчетов, предшествующих f-му, включаемых
в процедуру предсказания; с,_* — соответствующие весовые коэф-
коэффициенты, д
Разность между истинным s, и предсказанным st значениями
сигналов называют ошибкой предсказания е,=^-5,. Сигнал ошибки
предсказания может принимать не только положительные, но и от-
отрицательные значения; следовательно, он имеет больший динами-
динамический диапазон. Вместе с тем изучений статистических характери-
характеристик сигналов изображения показывает, что если в первом прибли-
приближении распределение вероятностей в исходном сигнале можно счи-
считать однородным, то условные распределения, характеризующие
связи между соседними элементами изображения, а следовательно,
и распределения вероятностей разностного сигнала, весьма нерав-
неравномерны. Особенно велика корреляция между сигналами соседних
элементов, что позволяет при построении устройств предсказания
использовать весовой коэффициент at [соотношение E.30)], близкий
к единице. В качестве предсказанного значения сигнала 5,, следова-
следовательно, можно просто использовать сигнал, соответствующий пред-
предшествующему отсчету Si-\. Устройство предсказания в этом случае
представляет собой элемент задержки сигнала на период дискрети-
дискретизации Гд и сумматор I, на который для реализации процедуры
вычитания сигнал j,_i подают в отрицательной полярности (рис. 5.9,
166
Рис. 5.9. Струпурные схемы устройств
предсказания
а). На выходе сумматора
формируется сигнал ошибки
et=Si—si-i. Более сложные
устройства предсказания, реа-
реализующие вычисление s f в со-
соответствии с E.30), содержат
п аналогичных устройств за-
задержки и перемножители av аг,
.... о„, сигналы с выходов кото-
которых поступают на сумматор
2Х, вычисляющий Si, и сумма-
сумматор ?2, вычисляющий сигнал
ошибки предсказания е, (рис.
5.9, б). В теории пере-
передачи сигналов устанавливается
связь коэффициента корреля-
корреляции между отдельными отсчетами с величиной ошибки вычисления
предсказанного сигнала [16].
В цифровых системах связи сигнал ошибки е{ подвергается опе-
операциям квантования, кодирования и передается по каналу связи. На
приемной стороне имеется аналогичный предсказатель. Поскольку
процедуры предсказания на приемной и передающей сторонах иден-
идентичны, предсказанные отсчеты st могут быть использованы для
восстановления истинного значения сигнала изображения: для этого
к вычисленным отсчетам .v, добавляют полученный по каналу связи
сигнал ошибки, т. е. st +e,. Рассмотренный вариант преобразования
сигналов называют дифференциальной импульсно-кодовой модуляци-
модуляцией (ДИКМ). Известно большое число способов технической реа-
реализации ТВС на базе ДИКМ (сигнал ошибки может формироваться
в аналоговой форме с последующим кодированием, можно исполь-
использовать кодирование исходного аналогового сигнала с последующим
формированием сигнала ошибки и др.). В некоторых случаях оп-
оптимизируют весовые коэффициенты aL, а2,... , а„ по коэффициен-
коэффициентам корреляции, определенным для конкретных классов изображе-
изображений. При этом ошибка предсказания уменьшается с увеличе-
увеличением числа отсчетов (элементов изображения), по которым ведется
предсказание. На этом основано построение адаптивных систем
ДИКМ.
Рассмотренные системы ДИКМ обеспечивают одинаковое с
ИКМ качество изображения при меньшем числе символов в кодо-
кодовой комбинации. При высокой частоте дискретизации число уров-
уровней квантования сигнала ошибки может быть существенно снижено,
в пределе до двух. Такой способ кодирования называют дельта-
модуляцией (ДМ). В этом случае по каналу связи передается инфор-
информация лишь о знаке ошибки. Квантованный сигнал ошибки имеет
167
вид ei=\{e}As, где единичная функция! {e,)=-J ' 'На
(-1 для е&О.
приемной стороне для формирования сигнала текущего элемента
к значению предшествующего сигнала прибавляется или вычитается
As, обеспечивая уменьшение погрешности между истинным значе-
значением сигнала и восстановленным (рис. 5.10, а). Таким образом,
соседние значения сигналов изображения различаются на один шаг
квантования. Для формирования аналогового сигнала используется
сглаживающий фильтр, на выходе которого формируется сигнал
S(t). Разность s(t)-s(t) определяется ошибками квантования. Ее
величина тем меньше, чем выше частота дискретизации и чем
меньше шаг As.
Уменьшение шага квантования ограничивается искажениями,
возникающими при быстрых изменениях сигнала изображения (пе-
(перегрузка по крутизне). Как видно из рис. 5.10, б, при увеличении
крутизны фронта сигнала ступенчатая функция может не успевать
«отслеживать» изменения s(t). Максимальное число порогов кван-
квантования L может быть определено, если известны шаг квантования
Рис. 5.10. Восстановление сиг-
сигнала при дельта-модуляции
Hj-(
Ч
И ТТТ
j 1МШПТ
i i i i . i i i .
в)
Рис. 5.11. Предсказание по че-
четырем элементам изображения:
а — построчное, б — чересстрочное
разложение
168
Г и максимальное значение крутизны сигнала изображения
d/|mu
-I
Число поро-
пороОчевидно, должно выполняться условие
гов квантования L=saaja; следовательно,
Как было отмечено выше, уменьшение числа порогов квантова-
квантования приводит к увеличению шумов квантования. Для оптимизации
характеристик ДМ используют различные варианты адаптивных
ДМ [21, 22]. Для этого, например, производят адаптацию по серии
знаков приращений: если знак приращений в течение нескольких
интервалов остается неизменным (это означает, что возникла пере-
перегрузка по крутизне сигнала), то амплитуда приращения удваивается
(точка kt на рис. 5.10, в). Если это не приводит к изменению знака
ошибки, то амплитуда приращения удваивается еще раз и т. д. При
изменении знака ошибки размер приращения уменьшается в два
раза (точка к2). Различные варианты ДМ нашли применение в те-
телевизионных системах прикладного назначения, например в видео-
видеотелефоне.
Использование статистических свойств изображения позволяет
осуществить более эффективные системы на базе двумерного пред-
предсказания [22]. С этой целью, используя алгоритм предсказания
E.30), можно осуществить выборку сигналов элементов изображе-
изображения, предшествующих i-му элементу не только в горизонтальном
направлении (*), но и в вертикальном (у). Для /-го элемента на
строке/ алгоритм предсказания E.30) по четырем элементам (ряс.
5.11) приобретает вид
Л . . /« Ч1\
Алгоритм E.31) позволяет изменять весовые коэффициенты
в широких пределах, что приводит к реализации различных проце-
процедур предсказания. Простейшие процедуры реализуются при пред-
предсказании по одному элементу, предшествующему по горизонтали
(flf_tj=l; а(+и-1-а^1=а^и-1=0), или одному элементу, предше-
предшествующему по вертикали (aiJmi-\; aJ_ij=aj+ij_i=al_ib/-i=0). Дву-
Двумерное предсказание может быть осуществлено по этим элементам,
если в E.31) весовые коэффициенты выбрать а,_и=:а^-1=0,5;
^+ij-i=fli-ij-i=0. Используя не только положительные, но и от-
отрицательные весовые коэффициенты, можно реализовать алгорит-
алгоритмы, адаптивные к локальной структуре изображения. Например,
если положить а,_и=1; «u-i = l; сц-и-\ = -\\ el+t,y_i=O, то при
передаче участков ровного фона происходит полная компенсация
влияния ряда соседних элементов. Возможны и другие комбинации
подбора весовых коэффициентов.
Использование двумерного предсказания повышает субъективное
169
качество изображения благодаря улучшению качества передачи го-
горизонтально и наклонно ориентированных перепадов яркости.
Практическая реализация алгоритмов двумерного предсказания
принципиально не отличается от рассмотренных выше вариантов
построения предсказателей. Естественно, в этом случае в схемах
появляются устройства задержки сигнала изображения на время
передачи строки или нескольких строк. Например, для реализации
алгоритма предсказания по двум соседним элементам может ис-
использоваться схема, приведенная на рис. 5.9, б, с двумя элементами
задержки: Т, (задержка на время передачи одного элемента изоб-
изображения) и Г, (задержка на время передачи строки); ^=^=0,5.
Системы ДИКМ требуют особого внимания к вопросам помехо-
помехоустойчивости. В обычных системах ИКМ помехи поражают элемен-
элементы изображения, передаваемые в отрезки времени действия помехи.
В системах с предсказанием действие помехи распространяется на
ряд последующих элементов. Например, при одномерном пред-
предсказании по одному элементу действие помехи приводит к ошибкам
передачи сигналов всех последующих элементов изображения,
вплоть до того момента, когда передается истинное значение сиг-
сигнала. Это связано с тем, что после воздействия помехи, например,
в канале связи она добавляется ко всем последующим сигналам, что
приводит в рассматриваемом случае к появлению помех на избра-
жении в виде горизонтальных полос. При использовании двумер-
двумерных предсказателей помехи на изображении могут иметь вид на-
наклонных полос и т. п. Такие помехи хорошо заметны глазом
и существенно снижают качество телевизионного изображения. Из-
Известны различные методы снижения видности подобных помех:
путем использования двумерных предсказателей со сложным упра-
управлением весовыми коэффициентами предсказания; путем передачи
опорных сигналов и др.
При цифровой обработке и передаче сигналов изображения не-
необходимо высокое быстродействие элементов системы, в обычной
ИКМ достигающее 100...140 Мбит/с. Снизить требуемое быстро-
быстродействие удается за счет использования методов кодирования с пре-
преобразованием, идея которого возникла в конце 60-х годов [10, 21].
В системах кодирования с преобразованием кодированию подвер-
подвергаются не отсчеты сигнала изображения, как в рассмотренных выше
случаях, а отсчеты коэффициентов его двумерного преобразования,
например, преобразования Фурье, рассмотренного в § 3.2. Прост-
Пространственный спектр большинства изображении сосредоточен в его
низкочастотной части. Следовательно, при кодировании это позво-
позволяет ограничиться сравнительно небольшим количеством отсчетов
значений пространственных частот и использовать достаточно гру-
грубое квантование отсчетов высокочастотных компонентов.
Целесообразность кодирования с преобразованием определяется
тем, что путем преобразования сигнал изображения может быть
приведен к виду, наиболее удобному с точки зрения сокращения
170
избыточности или уменьшения чувствительности к помехам канала
связи, после прохождения через который кодированный сигнал
преобразуется в исходную форму. При выборе вида преобразования
учитывают особенности зрения, т. е. осуществляется сокращение не
только статистической, но и психофизиологической избыточности.
Кодирование с преобразованием можно применить к спектру
всего изображения или его части. Обычно используют разбиение
изображения на части (блоки), этот способ называют блочным
кодированием. Форма (размер) обрабатываемых блоков определяет-
определяется диапазоном проявления существенных статистических связей
между сигналами элементов изображения, вместе с тем надо учиты-
учитывать, что переход к крупноформатным блокам связан с существен-
существенным усложнением аппаратуры. Двумерный фрагмент включает
М элементов одного поля соображения, расположенных в N стро-
строках. Полное поле изображения передается в этом случае путем
последовательной пофрагментной передачи его частей.
Наиболее часто используют методы линейных ортогональных
преобразований, т. е. преобразований, при которых операции сло-
сложения, вычитания и умножения на скаляр действительны и после
преобразования, а сигнальные свойства преобразуемого фрагмента
представляются ограниченным набором ортогональных функций.
Такие преобразования можно осуществлят. с непрерывным или
дискретным сигналом. Аналитически „акие преобразования будут
выражаться интегральной или матричной формой записи.
Наряду с использованием преобразования Фурье и кодировани-
кодированием его оэффициентов во многих практических случаях можно
существенно сократить объем необходимы/ вычислительных опера-
операций, если воспользоваться дискретными преобразованиями Уол-
ша — Адамара, Карунена — Лоэва, Хаара [10, 21]. Преимущества
того или иного способа преобразования вытекают из особенностей
распределения коэффициентов преобразования. Вследствие корре-
корреляционных связей между сигналами отдельных элементов изоб-
изображения энергия в'его спектре, как правило, концентрируется в от-
относительно небольшом числе отсчетов.
Структурная схема системы передачи сигнала изображения на
базе кодирования с преобразованием приведена на рис. 5.12 [10].
Для каждого блока NxN элементов производится преобразование,
в результате которого дискретные сигналы s(i, J) преобразуются
в коэффициенты двумерного разделимого унитарного преобразова-
преобразования: w w
Лг Лг
,«,v), E.32)
где A (i,j, и, v) — ядро преобразования (базисные функции, по кото-
которым происходит разложение).
Воспроизвести изображение можно путем обратного преобразо-
преобразования:
171
N N
u-l v-l
T(u,v)B(i,j,u,v),
где B(i, j, u, v) — ядро обратного преобразования.
Отбор спектральных коэффициентов (рис. 5.12) для передачи по
каналу связи (в форме сигналов 5г) можно произвести двумя спосо-
способами: зональным и пороговым. Первый из них сводится к выбору
коэффициентов, занимающих определенные области спектра, значи-
значимые для рассматриваемого класса изображений. Отобранные коэф-
коэффициенты подвергаются квантованию и кодированию, после чего
передаются по каналу связи. На приемной стороне, как видно из
рис. 5.12, после декодирования поступающего сигнала и обратного
преобразования производится восстановление частей исходного из-
изображения 5 (i, J) в каждом блоке. При пороговом способе отбора
коэффициентов преобразования для квантования, кодирования и пе-
передачи сигналов выбирают пороги, превышение которых определя-
определяет коэффициенты как значимые; коэффициенты, не превышающие
установленных порогов, не передаются. д
Полученные рассмотренным образом дискретные сигналы s (i,j)
используются для формирования выходного изображения.
Исследования показывают, что в случае использования в преоб-
преобразователе дискретного преобразования Фурье (аналогичного рас-
рассмотренному в § 3.2), отнесенного к фрагменту MxN, с ростом
тип амплитуды ЕтшЯ быстро падают. Это позволяет ограничить
область значений т, п, подлежащих передаче по каналу связи we [О,
*Итм], ие[0, Ищи]- При детальном рассмотрении процедур прямого
и обратного преобразований обнаруживаются дополнительные ис-
источники искажений (краевые эффекты и др.), что приводит к поиску
компромиссов между качеством восстановленного изображения
и степенью сжатия цифрового сигнала [10]. При осуществлении
дискретного преобразования Фурье применяют быстрые алгоритмы
расчета, позволяющие осуществить преобразование в реальном вре-
времени ТВС. Аппаратурная реализация устройств кодирования на
Преобразо-
Преобразователь
Канал
сбязи
Селектор
отсчетод
Кдантода-
тель и
кскр
Декодер
Циу)
блок
обратного
преобразо-
преобразования
sD)
Рис. 5.12. Структурная ата свстедеы кодирования с преобразова-
преобразованием
172
основе преобразований Фурье, Уолша — Адамара и др., включая
вопросы формирования сигнальной матрицы и ее преобразования,
фильтрации, рассмотрена в [21].
§ 5.4. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Цифровая обработка сигналов по своему назначению соответ-
соответствует аналогичным преобразованиям с аналоговыми сигналами
(у-коррекция, апертурная, противошумовая и др.). При этом, как
правило, повышается стабильность работы корректоров, упрощает-
упрощается схемотехническая реализация, в ряде случаев расширяется диапа-
диапазон возможных преобразований сигналов. Таким образом, в систе-
системах вещательного телевидения цифровая обработки сигналов изоб-
изображения производится с целью обеспечения формирования изоб-
изображения заданного качества.
В системах анализа изображений обработка сигналов произ-
производится с целью преобразования их к виду, удобному для анализа
(согласование с рабочим процессором, осуществляющим выделение
признаков, локализация объектов в поле сканирования и др.).
Рассмотрим некоторые технологии обработки телевизионных
сигналов, используемые для улучшения качества при визуальном
восприятии изображения. Цифровой обработке предшествует фор-
формирование цифрового сигнала изображения с помощью аналого-
цифрового преобразователя (АЦП). Примером параллельного АЦП
может служить структура, показанная на рис. 5.13 [21]. Аналоговый
сигнал 5М, соответствующий заданной полосе частот в тракте
Усилитель
Компараторы Формирователь
-у
?М Кодер
Рис. 5.13. Аналого-цифровой преобразователь
173
усиления, дискретизируется схемой выборки, которая обеспечивает
постоянство сигнала изображения внутри интервала дискретизации
(хранение). После усиления дискретизированный сигнал поступает
на входы работающих параллельно амплитудных компараторов
(величины сигналов изображения сравниваются с соответствующи-
соответствующими опорными напряжениями, формируемыми резисторным делите-
тем). На выходах компараторов, амплитуда сигнала на входе кото-
которых превышает опорные напряжения, генерируются сигналы. Эти
сигналы поступают на вход кодера и формирователь, на выходе
которого в параллельном коде формируется цифровой сигнал изоб-
изображения. Для синхронизации работы схемы выборки и хранения,
кодера и других узлов используется генератор тактовых импульсов
с частотой/д. Рассмотренный АЦП имеет высокую скорость преоб-
преобразования, в нем просто реализуется коррекция характеристик пре-
преобразования. К недостаткам можно отнести большое число ком-
компараторов, большую потребляемую мощность и др.
Лучшие рабочие характеристики удается реализовать на парал-
параллельно-последовательном преобразователе (рис. 5.14) [21]. На пер-
первой ступени преобразования формируются старшие разряды D),
а во втором — младшие D), т. е. на первой ступени, аналогично
схеме рис. 5.13, осуществляется грубое квантование всего динами-
динамического диапазона сигнала на 16 уровней. Результат записывается
в буферное запоминающее устройство (ЗУ) и одновременно декоди-
декодируется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). С помощью
схемы вычитания (I) формируется разность между задержанным
входным сигналом и сигналом с выхода ЦАП. Этот разностный
сигнал подвергается квантованию и кодированию во второй ступе-
ступени преобразователя. Таким образом и формируются младшие раз-
разряды квантования. Результирующее разрешение по уровням состав-
Схема
выборки
Konnapa-
торы
Кодер
Схема
задержки
I
ЦАП
ЗУ
Компа-
Компараторы
Кодер
Формирователь
Рис. 5.14. Пар&шюлъно-последовательныйАЦП
174
ляет 256. Выходной 8-разрядный параллельный код формируется
в выходном устройстве, там же осуществляется синхронизация вы-
выходных сигналов. Как видно, рассмотренная структура позволяет
уменьшить число компараторов, что приводит к снижению потреб-
потребляемой мощности. Вопросы схемотехнической реализации
устройств выборки — хранения, компараторов, а также принципов
реализации АЦП и ЦАП в интегральном исполнении рассмотрены
в [21].
Регулировка градационной характеристики (свет — свет) ТВС
осуществляется с помощью у-корректора (см. § 5.1). В некоторых
случаях подобные процедуры обработки преследуют цель расшире-
расширения динамического диапазона яркости выходного изображения. Из-
Изменения градационной характеристики сводятся, как правило, к не-
нелинейным операциям с сигналом изображения. Цифровой у-коррек-
тор может быть реализован на базе постоянного цифрового запо-
запоминающего устройства (ПЗУ), формирующего сигналы разности
между заданной и реализуемой в тракте обработки характеристи-
характеристиками преобразования. С этой целью сигнал изображения сопостав-
сопоставляется с соответствующими сигналами ПЗУ (рис. 5.15, а), на выходе
которого формируется разность между текущим значением и задан-
заданным. Эта разность суммируется с сигналом изображения. Таким
образом формируется заданная параметрами ПЗУ характеристика
тракта преобразования (рис. 5.15, б).
Рассмотренные процедуры относятся к регулировке харак-
характеристики преобразования яркости одинаково для всех элементов
передаваемого изображения. Цифровая обработка позволяет це-
целенаправленно производить управление гистограммой распреде-
распределения яркости элементов изображения. Гистограмма яркости
(статистика распределения элементов в изображении по яркости)
обычно имеет подъем в интервале малых значений яркостей,
так как яркость большинства элементов изображения ниже
среднего уровня. Одним из методов улучшения субъективного
качества изображения является видоизменение гистограммы —
приведение ее к близкой равномерной или другой, например
гиперболической, что дает хорошие результаты при зрительном
ПЗУ
о)
I
•Sft/jr
Рис. 5.15. Цифровой у-корректор (а) в его харак-
характеристика преобразования (б)
175
восприятии. Известны различные методы видоизменения гисто-
гистограмм [21].
Если долю элементов входного изображения (сигнала), кван-
квантованная яркость которых соответствует/-му уровню (/«1, 2 J),
обозначить NF(j), а выходного — NG(k)t где Jk=l, 2, ..., К, то
преобразование гистограммы описывается оператором
NF(J)=>NG(k). При формировании равномерной гистограммы
NG (k)ta ЦК в процессе преобразования объединяют элементы сосед-
соседних интервалов квантования Nv(j) так, чтобы суммарный результат
минимально отличался от 1/Л, например, NP(l)+NFB)+NpC)->
-»iv~G(l) и т. д., как указано на рис. 5.16 [10]. Все объединенные
элементы (штриховка) относят к одинаковому новому уровню яр-
яркости, выбранному в середине нового интервала квантования. Эту
процедуру повторяют, начиная с уровней минимальных яркостей
и кончая максимальными. При большом числе уровней квантова-
квантования исходного изображения удается получить практически равно-
равномерную гистограмму.
Как было показано в гл. 3, апертурные искажения, возникающие
в процессе формирования сигнала изображения, приводят к умень-
уменьшению крутизны резких перепадов яркости, уменьшению глубины
модуляции сигнала на мелких деталях изображения. Эти искажения
касаются как вертикальных перепадов яркости, так и горизонталь-
горизонтальных. Они аналогичны искажениям, вызванным спадом частотной
характеристики усилителей сигнала изображения в области высоких
частот. Вместе с этим существует и различие в характере искаже-
искажений — в усилителях частотные искажения сопровождаются фазовы-
фазовыми, в то время как при симметричной апертуре разлагающего
элемента фазовые искажения сигнала не возникают, что необходи-
необходимо учитывать при построении корректоров сигнала.
Для коррекции апертурных искаже-
искажений в аналоговых устройствах чаще все-
всего используются дифференцирующие
цепи. Предполагается, что апертурная
характеристика преобразователя изоб-
изображения аппроксимируется четной функ-
функцией вида v1(o))=exp[-(Q)/Q)oJ], где
т0 — частота, на которой амплитуда
сигнала уменьшается в е раз или E.1).
Корректирующее устройство должно
иметь обратную характеристику переда-
передачи/г, е. E.2).
Такую характеристику передачи мо-
можно сформировать как сумму частотных
Рис 5.16. Ущшлсние nrcror-
раммой распределения ярко-
стн
176
у
характеристик а^щ)*, с,(о)/оHL
^ характеристики могут быть получе-
НЫ при ПОМОЩИ дифференцирующих це-
пей: две последовательно включенные
дифференцирующие цепи приводят к характеристике вида
К(о$=ааг, а четыре — вида Х(о>)=а2о>4. На этих принципах ос-
основано построение многочисленных аналоговых апертурных кор-
корректоров [20]. Рассмотренный вариант корректора осуществляет
коррекцию сигнала в горизонтальном направлении (вдоль оси х).
Лучшие результаты можно получить на базе двумерных коррек-
корректоров, осуществляющих преобразования дискретных сигналов изо-
изображения, соответствующих отдельным элементам изображения
[10]. Подчеркивание границ перепадов яркости можно получить,
выполняя дискретную фильтрацию согласно соотношению, анало-
аналогичному E.32). С этой целью осуществляется дискретная свертка
массива отсчетов «жнала изображения s(i,j) размером NxNc мас-
массивом Я размером LxL. Формируется массив Q размера Мх М:
м и
0
— 1
0
-1
5
-1
0
— 1
0
;Н2=
-1
-1
_i
-1-1
Q 1
-1 -1
;Н3 =
1
-2
1
—2
5
-2
1
-2
1
где ядро оператора H(i, j, mlt m2) представляет набор весовых
коэффициентов. Дискретная фильтрация, осуществляющая подчер-
подчеркивание границ, как вертикальных, так и горизонтальных, реализу-
реализуется в случае использования типичных масок для высокочастотной
фильтрации:
Н,=
E.33)
Как видно, в первом случае используются сигналы четырех
•соседних элементов, во втором и третьем — восьми, причем во всех
случаях сумма элементов маски равна единице.
Пример построения двумерного апертурного корректора, осуще-
осуществляющего коррекцию в соответствии с оператором Hlt приведен
на рис. 5.17. Как видно, основными элементами являются сдвиговые
регистры Тх и т, осуществляющие задержку сигналов на время
передачи строки (Тх) и элемента (т) изображения.
В сумматоре 2 осуществляется алгебраическое сложение сиг-
сигналов после перемножения их с соответствующими весовыми коэф-
коэффициентами. Перемножители не указаны на схеме, весовые множи-
множители, соответствующие оператору Ht, указаны в кружках. Обозна-
Обозначения сигналов *B), ...,5D),... соответствуют апертуре 3x3, указан-
указанной на рис. 5.17. Более сложные алгоритмы коррекции (Н2, Н3 и др.)
можно реализовать путем использования дополнительных сдвиго-
сдвиговых регистров.
Схемы реальных цифровых апертурных корректоров, в том чис-
числе программируемых на различную степень коррекции по полю
177
Рис. 5.17. Структурная схема двумерного апертурного
корректора
изображения (на периферии требуется большая глубина коррекции),
адаптивных к шумам в сигнале изображения и др., приведены в [21,
23].
Шумоподавители — устройства, позволяющие в конечном счете
уменьшить степень заметности шума в телевизионном изображе-
изображении. Наряду с шумами, возникающими в процессе формирования,
усиления и передачи сигналов изображения, шумоподавители сни-
снижают степень влияния на качество изображения таких помех, как
дефекты видеозаписей, киноизображений и др. Для снижения уров-
уровня шумов используют обработку изображения. Шум пространствен-
пространственно декоррелирован, и в его спектре содержатся более высокие
пространственные частоты, чем в спектре реального изображения.
Следовательно, эффективным способом снижения шумов может
служить низкочастотная фильтрация. Пространственную фильтра-
фильтрацию шума в горизонтальном направлении осуществляют путем
выбора оптимальной полосы частот с точки зрения максимального
ослабления высокочастотных компонентов помех и достаточного
воспроизведения высокочастотных составляющих сигнала изобра-
изображения. Пространственную фильтрацию шума в вертикальном на-
направлении осуществляют с помощью цифровой гребенчатой
фильтрации (ослабление мощности шума в диапазоне частот, за-
заключенных между частотами, кратными частоте строк) [21].
В цифровых шумоподавителях методы пространственной об-
обработки изображений используются достаточно широко [10]. Если
сигнал элемента, например s(9) на рис. 5.17, превышает на задан-
заданную пороговую величину s среднее значение сигналов соседних
элементов, то чаще всего это может быть вызвано процессами
случайного характера. Сигнал s(9), соответствующий рассматрива-
рассматриваемому элементу, целесообразно заменить на s (9) — среднее значе-
значение сигналов соседних элементов, т. е. если
178
12>@
8
В общем случае алгоритмы шумоподавления аналогичны ис-
используемым в цифровых апертурных корректорах E.33). Примеры
сглаживающих масок, используемых для шумоподавления:
1
1
1
1
1
1
1
1
1
;H«=
1
~10
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
' б~1б
1
2
1
2
4
2
1
2
1
Лучшие результаты шумоподавления можно получить, исполь-
используя методы статистической фильтрации, учитывающие статистичес-
статистические свойства рассматриваемых классов изображения, а также осо-
особенности восприятия изображений.
Временные методы шумоподавления используют корреляцион-
корреляционные связи последовательных во времени серий изображений (кад-
(кадров). В этих алгоритмах используются сигналы элементов следу-
следующих один за другим кадров. Увеличение отношения сигнал/шум
в таких шумоподавителях сопровождается снижением четкости из-
изображения движущихся объектов. Схемотехническая реализация
временных методов требует использования цифровой памяти на
один или несколько кадров для обеспечения доступа к элементам
различных кадров. Для уменьшения влияния работы шумоподави-
теля на четкость движущихся изображений используют детекторы
движения, которые отключают систему шумоподавления при пере-
передаче деталей изображения, скорость движения которых превышает
заданную, т. е. находится компромисс между снижением качества
передачи движущихся объектов по четкости и по зашумленности
[21].
В системах вещательного телевидения широко используется про-
процедура микширования — переключения источников сигналов изоб-
изображения. Во времени эта операция может производиться скачкооб-
скачкообразно (во время кадрового гасящего интервала) или путем плавной
замены одного изображения другим. Пример простейшего микшера
приведен на рис. 5.18 [21]. Он осуществляет плавное переключение
Коммутатор
sf s2 Si sj
л
srs'
—+¦
X
—
\
ал
Рис. 5.18. Структурная схема микшера
179
сигнала 1-го источника на j-й в течение заданного времени, напри-
например за время передачи п0 кадров. С этой целью с помощью ком-
коммутатора выбираются переключаемые источники сигналов s{ и sj,
а микширование осуществляют в соответствии с выражением
( E.34)
где и=@, «0); а — коэффициент, определяющий скорость переклю-
переключения @<а^1). Скорость переключения задается оператором
с пульта управления an. Два сумматора и перемножитель реализу-
реализуют формирование выходного сигнала. Например, при а=0,02 (пере-
(переключение при частоте кадров 25 Гц за 2 с) в соответствии с E.34)
формируются последовательные сигналы .w(n).
^;..., sD9)=0,02s(,+
+0,98^; s E0)=5,,
Переключение источников сигнала часто сопровождают видео-
видеоэффектами — формированием последовательных изображений, от-
отражающих динамику смены одного изображения другим. К числу
таких процедур можно отнести простейшие: смещение изображения
в поле кадра путем пересчета координат всех элементов хф), у@)
в соответствии с соотношениями
()),
у(п)=уф)+Ауп,
где х(п), у (и) — координаты точек изображения в и-м кадре после
начала видеоэффекта, если исходные координаты этих точек х@),
уф); Ах, Ау— приращения координат, определяющие скорость
развития видеоэффекта (дискретные смещения изображения за вре-
время кадра — рис. 5.19, а).
К числу широко используемых простых видеоэффектов относят
поворот изображения со смещением (рис. 5.19, б), смещение с изме-
изменением масштаба изображения (рис. 5.19, в) и др. В указанных
геометрических преобразованиях изображение сохраняется в плос-
плоскости кадра (преобразования типа 2D). Вместе с этим более слож-
Рис. S.19. Формирование видеоэффектов
180
ным преобразованием координат элементов можно создать иллю-
иллюзию объемной трансформации плоскости изображения, например
свернуть его в цилиндр (рис. 5.19, г), спроецировать на поверхность
шара, конуса и др. Такие преобразования относят к квазиобъемным
(типа 3D). Бесчисленные варианты видеоэффектов в конечном счете
сводятся к преобразованию упорядоченного множества элементов
изображения к новому, определяемому выбранным законом изме-
изменения геометрического положения элементов исходного изображе-
изображения за время кадра. Динамика видеоэффекта задается изменением
или сохранением выбранного закона во времени.
Видеоэффекты типа 2D и 3D схемотехнически осуществляются
путем цифрового преобразования координат элементов изображе-
изображения в процессе управляемого считывания сигнала изображения
в устройствах кадровой памяти. Преобразования типа 3D часто
требуют введения дополнительных мер, таких, как «затенение»
участков изображения, попадающих на «невидимую» поверхность
трехмерной фигуры, сглаживание в процессе значительных дефор-
деформаций участков изображений и др.
Освобождающуюся часть поля изображения (штриховка) можно
замещать изображением, формируемым другим источником сиг-
сигнала (микширование).
Рассмотренные примеры не исчерпывают перечень многочислен-
многочисленных процедур цифровой обработки изображений, используемой
в телевидении. К их числу можно отнести цифровую коррекцию
геометрических искажений, неравномерности сигнала по полю изоб-
изображения, обработку сигнала изображения с преобразованием, кор-
коррекцию временных искажений и др. [23]. Некоторые из таких проце-
процедур будут рассмотрены ниже.
ГЛАВА б. КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ
ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО КАНАЛАМ СВЯЗИ
§8.1. СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ
И ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕВИЗИОННЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ
Характеристики каналов для передачи сигналов изображения
определяются назначением рассматриваемой ТВС. В числе много-
многочисленных видеосистем центральное место занимают системы ве-
вещательного телевидения.
Сети телевизионного вещания обеспечивают передачу сигналов
изображения, звукового сопровождения и вспомогательных сигна-
сигналов для телевизионных приемников. Они включают в себя источ-
источники сигналов изображения, каналы связи и индивидуальные те-
телевизионные приемники. Системы связи используют радиоканалы,
волоконно-оптические и проводные линии связи. При проектирова-
проектировании таких сетей основной задачей является согласование и стандар-
стандартизация параметров сигналов изображения и характеристик кана-
каналов связи.
Структурные схемы каналов передачи сигналов изображения,
основные требования, предъявляемые к таким каналам, и их харак-
характеристики освещены в литературе [12, 24]. Рассмотрим лишь основ-
основные характеристики сигналов и каналов связи, используемые в ве-
вещательных ТВС.
