Выбор и обоснование параметров тв систем
3 выбор и обоснование параметров тв систем
3.1 Понятие о точности воспроизведения
Параметры системы передачи нужно выбрать таким образом, чтобы обеспечить подобие воспроизводимого изображения его оригиналу.
Различают:
- физическое;
- физиологическое;
- психологическое подобие.
Соответственно, существует физическая, физиологическая, психологическая точность.
Физическое подобие: воспроизводимое изображение по своим оптическим параметрам мало отличается от аналогичных физических параметров оригинала.
Физиологическая точность: добиваются физиологической тождественности с точки зрения наблюдателя воспроизводимого изображения относительно оригинала.
Рекомендуемые материалы
Психологическая точность: субъективная оценка с точки зрения художественного восприятия.
Как правило, при выборе и обосновании параметров ТВ системы ориентируются на физиологическую точность, так как физическую точность невозможно обеспечить.
3.2 Основные параметры ТВ систем
К основным параметрам относят следующие:
1) Размер и формат изображения
Размер изображения обычно определяют величиной диагонали экрана кинескопа, которая обычно стандартизована: 23,31,37,51,54,63 и 72(см). Формат изображения определяется отношением ширины b к высоте h экрана:
(3.1)
Формат кадра, который стандартизирован при производстве приемных ТВ трубок, в настоящее время принят 4/3, в новых разработках будет 16/9.
2) Число строк разложения в кадре.
Оно определяется пространственной разрешающей способностью зрения и условием, чтобы не были видны отдельные строки при оптимальном расположении наблюдателя относительно экрана приемной ТВ трубки.
Пространственная разрешающая способность зрения оценивается тем минимальным углом φзр, под которым две светящиеся точки (линии) еще видны раздельно (рисунок 3.1).
Разрешающую способность определяют также числом Nзр предельно различимых пар линий (или периодов Тn), приходящихся на один миллиметр объекта наблюдения (N(мм)зр) или на один градус угла зрения (N(град)зр), под которым глаз рассматривает объект. Значения φзр и Nзр зависят от условий наблюдения (яркости, контраста, цвета различаемых деталей на объекте, расстоянием до объекта и др.) и индивидуальных свойств наблюдателя.
Рисунок 3.1 – Определение разрешающей способности зрения
Для усреднённого наблюдателя в условиях большой яркости и контраста чёрно-белых полос объекта наблюдения значение φзр равно 1,5-2 угловые минуты (1,5-2¢). В этом случае число периодов (пар линий), приходящихся на один градус, равно:
(3.2, а)
Чтобы определить число периодов (пар линий), приходящихся на l мм объекта наблюдения, достаточно определить размер элемента объекта l1, приходящийся на один градус угла зрения наблюдателя. Как следует из рисунка 3.1, б, где L - расстояние от наблюдателя до объекта,
Отсюда получим:
(3.2, б)
Рассматривая рисунок размером 13х18 см на оптимальном для глаза расстоянии L=250 мм и используя (3.2, б), находим 
или 
(чёрных и белых линий/мм). Соответственно предельно разрешимое число линий (горизонтальных строк) Zm в рисунке будет:
(3.3)
Полученная величина (3.3) является предельной характеристикой для любой системы передачи изображения, где используется построчное разложение.
Разрешающая способность зрения (как и разрешающая способность любой оптической системы) является числовой оценкой, которая не позволяет оценить восприятие (и искажения) различных сочетаний мелких и крупных деталей, а также крутых переходов яркости на изображении. Поэтому число Z, характеризующее разрешающую способность, выбирается опытным путём по допустимому ухудшению качества воспроизводимого изображения по сравнению с оригиналом. Опыты показали, что визуально оцениваемое относительное качество изображения по чёткости φвиз в зависимости от числа строк разложения Z меняется нелинейно (рисунок 3.1, в). При этом Zm при построчной развёртке равно 1800-2400 строк, а при чересстрочной: 1300-1800. Если ориентироваться на хорошее качество изображения, то можно принять 
.
В разных странах число строк Z стандартизировано по разному: Z=405 - США (USA); Z= 525 - Англия (GB); Z=625 - другие европейские страны, включая Беларусь (EUR). В последние годы в связи с переходом на цифровое телевидение (см. раздел 8) появились предложения о получении “высокого качества” по чёткости за счёт увеличения числа строк до 
и перехода на построчную развёртку на приёмной стороне (HDTV—телевидение высокого разрешения (высокой частоты)).
