3. Физические основы телевидения

Цель изучения данной темы заключается в ознакомлении с общими принципами ТВ развертки, в усвоении особенностей чересстрочного разложения, в знании состава полного ТВ сигнала, как на строчном, так и кадровом интервалах, а также структуры спектра ТВ сигнала.

3.1. Принципы телевизионной развертки

ТВ система представляет собой совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, используемых для передачи на расстояние движущихся изображений.

Передача изображений осуществляется электрическим способом, т.е. оптическое изображение в начале передачи преобразуется в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи, который затем в месте приема вновь преобразуется в оптическое изображение.

Для ТВ системы, когда изображение воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображения ограничивается физиологическими характеристиками зрения: разрешающей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционностью зрительного восприятия. Поэтому при передаче изображение условно разбивается примерно на 500000 элементарных площадок, называемых элементами изображения. ТВ система должна передавать информацию о яркости каждого элемента. При одновременной передаче сигналов яркости всех элементов в ТВ потребовалось бы число каналов, равное числу элементов изображения, что практически невозможно. Поэтому в ТВ используется последовательная передача сигналов яркости элементов изображения, называемая разверткой. Процесс развертки заключается в периодическом движении развертывающих элементов по передаваемому и воспроизводимому изображениям. В настоящее время для развертки используется электронный луч передающей и приемной ТВ трубок. Способ перемещения электронных лучей по плоскости изображений может быть любым. Однако для правильного воспроизведения изображения закон движения электронных лучей при передаче и приеме изображений должен быть строго одинаковым, т.е. необходимо соблюдать синхронность и синфазность разверток.      

Рисунок 3.1. Схема образования растра при прогрессивной развертке изображения. 

Рисунок 3.1. Схема образования растра при прогрессивной развертке изображения. 

В ТВ принята линейно-строчная развертка, при которой по всей площади изображения движение развертывающего элемента осуществляется по двум взаимно перпендикулярным направлениям: по горизонтали - вдоль оси X и по вертикали по оси Y (рисунок 3.1). За счет движения электронного луча по горизонтали прочерчиваются параллельные прямые линии, называемые строками. Движение от начала к концу строки образует прямой ход развертки, а возвращение развертывающего элемента от конца предыдущей строки к началу следующей называется обратным ходом, который необходим для подготовки к развертке следующей строки. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром. Если все строки растра прочерчиваются последовательно одна под другой, то такая развертка называется прогрессивной. При прогрессивной развертке за один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Закон движения развертывающего элемента вдоль оси X как функция времени x=f(t) изображается в виде кривой пилообразной формы (рисунок 3.2 а). Чтобы строчки растра были параллельными и располагались одна под другой, характер движения по вертикали также делается линейным. При этом строчки растра оказываются несколько наклоненными по отношению к горизонтальной границе ТВ изображения, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Закон движения развертывающего элемента по вертикали как функция времени у=f(t) аналогичен закону движения по горизонтали и также является пилообразным (рисунок 3.2 б). Аналогично строчной кадровая развертка имеет прямой и обратный ходы.

Рисунок 3.2. Временные графики движения развертывающих элементов при прогрессивной развертке

Рисунок 3.2. Временные графики движения развертывающих элементов при прогрессивной развертке

а) временной график для строчной развертки,

б) временной график для кадровой развертки

Число строк разложения определяется разрешающей способностью глаза и оптимальным углом рассматривания ТВ изображения. Чтобы строчная структура изображения не была заметной, отечественным ТВ стандартом принято число строк z, равное 625, при условии, что наблюдатель находится на расстоянии 5h (пяти высот ТВ экрана). В этом случае зритель будет воспринимать ТВ изображение в вертикальной плоскости под оптимальным углом 15о. Выбранное число строк характеризует четкость ТВ изображения в вертикальном направлении, т.е. способность воспроизводить мелкие детали по вертикали.В перспективных системах телевидения для обеспечения максимальной комфортности зрителей предлагается рассматривать ТВ изображение с расстояния 3h, т.е. под углом 20° в вертикальной плоскости. Для слияния строчной структуры ТВ изображений и повышения вертикальной четкости при таком расстоянии рассматривания требуется увеличение числа строк разложения в каждом кадре практически в два раза. Системы с увеличенным числом строк разложения получили название ТВ систем высокой четкости (ТВЧ).