Для передачи телевизионного сигнала используют метровый
и дециметровый диапазоны волн и амплитудную модуляцию несу-
несущей частоты, что приводит к образованию двух боковых частотных
полос. Если спектр сигнала изображения принять равным /^ (см.
§ 3.6), то после амплитудной модуляции полоса частот радиосиг-
радиосигнала будет в два раза шире B/^). Как правило, передача такого
сигнала осуществляется с частичным подавлением одной боковой
полосы. Частотные характеристики телевизионного канала связи
для стандартной системы с fan-6 МГц приведены на рис. 6.1.
Низкочастотные составляющие телевизионного сигнала передаются
обеими полосами а -Ь (рис. 6.1, а), высокочастотных — одно? верх-
верхней боковой полосой Ь-с, что приводит к известным (квадратур-
(квадратурным) искажениям сигнала, влияние которых на качество воспроиз-
воспроизведения мелких деталей изображения незначительно.
182
№«»»¦
H-
A?_
K-
6<?
-Hi
4*
Рис. 6.1. Частотные характеристика телевизионного радиоканала (а) и спектры те-
телевизионного сигнала систем NTSC (б), PAL (в), SECAM (г)
М
W
1
1
ч
llf
_ J
ш
г*
1/
Рис. 6.2. Модуляция радио-
радиосигнала сигналом изображе-
изображения, уровни сигнала синхро-
синхроимпульсов (I), черного B),
белого C)
Для передачи сигнала звукового сопровождения используют
несущую звука /я, причем разнос несущих частот изображения
fa и звука 7» в рассматриваемом примере составляет 6,5 МГц.
В канале звукового сопровождения используют частотную модуля-
модуляцию несущей частоты, что обеспечивает высокое качество звукового
сопровождения. Общая ширина полосы стандартного канала систе-
системы вещательного телевидения 8 МГц.
Для передачи сигнала изображения подавляющее большинство
стандартов используют негативную модуляцию, т. е. наибольшей
излучаемой мощности сигнала соответствуют уровни черного сиг-
сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих сигналов (рис.
6.2). При негативной модуляции можно снизить среднюю мощность
183
сигнала (при одинаковой пиковой мощности в случае позитивной
модуляции), уменьшить опасность возникновения нелинейных ис-
искажений сигнала изображения в выходных каскадах радиопередат-
радиопередатчика. Недостатком негативной модуляции является более высокая
заметность помех, возникающих в радиоканале при низком уровне
сигнала на входе приемника.
Полоса частот, предназначенная для передачи одной телевизи-
телевизионной программы, называется радиоканалом. Основные сведения
Таблица 6.1. Частотам распределение радвокааалов
Диапазон
Метровый:
I
II
III
Дециметровый:
IV
V
Параметры, МГц
48,5...6б,0
76,0...100,0
174Д..230.0
470,0...582,0
582.G...790
Число радиоешалов
2
3
6
14
25
Номера
радиожаналов
3...5
6...12
21...34
35...6О
о частотном распределении радиоканалов приведены в табл. 6.1,
некоторые характеристики радиосигналов различных систем веща-
вещательного телевидения (NTSC, PAL, SECAM) — на рис. 6.1, б — г.
Особенности построения телевизионных радиопередатчиков, рет-
ретрансляторов, в том числе спутниковых, коаксиальных и оптико-
оптиковолоконных линий, принципы организации телевизионных сетей
связи и др., выходят за рамки настоящего курса; они освещены
в научной учебной и справочной литературе [8, 12, 24].
§ 6. 2. ЯРКОСТНЫЙ И ЦВЕТОРАЗНОСТНЫЕ СИГНАЛЫ
В системах цветного телевидения должны быть сформированы
сигналы изображения, обеспечивающие их передачу по стандарт-
стандартному радиоканалу и прием для воспроизведения неискаженного
изображения не только цветными, но и черно-белыми телевизора-
телевизорами. Для этого формируют яркостный сигнал E'Y и два цветоразност-
ных: E'R.Y и ?*-у. Эти сигналы образуют из у-корректи^ванных
сигналов основных цветов ERt EG, Ев, т. е. E'r=E^°pp, ?'е=?^°и»,
?'д=??°рр. Эти сигналы используют при модуляции электронных
пучков в цветном кинескопе. Как было отмечено (см. § 3.8), расчет
передающей камеры производится с учетом того, что выбранные
светотехнические характеристики (цветоделительная система, спект-
спектральные характеристики преобразователей изображений и др.), а та-
также коэффициенты усиления соответствующих каналов при переда-
передаче белых участков изображения должны обеспечивать равные вы-
184
ходные сигналы ER, EG, Ев, а следовательно, E'R, E'G, E'B. При
расчете устройства воспроизведения цветного изображения учиты-
учитывают необходимость получения белого цвета при подаче равных
сигналов E'R, E'G, Е'в, соответствующего источнику типа С (амери-
(американский стандарт) или D6J00 (европейский стандарт). Выбор равно-
сигнального белого цвета связан с тем, что в приемниках цветного
телевидения при приеме сигналов черно-белой программы возбуж-
возбуждение трех люминофоров осуществляется тремя равными сигнала-
сигналами. Это обеспечивает формирование на экране цветного телевизора
черно-белого изображения, соответствующего источнику типа
С ИЛИ DE00-
Таким образом, яркостный сигнал E'Y формируется суммирова-
суммированием E'R, EG, Е'в, взятых с весовыми коэффициентами lR, lG, lB,
определяемыми относительным содержанием в яркостном сигнале
Е'г сигналов основных цветов:
E'y=IrE'r+IgE'g+IbE'b,
F.1)
причем lR+/G + lB = 1.
При передаче белых участков E'R=E'G=E'B=E'Y.
Для правильного воспроизведения яркости в приемниках черно-
белого телевидения формируют сигнал ElY'1mn=(lRER+lGEG+
+1в&в) Ыт~ Таким образом, использование в черно-белых прием-
приемниках сигнала Ё7, отличающегося от Я1^0», приводит к искажени-
искажениям яркости в основном на насыщенных цветах передаваемого изоб-
изображения [11]. Такие искажения считают допустимыми.
При выборе в качестве белого на экране кинескопа источника
типа С весовые коэффициенты в уравнении F.1) приобретают значе-
значения /л=0,29890, lG-0,58662, /в=0,11448; при источнике D«oo — зна-
значения /л=0,22272, /с=0,70600, /в=0,07128. Если использовать весо-
весовые коэффициенты первого варианта, то в первом и во втором
случаях качество воспроизведения градаций яркости на экранах
черно-белых телевизоров будет удовлетворительным [14].
Сигнал яркости в системах цветного телевидения формируется
в соответствии с выражением F.1) и коэффициентами lR, lG, lB
первого из указанных вариантов:
F.2)
Таким образом, использование яркостного сигнала
Ёг в соответствии с выражением F.2) для формирования черно-
белого изображения позволяет получить изображение с удовлет-
удовлетворительным воспроизведением градаций яркости участков пере-
передаваемой сцены различной цветности.
Для воспроизведения цветного изображения при передаче по
каналу связи сигнала Е'г достаточно дополнительно передать два из
трех ^-корректированных сигнала, например ER и Ев. Как видно из
выражения F.1), в приемнике можно восстановить третий сигнал
185
Ео^(Ег1лЕл1вЕв)^с- Такой способ передачи обладает опреде-
определенной избыточностью, так как в сигналах ER и Е'в наряду с инфор-
информацией о цветности заключена информация о яркости, содержащая-
содержащаяся в сигнале Ет. В современных системах цветного телевидения по
каналу связи вместо сигналов Е'л и Е'в передаются цветоразносгные
сигналы E'k.y-E'r-E'y^E'm-y-E'b-E'j. С учетом выражения F.1)
имеем
Для коэффициентов, указанных в выражении F.2),
'G-0,ll E'a,
.
F.3 6)
Как следует из приведенных соотношений, в приемнике можно
получить сигнал
ft-r= -4Л-Л-/1 ft-A- F>4 а)
Для коэффициентов, указанных в выражении F.2),
Я'с_г= -0,51 E'R_r-Q,19E'B_Y.
F.4 б)
Особенностью цветоразностных сигналов является то, что они
не несут информации о яркости. При передаче участков белого или
серого (E'R=E'G=E'B), как следует из соотношений F.3) и F.4),
цветоразносгные сигналы равны нулю.
Формирование яркостного, цветоразностных сигналов и восста-
восстановление сигналов основных цветов производят с помощью схем,
примеры которых указаны на рис. 6.3. Расчет резистивных дели-
делителей производят в соответствии с весовыми коэффициентами урав-
уравнений F.1)—F.4).
В телевизионном приемнике сигналы основных цветов могут
быть восстановлены непосредственно в электронном прожекторе
цветного кинескопа.
Рис. 6.3. Схемы формирования яркостного и цветораз-
цветоразностных сигналов
186
Спектр частот цветоразностных сигналов может быть выбран
меньшим по сравнению со спектром яркостного сигнала. Это ос-
основано на свойствах зрения (см. § 2.8). При уменьшении угловых
размеров рассматриваемых деталей зрение от цветового преобразу-
преобразуется в двухцветное — детали размером менее 20' — и монохромное
— детали размером менее 10' (см. рис. 2.25). Спектр частот цвето-
цветоразностных сигналов может быть ограничен без заметного ухудше-
ухудшения качества цветного изображения: в стандартной системе
625/50/2:1 — до 1,5...2,0 МГц. При восстановлении сигналов основ-
основных цветов Е'ц, E'G, Ев в приемнике к цветоразностным сигналам
добавляют яркостный сигнал (рис. 6.3); таким образом, мелкие
детали изображения воспроизводятся в черно-белом виде.
Однако даже если в упомянутой системе 625/50/2:1 спектры
сигналов ограничить значениями/Гш1Х=6 МГц, У(я-г)тм=1|5 МГц,
f(B- г)т«=0,5 МГц, потребуются дополнительные меры для передачи
этих сигналов по стандартному радиоканалу. В различных системах
вещательного телевидения по-разному решают задачу уплотнения
телевизионного спектра.
Наряду с используемыми способами уплотнения спектра, приме-
применяемыми в системах вещательного телевидения NTSC, PAL,
SECAM, в настоящее время используют и другие системы — MAC,
MUSE и их разновидности.
§6.3. СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ
УПЛОТНЕНИЕМ СПЕКТРА
Передача в стандартном радиоканале яркостного и цветораз-
цветоразностных сигналов основана на использовании линейчатости струк-
структуры спектра телевизионного сигнала (см. § 3.2). Поскольку состав-
составляющие спектра сигнала являются гармониками частот горизон-
горизонтальной mfx и вертикальной п/, разверток, в промежутках между
гармониками яокостного сигнала Е'г (сплошные линии на рис. 6.4)
можно поместить гармоники сигналов основных цветов E'R, EB или
цветоразностных Ёц_г, E'b-y (один из таких компонентов условно
показан на рис. 6.4 пунктирными линиями). Для того чтобы состав-
составляющие цветоразностных сигналов, например E'R_Y, соответствова-
соответствовали середине интервалов гармоник яркостного сигнала, нужно, что-
чтобы частота цветовой поднесущей fc была нечетной гармоникой
половины строчной частоты:
F.5)
При передаче движущихся изображений (см. § .2) в спектре
сигнала изображение появляются верхние и нижние боковые поло-
полосы. Ширина этих полос тем больше, чем выше скорость движения
объектов в поле изображения. Как показывают расчеты, и в этом
случае остаются свободные промежутки в спектре яркостного сиг-
187
-2-1 0 f 2 f.omed
m+1
Рис. 6.4. Частотное уплотнение сигналов изоб-
изображения
нала, позволяющие поместить цветоразностную составляющую.
Искажения, вызванные перекрытием спектров яркостного и цвето-
разностЕых сигналов, могут возникнуть при больших скоростях
движения объектов в поле изображения, однако в таких условиях
эти искажения при восприятии маскируются динамикой изображе-
изображения.
Очевидно, что существует возможность передачи по одному
радиоканалу яркостного и цветоразностных сигналов (цветораз-
ностные сигналы в этом случае могут передаваться на различных
поднесущих частотах в высокочастотной части спектра сигнала
изображения, а также для экономии полосы частот — с одной
боковой полосой каждый). Такой сигнал может быть принят черно-
белым приемником. Сигналы Ёц_г и Е'в-п находящиеся в спектре
яркостного сигнала, практически не влияют на качество черно-
белого изображения.
Пргаер. Если сигнал цветности, например Е'л_т, включает одну гармонику
/с(я-Т)шBт+1)М2, то после преобразований на передающем и приемном звеньях
системы на строке длительностью Тх будет воспроизведено Ы Гд/ГС(л-Г) периодов
этой составляющей. Так как Гс(Л-У)*1//с(Л-г)«2/Bт+1)/Л то *«T^rC(«-F)-
*TxfC(R-Y) периодов этой составляющей, т. е. Ы ТхBт+ 1Ш2«да+0,5. На стро-
строке будет воспроизводиться т полных периодов и половина периода. Воспроизведе-
Воспроизведение изображения, состоящего из семи строк при чересстрочном разложении
и/св2,5.?, иллюстрируется на рис. 6.5.
В первой строке первого поля воспроизводятся три положительные полуволны
(рис. 6.5, а\ которые приводят к воспроизведению трех светлых участков строка
(рис. 6.5,6); вторая строка при чересстрочном разложении пропускается, на третьей
строке две полуволны сигнала изображения приводят к появлению двух светлых
участков и т. д. По виду сигнала изображения и характеру воспроизводимого
изображения можно определить, что процедура воспроизведения будет повторяться
лишь через четыре поля С«ва кадра), причем два соседних кадра приведут к полной
компенсации переменной составляющей сигнала изображения. Положительные по-
полуволны, соответствующие белому, будут заменяться отрицательными в последу-
последующем кадре. Механизмы пространственного суммирования смежных изображений
188
Рис. 6.5. Пример динамики формирования изображения
различной полярности должны привести к существенному снижению заметности
цветовой поднесущей на экране черно-белого телевизора. Таким образом, частота
мелькания изображения мелкоструктурной сетки будет в два раза ниже частоты
кадров (в системе 625/50/2:1 — 124 Гц). Несмотря на низкую частоту (ниже крити-
критической частоты мельканий), мешающее действие такой помехи незначительно, так
как обычно /с выбирается в высокочастотной области спектра, что маскирует
действие эффекта мелькания. Для снижения заметности мелкоструктурной сетки от
цветовой поднесущей принимают дополнительные меры по ее подавлению. В канале
яркости цветного телевизора для этого устанавливают специальные режекторные
фильтры (см. § 7.6). Выбор значения частоты поднесущей определяется рядом
дополнительных факторов, связанных с обеспечением высокого качества цветного
изображения.
В системах, использующих для передачи цветовой информации
цветоразностные сигналы, для черно-белых или серых участков
изображения они равны нулю, а для малонасыщенных цветных
участков имеют незначительную амплитуду, что также снижает
заметность рассматриваемой помехи.
Система цветного телевидения j^TOC (National Television System
Committee). Такая система основана на использовании одной подне-
поднесущей для передачи цветоразностных сигналов. В ней применяют
квадратурную модуляцию — сигналы E'R.Y и Ёв-г> имеющие со-
сокращенную полосу частот по сравнению с сигналом Е'г, модулиру-
модулируют поднесущие с частотой/с, сдвинутые по фазе на угол р=я/2
(рис. 6.6, в). На входы балансного модулятора R-Y, формирующе-
формирующего выходной сигнал произведения входных, подают сигналы
Е'л-т и UcQosZnfct, а на входы аналогичного модулятора В- Y—
соответственно Е'в-r и 1/с8ш2я/с/. Суммируя выходные сигналы
189
о)
Рис. 6.6. Структурная схема кодера (а) и векторная диаграмма сигналов
изображения (б) системы NTSC
модуляторов kE'R_rcos2nfct и kEB_rm2nfct, на выходе суммато-
сумматора Ij получают сигнал
Й' 2я/с /+?',_ ysin 2я/с /, F.6)
где к — множитель, который в уравнении F.6) отсутствует, так как
принят равным 1.
Сигнал Е'с может быть представлен в векторной форме
(рис. 6.6, 6). Его модуль \E'C\=J(E'R-Y)?+(#'*-гJ, угол <р=
»aictg[(?x.r)/(?f_r)]. Например, вектор ?'с@,3; 0,7) (пунктир на
рис. 6.6, б) соответствует 2?л_у=0,3, ?'j_y=0,7, его модуль |?'с@,3;
0,7)|=0,68, угол ?=23Д°.
В соответствии с изменением цвета передаваемого участка изоб-
изображения ( изменяются значения цветоразностных сигналов
Er_y и Е'ш_г, что, как видно из соотношения F.6), приводит к изме-
изменению Е'с. Изменение отношения сигналов ER_Yv. Ёв_7, как видно
из выражения для <р, приводит к изменению направления вектора.
Изменение же этих сигналов при сохранении их соотношения при-
приводит к изменению амплитуды сигнала, т. е. модуля |?'с|.
Найдем положение некоторых характерных сигналов на вектор-
векторной диаграмме. При ?'*_y=?'j_r=0, ?'с=0 — эта точка (начало
координат векторной диаграммы) соответствует белому цвету, в за-
зависимости от амплитуды яркостного сигнала — серому или черно-
черному. При Ёл= 1, Е'с-0, Ев=0 (красный цвет) в соответствии с выра-
выражениями F.3) и F.6) ?),_у=о,7, Я*-г=0,4, <рл=113° (рис. 6.6, 6).
Аналогично этому определяем и отмечаем на векторной диаграмме
направления ?'с=1, ?'л=0, ?'д=0, ?л_г=-0,59, ?',_г=-0,59,
ФС=225°, ?j=l, ?л=0, ^'с=0, ?я-у=-0,И, ?i_y=0,89, ф,=353°
для зеленого и синего цветов.
190
Рис. 6.7. Примерная форма, сигнала
изображения цветных полос:
7 —5 —белая, зелена!, пурпурная, красна»
в черная полосы, 6 — свнхросягаал
Таким образом, направление
вектора Е'с(ф) определяется цве-
цветовым тоном передаваемого
участка изображения, его модуль
\Е'(\ — насыщенностью цвета.
Полученная векторная диаграмма
является вариантом диаграммы
цветности «цветовой тон — насы-
насыщенность».
Для того чтобы частота под-
несущей была нечетной гармони-
гармоникой половины строчной частоты,
предусмотрена связь генератора
/с с синхрогенератором.
Сформированный сигнал Ес суммируют Е2 с яркостным EY,
включающим сигналы синхронизации, гашения и др. (см. рис.
6.6, а). Суммарный сигнал Ег используют для модуляции радиопе-
радиопередатчика:
Примерная форма сигнала E'z(t) для 0<t<Tx при передаче
изображения вертикальных полос — белой, зеленой, пурпурной,
красной и черной — приведена на рис. 6.7. Расчеты произведены
в соответствии с соотношениями F.2), F.3 б) и F.7).
Для выделения из полного видеосигнала сигналов цветности
в телевизионных приемниках рассматриваемой системы использу-
используют синхронное детектирование. Видеосигнал Е'г с выхода видеоде-
видеодетектора телевизионного приемника подвергается фильтрации для
подавления низкочастотных составляющих, лежащих вне спектра
цветоразностных сигналов. Этим уменьшается проникновение зна-
значительной (низкочастотной) части сигнала яркости Е'г в канал
цветности. Далее сигнал Ес подается на входы синхронных детек-
детекторов R- Y и В- Y (рис. 6.8).
Рассмотрим формирование сигнала на выходе синхронного де-
детектора R-Y.Ua. второй вход этого детектора подается сигнал от
местного генератора Ус Ucoos2nfct. На выходе синхронного детек-
детектора образуется сигнал, являющийся произведением входных сиг-
сигналов: Е'ц-у^Е'с Uccos2Mfct. С учетом выражения F.6) имеем
где, как и в соотношении F.6), постоянные множители перед слага-
слагаемыми приняты равными 1.
Второе и третье слагаемые — высокочастотные составляющие
с частотой 2/с — подавляются фильтром низких частот (ФНЧ на
191
" *
F"
Синхронный
детектор
ФНЧ
fc
Синхронный
детектор
6-У
<о ж
" 2
Ь
я-у
—+¦
Синхрогене-
ратор
ФНЧ
Рас. 6.8. Структурная схема декодера
системы NTSC
рис. 6.8). Первое слагаемое является цветоразностным сигналом
Сигнал на выходе синхронного детектора В- Y
Цветоразностный сигнал ?'*_? формируется аналогично сигналу
Er-y-
Непременным условием неискаженного формирования цветораз-
ностных сигналов является равенство частот и фаз колебаний гене-
раторов синхронного детектора приемника и балансного модулято-
модулятора (см. рис. 6.6, а). Для фазирования генераторов приемных
устройств в полные телевизионный сигнал во время обратного хода
по строкам добавляют высокочастотный сигнал цветовой синхро-
синхронизации (т на рис. 6.7). Частота и фаза этого сигнала равны частоте
и фазе поднесущей балансного модулятора передающей стороны,
длительность т позволяет включать 8 — 10 периодов /с, размах
сигнала составляет 0,9 амплитуды синхросигнала. В телевизионном
приемнике резонансным усилителем этот сигнал выделяется и ис-
используется для управления генератором частоты цветовой поднесу-
поднесущей/; (см. т на рис. 6.7).
Цветоразностный сигнал E'G_r вычисляется в соответствии с вы-
выражением F.4) декодирующей матрицей, аналогичной приведенным
на рис. 6.3. При необходимости для управления электронными
прожекторами цветного кинескопа с помощью схем рис. 6.3 могут
быть получены сигналы E'R, EG, Е'Й. Сигнал яркости Е'г выделяется
из сигнала Е'г полосовым фильтром. Сигналами Е7, E'R_Y,
E'g-t* Eb-y можно непосредственно управлять электронными про-
прожекторами цветного кинескопа.
Цветоразностные сигналы, как было отмечено выше, могут пе-
передаваться в сокращенной полосе частот. Для наилучшего исполь-
использования свойств цветового зрения в системе NTSC вместо цветораз-
192
костных сигналов Е'к_Ти Ея„г используют E'^Eq, оси которых по
векторной диаграмме (см. рис. 6.6, б) повернуты по отношению
к ?»_г и ?я_г на 33°.
Связь между сигналами E'b E'Q и ER_Y> ^в-у устанавливается
соотношениями
F.8)
Как видно ез рис. 6.6, б, вектор / проходит через оранжевую
(положительное направление) и сине-зеленую (отрицательное на-
направление) области. Следовательно, эти цвета могут быть переданы
двумя сигналами: Е'г и Е\. С учетом рассмотренных ранее особен-
особенностей восприятия мелких деталей цветного изображения удается
ограничиться полосами частот цветоразностных сигналов Е)— 1,5
МГц, Е'а — 0,5 МГц. Таким образом, крупные детали, которым
соответствуют в сигнале частоты до 0,5 МГц, передаются тремя
составляющими, более мелкие — до 1,5 МГц, — двумя, мелкие
детали, которым соответствуют сигналы свыше 1,5 МГц — только
яркостной составляющей (черно-белыми).
Выражение F.6) для сигнала цветности, определяемого через
сигналы E'i и EQ,
Е с=Е)со$ Bя/с /+<Pi)+Е '0 sin Bя/с Н- q>Q).
Если учесть, что ^=^=33°, a cos 33°=0,84, sin 33°=0,54, то
соотношение приобретает вид
?c=?'/@,84cos2rc/c/-0,54sin2ff/c0+
+E'Q @,84 sin 2я/с/+0,54 cos 2nfct).
Если сигналы Е) и E'Q представить через цветоразностные сиг-
сигналы Е 'л_у и Е'в^у [соотношение F.8)], то получим связь рассмат-
рассматриваемой системы с цветоразностными сигналами
?'c=0,877?'/i_rcos27r/c/+0,493?'j_ysin2jE/c/. F.9)
При сопоставлении соотношений F.9) и F.6) видно, что они
отличаются лишь множителями при E'R_Y и Ев_г- Эти множители
называют коэффициентами компрессии, которые устанавливают
связь сигналов Ёя.т и Е'в.г с сигналами VeU:
'R_Y, ^=0,493Ев_7. F.10)
Сигнал цветности Ес [соотношение F.9)] можно представить
в виде
F.11)
7 Р. Е. Быков
193
Рис. 6.9. Веггорные диаграммы си-
сигналов изображения двух смежных
строк (а, 6) системы PAL
Следовательно, амплитуда этого
сигнала \E<^=JVz+lP'> а фазовый
угол q>=arc tg (V/U).
Суммарный сигнал E'z, использу-
используемый для модуляции радиопередат-
радиопередатчика,
E'Z-E'Y+ Voos2nfc /+ Umlnfc t.
F.12)
Учитывая, что каждому цветово-
цветовому тону соответствует определен-
определенный фазовый угол (р, изменение его
в тракте передачи сигнала может
привести к цветовым искажениям.
Следовательно, фазовая характери-
характеристика тракта передачи должна быть
линейной. Экспериментально уста-
установлено, что допустимые изменения
фазового угла, при которых не про-
происходит заметных изменений цвето-
цветового тона, не превышают ±5°.
Систему NTSC используют радиовещательные компании США,
Японии и других стран. Известные варианты этой системы имеют
следующие основные параметры: американская — 525/30/2:1,
/,=A5734,264+0,05) Гц, /с=3,57954 МГц, т=227 [см уравнение
F.5)]. Спектр полного сигнала этой системы приведен на рис. 6.1, б;
европейская — 625/50/2:1,/,= 15625 Гц,/с=4429687,5 Гц, ю=283.
Система цветного телевидения PAL(Phase Alternation Line). Эта
система отличается от NTSC отсутствием влияния фазовых искаже-
искажений на качество цветопередачи. Для этого используют квадратур-
квадратурную модуляцию с изменением фазы поднесущей от строки к строке
для одного из цэеторазностных сигналов — Еу. В этом случае
соотношение F.11) можно записать в виде
F.13)
где H(t)
j 1
функция коммутации, изменяющая свой знак от
строки к строке.
В соответствии с соотношением F.13) векторные диаграммы
сигналов цветности в двух смежных строках Еа и ?С(;-;-о имеют вид,
представленный на рис. 6.9 пунктиром. Дальнейшую обработку
сигналов в кодере и декодере поясняет рис. 6.10. Если в тракте
передачи сигнала происходит сдвиг квадратурно-модулированного
сигнала Е'с относительно исходного сигнала на угол Аср, то в прием-
приемном устройстве соседних строк последовательно будут зафиксиро-
зафиксированы сигналы Ё'аи Е'с{и\), указанные на рис. 6.9. Для последующей
194
Синхронизатор
Ряс. 6.10. Структурные схемы кодера (а) ш декодере, (б) системы PAL
обработки сигналов цветности в приемнике необходимо, чтобы
сигналы двух смежных строк Ё'а и Ё'Сц+\) существовали одновре-
одновременно. Дня этого используют запоминающее устройство на время
передачи одной строки Тх (рис. 6.10, 6). Такое устройство памяти
может быть реализовано на дискретных элементах памяти, напри-
например линейке ГОС или ультразвуковой линии задержки сигнала
изображения на время Тх и др. С помощью этого устройства
в приемнике формируют одновременные сигналы смежных строк
Eq И .В
?(<+!)•
195
Соотношение F.11) можно представить в комплексной форме:
E'c=U+jV. Сигналы двух смежных строк
F.14 а)
I. F.14 б)
Если изменить полярность сигнала Р<+1 [выражение F.14 б)] на
противоположную (<р-п на рис. 6.10, а) и сформированный сигнал
суммировать (?к) с сигналом Ё'а [выражение F.14
F.15)
а)], то получим
Сигнал ito; указан на рис. 6.9 пунктиром. Именно этот сигнал
далее подлежит синхронному детектированию. Как следует из вы-
выражения F.15), фазовый угол фх, несущий информацию о цветовом
тоне, можно найти из уравнения
F.16)
Пользуясь рис. 6.9, находим:
=|?с| cos
=|?с| cos
следовательно,
=[\Ё'С\ ($in.
sing» cosA§> - cos^o sinAg>)]=
Аналогично этому,
i+1 = \Ё'С\ [cos (<p+Аф)+cos (<p - A<p)]=
В соответствии с выражением FЛ6) имеем
=tgo>;
следовательно, фЕ=^.
Вектор ^ci занимает положение на диаграмме, определяемое
углом q>, т. е. независимо от фазового сдвига Aq> восстанавливается
истинное положение этого вектора; следовательно, в результате
синхронного детектирования может быть реализована неискажен-
неискаженная передача цветового тона.
196
Модуль вектора, определяющий насыщенность цвета, нетрудно
найти из соотношения F.15):
Если А^->0, то иш-*и{, VM-*V(. Как видно из соотношения
F.17), Ё'с1-*2Е'а, т. е. происходит суммирование амплитуд сиг-
сигналов смежных строк. По мере увеличения Aq> уменьшается E'cz по
сравнению с удвоенной амплитудой [соотношение F.17) и рис. 6.8].
Таким образом, использование рассмотренного метода обработ-
обработки сигнала приводит к полной компенсации фазовых ошибок (по-
(погрешностей воспроизведения цветового тона) и незначительному
(при малых А?) уменьшению насыщенности цвета.
Реализация рассмотренного способа кодирования поясняется на
рис. 6.10, о. Здесь матрица V, U используется для преобразования
сигналов E'Rl E'G, Ёв в сигналы E'Y, V, U [соотношения F.3 б)
и F.10)]. На балансный модулятор К подается цветовая поднесущая
fc, коммутируемая по фазе от строки к строке на (р=п, а на
модулятор U — цветовая поднесущая /с со сдвигом на <р=ж]2.
Таким образом, совместно с сумматором SA реализуется соотноше-
соотношение F.13). Сигнал, подводимый к радиопередатчику Ег> формирует-
формируется в сумматоре 12 обычным способом.
В декодере осуществляется задержка сигнала на время Тх и его
суммирование с сигналом текущей строки (Lv), а также противофаз-
противофазным сигналом (ф=п п IF). Далее синхронным детектированием
формируются сигналы V и U, которые после низкочастотной
фильтрации (ФНЧ) с помощью матриц R~Y, B—Yпреобразуются
в цветоразностные сигналы ?*_? и Е'в-r- Дальнейшие преобразова-
преобразования сигналов носят стандартный характер.
В системе NTSC, как было отмечено выше, для снижения вид-
ности проникающих в канал яркости сигналов цветности частота
цветовой поднесущей выбиралась равной нечетной гармонике поло-
половины строчной частоты /с=Bm+l)fx/2.
В системе PAL такой выбор частоты цветовой поднесущей сов-
совместно с изменением фазы сигнала V на qt—n от строки к строке
и от кадра к кадру привел бы к суммарному изменению фазы на 2тг,
что равносильно строгому сохранению фазы цветовой поднесущей
на изображении. Механизмы компенсации цветовой поднесущей
(см. рис. 6.5) оказались бы неосуществимыми.
В связи с этим для уменьшения видности цветовой поднесущей
из-за проникновения ее в канал яркости выбирают /с=(т+1/4)/х+
+/,/2. Построения, выполненные аналогично указанным на рис. 6.5,
показывают, что в этих условиях вещность рассматриваемой поме-
помехи существенно снижается. Систему PAL используют радиовеща-
радиовещательные компании Германии, Англии, Австрии, Финляндии, Авст-
Австралии и других стран. Известны различные варианты этой системы,
197
некоторые основные параметры одной из них 625/50/2:1, fx—
= 15 625 Гц, /с=4,43361875 МГц, /и=283. Структура спектра радио-
радиосигнала приведена на рис. 6.1, в.
Система цветного телевидения SECAM (Sequentieal couleur a
inemoire). Такая система базируется на последовательной передаче
двух цветоразностных сигналов с заменой их от строки к строке.
В приемнике удается восстановить все три сигнала Е'т, E'r_y,
Е'в-г или E'r, Е'е, Е'в благодаря применению запоминающего
устройства на время передачи одной строки. Выше было дано
подробное обоснование возможности сокращения полосы частот
цветоразностных сигналов за счет использования особенностей вос-
восприятия цвета мелких деталей изображения (см. § 2.8). Очевидно,
что эти особенности зрения могут позволить увеличивать размер
деталей, передаваемых с цветовыми искажениями или даже в черно-
белом варианте не только в горизонтальном, но и в вертикальном
направлениях. В связи с этим возможно передавать полную инфор-
информацию о цвете не в каждой строке, а через строку.
3 системе SECAM цветоразностные сигналы передаются пооче-
поочередно: в одной строке — ? л_у, в другой — EB_f и т. д. Для этого
электронный коммутатор, управляемый импульсами с частотой
fJ2, поочередно подключает к выходу источники сигналов Ец_г,
Е'в-г Фл, Aj ка Рнс- 6.11, а). В приемнике оба сигнала могут быть
восстановлены в каждой строке благодаря использованию устрой-
устройства памяти на время Тх и электронного коммутатора (рис, 6.11, б).
Таким образом, если на входе устройства памяти будет сигнал
Е'к-тФм)»т0 на выходе — Ев-А®в)> н наоборот. Если коммутатор
переключать с периодом строк, то на одном из его выходов посто-
постоянно будет сигнал J?ir-r(A*)> на ДРУг°м — Ев^Фв)- Предполага-
Предполагается, что цветовое содержание в двух соседних строках одинаково.
Если проследить последовательность передачи информации о ярко-
яркости и цветности каждого элемента изображения, то нетрудно убе-
убедиться в том, что полное цветное изображение передается за два
кадра.