3) Частота кадров fĸ.
Выбирается так, чтобы удовлетворить следующим критериям:
а) при передаче подвижных изображений должна быть обеспечена слитность передачи отдельных фаз движения:
б) не должно быть заметно мельканий яркости отдельных элементов (точек) изображения.
Опыт построения кинопроекционных систем показал, что критическая частота слитного движения (частота передачи отдельных фаз движения) составляет fкр.сл.дв=12–13 Гц. Соответственно, мелькающий элемент кажется непрерывно светящимся, если частота мельканий fм. превышает критическую частоту мельканий fкрм =46 Гц. Частота кадров выбирается с учётом этих двух условий:
fĸ >fкрм =46 Гц (3.4)
fĸ >fкр.сл.дв ≈12–13 Гц (3.5)
В кино частоту кадров выбрали 16 или 24 кадра/сек, а чтобы выполнить условие (3.4), показ кадра принудительно прерывают соответственно 3 или 2 раза с помощью вращающего обтюратора (типа пропеллера, устанавливаемого перед проектором киноаппарата). В телевидении для уменьшения частоты кадров применяют чересстрочную развёртку с частотой смены полей fп=2fк (см. далее).
В ТВ выбрали частоту полей: fп = 50 Гц - EUR; fп = 60 Гц - USA. Эти значения “привязаны” к частоте энергосети, так как помехи от блока питания телевизора в этом случае на экране телевизора будут казаться неподвижными и потому малозаметными.
4) Верхние и нижние частоты передаваемого ТВ сигнала.
ТВ сигнал передается по электрическому каналу (тракту) связи, у которого имеется своя верхняя (
) и нижняя (
) граничная частота передачи. Важно, чтобы нижняя 
и верхняя 
частота телевизионного сигнала удовлетворяли условию: > и <.
Нижняя частота спектра характеризуется длительностью периода повторения изображения максимального размера. Этот период не может превышать времени передачи одного кадра Тк. Следовательно, нижняя частота спектра ТВ сигнала
1/ Тк, (3.5)
т.е. определяется количеством передаваемых кадров в секунду.
По мере уменьшения размеров деталей изображения спектр сигнала все более сдвигается в сторону высоких частот. Следовательно, низкие частоты несут информацию о распределении яркости на крупных участках изображения, а высокие – о мелких деталях и контурах изображения.
Верхняя частота спектра ТВ сигнала характеризует минимально возможный размер передаваемой детали изображения. Таким является элемент разложения – квадрат со стороной, равной толщине строки (см. рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Минимальная деталь изображения
Обычно принимают
, при этом 
, где 
– число строк во время прямого хода развертки по кадру.
Скорость развертки по строке: 
, где 
– время прямого хода по строке.
Длительность передачи самого короткого элемента изображения по строке:
; (3.6)
Введём в рассмотрение величины (3.7), где 
и 
- относительное время обратного хода развёртки соответственно по строке и по кадру, Тс и Тк - период строчной и кадровой развёртки, Z - номинальное число строк разложения.
(3.7)
Тогда:
(3.8)
При передаче мелких элементов растягиваются их фронты и минимальный период передачи мелких деталей Тв будет равен 2tэ. Соответственно, наивысшая частота передачи мелких деталей будет обратна периоду Тв и равна:
(3.9)
Подставляя (3.8) в (3.9), получим:
, (3.10)
Если принять стандартные значения α=0,18; β=0,08; Кф=b/h=4/3, то при 
=25 Гц и Z=625 получим 
=7,3 МГц.
Учтем, что малый элемент может оказаться на границе двух строк, потому чёткость по вертикали может ухудшится в два раза. Чтобы уравнять четкость по вертикали и горизонтали, решили ухудшить четкость по горизонтали, уменьшив несколько до значения:
(3.11)
При p @ 0.82 (коэффициент Келла), получим 
=6,0 МГц. Именно это значение принимается за верхнюю граничную частоту спектра изображения при параметрах разложения: =25 Гц и Z=625. При других значениях и Z величина , естественно, другая. В частности, при Z=525 и =25 Гц имеем =4,28 МГц.
