Text
                    ТЕЛШИДЕНИЕ

ТЕЛЕВИДЕНИЕ 4-е издание, стереотипное Под редакцией профессора В.Е. Джаконии Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» направления подготовки дипломированных специалистов «Телекоммуникации» Москва Горячая линия - Телеком 2007
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее издание учебника является юбилейным и посвящает- < я 70-летию кафедры телевидения и видеотехники Санкт-Петербург- < кого государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Кафедра телевидения и видеотехники была создана в сентябре 1937 г. Организатором её был заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат Государственной премии СССР, доктор технических паук, профессор Павел Васильевич Шмаков, руководивший кафед- рой в течение 45 лет. Более 20 лет кафедру возглавлял его ученик профессор В.Е. Джакония. В настоящее время кафедрой руководит доктор технических наук, профессор А.А. Гоголь. С первых же лет своего существования кафедра зажила полно- кровной жизнью — помимо учебной работы коллектив кафедры про- водит серьезную научно-исследовательскую работу, в которую кроме научных работников и преподавателей широко вовлекаются аспиран- ты и студенты. Хорошо известны научные достижения кафедры в та- ких областях, как цветное телевизионное вещание, объемное телеви- дение, космическое и подземное телевидение, видеоинформационные системы и др. Успешная научно-исследовательская работа позволи- ла кафедре подготовить многих специалистов высшей квалификации, которые трудятся во многих исследовательских и образовательных организациях многих стран мира. Особое значение имеет работа коллектива кафедры по написа- нию и изданию учебно-методической литературы, используемой для подготовки телевизионных специалистов многими вузами страны. К настоящему времени учебник «Телевидение», созданный преподава- телями кафедры, претерпел девять изданий (в том числе и на англий- ском языке), одно из них было удостоено государственной премии. Настоящее издание учебника, являющееся стереотипным, обос- новывается его востребованностью. Его содержание соответствует учебнику, выпущенному издательством «Радио и связь» в 2004 г. При написании учебника авторы руководствовались принципом «от простого к сложному», излагая содержание так, чтобы он облег- чил читателю самостоятельную проработку материала.
I Предисловие V ’ н I >н и к на писан проф. В.Е. Джакония (введение, гл. 1, 16, 18, ?I), пр<><|) Л А. Гоголем (предисловие, гл. 4 совместно с В.И. Лисо- । ур( ким, гл. 7 совместно с Н.А. Ерганжиевым, гл. 22), доц. Я.В. Дру- И1П1.1М (гл. <4, 17, 19), доц. Н.А. Ерганжиевым (гл. 6, гл. 7 совместно < А А. Гоголем, гл. 10, 11), проф. С.Э. Коганером (гл. 5, 9, 12), доц. II М. Копыловым (гл. 3, 20), доц. В.И. Лисогурским (гл. 2, гл. 4 сов- местно с А.А. Гоголем, гл. 15), дон. О.В. Украинским (гл. 13, 14). Коллектив авторов выражает надежду, что настоящий учебник внесет посильную лепту в воспитание отечественных высококвали- фицированных телевизионных специалистов.
К ЧИТАТЕЛЮ Этот популярный и признанный в широкой аудитории по пре- дыдущим изданиям учебник вышел в свет, когда уже не стало его научного редактора и старейшего соавтора Владимира Ермилевича Джаконии, заслуженного работника Высшей школы, лауреата Госу- дарственной премии, профессора, заведующего кафедрой телевиде- ния и видеотехники Санкт-Петербургского государственного универ- ситета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Всю свою жизнь наш замечательный коллега и товарищ спо- собствовал телевизионному прогрессу в нашей стране, приложив и отдав все силы в научные разработки на важнейших этапах разви- тия телевидения. Большой педагогический дар, самоотверженность и глубочайшая интеллигентность оставили незабываемый след в па- мяти и душах его студентов, многочисленных аспирантов и коллег, работавших и общавшихся с ним. Владимир Ермилевич Джакония, достойный и ответственный ученик и последователь П.В. Шмакова, умело и авторитетно руко- водил и укреплял старейшую в стране кафедру телевидения, сохра- няя замечательный климат доброжелательности и товарищества в коллективе. Переиздаваемый с завидной и оперативной периодичностью, все- гда обновляемый и перерабатываемый учебник «Телевидение» в ка- ждом издании успешен, и своей востребованностью свидетельствует о высоком творческом потенциале его научного редактора и автори- |гте кафедры, его создававшей. Отдавая заслуженную дань уважения оставившему нас коллеге и товарищу, мы уверены, что лучшей памятью ему будет сохранение кафедральной традиции в создании современных учебников, необхо- димых для воспитания отечественных телевизионных специалистов. Р.Е. Быков. профессор, доктор технических наук, М.А. Грудзинский, профессор, доктор технических наук
ВВЕДЕНИЕ Термин «телевидение» (telesion) впервые ввел в научный обо- рот на IV Международном электротехническом конгрессе 1900 г. в Париже русский военный инженер К.Д. Перский в обзорном докла- де под названием «Телевидение как электрическое кино» (Television an moyen de I’eiectrisite). Телевидением мы называем область современной радиоэлектро- ники, которая занимается изучением вопросов передачи и приема движущихся и неподвижных изображений предметов, расположен- ных в пространстве, электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени. В общем виде задача телевидения состоит в дистанционном ото- бражении в сознании людей явлений и событий, информация о кото- рых поступает к нам в зрительном и звуковом виде. При этом для полноты восприятия желательно задействовать весь арсенал челове- ческих чувств, однако решение задачи в таком объеме было бы весьма затруднительно и экономически нецелесообразно. Но и без этого те- левидение существенно расширяет возможности человека познавать окружающий мир, позволяя наблюдать объекты на земле и под зе- млей, на воде и под водой, в небе и космическом пространстве, при их освещении солнечными и невидимыми лучами: рентгеновскими, ультрафиолетовыми, инфракрасными, а также при облучении ульт- развуковыми волнами. Эта задача телевидения решается с помощью комплекса аппаратуры для оптической проекции, преобразования, кодирования, передачи, декодирования, отображения и других опе- раций по обработке визуальной информации. Конечным звеном, приемным индикатором в телевидении в пода- в. i/iioiiioM болынипстве случаев служит глаз. Поэтому телевизионная < и< о-ма до окна (‘троиться с расчетом на наш зрительный орган, ко- юрым мы воспринимаем реальный мир в красках и в динамике. Эти ’..ixk 'i.i । <• н.пыо свойства зрения человек получил в процессе длитель- ною оно ни иче< кого развития. Отсюда следует, что телевизионная ।к р<• ।.।ча на । \ рных гнои должна завершаться их воспроизведением • Р« а in '..ника! \ ка '.анных свойств. Для более совершенной ориента- ции и нро< 1ран< 1в<‘ природа сформировала зрительный орган в виде n ipi.i । in *. !<• ют тоннам н'хника позволяет использовать принцип
I ведение । «инокулярного зрения для передачи рельефности предметов. Телевидение базируется на достижениях многих смежных обла- < чей знания, таких как радиотехника, электроника, светотехника и । и. Вместе с тем телевидение решает частные задачи, опираясь на математику, физику, химию, теорию информации, физиологию и ряд .чругих наук. Поэтому телевидение тесно связано с общим разви- том науки и техники [1]. В процессе развития человеческого общества совершенствова- лись и средства связи. Телевидение, прежде всего как средство связи, также прошло длительный путь развития: от первых нереализован- ных проектов через этап механических систем до современных элек- тронных. Если учесть, что примерно 85 % информации о внешнем мире человек получает благодаря зрительному аппарату, то стано- вится ясно, почему проблема передачи зрительной информации из- давна занимала умы людей, что нашло отражение в народных пре- даниях, сказках, мифах и легендах. В основе телевидения лежат три физических процесса: преобра- зование световой энергии из оптического изображения в электриче- ские сигналы; передача этих сигналов по каналу связи; преобразова- ние принятых сигналов в оптическое изображение. В XIX в. были сделаны открытия и изобретения для реализации всех указанных выше процессов. В 1839 г. преобразование световой энергии в электрический ток первым осуществил молодой француз- ский физик Э. Беккерель (1820-1891) на основе открытого им же фо- тогальванического эффекта. В 1873 г. английский инженер-электрик У. Смит (1828—1891) обнаружил, что полученный в 1817 г. шведским химиком Й. Берцелиусом (1779-1848) селен обладает свойством изме- нять проводимость при освещении. Впоследствии это явление было названо внутренним фотоэффектом. Внешний фотоэффект — вы- ход электронов из освещенного вещества в окружающее пространство впервые был обнаружен в 1887 г. немецким физиком Г. Герцем (1.457-1894) как побочное явление в его известных опытах по созда- нию электромагнитных волн. Основные законы внешнего фотоэф- фекта были открыты и опубликованы в 1888 г. московским физиком А Г. Столетовым (1839-1896). Попытки передачи электростатических зарядов по проводам на- чались в Западной Европе еще в середине XVIII в. Прообраз совре- менного проводного канала связи мы находим в электромагнитном к-'кчрафе, изобретенном в 1832 г. членом-корреспондентом Петер- бургской академии наук П.Л. Шиллингом (1786-1937), а канала ра- диосвязи — в изобретении А.С. Попова (1859-1906), продемонстри- рованном 7 мая 1895 г. Удачные опыты по превращению электричества в свет состоя- лись раньше открытия фотоэффекта. Так, искры во время работы • чек । ростатической машины наблюдал еще немецкий физик О. Гери- • е ( 1602 -1686). Новые возможности открылись в 1800 г., после того
Введение как Л. Вольта (1745-1827) изобрел химический источник тока. Уже в 1802 г. петербургский физик В.В. Петров (1761-1834) сконстру- ировал «огромную батарею» и получил устойчивую электрическую дугу, а также газоразрядное и электролюминесцентное свечение. В середине XIX в. большое распространение среди физиков получили газоразрядные трубки, названные «гейсслеровскими» по имени раз- работавшего их немецкого мастера Г. Гейсслера (1815-1879). Таким образом, к последней четверти XIX в. были созданы пред- посылки для разработки телевизионных устройств. Непосредствен- ным толчком к их созданию явилось изобретение А. Беллом (1847- 1922) в 1876 г. телефона, в котором многие увидели электрический аналог слуха. От него перешли к поискам электрического анало- га зрения. Может быть поэтому одна из первых систем телевиде- ния, предложенная американцем Дж. Кери, копировала сетчатку глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне па- нели с мозаикой фотоэлементов, на которую проецировалось изобра- жение. Фотоэлементы соединялись проводами с источниками элек- трического света на приемной стороне, а количество соединительных проводов было равно количеству фотоэлементов. Каждый фотоэлемент давал информацию о яркости одного эле- ментарного участка изображения. Причем четкость передаваемого изображения была тем выше, чем больше было таких участков. По проекту Кери сигналы от всех элементарных участков передавались отдельно и одновременно. Но практически данная система не мо- гла быть реализована при достаточно большом количестве элемен- тов. Отметим, что в современном телевидении изображение состоит примерно из полумиллиона элементов, для одновременной передачи которых потребовался бы кабель невообразимой толщины. В 1878-1880 гг. появилось несколько проектов с поочередной пе- редачей сигналов изображения. Среди авторов проектов были пор- тугальский физик А. де Пайва (1847-1907), французский адвокат К. Сенлек (1843-1934), русский студент П.И. Бахметьев (1860-1913). Их проекты интересны предложением устройств для передачи сиг- налов изображения по одному каналу связи. Возможность синте- за изображения при последовательном приеме отдельных элементов основана на инерционности зрительного аппарата человека. Оказы- вается, глаз воспринимает прерывистый свет как непрерывный при более 10 мельканий в секунду. Последовательная передача сигналов элементов изображения — один из основных принципов, лежащих в основе современного телеви- дения. Его можно реализовать с помощью коммутаторов на передаю- щей и приемной сторонах телевизионной системы. Вторым главным принципом телевидения является синхронная и синфазная коммута- ция элементов изображения. О третьем фундаментальном принци- пе телевидения — накоплении зарядов элементов за время кадра речь пойдет ниже.