Сигнал яркости Ё7 в полной полосе частот передают в каждой
строке, чем обеспечивают четкость изображения как по горизон-
горизонтали, так и по вертикали. Цветоразностные сигналы в системе
SECAM передаются на одной поднесущей частоте с использовани-
использованием частотной модуляции. Последовательная передача частотно-мо-
частотно-модулированных цветоразностных сигналов делает систему нечувст-
нечувствительной к упомянутым выше фазовым искажениям, а также при-
приводит к отсутствию перекрестных искажений между цветоразност-
ными сигналами благодаря разделению их во времени.
В качестве цветоразностных сигналов в системе SECAM исполь-
используют сигналы DR и DB, отличающиеся от Ея_гя Е'в-r' ^к-^кEr-y>
DB=kBEB_Y-
Выбор коэффициентов kR=~\,9, kB=\,5 связан с улучшением
198
| Синхросигналы
длшцзонныи
коммутатор
Л0/ЮС0-
оой
фильтр
Модуля-
Модулятор
Кшщта-
Шйкор-
ректор
Модулятор
ЩеФкор-
ретор
84 i
f*
Т Электронный
I коммутатор
Рис. 6Л1. Сгруиуриые схемы кодера (в) в декодера F) системы SECAM
совместимости и повышением помехоустойчивости системы. Из
соотношения F.3, б) следует, что максимальные значения амплитуд
сигнала ?'л_у получаются при передаче цветов красного
-Ю,7(?«=1; Е'д=Е'в=*Щ и сине-зеленого -0,7(?с=1; Е'в=\\
E'rt=Q). Максимальных значений амплитуды сигнала Ея-г достига-
достигают при передаче цветов желтого -0,89(Ёл=1; E'G-U ЕЛ=Щ и си-
синего +0,89(^=1; ?я=?'б=0).
Следовательно, при частотной модуляции диапазоны девиации
частоты во время передачи сигналов ER_Y и Е'ш_у различаются.
Введением коэффициентов kR и кш можно вырзвнять диапазоны
199
изменения сигналов, что облегчает оптимизацию частотного моду-
модулятора (диапазон изменения сигнала 1)Л= —1,9-0,7
-1,9-(-0,7)=-1,33 ... 1,33; сигнала 2>в=1,5-0,89 ...
1,5 (-0,89)=1,33 ... (-1533). Введение знака минус перед коэффици-
коэффициентом kR связано с особенностями статистических характеристик
цветных изображений, которые приводят к преобладанию в сигнале
Er-г положительных компонентов, в то время как в сигнале
E'b_y преобладают отрицательные компоненты. Изменение поляр-
полярности сигнала DB приводит к преобладанию в сигналах DR и DB
отрицательных компонентов, а при частотной модуляции — пре-
преимущественно отрицательной девиации частоты, что повышает
устойчивость канала передачи сигналов при ограничении верхней
боковой полосы сигнала цветности.
Таким образом, суммарный сигнал ?j (рис. 6.11, а) в системе
SECAM имеет вид
Ex.—
,=?'rfacos 2*1(^+^4/^)/,
д/^д, fCB — средние значения поднесущих частот сигналов цвет-
цветности DR и DB; bfCRt Д/*св — отклонения частот поднесущих при
модуляции сигналами DR—\,DB—\ (крутизна модуляционной хара-
характеристики); а — относительная амплитуда поднесущей (как прави-
правило, ОД...0,25 размаха сигнала яркости от черного до белого).
Усовершенствование последнего варианта системы SECAM
улучшает качество формируемого изображения (цветного и черно-
белого).
Низкочастотные предыскажения. Сигналы DR, DB подвергают
низкочастотным предыскажениям за счет подъема высокочастот-
высокочастотных составляющих спектра цветоразностных сигналов. Их осущест-
осуществляют до модуляции (рис. 6.11). Вводимые предыскажения служат
повышению отношения сигнал/помеха из-за увеличения глубины
модуляции высокочастотной части сигналов.
Степень предыскажений строго нормируется, так как в прием-
приемных устройствах с ней должна быть взаимно согласована цепь
коррекции, восстанавливающая исходное частотное распределение
сигнала изображения. Как правило, цепь предкоррекпии описывают
функцией коэффициента передачи вида |Al=101g{[l+(/7/1)^/[l +
+(//3/iJ]}, где/—текущая частота сигнала изображения, fx = 85
кГц.
Цветоразностные сигналы в системе SECAM ограничивают по
спектру фильтром низких частот (ФНЧ) с полосой пропускания
О...1,5 МГц. Спектр обеспечивает в системе следующие параметры:
затухание 3 дБ на частоте 1,3 МГц и 30 дБ на частотах свыше
3 МГц. Результирующая характеристика передачи цепи низкоча-
низкочастотных предыскажений и ФНЧ приведены на рис. 6.12, а.
Высокочастотные предыскажодш. После частотной модуляции
200
цветоразностных сигналов осуществляют высокочастотные пред-
предыскажения подъемом амплитуд боковых составляющих спектра
сигнала относительно амплитуды цветовой поднесущей частоты/^
(рис. 6 Л 2, б). Помехоустойчивость систем связи с частотной моду-
модуляцией тем выше, чем выше индекс модуляции (отношение деви-
аднн частоты к высшей частоте модулирующего сигнала). В рас-
рассматриваемой телевизионной системе увеличение индекса модуля-
модуляции ограничивается возможностями расширения спектра цветовых
сигналов. Это приводит к появлению недопустимых помех в ярко-
стном канале (ухудшению совместимости). При этом высокочастот-
высокочастотные предыскажения позволяют повышать помехоустойчивость си-
системы без увеличения индекса модуляции.
При приеме частотно-модулированных сигналов помехи на вы-
выходе частотного детектора тем выше, чем больше отклонение часто-
частоты принимаемого сигнала от частоты поднесущей. Поэтому вводят
высокочастотную предкоррекцию: частотно-модулированный сиг-
сигнал цветности подвергается амплитудным предыскажениям с после-
последующим ослаблением на приемной стороне. Такие предыскажения
описывают следующей эмпирической функцией: |?]={[1 +
+A6Л2Ш +A,26Л2]} , где/'=Ш-(Ш. Размах цветовой под-
поднесущей на частоте/с0 устанавливают B3 ±2,5)% значения ярко-
стеого сигнала от уровня гасящих импульсов до уровня белого. Это
приводит к уменьшению заметности цветовой поднесущей при пе-
передаче черно-белых и малонасыщенных деталей изображения: сиг-
сигналы DR и DB близки к нулю и девиация частоты минимальна.
Амплитудная модуляция частотно-модулированной поднесущей.
В канале цветности приемника цветного телевидения яркостный
сигнал является помехой. В частотном диапазоне канала цветности
энергия яркостного сигнала для большинства передаваемых сюже-
сюжетов невелика. Рассматриваемая предкоррекция сводится к увеличе-
увеличению амплитуды сигналов цветности в те отрезки времени, когда
\К\,дВ
МГц -300-200-100 0 WO 200 300 f-f(g, кГц
S)
Рас. 6.12. Хашктевнстажн цепей низкочастотных (а) ш высокочастот-
высокочастотных (б) предыскажений
201
размах яркостного сигнала превышает заданное пороговое значение
(как правило, 70% номинальной амплитуды поднесущей). Для этого
в цепь яркостного сигнала включается полосовой фильтр, с выхода
которого сигнал управляет соответствующим модулятором в кана-
канале цветности (см. рис. 6.11, а). Такое относительное увеличение
амплитуды сигналов цветности по отношению к яркостному сиг-
сигналу приводит к уменьшению мешающего действия последнего
в канале цветности. В приемнике дополнительная амплитудная
модуляция подавляется ограничителем частотно-модулированных
сигналов.
Продевшие двух подвееущях частот. В Системе SECAM сигнал
цветности передается на одной поднесущей частоте/с (поочередно
DR, DB), однако значение поднесущей оря передаче сигнала DK —
fCR, а сигнала DB —/св, причем[сяФ/св- Минимум кривой высоко-
высокочастотной предкоррекцни устанавливается на частоте/со (рис. 6.12,
б). Анализ особенностей передачи сигналов методом частотной
модуляции показывает, что подавление шумов максимально для
частоты, совпадающей с минимумом кривой высокочастотной
предкоррекции. В рассматриваемом случае этому соответствует
DR=DB=Q, т. е. при передаче черно-белых и слабонасыщенных
участков изображения. Кроме того, при передаче большинства сю-
сюжетов преобладают шумы на участках, имеющих красный цвет.
Информация о цвете в системе с частотной модуляцией заключена
в текущем значении частоты /с. Эксперименты позволили устано-
установить частоты для сигналов DK и 2)в, которым соответствует пере-
передача красного цвета, и расположить их при передаче сигналов DR
и DB в области минимума кривой высокочастотных предыскажении
сдвигом относительно частоты/г * частот fCR и/св. Точные значения
этих частот для системы SECAM были установлены всходя из
условий их кратности частоте строчной развертки: /ск=282/д=
=D406,25±2) КГц; /«=272/,=D250,00±2) КГц; /,= 15625 Гц;
Z=625 (рис. 6.12,б). Переключение частот с частотой /,/2 осуществ-
осуществляют электронным коммутатором (см. рис. 6.11, а).
В системе SECAM после введения высокочастотных предыска-
предыскажений перед суммированием сигнала цветности производят пери-
периодическое изменение его фазы на я. Эти изменения производят через
две строки на третью и в каждом поле, что приводит к снижению
видности на изображении поднесущих частот сигнала цветности/сд
и/св» попадающей в канал яркости.
Цветовая сшхроввзацня. В связи с поочередной передачей сиг-
сигналов DR, DB в приемном устройстве в любой момент времени
необходимо иметь информацию о цветности. Для этого в сигнал
синхронизации вводят сигналы опознавания, передаваемые в тече-
течение времени кадрового гасящего импульса (с 7-й по 15-ю строку
нечетного поля и с 320-й по 328-ю — четного). Назначение этих
сигналов сводится к установлению правильной фазы коммутатора
202
Красная
строка
Синяя
строка
Рис. 6.13. Формирование сигналов
цветовой свнжронизацш сгстемы
SECAM
декодирующего устройства прием-
приемник (см. рис. 6.11, о), а также к вы-
выключению канала цветности во вре-
время приема сигналов черно-белой
программы. Сигналы опознавания
представляют собой пакеты цвето-
цветовых поднесущих, модулированных
по частоте трапецеидальными им-
импульсами (рис. 6.13). Во время пе-
передачи сигнала DR (красная строка)
частота сигнала опознавания изме-
изменяется от fCR до fcR+Af по линей-
линейному акону в течение времени xv
Далее частота сигнала остается не-
неизменной w окончания активной ча-
части строки. Во время передан сиг-
сигнала Вв (синяя строка) частота сиг-
налг опознавания изменяется от/св
д,о/св—А/в течение времени т2, да-
далее остается постоянной.
В приемнике сигналы цветово! синхронизации выделяются ча-
частотными детекторами и управляют работой коммутатора декоди-
декодирующего устройства.
Анализ факторов, влияющих на четкость цветного изображения,
формируемого в системе SECAM, принципы расчетов цепей пред-
предыскажений, оценка перекрестных искажений сигналов яркости и цве-
цветности и другие вопросы, связанные с обеспечением высокого каче-
качества цветного телевизионного изображения в системе SECAM, опи-
описаны в литературе [14]. Систему цветного телевидения SECAM
используют в России, Франции и других странах. Один из послед-
последних ярианто этой системы имеет следующие основные парамет-
параметры: 625/50/2:1;?= 15625 Гщ/сл=4,40625 МГц; тл=282;/св=4,25000
МГц; mfl=272. Структура спектра радиосигнала приведена на рис.
6.1, г.
§ в. 4. ВРЕМЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ
ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Разработка систем с временным уплотнением телевизионного
сигнал в канале связи стимулировалась стремлением к улучшению
качеств' изображения и звука в первую очередь за счет устранения
перекрестных искажений ркость — цветность, введения высокока-
высококачественного стереозвука, создания систем ТВЧ и др. Этому способ-
способствовала также разработка быстродействующих модулей цифровой
строчной и кадровой памяти. Временное уплотнение сигналов ис-
используют в разработанной в Японии системе, базирующейся на
203
кодировании с многократной субнайквистовой дискретизацией
MUSE (Multiple Subnyquist Sampling Encoding), а также европейских
стандартах, использующих сжатие аналоговых компонентов MAC
(Multiplexed Analog Components): C-MAC, D-MAC, D2-MAC, HD-
MAC.
В системе MUSE используют кодирование компонентов сигнала
изображения, называемое TCI (Time Compression Integration). Из-
Известные модификации подобных систем TCI-LC, TCI-LSC отлича-
отличаются степенью сжатия сигналов и одновременной или последова-
последовательной передачей в строках уплотненных сигналов цветности.
Разделение яркостного сигнала и сигналов цветности во времени
исключает перекрестные искажения яркость — цветность. Отсутст-
Отсутствие при передаче цветовой поднесущей и поднесущей звука (он
также передается методом временного уплотнения в отведенные
для него в формате сигнала интервалы времени) снижает требова-
требования к характеристикам канала передачи, в частности его линей-
линейности.
Временная обработка сигнала изображения может осуществ-
осуществляться внутри строжи или нескольких строк, кадра или в блоке
нескольких кадров. Последний вариант обработки применяют со-
совместно с детекторами движения для сокращения полосы частот
сигнала изображения в канале передачи. Внутрикадровую времен-
временную обработку цифровых сигналов изображения (например, скрем-
блирование/дескремблировамие)
используют при кодировании ин-
информации для исключения несан-
несанкционированного доступа в систе-
системах платного телевидения, повы-
повышения помехоустойчивости си-
систем и др.
Уплотненный во времени те-
телевизионный сигнал может быть
передан по радиоканалу методом
частотной модуляции или преоб-
преобразован в цифровую форму с по-
последующей передачей по радиока-
радиоканалу. Следует учитывать, что лю-
любое временное уплотнение сигна-
сигналов приводит к соответствующе-
соответствующему расширению их спектров.
Стремление к минимизации поло-
полосы пропускания радиоканала при-
приводит к неизбежному изменению
структуры телевизионного сигна-
сигнала (использованию для передачи
Рис. 6.14. Формирование сигаала сигналов изображения части ин-
форматаМАС тервалов гашения, поочередной
204
белое
Черное
Строки i
Строка /+/
передаче сигналов цветности в смежных строках растра и др.).
Методы временного уплотнения используют и в системах цифровой
видеозаписи.
Принцип формирования сигнала с временным уплотнением на
примере формата MAC иллюстрирует рис. 6.14, а — в [25]. Телеви-
Телевизионный сигнал, соответствующий каждой строке растра (рис. 6.14,
а), подвергается временному уплотнению (компрессии) с коэффици-
коэффициентами компрессии яркостного сигнала ЕТ — хг, а цветоразност-
ных U, V—хс (в рассматриваемом примере xf=1,5, дсс=3).
Для временного уплотнения используют компрессоры (рис. 6.15,
а, б), представляющие собой модули памяти на время Тх, осуществ-
осуществляющие запись с тактовой частотой/3 и считывание в необходимые
интервалы времени с частотой /c=xf3. Например, если тактовая
частота сигнала яркости рг~ 13,5 МГц, а цветоразностных/?=6,75
МГц, то при хг=1,5, дсс=3 тактовая частота сжатых во времени
сигналов изображения /с=20,25 МГц (параметры системы
MAC/Paket для стандарта 625/50/2:1). На выходе компрессоров
формируются уплотненные во времени сигналы изображения Ё'г,
Ё'с, причем сигнал Ё'с представляет собой сигналы 0 или 9> череду-
чередующиеся через строку. Для этого используют коммутатор, переклю-
переключающий входные сигналы с частотой fJ2. Время начала считывания
сигналов Ё'т и ?'с выбирают в соответствии с используемым форма-
форматом сигнала (см. рис. 6.14, б, в).
На выходе мультиплексора формируется телевизионный сигнал,
соответствующий принятому формату Еж, Для двух смежных
строк растра такой сигнал приведен на рис. 6.14, б, в. Демодуляция
сигнала на приемной стороне осуществляется с помощью де-
мультиплексора, декомпрессоров и модулей строчной памяти,
Компрес-
Компрессор Ху
Мульти-
Мультиплексор
Коммутатор
fx/2
г
f3 f
Ту
L±
Декомпрес-
Декомпрессор 1/Ху
Коплрессор
Демульти-
плексор
1
Декомп-
Декомпрессор
1/хс
Память
Тх
гт t
' 'с
Рве. 6.15. Структурные схемы кодера (а) а декодера (б) MAC
205
MUSE TCI
H
I 5
и
Рас. 6.16. Формирование сигнала формата S-MAC
аналогичных используемым в системе SECAM для генерирования
недостающего в каждой строке сигнала цветности.
В системах цветного телевидения используют различные фор-
форматы уплотненных во времени сигналов. Сигналы форматов S-
МАС и MUSE TO приведены на рис. 6.16, а, б [25]. В формате
S-MAC используют коэффициенты сжатия хг=2,17, хс=4,33, что
приводит к возможности передачи сигналов цветности UeV в каж-
каждой строке растра. Таким образом, увеличение коэффициентов ком-
компрессии приводит к расширению полосы частот сигнала изображе-
изображения. В формате MUSE TCI сигнал яркости передается без сжатия,
в то время как сигналы UeV подвергаются существенной компрес-
компрессии, обеспечивающей их передачу во время строчного гасящего
интервала (с поочередной от строки к строке передачей сигналов
U еле V).
Более наглядно формат сигнала для системы MAC/Paket
625/50/2:1 представлен на рис. 6.17 [25]. Сигналы изображения пер-
первого поля передаются в строках растра 23 ... 310, второго — в 335
... 622. Синхросигналы и сигналы звукового сопровождения переда-
передаются во время строчных и кадровых гасящих интервалов. Синхро-
Синхросигналы содержат информацию о «цвете» строки и о «номере)) поля
(четное или нечетное).
На вход кодера системы в формате MAC поступают гамма-
корректированные аналоговые цветоделенные сигналы Е'л, Ёс> Ев.
Они преобразуются в цифровые и после матрицирования — в ярко-
206
Т. =64 тс
Сигналы
цветности
Сигналы
цветности
Сигналы
яркости
Сигналы
яркости
З&ук и синхросигналы
23-я
строка
—~/ете
¦310
J55
Т-епвле
622
а)
559
56J
56f
565
605-
1121
1125
AW7
Тест сигнал, ковровый синхросигнал
Тест сигнал,Шровып синхросигнал
Сигнал звуке и
данных
Сигнал
цвет-
цветности
1-е пом
Сигнал
управл.
Сигнал яркости
1-й полукадр
Уробень фиксации
Сигнал звука и
данных
Сигнал
цвет-
ности
It поле
Сигнал яркости
2-й полукадр
стный Ef и сигналы цветности
U, V. Далее, после низкоча-
низкочастотной фильтрации они под-
подвергаются преобразованиям
(см. рис. 6.15). Заключитель-
Заключительным этапом формирования те-
телевизионного сигнала
MAC/Paket является добавле-
добавление кодированных сигналов
звукового сопровождения
и синхросигналов в интервалы,
указанные на рис. 6.17. В деко-
декодере, на вход которого посту-
поступает сигнал с выхода ЧМ-дете-
ктора, формируются сигналы
Er, Eg, Eg, синхросигналы
и сигналы звукового сопровож-
сопровождения. При этом кодирование
сигналов звукового сопровож-
сопровождения в форматах С-МАС, D-
МАС и D2-MAC различно.
Благодаря относительно
простой реализации временных
преобразований цифровых сиг-
сигналов можно использовать эти
способы для построения кана-
каналов передачи сигналов изобра-
изображения, исключающих несанк-
несанкционированный доступ. Такие
способы передачи используют
в спутниковых и кабельных ка-
каналах платного телевидения.
В этом случае телевизионный сигнал (сигналы изображения, син-
синхронизации и звука) подвергается скрембмшгу (перемешиванию).
Например, при ротационном скремблинге отсчеты телевизионного
сигнала записывают в сдвиговый регистр, а после определенного
времени задержки считывают его (процесс повторяется циклически).
Управляя считыванием, например временной последовательно-
последовательностью псевдослучайных чисел, генерируют выходной сигнал.
Формирование изображения и неискаженного звукового сопровож-
сопровождения невозможно без дополнительных данных о характере кодиро-
кодирования.
Применение временных преобразований цифровых сигналов из-
изображения позволяет решить ряд проблем, возникающих при по-
построении систем ТВЧ. Стало возможным осуществлять преоб-
преобразование (стыки) сигналов изображения с различными параме-
параметрами разложения. В системах ТВЧ при формировании программ
207
Уровень фиксации
Трехуровневый строчной
синхросигнал
S)
Рис. 6.17. Структура сигналов системы
MAC/Paket (а) а ТВЧ MUSE (б)
используют параметры, обеспечивающие наивысшее качество изобра-
изображения (стандарт студии) с последующим формированием сигналов,
необходимых для пользователя (зрителя). Так появились стандарты
студии, обеспечивающие высокое качество сигнала изображения
1250/50/1:1 с форматом растра 16:9. В этом случае ширина полосы час-
частот сигнала яркости /у=60 МГц, сигналов цветности /с—30 МГц. Фор-
Формирование сигналов стандарта передачи осуществляют чересстроч-
чересстрочным считыванием в модуле кадровой памяти.
Для передачи телевизионных программ по цифровым каналам свя-
связи используют стандарт MPEG-2. Этот стандарт устанавливает алго-
алгоритмы сжатия видео-, аудиоинформации служебных и системных дан-
данных. При этом стандартизуется только синтаксис потока данных. В
рамках стандарта успешно решаются ключевые задачи сокращения
избыточности, уплотнения цифровых потоков и формирования высо-
высококачественного изображения.
В стандарте MPEG-2 формируется последовательность сигналов
изображений, соответствующих трем типам кадров: Intra (/) - предска-
предсказанным на основе внутрикадрового кодирования (опорные кадры);
Predicted (P) - предсказанным на основе предыдущего изображения и
Bidirectionally Predicted (В) - предсказанным двунаправленно. Инфор-
Информация о типе текущего кадра включается в цифровой поток данных.
Стандартом предусмотрено использование блочного кодирования.
Кадры Р-типа могут содержать макроблоки /* и / типов, а кадры типа
В — макроблоки всех трех типов В, Р и /. Кадры типа / содержат толь-
только /-макроблоки.
С целью пространственной декорреляции исходного цифрового по-
потока его отсчеты представляют не во временной или пространственной
областях, а в частотной. Таким образом, основная последовательность
преобразования У, С№ Св сигналов включает: дискретное косинусное
преобразование (DCT), т. е. перевод отдельных блоков изображения
(размером 8x8 элементов) из пространственной области в область про-
пространственных частот; квантование (с коэффициентами квантования,
устанавливаемыми отдельно для каждой из простраиственных частот)
и сжатие (используется модифицированный метод Хафмана). Наряду с
пространственной используется временная декорреляция смежных
кадров или полей, чем достигается повышение степени сжатия при
сохранении высокого результирующего качества изображения. Она
реализуется с помощью ДИКМ (§ 5.3).
В схему кодера обычно вводится полный декодер, формирующий
реальный предсказанный сигнал. Этот сигнал, задержанный на время
кадра, вычитается из входного сигнала. Используя формируемый раз-
ностный сигнал, удается устранить накопление ошибки квантования в
восстанавливающем фильтре декодера. В кодерах, реализованных по
стандарту MPEG-2, применяют предсказание с использованием векто-
векторов движения. Для этого изображение делят на макроблоки A6x16 эле-
элементов) и каждому отдельному макроблоку ставят в соответствие
макроблок предыдущего (опорного) кадра, смещенный так, чтобы дос-
208
тигалась максимальная корреляция между ними. Эта пара подвергает-
подвергается ДИКМ. Величину смещения с учетом его направления называют
вектором движения для рассматриваемого макроблока. Для достиже-
достижения наибольшего сжатия учитывают корреляцию не только с преды-
предыдущим, но и с последующими кадрами. Для этого перед DCT произво-
производят пересортировку кадров (изменяют порядок передачи кадров).
Изображение в стандарте MPEG-2 включает такие иерархические
единицы, как блоки (8x8 элементов), макроблоки A6x16 элементов) и
слайсы (строка макроблоков). В заголовках слайсов, макроблоков и
блоков передается информация, необходимая для декодирования сиг-
сигналов (коэффициенты квантования, сигналы синхронизации и др.).
Стандарт MPEG-2 не только дает возможность передавать цифровые
данные ТВЧ, но и обеспечивает возможность перехода к стандарту с
числом строк 625. Для этого поток видеоданных разделяют на три:
первый (основной), соответствующий 625-строчному разложению, вто-
второй, который иесет недостающую информацию об изображении с чис-
числом строк 1250 и третий (дополнительный), обеспечивающий повыше-
повышение результирующего отношения сигнал/шум в 1250-строчном изобра-
изображении.
Цифровой поток стандарта MPEG-2 подвергается помехоустойчи-
помехоустойчивому кодированию, вид которого зависит от используемого канала свя-
связи. При компрессии видеоданных реализуют ряд ступеней качества.
Для передачи сигналов стандартного качества предусматривают циф-
цифровой поток до 15 Мбит/с. При 9 Мбит/с обеспечивается качество,
сравнимое со студийным. Качество, сравнимое с получаемым в систе-
системе PAL, достигается при 6 Мбит/с.
ГЛАВА 7. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
§ 7.1. КИНЕСКОП
Для формирования черно-белого (ахроматического) телевизион-
телевизионного изображения чаще всего используют электронно-лучевую
трубку — кинескоп (рис. 7.1). Основными элементами кинескопа
являются электронный прожектор, формирующий электронный пу-
пучок, плотность тока которого изменяется под действием изменя-
изменяющегося потенциала модулятора (управляющего электрода), систе-
система фокусировки и отклонения электронного пучка и слой люмино-
люминофора, нанесенный на внутреннюю, практически плоскую, поверх-
поверхность колбы. Этот слой образует экран, на котором формируется
телевизионное изображение.
В современных кинескопах используют электростатическую фо-
фокусировку электронного пучка. Для этого применяют трехэлектрод-
ные или более сложные системы, включающие термокатод, модуля-
модулятор, ускоряющий электрод, аноды и фокусирующий электрод. Од-
Одной из особенностей устройства электростатической фокусировки
10 9
210
Рис. 7.1. Кинескоп (черно-белый):
1— 4 — лучи, 5 — алюминиевое покрытие, 6—люминофор, 7—стекло, 8 — от-
отклоняющая система, 9 — фокусирующий электрод, 10—модулятор, 11 — термока-
термокатод, 12— ускоряющий электрод, 13 — анод, 14—главный анод
кинескопа является требование к независимости фокусировки от
силы тока электронного пучка. Для модуляции яркости экрана ток
пучка в процессе работы кинескопа изменяется в широких преде-
пределах. Во всем этом диапазоне качество фокусировки должно со-
сохраняться постоянным. Наличие ускоряющего электрода обеспечи-
обеспечивает стабильность фокусировки при изменении тока электронного
пучка (яркости экрана). Особенности электростатической фокуси-
фокусировки в кинескопах рассмотрены в учебной и специальной литера-
туре [12,20].
Модуляцию тока электронного пучка (яркости экрана) осуществ-
осуществляют изменением разности потенциалов между термокатодом и мо-
модулятором. С этой целью на модулятор подается сигнал изображе-
изображения в положительной полярности (рис. 7.2) или на катод — в от-
отрицательной. Зависимость тока пучка ij, от напряжения на модуля-
модуляторе Uu (модуляционная характеристике) имеет вид in~k\(UH—
~ишу, где к\ я у—коэффициенты, определяемые геометричес-
геометрическими и электрическими параметрами электронного прожектора,
иж —напряжение запирания; обычно ?= 1,5 ... 2,5, U^= -D0... 80)
В. При отсчете размаха сигнала и, от точки фиксации уровня
черного ((Л») U=k\u]. Для установления уровня черного в сигнале
изображения используют схемы фиксации.
В качестве люминофоров используют силикаты, сульфиды, ок-
оксиды и фосфаты металлов цинка, кадмия, магния и т. д. с добав-
добавками активаторов (меди, серебра, марганца и др.) для обеспечения
требуемой спектральной характеристики излучения. Яркость свече-
свечения экрана определяется мощностью электронного пучка и связана
с силой тока пучка 4 и ускоряющим напряжением главного анода
Ut следующей зависимостью: L=k'2inUu где к2 — коэффициент,
определяемый эффективностью преобразо-
преобразования энергии электронного пучка в свето-
световую и площадью экрана (с увеличением
последней к'г уменьшается). При (/.= 16 кВ,
Ь=10 А для кинескопа 59ЛК2Б E^=
=W=0,37 х 0,46 м2) 1=40 кд/м2 [20]. Связы-
Связывая зависимости яркости, тока пучка и мо-
модулирующего напряжения (сигнала изобра-
изображения), получим модуляционную характе-
характеристику кинескопа L=Jt3«J, где къ=кхкг С/,.
Построение телевизионного растра,
формируемого электронным пучком, осуще-
осуществляется благодаря отклонению его с по-
помощью магнитного поля, создаваемого дву-
двумя парами отклоняющих катушек (см. рис
7.1). Пара строчных отклоняющих катушек
служит для отклонения электронного пучка
в горизонтальной плоскости (отклонение по
Рве. 7.2. Модуляционная
характеристика кинескопа
211
оси х в плоскости изображения), а пара кадровых отклоняющих
катушек обеспечивает отклонение его в вертикальной плоскости
(отклонение по оси у). Строчные и кадровые отклоняющие катушки
располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Основ-
Основным достоинством электромагнитного отклонения является воз-
возможность получения больших углов отклонения а> 110°, что приво-
приводит к созданию удобной конструкции колбы кинескопа. Варианты
использования электростатического отклонения не приводят к со-
созданию удобной конструкции кинескопа, а также требуют исполь-
использования больших амплитуд отклоняющих напряжений; в связи
с этим электростатическое отклонение не используется в кинескопах
с большими экранами.
В современных устройствах используют отклоняющие катушки
с плавным переходом от горловины кинескопа к раструбу. Это
позволяет увеличить угол отклонения. Расчет такой отклоняющей
системы сводится к определению формы токов ix(t), »,(/), обес-
обеспечивающих постоянные скорости ух и уу перемещения в плоскости
изображения светового пятна, формируемого на люминесцентном
экране.
Для увеличения контрастности и яркости изображения на люми-
люминофор с внутренней стороны наносят тонкое алюминиевое покры-
покрытие (см. рис. 7.1), толщина которого 0,05 ... 0,5 мкм. Такой слой
практически «прозрачен» для электронного пучка, вместе с тем
световой поток, отраженный от алюминиевой пленки, приводит
к существенному увеличению яркости изображения. Алюминиевое
покрытие, таким образом, препятствует проникновению светового
потока от люминофора внутрь колбы, который мог бы снизить
контрастность формируемого изображения за счет отражения света
от внутренних поверхностей колбы кинескопа в сторону экрана.
Заметное снижение контрастности мелких и средних деталей
изображения возникает вследствие засветки участков изображения
светом, претерпевающим полное внутреннее отражение от границы
раздела стекло — воздух (см. рис. 7.1). Зоны засветки соседних
с возбуждаемым участком можно определить из условия
sin ^>жр = 1/л, где (рц — критический угол падения лучей от возбуж-
возбужденного участка люминофора на границу раздела стекло — воздух
с относительным показателем преломления сред л. Как известно,
значение коэффициента отражения при полном внутреннем отраже-
отражении практически равно 1, что приводит к заметной засветке сосед-
соседних участков. Из геометрии системы ясно, что эта засветка будет
иметь вид светлых ореолов, которые перемещаются вместе со ска-
сканирующим пятном. Это снижает контрастность смежных деталей
изображения. Для существенного уменьшения рассмотренного явле-
явления увеличивают поглощение света в стекле, на которое наносится
слой люминофора (используют дымчатое стекло). Как видно из рис.
7.1, длина пути в среде поглощения (стекле) для прямого луча
212
Рас. 7.3. Характеристика после-
послесвечения люминофора
1 существенно меньше, чем для прело-
преломленного 2. Так как свет поглощается,
то это снижает интенсивность ореола
(засветки).
Использование в кинескопах дым-
дымчатого стекла уменьшает влияние на
качество изображения внешней засвет-
засветки. Световые лучи от внешних источ-
источников света 3 отражаются от слоя лю-
люминофора 4 и повышают яркость тем-
темных участков изображения, что приво-
приводит к снижению его контрастности. Ви-
Видно, что длины путей в среде поглоще-
поглощения излучения люминофора 1 и вне-
внешнего источника света 3,4 отличаются
более чем в два раза, что уменьшает влияние внешней засветки,
т. е. приводит к сохранению приемлемой контрастности изображе-
изображения при достаточной его яркости.