Использование особенностей зрительного восприятия мельканий позволяет сократить ширину спектра ТВ сигнала. Критическая частота мельканий практически мало зависит от четкости изображения и для мелких деталей она ниже, чем для крупных. Установлено также, что две близко расположенные светящиеся линии или точки, яркость которых поочередно изменяется от нулевой до максимальной, кажутся непрерывно светящимися, если сумма частот их яркостных мельканий выше критической. Следовательно, частота яркостных мельканий отдельной линии (строки) или точки может быть в 2 раза меньше критической.
Эти свойства зрения и были положены в основу чересстрочной развертки с кратностью 2:1, при которой каждый кадр изображения передается двумя полукадрами (полями): вначале - нечетные строки (первое поле), а затем - четные (второе поле). Два последовательных поля образуют один кадр с полной четкостью. Если частоту передачи полей fпол выбрать больше критической частоты мельканий fкр ,например, fпол = 50 Гц, то изображение будет казаться слитным, без мельканий яркости.
Рисунок 3.3 – Образование растров при построчной (а) и чересстрочной
с кратностью 2:1 (б) развертках
Пусть имеется ТВ система с построчной разверткой и числом строк Z= 625 (на рисунке 3.3, а для простоты показаны только 7 строк). Если частота кадров fк= 50 Гц, мелькания яркости отсутствуют, но полоса частот ТВ сигнала, определяемая высшей частотой спектра (см. выражение (3.11)), оказывается чрезмерно широкой (12 МГц). Чтобы сократить ее вдвое (до 6 МГц), уменьшим частоту кадров до 25 Гц. При этом будут наблюдаться мелькания яркости. Для их устранения нужно увеличить в 2 раза частоту развертки по кадру, не изменяя скорости развертки вдоль строк, т. е. перейти к чересстрочной развертке. Тогда электронный луч за время строки отклонится по вертикали на 2h/z и за 1/50 с прочертит растр, содержащий только нечетные строки (1,3, 5-ю и половину 7-й), которые образуют первое поле (рисунок 3.3, б).
Далее под действием отклоняющего поля луч совершает обратный ход по полю (на рисунке 3.3 длительность обратного хода по кадру и полям принята условно бесконечно короткой). За следующую 1/50 с луч прочертит четные строки (половину 7-й, 2, 4 и 6-ю) второго поля, изображенные на рисунке 3.3, б волнистыми линиями. За счет разности в полстроки растры первого и второго полей оказываются смещенными так, что строки второго поля автоматически укладываются между строками первого поля. В результате полный кадр передается и соответственно воспроизводится за 1/50 + 1 /50 = 1 /25 с, т. е. число кадров осталось прежним (при котором 
= 6 МГц), но мелькания яркости отсутствуют, так как fпол > fкрм. Таким образом, чересстрочная развертка позволяет, не расширяя полосы частот, устранить мелькания яркости, которые имеются при построчной развертке c fк=25 Гц.
Чересстрочная развертка с кратностью 2:1 обеспечивается при выполнении двух условий:
1) количество строк в кадре должно быть нечетным: z = 2m+1, для того, чтобы в каждом поле прочерчивалось 
строк и, следовательно, за счет наличия половины строки в каждом поле происходило перемежение строк;
2) должна устанавливаться жесткая связь между частотами строк и полей, которая определяется из уравнений:
;
(3.12)
Жесткая синхронизация частот fс и fп обеспечивается за счет использования одного задающего генератора (ЗГ) с 
Тогда 
В принципе возможно дальнейшее сокращение полосы частот путем применения чересстрочного разложения с кратностью 3:1 или 4:1. По ряду причин такие развертки не применяются:
1) становятся заметными мелькания строк, так как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратности 4:1);
2) уменьшается четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с относительно большой скоростью;
3) ухудшается воспроизведение вертикальных границ объектов, движущихся с относительно большой скоростью в горизонтальном направлении (границы становятся зигзагообразными и наклонными);
4) наконец, появляется эффект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что когда луч чертит какую-либо строку четвертого поля, яркость ее максимальна. В это же время яркости расположенных выше строк, прочерченных соответственно в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий характер. Создается эффект последовательного свечения и, как следствие, перемещения строк.
Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при кратности 2:1 они менее заметны.
