Товарищи студенты! На сегодняшней лекции мы с вами узнаем, что особенностью систем телевизионного вещания является то, что источником информации является оптическое изображение объекта в общем случае являющееся функцией следующих параметров: координат X, Y, Z, времени Т, яркости, цвета. Получателем информации является зрительная система человека, воспринимающая указанные параметры для обеспечения физиологически или психологически точного воспроизведения объекта. В то же время, для передачи изображения на расстояние используется электрический сигнал, являющийся функцией двух параметров: амплитуды и мгновенной фазы. Поэтому важной является проблема сопряжения источника и получателя информации в телевизионной системе с параметрами канала связи. На сегодняшней лекции мы и рассмотрим вопросы технической реализации проблемы сопряжения.
Проверка готовности студентов к лекции.
Какие физические процессы необходимо осуществить для передачи изображений электрическими средствами?
Что такое чувствительность глаза?
Что понимается под абсолютным контрастом?
Сформулируйте закон Фехнера.
Дайте определение разрешающей способностью зрения.
Что называется временем зрительной инерции?
Дайте определение критической частоте мельканий.
Источником информации в телевизионных системах является оптическое изображение объекта, которое формируется с помощью оптической системы на фотоэлектрическом преобразователе (рис.1.1)
Объект с помощью оптической системы преобразуется в изображение, размеры которого определяются выражением:
(1.1)
где f / - фокусное расстояние объекта.
То есть масштаб изображения:
М = h/Hоб = а/А
(1.2)
Освещенность Е в плоскости изображения:
(1.3)
где rоб - коэффициент отражения объекта;
tос - коэффициент пропускания оптической системы;
Q = Dос/ f / - относительное отверстие оптической системы;
Dос - размер входного отверстия объектива;
Еоб - освещенность объектива.
В реальных условиях Е и Еоб отличаются примерно на два порядка.
Кроме того, при А>>f / оптическое изображение можно считать плоским, тогда оно характеризуется уравнением Е(X,Y,l,T), где X,Y и l - координаты точек и спектральные параметры, Т - изменение во времени изображения объекта.
Преобразование функции Е(X,Y,l,T) в электрический сигнал Е/(t) осуществляется дискретизацией функции Е(X,Y,l,T) по входящим в нее независимым переменным.
Если время наблюдения Т2-Т1 дискретизировать на малые промежутки времени DТ такие, в течение которого изображение можно считать статическим (неподвижным), то появляется возможность последовательной передачи неподвижных изображений, на каждое из которых отводится такое время DТ, что частота F = 1/DТ³Fкр, это необходимо для исключения ощущения мельканий наблюдаемого изображения.
При передаче неподвижных изображений (например, в факсимильной связи (в функции Е отсутствует Т и можно полагать что DТ=Т2-Т1, где Т1 и Т2 соответственно время начала и окончания предъявления объекта.
Известно, что любой цвет может быть воспроизведен тремя основными цветами (R,G,B или пурпурный, голубой, желтый - в полиграфии, фотографии, кинематографии, в системе цветной факсимильной связи). Поэтому для передачи и воспроизведения цветного изображения можно всю видимую область спектра (380...760 нм) разделить с помощью фильтров на три зоны с некоторыми средними значениями длин волн и передавать в канал три цветоделенных или сформированных из них телевизионных сигнала.
Используя указанные методы можно от функции изображения Е(X,Y,l,T) перейти к функции Еi(X,Y), где i = R,G,B - индексы цветовых зон. Для перехода от Еi(X,Y) к функции Е/(t) используют принцип дискретизации изображения по координатам X и Y, при условии, что изображение имеет ограниченные размеры. Как следует из рис.1.1
-0,5b£ X£ 0,5b и -0,5h£Y£0,5h. Исходя из конечной разрешающей способности зрения и контрастной чувствительности зрения, непрерывную функцию Е(X,Y1), где Y1 = const и Y1Îh, можно заменить ступенчатой функцией Е/(kDX,Y1). Сказанное поясняется рис.1.2
Шаг дискретизации DX определяется граничным значением пространственной частоты nгр = 1/2DX, при которой распределение яркостей функций Е(X,Y1) и E/(kDX,Y1) оказываются неразличимыми зрением при данных условиях наблюдения.
Подобная дискретизация выполняется и в направлении оси OY с шагом DY. На основании этого непрерывное изображение иожно представить совокупностью элементарных площадок (DX, DY), в пределах каждой из которых зрительная система не различает разницы между непрерывным и дискретизированным изображениями. Такая площадка называется элементом изображения (ЭИ).
Рассмотрим обобщенную схему передачи изображений, реализующую принцип дискретизации входной информации. Она представлена на рис.1.3
Изображение на входе системы характеризуется распределением яркости L(X,Y) или коэффициентом отражения r(X,Y). Работа преобразователя основана на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта: каждому элементу изображения однозначно соответствует определенная величина фототока L(X,Y) ® iф(X,Y).
Передача сведений о состоянии каждого элемента изображения может производиться одновременно или последовательно в течение времени дискретизации DТ. В первом случае необходимо N каналов связи (где N - число элементарных площадок, на которые разбито изображение), что при N>>1 нереально. Поэтому в телевизионных системах (и в факсимильной связи) применяется последовательная во времени передача сигналов. При этом по существу передается те же N каналов, но с разделением по времени.
Процесс преобразования сигнала iф(DX, DY) в сигнал u(t) при последовательной передаче изображения поясняется рис.1.4.
Информация о яркости площадки (DX, DY) модулирует сигнал u(t) по амплитуде.
Таким образом, реализована функция анализа изображения: двумерная функция распределения яркости L(X,Y) преобразована в одномерную функцию времени u(t): L(X,Y)®u(t). Выполнение этой операции стало возможным при совместном использовании двух решений:
1. Использование фотоэффекта: L(X,Y) ®u(t).
2. Использование развертки: iф(X,Y) ®u(t).
Развертка - последовательное во времени перемещение развертывающего элемента в плоскости оптического изображения по определенному периодическому закону.
Технически оба решения реализованы в передающих телевизионных трубках, таких как видикон, кремникон, преобразователи на базе ППЗ-структур (ППЗ - прибор с переносом заряда). Принцип построения указанных трубок дан в рекомендованной литературе.
Синтез телевизионного изображения включает также два решения:
Синфазность предполагает одновременность развертки одноименных элементов изображения при анализе и синтезе.
Обеспечение синхронности и синфазности разверток освобождает от необходимости непрерывной передачи координат элементов, так как законы разверток могут быть заранее известны и есть возможность обеспечения их стабильности во времени.
Выводы:
1. Сопряжение источника и получателя информации с каналом связи в телевизионных системах требует использования развертки изображения.
2. Развертка изображения на передающей и приемной сторонах должны быть синхронными и синфазными.