Важной характеристикой люминофора является зависимость яр-
яркости свечения от времени в процессе возбуждения электронным
пучком и затухания после прекращения возбуждения. Возбуждение
люминофора происходит в течение времени, соизмеримого с време-
временем передачи элемента изображения, затухание — в течение време-
времени, соизмеримого с временем кадра. Характер этой зависимости
иллюстрируется графиком рис. 7.3, где тэ — участок возгорания,
Та — послесвечения, т. е. уменьшения яркости до пренебрежимо
малой — @,005...0,01IЧ). При количественном анализе кривую по-
послесвечения обычно аппроксимируют экспоненциальной зависимо-
зависимостью вида L—Loe, где т — постоянная времени, определяемая
характеристиками люминофора. Участок послесвечения играет по-
положительную роль — снижается заметность мерцания яркости эк-
экрана. Вместе с тем необходимо, чтобы к началу следующего воз-
возбуждения (кадра) яркость снизилась до величины, обеспечивающей
отсутствие влияния содержания предыдущего кадра на последу-
последующий. Обычно это значение принимают равным 0,05. При больших
остаточных яркостях заметны искажения при передаче движущихся
изображений, резкой смене содержания всего изображения и др.
В кинескопах обеспечивается формирование изображения с ярко-
яркостью выше 150 кд/м2, четкостью свыше 600 линий на высоту растра
и контрастом около 150.
§ 7.2. ФОРМИРОВАНИЕ ЧЁРНО-БЕЛОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Процесс формирования изображения на экране кинескопа удоб-
удобно рассмотреть на примере передачи границы черное — белое [13].
Будем считать, что распределение плотности тока в разлагающем
213
Рве. 7.4. К формированию изображения на экране кинескопа
элементе и учитываемые посторонние факторы приводят к рас-
распределению яркости в элемент разложена описываемом., функци-
функцией' относительной яркости р(х', у^Цх', уУЬ0, где х', у' — коор-
координаты, связанные с центром разлагающего элемента, имеющим
яркость Lo (рис. 7.4, а).
Пусть в некоторый момент времени t0, когда элемевг разложе-
разложения находится на /-й строке, на модулятор кинескопа подается
скачок напряжения, которьи отпирает электронный пучок. Рассмот-
Рассмотрим процесс формирования изображения границы черное — белое.
Отсчет координат, связанных с плоскостью изображения будем
производить: у — от оси первой строки изображения, х — от поло-
положения центра разлагающего элемента в момент /0 подачи уцшич-
ного скачка напряжения на модулятор кинескопа, т. е. координаты
некоторого элемента пол изображения в, указанного на рис.
7.4, а, х-х', y=j8+y\ где —расстояние между строкамь. Бели
пренебречь временем возбуждения люминофора и его инерцион-
инерционностью (их влияние может быть учтено отдельно), то на экране
будет светиться участок поля изображения, соответствующий всему
элементу разложения, причем распределение яркости будет L(x',
yr)=Lop(x', у'). В произвольном сечении, например — Гу, +гу,
удаленном от оси строки на расстояние у',
L(x',j8+y')=Lop(x',y'). G.1)
Яркость участка люминофора а(х, jS+yJ при перемещении
элемента разложения со скоростью vx в момент времень /0 (рис. 7.4,
б) L=Lop(x'=xt, у% в момент tt L-Lop(x'=xe-vxtlt у') и т. д.,
т. е. изменение яркости во времени иуде-. ?(/)= ^р(х'-хй- vxt, у1).
Характер изменения яркости L участка а(х, jo+y') во времени
приведен на рис. 7.5. Кажущаяся яркость, воспринимаемая наблю-
наблюдателем, может быть определена с учетом периодичности возбужде-
возбуждения рассматриваемого участка (один раз за время кадра Гх —
рис. 7.5)
214
L=~ L(/)d/,
или в координатах плоскости изоб-
изображения х, у, как следует из о
рис. 7.4, а,
tn-o
J-rf™~*
где / — длина строки, Z — число
строк в кадре.
С учетом G.1) имеем
L=-
Рис. 7.5. Динамика изменения яр-
яркости участка экрана кинескопа
о
где интегральная яркость пятна в сечении у' (штриховка на рис.
7.4Э а)
-v
Из G.2) и рис. 7.4, а видно, что_при х>гу кажущаяся яркость
достигнет стационарного значения 1у, соответствующего светлому
утаоту(»се,е1ши,0 -L/m=LoRWZi G.3)
а относительное распределение яркости в направления поперек
строки (в направлении у)
С учетом G.2), G.3), G.4) получим переходную характеристику
устройства воспроизведения изображения в сечении у
G.5)
или нормированную переходную характеристику
.If 1
215
Примерный вид этих характе-
характеристик для различных у' приведен
на рис. 7.6 [13]. Видно, что даже
при бесконечно крутом скачке на-
напряжения на модуляторе граница
черное — белое, формируемая при
этом на экране кинескопа, имеет
размытый характер, причем вели-
величина зоны размытости, как видно
из G.6), определяется размерами
элемента разложения и характером
распределения яркости в пятне.
Заметное влияние на качество формируемого изображения мо-
может оказать послесвечение люминофора. Как было отмечено выше,
длительность послесвечения с целью увеличения яркости изображе-
изображения стремятся приблизить к длительности кадра Тх. При этом
определенное влияние на переходную характеристику устройства
воспроизведения могут оказывать смежные строки. В сечении /у-й
строки яркость нарастает в соответствии с G.5)
l G.7)
Ряс. 7.6. Переходные характеристи-
характеристики кинескопа
С учетом возбуждения элементов j-й строки в процессе сканиро-
сканирования предыдущих и последующих (перекрытие строк у-2, у-1,
7+1,7+2,...) в силу послесвечения яркость ее элементов, например
при учете влияния двух смежных строку— 1 i&j+1,
Используя G.7), имеем
L,zy=UtBMh(xH[W(8+y')+ W(y')+ W{b-y% G.8)
Здесь использовано оправданное допущение о том, что h(x)y=
=h(x)s+y'=k(x)s-/=h(xH. В работе [13] приведены результаты рас-
расчетов, иллюстрирующие влияние перекрытия смежных строк, кото-
которые выполнены в соответствии с G.8), и получены в зависимости от
нарастания яркости Ьщ при воспроизведении границы черное —
белое для пятна с гауссовским распределением яркости и расстоя-
расстоянием между строками 5=ге (рис. 7.7). Анализ показывает, что при
гауссовском распределении яркости в пятне форма кривой при
влиянии перекрытия смежных строк остается неизменной. При дру-
других распределениях яркости в пятне форма переходной характери-
характеристики под действием влияния смежных строк может изменяться.
Форма переходной характеристики может существенно изме-
изменяться под влиянием посторонних засветок, которые повышают
яркость темных и светлых участков, а следовательно, приводят
к понижению контраста границы черное — белое. Как и при анали-
анализе переходных характеристик разлагающих устройств (см. § 3.4), на
основе приведенных данных можно проследить механизмы
216
Рис. 7.7. Влияние на переход-
переходную характеристику кинескопа
перекрытия смежных строк
Рис. 7.8. К определению апертур-
но-частотной характеристики ки-
кинескопа
мирования изображения в области малых участков, соизмеримых
С размерами элемента разложения. Вместе с тем для описания
характеристик кинескопов часто используют гармонический ме-
метод — метод частотных характеристик.
Яркость в любой точке пятна с распределением р(х', у1) опреде-
определяется величиной сигнала изображения u,(i,), подводимого к моду-
модулятору кинескопа. В точке х (рис. 7.8), удаленной от оси строки на
расстояние у' в момент времени, когда центр пятна имеет коор-
координату х+х'у а сигнал на модуляторе кинескопа — Цх+х% яр-
яркость будет равна L(x, yt)^=cp{x't y^hix+x1), где с — постоянный
коэффициент, определяемый крутизной модуляционной характери-
характеристики (ограничимся линейным приближением). Аналогично G.2),
кажущаяся яркость
L(pc'yr)=
lz
G.9)
Учитывая, что р(х', у') имеет симметричную форму относитель-
относительно центра пятна p(-x't y^-pix', у') после подстановки в G.9) из
(ЗЛ7) значения Цх+х'), имеем
m-i
m
t
да 1 - Г ш ~v m "]
xcos2s-*'dx' =Z,/ESS(/) 1+ J] M(m)v(m)n(m)co$Bn-x+<pm) I
1 J L m-J ' J
G.10)
217
v
Л 00= J
' — интегральная прозрачность пятна в се-
где
чении у\ Lymniy^citoRiy^llZ — кажущаяся яркость в том же
сечении, ц(т) — апертурно-частотная характеристика кинескопа.
Как видно из G.10),
G.11)
Выразим Lymu через кажущуюся яркость на оси строки 1ошм
[соотношение G.4)] Хушх^Ьоши Wiy1) s определим окончательно
кажущуюся яркость G.10) рассматриваемой точки экрана:
m-l '
G-12)
Сравнивая распределение яркости вдоль строки G.12) на экране
кинескопа с аналогичным распределением в передаваемом изоб-
изображении C.16), видим, что яркости соответствующих точек отлича-
отличаются лишь глубиной модуляция компонентов ряда, которая зависит
также от расстояния /рассматриваемой точки от оси строки. Глу-
Глубина модуляции ML(m) компонентов оптического сигнала в выход»
ном изображении ML(m)—M(m)y(m)fi(m).
Апертурно-частотная характеристика кинескопа ji(m)=
-ML{m)^M{m)\{m)] представляет зависимость отношения глуби-
глубины модуляции компонентов воспроизводимого изображения ML(m)
и подводимого сигнала M(m)v(m) (линейное приближение).
Нормируя компоненты mjl G.11) относительно размера элемен-
элемента разложения аналогично представлению апертурно-частотной ха-
характеристики разлагающего устройства C.18), характеристику ц(т)
можно представить в координатах пространственных частот
{=m/(fcZ): m=$kZ\ следовательно, (m/t)=ZkZll=?/$. Апертурно-
частотная характеристика G.11) в координатах пространственных
частот ? имеет вид
*(/)
G.13)
На рис. 7.9 приведена апертурно-частотная характеристика, по-
построенная в соответствии с G.13) для круглого отверстия с гауссовс-
ким распределением яркости в пятне.
Характерной особенностью телевизионного изображения, фор-
формируемого на экране кинескопа, является наличие растрового фона.
218
И 1 /¦'
Рис. 7.10. Формирование растрового
0,2 вЛ 0,6 0,8 10 1,2i
Рнс. 7.9. Апертурно-частотная
характеристика кинескопа
При востюизведении ровного светлого поля перекрывающимися
строками с кажущейся яркостью 1^ и симметричным ее распределе-
распределением поперек строк Wiy1) результирующая яркость на осях оказы-
оказывается выше, чем между строками. Например, при учет* влияния
двух смежных с рассматриваемой строк, как видно из рис. 7.10 [13],
яркость по осям строк
=LQ[1 +2 W($)l
G.14)
Между строками _
G.15)
Аналогично может быть учтено влияние четырех и более строк
растра. Различие 1^0 и Lzyn) приводит к появлению на изображении
изменений яркосп в вертикальном направлении (растровому фону).
Относительный контраст яркости растрового фона можно опреде-
определить из G.14) и G.15):
G.16)
1+2 W(S)
Видно, что Ар+ определяется распре-
распределением яркости поперек строк Wiy1)
и смещением строк 8. Для гауссовского
распределения яркости по сечению строки
определена зависимость Кр^ от относи-
относительного смещения строк 2rjd (рис.
7.11) [13J. Естественно стремление уме-
уменьшить заметность растрового фона.
К этому, как видно из G.16) и рис.
7.11, приводит увеличение относительного
поперечника пятна. Однако при его уве- зависимость ко-
личении уменьшается глубина модуляции нграста растрового фона от
мелких деталей изображения — падает относительного смещения
четкость. При расстояниях рассматривания строк
219
0,5
изображения ajh>4 угловое расстояние между строками оказывает-
оказывается меньше угла разрешения глаза, т. е. растровый фон перестает
быть заметным. Существуют различные методы уменьшения замет-
ности растрового фона — высокочастотное поперечное качание
пятна, формирование пятна сложной формы и др.
Приведенный анализ, в частности соотношение G.13) совместно
с аналогичными зависимостями для разлагающего устройства
C.19) — C.21) и канала связи, может быть использован для опреде-
определения общей апертурно-частотнон характеристики ТВС (от «света
до света»). Эта характеристика позволяет проанализировать резуль-
результирующее качество телевизионного изображения, т. е. с учетом всех
элементов ТВС. В некоторых случаях вводят понятие о резкости
телевизионного изображения. Кажущаяся резкость изображения
определяется общей переходной характеристикой ТВС, в частности
значением ее максимальной крутизны. Вместе с тем качество изоб-
изображения на экране кинескопа часто оценивают с помощью апертур-
но-частотных характеристик.
В заключение следует отмстить, что качество формируемого на
экрана кинескопа изображения в значительной степени определяется
характеристиками поперечного разложения, т. е. характером пере-
передача деталей изображения в направлении оси у.
§ 7, 3. ФОРМИРОВАНИЕ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
В телевидении используется аддитивный метод формирования
цветного изображения, который основан на сложении цветов (свето-
(световых потоков различного спектрального состава). Он был рассмот-
рассмотрен при изложении основ колориметрии (см. § 2.8). Сложение
световых потоков Ж, GG, ВВ (см. рис. 2.14) приводит к формирова-
формированию цвета 5S. Для формирования элемен-
элементов цветного изображения достаточно вы-
выбрать три основных цвета R, G, В (источ-
(источники излучения, например люминофоры),
удовлетворяющих условию линейной неза-
независимости друг от друга. Как было показа-
показано в § 2.8, с помощью основных цветов
может быть воспроизведен любой цвет или
цветность, определяемая точкой, лежащей
внутри треугольника RGB.
В отличие от аддитивного субтрактив-
ный метод образования цветов основан на
вычитании из белого или иного цвета спек-
спектральных составляющих при прохождении
через избирательно поглощающую (отра-
(отражающую) среду или несколько сред, рас-
расположенных на пути светового пучка. Ре-
Результирующий цвет определяется разно-
Жемып
А
Пурпурный
Красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Желтый
Рис. 7.12. Субтраггнвный
метод образования цвета
220
стью между исходным и поглощенным световыми потоками. Кар-
Картина формирования результирующего цвета иллюстрируется на
рис. 7.12, где показаны светофильтры и их спектральные харак-
характеристики прозрачности fi(X). Субтрактивный метод широко ис-
используется в цветной фотографии, кино и полиграфии.
Аддитивный способ формирования цветных изображений исполь-
используют в трехрастровых проекционных телевизионных устройствах
с оптическим совмещением цветоделенных изображений — видео-
видеопроекторах. Изображения R, G, В формируют на экранах трех
кинескопов, имеющих люминофоры красного, зеленого и синего
свечения. С помощью трех объективов (рис. 7.13, а) изображения
проецируют на общий экран, на котором формируется цветное
изображение (проекцию, при которой зритель и проектор располо-
расположены по одну сторону, называют фронтпроекцией). Естественно,
что к электронной, оптической и механической частям устройства
предъявляются высокие требования по обеспечению точного со-
совмещения изображений по всей площади экрана. Поиски наилучших
способов формирования цветного изображения в трехрастровых
устройствах привели к многочисленным оптико-механическим
схемам вндеопроекторов [26]. Одна из них, использующая два про-
проекционных объектива и дихроическое зеркало, приведена на рис.
7.13, б. Заметим, что формирование изображения по способам,
иллюстрируемым на рис. 7.13, а, б, может быть реализовано
и методом рирпроекции — зритель и телевизионный проектор
Экраны кинескопов
6
Наблюдатель
а)
05ъек!тш§ы
Экраны кинескопов Наблюдатель
Рас. 7.13. Формирование цветного изображения
э треярастровш проекцаовнья устройствах
221
в этом случае располагают по разные стороны экрана (просветный
экран).
В рассмотренных устройствах формирование цвета смеси проис-
происходит в каждой точке поля изображения. В отличие от этого ад-
аддитивный способ может быть реализован методом пространствен-
пространственного смешения световых потоков различного спектрального состава
(основных цветов). Для этого формируют мозаику, состоящую из
отдельных источников света R, G, В (рис. 7.14). Если такую мозаику
рассматривать с достаточного удаления так, чтобы (p^f^ (угол
разрешения глаза), то отдельные элементы мозаики будут нераз-
неразличимы и ощущение цвета будет определяться соотношением сум-
суммарной яркости одноцветных элементов мозаики внутри угла
ф ~ фтп (при наблюдении мозаики с меньшего расстояния ее отдель-
отдельные элементы, естественно, будут различимы). Этот способ фор-
формирования цветного изображения стад наиболее распространенным
в телевидении.
В цветном кинескопе возможность раздельного управления стру-
структурами R, G, В реализуется с помощью теневой маски (рис. 7.15,
а). Конструкция кинескопа и его электронно-оптической системы
обеспечивает сведение трех пучков /д, iG, iB в общей точке, лежащей
в плоскости теневой маски. Мозаичный люминофор находится на
некотором расстоянии от маски, что, как видно из рис. 7.14, а,
создает условия для возбуждения сигналами iR, iG, iB соответству-
соответствующих элементов мозаичного экрана. Отклонение (v") всех пучков
осуществляется одновременно и непрерывно, в связи с чем необ-
необходимо обеспечить прерывание электронных пучков в отрезки вре-
времени перехода их с одной триады люминофоров на другую. Это
и осуществляется с помощью маски. Расположение следующей три-
триады люминофоров обеспечивает при прохождении пучков iR, iG, iB
через следующее отверстие маски строгое соответствие положения
электронных пучков соответствующим цветам люминофоров. На-
Наличие маски приводит к значительному снижению части каждого из
пучков электронов, участвующих в возбуждении люминофоров (до
10%). Для получения необходимой яркости увеличивают (до 25 кВ)
потенциал главного анода. На элек-
электронные прожекторы подают соот-
соответствующие цветоделенные сигна-
сигналы Ел, EG, Ев. Отклонение элект-
электронных пучков (построение растра)
осуществляют с помощью двух пар
отклоняющих катушек: строчной
и кадровой. Структура мозаичных
элементов экрана должна быть гео-
геометрически согласована со структу-
Рис. 7.14. Пролранствешюе сме- М отверстий маски--каждой три-
шешю дек» аде мозаики люминофоров должно
222
соответствовать одно отверстие маски. Для этого узел маска — эк-
экран изготавливают как единый, а в основе нанесения мозаики
люминофоров лежат методы оптической или электронной экспози-
экспозиции, печати через трафарет и др. Высокие требования предъявляют-
предъявляются и к изготовлению узла электронных прожекторов. Сложность
конструкции и существенное влияние ее на качество цветного изоб-
изображения приводят к необходимости использования дополнительных
устройств коррекции траекторий электронных пучков. Например,
неточность установки электронных прожекторов приводит к воз-
возбуждению не только люминофора заданного цвета, но и части
соседних. Это, естественно, снижает чистоту цвета. Для устранения
подобных дефектов служат постоянные магниты чистоты цвета,
имеющие форму кольца, которые устанавливают на горловину
кинескопа. Другим источником искажений является несведеше элек-
электронных пучков в одно отверстие маски при отклонении их от оси
трубки, что приводит к существенным искажениям в виде цветовых
окантовок и искажениям цвета мелких деталей изображения. Для
устранения этих искажений используют устройство сведения элект-
электронных пучков — постоянные магниты статического и электромаг-
электромагниты динамического сведения, которые располагают на горловине
кинескопа. Электромагниты служат для сведения пучков на перифе-
периферии растра, для чего питающие их токи имеют пилообразную
и параболическую формы строчной частоты и частоты полей.
Электронные
протекторы
Маска
Рис. 7.15. Формнровате цветного изображе-
изображения з канесаопах с теневой маской
223
¦L
Устройство и способы регулировки систем сведения электронных
пучков в масочных кинескопах широко освещены в литературе [27,
28].
Другой разновидностью трехлучевого кинескопа является труб-
трубка с теневой маской, имеющей щелевые отверстия, штриховой моза-
мозаичный экран и электронные прожекторы, расположенные в одной
(горизонтальной) плоскости. Принцип действия щелевой маски по-
поясняет рис. 7.15, б. Маска представляет собой пластину с вертикаль-
вертикальными прорезями, которые располагаются в шахматном порядке,
что служит увеличению механической прочности маски. Экран та-
такого кинескопа состоит из чередующихся по три (R, G, В) полосок
люминофоров. Их последовательность обратна расположению эле-
электронных прожекторов. На рис. 7.15, б показаны также проекции
щелей маски на экран. Основные достоинства кинескопов со щеле-
щелевой маской и штриховым экраном: упрощаются условия сведения
электронных пучков, так как средний пучок направлен вдоль оси
кинескопа, что приводит к необходимости только горизонтального
сведения; большая прозрачность маски (более 20%) приводит к уве-
увеличению яркости изображения, улучшается чистота цвета, так как
погрешности, вызывающие вертикальные сдвиги пучков, не приво-
приводят к возбуждению соседних люминофоров. Перечисленные особен-
особенности позволяют индивидуально подбирать форму магнитного по-
поля отклоняющей системы для каждого конкретного кинескопа с по-
последующей фиксацией отклоняющей системы на горловине.
К числу недостатков кинескопов с линейным расположением
электронных прожекторов относится неизбежность увеличения при
прочих равных условиях диаметра горловины, что приводит к необ-
необходимости увеличения мощности генераторов токов развертки.
§7.4. КАЧЕСТВО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
При проектировании ТВС стремятся к обеспечению физиологи-
физиологически точного воспроизведения изображения (см. § 1.4). В процессе
работы ТВС часто изменяют это условие с целью обеспечения
требуемого художественного эффекта. Как было отмечено (см. §
3.6), подобные режимы следует рассматривать особо.
Практически физиологически точное воспроизведение на экране
кинескопа недостижимо из-за ряда особенностей современного те-
телевизионного изображения — ограниченного диапазона воспроиз-
воспроизводимых яркостей (до 200...250 кд/м2), изменения масштаба изоб-
изображения в процессе передачи, неизбежного влияния условий наблю-
наблюдения изображения и др. Поэтому, определяя качество телевизион-
телевизионного изображения, часто оценивают отдельные его параметры (цве-
(цветопередачу, четкость, передачу градаций и др.).
Качество цветопередачи [14]. Как следует из особенностей цвето-
цветового зрения (см. § 2.8), на экране кинескопа можно воспроизвести
224
все цветности, лежащие внутри треугольника его основных цветов.
Последний определяется спектральными характеристиками люми-
люминофоров. Стремление к увеличению количества воспроизводимых
цветов приводит к необходимости увеличения площади, охватыва-
охватываемой треугольником основных цветов (с учетом особенностей цве-
торазличення, т. е. в равноконтрастной диаграмме цветностей).
В вещательных ТВС типа PAL и SECAM основными цветами
являются красный, зеленый и синий с координатами (рис. 7.16, а)
«.=0,451; v-=0,349;
«с=0,121; vc=0,374;
Mj=0,175; vB=0,105.
В системе NTSC — с координатами G.17)
«я=0,477; vA=0,352;
«с=0,076; vc=0,384;
ив=0,152; vB=0,130.
Важной характеристикой, определяющей качество воспроизво-
воспроизводимого изображения, является воспроизведение белого, создава-
создаваемого кинескопом при подаче на модуляторы одинаковых сигналов
ER, EG, Ев. Учитывая особенности зрения (см. § 2.8) и условия
наблюдения изображения, в системах PAL и SECAM принят белый
цвет стандартного источника D6joo с коор-
координатами цветности md=0,198, vD=0,312 NTSC
(в системе NTSC источник типа С с коор-
координатами мс=0,201, vc=0,307).
Стремление выбрать высокую насы-
насыщенность основных цветов кинескопа
с целью обеспечения наибольшего цвето-
цветового охвата воспроизводимых кинеско-
кинескопом цветов наталкивается не только на
технологические трудности с получением
материалов люминофоров, но и входит в
противоречие с требованиями получения
высокой яркости изображения: чем выше
насыщенность, тем уже спектральные ха-
характеристики L(X) люминофоров; следо-
следовательно, тем ниже их яркость свечения
L=с J L (Я) v (Я) сЦ. Следствием ком-
компромисса между этими противоречивыми
требованиями стал выбор основных цве-
цветов кинескопов [см. G.17)], имеющих чи-
чистоту цвета в системах PAL и SECAM
/>*=0,93; />с=0,86; />в=0,6; NTSC -pR=
= 1,0;/>с=0,93;/>в=0,65.
8 Р. Е. Быков
Рис. 7.16. Цветовые тре-
треугольники систем NTSC,
PAL, SECAM (а) н шкалы
приведенной чистоты цвета
(б)
225
Выбор основных цветов кинескопа дает основание приписать
предельной чистоте цветов, воспроизводимых ТВС, 100%-ную на-
насыщенность. Такую же насыщенность будут иметь цветности, лежа-
лежащие на сторонах цветового треугольника кинескопа. Это приводит
к шкале приведенной чистоты цвета (рис. 7.16, б). Ее используют
при оценке качества цветопередачи кинескопами.
Выбор основных цветов кинескопа позволяет оценить число
различимых цветов, воспроизводимых ТВС. Зная величины порогов
цветоразличения (см. § 2.8), можно подсчитать, что всего на диа-
диаграммах и и v в пределах цветового охвата реальных цветов раз-
размещается около 11 600 областей диаметром 0,0038, а на площади
цветового треугольника кинескопа — около 3900. Следовательно,
в реальных условиях человек способен различать около 12 000
цветностей одной яркости, в то время как в предельном случае
в телевизионном изображении их около 4000. Приведенные значе-
значения носят ориентировочный характер, так как они существенно
зависят от яркости изображения, его содержания, особенностей
наблюдения и ряда других факторов. Вместе с тем они могут быть
использованы при сопоставлении различных ТВС и других способов
воспроизведения изображения.
Для оценки качества цветопередачи в ТВС используют меры
искажений как цветности, так и яркости [14]. Для того чтобы меры
оценки были адекватны соответствующим ощущениям, используют
рассмотренные (см. § 2.8) системы uv, L*u*v* и др. Например,
искажения цветности можно оценить порогами Мак-Адама
пс=<jAu2+Av2/0,0038, а искажения яркости — формулой wL=
=| In Ьх—In jL2|/0,0 198, где 0,0038 и 0,0198 — пороги различения по
цветности и яркости. В качестве сравниваемых величия используют
разности соответствующих цветов оригинала и изображения. Ин-
Интерпретация результатов оценок представляет сложную задачу.
С этой целью используют шкалы оценок G-балльная, 5-балльная
шкалы и др.). В соответствии с этими шкалами в условиях наблюде-
наблюдения телевизионного изображения с возможностью сравнения с эта-
эталоном рекомендуется допуск 3...4 порога Мак-Адама, в то время
как в условиях наблюдения на экране телевизионного приемника
(отсутствие непосредственного сравнения с эталоном) рекомендует-
рекомендуется допуск 7...9 порогов.
Установление критериев и допусков позволяет сформулировать
технические требования к устройству воспроизведения и ТВС в це-
целом.
Характеристика передачи уровней яркости. В устройстве воспро-
воспроизведения изображения ответственной за передачу уровней яркости
является модуляционная характеристика кинескопа. Вопрос о со-
согласовании ее с амплитудными характеристиками других элементов
ТВС рассмотрен в § 5.1. Заметим, что реализация линейной суммар-
226
3 4- 5Г,МГц
Рис. 7.17. Частотная
функция видвосги шу-
шумов
ной амплитудной характеристики «от света до
света» практически не дает нужного эффекта.
Практика показывает, что субъективное каче-
качество изображения наилучшее при значении
у для сквозной характеристики 1Д...1.3 [14].
Это можно объяснить спецификой условий на-
наблюдения телевизионного изображения (разли-
(различие между яркостью и контрастностью изоб-
изображения и оригинала, масштабные искажения,
наличием на изображении флуктуациояных по-
помех и др.).
Качество формируемого изображения су-
существенно зависит от тракта передачи сигна-
сигналов, в частности от вносимых трактом линей-
линейных частотно-зависимых искажений, расхождением во времени сиг-
сигналов яркости и цветности и др.
Воспроизведение мелких деталей изображения (градаций яркости
и цветности) широко освещены в литературе [14, 27], но далеки от
исчерпывающего количественного описания. Разрешающая способ-
способность кинескопа ограничена конечным числом элементов экрана.
Качество изображения заметно ухудшается вследствие появления
ложных узоров из-за интерференции между структурами экрана,
растра и мелких (особенно периодических) деталей передаваемого
изображения.
Флуктушронные помехи на изображении оцениваются отношени-
отношением размаха сигнала к эффективному значению флуктуационной
помехи. Флуктуационные помехи ухудшают воспроизведение мел-
мелких деталей и полутонов изображения. Длительное наблюдение
зашумленного изображения утомляет зрителя. Для оценки флукту-
флуктуационной помехи используют взвешенную мощность шума [14]
где F(J) — весовая функция видности шумов, которая для сигналов
цветного телевидения, передаваемых по каналам связи, имеет вид,
приведенный на рис. 7.17.
Определенные особенности различных ТВС приводят к необ-
необходимости вводить разные весовые функции для каналов яркости
и цветности, учитывать видность помех от цвета фона, на котором
они проявляются, и др. Критерии помехоустойчивости ТВС и оцен-
оценки качества цветного телевизионного изображения нашли широкое
освещение в литературе [12,14].
§ 7.5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЯ
Десятки лет для воспроизведения телевизионных изображений тра-
традиционно используют кинескопы. Вместе с этим, внимание конструк-
конструкторов телевизионной аппаратуры всегда привлекали устройства,
имеющие вид плоской панели (flat-panel), устройства, обеспечивающие
формирование изображений большого размера (диагональ экрана от
метра до десятков метров) и др.
г~*) К числу преобразователей панельного типа можно отнести плоские
; матричные экраны, выполненные на газоразрядных приборах, жидких
кристаллах и др. Приборы этого типа не всегда удовлетворяют требо-
требованиям телевизионных стандартов и используются в основном в каче-
качестве компьютерных дисплеев, соответствующих устройств мультиме-
мультимедиа, в видоискателях телевизионных-камер и т.п. Например, наиболее
распространенные плоские панели на жидких кристаллах - панели
LCD (liquid-crystal display) имеют яркость изображения около 200 кд7м2,
контрастность изображения 100:1, число элементов изображения до
1024x768, разрешение 0,31 мкм при диагонали экрана 55,8 см, их тол-
; щина около 8 мм. Однако они имеют слишком высокую направлен-
направленность излучения экрана (± 40°), недопустимую для воспроизведения
L .^динамических сцен инерционность C0-60 мс) и малый температурный
диапазон работы @-50°С).
Перспективным направлением развития устройств воспроизведе-
воспроизведения цветных телевизионных изображений является разработка пло-
плоских панелей, в которых, как и в кинескопах, используется явление
электролюминесценции. Однако, в отличие от электронно-лучевых
трубок, возбуждение люминофоров осуществляется электронами, гене-
генерируемыми автоэлектронными эмиттерами; с этим связано и название
приборов такого типа - FED {field emission displayI.
Принцип действия приборов подобного типа поясняет рис. 7.18.
Плоская конструкция прибора между подложкой и стеклянной план-
планшайбой содержит полосковые катоды с множеством эмиттеров иголь-
игольчатого типа. Каждому из эмиттеров соответствует отверстие в управ-
управляющем электроде. В конструкции, указанной на рис. 7.18, иа элемент
изображения соответствующего цвета приходится 4 эмиттера. Путем
изменения расстояния между эмиттерами и управляющими электро-
электродами устанавливается необходимая величина электрического поля,
требуемого для возникновения автоэлектронной эмиссии. Известны
более сложные эмиттеры тунельного типа на базе соединения
металл/полупроводник/изолятор/металл.
Путем изменения разности потенциалов между эмиттерами и
управляющими электродами осуществляют регулировку плотности
тока, достигающего люминофора. Полоски люминофоров (R, G, В) на-
нанесены на стеклянную планшайбу. Нетрудно видеть, что, используя
1 Babu R. Chalamala, Yi Wei, Bruce E. Gnade FED up with FAT Tubes// IEEE Spectrum. 1998,
April. Vol. 35, № 4. P. 42-51.
228
Люминофоры
Стеклянная
планшайба
Управляющие
электроды
Эмиттеры
Катоды
Подложка
Рис. 7.18. Плоская FED-панелъ
соответствующие переключе-
переключения разности потенциалов ме-
между эмиттерами и управляю-
управляющими электродами, можно
осуществить коммутацию эле-
элементов телевизионного растра
и возбуждение участков поля
изображения. Адресация элек-
электронных пучков на люмино-
люминофоры соответствующих цветов
осуществляется путем отпира-
отпирания эмиттеров только одного
цвета. Кроме такого режима
возможен режим переключае-
переключаемых анодов: анодные полоско-
полосковые подложки (на рис. 7.18 не
показаны), на которые нанесе-
нанесены люминофоры одинакового цвета, соединены между собой гальва-
гальванически и активизируются последовательно. Воспроизведение цветно-
цветного изображения в этом режиме осуществляется последовательно. Для
формирования последовательных цветоделенных видеосигналов ис-
используют схемы кадровой памяти.
Большинство приборов рассмотренного типа работают при разно-
разности потенциалов между катодами и анодом порядка 300-5000 В. Как
видно, в приборе отсутствует необходимость отклонения электронных
пучков, т. к. расстояние между эмиттерами и люминофорами порядка
одного миллиметра и поэтому реализуется перенос электронов пучка
от эмиттера к соответствующему участку люминофора непосредствен-
непосредственно в электрическом поле. Таким образом решаются проблемы не толь-
только обеспечения линейности развертки, но и совмещения цветоделен-
цветоделенных изображений.