Введение 9 Рис. В.1. Диск Нипкова Практическое решение проблемы развертки изображения было предложено в 1884 г. немецким инженером П. Нипковым (1860-1940). Основу запатентованного им оптико-механического устройства под названием «электрический телескоп» составлял непрозрачный диск большого диаметра, около внешнего края которого располагались от- верстия но спирали Архимеда. Диаметр отверстия определял размер элемента. Каждое отверстие было смещено по радиусу к центру дис- ка относительно предыдущего на диаметр отверстия (рис. В.1). Пе- ред диском устанавливалась ограничительная рамка, определяющая размер изображения. Высота рамки равна расстоянию по вертикали между началом и концом спирали, а ширина — расстоянию между о тверстиями в диске. При вращении диска отверстия внутри рамки перемещаются по дуге, при этом в поле рамки оказывается только од- но отверстие. Каждое отверстие соответствует строке, и число строк развертки изображения равно числу отверстий в диске. Количество элементов, на которое будет разбито изображение при одинаковой высоте и ширине рамки, равно п2, где п — число отверстий в диске. За один оборот диска передаются все элементы изображения. Идея системы Нипкова казалась настолько простой, что в тече- ние 40 лет привлекала изобретателей многих стран. Однако только после изобретения в 1906 г. американским инженером Ли де Форе- стом (1873-1961) аудиона — усилительной электронной лампы и ее усовершенствования в последующие годы появилась реальная воз- можность создания систем телевидения. Основанные на диске Нип- ьова. системы практически были реализованы лишь в 1925 г. Дж. Бэ- |и|,ом в Великобитании, Ч. Дженкинсом в США, И.А. Адамяном и независимо Л.С. Терменом в СССР. В 1926 г. Дж. Бэрд начал опыт- ны»’ телевизионные передачи с четкостью 30 строк через радиостан- цию вблизи Лондона. В Германии в 1929 г. концерн «Телегор АГ» во главе с Д. Михали вышел в эфир с передачами в стандарте 30 • 1|»ок, 12,5 кадров в секунду. В Москве в апреле 1931 г. коллектив лаборатории телевиде- нии Всесоюзного электротехнического института под руководством В II Архангельского (1898-1981) и П.В. Шмакова (1885-1982) осу- пн *» гнил экспериментальную радиопередачу сигналов изображения в
К) Введение Рис. В.2. Укрупненная структурная схема системы с диском Нипкова Ленинград, а с 1 октября 1931 г. начались регулярные передачи изо- бражения по немецкому стандарту на волне 379 м и звука на волне 720 м. Передающая аппаратура действовала по принципу бегущего луча. Через вращающийся диск Нипкова на передаваемый объект направляли свет от кинопроекционной лампы, и световое пятно как бы обегало передаваемый объект точка за точкой, строка за стро- кой. Отраженный объектом свет улавливался калиевыми фотоэле- ментами, которые давали электрический сигнал изображения, посту- пающий через усилитель на передатчик. Телевизионные передачи из Москвы принимались в Ленинграде, Одессе, Харькове, Н. Новго- роде, Томске и других городах. На рис. В.2 показана укрупненная структурная схема системы с диском Нипкова. Изображение передаваемой сцены с помощью объ- ектива фокусируется в плоскости диска 7, пройдя через ограничи- тельную рамку 2. За диском устанавливается фотоэлемент 3. При вращении диска каждое его отверстие по очереди пропускает све- товой поток от отдельных участков изображения, образуя на выхо- де фотоэлемента последовательность электрических импульсов, про- порциональных световому потоку, прошедшему через отверстие. Да- лее сигнал поступает на передатчик. В приемном устройстве сигнал усиливается и поступает на плоскую газосветную лампу вызы- вая изменение яркости свечения. Между лампой и зрителем рас- полагается диск 5 с рамкой 6, аналогичный диску на передающей стороне. Диски на приемной и передающей сторонах идентичны, по- этому при их синхронном и синфазном вращении в каждый момент времени положение отверстий на них будет одинаковым. Световой поток, прошедший через отверстие приемного диска в каждый мо- мент времени будет соответствовать яркости элементов передавае- мого изображения. При высокой скорости вращения дисков сово- купность движущихся светящихся точек будет восприниматься как слитное изображение. После' внедрения оптико-механического телевидения стали оче- видны ('го недостатки: низкая четкость, малый размер экрана, сла- бая яркость изображения. Предпринятые усилия улучшить каче- ство изображения путем использования для развертки вращающихся призм, зеркальных винтов и барабанов, а также увеличения числа
Введение И развертывающих элементов (отверстий диска) оказались неэффек- тивными, так как чувствительность системы резко падала с увеличе- нием числа элементов разложения вследствие того, что эти системы генерировали сигнал только во время прохождения светового потока через развертывающий элемент, не накапливая его при коммутации других элементов в течение кадра. Принцип накопления зарядов был осуществлен М.А. Бонч-Бруе- вичем (1888-1940) в его «радиотелескопе», изготовленном в Ниже- городской радиолаборатории в 1921 г. и ныне хранящемся в Цен- тральном музее связи им. А.С. Попова. Устройство радиотелеско- па напоминало систему Дж. Кери с панелями из 200 фотоэлементов (20x10) и такого же количества источников света, с той разницей, что передача сигнала производилась последовательно по паре про- водов благодаря использованию коммутаторов. К каждому из 200 фотоэлементов был подключен небольшой конденсатор. В опубли- кованном описании устройства М.А. Бонч-Бруевич не отметил ука- занной принципиальной особенности радиотелескопа, что позволило Ч. Дженкинсу в 1928 г. взять патент в США на подобную систему ме- ханического телевидения с накоплением заряда. Следует отметить, что только в системах матричного типа (с панелями фотоэлементов) имелась возможность реализации принципа накопления. Однако уве- личение поверхности панелей этих систем ограничено оптикой. В си- стемах с единичным фотоэлементом реализовать принцип накопле- ния невозможно, что показывает их бесперспективность. Недостатки механических систем телевидения были видны и раньше, но состоя- ние техники сдерживало развитие альтернативной электронной или, как ее тогда называли, катодной системы телевидения. Еще в 1858 г. боннский профессор Ю. Плюккер (1801-1868) обна- ружил свечение стекла вблизи катода в запаянной трубке и объяснил его действием особых катодных лучей. В следующие десять лет были основательно изучены свойства этих лучей, такие как прямолиней- ность и способность отклоняться под воздействием электрического и магнитного полей. Англичанин У. Крукс (1832-1919) разработал ряд катодолюминофоров — светосоставов, светящихся под действи- ем катодных лучей, и высказал предположение о корпускулярном характере катодного излучения, которое после открытия в 1897 г. •икнетрона было отождествлено с электронным потоком. В том же год,у свойствами катодного (электронного) луча воспользовался не- мецкий физик Ф. Браун (1850—1918), видоизменив трубку Крукса и приспособив ее для индикации электрических процессов. Л.И. Ман- дельштам (1879-1944) в 1907 г. разработал генератор пилообразного напряжения для линейного отклонения электронного луча, а пре- подаватель Петербургского технологического института Б.Л. Розинг (IК(><) 1933) в том же году оформил заявки в России, Великобитании и Германии на изобретение «электрического телескопа» — телеви- нпшной системы с передатчиком механического типа и приемником
