Каталог радиолюбительских схем. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ И ПОЛНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА.ИСКАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ И ПОЛНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА.ИСКАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

В данном разделе рассматриваются основные параметры телевизионной (ТВ) системы и полного телевизионного сигнала (ПТВС), а также анализируются искажения ТВ изображения и ПТВС.

Основные принципы передачи и воспроизведения ТВ изображений

В основе телевизионной передачи и воспроизведения изображений лежат три физических процесса:

- преобразование световой энергии, исходящей от объекта передачи, в электрические сигналы;
- передача и прием электрических сигналов;
- преобразование электрических сигналов в световые импульсы, воссоздающие оптическое изображение объекта.

Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение оптического изображения. Это изображение может быть представлено множеством интегральных источников, интенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Чем больше число элементарных источников N (элементов изображения), тем выше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной структуры изображения.

Первый принцип телевидения заключается в разбиении изображения на отдельные элементы и в поэлементной передаче всего изображения. Элементом изображения называется минимальная деталь изображения, которая может быть различима и воспроизведена ТВ системой. Изображение, образованное совокупностью всех элементов, называется кадром.

Второй принцип, на котором базируется телевидение, - это последовательные во времени передача и воспроизведение информации о яркости (и цвете) отдельных элементов изображения. Это возможно благодаря инерционности зрения человека, которая проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерывно светящимся.

Процесс последовательной поэлементной передачи (анализа) и воспроизведения (синтеза) изображения называется разверткой изображения.

В ТВ вещательных системах развертка изображения и на передающей, и на приемной стороне осуществляется в результате движения луча с постоянной скоростью по горизонтали (строке) слева направо и по вертикали (кадру) сверху вниз. Образованная в процессе развертки структура поля - совокупность строк - называется ТВ растром.

Передача и воспроизведение каждого элемента изображения должны осуществляться синхронно и синфазно. Это обеспечивается поддержанием в заданных пределах закона разверток и их периодической принудительной синхронизацией по строке и по кадру на передающей и приемной сторонах ТВ системы.

Основные параметры ТВ системы

Формат кадра. Форматом кадра называется отношение ширины изображения b к его высоте h

В ТВ величина формата кадра выбрана равной k = 4:3 , что определяется угловыми размерами поля ясного зрения глаза и учитывает опыт выбора формы изображения в кино, фотографии и живописи. В современных системах используется k = 16:9 .

Число строк разложения. Число строк разложения z определяет номинальную четкость ТВ изображения, т.е. его детальность. Эти параметры зависят от числа элементов в изображении N . Учитывая, что вдоль строки укладывается элементов,

Под элементом понимается минимальный участок ТВ изображения, внутри которого воспроизводится лишь средняя яркость. Число строк разложения выбирается исходя из величины разрешающей способности глаза (при рассматривании изображения в угле ясного зрения). Разрешающая способность глаза количественно определяется минимальным углом, равным (1,0 ... 1,5)^', в пределах которого две точки еще различаются отдельно.

В России принято число строк разложения z = 625. Это в известной мере реализует разрешающую способность глаза, если наблюдение изображения осуществляется при оптимальном расстоянии рассматривания l_опт = (5...6)h, т.е. при рассматривании изображения в угле ясного зрения. В ТВ системах высокой четкости (ТВЧ) число строк разложения z_ТВЧ = 1125 (1250).

Ширина спектра ТВ сигнала определяется в основном верхней граничной частотой

где n – число кадров, передаваемых в секунду; N_1c = kz²n – число элементов изображения, передаваемых в секунду.

Число кадров, передаваемых в секунду. Число кадров – число неподвижных изображений, передаваемых в одну секунду , – выбирается исходя из инерционных свойств зрительного анализатора. Благодаря инерции зрительного восприятия («памяти») удается имитировать плавное движение деталей изображения и восприятие мерцающего светового потока, как непрерывного излучения.