При выборе частоты смены кадров учитывается инерционность зрения. Для систем ТВ вещания частота мельканий воспроизводимых изображений согласуется также с частотой питающей сети переменного тока. Например, частота смены кадров при применении прогрессивной развертки должна быть равной 50 Гц. Это делается для того, чтобы фон сети переменного тока, создающий неравномерность яркости вдоль кадра, был менее заметен на изображении.

Поскольку полоса частот ТВ сигнала пропорциональна частоте смены кадров, увеличение последней приводит к значительному расширению полосы частот, занимаемой ТВ сигналом. Для ее сокращения в два раза применяется чересстрочная развертка, сущность которой заключается в передаче одного кадра изображения в два приема. Полный кадр изображения состоит из двух полей. За время развертки первого поля прочерчиваются все нечетные, а за время развертки второго поля – все четные строки кадра. Вследствие инерционности глаз воспринимает изображение обоих полей как слитное изображение кадра, содержащего полное число элементов.

Чередование строк первого и второго полей достигается выбором нечетного числа строк в кадре, благодаря чему второе поле начинается с половины строки и все строки второго поля оказываются соответственно сдвинутыми по вертикали относительно строк первого поля (рисунок 3.3).Частота мельканий яркости изображения при чересстрочной развертке равна частоте смены полей fп. В ТВ вещании принята частота полей, равная 50 Гц. При этом частота смены кадров fк будет в два раза ниже частоты смены полей, т.е. fк=25 Гц.

Важнейшим параметром ТВ системы является частота строчной развертки fz, которая определяется выражением: fz=zfк.

Рисунок 3.3. Структура ТВ кадра при чересстрочной развертке

Рисунок 3.3. Структура ТВ кадра при чересстрочной развертке

Для отечественного вещательного ТВ стандарта, который предусматривает применение чересстрочной развертки, fz имеет следующее численное значение:

fz=625x25 Гц = 15625 Гц.

При этом период строчной развертки Тz, равен

Tz=l/fz=l/15625=64xl0-6 c=64 мкс.

Причем Тzz1z2, где Тz1, Тz2 – длительности соответственно прямого и обратного ходов строчной развертки. Во время обратного хода строчной развертки видеосигнал не передается и изображение не воспроизводится, поэтому это время желательно делать короче. Практически длительность обратного хода составляет 12 мкс.

Период кадровой (вертикальной) развертки равен

Tп=l/fп=Tп1+Tп2= 1/50=2x10-3 с=20 мс,

где Tп1, Тп2 – длительности соответственно прямого и обратного ходов кадровой развертки. Время обратного хода кадровой развертки охватывает 25 периодов строк, которые не участвуют в образовании ТВ растра, т.е. Tп2=25Tz=64xl0-6c х25=1,6 мс. Если учесть, что в ТВ используется чересстрочная развертка, то в течение периода каждого кадра осуществляется два обратных хода по вертикали. Поэтому из номинального числа строк в одном кадре (z=625) 50 строк не воспроизводятся на изображении, так как они приходятся на интервалы обратных ходов по вертикали.

3.2. Общие сведения о телевизионном сигнале    

Полный ТВ сигнал состоит из сигналов яркости (видеосигнала), сигналов строчной и кадровой синхронизации и гасящих импульсов (ГИ).

Для упрощения процесса ознакомления целесообразно рассмотреть сначала структуру ТВ сигнала во временном интервале, где отсутствуют кадровые гасящие импульсы (КГИ). Форма полного ТВ сигнала, соответствующего одному периоду строчной развертки Tz, представлена на рисунке 3.4. В интервале времени Тz1, соответствующем прямому ходу строчной развертки, передается видеосигнал, представляющий собой совокупность электрических импульсов, пропорциональных яркости передаваемых элементов изображения. Уровень видеосигнала, соответствующий минимальному значению яркости, называется уровнем черного, а уровень, соответствующий максимальному значению яркости - уровнем белого. Между этими уровнями располагаются все остальные значения видеосигнала, соответствующие промежуточным значениям яркости.