К числу основных достоинств приборов подобного типа следует от-
отнести высокую яркость воспроизводимого цветного изображения (до
300 кд/м2), большой угол диаграммы направленности излучения (± 80°),
малую инерционность A0-30 мкс). При диагонали экрана 26,4 см и
числе элементов изображения 640x480 разрешение составляет 0,31 мкм.
Толщина панели 10 мм, диапазон рабочих температур от - 5 до +85 °С.
Ряд проблем технологического характера требуют дальнейших
разработок в рассматриваемой области. Например, плотность тока на
острие каждого из эмиттеров достигает больших величин, что может
привести к быстрому разрушению эмиттеров. Для предотвращения
этого явления в массу конуса эмиттера вводят резистивный слой, ог-
ограничивающий величины протекающих в них токов, поверхность
эмиттеров подвергают специальной обработке и др.
В ряде случаев возникает необходимость формировать изображе-
изображения большого размера, с диагональю экрана от одного до десятков
метров (концертные залы, учебные аудитории и др. [5,26]). Варианты
229
видеопроекторов, представленные на рис. 7.13, относят к проекторам
кинескопного типа. Они обеспечивают формирование цветного изо-
изображения высокого качества с яркостью до 600 кд/м2 на экранах пло-
площадью от 1 до 10 м2. Видеопроекторы такого типа используют как в
системах с параметрами 625/50/2:1, так и в системах ТВЧ. Четкость
изображения в последнем случае достигает 2000 линий на высоту изо-
изображения. Для уменьшения потерь света и, следовательно, повышения
яркости изображения на проекционном экране используют зеркальную
или зеркально-линзовую оптику.
Существенно больший размер изображения (до 200 м2) можно по-
получить с помощью светоклапанных видеопроекторов оптико-
механического типа или основанных на использовании твердотельных
светомодулирующих сред, управляемых сигналами изображения B0,
26|.Большие возможности по созданию телевизионных проекторов от-
открывают лазерные системы, включающие когерентный источник све-
света, модулятор и дефлектор (устройство развертки лазерного пучка).
Использование устройств модуляции лазерного пучка видеосигналом и
его отклонения по закону телевизионной развертки позволило создать
проектор с размером экрана по ширине 20 м на базе лазеров с излуче-
излучениями ?ь= 488 нм, ?g = 514 нм, ?г = 610 нм.
Для развертки лазерных пучков в таких проекторах используют меха-
механические (зеркальные), акустооптические дифракционные и электро-
электрооптические рефракционные дефлекторы. Заметим, что оценка качест-
качества цветопередачи систем воспроизведения, базирующихся на монохро-
монохроматических основных цветах, представляет определенную проблему и
нуждается в дальнейших исследованиях и развитии.
Кодро-
вые ЗУ
p
ПЭВМ
JJ.
Комму-
Коммутатор
Видеомониторы
^—
Рис. 7.19. Сгруггурная схема многоишескопнойвидеошшели
широкое распространение получили многошнескожые тоео-
панели B61. Возможность создания видеопанелей на базе видеомони-
видеомониторов появилась после разработки кадровых запоминающих уст-
устройств, обеспечивающих формирование фрагментов телевизионного
изображения на экранах видеомониторов, собранных вплотную один к
одному в узлах прямоугольной решетки (рис. 7.19). В приведенном
230
примере Dx4) каждый видеомонитор воспроизводит 1/16 всего изобра-
изображения. Любая строка исходного изображения воспроизводится на каж-
каждом мониторе, причем из 720 элементов изображения в исходной строке
на каждом видеомониторе воспроизводится по 180 элементов по гори-
горизонтали (на первом модуле с 1-го по 180-й, втором— с 181-го
по 360-й и т.д.). Программа коммутации сигналов изображения
формируется компьютером и реализуется устройствами управления
кадровой памятью и коммутатором, обеспечивающим подведение
сигналов изображения к соответствующим видеомониторам. Для
уменьшения заметности решетки используют линзы Френеля,
установленные непосредственно на экраны кинескопов или вбли-
вблизи них (при размере экранов 50 х 40 см и ширине просвета между
экранами 6 см достаточно увежчения 1,12 и 1,15 по горизонтали
и вертикали соответственно). Используют видеопанели 6 х 6,12 х 12
и 16 х 16 видеомониторов. Яркость изображения соответствует яр-
яркости используемых видеомониторов. Возможности видеопанелей
рассмотренного типа не ограничиваются формированием изображе-
изображения. Программными средствами организуют сложное управление
источниками сигналов изображения с целью формирования видео-
видеоэффектов (концертные залы, стадионы и др.).
§7.6. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ПРИЕМНИК
Телевизионный приемник является универсальным устройством
воспроизведения изображения и звукового сопровождения. Он обес-
обеспечивает прием цветных и черно-белых передач в метровом и деци-
дециметровом диапазонах (см. § 6.1, табл. 6.1), имеет устройство деко-
декодирования практически всех рассмотренных систем телевизионного
вещания (см. § 6.3), имеет вход для видеосигнала, поступающего от
видеомагнитофона или другого источника, обеспечивает воспроиз-
воспроизведение информации по системе Teletex, включает стереоканалы
высококачественного воспроизведения звука и др. Современный
телевизор включает ряд сервисных устройств (дйсташщонное упра-
управление, вывод на экран информации о режимах, устройство связи
с микроЭВМ и др.). В телевизорах применяют интегральные мик-
микросхемы и большие гибридные интегральные микросборки с высо-
высокой степенью интеграции. Конструкция, как правило, носит модуль-
модульный характер.
Упрощенная структурная схема цветного телевизионного при-
приемника приведена на рис. 7.20 [28]. Высокочастотные сигналы
с антенны поступают на входы электронных селекторов каналов
метровых и дециметровых волн. В селекторе каналов осущест-
осуществляются переключение диапазонов и перестройка телевизионных
каналов в пределах диапазона. Селектор имеет связь с пультом
дистанционного управления телевизором. Для обеспечения работы
231
Рис. 7.20. Структурная схема цветного телевизионного приемника
телевизора в различных условиях приема используют схемы авто-
автоматической регулировки усиления (АРУ) усилителя высокой часто-
частоты селектора.
С выхода селектора каналов сигнал поступает на усилитель
промежуточной частоты (УПЧ изображения). Промежуточная ча-
частота сигнала изображения 38,0 МГц, а звукового сопровожде-
сопровождения — 31,5 МГц. Вторая промежуточная частота звукового сопро-
сопровождения — 6,5 МГц (разностная частота между несущими /ю и/м).
Поднесущая частота сигнала ЕЛ_Т составляет 4,406 МГц, ?л_г —
4,25 МГц.
Сигнал с выхода УПЧ поступает на детектор видеосигнала
и далее в канал яркости, где для установления временного соответ-
соответствия между сигналом яркости и цветности включена линия задерж-
задержки (т=0,6...0,8 мхе). Это устройство служит для компенсации за-
задержки сигналов цветности относительно сигнала яркости, образу-
образующейся за счет низкочастотной фильтрации и других преобразова-
преобразований сигналов в канале цветности.
В канале яркости (см. рис. 6.11) наряду с усилением сигнала
изображения осуществляются его высокочастотная коррекция за
счет увеличения коэффициента усиления на высоких частотах, введе-
введение гасящих импульсов во время обратного хода, привязка сигнала
изображения к уровню черного (путем регулировки этого уровня
232
устанавливается яркость изображениях ограничение предельного
тока пучков кинескопа, режекция сигнала, подавляющая компонен-
компоненты цветовых поднесущих в яркостном сигнале (при передаче черно-
белых изображений схема режекции автоматически отключается,
что увеличивает их четкость на экране кинескопа). Сигнал яркости
отрицательной полярности Е'Т подается на катод кинескопа.
В канал цветности сигнал изображения подается с одного из
первых каскадов усиления яркостного канала. Во входных цепях
канала цветности осуществляется обратная коррекция предыскаже-
предыскажений цветоразностных сигналов (см. рис. 6.12). С выхода корректора
цветоразностные сигналы поступают в прямой канал преобразова-
преобразования (коммутатор) и канал задержанного сигнала. Коммутатор
и устройство задержки (т=64 мке) вместе с детекторами R-Y
и В- Y формируют цветоразностные сигналы (см. § 6.3, рис. 6.11),
которые после усиления подаются на модуляторы кинескопа. Для
формирования сигнала Е'6_л используют матрицу G-Y (см. § 6.2,
рис. 6.3). В канале цветности наряду с упомянутыми элементами
используют ограничители, формирователи и другие схемы [28].
Коммутатор синхронизируется генератором коммутирующих им-
импульсов, который управляется сигналами схемы опознавания цвета
(см. § 6.3, рис. 6.13). Использование в канале цветности двух линий
задержки на ГОС позволяет реализовать двухстандартный
(SECAM/PAL) прием сигналов. На элементах ПЗС реализуют
и другие узлы приемника — полосовые и режекторные фильтры,
частотные детекторы.
В канале синхронизации видеосигнал (см. § 3.9, рис. 3.17), посту-
поступающий из канала яркости на селектор синхросигналов, подверга-
подвергается фиксации на уровне амплитуд синхроимпульсов и амплитуд-
амплитудному ограничению на уровне селекции. При полярности сигнала
изображения, указанной на рис. 3.17, в канал синхронизации с амп-
амплитудного селектора поступает сигнал, превышающий указанный
уровень селекции. Точность синхронизации определяется схемой
фиксации и особенностями ограничителя сигнала изображения. Из-
Известны различные варианты построения этих схем [15]. Дальнейшее
разделение кадровых и строчных синхросигналов осуществляется
различными способами, наибольшее распространение среди кото-
которых нашли основанные на дифференцмровании и интегрировании
сигналов синхронизации [2,15].
Сигналы опознавания для схемы цветовой синхронизации выде-
выделяются путем временной селекции, базирующейся на синхрониза-
синхронизации кадровыми синхросигналами [28].
Генераторы строчной и кадровой разверток (ГР/» ГР/,), управ-
управляемые соответствующими синхросигналами, формируют токи, пи-
питающие отклоняющие катушки вертикального и горизонтального
отклонения электронных пучков кинескопа. Для коррекции искаже-
искажений растра, возникающих при больших углах отклонения злект-
233
ронных пучков (вследствие нарушения пропорциональности между
значениями отклоняющего тока и углами отклонения), в генерато-
генераторах развертки формируют дополнительные токи, добавляемые к то-
токам развертки и компенсирующие указанные искажения растра.
Для создания высокого напряжения главного анода кинескопа
t/,=22,5 ... 25 кВ используют схему, связанную со строчным транс-
трансформатором, — умножитель напряжения (выпрямление импульсов
обратного хода строчной развертки и импульсного напряжения,
трансформируемого в высоковольтную обмотку).
Канал звукового сопровождения включает УПЧ звука (fn—^
МГц), частотный детектор, усилитель низкой частоты и динамичес-
динамический громкоговоритель.
Обширная литература по принципам построения, схемотехни-
схемотехнической реализации, устройствам управления и расширения их функ-
циальных особенностей может быть дополнением к данной теме [12,
20, 28].
ГЛАВА 8. КОНСЕРВАЦИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
§ 8.1. ПРИНЦИПЫ МАГНИТНОЙ ВИДЕОЗАПИСИ
Магнитная видеозапись и последующее воспроизведение сигна-
сигналов изображения стали неотъемлемой частью технологии фор-
формирования телевизионных программ. Сигнал изображения s(t)
в процессе магнитной видеозаписи преобразуется в пространствен-
пространственную последовательность соответствующим образом намагничен-
намагниченных участков рабочей среды магнитной ленты М(х) (рис. 8.1). Под
действием тока сигнала s(t)=it(t), протекающего в обмотке записы-
записывающей видеоголовки, возникает магнитный поток F,(t). Вследствие
высокой магнитной проводимости сердечника видеоголовки маг-
магнитное поле Н{х') концентрируется в рабочем зазоре 5 (участок
с низкой магнитной проницаемостью), здесь х' — координата, свя-
связанная с центром рабочего зазора видеоголовки. Изменяющееся во
времени магнитное поле Н(х1) воздействует на рабочую среду лен-
ленты. Будем считать относительную скорость видеоголовка — лента
Уф постоянной. Намагниченность М(х) рабочей среды ленты опре-
определяется характером изменения #(/)• Следовательно, преобразова-
преобразования сигналов при магнитной видеозаписи имеют вид i,(t)~+
()М(
((
Длина волны Х1Х записанных гармонических колебаний сигнала
г,(/) определяется частотой fs сигнала изображения /,(/) и скоростью
записи v\/n:
K*=**lf, (8.1)
В процессе воспроизведе-
воспроизведения осуществляется обратное
преобразование: магнитный
поток, возникающий под
действием намагниченности
рабочей среды, переме-
перемещающейся со скоростью у;/л
относительно воспроизводя-
воспроизводящей видеоголовки, протекает
по ее сердечнику и генерирует
в обмотке сигнал ЕМ). Его „_„,«• *
иа<«гптй P-v" II runrmvun Рис. 8.1. К привднпу мапштаой записи:
Частота у,-У,/л//, ^ВОСПрОИЗ- ; -юдеоголадиц 2-лент», 3-рабочий слой
235
водящая видеоголовка аналогична записывающей видеоголовке).
Устройства видеозаписи и воспроизведения, как и всякие реальные
преобразователи, вносят искажения, которые в процессе проектиро-
проектирования стремятся минимизировать.
В рассмотренных устройствах происходят два преобразования:
электромагнитное (запись) и магнитоэлектрическое (воспроизведе-
(воспроизведение). Электромагнитное преобразование, как видно, основано на
свойствах ферромагнитных материалов намагничиваться и сохра-
сохранять это состояние. Магнитный носитель (рабочая среда), например
оксид железа, модифицированный СгО2 и др., наносят на прочную
основу (ленту). Связующим веществом при изготовлении рабочей
среды используют специальные лаки. Толщина лент, например по-
лиэтилентерефталатных, составляет П...14 мкм.
Магнитная головка (рис. 8.1) представляет собой магнитопровод
с зазором 8 и намагничивающей обмоткой, через которую протека-
протекает ток сигнала изображения i,(t). В процессе записи магнитный
поток замыкается через участок рабочей среды (магнитное сопроти-
сопротивление этого участка существенно ниже, чем зазора 8, заполненного
немагнитным материалом). Процесс взаимодействия магнитного
поля с рабочей средой (процесс намагничивания) для идеальной
головки можно считать частотно-независимым [29]. Измерения по-
показывают, что намагничивание осуществляется в пределах времени
менее 10 не. Это подтверждается экспериментами по намагничива-
намагничиванию рабочей среды с помощью специальной головки короткими
импульсами. Изучение зависимости остаточной намагниченности
от длительности импульсов показывает, что с уменьшением длите-
длительности импульсов до 10 не форма кривой намагничивания не
изменяется. На лентах с материалом рабочей среды из y-Fe2O3 даже
с импульсами длительностью 1 не удается достичь уровня насыще-
насыщения намагниченности, т. е. можно считать, что граница верхних
частот процесса намагничивания выше 100 МГц.
Изучение картины магнитного поля в районе рабочей среды
показывает, что наряду с составляющей поля, направленной вдоль
ленты Нх> (рис. 8.1), у полюсных наконечников возникает соста-
составляющая, направленная поперек ленты, однако, учитывая, что
эта составляющая у разных полюсов головки имеет различные
знаки, ее участием в намагничивании движущейся рабочей среды
пренебрегают.
Предельные частоты сигнала изображения, который может быть
записан на магнитном носителе, определяются характеристиками
узла видеоголовка — лента. Механизмы записи в значительной сте-
степени аналогичны рассмотренным в § 7.2 механизмам формирования
изображения на экране кинескопа разлагающим элементом с рас-
распределением яркости L(x', у1). Если использовать аналитическое
представление функции Н(х') (рис. 8.1), то аналогично G.6), можно
получить переходную характеристику узла видеоголовка — лента.
236
На практике чаще используют частотные характеристики узлов
видеоголовка — лента и лента — видеоголовка. Рассмотрим про-
процесс считывания гармонического сигнала М,(х)=М1Ош2п—, запи-
санного со скоростью \ф и воспроизводимого со скоростью \ф.
Под действием генерируемого магнитного потока
Fs(t)=Fs0sinBnlXtx)vliat в обмотке видеоголовки воспроизведения
наводится ЭДС E,(t). С учетом (8.1) имеем
= - W—=F,0 W2nf,-^co&2nfst, (8.2)
d/ v',.
где W— число витков обмотки головки воспроизведения.
Обычно у;/л=у;/л; следовательно, (8.2) приобретает вид
E,(t)=Et0f,cos2nf,t, (8.3)
где Е,о=2п WFsq — амплитуда сигнала.
Видно, что при воспроизведении сигнала ЭДС на выходе голов-
головки пропорциональна не только амплитуде Е,о, но и частоте/j запи-
записанного сигнала. Вид частотной характеристики v(fs) узла видеолен-
видеолента— головка для рассмотренного случая приведен на рис. 8.2
сплошной линией. Возникающие частотные искажения сигнала из-
изображения устраняют с помощью цепей частотной коррекции с ли-
линейно падающей АЧХ в тракте усиления видеомагнитофона при
воспроизведении.
В реальной видеоголовке с шириной зазора «5 при воспроизведе-
воспроизведении возникают дополнительные искажения, подобные вносимым
апертурой коммутирующего пучка в процессе считывания потенци-
потенциального рельефа (см. § 3.5). Аналогично могут быть рассчитаны
апертурно-частотные характеристики узла лента — видеоголовка
для заданных параметров видеоголовки и ленты. Рассмотрим меха-
механизм формирования высокочастотной части этой характеристики
качественно [20].
Очевидно, что при Х„=8 амплитуда
сигнала воспроизведения Е]0=0, а при
значениях Xtx, соизмеримых с 8, амп-
амплитуда будет меньше, чем это следует
из (8.3). При увеличении частоты запи-
записанного сигнала ?,0=0 при всех к,х,
кратных 8, т. в.
гдеи-1, 2, 3,... . Рис. 8.2. Частотная «av^w
Сигнал будет достигать локальных «^ y^ вадеоголови - лен-
максимумов при та
237
*• (8.5)
С учетом (8.1), (8.4) и (8.5) можно определить частоты, на
которых сигнал воспроизведения будет достигать максимумов
и минимумов:
Jsmm — _ > Jsmu. —
25
(8.6)
Частотная характеристика узла лента — видеоголовка с учетом
(8.6), а также ряда факторов, влияющих на ее формирование (часто-
(частотные свойства материалов сердечника, ленты, условий контакта
лента — видеоголовка и др.), имеет вид, приведенный на рис. 8.2
штриховой линией.
При проектировании видеомагнитофонов рабочий диапазон ча-
частот записываемых сигналов выбирают в пределах до первого
минимума. Как видно из (8.6), максимально возможные частоты
воспроизводимого сигнала изображения определяются скоростью
у,/л и шириной зазора 8. Для уменьшения расхода ленты стремятся
уменьшить ширину зазора 8. Однако это ведет к резкому снижению
эффективности головки; имеется и технологический предел умень-
уменьшения 8. Следует также учесть, что действующая ширина зазора
определяется протяженностью магнитного шля, создаваемого го-
головкой в районе рабочей среды, и она несколько превышает значе-
значения 8 (см. рис. 8.1). Если максимальная частота записанного сигнала
Хшм» то на магнитном носителе ей соответствует, как следует из
(8.1), kxm*=VbidfsmMx- Для воспроизведения этого сигнала с помо-
помощью воспроизводящей видеоголовки с рабочим зазором 8 необ-
необходимо, чтобы по крайней мере выполнялось неравенство XJxtaia>8.
Следовательно, (yaiJfme)>S, a vVji> ?/,„»«, например при 8=\ мкм
и/шм=6 МГц, ув/л=6 м/с. С учетом искажений, вносимых в процес-
процессе записи, скорость у,/л должна быть выше: до 10... 12 м/с. Это слиш-
слишком высокая скорость для того, чтобы реализовать способ записи
и воспроизведения с линейным перемещением магнитной ленты от-
относительно головок, используемый в магнитофонах для записи и
воспроизведения звука, скорость ленты в которых составляет ул=
=4,53 см/с. Для получения требуемой относительной скорости (лен-
(лента — видеоголовка) используют построчную запись (воспроизведе-
(воспроизведение) вращающимися вкдеоголовками. При этом они перемещаются
в направлении, поперечном линейному движению ленты (рис. 8.3,
а).Скорость ленты ул не превышает скоростей, используемых в зву-
звукозаписи, в то время как линейная скорость видеоголовки v, уста-
устанавливается из приведенных выше условий. Нетрудно представить,
что в этом случае, подобно построению телевизионного растра, на
магнитном носителе формируются строчки (рис. 8.3, б). Строчки
записи располагаются поперек или наклонно по отношению к на-
направлению движения ленты. Таким образом, путем выбора соответ-
238
Рис. 8.3. Принцип поперечной видеозаписи (а)
и ее формат (б):
/ — лента, 2 — вндеогологаа, 3 — сигналы управ-
управления, 4 — режиссерская дорожи, 5 — протай ТВ
сигнала, 6 — эвуювая дорожка
ствующего значения va/jI решается проблема записи/воспроизведе-
записи/воспроизведения верхних частот сигнала изображения.
Существуют проблемы записи/воспроизведения низкочастотной
части спектра сигнала изображения. Искажения возникают на дли-
длинах волн, соизмеримых или превышающих размеры сердечника
видеоголовки в направлении движения ленты. Так, при воспроиз-
воспроизведении сигналов в области длин волн, соизмеримых с размерами
сердечника видеоголовки, магнитный поток в магнитопроводе
определяется не только намагниченностью участков, находящихся
непосредственно у рабочего зазора, но и смежными участками
ленты. Это вносит определенные искажения при воспроизведении.
Если же длины волн сигнала на магнитном носителе превышают
протяженность сердечника, то значительная часть магнитного пото-
потока рассеивается и участия в генерировании сигнала на выходе
видеоголовки не принимает. Эти процессы приводят к искажениям
частотной характеристики канала воспроизведения (записи) и ее
неравномерности в низкочастотной области (см. рис. 8.2).
Рассмотренные искажения в области высоких и низких частот
сигнала изображения относятся к волновым потерям. Они зависят
от магнитных и физико-механических свойств ленты, конструктив-
конструктивных и электрических параметров видёоголовок, а также способа
записи/воспроизведения.
Рассмотренные особенности записи/воспроизведения аналогово-
аналогового сигнала изображения привели к целесообразности преобразова-
преобразования спектра записываемого сигнала в область высоких частот путем
использования частотной модуляции сигнала изображения.
§8.2. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Динамический диапазон спектра частот сигнала изображения
d/ значительно превышает ширину полосы частот канала
магнитной записи/воспроизведения, ограничиваемую волновыми
239
потерями (например, для стандарта 625/50/2:1 он составляет
7,3 • 106/50=1,46 ¦ 105). Кроме того, в этой полосе частот в процессе
записи/воспроизведения не удается избежать паразитной амплитуд-
амплитудной модуляции сигнала, что приводит к заметным искажениям
изображения. В связи с этим вместо прямой записи сигналов изоб-
изображения используют запись частотно-модулированных (ЧМ) сиг-
сигналов. При этом удается устранить влияние амплитудных искаже-
искажений и согласовать частотные диапазоны записываемого сигнала
и канала записи/воспроизведения.
При определении относительной скорости видеоголовка — лен-
лента при записи ЧМ-сигналов необходимо учесть, что верхняя гранич-
граничная частота записываемого сигнала выше максимальной частоты
сигнала изображения /,ш. В устройствах частотной модуляции
приняты соотношения между этой частотой, несущей /0;и амп-
амплитудой отклонения частоты (девиацией)/д:/0»/,»/ти.
Рассмотрим преобразования сигнала изображения в процессе
записи/воспроизведения с использованием частотной модуляции
[29, 30].
При линейном отклонении частоты / модулированных колеба-
колебаний в процессе модуляции
О)=?0О4-СОд
(8.7)
Сигнал s(t) с частотой, изменяющейся в соответствии с (8.7),
s(t)~s0 cos
д
=s0 cos [oy+- sin (a)at+в)+<jt>],
(8.8)
где 6 и q> — начальные фазы модулирующего и несущего колеба-
Если не учитывать начальные фазы колебаний 6 ш ф и также
обозначить отношение (oj<o, через т (индекс модуляции), то выра-
выражение (8.8) приобретет вид
=s0 [cos wot cos (m sin ш,/) - sia cu0 / sin (m sin oy)].
Представим вторые сомножители в (8.4) в виде рядов:
cos (т sin (oj)=/0 (т)+2 J Зъ (т) cos 2и со,*,
со , -'
sin (m sin (ott)=2 ]Г J^-i (m) sin Bл - 1)со,/,
я-1
где Jk(tn) — функция Бесселя Jt-ro порядка.
240
Соотношение (8.9) примет вед
s(t)-s0[J0(m)cos(o0t+
и-1
во
+cos[o>0-2л ©,]/} + ? /2,,_,(m){cos[QH+B«-l)a)J/-
-cos[w0-Bn- l)o>Jf}j.
Из полученного соотношения видно, что сигнал s(t) представля-
представляет собой сумму компонентов с частотами (<а0±п(о,) и несущей
с частотой ш0. Амплитуды несущей частоты — s0J0(m), а боковых
составляющих — s0 /„(m). При малых индексах модуляции т амп-
амплитуды боковых составляющих высших порядков малы по сравне-
сравнению с амплитудой смодулированного колебания s0J0(m). При
т=0,1 /0=0,99750..., /х=0,04993..., J2=0,00124..., /3=0,00002....
Так как в общем случае спектр сигнала изображения отличается
от гармонического, то спектр ЧМ -сигнала получается более слож-
сложным. Анализ такого спектра достаточно сложен, в связи с чем ог-
ограничимся определением максимальных отклонений частотно-мо-
частотно-модулированного колебания от несущей частоты соо. Очевидно, ШгР=
«(Юо+со^+О),^ иж/гр=(^0±/д)±/ямх. Например, ftmn=6,0 МГц,
/и=0,125 (^=0,75 МГц),/0=8,5 МГц — граничные частоты спектра
=/о-/д-/лп«=1,75 Mr4,/rpmtI=/0+A+/JinM=15,25 МГц.
Если сигналу с частотой/гргам на носителе будет соответствовать
Л-рлтт=У,/л//грти, то при воспроизведении видеоголовкой с рабочим
зазором 8 необходимо выполнить условие Агртш>Л т. е.
(vB/JI/^pniM)>5. Следовательно, ya^>6fT9mu. При 8-1 мкм
и/Грпш= 15,25 МГц у,/л> 15,25 м/с. С учетом неизбежных искажений,
вносимых видеоголовкой при записи, эта скорость должна быть
выше. Вместе с тем следует отметить, что при использовании
высокоточной технологии и металлизированного рабочего слоя
удается получить минимальную длину волны записи 0,6... 0,4 мкм.
В устройствах видеозаписи, как видно из приведенного примера,
не выполняются условия/0»fiBm ^fu»fima. Это связано со стремле-
стремлением получить возможно меньшее значение/rpmu — частоты, опре-
определяющей требуемую скорость записи. В этом состоит отличие
параметров устройств частотной модуляции, используемых в ви-
видеозаписи (низкая несущая частота, малый индекс модуляции), от
параметров аналогичных устройств, применяемых в радиосвязи
и других системах передачи информации. Это приводит к появле-
появлению заметных помех, которые характерны для всех устройств ча-
частотной модуляции, но при малых т (в устройствах видеозаписи/во-
видеозаписи/воспроизведения) возникает перекрытие спектров ЧМ-сигнала и сиг-
сигнала изображения и это ведет к появлению характерных помех
241
в виде посторонних узоров («муара»). Такие помехи называют
комбинационными. Особенно велики эти помехи при записи/воспро-
записи/воспроизведении сигналов цветного телевидения, для которых характерно
наличие в высокочастотной части сигналов цветовой поднесущей
с большой амплитудой (см. § 6.1). Часть нижних боковых компонен-
компонентов и их гармоники попадают в полосу пропускания фильтра ниж-
нижних частот демодулятора, что приводит к комбинационным искаже-
искажениям.
Наряду с отмеченной к возникновению комбинационных искаже-
искажений приводят наличие «отраженных» нижних боковых компонентов
ЧМ-сигналов и нелинейность тракта магнитной записи.
Проанализируем механизмы появления «отраженных» нижних
боковых компонентов [29]. Нижнему боковому компоненту л-го
порядка u,cos(u>0—лев,) при еои=й>о—по),<0 в спектре сигнала будет
соответствовать составляющая с частотой п(о,—а>0, так как
$,cos (о)о—лй),)=5исо8(лсо,—о)о). После демодуляции в сигнале изоб-
изображения она проявится как помеха с частотой, равной разности
между йH и частотой лю,-й>0, т. е. а)ия=а)о-па)г+а)о=2а)о-псо,
или/ия=2/0-лХ. Эту помеху называют «отраженной» или «зеркаль-
«зеркально отраженной от нуля». На рис. S.4 штриховыми линиями показа-
показаны составляющие/0-2f,<0',fo-3fs<0 и соответствующие им «от-
«отраженные» от нуля 2ft—f0 и 3ft-f0, а также огибающая спектра,
включая «отраженные» компоненты.
Уровень помех на выходе демодулятора определяется амплиту-
амплитудой «отраженных» боковых. Амплитуда и частота их зависят от
параметров модуляции и состава сигнала изображения. На выходе
демодулятора используют фильтр нижних частот для подавления
сигналов несущей частоты с полосой пропускания, определяемой
полезным сигналом. Паразитные составляющие, выходящие за по-
полосу пропускания этого фильтра, будут подавляться. Для повыше-
повышения эффективности подавления паразитных составляющих, возника-
возникающих при частотной модуляции с низкой несущей, используют
преобразования спектров, в частности перенос спектра ЧМ-сигнала
в низкочастотную область при модуляции и высокочастотную при
демодуляции (модуляторы с гетеродинированием). Это позволяет
использовать фильтры для более эффективного разделения полез-
полезного сигнала и помехи [30].
Нелинейность тракта магнитной записи (в основном узлов ви-
видеоголовка — лента, лента — видеоголовка) приводит к возникно-
возникновению дополнительных гармоник спектра, попадающих после демо-
демодуляции в полосу частот сигнала. Цепь с нелинейной амплитудной
характеристикой может быть представлена зависимостью [29].
*иа=Я1.*„+а2^+вз^+ -. (8.11)
где av аг,... — постоянные коэффициенты, зависящие от степени
нелинейности.
242
Если sM=s0cos(Ogty то в соответствии с (8.11) при ах -
Sna~~ •
2 4
При подаче на вход частотно-модулированного сигнала (8.9)
*+ *2 *0«>в In B/0 +
имеем
где k{ — постоянные коэффициенты.
Видно, что наряду с исходным ЧМ-сигналом появляются вто-
вторая, третья и более высокие гармоники /0, промоделированные
сигналом с частотой /„ но с двойной, тройной и более высокими
кратностями девиации. Пусть фильтр нижних частот частотного
детектора имеет верхнюю границу /щщ. На выходе такого фильтра
появится сигнал, если спектр ЧМ-сигнала включает/0 и симметрич-
симметричные боковые частоты, определяемые (8.10), или составляющие с ча-
частотами /<>-/,</"</o+/j (однополосная модуляция с/,=|/-/|). Ес-
Если амплитудная характеристика имеет нелинейность 3-го порядка,
то, как видно из (8.12), это приведет к появлению гармоники 3/0.
Нижние боковые частоты 3/0 попадут в полосу пропускания
фильтра нижних частот, если 3/0-л/, </<>+/„ т. е. при нижней
спектральной составляющей порядка л^2/0//,-1. Амплитуда ее
при прочих равных условиях определяется постоянным коэффици-
коэффициентом къ [см. (8.12)]. Качественно появление гармоники частоты 3/0
в спектре сигнала изображения иллюстрируется на рис. 8.5. Если
полоса пропускания канала соответствует faa, то это приводит
к подавлению части компонентов третьей гармоники 3fo-fn
3fo+fn... (показаны штриховыми линиями), за исключением не-
нескольких нижних боковых составляющих 3fo-3fn... (компоненты
третьей гармоники указаны жирными линиями). Компоненты, по-
попадающие в полосу канала 0-/ш„, создадут помеху после демоду-
Помехи:Bfs-f0), Cfs-f0)
Рис. 8.4. К образованию «зеркально от-
отраженной» помехи
Рис. 8.5. К образованию помех, вы-
вызванных нелинейностью амплитуд-
амплитудных характериствк
243
ляции ЧМ-сигнала. Наибольший вклад в формирование такой по-
помехи вносит, как правило, цветовая поднесущая телевизионного
сигнала.
Проявление на изображении помех, вызванных нелинейностью
амплитудных характеристик, зависит не только от степени ограни-
ограничения полосы пропускания, но и характера неравномерности амп-
амплитудно-частотной характеристики канала.
Отмеченные особенности канала преобразования ЧМ-сигналов
рассмотрены на примере гармонических сигналов. В реальных усло-
условиях преобразования полного цветного телевизионного сигнала
процессы и их анализ носят более сложный характер [29, 30].
