Обобщенная схема телевизионной системы
2. Обобщенная схема телевизионной системы.
Основным назначением телевизионных систем является формирование изображения передаваемых сцен в реальном времени или с использованием видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Вместе с тем телевизионные методы широко используются в системах анализа изображений с целью извлечения полезной информации об изучаемых объектах или процессах.
Наиболее привычным для человека носителем информации об окружающем его мире является видимое излучение (область спектра электромагнитных колебаний с длиной волны l от 380 до 760 нм, непосредственно воспринимаемых глазом). С помощью зрительной системы человек получает наибольший (до 80%) объем информации из внешнего мира. “Соседние” участки спектра — инфракрасный (760—104 нм), ультрафиолетовый (5—380 нм), а также рентгеновский (0,01—5,00 нм) и др., как известно, также несут существенную информацию об окружающих предметах и протекающих процессах, но она не может быть непосредственно зарегистрирована глазом. Для этих целей используют различного рода преобразования невидимого изображения в видимое — визуализацию невидимых изображений. Такое функциональное назначение ТВС стало одним из важнейших в настоящее время.
В качестве примера ТВС рассмотрим систему, назначением которой является формирование изображения передаваемой сцены, предназначенного для восприятия человеком. Функциональная схема подобной ТВС приведена на рис. 2. 1. Источник света (И) освещает передаваемую сцену (С) световым потоком F0.
Отраженный световой поток F оказывается сложной функцией координат х, у, z пространства объектов, длины волны излучения l и времени t. С помощью объектива Об формируется изображение передаваемой сцены Е(x, у, z, l, t) — распределение освещенности в координатах х, у, z пространства изображения. Это изображение является входным сигналом ТВС. С помощью фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) оно преобразуется в электрический сигнал (сигналы). Этот сигнал после обработки и усиления (ОУ) поступает в канал связи (КС) (радиоканал, кабельная линия связи и т. п.). С выхода канала связи сигнал после дополнительной обработки и усиления (ОУ) поступает на электронно-лучевую трубку ЭЛТ. На экране ЭЛТ (кинескопа) воспроизводится изображение передаваемой сцены.
Для синхронной работы всех узлов системы используется генератор синхронизирующих сигналов — синхрогенератор (СГ), а для отклонения электронных пучков ФЭП и ЭЛТ в системе применены генераторы развертки (ГР).
Таким образом, в рассматриваемой системе, как и в любой другой, предназначенной для передачи информации, предусматривается наличие носителя информации, в параметрах которого закодировано сообщение о передаваемой сцене.
Рис. 2. 1. Функциональная схема ТВС.
Рекомендуемые материалы
Телевизионная система является сложной многозвенной системой передачи информации, сигнал которой на различных участках может иметь различную физическую природу (световое излучение, поток электронов и др.).
Какие параметры сигнала — носителя информации можно использовать для передачи сообщений в ТВС? Это может быть видимое излучение — белый свет с равномерным или близким к нему распределением мощности по спектру излучения. Как известно, белый свет может быть представлен в виде суммы большого числа монохроматических составляющих со случайными амплитудами, частотами, фазами, направлениями распространения и поляризацией. Хотя использование этого излучения ограничено вследствие случайности его параметров, однако и в этом случае можно проектировать достаточно эффективные ТВС, основанные на модуляции таких параметров, как амплитуда излучения и его спектральный состав.
Для каждого конкретного момента времени реакция ФЭП на воздействующее излучение описывается зависимостью его выходного сигнала ic от функции распределения мощности излучения Р(L) с учетом спектральной чувствительности ФЭП e(L):
где с — постоянный коэффициент, определяющий чувствительность ФЭП: l1 - l2 диапазон спектральной чувствительности.
Выходной сигнал большинства ФЭП, как и реакция зрительной системы человека (ощущение), может быть определен соотношением (1.1) при соответствующей спектральной чувствительности e(l). Для глаза это спектральная чувствительность или кривая относительной видности n(l). Ощущение оказывается пропорциональным воздействующему световому потоку.
