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.

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

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 15^о. 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 f_п. В ТВ вещании принята частота полей, равная 50 Гц. При этом частота смены кадров f_к будет в два раза ниже частоты смены полей, т.е. f_к=25 Гц.

Важнейшим параметром ТВ системы является частота строчной развертки f_z, которая определяется выражением: f_z=zf_к.

Рисунок 3.3. Структура ТВ кадра при чересстрочной развертке

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

f_z=625x25 Гц = 15625 Гц.

При этом период строчной развертки Т_z, равен

T_z=l/f_z=l/15625=64xl0^-6 c=64 мкс.

Причем Т_z=Т_z1+Т_z2, где Т_z1, Т_z2 – 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

T_п=l/f_п=T_п1+T_п2= 1/50=2x10^-3 с=20 мс,

где T_п1, Т_п2 – 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. T_п2=25T_z=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.