Из опыта кино известно, что для получения впечатления плавного движения объектов в большинстве случаев достаточно воспроизводить 16 неподвижных изображений в секунду. Однако при таком числе кадров глаз замечает мерцание яркости изображения на экране. Величина критической частоты мерцаний, при которой глаз перестает замечать периодическое изменение яркости телевизионного экрана, лежит в пределах (48 ... 50) Гц. Исходя из этого число кадров ТВ системы при построчной развертке должно быть выбрано n = 50 к/с.

Однако при n = 50 к/с по каналу связи передается избыточная информация, что значительно расширяет спектр сигнала изображения. При этом верхняя частота спектра согласно (1.3) может быть определена как

Сокращения спектра ТВ сигнала за счет уменьшения скорости передачи изображения (числа кадров в секунду) можно добиться с помощью чересстрочной развертки. При чересстрочной развертке каждый кадр передается за два приема: сначала нечетные строки (нечетное поле), затем четные (четное поле). При этом частота мерцаний яркости изображения в 2 раза превышает число кадров, передаваемых в секунду, поэтому для современных вещательных систем с чересстрочной разверткой число кадров выбрано равным n = 25 к/с при мерцании яркости изображения с частотой 50 Гц. Это позволяет сократить спектр частот сигнала изображения в 2 раза и обеспечить незаметность мерцаний яркости изображения на экране. Действительно, при k = 4:3, z = 625 , n = 25 к/с верхняя частота спектра равна

Процесс сокращения спектра сигнала изображения можно пояснить следующим образом. При передаче изображения с распределением яркости L_m вдоль строки m ТВ системой с построчной разверткой (рис. 1.1, а, б) форма сигнала изображения будет иметь вид, показанный на рис. 1.1, в. При передаче этого же изображения ТВ системой с чересстрочной разверткой с тем же числом строк появляется возможность в 2 раза уменьшить число кадров. Из-за этого скорость движения развертывающего луча передающей трубки по строке уменьшается в 2 раза. Форма сигнала изображения в этом случае показана на рис. 1.1, г. Длительность импульсов t_и от соответствующих деталей изображения и длительность фронтов этих импульсов t_ф увеличиваются в 2 раза. Из общей теории связи известно, что ширина спектра импульса обратно пропорциональна его длительности, поэтому при чересстрочной развертке с тем же числом строк спектр сигнала изображения уменьшается в 2 раза и для его передачи требуется меньшая полоса частот тракта.

Контраст и число воспроизводимых градаций яркости изображения. Контрастом изображения называется отношение максимальной яркости изображения L_max к минимальной яркости L_min

Контраст является одним из важнейших качественных параметров изображения, так как он характеризует диапазон изменения яркости и определяет число различимых градаций яркости (полутонов изображения). При уменьшении контраста изображение становится блеклым, как бы покрывается туманом, уменьшается различимость его деталей. К этому явлению приводит и внешняя засветка изображения, так как контраст при наличии паразитной засветки L_д неизбежно падает:

Особенностью нашего зрения является то, что глаз реагирует не на абсолютное значение изменения яркости DL, а на ее относительное приращение DL/L .

Минимальный (пороговый) контраст, обнаруживаемый глазом (пороговая градация яркости), равен (DL/L ) = 0,02 ... 0,05. Мерой визуального ощущения любого перепада яркости может служить число пороговых градаций. В частности, при заданном контрасте наблюдатель может воспринять на изображении вполне определенное количество уровней изменений яркости (пороговых градаций яркости). Так, при характерных для ТВ изображений значениях параметров K_из = 100 и (DL/L)_пор = 0,05 максимально возможное число воспроизводимых градаций определяется как

Вид развертки. Передача ТВ изображения может осуществляться с помощью построчной и чересстрочной разверток. В современном вещательном ТВ, как указывалось выше, используется чересстрочная развертка, обеспечивающая двукратное сокращение спектра ТВ сигнала по сравнению с построчной (при одинаковой четкости и частоте мерцаний яркости изображения).

