11.1. Основные требования к параметрам систем перспективного телевидения

11.2. Принципы построения систем телевидения высокой четкости

Целью изучения данной темы является ознакомление с основными требованиями и параметрами систем перспективного телевидения, знание принципов построения систем телевидения высокой четкости.

11.1. Основные требования и параметры систем перспективного телевидения

Угловые размеры ТВ экрана должны выбираться в соответствии с пространством, в пределах которого возможна одновременная проекция ТВ изображения на сетчатки глаз. Границы такого пространства (поле зрения) определяются особенностями оптической системы глаз. Бинокулярное поле зрения человека слагается из раздельных полей зрения каждого глаза и состоит из центрального участка, видимого двумя глазами одновременно, и периферических областей, входящих в поле зрения только одного из глаз (рисунок 11.1). В среднем зона видимости цветных изображений, считая от центра бинокулярного поля зрения, ограничена в следующих пределах: вверх -25°, вниз -35°, вправо и влево по 32. Однако надежнее обнаружение различных изменений в ТВ изображениях проявляется в пределах зоны с еще более узкими границами. Например, угол ясного зрения по вертикали составляет 12-15°. Для того, чтобы ТВ изображение воспринималось в пределах зоны ясного видения в стандартных системах телевещания с разверткой на 525-625 строк, был выбран формат кадра k = b/h = 4:3 = 1,33 (где b - ширина изображения, h- высота изображения). В этом случае расстояние наилучшего рассматривания A устанавливалось равным:

A = (5-6)h , а = 10-12 = (0,5h/A).

1 - периферические области зрения; 2 - центральный участок; 3 - зона бинокулярного видения цветных изображений; 4 - оптимальная зона восприятия стереоизображений

Рисунок 11.1. Границы бинокулярного поля зрения

Однако с точки зрения восприятия визуальной информации данный формат ТВ изображений не оптимален. Дальнейшие психофизиологические исследования показали, что увеличение размеров поля изображения приводит в процессе его восприятия к расширению и усложнению связей между отдельными частями ТВ изображения, являющегося сложным оптическим раздражителем. Наблюдатель, рассматривая ТВ изображение, бессознательно сравнивает его с окружающими предметами. Поэтому, при достаточно больших размерах ТВ экрана воспроизводимое изображение становится более реальным. Особенно заметно улучшается субъективное качество ТВ изображения, воспроизводимого на широкоформатном экране увеличенных размеров (увеличение ширины ТВ изображения по отношению к его высоте). Эксперименты показали, что телезрители предпочитают формат телевизионного кадра с отношением сторон от 5:3 до 6:3. Широкоформатное ТВ изображение существенно более комфортно при его рассматривании, чем традиционное формата 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 воспринимаемой 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. Таким образом, возникает эффект “присутствия”
зрителя, заключающийся в сопричастности телезрителя показываемым на экране событиям, в возрастании эмоционального и смыслового воздействия ТВ изображений на зрителя.

Экспериментально установлено, что большее изображение на большем расстоянии создает более сильное впечатление, чем меньшее изображение на меньшем расстоянии. Практически удвоение размеров изображения эквивалентно улучшению его качества на один балл по семибалльной шкале оценок.

Поэтому в разрабатываемых перспективных системах телевидения наблюдается тенденция к увеличению угловых размеров ТВ изображений. Для бытовых телевизоров предлагается использовать ТВ экраны высотой 1м, с форматом кадра 16:9, при условии, что рассматривание изображения будет осуществляться с расстояния, не превышающего 3h, т.е. A = (2,5-3)h, =20. В этом случае будут обеспечены условия максимальной комфортности, при наблюдении ТВ изображений.

Рассматривать ТВ изображения с более близкого расстояния (A<2h) не рекомендуется. Это объясняется тем, что при малых расстояниях наблюдения зритель не может охватить взглядом весь экран и не успевает прослеживать быстрые движения (со скоростью 20-30 град/с) объектов в ТВ кадре. Восприятие ТВ изображений в таких условиях может привести к сильному утомлению глаз.