12 Введение па основе электронно-лучевой трубки. Существенным новшеством трубки Розинга было введение раз- носкоростной развертки по двум координатам для образования на экране прямоугольного растра, а также электрода в виде пары пла- стин и диафрагмы с отверстием, осуществляющего регулировку плот- ности тока луча. На пластины подавался сигнал от фотоэлемента. В зависимости от величины сигнала электронный луч отклонялся, и через отверстие диафрагмы проходило различное количество элек- тронов, вызывая тем самым различное свечение экрана. Б.Л. Ро- зингу помогали студенты, в их числе известный впоследствии аме- риканский ученый В.К. Зворыкин (1889-1982), оставивший об этом воспоминания. 9 (22) мая 1911 г. Б. Л. Розинг впервые в мире осуществил переда- чу и прием телевизионного изображения в виде решетки из четырех светлых полос на темном фоне. При закрывании одного из просветов решетки на передающей стороне соответствующая полоса на экране приемника тотчас исчезала. Это было первое в мире телевизион- ное изображение, переданное и в тот же миг принятое с помощью аппаратуры, изготовленной в России. Отмечая научное достижение Б.Л. Розинга, Русское техническое общество присудило ему премию и золотую медаль имени К. Сименса. В это же время в Велико- битании был опубликован проект телевизионной установки инжене- ра А.А. Кемпбелл-Суинтона (1863-1930) с передающей и приемной электронно-лучевыми трубками. Его многократные, но безуспешные попытки практически реализовать данную схему отразились только в научной литературе. Проекты полностью электронных систем те- левидения предлагались в ряде патентов, в том числе французском в 1921 г., выданном Э.Г. Шульцу, американском в 1923 г. — В.К. Зворы- кину, советских в 1925 г. — А.А. Чернышеву (1882-1940) и Б.П. Гра- бовскому (1901-1966) с соавторами. Последнему удалось в 1928 г. под патронажем Б.Л. Розинга завершить постройку ТВ установки и про- демонстрировать передачу простых изображений. Однако эта работа не получила поддержки в период массового увлечения механическим телевидением. В начале 30-х годов интерес научно-технических кру- гов вызвали работы Ф. Фарнсворта (1906-1971) в США и М. Арденне (р. 1907) в Германии. Фарнсворт создал модификацию диссектора — передающей трубки мгновенного действия (без накопления). М. Ар- денне в качестве датчика сигнала использовал фотоэлемент и кине- скоп с малым временем послесвечения, работавший по известному еще в механическом телевидении принципу «бегущего луча». Ука- занные системы избавляли телевидение от механического движения при развертке, но не давали заметного прибавления чувствительно- сти и связанной с ней разрешающей способности. Как и механические системы, они не накапливали заряды, расточительно расходуя све- товой поток от передаваемого объекта для создания сигнала толь- ко в момент коммутации.
Введение 13 Дальнейшее развитие телевидения тормозилось отсутствием пе- редающей трубки с накоплением зарядов. Авторскую заявку на та- кую трубку подал в конце 1930 г. сотрудник Физико-технического ин- ститута А.П. Константинов (1895-1937), сформулировав предмет изо- бретения следующим образом: «Передающее устройство для дально- видения с применением многоячейкового фотоэлемента и конденса- торов, присоединенных к каждой ячейке для накопления зарядов в течение времени передачи кадра, и коммутацией разряда конденсато- ров электронным лучом, отличающееся тем, что указанные конденса- торы включены так, чтобы разряд конденсаторов совершался в цепи, проходящей через общий электрод конденсаторов и катодный луч». Попытка практического осуществления трубки встретила непре- одолимые технологические трудности. Такая же участь постигла проект 1931 г. трубки с накоплением С.И. Катаева (1904-1991) и ряд других аналогичных предложений. Решил проблему В.К. Зворыкин, десятилетняя работа которого в США увенчалась созданием иконо- скопа — первой передающей трубки с накоплением зарядов. Мо- заичный фотокатод иконоскопа изготавливался напылением тонкого слоя серебра на слюдяную подложку размером 10x12 см. При нагре- ве в печи серебряный слой сворачивался в миллионы изолированных друг от друга мельчайших гранул, на которые наносился фоточув- ствительный цезий. Другой стороной слюдяная подложка крепилась к металлической пластинке. Образованные таким образом фотоэле- менты обладали емкостью, необходимой для накопления зарядов. В июне 1933 г. В.К. Зворыкин сообщил о разработке полностью элек- тронной телевизионной установки с разрешающей способностью бо- лее 300 строк, пригодной для промышленного производства. В нашей стране разработка электронной системы телевидения началась после доклада В.К. Зворыкина во время его визита в СССР в августе 1933 г. Уже в ноябре 1933 г. П.В. Шмаков и П.В. Тимофе- ев (1902-1982) патентуют супериконоскоп — трубку с более высокой, чем у трубки Зворыкина чувствительностью. Заметным успехом яви- лась демонстрация в феврале 1935 г. электронной системы телевиде- ния на 180 строк, разработанной под руководством Я.А. Рыфтина (1905-1989). Иконоскоп для нее создали Б.В. Круссер (1900-1981) и Н.М. Дубинина (1910-1997). В декабре 1935 г. в ленинградском ВНИИ телевидения под руководством А.В. Дубинина (1903-1953) бы- ла создана установка электронного телевидения на 240 строк, 25 ка- дров. В 1936 г. под руководством А.А. Расплетина был разработан телевизор на этот стандарт с экраном 13x17,5 см. В 1938 г. нача- лись передачи Опытного ленинградского телецентра с указанной вы- ше четкостью, а затем и Московского телецентра с четкостью 343 строки, студийная аппаратура для которого изготавливалась в США. В годы Второй мировой войны телевизионное вещание продолжа- лось только в США, где в 1942 г. был разработан суперортикон — од- на из наиболее чувствительных трубок. Первым в Европе возобновил
Введение работу 7 мая 1945 г. Московский телецентр, переведенный в 1948 г. на стандарт 625 строк. Разработку стандарта, вскоре принятого евро- пейскими странами, вела группа ученых в составе К).И. Казначеева (1902- 1988), С.И. Катаева, С.В. Новаковского (р. 1913) и др. Первую передачу телевизионной программы, записанной па фер- ромагнитной ленте, провела компания CBS (США) 30 ноября 1956 г., используя видеомагнитофон фирмы Ашрех. Так началось внедрение новой технологии телевизионного вещания. Старая технология — передача непосредственно из студии — держала режиссера и испол- нителей в напряжении от начала до окончания передачи, ибо любой дефект в их работе был заметен телезрителям. Благодаря видеоза- писи неудачные сцены можно было переиграть и заменить при монта- же. Кроме того, новая технология создала условия для оперативного обмена программами, их тиражирования, накопления в централизо- ванных и частных видеотеках. Первое слово в магнитной видеозаписи было воспроизведено еще в 1922 г. Б.А. Рчеули (1899-1942), оформившем патент СССР (а за- тем и ряда других стран) на способ и устройство завис и и воспроиз- ведения визуальных и звуковых сигналов на движущуюся железную ленту. Попытки осуществить этот проект сначала в своей стране, а затем в Великобитании не дали результата. Более успешной ока- залась деятельность выходца из России А.М. Понятова (1892-1980), основателя и первого президента фирмы Ашрех, которая первой при- менила вращающиеся магнитные головки для поперечно-строчной записи, позволяющей резко снизить скорость движения магнитного носителя. Фирма в течение длительного времени была «законодате- лем мод» в области видеомагнитной записи. Аппараты, созданные по системе Ашрех, выпускались в США, Германии, Японии, Вели- кобитании, Франции, СССР. У нас работы по созданию профессио- нальных видеомагнитофонов начались во второй половине 50-х го- дов. В декабре 1959 г. образец аппаратуры, созданной на заводе «Ленкинап» при участии ВНИИ телевидения и НИКФИ, был при- нят государственной комиссией. Важным этапом в послевоенном развитии телевидения явилось внедрение цветного телевизионного вещания, регулярные передачи которого у нас начались 1 октября 1967 г. по совместной советско- французской системе SECAM. Автором проекта первой цветной телевизионной системы механи- ческого типа с последовательной передачей цветовых сигноов явля- ется инженер-электрик и технолог А.А. Полумордвинов. В декабре 1899 г. он предложил устройство, основанное, как и современные си- стемы, на трехкомпонентной теории цветного зрения Ломоносова- Юн га-Гельм гольца. Проект двухцветной системы с одновременной передачей цветовых сигналов по двум каналам связи предложил в 1907 г. О.А. Адамян.
