Оконечным устройством, принимающим ТВ изображение, является зрительная система человека. Поэтому для рационального построения ТВ систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемника светового излучения - глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную информацию в мозг человека и зрительных участков коры головного мозга, в которых происходит расшифровка информации и формирование зрительного образа.

Рисунок 2.1. Строение человеческого глаза

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рисунок 2.1), покрытое оболочкой – склерой. Передняя часть склеры, называемая роговицей, прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. За роговицей расположены передняя камера, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой, имеющей в центре отверстие – зрачок. Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза. За зрачком находится хрусталик, представляющий собой прозрачное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, охватывающей хрусталик, кривизна последнего может меняться, фокусируя на задней стенке глаза изображения предметов, находящихся примерно от 10 см до бесконечности. С внутренней стороны в глазное яблоко входит зрительный нерв, состоящий из большого количества нервных волокон. Окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой, которая называется сетчаткой. В зависимости от формы нервные окончания подразделяются на палочки и колбочки. Колбочки обладают чувствительностью к свету и цвету, палочки только к свету. Элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдельному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами, они, обладая большой светочувствительностью, обеспечивают сумеречное зрение.

Важнейшей характеристикой зрения, определяемой структурой сетчатки глаза, является разрешающая способность, т.е. способность глаза различать мелкие детали. Количественно она оценивается величиной, обратной минимальному углу, под которым две светящиеся точки наблюдаются раздельно. При нормальном зрении разрешаемый угол составляет примерно 1', в этом случае изображение рассматриваемых точек попадает на отдельные колбочки. Ограниченная величина разрешающей способности глаза позволяет воспроизводить конечное число элементов в ТВ изображениях.

Глаз человека обладает инерционностью, т.е. способностью сохранить зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность зрения используется для получения слитного восприятия движения при последовательной передаче неподвижных изображений. Этот принцип используется в ТВ. Слитность движения наступает при передаче 16-20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощущает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличением частоты смен изображений мелькания яркости уменьшаются, а затем становятся незаметными. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости, называется критической частотой мельканий f _кр. Критическая частота мельканий зависит от средней яркости изображения L и определяется следующим эмпирическим выражением;

f _кр 9,6 lgL + 26,8

Для яркости современных ТВ экранов, равной примерно 100-200 кд/м ² , f_кр 45-48 Гц.

Общий диапазон яркости объекта характеризуется его контрастностью К, равной отношению максимальной яркости объекта L_max к минимальной L_min, т.е. К = L_max/ L_min. Кроме граничных, объект имеет промежуточные значения яркости, т.е. градации яркости, или полутона. От числа воспроизводимых на изображении полутонов зависит степень точности воспроизведения объекта. При плавном изменении яркости объекта число градаций бесконечно велико, а приращение яркости от градации к градации бесконечно мало. Однако глаз не способен обнаруживать сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаз так же дискретна, как и его разрешающая способность. Минимальное (пороговое) значение яркости светового потока L, обнаруживаемое глазом на светлом фоне L _ф , является разностным порогом световой чувствительности L_min, который зависит от яркости фона. В этом случае отношение ( L_min/L_ф )= называют дифференциальным порогом. Экспериментально установлено, что в широком диапазоне яркостей =const=(0,02-0,05). Поэтому в изображениях необходимо ограничиться конечным числом воспроизводимых градаций яркости m, которое оценивается выражением

m=2,3 ^-1 lgK .

Полагая, что К=100, что соответствует максимальной контрастности, ограничиваемой глазом, а 0,05, получаем: m 92, что соответствует максимальному числу градаций яркости, различаемых глазом в реальных условиях в ТВ изображениях.

Из всего спектра электромагнитных колебаний, встречающихся в природе, только узкий участок в пределах от 380 нм до 770 нм является визуальным. Воздействие на глаз разных длин волн данного диапазона вызывает ощущение разных цветов от фиолетового ( 380 нм) до красного ( 770 нм), причем восприимчивость глаза к цветам спектра различна.

Рисунок 2.2. Кривая видности глаза

Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза от длины волны , называется кривой видности (рисунок 2.2). При V()одинаковой мощности светового излучения глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому цвету ( ₀ =555 нм). В сторону красного и фиолетового цветов чувствительность глаза понижается и доходит до нуля на границах видимой части спектра. Знание этой зависимости очень важно при воспроизведении изображений в одном цвете, например, черно-белых. В этом случае наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы по их окраске. Следовательно, одноцветное ТВ изображение должно воспроизводить яркость всех цветов в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. На сетчатке глаза экспериментально установлено наличие трех видов колбочек с различной спектральной чувствительностью (рисунок 2.3). Колбочки одного вида в большей степени чувствительны к красному цвету, другие - к зеленому, а третьи к синему. Поэтому изолированное возбуждение одного вида колбочек дает ощущение насыщенного красного цвета, другого - насыщенного зеленого и третьего - насыщенного синего. В действительности, свет независимо от длины волны действует на все три вида колбочек одновременно. Однако, в зависимости от длины волны колбочки возбуждаются различно, и цветовое ощущение определяется степенью возбуждения каждого вида колбочек. При этом абсолютные значения уровней трех возбуждений создает ощущение яркости, а их соотношение – ощущение цветности.

Рисунок 2.3. Кривая чувствительности глаза к основным цветам:
красному R, зеленому G, синему В

Таким образом, любой цвет, видимый глазом, характеризуется яркостью L и цветностью. Яркость является количественной характеристикой цвета, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, а цветность - характеристикой, отражающей различные зрительные цветовые впечатления. Количественными параметрами цветности являются цветовой тон и чистота цвета. Количественно цветовой тон оценивается длиной волны X соответствующего монохроматического цвета, а чистота цвета - в процентах как степень разбавленности насыщенного цвета белым.