Число строк разложения z является важнейшим параметром ТВ изображений, так как оно характеризует степень воспроизведения мелких деталей в вертикальном направлении растра, т.е. четкость по вертикали. При оценке требуемого числа строк обычно исходят из условия слияния строчной структуры ТВ изображения на заданном расстоянии рассматривания. Практически значение z находится из следующего выражения:

z = /,

где = 1- - угловая разрешающая способность глаза. При этом различимость строчной структуры изображения оказывается на пороге ее разрешения зрительным аппаратом. При А=(2,5-3h), z=1200 строк.

Практика наблюдения ТВ изображений показала, что разрешение мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра несколько снижается. Потери вертикальной четкости при построчном разложении учитываются коэффициентом Келла (К= 0,75-0,85). ТВ изображение при чересстрочной развертке по качеству уступает изображению с построчной разверткой. В частности, это обусловлено временными характеристиками зрительной системы человека. Временное интегрирование яркости светящихся точек экрана кинескопа на периоде поля из-за быстрого затухания свечения люминофора не дает желаемого эффекта. Вследствие этого при наблюдении чересстрочного ТВ растра зритель воспринимает межстрочные мерцания яркости с частотой кадров, дрейф строк и частично замечает строчную структуру изображения. Экспериментально установлено, что при переходе от стандарта с прогрессивной разверткой, частотой кадров f = 50 Гц и удвоенной частотой строк (f = 31250 Гц) к стандарту с чересстрочной разверткой, частотой кадров 25 Гц и вдвое меньшей частотой строк (f=15625 Гц), коэффициент потери четкости К имеет следующее значение: К=0,63. При частоте смены полей 90 Гц потерь четкости нет и К=1. Используя принципы линейной интерполяции, вычислим коэффициент потери вертикальной четкости из-за чересстрочной развертки при частоте полей 75 Гц. Из расчета следует, что К=0,85. Таким образом, при чересстрочной развертке с f = 25 (число полей 50) для достижения качества ТВ изображения, соответствующего построчному разложению с теми же параметрами, число строк разложения z должно быть увеличено примерно в 1,4 раза. Данное соотношение практически справедливо при изменении яркости ТВ изображения от 50 до 250кд/м. Следовательно, воспринимаемая четкость ТВ изображения с z=1200 строк при чересстрочной развертке не соответствует разрешающей способности зрительного аппарата человека. Поэтому, с учетом потерь вертикальной четкости из-за дискретности растра, за счет чересстрочной развертки число строк разложения в ТВ изображении должно определяться в соответствии с выражением:

z = /KK.

Для наблюдения с максимальной комфортностью ТВ изображений с чересстрочной разверткой при f=25 Гц, z=2000 строк. Преобразование чересстрочного стандарта разложения ТВ растра в построчный позволит уменьшить числе строк в растре примерно до 1400 при одновременном повышении качества воспринимаемого изображения. Поэтому при разработке новых систем ТВ иногда ставится вопрос об использовании только построчного разложения.

Частота полей f в ТВ системах определяется с учетом отсутствия заметности мельканий яркости крупных белых участков изображения и воспроизведения плавности движения быстроперемещающихся объектов передачи.

Частота полей, необходимая для воспроизведения плавности движения объектов передачи, увеличивается пропорционально скорости движения. Однако, очень быстрых движений объектов зрительная система человека не воспринимает. Для воспроизведения плавных движений объектов с угловой скоростью около 30 град/с (физиологический предел восприятия) достаточна частота полей, равная 45 Гц. Если можно было бы обеспечить постоянство свечения совокупности элементов воспроизводимого изображения на экране кинескопа в течение каждого поля, то при f = 45 Гц не воспринимались бы мелькания яркости. На практике при использовании кинескопов с переменным свечением люминофоров в случае чересстрочной развертки, с частотой полей, равной 50 Гц, наблюдаются мелькания крупных участков изображений с частотой 50 Гц уже при уровне яркости 70 кд/м. С учетом современной тенденции повышения яркости свечения экранов кинескопов по значения 200-300 кд/м, необходимых для просмотра ТВ программ при дневном освещении, мелькания яркости отдельных участков изображений будут восприниматься и при частоте полей, равной 60 Гц.