Структурная схема ЧМ-канала записи/воспроизведения приведе-
приведена на рис. 8.6. Сигнал изображения sn после введения предыскаже-
предыскажений поступает на ЧМ-модулятор. С его выхода ЧМ-сигнал поступа-
поступает на усилитель, обеспечивающий формирование тока, пропорци-
пропорционального входному напряжению. Через коммутатор запись/восп-
запись/воспроизведение ток /ДО через коммутатор видеоголовок и согласу-
согласующее устройство (на схеме не показаны) поступает на видеоголов-
видеоголовки, работающие в режиме записи. В режиме воспроизведения сигнал
после коммутатора запись/воспроизведение подается на корректор
АЧХ, осуществляющий коррекцию подъема АЧХ, возникающего
в результате дифференцирующего эффекта видеоголовки в режиме
воспроизведения. Далее следует фильтр ЛПХ с линейно падающей
АЧХ и линейной фазовой характеристикой для компенсации часто-
частотных искажений, отраженных в соотношении (8.3). Демодулятор
ЧМ-сигнала включает ограничитель. Фильтр нижних частот обес-
обеспечивает селекцию сигнала изображения и устранение высокоча-
высокочастотных компонентов сигнала. После компенсации предыскажений,
вносимых в канале записи (коррекция предыскажений), формирует-
формируется сигнал изображения s,m.
Приведенная структурная схема поясняет преобразования ЧМ-
сигнала в процессе записи/воспроизведения. Реальные схемы значи-
Предыска-
Предыскажения
ЧМ-моду-
ЧМ-модулятор
Усили-
Усилитель
тона
Коммутатор
запись/доспроизд.
Узел
бидеоголодок
%/х
коррекция
предыска-
предыскажений
ФНЧ
Демоду-
Демодулятор
>
Фильтр
ЛПХ
Коррек-
Корректор АЧХ
Рис. 8.6. Структурная схема каналов записи и воспроизведения
244
тельно сложнее и содержат ряд устройств, обеспечивающих форми-
формирование сигнала изображения с высоким отношением сигнал/поме-
сигнал/помеха (модуляторы с гетеродинированием, схемы автоматической под-
подстройки частоты, соответствующей уровню гашения, схемы коррек-
коррекции гистерезисных потерь видеоголовки и др.).
§8.3. ОБРАБОТКА СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ
Сигнал изображения, полученный на выходе демодулятора, со-
содержит ряд искажений, возникающих в процессе записи/воспроиз-
записи/воспроизведения. К ним относят искажения временного масштаба, выпаде-
выпадения, импульсные и другие помехи. Некоторые искажения связаны со
спецификой используемой системы кодирования сигналов цветного
изображения (NTSC, PAL, SECAM и др.).
К числу источников временных искажений воспроизводимого
сигнала относят непостоянство фазы и скорости видеоголовка —
лента в процессе записи/воспроизведения. Первичными причинами
этого являются нестабильность скорости вращения диска с видеого-
видеоголовками, износ головок, эксцентриситет диска с головками, измене-
изменения натяжения ленты и др. Эти искажения приводят к изменению
длительности строк относительно Т„ определяемой периодом опор-
опорных синхросигналов. Длительность реальной строки, формируемой
видеомагнитофоном, следует считать ГХ±АГХ(/). Значение ЬТХ
может быть постоянным (постоянное отличие скорости Уф от
требуемой) или переменным. В последнем случае частоты из-
изменения длительности строк, как правило, низкие и составляют
30...50 Гц.
Проявление этих искажений в процессе воспроизведения изоб-
изображения зависит от способа синхронизации. При использовании для
этих целей опорных синхроимпульсов и сигнала изображения с вы-
выхода видеомагнитофона будут наблюдаться покачивания изображе-
изображения или искажения его геометрии. Бели синхронизация осуществля-
осуществляется регенерированными синхроимпульсами с выхода видеомагни-
видеомагнитофона (замкнутые ТВС), то искажения незаметны в пределах «за-
«захватывания» этими синхросигналами генератора строчной разверт-
развертки (обычно это изменения частоты строк в диапазоне ±0,01 от
номинала; при передаче статических изображений, а также в систе-
системах цветного телевидения этот диапазон еще меньше [29]). Высокие
требования по стабильности временных параметров формируемого
сигнала изображения предъявляются к студийной и другой профес-
профессиональной аппаратуре видеозаписи.
Уменьшение временных искажений осуществляют с помощью
механических систем автоматического регулирования скорости лен-
ленты (САР — СЛ) и системы автоматического регулирования скоро-
скорости диска с видеоголовками (САР —СД). В профессиональной
аппаратуре эти системы обеспечивают стабилизацию временных
интервалов в пределах 0,1 мкс.
245
Для восстановления исходного временного масштаба телевизи-
телевизионного сигнала используют электронную коррекцию временных
искажений. Основным достоинством электронных методов коррек-
коррекции временных искажений по сравнению с электромеханическими
является их быстродействие. Принцип действия корректоров ос-
основан на использовании цифровой памяти на время строки или
нескольких строк, в необходимых случаях — на время поля. Кор-
Корректор управляется опорными сигналами. Временное управление
задержкой сигналов, соответствующих отдельным элементам, по-
позволяет компенсировать искажения временных интервалов. Время
задержки должно изменяться по закону, обратному временным
искажениям. Величина временных искажений определяется путем
фазового сравнения положений воспроизводимых и опорных им-
импульсов. Корректоры временных искажений обладают широким
диапазоном коррекции и точностью, удовлетворяющей требовани-
требованиям систем цветного телевидения [2, 30]. Принципы построения
устройств, минимизирующих временные искажения сигналов
(САР — СД, САР — СЛ), и корректоров этих искажений широко
освещены в литературе, а сами устройства постоянно совершенст-
совершенствуются.
Дефекты рабочего слоя ленты (нарушение контакта лента — ви-
видеоголовка и другие факторы), влияющие на амплитуду ЧМ-сиг-
нала в процессе воспроизведения, могут привести к заметным ис-
искажениям изображения. При амплитуде ЧМ-сигнала ниже опреде-
определенного уровня сигнал изображения на выходе демодулятора может
отсутствовать (возникают паузы, заполненные шумами). Такие ис-
искажения называют выпадениями сигнала.
Для уменьшения видности дефектов, вызванных выпадениями,
пораженный сигнал можно заменить сигналом соответствующего
участка смежных строк. Такая замена дает хорошие результаты.
Принцип компенсации выпадений в устройствах видеозаписи черно-
белого сигнала изображения иллюстрируется на рис. 8.7. Демодули-
рованный сигнал изображения sK поступает на запоминающее
устройство с временем задержки,
равным Тх. В том случае, если амп-
амплитуда ЧМ-сигнала в течение мини-
минимально допустимого времени B ...
3 мкс) не превышает заданного по-
порогового уровня, на выходе обнару-
обнаружителя выпадений формируется сиг-
сигнал управления электронным пере-
переключателем. В положении 2 на вы-
выход поступает сигнал изображения
с выхода запоминающего устрой-
устройства— сигнал предыдущей строки
изображения. Такая схема обеспечи-
Переключатель
shiDf0
Рис. 8.7. К принципу компенсации
выпадений сигналя
246
вает компенсацию выпадений длиной до нескольких строк (сигналы
всех пораженных строк заменяются сигналом последней неискажен-
неискаженной строки).
В системах цветного телевидения используют более сложные
алгоритмы компенсации выпадений. Например, в системе SECAM
при выпадении сигнала i-й строки его заменяют сигналом (i—2)-й
строки, что соответствует чередованию цветоразностных сигналов
в растре. Известны и другие способы компенсации выпадений
в устройствах цветной видеозаписи [2].
Коррекция сигналов изображения не ограничивается указанны-
указанными процедурами. В канале сигнала изображения реализуется ряд
других алгоритмов обработки, направленных на улучшение качест-
качества воспроизводимого изображения (ослабление модуляционного
шума, вызванного объемными и поверхностными неравномерностя-
ми рабочего слоя, устранение помех, вызванных проникновением
ЧМ-сигнала в канал усиления сигнала изображения, коррекция
частотных искажений и др.).
§8.4. ФОРМАТЫ ВИДЕОЗАПИСИ
Техника видеозаписи находится в состоянии постоянного совер-
совершенствования и обновления, однако ряд фундаментальных основ
заложены в созданных устройствах и стандартизованы в виде фор-
форматов записи. Формат записи — это система расположения на по-
поверхности рабочего слоя магнитной ленты серии строчек и дорожек,
сохраняющих информацию о записанных телевизионных и других
сигналах. Формат записи определяет технологию записи и считыва-
считывания информации.
Совершенствование форматов записи подчинено решению глав-
главных задач — повышению качества воспроизводимого изображения
и сокращению расхода носителя (ленты).
Поперечно-строчной формат [29]. В этом формате используют
широкую ленту E0,8 мм) и диск с четырьмя головками, ось враще-
вращения которого совпадает с направлением движения ленты (см. рис.
8.3, а). Видеоголовки записи/воспроизведения находятся в одной
плоскости и сдвинуты друг относительно друга на 90°. Для плот-
плотного прилегания ленты к вращающимся головкам имеется направ-
направляющая, формирующая каноэобразную форму ленты в районе дис-
диска с видеоголовками. Дуга контакта ленты с видеоголовками со-
составляет ф= 111°. Для записи телевизионного сигнала используется
дуга в 101°. Диск с видеоголовками делает 15000 об/мин. При
радиусе траектории движения рабочей поверхности видеоголовок
26...27 мм относительная скорость видеоголовка — лента
у^я=41,27 м/с. Это соответствует установленным в § 8.3 требовани-
требованиям к скоростям записи. При стандарте 625/50/2:1 за одно поле диск
делает пять оборотов, т. е. четыре головки записывают 20 строчек.
Такую запись называют сегментной (см. рис. 8.3, б). В каждой
24?
строчке записи представлена 1/м поля, т. е. 15,625 строки растра.
Одна телевизионная строка длительностью Г*=64 мкс занимает на
ленте 2,64 мм. Скорость ленты уд=397 мм/с, что приводит к на-
наклону строчек записи по отношению к краю ленты 90°33'. Средняя
ширина строчки записи 252,5 мкм, межстрочного промежутка —
144,5 мкм. Переключение видеоголовок в процессе записи и во-
воспроизведения осуществляется во время строчного гасящего ин-
интервала.
На периферии ленты расположены звуковая и режиссерская до-
дорожки, а также дорожка для записи сигналов управления (см. рис.
8.3, б). Электромеханическая часть включает подающую и прием-
приемную кассеты с устройством регулировки натяжения ленты, стира-
стирающие головки канала изображения, вакуумную направляющую для
обеспечения контакта ленты с видеоголовками, головки записи/вос-
записи/воспроизведения звука, сигналов управления и режиссерских сигналов,
а также соответствующие стирающие головки. Видеомагнитофон
включает устройства автоматики САР — СД, САР — СЛ и др.
К форматам записи, используемым в профессиональной аппара-
аппаратуре, относят форматы В и С с наклонно-строчной структурой
записи [31]. Однако форматы с наклонно-строчной структурой на-
нашли наибольшее распространение в полупрофессиональных и быто-
бытовых видеомагнитофонах. К ним относят форматы VHS (Video Home
System), Betamax и формат V 2000. Отличительная особенность этих
форматов состоит в том, что благодаря наклону строчке записи
удается на каждой строчке записать полный полукадр, что имеет
ряд достоинств. Одним из них является простота реализации режи-
режима стоп-кадра (путем остановки ленты: ул=0). Принцип наклонно-
строчной записи и картина расположения строчек на магнитном
носителе на примере формата L «Beta» приведены на рис. 8.8.
Лента, имеющая ширину 12,65 мм, размещается в стандартной
кассете, а при прохождении через блок видеоголовок принимает
форму П-петли со смещением вдоль оси вращения примерно на
ширину ленты. Так как видеоголовки вращаются в горизонтальной
плоскости, строчки на ленте располагаются наклонно (в формате L
«Beta» 0=4,6841°). На каждой строчке записывается сигнал изоб-
изображения, соответствующий одному полю, причем сигналы яркости
Ej и цветности Ес записываются разными видеоголовками Ye С,
которые смещены одна относительно другой в направлении оси
вращения на А=78 мкм, а по углу в плоскости вращения на
/7=6,767°. Ширина строчек яркостного сигнала в этом формате 86
мкм, цветности 73 мкм, межстрочного промежутка около 5 мкм. За
один оборот диска записывается полный кадр (два поля), так как
используются две видеоголовки У и две С Сигналы цветности
записывают с временной компрессией и мультиплексированием
ER_j и ?д_г в общий канал С.
Для уменьшения проникновения сигналов из канала в канал
рабочие зазоры видеоголовок яркости и цветности развернуты на
248
угол <х= ± 15° (рис. 8.8, б). Разворот рабочих зазоров при записи
соседних строчек широко используют и в других форматах записи.
Он приводит к тому, что направление намагниченности изменяется
от строчки к строчке на величину 20. При воспроизведении «своей»
строчки ориентация намагниченности совпадает, в то время как
влияние намагниченности соседней строчки в высокочастотной об-
области существенно ослабляется. Неизбежное увеличение эффектив-
эффективной ширины зазора 8 незначительно — даже при <х= 15° оно состав-
составляет около 3,5%. Для уменьшения влияния соседних строчек ис-
используют и другие меры, к числу которых можно отнести ком-
коммутацию фазы или частоты поднесущей сигналов, записываемых
разными головками, и др. В формате L «Beta» скорость ленты
уя= 101,41 мм/с, а скорость лента — видеоголовка у,/л=5,752 м/с.
Для осуществления электронного монтажа, т. е. соединения
различных фрагментов видеозаписей, две стирающие головки раз-
размещены непосредственно на диске видеоголовок, что позволяет
осуществлять точную стыковку кадров последующих записей
с предыдущими.
Широкому распространению устройств видеозаписи в бытовой
аппаратуре способствовало введение ряда технических решений,
обеспечивающих высокую технологичность, существенное снижение
расхода магнитной ленты, простоту обслуживания и приемлемое
качество воспроизводимого цветного изображения. В вндеомагни-
8
Рис. 8.8. Принцип наклонно-строчной вндеозашсн (в); фор-
формат L «Beta» (б):
J—стирающая головка, 2—видеоголовга С, 3 — ввдеоголовю У»
4—пипл, 5 —рабочий зазор видаоголовш, б—орочи С, 7—
стронет Y, 8—эвуювые дорожи
249
тофонах этого типа уменьшена ширина строчек записи и устранены
межстрочные промежутки. Считывание производится видеоголов-
видеоголовкой с рабочим зазором, длина которого больше, чем ширина строч-
строчки, т. е. при воспроизведении захватывается часть соседней или
части двух соседних строчек. При записи краем рабочего зазора,
захватывающим часть предыдущей строчки, обновляется запись на
этих участках информации, содержащейся в сигнале текущей строч-
строчки. Подавление мешающего действия сигналов смежных строчек
при воспроизведении производится за счет разворота рабочих зазо-
зазоров видеоголовок на угол а (обычно используются две видеоголов-
видеоголовки, установленные на диске под углом 180°). Для уменьшения
заметности помех скорость видеоголовка — лента выбирают такой,
чтобы синхроимпульсы на смежных строках записи располагались
друг под другом. Снижению заметности помех от соседних строчек
записи способствует то, что изменение содержания изображения от
строки к строке растра чаще всего незначительно. Используют
и другие способы снижения помех от соседних строчек, например
при записи фаза поднесущей сигнала цветности PAL и NTSC в каж-
каждый период строчной развертки смещается на +90°. При воспроиз-
воспроизведении сдвиг фаз происходит в обратном направлении, а воз-
возникающие помехи подавляются гребенчатым фильтром с временем
задержки на одну строку. При записи сигнал цветности с помощью
полосового фильтра выделяется из полного сигнала изображения
и переносится в область более низких частот. Это делается для того,
чтобы осуществить коррекцию искажений при воспроизведении,
возникающих из-за неравномерности скорости движения ленты
и частоты вращения видеоголовок, из-за различия этих параметров
в разных видеомагнитофонах и деформации ленты. Например, если
в исходном сигнале изображения сигнал цветности занимает спектр
D,43 ±0,5) МГц, то после гетеродинирования и выделения с помо-
помощью фильтра нижних частот он имеет спектр @,626953 ± 0,5) МГц.
В бытовых видеомагнитофонах используют некоторое сокращение
полосы частот по каналам яркости
и цветности.
В качестве примера рассмотрим не-
некоторые характеристики распространен-
распространенного формата VHS [29]. В таких видео-
видеомагнитофонах используется лента ши-
шириной 12,65 мм в стандартной кассете
(например, европейского типоразмера
Е-180, которая вмещает 258 м ленты
и обеспечивает трехчасовую запись в си-
системах PAL или SECAM). Расположение
дорожек и строчек записи приведено на
Рис> 8 ^ ^ят2л изображения записыва-
стся двумя видеоголовками, находящи-
МИСЯ В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ ПОД уГЛОМ 180°
9- Ргрупу^н« запия
2-
строчш тв айвам, з -мужоиые
дорожга
250
ФНЧ
Полосовой
фильтр
¦*¦
чм
модулятор
ФвЧ
Преобразо-
Преобразователь
частоты
ФНЧ
*¦
I
i
i
Усилитель
тока
Генератор
Рис. 8.10. Структурная схема канала записи
на диске диаметром F2+0,01) мм. Частота вращения диска с видео-
видеоголовками 1500 об/мин. Рабочие зазоры развернуты под углом
а= ±6°. Для уменьшения заметности межстрочной помехи исполь-
используют также коммутацию фазы с учетом особенностей использу-
используемого стандарта. Каждая видеоголовка записывает одно поле изоб-
изображения; следовательно, за один оборот диска записывается пол-
полный телевизионный кадр. Видеоголовки переключаются сигналом
датчика оборотов. Угол контакта диска с лентой несколько превы-
превышает 180°. Угол наклона строчек записи к краю ленты 0=5°57 50,3*
скорость ленты уя=2,339 см/с, скорость видеоголовка — лента
у«/д=4,84 м/с. Основные элементы канала обработки сигнала изоб-
изображения в процессе записи представлены на рис 8.10. Яркостный
сигнал через фильтр низких частот (ФНЧ) с полосой 0...3 МГц
подается на частотный модулятор, затем через фильтр верхних
частот (ФВЧ), сумматор ? и усилитель тока записи подводится
к видеоголовкам. Сигнал цветности выделяется полосовым
фильтром с полосой 3,1...4,1 МГц. С помощью генератора, частота
которого 43 МГц, и преобразователя этот сигнал переносится
в низкочастотную область и через фильтр (ФНЧ) с полосой 0Д...1Д
МГц поступает на смеситель и далее в устройство записи. Преоб-
Преобразования спектров сигналов яркости и цветности иллюстрируются
на рис. 8.11. Частотный диапазон ЧМ-сигнала, подводимого к ви-
видеоголовкам, отмечен штриховкой.
В видеомагнитофонах формата Betamax используют ленту ши-
шириной 12,65 мм. Сигнал изображения записывают двумя видеого-
видеоголовками. Диаметр диска G4,48 ± 0,01) мм, что при частоте вращения
1500 об/мин приводит к возможности расширения полосы частот
яркостного канала до 5,2 МГц. Построение канала изображения
аналогично используемому в видеомагнитофонах формата VHS.
Для подавления помех смежных строчек используется сдвиг подне-
поднесущей сигнала цветности в смежных строчках записи.
Стремление к сокращению расхода ленты привело к созданию
«двухдорожечных» форматов. К ним относятся формат V 2000 [31].
251
fc=0,626953МГц
3,6 МГц
т
I
3.8МГЦ 4,8МГц
О 1 2 3 Г'У
а)
I
0 12 3 Г'ЪЯ
S)
Рис. 8.11. Спеггры сигналов PAL (в) и SECAM (б)
в канале записи
Расход ленты по сравнению с форматом VHS меньше на 42%. Это
достигнуто благодаря уменьшению ширины строчек записи до 22,6
мкм. Минимальная длина волны записи 0,9 мкм. Две видеоголовки,
расположенные под углом 180° на диске диаметром 65 мм, обес-
обеспечивают «двухдорожечную» запись: одна дорожка — на нижней
половине ленты, вторая — на верхней, для чего применяют ревер-
реверсирование направления движения ленты. Структура записи подобна
рассмотренным в устройствах с наклонно-строчной записью, но
занимает половину ленты по ее ширине. Рабочие зазоры видеоголо-
видеоголовок развернуты на угол а= ±15°. Угол наклона строчек 0=2,635°.
Скорость ленты va=2,441 см/с, скорость видеоголовка — лента
Чф=5,% м/с. Обработка сигналов изображения аналогична исполь-
используемой в других форматах.
Бытовые видеомагнитофоны, как правило, имеют элементы сог-
согласования, обеспечивающие их работу в любом из стандартов
SECAM, PAL, NTSC.
Специфическую структуру имеют видеомагнитофоны, использу-
используемые в малогабаритных видеокамерах для видеожурналистики. Эти
устройства (камкордеры) конструктивно объединяют телевизион-
телевизионную камеру и малогабаритный видеомагнитофон. Наиболее эффек-
эффективно в таких устройствах используется компонентная запись сиг-
сигналов: раздельная запись непосредственно яркостного сигнала Ег
и сигналов цветности DR, DB на смежных строчках. В этом случав
спектр яркостного сигнала при записи ограничивается полосой ча-
частот, воспроизводимых видеомагнитофоном, а спектр сигналов цве-
цветности практически не искажается. Примером такого способа запи-
записи является формат Betacam (фирма «Sony», Япония). Структура
блока видеоголовок аналогична приведенной на рис. 8.8, а. В канал
Y поступает сигнал Ег. В канал С поступают уплотненные во
времени сигналы DR, DB. Процессы временного преобразования
сигналов DR, DB поясняются на рис. 8.12, а. Подвергнутые времен-
временному сжатию сигналы DR, DB в течение времени Тх записываются
видеоголовкой С. Временное преобразование сигналов производят
с помощью модулей памяти на ПЗС-элементах (при записи выборки
252
Уп
Yn*l 1 Уп+2 1
Рис. 8.12. К принципу записи
в формате Betacam
Уп*
%
\*a(»-2)
Рис. 8.13. Сгрупура записи
в формате Betacam:
1 — дорожжа адресного кода,
6) 2— дорожжа сигналов управле-
управления, 5 —звуковые дорожи
сигналов вводятся в устройство памяти с частотой дискретизации
/3, а при считывании — с частотой, в два раза более высокой:
/с=2/3.) Так как используется двукратное сжатие, спектры цветора-
цветоразностных сигналов расширяются в два раза. При воспроизведении
производят обратное преобразование цветоразностных сигналов
(рис. 8.12, б). Временные сдвиги яркостного и цветоразностных
сигналов устраняются с помощью модулей памяти в процессе запи-
записи и воспроизведения. Расположение строчек и дорожек записи для
формата Betacam приведено на рис. 8.13. Скорость у,/л=5,7 м/с,
уя =10,15 см/с. Рабочие зазоры видеоголовок развернуты на угол
а=±15°. Угол наклона строчек записи составляет 0=4,68°. Два
телевизионных полукадра записываются за один оборот диска с ви-
видеоголовками.
Временное уплотнение сигналов изображения позволяет реали-
реализовать компонентную видеозапись на одну дорожку с помощью
одной видеоголовки. Для этого уплотняют не только цветоразност-
ные сигналы, но и яркостный, что приводит к сокращению времени
передачи сигнала EYi и освободившуюся часть строчки используют
для записи уплотненных сигналов DR и DB.
Сжатие сигнала во времени расширяет его спектр, что, есте-
естественно, увеличивает трудности его записи. Для того чтобы ми-
минимизировать неизбежное расширение спектра яркостного сигнала,
используют запись с помощью двух видеоголовок с частичным
неравномерным сжатием всех трех сигналов (EY, DR, DB) и оп-
оптимизацией записи по обеим дорожкам. Такой способ записи при-
применен в системе Lineplex. Использование рассмотренных временных
253
преобразований сигналов приводит к повышению качества воспро-
воспроизводимого изображения.
Принципиальным недостатком всех рассмотренных аналоговых
способов видеозаписи является их способность накапливать искаже-
искажения при многократной перезаписи. Качество формируемого изоб-
изображения резко ухудшается с увеличением числа перезаписей (ухуд-
(ухудшается отношение сигнал/шум, увеличиваются посторонние узоры,
увеличивается спад АЧХ в области высоких частот и др.)- Вместе
с тем в условиях монтажа видеопрограмм возникает необходимость
многократной перезаписи видеофрагментов. Полное исключение
или существенное уменьшение эффекта накопления искажений до-
достигается в устройствах цифровой видеозаписи.
При проектировании устройств цифровой видеозаписи необходи-
необходимо выбрать метод кодирования аналоговых сигналов (кодирование
источника с целью сокращения цифрового потока), метод записи,
код записи (канальный код), способы коррекции или компенсации
ошибок воспроизведения. В устройствах видеозаписи можно подве-
подвергать первичному кодированию полный телевизионный сигнал или
отдельные его составляющие (сигналы яркости и цветности). Для
кодирования полного телевизионного сигнала применяют 8- (фор-
(формат Д1) или 10-битовое (формат Д5) квантование. При частоте
дискретизации/д=4/с даже в первом случае цифровой поток при
записи цифровой информации составляет с=141,8 Мбит/с. Регист-
Регистрация такого большого цифрового потока требует существенного
увеличения поверхностной плотности записи. Поверхностная плот-
плотность определяется как продольной плотностью записи (в формате
D5 минимальная длина волны записываемого сигнала А, «0,71
мкм), так и поперечной (шаг дорожки до 18 мкм). При цифровой
компонентной записи четырьмя записывающими головками, уста-
установленными на диске, вращающемся с частотой 100 об/с, удается
осуществить запись на ленте шириной 12,65 мм.
В некоторых типах цифровых видеомагнитофонов перед запи-
записью используют скремблирование для устранения влияния измене-
изменения постоянной составляющей в сигнале канального кода, а также
для маскирования некоторых ошибок, возникающих в процессе
записи/воспроизведения. Скремблирование обеспечивает уменьше-
уменьшение вероятности появления длинных последовательностей нулей
или единиц. Осуществляется скремблирование суммированием по
модулю 2 кода с псевдослучайной последовательностью. Уменьше-
Уменьшение видности помех в этом случае связано с тем, что в результате
скремблирования перед записью происходит перемешивание сосед-
соседних кодовых посылок и они, следовательно, записываются на до-
достаточно удаленных друг от друга участках ленты.
Общая структурная схема канала изображения цифрового видео-
видеомагнитофона приведена на рис. 8.14 [31]. Аналоговый телевизион-
телевизионный сигнал с помощью АЦП преобразуется в цифровой, который
254
АЦП
> Кодер
Скрем-
олер
Кодер
канала
Усилитель
записи
Временных 4
искажений
Декодер
канала
Детек-
Детектор
Коррек-
торШ
_ Ьескрен-
блер
>
Декодер
Коррек-
щптх
ЦАП
Усилитель
Воспроизведения
Рис. 8.14. Структурная схема канала изображения цифрового ви-
видеомагнитофона
подвергается помехоустойчивому кодированию, скремблированию
и канальному кодированию. Назначение канального кодирования
состоит в согласовании записываемой информации с характеристи-
характеристиками узла записи/воспроизведения. Усилитель записи формирует
ток головки записи. Если используется многоканальная запись, то
распределение по каналам производится до скремблера.
В режиме воспроизведения с выхода усилителя сигнал поступает
на корректор АЧХ и детектор, на выходе которого формируется
сигнал в форме прямоугольных импульсов. Далее сигнал поступает
на декодер, преобразующий канальный код в исходный, корректор
временных искажений (выполняется на базе модуля памяти, считы-
считывание сигналов из которого производится синхронно с опорными
импульсами синхрогенератора). Цифровой сигнал поступает на де-
скремблер и декодер. Коррекция помех (выпадений и др.) осуществ-
осуществляется в устройстве маскирования ошибок. Аналоговый телевизи-
телевизионный сигнал формируется в ЦАП.
Техника цифровой видеозаписи находится в состоянии постоян-
постоянной оптимизации и усовершенствования.
§8.5. ОПТИЧЕСКАЯ ВИДЕОЗАПИСЬ
Развитие оптических дисковых устройств записи и воспрои-
воспроизведения изображений стимулируется рядом их достоинств по
сравнению с аналогичными устройствами магнитной записи. К чи-
числу их можно отнести более высокую плотность записи (до 10s
бит/см2 при емкости диска до 10 бит), бесконтактный способ
считывания, простой доступ к фрагментам записи, простые способы
реализации режимов ускоренного и замедленного (цо стоп-кадра)
255
воспроизведения изображения, простоту тиражирования и др. Оп-
Оптическая видеозапись по сравнению с магнитной позволяет полу-
получить лучшее качество воспроизводимого изображения и звука. Вме-
Вместе с тем ряд технологических трудностей приводит к практически
неконкурентному, параллельному развитию систем оптической
и магнитной видеозаписи. Постепенно один или другой способ
завоевывает то или иное применение. Рассмотрим основные особен-
особенности оптической видеозаписи [32].
На оптическом диске информация записывается по спиральной
траектории. Оптическая запись и считывание могут быть реализо-
реализованы на базе эффектов, изменяющих состояние падающего света
при отражении. Оптическая считывающая головка преобразует от-
отраженный световой пучок в сигнал изображения. Преимуществен-
Преимущественное использование модуляции отраженного, а не поглощенного
пучка вызвано рядом причин, не последнее место среди которых
занимает удобство конструкции считывающего устройства; в этом
случае оно располагается с одной стороны диска, в оптико-механи-
оптико-механической защите нуждается только одна сторона диска, достаточно
просто реализуются автоматические фокусировка и слежение за
дорожкой в процессе считывания.
Модуляция отраженного пучка света может быть вызвана изме-
изменением коэффициента отражения, состояния поляризации или фазы
в процессе его взаимодействия с оптическим диском. Модуляцию
фазы можно осуществить за счет формирования микрорельефа
в материале диска и изменения за этот счет оптической длины пути
при распространении света до отражающей поверхности и обратно.
В процессе воспроизведения излучение с длиной волны X полупро-
полупроводникового лазера фокусируется при помощи микрообъектива на
поверхность, несущую информацию (рис. 8 Л 5). Изменение оптичес-
оптической длины пути осуществляется за счет формирования в процессе
записи микроуглублений — питое (продолговатых углублений на
поверхности диска), количество и длина которых могут нести ин-
информацию о записанных сигналах. Оптическая длина пути для луча
Рис. 8.15. К принципу оптической видеозаписи:
1,2 — лучи, 3 — алюминиевое покрытие, 4 — детектор, 5 — зеркало,
б —лазер, 7 — полупрозрачное зеркало, 8 —mot
256
1, отраженного от зеркальной поверхности диска, /4=2й4 где п —
коэффициент преломления света, d — толщина диска, а для луча 2,
отраженного от поверхности пита, /2=2«(df-A), где А — глубина
пита. Оптическая разность хода лучей 1 и 2 А/=2лА. Разность фаз
для этих лучей Д^-BяД)А/=4ялА/А. Для фор-
формирования максимального контраста между лучами 1 и 2 необ-
необходимо, чтобы Аф=тс; следовательно, глубину пита А можно опре-
определить из условия я=4ялАД или А=А/Dл). Положив А=800 нм,
и=1,5, получим Д=133 нм. Следует заметить, что при выборе
и оптимизации устройства считывания следует учесть амплитуды
и фазы порядков дифракции света, отраженного от фазовой струк-
структуры. Сигнал на выходе детектора определяется интерференцией
нулевого и первых порядков в области их взамодейстэия на его
входе.
Формирование сигнала на выходе детектора при вращении диска
происходит в рассматриваемом случае за счет изменения оптичес-
оптического сигнала на его входе при прохождении участков спирали
свободных или занятых пятами. Сигнал на выходе детектора имеет
импульсный характер.
В процессе изготовления диска-оригинала используют стеклян-
стеклянный диск (обычно диаметр 36 см, толщина 5 мм), покрытый тонким
(около 0,12 мкм) слоем фоторезиста. Рельеф на поверхности фор-
формируют в два этапа: при экспонировании, сфокусированным лазер-
лазерным пучком, интенсивность которого модулируется записываемым
телевизионным сигналом, и при обработке экспонированного диска
с помощью кислотного растворителя, который растворяет фоторе-
фоторезист на экспонированных участках, таким образом возникает ре-
рельефная структура. Технология изготовления видеодисков позволя-
позволяет получить микрорельеф в виде питов шириной 0,3 ... 0,35 мкм.
Шаг дорожки обычно составляет от 1,4 до 2,0 мкм (он стандар-
стандартизован в формате записи). При записи сигналов изображения
длительность экспозиции весьма мала — 0,7-10~7 с. Это приводит
к необходимости использовать лазеры мощностью около 25 мВт,
формирующие пятно на поверхности диска диаметром около 1 мкм.
Процесс изготовления диска-оригинала включает напыление тонко-
тонкого металлического слоя, например, серебра. Технология изготовле-
изготовления диска-оригинала весьма сложна и базируется на высоких требо-
требованиях к идентичности толщины фоторезиста, диска, параметрам
устройства экспонирования и обработки диска, устройству разверт-
развертки и др.