Введение 15 В 1938 г. в Великобитании Дж. Бэрд осуществил демонстрацию цветного изображения с четкостью 120 строк на большом экране. Это была комбинированная система с последовательной передачей цвето- вых сигналов, использующая элементы механического и электронно- го телевидения, как и система на 343 строки, демонстрированная в 1940 г. в США П. Голдмарком (1906-1977). В 1951 г. в Нью-Йорке с помощью данной системы началось телевизионное вещание, кото- рое через короткое время было прекращено по причине ее несовме- стимости с существующей системой черно-белого телевидения и не- возможности увеличения размера экрана из-за наличия в приемном устройстве вращающегося диска с цветными фильтрами. В 1953 г. в США была введена для вещания одновременная совместимая си- стема цветного телевидения NTSC. Впоследствии ее использовали Япония, Канада и страны Латинской Америки. В нашей стране первая опытная передача цветного телевиде- ния по последовательной системе, разработанной под руководством В.Л. Крейцера (1908-1966), состоялась в ноябре 1952 г. В 1954- 1956 гг. опытные передачи вела Московская станция цветного те- левидения. Для их приема было выпущено небольшое количество телевизоров «Радуга» с экраном диаметром 18 см и вращающимся трехцветным диском. На кафедре телевидения ЛЭИС им. проф. М.А. Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В. Шмакова с начала 50-х годов проводи- лись исследовательские работы по созданию одновременной совме- стимой системы цветного телевидения. В марте 1956 г. были прове- дены опытные передачи цветного изображения через ретрансляцион- ный передатчик. В том же году аппаратура была перевезена в Мо- скву для демонстрации ее работы специалистам и членам правитель- ства. Также продемонстрировали аппаратуру цветного телевидения специалисты НИИ радио (Москва) во главе с С.В. Новаковским. В 1958 г. делегатам XI Исследовательской комиссии Международного консультативного комитета по радио (МККР) в Москве и Ленингра- де демонстрировались результаты работы по цветному телевидению, получившие высокую оценку международной телевизионной обще- ственности. Дальнейшие работы по внедрению цветного телевизи- онного вещания проводились во ВНИИ телевидения (Ленинград). В начале 60-х годов было предложено множество систем цвет- ного телевидения, разработанных в различных странах. После ряда экспериментальных проверок и длительных дискуссий наша страна выбрала для вещания систему SEC AM — совместную разработку со- ветских и французских специалистов. Эту же систему предпочли не- которые страны Восточной Европы, Африки и Азии. Разработанную в Германии систему PAL выбрали страны Западной Европы, Австра- лии, частично Азии и Африки. В настоящее время в мире действуют три стандарта цветного телевидения: NTSC, SECAM, PAL. Поэтому
к; Введение при передаче сигналов одной из систем в страну, где принят дру- гой стандарт, необходимо осуществлять преобразование стандартов (транскодирование). В ходе, научно-технического прогресса происходит взаимное обо- гащение наук и проникновение одной науки в другую. Наглядный пример этому дает использование телевизионной техники в освое- нии космоса — космическое телевидение [2]. Искусственные спут- ники Земли в качестве ретрансляторов телевизионных программ по- зволяют значительно раздвинуть границы телевизионного вещания (спутниковое телевидение). Телевизионная техника широко используется при изучении и освоении космического пространства. В октябре 1959 г. впервые в истории была осуществлена передача изображения невидимой части Луны. С помощью телевидения обеспечивалось управление движе- нием луноходов. Кроме того, телевидение помогает наблюдать за жизнедеятельностью космонавтов в полете, за их работой в открытом космосе, в невесомости. Телевидение приобщило к научному косми- ческому эксперименту многомиллионную аудиторию зрителей [3]. Благодаря успехам космической техники спутниковое телевиде- ние приобретает глобальный характер. Стала обычной практика пе- редачи телевизионных программ с одного континента на другой. Ши- роко разветвленная есть наземных спутниковых приемных станций позволяет смотреть программы из Останкино в самых отдаленных районах страны. Системы спутникового телевидения обеспечивают непосредственный прием программ с синхронных спутников Земли на индивидуальные телевизоры. Осуществляются казавшиеся фантастическими проекты. Выдви- нутый в 1937 г. проф. С.И. Катаевым проект малокадрового теле- видения используется в аппаратуре для передачи изображений уда- ленных планет. Реализован и предложенный проф. П.В. Шмаковым метод ретрансляции сигналов телевизионного вещания при помощи самолетов и искусственных спутников Земли. Трудно найти область человеческой деятельности, где прямо или косвенно не используется телевидение. Очевидно, дальнейшее по- вышение автоматизации научных исследований и производственных процессов приведет к возрастанию роли телевидения, так как оно по- вышает эффективность труда, а иногда позволяет получить резуль- таты, которые без применения телевидения недостижимы. Телевидение остается самым действенным средством информа- ции. Ежедневно телевизионные программы в нашей стране смотрят десятки миллионов зрителей. Ни одно из средств массовой инфор- мации не может сравниться с телевидением по степени воздействия на зрителя. Возможности телевидения в области агитации и пропа- ганды практически безграничны. Телевидение позволяет проводить познавательные, информационные, художественные, музыкальные,
Введение 17 спортивные, детские, развлекательные и другие передачи. Оно со- четает в себе оперативность и наглядность, что делает зрителя со- участником происходящих событий. В октябре 1997 г. Ассамблея радиосвязи Международного союза электросвязи приняла большой пакет мировых стандартов в обла- сти телевидения высокой четкости, цифрового многопрограммного телевидения, цифрового наземного телевещания и т.д., подготовлен- ных XI Исследовательской комиссией МСЭ под председательством М.И. Кривошеева (р. 1922). Полный переход к цифровым методам передачи сигналов рассчитан на 10 лет и более. Имеющиеся в мире 1,3 млрд телевизоров подлежат постепенной замене. Рынок цифрово- го телевидения на ближайшие годы оценивается суммой в несколько сотен миллионов долларов США. В США законодательно уже принят новый стандарт на цифро- вое телевидение высокой четкости (ТВЧ), одобрены правила выдачи 1600 бесплатных лицензий на вещание, а 240 миллионов нынешних телевизоров признаны устаревшими, в связи с чем вещание по суще- ствующей системе будет полностью прекращено в 2006 г. По новому стандарту число строк увеличивается вдвое, формат кадра вместо су- ществующего 4:3 будет 16:9. Таким образом, в качественном отноше- нии телевидение совершает огромный скачок, сравнимый с переходом от механической развертки к электронной в середине 30-х годов XX в. По мнению С.В. Новаковского, для внедрения в России новой ТВ системы следует воссоздать мощную научную базу и государствен- ный координирующий орган с широкими полномочиями, восстано- вить радиоэлектронную промышленность и телевизоростроение, так как разрозненные акционерные общества эту крупнейшую народно- хозяйственную задачу решить не смогут. Перечисленные меры позво- лят организовать много новых рабочих мест для специалистов и про- изводственников, сократить импорт ТВ аппаратуры, создать условия для развития прикладного и бытового телевидения [4]. В становление телевизионной науки и техники и в ее развитие внесли большой вклад видные отечественные ученые: профессора Б.Л. Розинг, П.В. Шмаков, С.И. Катаев, Я.А. Рыфтин, Г.В. Брауде, С.В. Новаковский, И.А. Росселевич, М.И. Кривошеев, Ю.Б. Зубарев и др. Ученые России считают, что научно-технический потенциал страны сейчас вполне достаточен для решения новых задач в обла- сти телевидения. При этом нет необходимости догонять мировой уро- вень, как в случае с другими видами продукции, поскольку многие перспективные технологии находятся пока что в стадии становления и их комплексные разработки и освоение придется проводить прак- тически с начального уровня [5]. Выдающийся русский ученый Б.Л. Розинг, основоположник электронного телевидения, на заре его развития писал: «Несомнен- но, наступит, наконец, такое время, когда электрическая телескопия 9
Введение распространится повсеместно и станет столь же необходимым прибо- ром, каким является в настоящее время телефон. Тогда миллионы таких приборов, таких «электрических глаз» будут всесторонне об- служивать общественную и частную жизнь, пауку, технику и промы- шленность... Тогда, конечно, электрическая телескопия как наука займет подобающее ей место среди других наук техники слабых то- ков. Возможно даже, ей будут посвящены специальные институты» [6]. Эти пророческие слова ученого полностью сбылись.
т ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ — ТЕЛЕВИДЕНИЯ Глава 1 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ 1.1. Поэлементные анализ и синтез оптических изображений Телевизионное изображение формируется на экране приемного устройства и предназначено для рассматривания его глазом. Полу- чателем вещательной телевизионной информации является зритель, наблюдатель; поэтому параметры и характеристики телевизионной системы должны выбираться из условий ее согласования со свойства- ми и характеристиками зрительной системы человека. При разработ- ке телевизионной системы или отдельных ее узлов необходимо знать, какие характеристики зрительной системы влияют на параметры от- дельных узлов и телевизионной системы в целом. Источником информации для телевизионной системы является окружающий нас мир. Предметы обладают свойством отражать па- дающий на них световой поток. В подавляющем большинстве случаев — это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное отражение, характерное для так называемых зеркальных поверхно- стей, к которым относят полированные и лакированные поверхности, поверхности жидкостей и др. Способность каждого предмета или его деталей различно отражать световой поток или излучать (самосве- тящиеся предметы) является оптическим свойством объекта, а от- раженный (излученный) каждой деталью предмета световой поток является источником зрительной информации о предмете, воспри- нимаемой наблюдателем. Отражательные свойства тел описывают коэффициентом отражения р(А) = FO(A)/F(A), где FO(X) — отраженный световой поток; F(X) — световой поток, падающий на отражающую поверхность. 2*
20 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Световой поток, облучающий предметы, определяет их освещен- ность Ео (лк). Освещенность различных участков трехмерного объ- екта будет различна, так как участки расположены на разных рас- стояниях от облучающего источника, одни детали затеняют другие и т.д. Большую роль играет характер освещения, т.е. число источников света, их мощность и пространственное размещение. Иными словами, зрительная информация об объекте, воспринимаемая наблюдателем, определяется световой энергией, отражаемой (излучаемой) каждой гонкой (элементом) объекта в сторону наблюдателя. Интенсивность и спектральный состав элементарного потока характеризуют воспри- нимаемые зрителем яркость и цвет каждой точки объекта, а напра- вление потока — пространственное расположение той же точки. Од- новременно наблюдатель видит ограниченную часть пространства, определяемую пространственным углом, называемым углом зрения. В общем случае объект передачи характеризуется следующими параметрами: яркостью, цветом и глубинным расположением пред- метов. Так как каждая точка объекта располагается в трехмерном пространстве, а при движении и изменении освещенности меняется характер распределения яркости и цвета всех точек рассматривае- мых объектов, математическая модель объектов передачи является многомерной функцией пространственно-временного распределения яркости L, цветового тона А и чистоты цвета р, т.е. L = fi(x,y,z,t) 1 Х = fx(x,y,z,t) L (1.1) р = fP(x,y,z,t) ) где ж, р, z — пространственные координаты; t — время. Эти уравнения определяют яркость L и цветность (/\ и р) как функцию пространственных координат я, у и z каждой точки дви- жущегося объекта и времени (см. § 10.1). Главной задачей телевидения является нахождение способов та- кого преобразования изображения объекта, чтобы его можно было передавать методами электросвязи. При этом необходимо добивать- ся того, чтобы изображение, созданное приемным телевизионным устройством, как можно более соответствовало объекту передачи. Одним из основных свойств электрического канала связи явля- ется возможность передавать в каждый момент времени только одно значение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией только одного независимого переменного — времени, т.е. электри- ческий канал связи характеризуется одномерной зависимостью на- пряжения от времени: U = (1.2) В общем случае выходные параметры L'. Д', р' могут не совпа- дать с входными L, А, р и математически описываются совокупно-
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения 21 стью трех многомерных функций: L' = /£(х,2/,2,«) ' А' = f'x(x,y,z,t) >. р' = fp(x,y,z,t) , (1-3) Из уравнений (1.1) и (1.3) следует, что задача синтеза телеви- зионной системы заключается в таком выборе ее параметров, чтобы выходное изображение (1.3) с заданной степенью точности соответ- ствовало бы объектам телевизионной передачи (1.1). Преобразование трех многомерных функций передачи непосред- ственно в одномерный сигнал невозможно. Поэтому, учитывая опыт фотографии, можно пойти на ряд упрощений в формировании пере- даваемого изображения, упрощая и их математические описания. При передаче плоского черно-белого неподвижного изображения математическое описание упрощается до вида L = h(x,y), (1-4) что показывает распределение яркости в плоскости изображения, т.е. изменение яркости в координатной системе х, у. Даже в этом про- стейшем случае оно описывается двумерным распределением ярко- сти (1.4) и не может быть непосредственно преобразовано в одно- мерный сигнал. Если рассматривать передачу движущихся изображений, что является основным назначением телевидения, то задача еще боль- ше усложняется. При передаче черно-белых плоских движущихся изображений распределение яркости будет являться функцией трех переменных L = fL(x, y,t). В телевидении кроме информации о мгновенном значении ярко- сти L необходимо точно знать, из какой точки передаваемой сцены эта информация получена, т.е. его геометрическое место. Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала в од- номерный используются два фундаментальных принципа, которые лежат в основе телевидения, — дискретизация изображения и его развертка, т.е. в телевидении используется пространственная и вре- менная дискретизация. Пространственная дискретизация заключается в разбивке всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных эле- ментов. На рис. 1.1 показаны фотографии женской головы (крупный план), разбитые примерно на 1000 и 250000 элементов соответствен- но. Теоретически количество элементов на изображении может быть бесконечно большим. На практике в связи с ограниченной разреша- ющей способностью зрения любое изображение может быть предста- влено определенным числом элементов с конечными размерами.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 1.1. Пространственная дискретизация изображений Телевизионному преобразованию изображений в электрический сигнал предшествует построение плоского оптического изображения и поэлементный его анализ. Плоское оптическое изображение мо- жет быть представлено множеством элементарных источников, ин- тенсивность каждого из которых может принимать т различных значений. Число элементарных источников N тем больше, чем вы- ше предельно различимая детальность изображения, т.е. элементы должны быть достаточно мелки, а их число на изображении должно быть достаточно велико, чтобы глаз не замечал дискретной струк- туры изображения. Элементом изображения называется минимальная деталь изо- бражения, внутри которой яркость и цвет считаются постоянными, т.е. внутри элемента неравномерность яркости и цвета уже не бу- дут различаться глазом. Первый основной принцип телевидения заключается в разбивке изображения на отдельные элементы и поэлементной передаче все- го изображения. Одновременная передача сигналов всех элементов неприемлема, так как это потребует такого количества линий связи между передатчиком и приемником, сколько элементов изображения, что исключает возможность практического осуществления. Проблему каналов связи решает второй основной принцип, на котором базируется телевидение, — это последовательная во вре- мени передача по каналу связи информации о яркости элементов. Этот принцип называется разверткой. Возможность последователь- ной передачи телевизионного изображения по одному каналу свя- зи базируется на явлении инерционности зрения. Инерционностью зрения называется способность зрительного аппарата сохранять зри- тельное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность проявляется в том, что мелькающий источник света при высокой частоте мельканий кажется непрерыв- но светящимся. Поэтому при достаточно высокой частоте передачи
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения 23 мелькающих сигналов они будут казаться наблюдателю непрерыв- но светящимися. Процесс последовательной, поочередной передачи элементов изо- бражения называется разверткой (сканированием) изображения. Следовательно, принцип развертки, который превращает изображе- ние в чередование последовательных электрических сигналов, реша- ет поставленную задачу, т.е. получение слитного изображения. Развертку можно осуществлять, перемещая развертывающий элемент (электронный луч, сканирующее отверстие и др.) по по- верхности изображения по определенному закону. Координаты развертываемых точек изображения являются функциями времени: x = <px(t)-, y = <py(t), (1.5) где (ypx(i) и ^y(t) — произвольные однозначные функции времени. Если подставить (1.5) в (1.4), получим необходимую для переда- чи функцию времени L = = hl^xW^yW] = /ЫО- Следовательно, процесс развертки решает задачу преобразова- ния изображения в последовательность электрических сигналов. Эта последовательность передачи выбирается в зависимости от назна- чения системы. Развертка может быть детерминированная, когда траектория движения развертывающего элемента строго определе- на и наперед задана. Недетерминированная развертка предполагает такое движение развертывающего элемента, которое автоматически устанавливается в зависимости от содержания изображения. Такие развертки используются в системах обработки изображений или для оптимизации систем передачи. При детерминированной развертке разложение изображения мо- жет происходить по различным траекториям движения развертыва- ющего элемента, т.е. движение может быть произвольным. Необхо- димо лишь, чтобы движение развертывающих элементов в оптико- электронном и электронно-оптическом преобразователях осуществ- лялось по одному закону. В зависимости от закона движения развер- тывающего элемента по поверхности изображения возможны различ- ные виды разверток: линейные, зигзагообразные, спиральные, сину- соидальные, радиальные и др. При выборе типа разверток к вещательной телевизионной (ТВ) системе предъявляются определенные требования, основные из ко- торых: одинаковое время передачи каждого элемента, минимальные затраты времени на обратный ход и простота технической реализа- ции. Как видно из рис. 1.2, ни один тип разверток не удовлетворяет этим требованиям, за исключением линейной развертки. Поэтому в вещательном телевидении и в большинстве случаев прикладного те- левидения используется линейная развертка, в частности прогрес- сивная и чересстрочная.