Для устранения данного недостатка в воспроизводимых ТВ изображениях необходимо либо улучшить характеристики послесвечения экранов используемых кинескопов, либо изменить частоту полей чересстрочного разложения. Поэтому при разработке систем ТНСК рассматривается вопрос об увеличении частоты полей до значений в 70-80 Гц.

Значительным преимуществом будет обладать ТВ система нового стандарта качества (ТНСК) с f= 75 Гц, так как данная частота полей является оптимальной при преобразовании разрабатываемого перспективного стандарта в другие уже используемые стандарты ТВ вещания с помощью интерполяционных методов. Например, два кадра изображения ТВ стандарта с f= 50 Гц, получаются из трех кадров изображения системы ТНСК, четыре кадра стандарта с f= 60 Гц – из пяти кадров системы ТНСК. Частота полей, равная 75 Гц, обеспечит отсутствие межстрочных мерцаний и мельканий крупных участков изображений с яркостью до 300кд/м при наблюдении ТВ экрана как центральным, так и периферическими участками сетчаток глаз, что в значительной степени снизит утомляемость зрительной системы человека. В целом f=75 Гц, обеспечивая незаметность мельканий яркости, гарантирует воспроизведение плавности движений перемещающихся с большой скоростью объектов передачи.

В стандартных системах цветного ТВ PAL, SECAM, NTSC отношение полос частот сигналов яркости E и цветности E, E устанавливается равным 4:1. Данное соотношение было обосновано значительно меньшей разрешающей способностью зрительной системы человека при восприятии мелких цветных деталей на оптимальном расстоянии, равном 5h. Требования к параметрам ТВ изображений в перспективных системах более высокие, условия их наблюдения отличаются от рассматривания изображений в стандартных ТВ системах. Поэтому отношение полос частот сигналов яркости и цветности в перспективных ТВ системах должно быть уменьшено до 3:1 или даже до 2:1. Это позволит уменьшить разницу в восприятии мелких деталей цветного изображения и реальных объектов передачи.

В современных системах цветного ТВ передача цветовой информации осуществляется способом частотного уплотнения, т.е. с помощью одной или двух поднесущих частот (f= 3,58-4,406 МГц), расположенных внутри спектра яркостного сигнала E, которые модулируются цветоразностными сигналами. Такие частотно-уплотненные сигналы получили название композитных. Однако подобной способ передачи сигналов цветности приводит к возникновению перекрестных искажений яркость-цветность
(попадание высокочастотных компонентов сигнала E в канал цветности ТВ приемника, приводящее к цветовым, искажениям) и цветность-яркость. На практике для снижения заметности искажений последнего типа, а также для уменьшения видности поднесущей в яркостном канале телевизора осуществляется ее подавление. Например, в системе SECAM режекторный фильтр охватывает всю область девиации поднесуших, т.е. 3,9-4,8 МГц, и осуществляет подавление сигнала E на 12-14 дБ. Это приводит к значительному уменьшению яркостной четкости ТВ изображения. Фактически яркостная четкость в горизонтальном направлении растра из-за перекрестных искажении цветность-яркость снижается примерно в 1,5 раза, так как определяется только полосой частот сигнала E, в которой отсутствуют цветоразностные сигналы. Следовательно, аналогичные способы передачи сигналов цветности неприемлемы для перспективных ТВ систем.

Для разрабатываемых ТВ систем предлагаемые методы передачи сигналов цветности можно разделить на три группы: частотное уплотнение (балансная модуляция двумя цветоразностными сигналами поднесущей, введенной вне спектра яркостного сигнала), временное уплотнение, т.е. передача сигналов E, E и Eв различных интервалах времени, передача по отдельному каналу. При использовании рекомендуемых способов передачи перекрестные искажения между яркостным и цветоразностными сигналами будут отсутствовать, однако, для их реализации потребуется большая полоса частот канала связи, по сравнению с передачей композитных ТВ сигналов.