Классификация изображений
Объект, например излучающий (светящийся), может быть описан функцией яркости L (х, у, z, l, t), где х, у, z — пространственные координаты; l—длина волны излучения; t —время. Аналогично может быть описано изображение этого объекта L (x, у, z, L, t) — телевизионное (оптическое) или как функция освещенности Е (х, у, z, l, t), построенное той или иной изображающей системой в координатах х, у, z пространства изображений.
Из оптики известно, что изображением точечного объекта, создаваемым идеальной оптической системой, является точка, в которую сходятся лучи, исходящие от рассматриваемого точечного объекта. Если принять каждую точку поверхности объекта, отражающую свет от постороннего источника, за локальный источник света, то совокупность изображений этих точек дает изображение объекта.
Совокупность точек, изображение которых можно получить с помощью отображающей системы, образует пространство объектов, а совокупность точечных изображений этих объектов — пространство изображений.
Соответствие световых характеристик изображения, например телевизионного L (x, у, z, l, t) и объекта L(x, у, z, l, t), определяется оператором Р{.}, отражающим свойства отображающей системы L(x, у, z, l, t) =P{L (x, у, z, l, t)}. Любая реальная отображающая система вносит определенные искажения, т, е. Р{.}¹1.
Изображения, отражающие свойства объектов сцены, могут быть динамическими (изменяющимися во времени) и статическими. Статические изображения описываются функцией яркости L (x, у, z, l), не зависящей от времени.
По отношению к пространственным координатам различают изображения объемные и плоские. Плоские изображения описываются функцией двух пространственных координат L (x, у, l, t).
Обратите внимание на лекцию "2.1. Корпоративные информационные системы".
Зависимость от L позволяет разделить изображения по этому параметру на три группы: цветные, ахроматические и монохроматические. Спектр излучения каждого элемента цветного изображения или более крупных его фрагментов различен: L (x, у, z, l, t); спектр излучения каждого элемента ахроматического изображения одинаков: L(l)=const. Монохроматические изображения являются частным случаем ахроматических, когда спектр каждого элемента изображения представляет собой узкую спектральную зону около центральной длины волны. Например, запись L(x, у, l, t) означает, что изображение плоское цветное динамическое.
В процессе взаимодействия с исследуемыми объектами, как уже отмечалось, происходит модуляция не только амплитуды электромагнитной волны, а следовательно, и интенсивности, но и ее фазы. Пространственно-временная картина модуляции фазы несет информацию об изучаемых объектах, что послужило основанием для создания голографических телевизионных и других систем регистрации.
Следует отметить, что приведенная классификация не накладывает ограничений на области определения функции L (l). Такие изображения могут рассматриваться в рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и других областях спектра электромагнитного излучения.
Из физической природы излучения следует, что функция яркости или освещенности всегда конечна и положительна, т. е. 0<L<Lmax, где Lmax—максимальная яркость в поле изображения. Функцию яркости можно представить и в дискретной форме— в виде соответствующих матриц чисел. Например, плоское ахроматическое статическое изображение в дискретной форме может быть представлено в виде матрицы nx´ny, т. е. L (i,j), где i = 1,nx; j = 1,ny. Представленное таким образом изображение называют дискретным с числом элементов n = nx´ny.
При цифровой обработке изображений, передаче информации об изображении по каналу связи и в ряде других случаев удобно, если функция L принимает значения только из конечного набора чисел L={L1,L2…Lk}. Такое изображение называют квантованным. Частным случаем квантованного является двоичное изображение L={0, 1}. С двоичными изображениями особенно часто приходится встречаться в измерительной телевизионной технике.
Приведенная классификация иллюстрирует подход к описанию изображений, развиваемый в телевизионной технике, технике обработки изображений и других областях. Такой подход оказывается наиболее эффективным при изучении изображения как объекта исследований в измерительных ТВС, как формы представления информации и при оценке искажений, вносимых ТВС в процессе передачи информации об изображении по каналам связи.