Однако чересстрочная развертка имеет и недостатки. Наиболее существенным из них являются жесткие условия формирования чересстрочного растра: в каждом кадре должно быть строго определенное нечетное число строк разложения; следовательно, в каждом поле должно быть целое число строк плюс половина строки. Для этого необходима жесткая связь частот кадровой и строчной разверток. Нарушение чересстрочной развертки – «слипание» строк – может происходить и при неидентичности (порядка 0,16%) размахов сигналов кадровой развертки нечетного и четного полей.

Основные параметры системы ТВ вещания России:

число строк разложения z = 625,
число кадров в секунду n = 25 к/с,
формат кадра k = 3:4,
вид развертки – чересстрочная.

Состав, назначение и особенности полного телевизионного сигнала

Полный телевизионный сигнал (ПТВС) черно-белой ТВ системы содержит следующие составляющие: сигнал изображения (сигнал яркости), сигнал гашения, сигнал синхронизации разверток приемников.

На рис. 1.2 показаны осциллограммы ПТВС при частотах развертки осциллографа, кратных частоте строчной развертки f_z (рис. 1.2, а) и частоте кадровой развертки f_n (рис. 1.2, б).

Сигнал изображения. Сигнал изображения (сигнал яркости) располагается в активной части строки T_za (рис. 1.2, а) и является ос-новной составляющей ПТВС, так как несет информацию о яркости элементов изображения. Форма сигнала изображения имеет импульсный характер и соответствует изменению яркости изображения в направлении строчной развертки. Любое искажение формы сигнала неизбежно вызывает яркостные искажения деталей ТВ изображения.

Так как яркость является униполярной физической величиной, сигнал изображения также униполярен и, следовательно, имеет постоянную составляющую, пропорциональную средней яркости изображения. При этом за положительную полярность сигнала принимается такая полярность, при которой максимальное значение сигнала соответствует максимальной яркости (уровню белого, рис. 1.2), а за негативную – полярность, при которой максимальное значение сигнала соответствует минимальной яркости (уровню черного).

Размах сигнала изображения между реальными уровнями белого и черного характеризует контраст изображения.

Верхняя граничная частота спектра сигнала изображения

Сигнал гашения. Сигнал гашения в ПТВС предназначен для запирания лучей приемных трубок – кинескопов – во время обратных ходов разверток. Он состоит из совокупности П-образных гасящих импульсов частоты строк длительностью 12 мкс (19% от длительности строки T_z = 64 мкс, рис. 1.2, а) и П-образных гасящих импульсов частоты полей длительностью 25 T_z =1600 мкс (8% от длительности поля T_z = 20 мс, рис. 1.2, б). Из 625 строк ТВ растра 50 не используются для передачи изображения и затрачиваются на два обратных хода кадровой развертки.

Полярность и размах сигнала гашения выбираются такими, чтобы вершины П-образных импульсов находились на уровне гашения – на (0...5)% ниже уровня черного ПТВС (рис. 1.2). В случае отсутствия или малого размаха кадровых гасящих импульсов, недостаточных для надежного запирания луча приемной трубки, на изображении появляются характерные белые полоски – след от луча кинескопа во время обратного хода по кадру. В случае недостаточного размаха строчных гасящих импульсов след от луча при обратном ходе по строке создает паразитную засветку. Это приводит к уменьшению контраста ТВ изображения.

Сигнал синхронизации. Сигнал синхронизации предназначен для жесткой синхронизации разверток ТВ приемника с соответствующими развертками передающей камеры ТВ центра.

Сигнал синхронизации состоит из совокупности П-образных строчных синхроимпульсов длительностью 4,7 мкс и кадровых длительностью 2,5 T_z= 160 мкс (рис. 1.2). Для идентичности кадровых синхроимпульсов, следующих в начале четных и нечетных полей, в них сделаны пять импульсов врезок с двойной строчной частотой длительностью 4,7 мкс каждый. Для одинаковых условий выделения синхроимпульсов четных и нечетных полей в приемнике перед этими импульсами и после них передаются две последовательности из пяти уравнивающих импульсов с двойной строчной частотой и длительностью 2,35 мкс каждый.