11.2. Принцип построения систем телевидения высокой четкости

При разработке современных стандартов систем ТВЧ в первую очередь учитывались следующие факторы: необходимость обеспечения максимального соответствия параметров ТВ изображения психофизиологическим особенностям зрительного восприятия видеоинформации; совместимость перспективных систем ТВ с эксплуатируемыми системами цветного телевещания NTSC, PAL, SECAM.

К настоящему времени предложено несколько различных стандартов систем ТВЧ, основные параметры которых представлены в таблице.

Таблица 11.1. Основные параметры предложенных стандартов ТВЧ

Наименование параметра	Значение основных параметров
	1125/60	1250/50	1050/50	1375/50 (48)
1	2	3	4	5
Число строк в кадре	1125	1250	1050	1375
Число активных строк	1035	1152	966	1265
Полевая частота, Гц	60	50	50	50
Кратность развертки	2:1	1:1 (2:1)	2:1	2:1
Формат кадра	16:9	16:9	16:9	16:9
Строчная частота, Гц	33750	62500 (31250)	31500	34375
Полоса частот сигнала яркости, МГц	31	64 (32)	27	38,7
Число элементов разложения в горизонтальном направлении растра	1832	2040	1710	2240

Каждый из предложенных стандартов обладает своими преимуществами и недостатками.

Стандарт 1125/60/2:1. В основе стандарта лежат результаты двадцатилетних фундаментальных исследований японской вещательной компании NHK. К настоящему времени стандарт 1125/60/2:1 достиг станции промышленного освоения.

В условиях 50 Гц сети ТВ вещания наиболее критичным параметром стандарта 1125/60/2:1 является частота полей 60 Гц, хотя это значение определяет повышенную временную разрешающую способность данной системы ТВЧ. Преобразование стандарта 1125/60/2:1 в стандарт 625/50/2:1 может привести к серьезному ухудшению качества передачи движущихся объектов. Это объясняется отсутствием запаса информации в стандарте 1125/60/2:1, т.е. низкой частотой первичной дискретизации во времени.

В цифровом варианте данного стандарта частота дискретизации яркостного сигнала – 74,25 МГц, которая обусловливает формирование ортогональной структуры отсчетов, удобной для пространственной обработки изображения. Отсчеты цветоразностных сигналов следуют с частотой 37,125 МГц, которая также образует ортогональную структуру. При восьмиразрядном квантовании отсчетов формируется цифровой результирующий поток 1188 Мбит/с.

Стандарт 1250/50/1:1 создан девятью западноевропейскими странами (ФРГ, Франция, Великобритания, Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Норвегия, Дания, Италия) в рамках проекта Eureka – 95, цепью которого является разработка новейших технологий и систем в различных сферах человеческой деятельности. Данный стандарт предполагает переход к вещанию программ ТВЧ от обычного стандарта эволюционным путем. Обеспечивается совместимость стандарта 1250/50/1:1 с системами типа МАС. Стандарт 1250/50/1:1 (вариант прогрессивной развертки) предъявляет предельные требования к технологии, недостижимые в настоящее время в серийной аппаратуре. Особенно это характерно для цифрового варианта стандарта 1250/50/1:1, в котором цифровой поток равен 2304 Мбит/с (частота дискретизация яркостного сигнала - 144 МГц, цветоразностных сигналов - 72 МГц). Для яркостного сигнала предлагается использовать ортогональную, а для цветоразностных сигналов - шахматную структуры дискретизации. (Преимущество шахматной структуры дискретизации заключается в меньшей заметности помехи дискретизации, а недостатки - в усложнении процедуры пространственной обработки изображения). Вследствие этого создание полнополосного цифрового видеомагнитофона для стандарта 1250/50/1:1 в ближайшее время весьма проблематично, поскольку требует перехода на новый уровень технологии. Процедура преобразования стандарта 1250/50/1:1 с прогрессивной разверткой в стандарт 625/50/2:1 максимально упрощается в техническом смысле благодаря равенству их кадровых к полевых частот.