24 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 1.2. Виды детерминированных разверток: а — линейная; 6 — зигзагообразная; в — спиральная; г — синусоидальная; д — радиально-круговая Недетерминированная развертка в настоящее время применяет- ся в телевизионной автоматике. Там имеют дело с более простыми, чем в телевизионном вещании, изображениями. Это позволяет доста- точно просто согласовать законы движения развертывающих элемен- тов с геометрическими или оптическими характеристикам!! различ- ных объектов. Это является шагом на пути создания ТВ систем со статистическим согласованием. Такие системы широко применяются при исследовании биологических микрообъектов, петрографии, ис- следовании образцов металлоизделий, искусственных алмазов и др. Недетерминированные развертки строятся по принципу разделе- ния на два режима: поиска и слежения. В режиме поиска разверты- вающий элемент движется по заданной траектории, а при попадании на изображение объекта он переходит в режим слежения, во время которого производится считывание информации и ее обработка. Су- ществуют несколько режимов слежения в зависимости от решаемой задачи. Например, может использоваться следящая развертка по контуру объекта, по площади. В первом случае развертывающий эле- мент подчеркивает только контур исследуемого объекта, а во втором — развертка обеспечивает получение упорядоченной информации о каждом объекте в отдельности [7]. Основная задача в телевидении — передача движущихся изо- бражений — осуществляется так же, как и в кино, методом после- довательной передачи большого количества неподвижных изображе- ний в секунду. Благодаря быстрой смене кадров, каждый из кото- рых представляет собой неподвижное изображение, запечатленное с определенной фазой движения объекта передачи, у зрителя создает- ся иллюзия непрерывного движения. Передача цветных и объемных объектов, которые описываются тремя и более функциями, может осуществляться одновременно по трем или более каналам или по- следовательно во времени по одному каналу связи. Метод последо- вательной передачи большого количества информации позволяет пе- редавать по одному каналу более сложные изображения, но при этом необходимо уменьшить шаг дискретизации во времени, т.е. повысить частоту передачи кадров в секунду, чтобы изображение воспринима- лось зрителем немелькающим.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения 25 Как было сказано выше, законы развертки ТВ изображения мо- гут быть выбраны любыми. Но при этом необходимо, чтобы закон развертки на приемном и передающем преобразователях был одина- ковым. Кроме того, требуется строгая синхронность и синфазность разверток на передающем и приемных устройствах. Если эти усло- вия не будут соблюдаться, то воссоздать на приемном конце изобра- жение объекта невозможно. В результате синхронной и синфазной развертки распределение светлых и темных элементов на экране при- емного устройства будет соответствовать распределению их на пе- редаваемом объекте. В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка (слева направо и сверху вниз, что аналогично привычному письму и чтению), т.е. передача элемента за элементом с постоянным на- правлением и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью че- редования строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра передаются синхронизирующие сигналы, определяющие начало раз- верток по строке и кадру. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность вос- произведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче. Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (на- пример, электронный луч) по оси X, называется строкой. Вслед- ствие инерционности зрительного аппарата наблюдатель одновре- менно видит всю совокупность следов движения электронного пят- на на экране. Совокупность видимых строк на экране называется растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим устройством всех элементов изображения называется кадром. При линейно-строчной развертке телевизионную систему обычно харак- теризуют числом строк z в кадре и числом кадров п — полных изображений в секунду. Качество ТВ изображения может быть охарактеризовано степе- нью приближения восприятия его наблюдателем к непосредственно- му наблюдению передаваемого объекта. Очевидно, качество теле- визионного изображения определяется параметрами и характеристи- ками ТВ системы. Так, воспроизведение мелких деталей и резких границ раздела полей разной яркости (контуров изображения) на- ходится в прямой зависимости от числа передаваемых ТВ системой элементов или, что то же самое, от числа строк в телевизионном растре. Слитность восприятия яркости и плавность движения объ- ектов связаны с числом передаваемых изображений (кадров) в еди- ницу времени и с выбором временного закона развертки. Число вос- производимых ступеней яркости на изображении — число световых градаций — определяется динамическим диапазоном системы. Гео- метрическое подобие переданного и принятого изображений опреде- ляется качеством синхронизации и точностью в соответствии зако- нов развертки в преобразователях свет-сигнап и сигнал-свет, т.е. от-
2G ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения носительпым равенством координат любого элемента растра как по полю растра, так и ио времени. Таким образом, выбор параметров системы определяется задан- ным качеством изображения. С другой стороны, любое повышение качества влечет за собой удорожание системы. Следовательно, ка- чество системы и выбор ее параметров должны быть экономически обоснованы. 1.2. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал Для восприятия окружающего нас реального мира природа на- делила человека пятью чувствами, три из которых (зрение, слух, обоняние) являются дистантными, а два (осязание и вкус) — кон- тактными. Значение стимулов, доводимых до нашего сознания раз- ными органами чувств, далеко не одинаково. Физиологи утверждают, что 80...85 % всех ощущений человек воспринимает через зрение. Но как ни изумительно устроен глаз человека, мы видим малую часть нашего непосредственного окружения, и только то, что'излучает или рассеивает падающий свет, который, как известно, занимает весьма узкий диапазон электромагнитных колебаний. Известно, что весь спектр электромагнитных колебаний условно делят на две части: лежащие ниже 3000 ГГц относят к радиоволнам, а выше — к оптическому диапазону. Видимая часть спектра лежит в области оптического диапазона и составляет лишь узкий участок (380...760 нм). На этом участке размещаются все видимые цвета: от фиолетового до красного (рис. 1.3,а). На рис. 1.3,£ показана кривая относительной спектральной чувствительности глаза, или, как ино- гда ее называют, стандартной кривой относительной видности гла- за. Максимальная спектральная чувствительность глаза находится в области желто-зеленой части видимого спектра частот (0,55 мкм). Слева и справа от максимума кривой видности глаза, где располага- ются синие и красные цвета, спектральная чувствительность глаза падает. Следовательно, глаз не все цвета видимого диапазона раз- личает одинаково. Это обстоятельство было учтено при создании совместимых систем цветного телевидения (см. гл. 12). Телевизионная система может расширить зрительные возмож- ности человека, т.е. она способна видеть то, что человек не мо- жет видеть невооруженным глазом. Источником ТВ сигнала может быть любое излучение не только в оптическом диапазоне электро- магнитных волн. Для этого необходимо, чтобы оптико-электронный преобразователь имел соответствующую спектральную чувствитель- ность. Следовательно, с помощью телевидения можно сделать видимы- ми объекты, невидимые простым глазом.
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения 27 Частота, Гц Ультрафиолетовые лучи 10° 101 102 103 104 ю5 ю6 ю7 ю8 ю9 ю1О1о11io12io1310141015ю16/ю17 ю181019 1О2°1О21 10221023 Электромагнитные колебания низкой частоты Радиоволны Инфракрасные лучи —।—1 1 1 L Рентге- новские лучи 108 107 106 105 104 103 102 Ю1 10° 1СГ110'2 10'310'4 10”* Длина волны, м Радиоволны I Т0^10810 910-1°10 10“1 10“131014 Оптический диапазон Видимый свет >s >s о с; q <и о со I- О S е а) Рис. 1.3. Спектр электромагнитных волн (а) и стандартная кривая относи- тельной спектральной чувствительности глаза (6) При передаче черно-белого ТВ изображения каждый элемент ха- рактеризуется мгновенным значением яркости. В процессе разверт- ки, т.е. последовательной во времени передачи элементов изображе- ния, образуется сигнал яркости как функция времени. Для полу- чения этого сигнала необходимо преобразовать лучистую энергию в электрический сигнал, что осуществляется в современном телевиде- нии устройствами, использующими фотоэффект. Под фотоэффек- том понимается возможность освобождения электронов в веществе под действием световых лучей. Электроны при этом могут покидать вещество, тогда это называется внешним фотоэффектом, или оста- ваться свободными внутри вещества, увеличивая его проводимость, тогда это называется внутренним фотоэффектом. В первом случае процесс вылета электронов из вещества называется фотоэмиссией, а во втором — электроны, освобожденные светом, но оставшиеся в нем, называются электронами фотопроводимости. Сущность внешнего фотоэффекта заключается в появлении электронной эмиссии с поверхности некоторых металлов, облучае- мых лучистым потоком [8]. Возбужденный квантом света электрон покидает вещество, пре- одолевая работу выхода. Ясно, что световые лучи, обладающие не- большой энергией световых квантов, не способны вырвать ни одного электрона из вещества, следовательно, во внешней цепи не будет то- ка. Если световой квант обладает большой энергией, то он способен освободить электроны, и тогда во внешней цепи потечет фотоэмисси- онный ток. Он будет пропорционален световому потоку, если прибор, в котором этот процесс реализуется (фотоэлемент), работает в режи- ме насыщения. Тогда все элементы, испускаемые данным веществом, попадают во внешнюю цепь этого прибора. Преобразование светового