Рисунок 3.4. Форма ТВ сигнала положительной полярности на строчном интервале

Рисунок 3.4. Форма ТВ сигнала положительной полярности на строчном интервале

Свет по своей природе униполярен, так как яркость не может быть отрицательной величиной. Видеосигнал, являясь величиной, пропорциональной яркости изображения, также униполярен, т.е. изменяется в одну сторону от нулевого значения и, следовательно, имеет постоянную составляющую, пропорциональную средней яркости передаваемого изображения. Если уровню белого соответствует максимальное значение сигнала, а уровню черного – минимальное, то полярность такого сигнала называется положительной, а сигнал – позитивным. В обратном случае видеосигнал имеет отрицательную полярность и является негативным.Величина полного ТВ сигнала определяется его размахом, т.е. разностью между максимальным и минимальным значениями напряжения (Umax) и выражается в вольтах.

Чтобы обратные ходы разверток не были заметны на изображении, необходимо яркость в это время сделать минимальной. Для этой цели в видеосигнал во время обратного хода строчной и кадровой разверток вводятся специальные строчные гасящие импульсы (СГИ) и КГИ, длительность которых соответствует длительности обратных ходов строчной и кадровой разверток. По форме ГИ представляют собой прямоугольные импульсы. Второе назначение ГИ заключается в передаче постоянной составляющей ТВ сигнала. С этой целью амплитуда СГИ меняется в соответствии с величиной напряжения постоянной составляющей.

Чтобы обеспечить синхронность и синфазность работы развертывающих устройств в телевизорах и в ТВ оборудовании телецентра, одновременно с видеосигналом передаются строчные и кадровые синхронизирующие импульсы (ССИ, КСИ). Данные импульсы не должны мешать передаче видеосигнала, поэтому их располагают на вершинах ГИ в так называемой области чернее черного. Различие между ними состоит в частоте повторения и длительности: частота повторения ССИ соответствует частоте строк fz, а длительность равна 4,7 мкс, частота следования КСИ равна 50 Гц, при длительности 160 мкс.

В полном ТВ сигнале за опорный принимается уровень ГИ. Он создает границу между областью передачи видеосигнала и областью передачи сигналов синхронизации. Если принять весь размах ТВ сигнала Umax за 100%, то согласно стандарту амплитуда синхронизирующих импульсов (СИ) всегда должна составлять 30% от этого максимума вне зависимости от содержания изображения. Это постоянство амплитуды обеспечивает надежное их отделение от видеосигнала в телевизорах. Уровень белого видеосигнала при положительной полярности (рисунок 3.4) отстоит от максимального уровня полного ТВ сигнала (контрольного уровня белого) на 10-15% от Umax, а между уровнем черного и уровнем ГИ располагается охранная полоса, составляющая от 0 до 7% от Umax. Данная охранная полоса необходима для предохранения синхронизирующих импульсов от попадания импульсных помех из области видеосигнала.Структура ТВ сигнала во время передачи кадровых импульсов показана на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Форма ТВ сигнала отрицательной полярности на кадровом интервале

Рисунок 3.5. Форма ТВ сигнала отрицательной полярности на кадровом интервале

Строки кадра нумеруются последовательно цифрами от 1 до 625, начиная от передачи фронта КСИ в первом поле. Первым считается то поле, у которого фронты КСИ и ССИ совпадают. При чересстрочной развертке первое поле включает строки с 1 по 312 и половину 313 строки, а второе поле включает вторую половину строки 313 и строки с 314 по 625. Для исключения нарушений строчной синхронизации ССИ следует передавать и во время КГИ и КСИ. ССИ во время передачи КСИ помещаются внутри него в виде врезок, из которых в телевизорах формируются обычные ССИ. Перед КСИ размещена первая (1=2,5Т7), а после него вторая(n=2,5Tz) последовательности уравнивающих импульсов. Необходимость уравнивающих импульсов, а также врезок в КСИ, следующих с двойной строчной частотой 2fz=31250 Гц, вызвана особенностью построения схем синхронизации блоков развертки в ТВ приемниках.