Более упрощенным вариантом является стандарт 1250/50/2:1 (с чересстрочной разверткой).

Стандарт 1250/50/1:1(2:1) критикуется за низкую временную разрешающую способность. Мерцание изображения на экранах видеомониторов при очень большой яркости могут быть устранены удвоением кадровой частоты стандарта отображения.

Стандарт 1050/60/2:1 разработан в США. Система ТВЧ, построенная в соответствии с данным стандартом, будет полностью совместимой с системой вещательного ТВ NTSC.

Стандарт 1375/50(48)2:1 является кино ТВ студийным стандартом, позволяющих совместить ТВЧ и 35-мм фильмопроизводство. Использование в кино и ТВ единой частоты кадров 24 Гц и идеального качества изображения открывает путь к интенсивному развитию кино ТВ техники. Кроме того, увеличение числа строк дает другое принципиально более важное преимущество: существенное уменьшение уровня помехи строчной дискретизации, которая проявляется в виде муара на тонких периодических структурах изображения. Использование 1280 активных строк обеспечивает практическую незаметность строчной структуры ТВ изображения на большом экране с малого расстояния, например, в ТВ театрах.

В настоящее время воспроизведение ТВ изображений высокой четности предусмотрено системой цифрового ТВ вещания ATSC, внедряемой в США. Система ATSCботана Комитетом по усовершенствованиям систем телевидения (Advanced Television Systems Committee). В части кодирования и структурирования информации система ATSCосновывается на международном стандарте кодирования с информационным сжатием MPEG-2 (Motion Picture Expert Group –международная экспертная группа по подвижным изображениям). Стандарт MPEG-2обеспечивает высокую степень сжатия как видеоинформации, так и звуков (практически в 10-15 раз).

MPEG-2 – использует следующие основные идеи:

• устранение временной избыточности ТВ изображений, учитывающее тот факт, что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сцены оказываются неподвижными или незначительно смещаются по полю;

• устранение мелких деталей сцены, несущественных для ее визуального восприятия человеком;

• использование более низкого цветного разрешения, так как глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости;

• повышение информационной плотности результирующего цифрового потока путем выбора оптимального математического кода для его описания.

В итоге в стандартном ТВ канале удается передавать 10 более ТВ сигналов, соответствующих программам обычной четкости, или два или более ТВ сигналов программ высокой четкости.

Вопросы для самоконтроля

11.1. Из каких соображений должны выбираться геометрические размеры воспроизводимых ТВ изображений?

11.2. Какое значение формата кадра ТВ изображения является оптимальным?

11.3. Объясните основные принципы выбора числа воспроизводимых строк в телевидении.

11.4. С какой частотой должны воспроизводиться поля (кадры) ТВ изображения, имеющего повышенную яркость?

11.5. Какой способ передачи сигналов цветности устраняет возникновение перекрестных искажений?

11.6. Перечислите основные принципы построения систем телевидения высокой четкости.

11.7. Назовите основные параметры предложенных стандартов ТВЧ.

Список рекомендуемой литературы

1. Литвак И.И., Ломов Б.Ф., Соловейчик И.Е. Основы построения аппаратуры отображения в автоматизированных системах. -М.:оветское радио, 1975.- 352с.

2. Перспективные параметры системы телевидения высокого разрешения / И.А.Росселевич, В.Н.Ляпунов, А.А.Борисов и др.// Техника кино и телевидения. -1987.-№1.-с.5-11.

3. Выбор параметров системы телевидения высокой визуальной четкости и качества / В.Н.Безруков, А.В.Королев, В.Н.Ляпунов, С.С.Новаковская// Техника кино и телевидения.-1985.-№10.-с.3-9.