ЧАСТЬ 1. Физические основы телевидения по тока в электрический ток при внешнем фотоэффекте безынерцион- но. Основные закономерности внешнего фотоэффекта установлены А.Г. Столетовым в 1888-1890 гг. При внутреннем фотоэффекте за счет поглощения энергии из- лучения увеличивается энергия отдельных электронов вещества и нарушаются связи электронов с ядром своего атома, в результате •них) внутри фотослоя возникают носители тока. Электроны не по- кидают вещество, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости. Это приводит к изменению сопротивле- ния фотослоя. Возбужденный светом электрон через некоторое вре- мя рекомбинирует, т.е. возвращается в заполненную зону. Скорость этого процесса возрастает по мере увеличения концентрации фото- генерированных электронов. При неизменном потоке излучения ско- рость генерации носителей постоянна, скорость рекомбинации возра- стает, поэтому через определенный промежуток времени интенсив- ность рекомбинации становится равной интенсивности генерации но- вых фотоэлектронов. Наступает равновесное состояние — стацио- нарное значение проводимости. При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраняется еще спустя неко- торое время. Следовательно, нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются процессом инерционным. Квантовый выход, т.е. отношение числа фотоэлектронов к числу падающих квантов света, при внутреннем фотоэффекте значительно выше, чем при внешнем. При внешнем фотоэффекте выбитые кванта- ми света фотоэлектроны должны совершить «работу выхода», чтобы покинуть свою среду, т.е. иметь большой запас энергии. При внутрен- нем фотоэффекте фотоэлектроны работу выхода не совершают, они только отрываются от своих атомов и остаются в пределах фотопро- водника. При этом требуется значительно меньше энергии. Следо- вательно, оптико-электронные преобразователи, использующие явле- ние внутреннего фотоэффекта, обладают более высокой чувствитель- ностью, и поэтому современные датчики телевизионных сигналов ис- пользуют в основном принцип внутреннего фотоэффекта [9]. 1.3* Обобщенная структурная схема телевизионной системы Общая задача телевидения — преобразование световой энергии в электрический сигнал, передача этого сигнала по каналу связи и, наконец, преобразование на приемном конце электрического сигнала в оптическое изображение. Исходя из этого строится ТВ система, включающая весь комплекс технических средств, обеспечивающих получение на приемном устройстве зрительной информации о пере- даваемом объекте. В зависимости от назначения системы объем и
ГЛАВА 1. Основные принципы телевидения 29 Синтезирующее устройство Анализирующее устройство Рис. 1.4. Структурная схема телевизионной системы: 1 — объектив; 2 — оптико-электронный преобразователь; 3 — развертывающее устройство; 4 — синхронизатор; 5 — усилитель; б — передающее устройство; 7 — канал связи; 8 — приемное устройство; 9 — видеоусилитель; 10 — преобразова- тель сигнал-свет; 11 — селектор импульсов синхронизации; 12 — развертывающее устройство устройство технических средств могут быть различными, но они ха- рактеризуются общими для всех систем свойствами. Обобщенные, характерные для ТВ системы устройства и их взаимосвязь предста- влены в структурной схеме рис. 1.4. Объектив 1 преобразовывает световой поток, создавая оптиче- ское изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико- электронного преобразователя 2. Это устройство преобразует свето- вую энергию в электрическую. Оптическое изображение проецируется на мишень передающей трубки или на твердотельный датчик ТВ сигналов, и с этих устройств снимаются заряды, которые впоследствии образуют ТВ сигнал. С по- мощью развертывающего устройства 3 получают последовательные электрические импульсы. Электрические импульсы, несущие инфор- мацию о яркости изображения, называются яркостным сигналом. Для синхронной и синфазной работы анализирующего и синте- зирующих устройств,, обеспечивающих идентичность положения ко- ординат точек на передающем и приемных устройствах, необходи- мо генерировать и передавать специальные сигналы синхронизации. Синхронность достигается при равенстве частоты разверток на ана- лизирующем и синтезирующих устройствах, а синфазность — при точном начале их работы. Для выполнения этих условий в телеви- дении используется принудительная синхронизация. Сигналы син- хронизации вырабатываются в синхрогенераторе 4 и представляют собой импульсы различной длительности и частоты. Одни импульсы синхронизации вырабатываются с частотой строк, другие — с часто- той кадров. Эти импульсы поступают в развертывающее устройство 3, а также в усилитель 5, где суммируются с сигналом яркости и поступают в передающее устройство 6. В ТВ системе развертывающие устройства на передающей и при- емной сторонах работают в автоколебательном режиме. Поэтому сигналы синхронизации вместе с сигналом яркости передаются на
30 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения телевизионные приемники и обеспечивают работу развертывающих устройств синфазно и синхронно с развертывающими устройствами передающей части. ( ’и их регенератор вырабатывает также сигналы гашения лучей передающей и приемной трубок во время их обратных ходов, называ- емых гасящими импульсами. На вершинах гасящих импульсов рас- полагаются синхронизирующие импульсы. Исходный сигнал яркости с введенным сигналом гашения назы- вается сигналом яркости. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигнала синхронизации, называется полным сигналом яркости. В передающем устройстве 6 производится модуляция несущей. Полный ТВ радиосигнал далее поступает в канал связи 7. Роль канала связи могут выполнять радиопередатчики, ретрансляторы, кабельная, радиорелейная, спутниковая, световодная и другие ли- нии связи, удовлетворяющие требованиям неискаженной передачи ТВ сигнала. В процессе передачи по каналу связи сигнал может под- вергаться различным преобразованиям, но на выходе должен восста- навливаться полный ТВ радиосигнал. В приемном устройстве 8 происходит усиление телевизионного радиосигнала по высокой и промежуточной частотам, а также его детектирование. После детектирования видеосигнал поступает на усилитель видеосигналов Р, где происходит усиление сигнала до не- обходимой величины для управления преобразователем сигнал-свет (кинескоп, приемная трубка) 7Р, и на селектор импульсов синхрони- зации 11. В этом устройстве осуществляется выделение из видеосиг- нала импульсов синхронизации. Эти импульсы управляют развер- тывающими устройствами 12. обеспечивая синхронность и синфаз- ность движения сканирующих элементов анализирующего и синте- зирующих устройств. Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЙ 2.1 Характеристики оптического изображения Процесс телевизионной передачи начинается с построения дву- мерного оптического изображения трехмерных предметов, располо- женных в пространстве. Качество оптического изображения опреде- ляется ряд,ом факторов и не имеет единой, обобщенной количествен-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 31 Рис. 2.1. К определению глубины резкости ной оценки. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного преобразования характеристики оптического изображения. Освещенность в плоскости оптического изображения Ео опре- деляется освещенностью объекта Ео^ его отражательными свойства- ми, характеризуемыми коэффициентом отражения роб, и параметра- ми объектива. Она.может быть определена как Р __ Роб^Ео^С) ° ~ 4(1+т)2’’ где т — коэффициент прозрачности объектива; О = D/ f — отно- сительное отверстие объектива, определяемое отношением диаметра его входного зрачка D к фокусному расстоянию т — уо/уоб — линейный масштаб изображения; т/об и уо — линейные размеры объ- екта и оптического изображения соответственно. Относительное отверстие объектива регулируется с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка. Фокусное рас- стояние объектива выбирается по известным значениям расстояния до объекта Ао (рис. 2.1) и масштаба изображения т для получения репродукции с крупным, средним или тому подобным планом; с до- статочной точностью при малых значениях т фокусное расстояние может быть определено как /' « тА$. Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей спо- собностью объектива. Наличие аберраций (искажений изображений, возникающих в оптических системах) приводит к тому, что точка воспроизводится в виде некоторого кружка, а две близко расположенные светлые точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное рассто- яние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроиз- водятся отдельно, называется разрешаемым расстоянием, а величи- на, обратная ему, — разрешающей способностью объектива. Разре- шающая способность оценивается максимальным числом пар черно-
32 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения белых линий па J мм, воспроизводимых на изображении. Аберра- ции уменьшаются с приближением пучков к параксиальным, поэтому разрешающая способность объектива увеличивается при диафрагми- роаании, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако это справедливо до тех пор, пока О > 1/20. Дальнейшее уменьшение относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, снижающих разрешающую способность. При передаче изображений объектов, протяженных по глубине, разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей, расположенных иа одном от него расстоянии Ао, т.е. в плоскости .So, сопряженной с плоскостью резкого изображения (см. рис. 2.1). Точки, расположенные дальше и ближе к этой плоскости, напри- мер в плоскостях Si и 5*2 соответственно, будут воспроизводиться па изображении кружками различных диаметров (кружки размы- тия). Глубина резкости — глубина воспроизводимого пространства ДА = Ai — А2, для которого максимально допустимый диаметр круж- ка размытия d принимают обычно равным линейному размеру одного элемента разложения изображения d = h/z, где h — высота изобра- жения на светочувствительном слое (мишени) передающей трубки; z — число строк разложения. Из уравнения тонкой линзы 1/А0 + 1/а0 - 1//' (2.1) следует, что при Ао > Ао > ДА и аод,2 ~ Г глубина резкости 2h 1 ДА = ДА! + ДА2 = Ах - А2 « — . (2.2) z От2 Учитывая, что для каждого типа преобразователя свет-сигнал высота изображения /г жестко задана его конструктивными особенно- стями, глубина резкости практически определяется относительным отверстием объектива и квадратом линейного масштаба изображе- ния. Требуемое значение глубины резкости зависит от характера изо- бражения и от художественного замысла режиссера: она не должна быть слишком большой, чтобы «не засорять» изображение «лишни- ми» деталями, например тонкой структурой декораций, и в то же вре- мя не должна быть слишком малой, чтобы обеспечить качественное воспроизведение изображений актеров при их перемещении в рабо- чем пространстве сцены. Геометрические (координатные) искажения, возникающие в оп- тической системе, обычно пренебрежимо малы, но могут оказаться заметными при некоторых нарушениях нормальных условий оптиче- ской проекции. Так, при передаче изображений плоских объектов (графики, картины, чертежи, фасады зданий и т.д.) возникают тра- пецеидальные искажения прямоугольных форм из-за несоблюдения параллельности плоскостей светочувствительной мишени и объекта