При тиражировании на посеребренной поверхности диска-ориги-
диска-оригинала гальваническим методом наращивается слой никеля — фор-
формируется копия, включающая «негатив» поверхностной структуры
диска-оригинала, называемая никелевым оригиналом. Последний
используют для тиражирования методом гальванопластики или
другими способами. Изготовление рабочего оптического диска за-
завершается нанесением металлического зеркального слоя (алюминий
9 Р. Е. Быков
257
или серебро) и защитного слоя. Два диска склеиваются и образуют
герметичный двусторонний видеодиск.
Считывание записанной видеоинформации осуществляется пу-
путем регистрации детектором (рис. 8.15) отраженного светового
потока, фокусируемого с помощью микрообъектива, используемого
для фокусировки первичного пучка и направляемого на детектор
полупрозрачным зеркалом. Вся рассмотренная оптическая система
находится в головке считывания видеопроигрывателя.
В устройствах оптической видеозаписи используют различные
форматы записи. При выборе формата прежде всего учитывают
ограничения полосы частот в процессе записи/воспроизведения,
определяемые конечным размером светового пятна на рабочей
поверхности диска и линейной скоростью элементов диска. Предел
плотности записи обусловлен дифракцией света, которая определя-
определяет минимальный диаметр пятна на рабочей поверхности диска.
Если пространственная частота сигнала записанного на диске со-
составляет /х,то при считывании ей будет соответствовать частота
сигнала изображения /,=уж (/?)/*, где vx(R)=2nRfa— линейная
скорость элементов дорожки с радиусом R диска (радиус сканирова-
сканирования),/, — частота вращения диска, следовательно, f*=2nRfBfsx. На
рис. 8.16 [32] приведены АЧХ воспроизводящего устройства для
нескольких радиусов при числовой апертуре микрообъектива 0,4,
длине волны лазера Я=633 нм и/,=25 Гц. Как видно, при постоян-
постоянной частоте вращения частотная характеристика устройства воспро-
воспроизведения изменяется. Обычно рабочий диапазон ограничивают
дорожками с радиусом от 7^=55 мм до i?mas=145 мм. В таком
режиме за один оборот диска воспроизводится один кадр изображе-
изображения. Путем повторения или пропуска дорожек легко реализовать
режимы замедленной или ускоренной передачи. Более экономич-
экономичным, обеспечивающим увеличение времени записи/воспроизведения
является режим с постоянной линейной скоростью дорожки от-
относительно считывающего пятна (в процессе
записи/считывания при переходе от внутрен-
внутреннего к внешнему радиусу частота вращения
диска уменьшается).
Сигнал изображения может быть запи-
записан как в форме ЧМ-сигнала, так и в циф-
цифровой. При записи ЧМ-сигналов использу-
используют различные форматы. Прямая частотная
модуляция основана на записи стандартных
сигналов PAL, преобразованных в ЧМ-сиг-
налы с использованием ЧМ-декодеров в ви-
видеопроигрывателе (формат Laser Vision).
Рис. 8.16. Зависимость Используют формат с переносом сигналов
АЧХ устройства воспрои- цветности в низкочастотную область, тем
зведения оптической запи-
си от радиуса дорожки самым реализуют все достоинства этого
258
метода модуляции — демодуляции сигналов изображения (см.
§ 8.3).
Для записи/воспроизведения сигналов звукового сопровождения
в видеодисковых системах применяют широтно-импульсную моду-
модуляцию путем изменения протяженности питов. Таким образом,
расстояние между центрами питов модулируется телевизионным
сигналом, а протяженность пита — сигналом звукового сопровож-
сопровождения. Детектор излучения видеопроигрывателя наряду с сигналами
изображения и звукового сопровождения выделяет сигналы ошибки
радиального слежения за дорожкой и ошибки фокусировки. Эти
сигналы используются для управления автоматическими устрой-
устройствами радиального слежения и фокусировкой микрообъектива.
ГЛАВА 9. АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА ВИДЕОИНФОРМАЦИИ
§ 9.1. СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА
И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Основное назначение ТВС состоит в формировании изображения
передаваемых сцен в реальном времени, как правило, на значитель-
значительном удалении от них. Именно это свойство ТВС привело к возмож-
возможности использования их для визуального анализа и контроля в про-
промышленности (диспетчерские и технологические ТВС), медицине
(демонстрация хирургических операций), исследованиях космоса
(передача изображений с борта космических аппаратов, поверхно-
поверхности планет и др.), метеорологии и других областях.
Наряду с этим такие свойства ТВС, как возможность визу-
визуализации невидимых объектов и процессов, высокая контрастная,
световая и цветовая чувствительности, возможность количествен-
количественного анализа и обработки изображений с целью извлечения инфор-
информации об исследуемых объектах, привели к широкому применению
сканирующих систем, подобных телевизионным.
По характеру решаемых задач такие ТВС можно разделить на
три группы.
1. Системы наблюдения, контроля и обучения, к которым от-
относятся диспетчерские системы, системы визуального контроля,
системы наблюдения за объектами, расположенными в недоступ-
недоступных или труднодоступных местах, учебные ТВС и тренажеры.
2. Системы визуализации и обнаружения, к которым относятся
системы с пороговой световой или контрастной чувствительностью,
многозональные ТВС, системы, чувствительные в инфракрасном,
ультрафиолетовом, рентгеновском и других областях спектра (при-
(применяются в медицине, дефектоскопии и других областях).
3. Системы анализа и обработки данных об исследуемой сцене,
к которым относятся системы для измерения геометрических^ дина-
динамических и цветовых характеристик объектов и изображений в це-
целом, системы счета и анализа топологических характеристик, рас-
распознающие ТВС, телевизионные автоматы и системы зрения робо-
роботов. Результатом анализа изображения, как правило, является его
числовое описание.
Существуют и другие классификации сканирующих систем ана-
анализа и обработки видеоинформации: по области применения (кос-
260
мические, медицинские, учебные и т. п.), параметрам (малокад-
(малокадровые, скоростные, многозональные, системы высокой четкости
и др.), особенностям канала связи (замкнутые и открытые). Исполь-
Использование той или иной классификации позволяет ранжировать раз-
различные ТВС. Например, упорядоченное сопоставление фотоэлект-
фотоэлектрических преобразователей позволяет выбрать наиболее эффектив-
эффективный преобразователь для решения конкретной задачи исследования
изображения. В системах анализа и обработки изображений приме-
применяют различные ФЭП: передающие трубки с внутренним фотоэф-
фотоэффектом (плюмбиконы); преобразователи с внешним фотоэффектом
(диссекторы); системы с бегущим световым пучком, вращающимся
зеркалом или сканирующим лазерным пучком; фотоэлектронные
умножители с механическим сканированием (сканирующий препа-
ратоводитель в телевизионном микроскопе); матричные и линейные
преобразователи на базе ПЗС-структур.
В отличие от систем вещательного телевидения, в системах
анализа и обработки видеоинформации прикладного назначения
возможна оптимизация параметров разложения и других харак-
характеристик путем их изменения в широких пределах.
К числу систем наблюдения и контроля относятся некоторые
ТВС космических аппаратов. Они включают бортовой комплекс
и наземную аппаратуру, соединенные тем или иным каналом связи.
В простейшем случае такая система решает задачу визуальной
регистрации и записи изображения обстановки как внутри космичес-
космического аппарата, так и в ближайшей зоне вне его. В некоторых случаях
космический аппарат может служить пунктом промежуточной ре-
ретрансляции с других космических систем наблюдения (спускаемые
аппараты, роботы-манипуляторы и др.).
По принципу построения это системы визуального типа. Про-
Проблемы, возникающие при проектировании космических ТВС, связа-
связаны с обеспечением их надежности, возможности работы в широком
диапазоне температур, габаритами, массой, оптимизацией системы
кодирования, обеспечивающей высокую помехоустойчивость кана-
канала связи, обеспечением электромагнитной совместимости с другими
системами космических комплексов, особенностями передачи до-
дополнительной телеметрической информации, минимизацией энерго-
энергопотребления и др. В ряде случаев наряду с перечисленными общими
требованиями к этим системам предъявляются некоторые специфи-
специфические требования, диктуемые их конкретным применением.
Примером обучающих ТВС являются системы учебного те-
телевидения [5]. Замкнутые учебные ТВС предназначены для по-
повышения эффективности учебного процесса и обеспечивают пе-
передачу учебной информации (иллюстрации и текстовая информация
со стола преподавателя, с диапроектора, видеомагнитофона, мик-
микроскопа и др.) в аудитории, передачу по запросу преподавателя
или в соответствии с программой учебного процесса допол-
дополнительных данных с накопителей централизованных источников
261
учебной информации (учебного телевизионного центра, видеотеки
и др.). Разработаны типовые структуры учебных замкнутых ТВС,
включающие систему централизованного управления всеми источ-
источниками видеоинформации и звукового сопровождения учебных про-
программ, сеть источников дополнительной учебной информации, а та-
также учебные аудитории и лаборатории с устройствами воспроиз-
воспроизведения изображений. В учебных аудиториях, лабораториях или
других местах занятий располагают местные источники оператив-
оперативной информации — аудиторные телевизионные комплекты, вклю-
включающие телевизионные эшшроекторы, диапроекторы и видеомаг-
видеомагнитофоны.
Системы наблюдения и контроля широко используются в меди-
медицинской практике при осмотре внутренних полых органов (эндоско-
(эндоскопия), глазного дна (офтальмоскопия) и др. По техническим харак-
характеристикам такие системы, как правило, соответствуют системам
вещательного телевидения.
§ 9.2. СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
Во многих областях науки и техники используют методы форми-
формирования изображений в различных участках спектра электромагнит-
электромагнитных, ультразвуковых и корпускулярных полей. Формирование таких
изображений требует последующей их визуализации, т. е. преоб-
преобразования в видимые изображения. Наибольшее развитие системы
визуализации получили в инфракрасной технике, рентгенотехнике,
СВЧ-ннтроскошш, растровой электронной микроскопии. Телевизи-
Телевизионный способ визуализации имеет ряд преимуществ перед фотогра-
фотографическим, электронно-оптическим и другими (возможность опти-
оптимизации путем согласования со свойствами зрения, оперативная
видеозапись, цифровая обработка сигналов изображения с целью
улучшения качества изображения, количественный анализ и измере-
измерение характеристик изучаемого изображения и др.).
В процессе проектирования систем визуализации невидимых из-
изображений возникает проблема оптимизации их характеристик.
Рассмотрим один из подходов на примере визуализации рентгеновс-
рентгеновских изображений.
При исследовании объектов, для которых вероятности распреде-
распределения информации по градациям яркости (плотности) и элементам
пространства (пространственная дискретность) одинаковы и цен-
ценность градационной и пространственно-частотной информации так-
также примерно одинакова, критерием для оптимизации или выбора
системы может служить условие обеспечения регистрации макси-
максимального количества информации [4]
v
=SK / log2[m(O+l)dft],
(9.1)
где
262
— число элементов разложения, приходящихся на единицу
площади детектора излучения, при котором обеспечивается переда-
передача максимального количества информации; т(п) — зависимость
количества передаваемых градаций от числа элементов на единицу
площади детектора; $№ — площадь активной части детектора.
В качестве приме]», иллюстрирующего метод анализа, сравним
системы визуализации рентгеновских изображений: флуоресциру-
флуоресцирующий экран, электронно-оптический преобразователь, рентгеноте-
левизионную систему с электронно-оптическим преобразователем
[6\.
Преобразования изображений, происходящие в сравниваемых
системах визуализации (флуоресцирующий экран, ЭОП, ЭОП
и ТВС), иллюстрируются на рис. 9.1, а. Источник рентгеновского
Флуоресцирующий
экран
Объект
исспедо-
бония
Источник
Х-лучей
Ллминесцирую-
щип экран щив wpi
КатлсИям .
{05ъекти8\
шрую-
ЭОЛ+ТВС
Рис. 9.1. Ревтгшотеяевязиоивая сисгеш (о), преоб-
преобразования сигнала изображения (б) в отношения сиг-
сигнал/шум (в)
263
излучения создает поток проникающего излучения, который после
поглощения (модуляции) в исследуемом объекте формирует тене-
теневую картину на входе флуоресцирующего экрана, образованное
световое изображение преобразуется в электронное с помощью
фотокатода, которое люминесцирующим экраном преобразуется
в световое. С помощью объектива формируется оптическое изоб-
изображение на входе преобразователя изображения ТВС. Сформиро-
Сформированный сигнал усиливается и с помощью кинескопа преобразуется
в изображение, регистрируемое глазом наблюдателя.
Приведенная схема наглядно иллюстрирует многоступенчатость
преобразований носителя информации в подобных системах. Для
таких сложных систем могут бьпъ построены диаграммы измене-
изменения сигналов и шумов в процессе их преобразования. Величина
сигнала st на выходе /-го каскада преобразования системы
5|=а1а2а3...а|-.Ум> где а,=5^_1 — коэффициент передачи /-го каска-
каскада, определяемый как отношение величины сигнала на выходе
каскада st к величине сигнала на входе Si-\.
Величину сигнала в рассматриваемом случае удобно определять
числом квантов (электронов), приходящих на единицу площади
преобразователя за время интегрирования. В рентгенотелевизион-
ных системах, использующих передающие трубки с накоплением,
а также при визуальной регистрации за это время в первом прибли-
приближении можно взять время накопления (кадра). Методику поясним
примером на первом звене преобразования. При использовании
рентгеновской трубки с миллиметровым алюминиевым фильтром,
работающей при токе 5 мА, и ускоряющем напряжении 80 кВ
(режим, часто применяемый при рентгеноскопии) на площадку раз-
размером 1 мм2, установленную на расстоянии 70 см от источника,
попадает 51=8<10s рентгеновских квантов за период накопления
(рис. 9.1, б). При рентгеноскопии грудной клетки около 90% излуче-
излучения поглощается исследуемым объектом (а2=0,1) и поверхности
флуоресцирующего экрана достигает 52=8-10* кв/мм2 кадр.
Аналогично может быть рассчитана вся диаграмма изменения
сигналов 5j. Значения соответствующих коэффициентов передачи
а* приведены на рис. 9.1, б. Здесь учтено, что коэффициент усиления
флуоресцирующего экрана а4=5.103, а эффективность поглощения
рентгеновских квантов а3=0,65. Условия наблюдения изображения
(яркость флуоресцирующего экрана около 3 кд/м2, расстояние рас-
рассматривания 25 см) обеспечивают эффективность преобразования
в зрительной системе а«4,7-10. Преобразования сигнала в ТВС
после ФЭП (усиление, преобразование люминофором кинескопа
и др.) не учитываются, так как они не вносят заметных помех
в рассматриваемую систему.
Значения Qopt можно определить для каждой из рассматрива-
рассматриваемых систем визуализации. Ограничения разрешающей способности
преобразователей изображения при увеличении числа элементов
264
разложения приводят не только к уменьшению глубины модуляции
сигнала изображения (это видно, например, из апертурно-часто-
тных характеристик рис. 3.10, 3.12 и др.), но и к уменьшению числа
различимых градаций яркости, соответствующих мелким деталям
изображения. Это связано с тем, что при уменьшении размера
элемента разложения уменьшается энергия полезного сигнала, при-
приходящаяся на этот элемент, что приводит к уменьшению отношения
сигнал/шум ?, а следовательнОд к уменьшению числа регистриру-
регистрируемых градаций сигнала m=4fy/2jk, где к — коэффициент, учитыва-
учитывающий характеристики источников флуктуационных помех [4].
Значения п^ находим из условия
JV(fl)=v/(fiJMQ), (9.2)
где N(Sl) — пространственная апертурно-чаетотная характеристи-
характеристика, Sl=FxFy; Fs, Fy — пространственные частоты по осям л; и у соот-
соответственно. Эта зависимость может быть получена на основе изме-
измерений или расчетов апертурно-частотных характеристик устройств.
Для рассматриваемых систем визуализации на рис. 9.2, а приведена
апертурно-чаетотная характеристика системы ЭОП и ТВС v (Z), а на
рис. 9.2, б — соответствующая пространственно-частотная харак-
характеристика N(u), отнесенные к площади преобразователя рентге-
рентгеновского излучения (участок 3 на рис. 9.1, а). С учетом характера
флуктуационных помех правая часть уравнения в рассматриваемом
примере аппроксимировалась зависимостью у=2}%3^/п (рис. 9.2,
б). Равенство N(ti)=y(Cl) принималось в качестве критерия для
выбора fl^t. Яркость люминесцирующего экрана ЭОП составляет
около 30 кд/м , а яркость экрана кинескопа 100 кд/м2 и более, что
позволяет в расчетах не учитывать дополнительные потери инфор-
информации при наблюдении изображения. Расчет аб =EJEo6 (объектив)
произведен в соответствии с A.11) для 6=1:1,5, //=0,8, р=1, /?= 1.
О 0,2 0,4 0,6 0,82,пин/мм 0 f 2 J 9,1/мн2
о) б)
Pec. 92. АЧХ (в) и пространственно-частотная (б) характери-
характеристики ТВС с ЭОП
265
Характеристики ТВС, а также диаграмма изменения отношения
сигнал/шум (см. рис. 9.1, в) определены в соответствии с методикой,
изложенной в [4, б].
С учетом соотношения (9.1) рассчитана информационная ем-
емкость / каждой из систем визуализации. Результаты расчетов сведе-
сведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Ивформа
арактер
i свстш Еязуалшацш
Устройство
визуализации
Флуороскопия
Электронно-
оптический
преобразователь
Рентгенотеле-
внзвонвая
система с ЭОП
Размер
входного
изображения,
мм
350x350
200
200
Площадь
входного
изображения,
мм1
1,225.10s
3,1410*
3,14 10*
«opt
мм
4
5
3
да. ед
кадр
1,47.10*
6,36.10s
2,26-105
да. ед
и>.—
KB
15,3-10~6
25,6-10~6
9 10-6
Приведенные результаты расчетов показывают, что в рассмат-
рассматриваемых условиях наибольшей информационной емкостью обла-
обладает система рентгеноскопии с флуоресцирующим экраном, что
связано с большой его площадью. Информационная емкость, от-
отнесенная к единице площади детектора, и квантовая эффективность
(I/Si — количество информации на каждый квант проникающего
излучения) наибольшие у ЭОП. Потери информации, которые вно-
вносит ТВС, могут быть существенно уменьшены за счет использова-
использования систем ТВЧ и более эффективных ГОС-преобразователей изоб-
изображения.
Необходимо отметить, что приведенные данные иллюстрируют
методику расчета информационных характеристик систем визуали-
визуализации и нуждаются в уточнении характеристик отдельных элемен-
элементов систем (времени интегрирования, характеристик зрения и др.).
Как показывают расчеты, наибольшей эффективностью облада-
обладают системы с телевизионным преобразователем, непосредственно
чувствительным к рентгеновскому излучению (рентгеновидикон
и др.).
Заметим, что наряду с рассмотренными свойствами ренттеноте-
левизионные системы позволяют воспроизводить изображение ис-
исследуемого объекта с яркостью, соответствующей оптимальной при
наблюдении изображения глазом. Процесс обследования может
производиться в незатемненном помещении, что имеет важное пра-
практическое значение.
Специальные методы обработки сигнала изображения и воспро-
воспроизведения телевизионных изображений (у—коррекция и амплитуд-
амплитудное ограничение, частотные преобразования, оконтуривание дета-
266
лей изображения, преобразование яркостного контраста в цвето-
цветовой и др.) при определенных условиях могут повысить эффектив-
эффективность процесса диагностики. Используя специальные методы анали-
анализа сигнала изображения, можно наряду с визуальной регистрацией
общей картины исследуемого объекта измерить плотность, опреде-
определить геометрические или динамические характеристики объекта ис-
исследования.
Широкое распространение получили системы визуализации инф-
инфракрасных изображений. Визуализацию изображений, формируемых
в ближней и дальней инфракрасной областях, используют в медици-
медицине, оборонной технике, исследованиях околоземного и космичес-
космического пространства. В таких ТВС, как правило, регистрируют излу-
излучающие объекты. Поток излучения F определяется поверхностной
температурой Т и излучательной способностью объектов в поле
изображения F=&a'T1 где а — постоянная Стефана — Больцмана.
Беж визуализировать поток излучения от исследуемого участка
'(*» у), то получится изображение, отражающее различие в тем-
температуре и излучательной способности участков поля сканирования.
Для регистрации инфракрасных изображений используют види-
коны (пировидиконы), матрицы на элементах ПЗС, оптико-механи-
оптико-механические сканирующие преобразователи с полем обзора от 5x5° до
25 х 25 с числом элементов разложения 200 х 200 и выше. Оптико-
механические сканирующие устройства нашли широкое применение
в медицинских приборах (тепловизорах) в связи с тем, что при
правильных режимах съемки динамическая нерезкость практически
кинескопы с памятью или с промежуточной цифровой памятью).
Теория формирования инфракрасных изображений достаточно хо-
хорошо разработана [6, 33]. Рассмотренные информационные подхо-
подходы к оценке эффективности ТВС могут быть применены к визу-
ализаторам инфракрасных полей. Инфракрасные сканирующие си-
системы визуализации и обнаружения в связи с исключительной прак-
практической значимостью стали самостоятельным разделом инфрак-
инфракрасной техники.
Визуализаторы ультразвуковых изображений, в том числе томо-
томографического типа, нашли широкое применение в медицинской
технике [6] и дефектоскопии.
Распределение яркости на экране устройства воспроизведения
(телевизионное изображение) в устройствах визуализации отражает
распределение энергии невидимого излучения в поле сканирования,
а также обусловлено спектральной чувствительностью преобразова-
преобразователя (детектора) изображения. В процессе интерпретации (диагнос-
(диагностика, распознавание и др.) необходимо учитывать определенную ус-
условность формируемого изображения, непростую связь наблюдае-
наблюдаемого изображения с физическими характеристиками изучаемой сце-
сцены. Вместе с тем с целью повышения обнаружительной способности
267
0,5
Рис. 9.3. Траттории цветового
кодирования
Рис. 9.4. Амплитудные харапери-
стики кодирующего устройства
при визуальном анализе часто используют свойства цветового зре-
зрения человека. В этом случае связь характеристик цветного изобра-
изображения со свойствами реальной сцены существенно усложняется.
Цветовое кодирование (псевдоцвета). Визуализация, осуществля-
осуществляемая с помощью черно-белого изображения, в цветовом простран-
пространстве (см. рис. 2.15) может быть представлена распределением ярко-
яркости (точками на ахроматической оси). Если определенным значени-
значениям величин сигнала изображения сопоставить определенные цвета
на экране цветного воспроизводящего устройства, то визуализация
будет сопровождаться не только модуляцией яркости, но и цвет-
цветности элементов воспроизводимого изображения. В цветовом про-
пространстве такое отображение может быть представлено некоторой
спиральной или другой траекторией (рис. 9.3). Изображение окра-
окрашивается в условные цвета (псевдоцвета), что в ряде случаев улуч-
улучшает дешифрируемость изображения (яркостные контрасты преоб-
преобразуются в цветовые). Характер преобразования яркость — цвет
определяется характеристиками ER=fR(s), EG=fG(s), EB=fB(s). Вы-
Выбор этих характеристик, которые устанавливают траекторию, отоб-
отображающую вид цветового кодирования, связан с назначением систе-
системы. Например, в рентгенодиагностике используют цветовое коди-
кодирование в соответствии с характеристиками, приведенными на рис.
9.4. В этом случае изменению сигнала изображения от 5^=0 до
jKmu= 1 будет соответствовать изменение цветности от синей к зе-
зеленой и красной. Эта траектория BGR приведена на рис. 9.3. Мето-
Методами цифрового кодирования сигнала изображения можно реализо-
реализовать сколь угодно сложную траекторию преобразования яркость —
цвет.
§ 9. 3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Измерение геометрических характеристик объектов, находящих-
находящихся в поле изображения, сводится к измерению координат, длины
прямолинейных и криволинейных отрезков, площадей. В большин-
большинстве случаев эти измерения связаны с необходимостью фиксации
268
уровней оптической плотности или яркости фрагментов исследу-
исследуемого изображения.
Обобщенная модель исследуемого объекта в поле изображения
может быть представлена в виде зависимости яркости (коэффициен-
(коэффициента отражения, прозрачности или поглощения) как функции коор-
координат х, у в поле изображения. В качестве примера на рис. 9.5
показана модель объекта — изображение светлого пятна на темном
фоне, которое приводит к гауссовской функции р(х, у), отража-
отражающей характер распределения освещенности в поле изображения
(объект исследуется «на отражение», р — коэффициент отражения).
Центральная часть объекта, как видно из рис. 9.5, обладает боль-
большим коэффициентом отражения, чем периферийная. Зависимость
р(х, у) создает картину изображения объекта при визуальном ис-
исследовании и является предметом измерений при количественном
анализе.
Измеряемыми параметрами изображения являются размер dfi,
площадь Sfi и периметр Рр объекта исследований в пределах види-
видимого контура или на заданном уровне коэффициента отражения
р (как указано на рис. 9.5); максимальный коэффициент отражения
рты; зависимость величины р вдоль выбранного направления, на-
например р (?) (фотометрическая кривая); координаты х0; у0 объекта
в поле изображения и др.
В ряде случаев в качестве измеряемых параметров используют
проекции линейных размеров исследуемых объектов на координат-
координатные оси плоскости сканирования, например dy, коэффициент формы
Рр/? идр.
Измерение перечисленных параметров фрагментов изображения
основано на использовании функциональной связи между этими
параметрами, временными и амплитудными характеристиками сиг-
сигналов изображений. Как видно из рис. 9.6, а, координата хи левой
Рис. 9.5. Модель исследуемого изображе-
изображения
Рис. 9.6. К принципу изме-
измерения размеров и площадей
объектов
269
границы объекта в строке i связана с временным положением
fw фронта сигнала изображения (рис. 9.6, б), соответствующего этой
строке растра, соотношением xu=sxtXh где v,— скорость переме-
перемещения сканирующего элемента в плоскости изображения в направ-
направлении оси х. Соответственно координата правой границы x2i=vxt2i,
а размер объекта в этой строке (размер хорды) /j=x2i-*ii=
=vx(/2i— 'if)=v*Tb гле т< — длительность импульса, сформирован-
сформированного в строке растра.
Таким образом, измерение длительности временного интервала
т} приводит к определению длины отрезка /< при заданных скорости
развертки v* и коэффициенте увеличения оптической системы. Не-
Нетрудно видеть, что часть площади $ объекта в строке сканирования
iсоставляет St=li8=vx8xh где 8 — ширина строки (расстояние меж-
между смежными строками). Площадь всего объекта может быть опре-
определена как
где f=l — строка, соответствующая первому пересечению сканиру-
сканирующим элементом исследуемого объекта, и — полное число строк
растра, перекрывающих этот объект.
Следовательно, измерение координат и длины прямолинейных
отрезков в направлении сканирования, а также площадей объектов
сводится к измерению длительности сигналов изображения в напра-
направлении сканирования. Измерение координат и длины прямолиней-
прямолинейных отрезков в направлении вертикальной развертки (оси у) сводит-
сводится к определению числа строк растра, перекрывающих соответст-
соответствующий линейный отрезок.
Рассмотренные принципы измерений могут быть реализованы
с помощью устройства, структурная схема которого показана на
рис. 9.7. Сигналы изображения s(t) поступают на пороговоеустрой-
ство р, формирующее двоичный сигнал, соответствующий задан-
заданному уровню коэффициента отражения р, и далее на схему выбора
измеряемого фрагмента изображения. При измерении размеров эта
s(t)
Пороговое
устройст-
устройство ft
Схема
Выбора
t
Маркер
быдора
L
k
Счетчик
Рис. 9.7. Структурная ехала кшервтеля размеров
270
задача решается с помощью маркера выбора, фиксирующего на
экране видеоконтрольного устройства строку (например, i на рис.
9.4), а при измерении площадей — «зону интереса», охватывающую
весь интересующий исследователя объект (например, а на рис. 9.6).
Выбранная указанным способом последовательность прямоуголь-
прямоугольных импульсов при измерении горизонтальных размеров и площа-
площадей сопоставляется в логической схеме И с последовательностью
калиброванных по частоте следования счетных импульсов, поступа-
поступающих с выхода генератора /я. Таким образом, число импульсов,
поступающих на счетчик, оказывается пропорциональным длине
измеряемого отрезка /, или площади S выбранного фрагмента изоб-
При построении измерительных систем решающее значение при-
приобретают вопросы обеспечения требуемой точности измерений.
Предельное значение точности измерения определяется парамет-
параметрами разложения (степенью дискретизации).
При изучении изображений, в поле сканирования которых нахо-
находится большое количество отдельных объектов, или исследовании
массивов изображений могут быть измерены статистические харак-
характеристики— гистограммы распределения объектов по площади
/?E) (см. § 1.5). Эти данные используют в системах автоматической
классификации и распознавания изображений [35].
Топологические характеристики. Топологическими называются
свойства, инвариантные к так называемым резинообразным преоб-
преобразованиям. Если представить плоскость изображения в виде рези-
резиновой пленки и после формирования и фиксации на ней изображе-
изображения подвергнуть пленку деформациидо топологические характери-
характеристики объектов и всего изображения не должны изменяться незави-
независимо от вида деформации. Очевидно, что такие характеристики, как
размеры, расстояния, углы, площади, не могут быть отнесены к то-
топологическим. К топологическим относятся такие характеристики,
как число объектов в заданном поле сканирования, связность и со-
соответствующее число одно-, двух-, трехсвязных и т. д. объектов,
число пересечений и др.
Важнейшей топологической характеристикой является связ-
связность. В теории распознавания образов связным компонентом мно-
множества считают такое его подмножество, в котором любые две
точки могут быть соединены кривой, целиком принадлежащей под-
подмножеству. По принципу связности фактически формируется пред-
представление об отдельном объекте в поле изображения. В подмноже-
подмножестве связных компонентов могут быть объединены элементы изоб-
изображения по признаку превышения заданного порога яркости (фор-
(формируются изоденсы — линии равной яркости), по признаку цвет-
цветности и т. д. В качестве примера на рис. 9.8 представлено изображе-
изображение с объектами, сформированными из трех связных компонентов:
а, Ь и с (фон).
271
it/
*'*
iH
i+5
с
i
b
Рнс. 9.8. К принципу сче-
счета объектов
Бели выделенное подмножество включа-
включает другие связные компоненты, то их назы-
называют дырами этого подмножества; любой
элемент дыры находится внутри выделенно-
выделенного подмножества. Если выделенное подмно-
подмножество связное и не имеет дыр, его называ-
называют односвязным; при наличии дыр подмно-
подмножество называют многосвязным. К числу
информативных топологических характери-
характеристик относят число Эйлера — разность меж-
между количеством связных компонентов и чис-
числом дыр на фигуре.
Топологические характеристики исполь-
используют при описании объектов в качестве признаков для их клас-
классификации, в системах распознавания образов и др. Для решения
указанных задач топологические характеристики используют со-
совместно с метрическими, а в некоторых случаях — и с динамичес-
динамическими.
Некоторые трудности, возникающие при измерении метрических
характеристик, при определении топологических параметров снима-
снимаются полностью (например, влияние нелинейности сканирования)
или существенно снижаются (например, влияние нелинейности амп-
амплитудных характеристик системы). Однако возникают значитель-
значительные проблемы, связанные непосредственно с самой природой диск-
дискретности растра как в вертикальном, так и в горизонтальном
направлениях (в случае использования двумерной дискретизации
изображения).
При сканировании изображения от каждого выделенного по
связности объекта формируется несколько импульсов сигнала изоб-
изображения (в различных строках). Число этих сигналов определяется
соотношением размера объекта и шага разложения. Большинство
известных методов счета объектов основаны на использовании при-
принципа распознавания сигнала «первой встречи» разлагающего
элемента с объектом и автоматического счета этих сигналов,
число которых оказывается равным числу объектов в поле изоб-
изображения.
Для объектов сравнительно простой формы (круглых, овальных,
прямоугольных и т. п.) задача решается путем сопоставления вре-
временного положения видеоимпульсов в смежных строках. Равенство
с заданной точностью моментов начала и конца видеоимпульсов
свидетельствует о том, что эти сигналы порождены одним объек-
объектом и могут быть исключены из счета. Сигнал «первой встречи»
разлагающего элемента с объектом распознается по признаку от-
отсутствия сигнала с близкой по значению координатой (во времен-
временной области) в предыдущей строке. Такой сигнал подается на
счетчик.
Изложенное иллюстарует рис. 9.8, где сигналы изображения,
272
соответствующие строкам f, i+1, *'+2,... .условно показаны штри-
штриховыми линиями. Сопоставление сигналов строк i и /+1 свидетель-
свидетельствует об отсутствии корреляции во временном положения импуль-
импульсов смежных строк (в этом случае сигнал поступает на счетчик
импульсов). Сопоставления сигналов последующих смежных строк
i+l и i+2; i+2 и i+3, ... показывают существенную корреляцию
во временном положении видеоимпульсов, что свидетельствует
о прЕнадлежности этих сигналов одному объекту (такие сигна-
сигналы счетчиком не регистрируются). Таким образом, счетчиком им-
импульсов регистрируется только сигнал «первой встречи», т. е.
каждый объект в поле изображения. Общее число объектов в поле
изображения
t k-s
где к — полное число пересечений щ k—N — число сигналов смеж-
смежных строк (совпадений). Для формирования одновременных сиг-
сигналов смежных строк в системах с построчной разверткой использу-
используют цифровое запоминающее устройство с емкостью, соответст-
соответствующей числу элементов изображения в одной строке.