3.3 Искажения изображения
Искажение изображения – это визуально обнаруживаемое (т.е. с учетом психофизического подобия) отличие изображения от оригинала.
В зависимости от причин, вызывающих искажения, различают следующие типы искажений:
1 системные искажения, которые определяются параметрами системы;
2 аппаратурные искажения – искажения, вызванные конкретной реализацией узлов системы. Последние делят на два больших класса:
2.1 искажения обусловленные оконечными устройствами (преобразователи «свет–сигнал» и «сигнал–свет»);
2.2 искажения обусловленные трактом передачи.
Оконечные устройства вносят искажения двух видов: световые и растровые (координатные). Координатные искажения в свою очередь разделяют на геометрические искажениям (бочка, подушка, параллелограмм, трапеция) и нелинейные координатные искажения. Последние обусловлены нелинейным (отличающимся от строго пилообразного) законом движения развертывающего элемента по строке и по кадру (рисунок 3.4). При подаче сигнала однотипных черно-белых полос (рисунок 3.4, а) на вход кинескопа вследствие большей скорости строчной развёртки на участке 1 (рисунок 3.4, б) на экране (рисунок 3.4, в) черно-белые полосы слева будут казаться толще, чем справа на участке 2 (
).
Световые искажения вызваны отличием от линейной зависимости характеристики передачи яркости изображения L от яркости объекта. Эти искажения обусловлены тем, что кинескоп имеет нелинейную характеристику яркости излучения L от напряжения сигнала 
, подаваемого на катод (или модулятор) кинескопа (рисунок 3.5).
 |
Рисунок 3.4 - Нелинейные координатные искажения
Рисунок 3.5 - Световые искажения
Чтобы скорректировать нелинейность кинескопа, можно последовательно с ним включить нелинейный электрический блок типа гамма-корректор, характеристика которого 
обратна характеристике кинескопа. В системах вещательного телевидения гамма-корректор обычно устанавливают на стороне передачи (в передающей телевизионной камере – см. раздел 4).
3.4 Влияние шумов и помех (гармонических и импульсных) на ТВ изображение. Взвешивающий фильтр и особенности измерения отношения сигнал/шум в телевидении
При нормировании аппаратурных искажений важно знать, как они проявляются на качество выходного изображения. В первую очередь это касается оценки влияния шумов и помех, неизбежно появляющихся в тракте передачи ТВ сигнала.
Качество изображения, воспроизводимого с экрана телевизора, во многом зависит от уровня флуктуационных шумов, периодических и импульсных помех. Флуктуационные шумы обусловлены дискретной природой электрического тока и принципиально неустранимы, т. е. являются внутренними шумами системы. Поэтому необходимо обеспечить такое отношение сигнал/шум, при котором получалось бы высокое качество изображения.
Синусоидальные и импульсные помехи порождаются преимущественно внешними источниками (другими радиостанциями, в том числе и соседними ТВ передатчиками, промышленными электрическими генераторами и двигателями, электротранспортом и т. п.). Периодические помехи в зависимости от соотношения между частотой помехи fпом и частотами полей fп и строк fс развертки изображения могут по-разному проявляться на изображении. Если:
а) fпом <2fп, то в виде периодических изменений яркости всего изображения с разностной частотой Df = fпом - fп;
б) fnoм < fс, fпом = n fп, то в виде неподвижных чередующихся горизонтальных темных и светлых полос;
в) fпом < fс, fпом ≠ fп, то в виде горизонтальных полос, перемещающихся вверх или вниз по экрану;
г) fпом > fс, fпом =mfс, то в виде неподвижных вертикальных полос;
д) 
, то в виде неподвижного шахматного поля, меняющегося от кадра к кадру;
е) fпом > fс, fпом≠mfс, fпом = n fп , то в виде неподвижных чередующихся наклонных темных и светлых полос;
ж) fпом > fс , fпом ≠ mfс, то в виде наклонных полос, перемещающихся по экрану. Здесь m и n – целые числа.
Зрительная система является пространственно-временным фильтром нижних частот и поэтому оказывает фильтрующее действие в отношении высокочастотных (ВЧ) составляющих флуктуационных шумов и помех, которые в дальнейшем будем называть просто помехами и только при необходимости уточнять их вид. Визуальное восприятие помех зависит от распределения энергии помех по спектру: низкочастотные помехи более заметны, чем высокочастотные той же мощности.