Сигналы синхронизации передаются во время следования соответствующих гасящих импульсов в области уровней ниже уровня гашения. Размах сигнала синхронизации устанавливается равным 30% от размаха ПТВС (рис. 1.2).

Оценка параметров и искажений ТВ изображения и ПТВС

Оценка величин основных параметров и искажений ТВ изображения, а также настройка оборудования производятся в большинстве случаев с помощью телевизионных испытательных таблиц (ТИТ). В частности, в лабораторном макете ТВ системы для оценки параметров и искажений ТВ изображения используется универсальная электронная испытательная таблица УЭИТ.

Координатные искажения изображения. Координатные (геометрические) искажения изображения – нарушение геометрического подобия репродукции по отношению к оригиналу. Чаще всего они возникают из-за следующих причин:

1) неидентичности форматов кадра на передающей и приемной трубках, т. е. неправильного соотношения размахов сигналов строчной и кадровой разверток. При этом возникает равномерное по всему полю изменение масштаба изображения по горизонтали или по вертикали. Эти искажения ликвидируются изменением размеров изображения по вертикали или горизонтали;

2) неидентичности формы сигналов строчных (кадровых) разверток передающих и приемных устройств, т. е. неодинаковости относительных скоростей движения лучей в горизонтальном (вертикальном) направлении в передающей и приемной трубках. При этом часть репродукции увеличивается в размерах относительно оригинала, а другая часть уменьшается.

Визуальная качественная оценка координатных искажений и их коррекция с помощью регулировок размахов и линейностей сигналов строчной и кадровой разверток производится по окружностям сравнительно большого диаметра. Они размещаются обычно в центре и по углам поля ТИТ. К искажениям этих окружностей глаз наиболее критичен.

Оценка искажений низкочастотных составляющих сигнала изображения. Искажения низкочастотных составляющих сигнала изображения вызывают искажения яркости крупных деталей изображения (тянущиеся продолжения).

Сигнал изображения от относительно крупных деталей (рис. 1.3,а) оригинала представляет собой импульсы сравнительно большой длительности (рис. 1.3, б), поэтому спектр такого сигнала содержит и относительно низкие частоты. Искажения указанных импульсов определяются формой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта в области низких частот (или формой переходной характеристики в области больших времен – горизонтальной части единичного скачка).

Как известно, при спаде (подъеме) АЧХ в области низких частот, у импульса сравнительно большой длительности наблюдается спад (подъем) плоской части, а за импульсом появляется тянущееся продолжение «за белым – черное» («за белым – белое»). Плавное изменение яркости крупной детали в направлении строчной развертки, возникающее из-за наклона плоской части импульса, визуально сравнительно мало заметно. А вот искажения яркости фона ТИТ – тянущееся продолжение за деталью в виде своеобразного «хвоста» – заметно значительно сильнее (рис. 1.3, в).

В УЭИТ для оценки низкочастотных искажений сигнала изображения предусмотрены черные и белые детали в центре таблицы.

Оценка искажений высокочастотных составляющих сигнала изображения. Искажения высокочастотных составляющих сигнала изображения вызывают изменение четкости изображения в горизонтальном направлении и появление ложных узоров на изображении (пластика, повторы контуров деталей и т. п.).

Четкость изображения определяется: по вертикали – числом строк разложения z и качеством чересстрочной развертки, а по горизонтали – шириной полосы частот пропускания канала передачи сигнала изображения (или формой переходной характеристики в области малых времен – длительностью фронта переходной характеристики).

Практически четкость изображения оценивается величиной минимальной детали, воспроизводимой с помощью ТВ системы.

Величины деталей измеряются в относительных единицах (по отношению к высоте кадра h ), а четкость – в условных единицах – строках. Например, если визуально на репродукции различаются детали размером не менее (1/550)h , то четкость изображения составит 550 строк.