3.3. Спектральный состав телевизионного сигнала    

Характерной особенностью ТВ сигнала является широкий диапазон частот, занимаемый видеосигналом, Спектр частот видеосигнала Δf определяется разностью между верхней fв и нижней fн граничными частотами.

Δf = fв – fн .

Нижняя граничная частота видеосигнала соответствует передаче неподвижного изображения, имеющего минимальное число изменений яркости. Наиболее простым является неподвижное изображение, состоящее из двух деталей разной яркости, имеющих горизонтальную границу раздела. Такое изображение имеет одно изменение яркости при передаче одного кадра изображения. При чересстрочной развертке за нижнюю границу спектра fн следует принять частоту, равную числу полей, передаваемых в секунду, т.е. fн=50 Гц. Эта нижняя граница спектра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения.

Верхняя частота спектра образуется при передаче максимально сложного изображения. Из анализа условий передачи наиболее сложного с точки зрения детальности ТВ изображения следует, что верхняя частота спектра fв определяется выражением:

fв = 0,5kФz2fк 

где kФ– формат кадра ТВ изображения, т.е. отношение ширины b к его высоте h, равное 1,33. Расчет выполненный по вышеуказанному соотношению показывает, что fв≈6,0 МГц. Верхняя частота определяет степень воспроизведения контуров мелких деталей ТВ изображения. Это объясняется тем, что в горизонтальном направлении ТВ изображение не имеет дискретной структуры. Поэтому горизонтальный размер элемента изображения определяется длительностью его передачи τэл, которая обратно пропорциональна верхней граничной частоте спектра ТВ сигнала fв, т.е. fв=1/2τэл. С увеличением верхней частоты спектра длительность элемента уменьшается, а горизонтальная четкость увеличивается. Следовательно, четкость изображения по горизонтали определяется полосой пропускания ТВ системы, которая практически соответствует верхней граничной частоте спектра fв, так как fн<<fв

Экспериментальные исследования, проведенные в последнее время, показали, что телезрители предпочитают формат ТВ кадра с отношением сторон 16:9. Широкоформатное ТВ изображение существенно более комфортно при его рассматривании, чем традиционные форматы 4:3. Главная причина этого заключается в особенностях зрительного восприятия человека. В этом случае увеличивается угол зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема восринимаемой информации. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают различимость отображаемых объектов, а также усиливают впечатление объемности и относительного пространственного расположения рассматриваемых объектов. Поэтому в ТВ системах будущего предлагается формат кадра, равный 1,78. В свою очередь это приведет к некоторому увеличению верхней граничной частоты спектра ТВ сигнала (примерно в 1,33 раза).

Кроме основного спектра ТВ сигнала, распространяющегося от 50 Гц до примерно 6 МГц, имеется еще небольшой участок в границах от 0 до 2–3 Гц. Этот участок спектра соответствует так называемой постоянной составляющей ТВ сигнала, которая пропорциональна изменениям средней яркости ТВ изображения. Например, при длительной передаче изображения испытательной таблицы средняя яркость не меняется, поэтому частота сигнала постоянной составляющей равна нулю. Однако, во многих случаях, особенно, при передаче кинофильмов по телевидению, средняя яркость ТВ изображения меняется практически с частотой 2-3 Гц. Непосредственная передача сигнала постоянной составляющей в ТВ системе, не представляется возможной, так как многокаскадные видеоусилители не пропускают электрические сигналы с частотами, близкими к нулю. Поэтому в ТВ аппаратуре передача постоянной составляющей осуществляется косвенным путем, с помощью амплитудной модуляции (AM) СГИ ее спектр оказывается перенесенным в область основного спектра ТВ сигнала. Затем сигнал постоянной составляющей усиливается и передается совместно с основным ТВ сигналом.