Анализу топологических характеристик объектов или изображе-
изображений в целом применительно к задачам распознавания посвящены
многочисленные исследования [10].
Динамические характеристики. К динамическим характеристи-
характеристикам относят скорости перемещения объектов в поле изображения,
направления перемещения и траектории движения объектов,
распределение скоростей в потоках движущихся объектов, дина-
динамику изменения размеров фрагментов, а также окраски объектов
и др.
С изучением динамических характеристик связан анализ движу-
движущихся объектов как черно-белых, так и цветных изображений. При-
Примерами таких изображений и задач измерения их динамических
характеристик могут служить изучение скоростей и траекторий
движения кровотока в микрососудах, измерение скоростей и взаим-
взаимных траекторий перемещения транспортных средств, перемещения
участков отдельных органов в диагностике (например, клапанов
сердца) и др.
Ряд методов, используемых в сканирующих системах для из-
измерения скоростей движущихся объектов, основан на корреляци-
корреляционных принципах измерения. Эти методы явились естественным
развитием принципов измерения, использовавшихся в одномерных
устройствах. В системах, основанных на измерении взаимокорре-
взаимокорреляционной функции, путем стробирования сигналов изображения
исследуются два фрагмента изображения, расположенные один за
другим в направлении перемещения изучаемых объектов в поле
273
сканирования G и 2 на рис. 9.9, а). Сигналы, соответствующие
выбранным фрагментам, поступают на коррелятор, который вычис-
вычисляет взаимную корреляционную функцию
где т — время задержки сигнала st (/).
Если сигналы j4 @ и s2 (t) соответствуют стационарному случай-
случайному процессу, то максимум взаимной корреляционной функции
tmJU=^/v, где d — расстояние между выбранными фрагментами;
v — скорость движения потока объектов (или поверхности объекта)
(рис. 9.9, б). Таким образом, измерение величины Тщш приводит
к определению скорости движения одиночного объекта или потока
частиц в выбранном направлении.
В случае измерения текущих значений скоростей и направлений
движения квазиоднородных потоков могут быть использованы вза-
взаимокорреляционные методы измерения с тремя выбранными фраг-
фрагментами стробирования A, 2, 3 на рис. 9.9, а) с целью измерения
составляющих вектора скорости vx и у,, последующего определения
текущего значения скорости v и ее направления в плоскости скани-
сканирования.
Для измерения скорости перемещения неоднородных потоков
используется метод, основанный на измерении корреляционной фун-
функции сигнала и его спектральной плотности.
Во многих случаях регистрации изображения преобразователь
(камера) перемещается относительно сцены (съемка с подвижного
носителя, панорамирование камерой и др.). Возникает кажущееся
движение телевизионного изображения, называемое оптическим по-
потоком. Разработаны методы измерения характеристик оптического
потока и его локальных свойств. Показано, что картина кажущегося
движения и поле скоростей, отнесенное к анализируемой сцене, не
всегда связаны однозначной зависимостью [35].
7* S7t
Рис. 9.9. К принципу измерения скоро-
скоростей объектов
274
§ 9. 4. МНОГОЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Анализ объектов в поле изображения, формируемого оптичес-
оптическими методами, часто связан с изучением спектральных характери-
характеристик излучения (отражения поглощения) отдельных элементов
(аэрокосмические, биологические, медицинские и другие исследова-
исследования). В таких случаях используют многозональную регистрацию
пространственно-совмещенных изображений. Наглядным приме-
примером таких систем являются системы многозональной съемки повер-
поверхности Земли и других планет с аппаратов космического базирова-
базирования. Принципы построения таких ТВС иллюстрируются рис. 9.10.
Изображение проецируется в плоскость детектора, состоящего из
А однострочных преобразователей на базе ПЗС, где А — число
спектральных зон регистрации (обычно А=4...8). Примерный вид
спектральных характеристик таких преобразователей вместе со све-
светофильтрами приведен на рис. 9.11. Как видно, они охватывают
видимые и инфракрасные участки спектра. Кадровая развертка
изображения осуществляется за счет непрерывного движения носи-
носителя (v,). В том случае, если необходимо иметь одновременно
совмещенные сигналы отдельных зон, используют задержку сиг-
сигналов на время, определяемое скоростью носителя и расстоянием
между преобразователями отдельных каналов 8, т. е. т, 2т,...,
(Л-1)т.
Процедуры анализа определяются целевым назначением систем
и, хах правило, включают выбор спектрального диапазона регист-
регистрации Xt-XA, числа зон Л, спектральных характеристик чувствите-
чувствительности преобразователей (включая зональные фильтры) е,(А), мет-
метризацию рабочего пространства автоматического анализатора, по-
построение решающих правил.
Светофильтры
Рис. 9.10. Многозональная регистра-
регистрация с подвижного носителя
500 600 700 800 Л,им
Рис 9.11. Спектральные харак-
терЕсгахи многозоналшсй ТВС
275
Подход к анализу серии зональных изображений может быть
различным. Используют совмещение изображений различных спек-
спектральных зон, окрашенных в определенные цвета, и визуальный
анализ результирующей картины: аддитивное формирование цвет-
цветного изображения в условных цветах (см. § 9.2) с применением
оптического или телевизионного (см. § 7.3) метода совмещения
изображений. Такие способы применяют при анализе аэрокосмичес-
аэрокосмических снимков, рентгенодиагностике и других областях.
Анализ многозональных изображений может быть осуществлен
методами, аналогичными используемым в колориметрии. Рассмот-
Рассмотрим процедуру построения цветовых пространств — рабочих про-
пространств анализаторов.
В основе учения о цвете (см. § 2.8) лежит представление о его
математическом выражении как векторе трехмерного пространства,
а о цветности, отражающей только цветовые ощущения, — как
двумерном числе, которое может быть отображено точкой на плос-
плоскости. Эти понятия можно расширить за рамки оценок ощущений,
вызываемых действием светового потоха на глаз человека, и мате-
матичесхое определение цвета и цветности использовать для отоб-
отображения спектральных характеристик излучения в пространствах,
подобных цветовым. Формирование таких пространств основано на
том, что для каждой функции 1У(Х), отражающей спектральный
состав излучения, с помощью фиксированной непрерывной финит-
финитной функции 6j(A) можно найти число mh принадлежащее некоторо-
некоторому множеству My
(9.3)
Так как W(X) — фиксированная и интегрируемая на конечном
интервале функция, то в силу финитности еДД) интеграл (9.3) может
быть взят по некоторому конечному интервалу. Если Ы\Х то
функции W(X) можно сопоставить двумерное число т {mv тг}\ ест
i= 1 ... 3, то трехмерное т {mlt тг, т3} и т. д.:
1= 1 т,
?=Л т {mv m2, ...,/Ид}.
Выбор конечного набора функций б, (А) приводит к классифика-
классификации спектров излучений в Л-мерном пространстве MA{mv
/и2,...,/ил} или после нормировки по величине входной энергии
в пространстве МА~1, с координатами
276
J W(X)t,(X)dX
о
1-10
(9.4)
Л оо
где ? f W(X)e,(X)dX=mi+m2+...+mA.
ы о
При таком подходе функцию W(X) можно представить как
линейный функционал на некотором пространстве функций. Запас
функций г, (Я) можно выбрать различным образом. При фиксиро-
фиксированном наборе (Л) функций ?,(А) множество функций W{X) отоб-
отображается в пространстве А?А, образующем бесконечное счетное
множество/: W-*MA.
Базисом пространства МА может быть система любых линейно-
независимых векторов. Выбор базиса позволяет реализовать отоб-
отображение/Л : Мео-*М\ или при нормированииfA_%: Л/°°-*Л/А" *. Так
как число спектральных элементов Л<оо; то полным прообразом
каждого элемента из МА~1 является совокупность всех спектраль-
спектральных характеристик, приводящих к равным т,. Таким образом,
собрав в один класс все те элементы из Л/*0, образы которых в МА~1
совпадают, реализуют некоторое разбиение спектральных харак-
характеристик излучения на классы.
Если аппарат теории функционального анализа, базируясь на
феноменологической модели цветового зрения, применить для ко-
количественного описания зрительных ощущений, то функции г, (Я)
(i=l, 2, 3) должны отражать кривые спектральной чувствитель-
чувствительности модели глаза. Именно это позволяет построить цветовое
пространство, а после нормирования найти отображение на плоско-
плоскости, адекватное ощущениям цветности (см. рис. 2.24, б).
Как было отмечено, спектральные характеристики могут быть
представлены и в другом пространстве — МА~1, координаты кото-
которого определяются выражением (9.4). В частности, Л может быть
той же размерности, что и в колориметрии: — Л=3. В этом случае
не накладывается особых ограничений на вид функций гДА) и их
положение по спектру (например, они могут охватывать инфракрас-
инфракрасную, ультрафиолетовую или другую области). Выбор Л и функций
ь(Х) определяется задачами исследований. При реализации подо-
подобного автоматического многозонального регистратора е((Х) — спе-
спектральные характеристики преобразователей изображения.
Проанализируем процедуру представления спектров излучения
на примере трехсигнальных преобразователей или анализа любых
трех снимков из серии. Задача состоит в том, чтобы сопоставить
результаты оценок спектральных характеристик в различных цвето-
цветовых пространствах.
277
Величины сигналов на выходе каждого из многосигнальных
преобразователей определяются соотношением (9.3). В этом случае
реализуются отображения/^:M°°-+jR, формируемые регистратором
вль л/н'.М ->N, формируемые регистратором гт (Ы1,2, 3).
Пороги цветоразличения каждого канала регистрации можно
определить исходя из известных отношений сигнал/шум в отдель-
отдельных каналах системы. При сопоставлении результатов оценок спек-
спектральных характеристик в этих цветовых пространствах и соответ-
соответствующих порогов цветоразличения будем считать, что ЪыФгт или
ЧмзЧюь или елзФвт, т. е. ЯФЫ. Рассмотрим конкретную реализа-
реализацию спектральной характеристики 1V(X). В М°° спектральной харак-
характеристике W(X) соответствует элемент т.еМ*, а в R и Nr, -/„ (тХ
»1=/*К)(рис9.12,а).
Полным прообразом элемента г, в М* будет совокупность
М\еМ всех тех элементов т из М -" -
C=Mi(]Mut.c. M\ иМ\ пересекаются.
Возьмем в R элемент г2Фги в N элемент п2Фп» тогда
M2=fi* (r2), М2=/„1 (nj.
Из ггФгг и пкФп2 следует М'2\М\Ф0, М\\Ы\=0. Однако
о соотношении МхъМ\ нам ничего не известно. Докажем, что если
эти два подмножества пересекаются (рис. 9.12, б), т. е. если
Я~М1[)М'1Ф0, то задача о сопоставлении порогов цветораз-
цветоразличения первого и второго каналов регистрации в общем виде
неразрешима. Действительно, для m2eD оценкой в #является точка
n2=fN(m2eD)t оценкой в R является точка r2=fR(m2eD). Если г4
и г2 различаются в R, то в N они, как в рассмотренном примере,
могут дать одну оценку: л^Ю и л^АК), так как т2еМ]
и mJzM j.
Так как на отображение/^ nfN не накладывали никаких ограни-
Рис. 9.12. Отображение спектральных характеристик в различных цве-
цветовых пространствах
278
чений, то справедливо и обратное утверждение: если лА и пг раз-
различимы в N, то в R они могут совпадать.
В том случае, если 6ai=?am, еяг=ймг, вяг-е^ь т. е. при идентич-
идентичных или одинаковых по форме спектральных характеристиках соот-
соответствующих преобразователей R=Ne для сопоставления порогов
чувствительности по цветоразличению, достаточно знать рабочие
характеристики каждого из преобразователей изображения (отно-
(отношение сигнал/шум, чувствительность и др.). В противном случае
подобная задача может рассматриваться только как задача сопоста-
сопоставления систем по классификации (различению) спектральных харак-
характеристик (но не по цветности).
Аналогичная ситуация возникает и при сопоставлении чувст-
чувствительности и разрешающей способности по цветности автомати-
автоматических классификаторов и глаза человека, имеющих разные спект-
спектральные характеристики каналов регистрации. На эту особенность
давно обратили внимание биологи, сравнивая чувствительность
органов зрения различных животных (чувствительность субъектив-
субъективна и у разных организмов различна).
Таким образом, каждый элемент т„ л,, г( и т. д. выбранного
цветового (рабочего) пространства (трехсигнальная модель) М, N,
R отображает все вариации спектральных характеристик, не смеща-
смещающие его в рассматриваемой системе оценивания спектрозональ-
ного распределения энергии излучения. Принятую систему можно
использовать для классификации спектров излучения с различных
участков исследуемого изображения. Измерения, выполняемые при
изучении изображений, преследуют цель наиболее полного отоб-
отображения информации и простой интерпретации полученных резуль-
результатов. При решении этих задач определяющее значение, как это
следует из теории функционального анализа, имеет метризация
«запаса точек» рабочего пространства.
При оценке цветовых ощущений, как отмечалось, оказалось
удобным использовать равноконтрастные диаграммы цветности,
расстояния между точками на которых соответствуют степени раз-
различения в цветовых ощущениях. При построении автоматических
систем, чувствительных к спектральным параметрам светового по-
поля, в большинстве случаев отсутствует необходимость базироваться
на различиях, адекватных цветовым ощущениям. При выбранных
спектральных характеристиках преобразователя изображения реак-
реакция автоматической системы может быть связана непосредственно
с относительными изменениями цветоделенных сигналов. В этом
случае требования равноконтрастности оказываются неоправдан-
неоправданными.
Рабочим пространством может служить колориметрическая си-
система трехзонального преобразователя изображения M(mt, тг\ где
'я1=^/(^1+^2+*з)» Щ^Л+^+Яз)» *i» *2» h~~сигналы изоб-
изображения соответствующих преобразователей. В качестве примера
279
на рис. 9.13 приведены такие характеристики участков четырех
характерных фрагментов в мазке крови человека, нанесенном на
стеклянную подложку. Результаты представлены в виде Л-эллипсов,
построенных на основе статистических исследований, р (Я)=0,865
при принятии гипотезы о нормальности распределения. Приведен-
Приведенные данные используют при выборе решающего правила (напри-
(например, q) в трехзональном автоматическом телевизионном классифи-
классификаторе форменных элементов крови человека (наряду с зональными
характеристиками в классификаторе использованы геометрические,
топологические и амплитудные признаки) [4].
Изучение цветовых (трехзональных) характеристик таких изоб-
изображений, как микропрепараты, цветные фотографии, изображения
реальных объектов, наблюдаемых через толщу атмосферы (аэроко-
(аэрокосмическая съемка), и др., показывают, что существенное влияние на
цвет объектов оказывают неидентичность характеристик основы, на
которой расположены микропрепараты, оптические свойства среды,
расположенной между исследуемыми объектами и телевизионной
системой. В ряде случаев к аналогичным изменениям цвета приво-
приводят разброс в длительностях технологических фаз изготовления
изображений, времени и условий их хранения (микропрепараты),
а также непостоянство во времени спектрального состава и нестаби-
нестабильность светового потока источника освещения. Нестабильность
сигналов на выходе преобразователей изображений является следст-
следствием временной нестабильности и шумов цветоделенных каналов
и других побочных факторов. В процессе автоматической клас-
классификации с использованием цвета или спектральных компонентов
в качестве признаков вследствие указанных причин появляются
ошибки в классификации.
Если отмеченные воздействия оказывают одновременное и кор-
коррелированное влияние на цвет всех элементов исследуемого изоб-
изображения, то одним из способов уменьшения ошибок может явиться
использование центрированных оце-
оценок (mt т2)— координат измерен-
измеренных относительно цветности опре-
определенных (эталонных) участков
изображения. В биологической
микроскопии ими могут быть цвет-
цветность фона микропрепарата (рис.
9.13), при телевизионной съемке
в атмосфере или воде — цветность
эталонных зондов или других
объектов.
При создании спектрозональных
систем для экологического монито-
мониторинга водных и воздушных сред
с целью измерения концентрации
посторонних веществ можно исполь-
Рис. 9.13. Пример цветовых харак-
характеристик (медицинский препарат)
280
зовать оценки, адекватные концентрации поглощающего вещества
Ю-
Таким образом, выбор рабочего пространства многозональных
анализаторов изображения определяется задачами исследования
или измерения. Связь между свойствами рабочего пространства
анализатора и физическими характеристиками изучаемых сцен уста-
устанавливается ее характеристиками для каждой конкретной системы.
При проведении однотипных исследований используют стандар-
стандартизацию этих характеристик.
§ 9. 5. ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО ЦВЕТНОСТИ
Если воздействующее излучение в процессе фотоэлектрического
преобразования делится на Л спектральных интервалов, то цвет-
цветность, jcaK было отмечено выше, представляется в виде точки т (mlt
т2,...,пи-1) в пространстве МА~1. В окрестности любой точки
может быть задана область 0(т0, р) произвольной формы, выделя-
выделяющая из всего пространства цветности М подпространство 0 (т0, р).
В качестве окрестности любой точки может быть выбрана ее е-
окрестность 0(т0, е) или прямоугольная окрестность Р(т0, $) (рис.
9.14):
0(т0, s)={m:moeM,p(т0, т)<в};
Р(т0. 8)={т:тоеМ, (miQ-8)<mi<(ml0+S); (9.5)
(т20-8)<т2<(т20+6)}.
Введем представление о фильтре цветности как устройстве,
осуществляющем разделение пространства цветности на два под-
подпространства: НсМ и М\Н. Основными характеристиками
фильтра наряду с его координатами т10, т20 являются форма
границы и размеры окна.Границы Н могут быть выбраны в за-
зависимости от конкретных задач с учетом статистики распределения
цветности в исследуемых изображениях. Введем двоичную пере-
переменную
П, /ие#,
v ' @, тфН.
Во временной области Y(m) будет соответствовать сигнал
П, m(t)eH,
Реализация и использование фильтров цветности в канале мно-
многозональной системы позволяют осуществить выделение элементов
изображения, цветность которых соответствует области, заданной
окном Я. На рис. 9.15 приведены схемы включения фильтров цвет-
281
m20
w20
ГП2О+5
]Jj
!!
/Л/у Щд /77/
Рис. 9.14. К определению
фильтра цветности
Si —
s2—
Sj —
a
*. Фильтр
ь. цветнос-
». ти
- Коммутатор
. сигналов
„ изображе-
изображения
i
> Фильтр
* цветности
Рве. 9.15. Схемы включе-
включения фильтров цветности
ности, на вход которых подаются сигналы sv s2, j3, а на выходе
генерируется сигнал sT) формирующий двоичное изображение. Сиг-
Сигнал sY может использоваться для управления коммутатором сиг-
сигналов изображения, осуществляющим передачу сигналов slt s2, s3
в моменты jr@=l, т. е. сигналов, соответствующих участкам
изображения, для которых цветность теН.
К наиболее простым техническим решениям приводят ме-
методы классификации, использующие линейные решающие прави-
правила. К их числу относится формирование прямоугольного окна,
ориентированного случайным образом на плоскости цветовой диа-
диаграммы.
Двузначный предикат Y(m) для прямоугольного окна цветности
(окно без границы)
4
Г(т)= Л
(9.6)
где Yi(m) — решающие двузначные преди-
предикаты, соответствующие четырем прямым,
образующим окно (рис. 9.16); fPr] — отоб-
отображение, которое ставит в соответствие ис-
истинным предикатам Pr 7(m)~l, а лож-
ложным— Г(т)=0.
Коэффициенты ап, а12, а13, а21, .... оп-
определяющие положение прямых, могут
быть определены через координаты вер-
вершин mai mb, mCf md окна (рис. 9.16) из урав-
Рис 9.16, К формирова-
нию окна цветности
282
JWj Ш2
ЩгХ Щ,2
ты ты
1
1
1
=0;
Щц
те1
т2
Щи
те2
1
1
1
wij m2
Шы ты
те\ тс2
1
1
1
=0;
Щи
тй{
т2
mi2
та2
1
1
1
Следовательно,
=0;
=0.
(9.7)
Например, для окна с координатами вершин т,=@,3; 0,4);
w6=@,4; 0,3); те=@,35; 0,25); л^=@Д5; 0,35) (рис. 9.16) расчет
в соответствии с выражениями (9.7) дает
Г(т)=Г@,7-/и1-т2>0)Л(т1+т2-0,6>0)Л (9.8)
A@,l-m1-m2>0)A(m1-/n2+0,l>0)l=l.
В случае дихатомии (разделения диаграммы на две полуплоско-
полуплоско)
сти)
Если выражение (9.6) представить через сигналы преобразова-
преобразователей изображения, то
= А
(9.9)
где^=*1+*2+*з-
Реализация фильтра цветности с помощью операций суммирова-
суммирования и определения знака суммарного сигнала сопоставления с поро-
порогом (9.9) позволяет реализовать его простыми техническими средст-
средствами.
Структурная схема фильтра, построенного в соответствии
с (9.8), приведена на рис. 9.17. Коэффициенты умножения уста-
устанавливаются в соответствии с координатами и положением окна.
Для рассмотренного выше (9.8) примера:
ап-ап-а32-а^2-аЪ2- -1; a2i=a22-a4l = \; al3-0,T, а2г- -0,6;
а33=в4з-0,1. В сумматорах осуществляется алгебраическое сло-
сложение сигналов, а в пороговых устройствах — сопоставление
283
Умножители
Порогодые
устройства
суммарных сигналов с поро-
порогом. Операция формирования
сигнала Y(t) осуществляется
схемой коньюнхции. Аналогич-
Аналогично, с помощью набора
фильтров цветности 1, 2,..,,
N могут быть сформированы
двоичные сигналы изображе-
изображения 7@, соответствующие
другим окнам в плоскости цве-
цветовой диаграммы, т. е. много-
многозональное или цветное изобра-
изображение может быть представле-
представлено в виде серии из N двоичных
изображений/(х, }>)-+{ 3^ (x, у),
Рассмотренная процедура
преобразования изображений
аналогична широко используе-
используемой в черно-белых системах
процедуре квантования по яр-
яркости с целью формирования
Рис. 9.17. Структурная схема фильтра ДВОИЧНЫХ изображений.
цветности Формирование указанными
выше способами одного или системы двоичных изображений позво-
позволяет свести дальнейшую процедуру анализа многозонального изоб-
изображения к известным алгоритмам измерения геометрических, топо-
топологических, динамических и других характеристик.
В процессе комплексного анализа многозонального или цвет-
цветного изображения исследование может быть дополнено изучением
статистических характеристик поля изображения: распределения
элементов по яркости, цветности и др.
§ 9. 8. СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ВИДЕОИНФОРМАЦИИ НА БАЗЕ ЭВМ
Рассмотренные алгоритмы визуализации и анализа изображе-
изображений, измерения параметров объектов ориентированы на изучение
динамических сцен. Системы, реализующие эти алгоритмы, близки
по быстродействию к вещательным ТВС. Работа таких систем про-
происходит в реальном времени по определению, данному в § 1.4.
Вместе с тем часто возникают задачи анализа статических изобра-
изображений или отдельных кадров файла динамических изображений. В
этом случае оказывается возможным ввести одно или серию изоб-
изображений в ЭВМ, а дальнейший анализ проводить в течение времени,
определяемого сложностью алгоритмов и быстродействием ЭВМ.
Такой подход часто используют в системах технического зрения.
284
Структурная схема таких анализаторов включает ТВС, устрой-
устройство ввода изображений и ЭВМ. Для ввода изображений использу-
используют программный режим и режим прямого доступа к памяти [36].
В первом случае сигналы изображения записываются в буферное
запоминающее устройство, затем считываются в формате ЭВМ.
При прямом доступе сигналы изображения вводят непосредственно
в оперативное запоминающее устройство ЭВМ. Использование бу-
буферной памяти с программируемым считыванием позволяет в про-
процессе преобразований сигналов осуществить предварительную об-
обработку информации (выравнивание фона, шумоподавление, апер-
турную и у-коррещии и др.), т. е. позволяет уменьшить объем
данных, заносимых в оперативную память ЭВМ. Принципы постро-
построения устройств ввода сигналов изображения допускают многочис-
многочисленные варианты их реализации.
Хорошим примером практической реализации возможностей
ЭВМ являются современные системы нелинейного монтажа видео-
видеопрограмм на основе дисковых носителей с использованием пред-
предварительной компрессии (сжатия) сигналов изображения. Одним из
достоинств таких устройств является возможность доступа в реаль-
реальном времени к видеофрагментам с точностью до одного телевизи-
телевизионного кадра. В современных устройствах компрессии коэффициент
сжатия составляет, как правило, около четырех, однако, базируется
на рассмотренных выше особенностях изображения, его можно
довести до 10...20 и осуществить запись на дисковый носитель
компьютера и последующую обработку многочасовых видеопрог-
видеопрограмм.
Анализ изображения с помощью ЭВМ обычно включает такие
процедуры, как выделение признаков (яркостных, гистограммных,
контурных, цветовых или зональных, текстурных и др.), символи-
символическое описание изображений (яркостную, контурную, текстурную
сегментацию, скелетизацию, описание линий и др.), обнаружение
объектов (сопоставление с эталоном, согласованную фильтрацию,
привязку изображений и др.), распознавание объектов (построение
моделей объектов, признаковое описание, синтаксические методы
и др.) [10]. Вопросы анализа изображений с помощью ЭВМ широко
освещены в литературе и выходят за рамки тематики учебника [10,
37]. Вместе с тем следует заметить, что принципиального отличия
в подходе к анализу и обработке сигналов изображения в ТВС
и ЭВМ не существует. Различия связаны с техническими харак-
характеристиками элементов устройств и степенью их специализации
(вещательное телевидение, зрение роботов, количественный анализ
изображения и т. д.). Эти различия стремительно уменьшаются.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время теорию передачи и воспроизведения изоб-
изображений не следует рассматривать как сколько-нибудь законченную
теорию. Потребительские свойства телевидения раскрываются на-
наименованием рассматриваемой области значений (television). Если
же попытаться в одном слове передать то главное, что лежит
в основе принципа работы современных телевизионных систем, то
таким словом будет сканирование (scan — развертка, развертывать),
которое приводит к последовательной передаче информации о со-
состоянии участков (элементов) передаваемого изображения. Естест-
Естественно, что сканирование определяет и все процедуры обработки
сигналов и формирования телевизионного изображения.
В связи с включением в структуры современных ТВС элементов,
основанных на новых физических принципах генерирования сигна-
сигналов изображения, передачи, записи и воспроизведения изображений,
будет расширяться и сфера теоретических проблем, охватывающих
рассматриваемую область знаний. Например, такие процедуры, как
согласованная фильтрация, спектральный анализ, реконструкция
искаженных изображений и т. д., удается более эффективно реализо-
реализовать с помощью акустооптических устройств со скоростью, не зави-
зависящей от числа элементов изображения. Применение таких уст-
устройств в ТВС позволяет продвинуться к быстродействующим систе-
системам. Существенное повышение производительности ЭВМ и широ-
широкое использование их для обработки сигналов изображения приве-
приведут к необходимости включения в теоретический базис телевидения
подходов, используемых в устройствах машинной обработки изоб-
изображений.
Перед телевидением и смежными областями стоит ряд фундамен-
фундаментальных проблем, таких, как познание особенностей восприятия цвет-
цветного телевизионного изображения в различных условиях наблюде-
наблюдения, разработка новых физических принципов формирования объем-
объемных цветных изображений, раскрытие механизмов формирования
«цвета» при регистрации сверхслабых световых полей, изучение про-
процессов преобразования информации при многозональной регистра-
регистрации изображений, осмысливание наблюдаемой картины при визу-
визуализации невидимых изображений и др. Список задач, стоящих перед
теорией телевизионной передачи, естественно, можно продолжить.
286
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Урвалов В. А. Очерки истории телевидения. — М.: Наука, 1990. — 216 с.
2. Быков Р, Е., Сигалов В. М., Эйссеигардт Г. А. Телевидение/ Под ред. Р. Е. Быко-
Быкова. — М.: Высш. шк., 1988. — 248 с.
3. Преобразователи изображения на ПЗС/ Р. Е. быков, А. А. Манцветов, Н. Н. Степа-
Степанов, Г. А. Эйссенгардт. — М.: Радио и связь, 1992. — 184 с.
4. Быков Р. Е., Гуревнч С. Б. Анализ и обработка цветных и объемных изображе-
изображений. — М.: Радио и связь, 1984. — 248 с.
5. Быков Р. Е., Киврин В. И., Лысенко Н. В. Системы учебного телевидения . — М.:
Радио и связь, 1987. — 79 с.
6. Технические средства медицинской интроскопии/ Под ред. Б. И. Леонова. — М.:
Медицина, 1989. —304 с.
7. Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М.: Наука, 1971. — 392 с.
8. Кириллов В. И., Ткаченко А. П. Телевидение и передача изображений. — Минск:
Вышэйш. шк.,1988. — 319 с.
9. Бабенко В. С. Оптика телевизионных устройств. — М.: Радио и связь, 1982. —
256 с.
10. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2 кн./ Пер. с англ; Под ред. Д. С.
Лебедева. —М.: Мир, 1982.
И. Иоваковский С. В. Цвет в цветном телевидении. — М.: Радио и связь, 1988. —
288 с.
12. Телевидение/ Под ред. В. Е. Джаконии. — М.: Радио и связь, 1997. — 640 с.
13. Рыфтин Я. А. Телевизионная система. Теория. — М.: Сов. радио. 1967. — 271 с.
14. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. — М/. Радио н
связь, 1988. —224 с.
15. Гарб М. Г. Синхронизация в телевидении. — М.: Радио и связь, 1982. — 192 с.
16. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. радио, 1977. —
608 с.
17. Радиотехнические системы/ Под ред. Ю. М. Казаринова. — М.: Высш. шк.,
1990. —496 с.
18. Однолько В. В., Ожигин А. Ф., Харитонов Ю. А. Портативные камеры цветного
телевидения. — М.: Радио и связь, 1984. — 104 с.
19. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. — М.: Мир, 1978. — 327 с.
20. Самойлов В. Ф., Хромой Б. П. Телевидение. — М.: Связь, 1975. — 400 с.
21. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника' Пер. с чешек.; Под ред.
Л. С. Виленчика. — М.: Радио и связь, 1990. — 528 с.
22. Цифровое кодирование телевизионных изображений/ Под ред. И. И. Цуккерма-
на. — М.: Радио и связь, 1981. —240 с.
23. Егорова С. Д., Колесник В. А. Оптико-элеюронное цифровое преобразование
изображений. — М.: Радио и связь, 1991. — 208 с.
24. Телевизионная техника: Справ./ Под ред. Ю. Б. Зубарева и Г. Л. Глориозова. —
М.: Радио и связь, 1994. — 312 с.
25. Fernsehtechnik/ von Broder Wendiand und Harmut Schroder. — Heidelberg: Huthing,
1991. Bd. 1. S. 552; Bd. 2. S. 475.
26. Макарцсв В. В., Хесин А. Я., Штейнберг А. Л. Большеэкранные видеосистемы. —
М.:СП"Панас". 1993. —160 с.
27. Ангафоров А. П. Цветные кинескопы. — М.: Радио и связь, 1986. — 128 с.
28. Громов Н. В. Телевизоры цветного изображения. — Л.: Лениздат, 1987. — 270 с.
29. Вайда 3. Современная видеозапись/ Пер. с венг.; Под ред. А. С. Виленчнка. — М.:
Радио и связь, 1987. — 176 с.
30. Техника магнитной видеозаписи/ Под ред. В. И. Пархоменко. — М.: Энергия,
1978—400 с.
31. Гончаров А. В., Харитонов М. И. Канал изображения видеомагнитофона. — М.:
Радио и связь, 1983. — 144 с.
32. Оптические дисковые системы/ Г. Боухьюз, Дж. Браат, А. Хейсер и др.; Пер. с
англ.; Под ред. М. Ф. Стельмаха. — М: Радио и связь, 1991. — 280 с.
33. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. — Л..
Машиностроение, 1983. — 696 с.
34. Кривошеее М. И. Основы телевизионных измерений. — М.: Радио и связь,
1990. —608 с.
35. Казанцев Г. Д., Курягин М. И., Пустынский И. Н. Измерительное телевидение. —
М.: Высш. шк., 1994. — 288 с.
36. Хорн Б. К. Зрение роботов/ Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 487 с.
37. Системы технического зрения: Справ./ Под ред. В. И. Сырямкина, В. С. Тито-
Титова. — Томск: МГП "РАСКО", 1992 — 376 с.
Учебное издание
Быков Роберт Евгеньевич
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Редактор В. В. Пащенкова
Художественный редактор Т. М. Скворцова
Технический редактор В. М. Романова
Корректор Г. И. Кострикова
Оператор О. М. Бутримова
В подготовке оригинал-макета принимал участие
Издательско-полиграфический Центр
Санкт-Петербургского государственного
электротехнического университета
197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
Издательство «ЛАНЬ». ЛР № 065466 от 21.10.97.
193029, Санкт-Петербург, пр. Елизарова, 1.
Сдано в набор 20.07.98. Подписано в печать 20.10.98. Формат 84X108 */п.
Гарнитура Тайме. Печать высокая. Печ. л. 17. Тираж 3000 экз. Заказ N2 67.
Отпечатано с диапозитивов в ГПП «Печатный Двор»
Государственного комитета РФ по печати.
197110, Санкт-Петербург, Чкаловский пр., 15.