Для оценки четкости изображения используются штриховые миры из черно-белых линий с одним, двумя и тремя черными штрихами одинаковой толщины, а также многоштриховые миры с одинаковой толщиной штрихов в центре и углах ТИТ. Около этих мир нанесены числа условных единиц измерения четкости изображения, соответствующие относительной толщине штрихов в данном месте. Для количественной оценки четкости изображения наблюдатель определяет область, где штрихи миры перестают различаться раздельно.

Спад АЧХ тракта в области верхних частот и соответствующее увеличение длительности фронта переходной характеристики (рис. 1.4, а) являются основной причиной уменьшения четкости изображения по горизонтали.

При подъеме АЧХ в области верхних частот уменьшается длительность фронта переходной характеристики (рис. 1.4, б), и, кроме того, на горизонтальной части ее может возникнуть затухающий колебательный процесс (рис. 1.4, в). В соответствии с искажениями переходной характеристики искажаются и детали изображения, т. е. после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возникнуть повторы контура детали с постепенно убывающей интенсивностью. Если же колебательный процесс апериодичен, т. е. если имеется только один (первый) выброс e , то границы детали им как бы подчеркиваются. Эти искажения носят название «пластика». В ряде случаев небольшая пластика даже полезна, так как она улучшает распознаваемость объектов.

Оценка четкости по вертикали с помощью горизонтальных штриховых мир затруднена муар-эффектом – биением пространственных частот, образованных дискретной структурой растра по вертикали и горизонтальными штрихами миры. С помощью УЭИТ косвенно оценивается лишь качество чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий в центре таблицы. При нарушении чересстрочной развертки эти линии воспроизводятся в виде ступенчатых кривых.

Оценка нелинейных искажений сигнала изображения. Нелинейные искажения сигнала изображения вызывают изменение контраста деталей репродукции и числа воспроизводимых градаций (полутонов).

Оценка контраста изображения и числа воспроизводимых градаций производится по шкале перепадов яркости – градационному клину. Эти шкалы ТИТ составлены в большинстве случаев из 10 сравнительно больших черно-белых прямоугольников, причем первый и последний имеют соответственно максимальную и минимальную яркости, а яркость промежуточных прямоугольников визуально линейно меняется в заданном диапазоне яркостей. Шкалы располагаются, как правило, горизонтально в центральной части таблицы. Форма сигнала изображения от подобного клина представляет собой ступенчатую спадающую (возрастающую) кривую.

Измерение яркостей первого и последнего элементов шкалы дает возможность оценить величину контраста изображения, а число прямоугольников с отличающимися от соседних яркостями (число ступеней яркости) позволяет ориентировочно оценить число воспроизводимых градаций (полутонов) изображения. Обычно для универсальных ТИТ контраст репродукции должен быть порядка 50, а число полутонов 7–9. Следует учесть, что при этом номинальное число градаций, которое может воспроизвести ТВ система, будет примерно на порядок выше – 70–80, так как величина каждого перепада яркости градационного клина содержит 8–10 пороговых градаций.

Указанные значения яркостных параметров изображения на экране кинескопа ТВ приемника достигают с помощью многократных последовательных регулировок яркости и контраста (размаха ПТВС). Остальные параметры репродукции (четкость, тянущиеся продолжения и др.) оцениваются по ТИТ только после установки оптимальных яркостных параметров изображения.

Контрольные вопросы

1. Объясните назначение всех составляющих ПТВС.
2. Поясните, почему параметры разложения изображения определяют полосу пропускания тракта передачи ТВ сигнала.
3. Какие искажения формы ТВ сигнала будут иметь место при спаде (подъеме) амплитудно-частотной характеристики в области нижних (верхних) частот полосы пропускания и как они проявятся на ТВ изображении?
4. Перечислите параметры ТВ системы и их влияние на качество изображения.
5. Перечислите искажения ТВ изображения и основные причины, их вызывающие.