Ослабление восприятия ВЧ составляющих помех происходит также в связи со способностью зрительной системы сглаживать выбросы помех, пониженной контрастной чувствительностью при наличии помех и сглаживающим влиянием послесвечения люминофора экрана.
В ТВ под отношением сигнала к флуктуационной помехе ψф (периодической помехе -ψп) понимают отношение размаха ТВ сигнала Uc между контрольными уровнями черного и белого к эффективному значению помехи иэф (максимальному размаху помехи Un) в рабочей полосе видеочастот, которое выражают в децибелах:
ψф=20lg Uc / Uп.эф=20lg Uc / Uп. (3.13)
Периодические помехи, возникающие, например, от ТВ станций смежных каналов, оказывают менее заметное влияние, если их частота кратна нечетной гармонике полустрочной частоты. Благодаря инерционности зрительного восприятия они как бы сами себя компенсируют.
Флуктуационные помехи снижают четкость, контраст изображения и количество воспроизводимых градаций яркости. Уменьшение четкости происходит потому, что помехи размывают резкие границы изменения яркости изображения. Действие помех увеличивает яркость темных мест экрана и уменьшает контраст изображения, а также количество различимых градаций яркости. Детали с небольшой контрастностью становятся менее заметными.
Пусть имеется два ТВ канала, на выходах которых отношение сигнал/помеха (измеренное прибором) одинаково, но в первом спектр шумов G1(f) спадает с ростом частоты, а во втором G2(f), наоборот, растет (мощность и действительное напряжение шумов одинаковы в обоих каналах).
UC1 = UC2 =const;
На экране телевизора, подключенного ко второму каналу, заметность помехи в силу указанного свойства зрения будет меньшей.
С целью объективного измерения уровня помех с учетом их видности вводят понятие электрической модели пространственной АЧХ глаза, представляемой в виде фильтра нижних частот, амплитудно-частотная характеристика которого аппроксимируется так называемой весовой функцией помех Ф(f). Этот фильтр называют взвешивающим (или визометрическим). По международным рекомендации в черно-белом ТВ используется визометрический фильтр (ВФ), частотная характеристика передачи которого имеет вид кривой 1 на рисунке 3.6 и описывается выражением:
 |
Рисунок 3.6 - Частотная характеристика передачи взвешенного фильтра
; (3.14)
где τв = 0,33 мкс.
На верхней частоте 
Гц коэффициент передачи ВФ будет равен:
.
Соответственно затухание по мощности ВФ равно 22 дБ (10lg150).
Интегральное затухание фильтра равно:
(3.15)
Оно характеризует эффективность подавления зрительной системой шумов на изображении. Фильтр уменьшает мощность помехи с равномерным спектром в полосе 6 МГц в 8 раз (9,2 дБ) (в этом случае Аф, как следует из (3.15) равно: 
).
Помеха с квадратичным спектром (
) ослабляется примерно в 60 раз (17,7 дБ).
Подчеркнём, что при использовании взвешивающего фильтра, независимо от спектрального состава помех, равные результаты измерений взвешенной (визометрической) мощности помехи на выходе фильтра Рвых.виз будут соответствовать практически одинаковому восприятию флуктуационных помех на изображении (предполагается, что уровень полезного сигнала на выходе фильтра при этом неизменен).
В цветном ТВ в ВЧ области спектра сигнала (примерно от 3 до 6 МГц) передается информация о цветности, которая в приемнике преобразуется в низкочастотную часть спектра (примерно от 0 до 1,4 МГц) и тем самым увеличивает общий уровень помех (см. раздел 4). В связи с этим для измерений в трактах передачи полного цветового ТВ сигнала применяется универсальный взвешивающий фильтр, характеристика передачи которого имеет вид кривой 2 на рисунке 3.6. Соответственно, частотная характеристика затухания описывается выражением:
Лекция "Практические рекомендации по проблемам семейного консультирования" также может быть Вам полезна.
; (3.16)
где τц=0,245 мкс, a=4,5. При ω → ∞ 
.
отношение сигнал/помеха в децибелах на выходе взвешивающего фильтра равно:
;
(3.17)
где ψэф определяется по (3.13) на входе взвешивающего фильтра и предполагается, что спектр помехи равномерен в полосе частот от 0 до 
.