ТВ сигнал при передаче неподвижного изображения является периодическим. Его спектр имеет линейчатый дискретный характер и состоит из частоты полей fпи ее гармоник, частоты строк fz и ее гармоник, а также боковых компонент, расположенных по обе стороны от каждой из гармоник частоты строк (рисунок 3.6). Текущее значение частоты спектральных составляющих ТВ сигнала

fт можно представить в виде следующего выражения:   

fт=kнfz ± mнfп,

где kн и mн принимают целые значения 0, 1, 2, 3, .... Составляющие kнfz, гармоники строчной частоты) образуют первичный спектр ТВ сигнала или основные частоты. Амплитуды основных спектральных составляющих с ростом частоты убывают по экспоненциальному закону. Около каждой из основных частот спектра, группируются боковые составляющие, обусловленные кадровой разверткой и движением деталей изображения. Они образуют вторичный спектр с частотами mнfп, кратными частоте кадровой развертки.

Рисунок 3.6. Структура линейчатого спектра ТВ сигнала

Рисунок 3.6. Структура линейчатого спектра ТВ сигнала

Амплитуды составляющих вторичного спектра также убывают по экспоненциальному закону. Соотношение между амплитудами составляющих первичного и вторичного спектров зависит от вида изображения и расположения его относительно растра. Практически отношение максимума энергии к минимуму в спектре видеосигнала в зависимости от содержания изображения составляет величину от 2 до 35 дБ.

Если в изображении имеются преимущественно вертикальные линии или полосы, перпендикулярные горизонтальной оси, практически вся энергия будет сосредоточена в составляющих первичного спектра с частотами kнfz В целом основная энергия видеосигнала сосредоточена около гармоник fz, образуя дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.

При передаче подвижных изображений дискретная структура каждого из участков спектра, расположенного по обе стороны от гармоник строчной частоты, нарушается, и указанные участки приобретают сплошной непрерывный характер. Однако, скорость смены кадров в ТВ системе значительно превосходит скорость движения объектов в ТВ изображениях, поэтому незаполненные промежутки в спектре сохраняются, а структура спектра по-прежнему остается почти периодичной.

Аналоговые сигналы подвергаются в каждом из многочисленных устройств ТВ тракта воздействию шумов и других помех. Поэтому, при аналоговых способах усиления и обработки ТВ сигнала уровень воздействующих помех накапливается по мере увеличения протяженности линий связи. Существенно уменьшить искажения при передаче ТВ сигналов на большие расстояния, а также расширить возможности способов обработки ТВ сигналов позволяют цифровые методы передачи и обработки.

Вопросы для самоконтроля

3.1. Каким способом осуществляется развертка ТВ изображения?

3.2. Из каких условий определяется число строк разложения ТВ изображения?

3.3. Чему равняется частота смены кадров в ТВ системе?

3.4. Поясните принципы получения чересстрочного растра.

3.5. С какой целью в телевидении применяется чересстрочная развертка?

3.6. Поясните состав полного ТВ сигнала на строчном интервале.

3.7. Проанализируйте состав полного ТВ сигнала на кадровом интервале.

3.8. Что такое синхронность и синфазность работы развертывающих устройств в ТВ системе и как они поддерживаются?

3.9. Поясните структуру спектра ТВ сигнала.

3.10. Как применяется структура спектра ТВ сигнала при передаче подвижных изображений?

3.11. Дайте количественную оценку граничным частотам ТВ сигнала.

Список рекомендуемой литературы

Телевидение /Под ред. В.Е.Джаконии.– М.: Радио и связь, 1997.– 640 с.

Быков Р.Е. теоретические основы телевидения. – СПб.: Лань, 1998. – 288 с.

Домбругов Р.М. Телевидение. – Киев: Вища школа, 1998. – 213 с.

Основы радиосвязи и телевидения


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.