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 33 (наклон камеры вниз или вверх). Поворот преобразователя вокруг оптической оси (наклон камеры влево или вправо) приводит к диа- гональной композиции и т.д. По мере удаления предметов от объектива уменьшается масштаб их изображения, и удаленное пространство как бы сжимается — две параллельные линии, уходящие от наблюдателя, сходятся в одну точку. Такая точка называется точкой схода, а сама трансформа- ция пространства на изображении называется перспективой. Точ- ка схода тем ближе, чем больше угол зрения системы. Искажения перспективы наблюдаются тогда, когда одно и то же ограниченное пространство рассматривается под разными углами зрения — гла- зом и передающей ТВ камерой. В прикладных телевизионных систе- мах, когда необходима документальная точность, все эти искажения должны жестко регламентироваться. Количественное нормирование параметров оптических изобра- жений, и в частности изображения на экране приемника, обязатель- но должно учитывать параметры и характеристики зрительной си- стемы. 2.2. Зрительная система. Основные параметры телевизионного изображения Зрительная система. Получение зрительной информации о внешнем мире — форме вещей, их пространственном расположении, цвете, движении и т.п. осуществляется с помощью зрительной систе- мы. Зрительная система состоит из органа зрения — глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Глаз предста- вляет собой оптическую систему с углом зрения порядка 120°, кото- рая с помощью хрусталика формирует изображение окружающих нас предметов на сетчатке. Последняя образует светочувствительную поверхность дна глазного яблока. Оптическая система глаза легко управляется с помощью хорошо организованного мышечного аппара- та. Так, путем изменения кривизны хрусталика глаз автоматически фокусирует изображение тех предметов, которые мы хотим рассмо- треть в данный момент. Диапазон фокусировки охватывает предме- ты, удаленные от наблюдателя на десятки сантиметров и до беско- нечности. Кроме того, оптическая ось глаза автоматически устана- вливается так, чтобы подвергающееся рассматриванию изображение проецировалось на центральную часть сетчатки (фовеа) с наиболь- шей разрешающей способностью. Сетчатая оболочка глаза представляет собой мозаику из свето- чувствительных нервных окончаний. Существует два вида нервных окончаний — фоторецепторов: колбочки и палочки. Колбочки — рецепторы аппарата дневного зрения. Дневное зрение характеризу- ется малой светочувствительностью, но большой разрешающей спо- собностью и цветоразличительными свойствами. Палочки — реце- пторы аппарата сумеречного зрения, не обладающего способностью 3
34 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения различать цвета и имеющего малую разрешающую способность, но большую световую чувствительность. Центральная часть сетчатки (с угловыми размерами 1...3°) содержит только колбочки, а пери- фирн я колбочки и палочки. Причем плотность колбочек убывает с удалением от центра, а плотность палочек почти постоянна. Фо- торецепторы через сложную нервную систему связаны со зритель- ным центром головного мозга. Световое раздражение сетчатки вызывает появление электриче- ских импульсов с различными частотами повторения, которые по сложным цепям проводящей системы поступают к головному моз- гу. Прежде чем сигнал поступит в вышележащие отделы, он под- вергается сложной обработке — кодированию. Механизмы анализа зрительной информации, ее обработки, кодирования и дешифровки еще далеко не изучены. При реализации различных систем воспроизведения изображе- ний необходимо обеспечить рациональное приближение изображения к образу, непосредственно воспринимаемому зрением. Поэтому при построении ТВ системы необходимо соответствующим образом согла- совать ее параметры со свойствами зрительной системы. Рассмотрим характеристики зрительного восприятия и оценим ориентировочные значения основных параметров ТВ изображения. Число строк. Формат кадра. Предельная способность зри- тельной системы видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью (остротой зрения). Различают два вида остроты зре- ния: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей. Последнюю принято называть остротой глубинного или стереоскопического зрения. И та и другая острота зрения зависят от разрешающей способности сетчатки глаза и его оптической системы. Для нормального зрения доминирующую роль играет разрешение сетчатки. Однако определять остроту зрения только по статическим характеристикам нельзя. Глаз — динамическая оптическая систе- ма. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока — тремором. Кроме того, оптическая ось глаза обе- гает контуры (границы раздела полей разной яркости) изображения, как бы выбирая наиболее существенную информацию. Эти движения глаза оказывают весьма существенное влияние и на остроту зрения, увеличивая ее по сравнению со статической (расчетной). Рассмотрим усредненные характеристики глаза для большого числа наблюдателей с нормальным зрением. Разрешающая способ- ность глаза характеризуется наименьшим угловым расстоянием б ме- жду двумя светящимися точками, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно. Минимально разрешаемое расстояние изме- няется в значительных пределах при изменении яркости наблюда- емых точек и их контраста относительно фона. На рис. 2.2 приве- чена экспериментальная зависимость остроты зрения V (величины, обратной 6), отнесенной к значению Vq, соответствующему <5 = 1', от
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 35 Рис. 2.2. Зависимость от- носительной остроты зре- ния V/Vq от яркости L Рис. 2.3. Изменение относитель- ной остроты зрения по мере уда- ления от центрального углубления сетчатки на угловое расстояние а яркости L. Характер этой зависимости может быть объяснен следу- ющим образом. Малые световые сигналы не в состоянии вызывать в одном нервном окончании (рецепторе) сигнал, отличающийся от соб- ственных шумов и флуктуаций квантов падающего света. Поэтому при малых световых раздражениях сигналы от нескольких рецепто- ров, объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное по- ле), суммируются, что увеличивает световую чувствительность, но снижает разрешающую способность. По мере увеличения освещенно- сти площадь рецептивного поля (за счет уменьшения числа объеди- ненных рецепторов) уменьшается, и разрешающая способность ра- стет. Однако площадь рецептивного поля может убывать лишь до значения, определяемого размерами одного рецептора, поэтому пре- дельная разрешающая способность ограничивается раздельным воз- буждением двух рядом лежащих нервных окончаний сетчатки. Этим объясняется верхний загиб кривой рис. 2.2. В практике телевидения максимальные значения яркостей экра- на приемной трубки достигают примерно 200... 300 кд/м2. При этом для «стандартного» глаза разрешающая способность определяется минимальным угловым расстоянием <5min = 1' при достаточно боль- шом контрасте и неограниченном времени наблюдения. Из-за неоднородностей структуры сетчатки острота зрения уменьшается по мере удаления от центрального углубления этой обо- лочки на угловое расстояние а° (рис. 2.3). Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°), основная зрительная информа- ция, поступающая в глаз, сосредоточена в пространственном угле ясного зрения ая. Приняв размеры поля ясного зрения по вертикали Ояв = 12° и по горизонтали аяг = 16° и положив разрешение глаза <5пмп — получим число регистрирующих информацию элементар- ных участков в поле ясного зрения М, = (a«r/6min)(a«B/<5min) = (16 • 60/1)(12 • 60/1) = 0,7 • 10е.
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 2.4. К определению числа строк разложения изображения (а) и четко- сти изображения в вертикальном направлении (5) Назначением ТВ системы является создание репродукции опти- ческого изображения. Телевизионное изображение должно обеспе- чивать отображение передаваемого образа таким же, каким его вос- принимает зритель при непосредственном наблюдении. Однако для начального этапа построения ТВ систем было характерно использо- вание более простых технических решений по статистическому со- гласованию параметров ТВ систем со свойствами зрительной систе- мы. В частности, для сокращения объема передаваемой информации были уменьшены поле зрения, разрешающая способность ТВ систем и число мельканий изображения, а также не передавалась инфор- мация о его цвете и объеме. В то же время применялись системы более простые в реализации, но с большой информационной избы- точностью — с постоянными не ад оптируемыми параметрами передачи обширного ансамбля всевозможных изображений. Подоб- ным образом были реализованы вещательные ТВ системы с «посто- янной» разрешающей способностью во времени и в пространстве (по полю изображения) для наблюдения любых статических и динами- ческих изображений только в пространственном угле, равном углу ясного зрения а°. Исходя из этого условия и в соответствии с форматом централь- ной зоны сетчатки (называемой желтым пятном} была выбрана ве- личина формата кадра k = b/h = 4/3, где 6, h — ширина и высота кадра соответственно (рис. 2.4). Для рассмотрения ТВ изображения, расположенного в угле ясного зрения наблюдатель должен находить- ся от экрана приемной трубки на определенном расстоянии, на кото- ром изображение полностью проецируется в зону ясного зрения. Из геометрических соображений оптимальное расстояние рассматри- вания можно определить как /опт ~ 5Л. При меньшем расстоянии изображение не полностью проецируется в зону сетчатки с макси- мальной разрешающей способностью, а при большем — в эту зону понадают и посторонние объекты, окружающие экран ТВ приемника. Число элементов разложения изображения N также должно со- ответствовать числу элементарных участков поля ясного зрения Nn. 1<слн принять конфигурацию элемента разложения в виде квадрата
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 37 или окружности (для одинаковой четкости изображения в вертикаль- ном и горизонтальном направлениях), то число элементов разложе- ния изображения определится как Аг = kz2 (где z — число строк, т.е. число элементов по вертикали; kz — число элементов в строке). Тогда для опознавания деталей в неподвижном изображении в ТВ системе с неподвижным (статическим) растром число элементов разложения должно быть N 4АГЯ из-за того, что между деталями должны воспроизводиться и промежутки по вертикали и горизонтали размером не менее одного элемента разложения. Отсюда требуемое число строк разложения при данных условиях определится как Z > 2у/ия/к = 2>/0,7 • 106 - 3/4 и 1400. Однако взаимное расположение деталей и строк растра может быть различным (см. рис. 2.4,6). В зависимости от этого в верти- кальном направлении будут воспроизводиться детали размером ли- бо h/Z, либо 2h/z. Это делает неоднозначным оценку значения чет- кости изображения по вертикали; поэтому для уверенного различе- ния в ТВ изображении 0,7-106 деталей необходимо использовать еще большее число строк разложения. В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к подобным требованиям. Но реализация систем ТВЧ в вещании осложнена весьма значительным увеличением требуемой полосы пропускания каналов связи из-за соответствующего расши- рения спектра ТВ сигнала. Системы же с искусственным тремором растра также сложны в реализации. Для вещательной системы, использующейся в нашей стране, в конце 40-х годов было выбрано число строк разложения z = 625 (ГОСТ 7845-92). Число строк разложения z — 625 определяет номи- нальную четкость ТВ изображения. При этом различимость строч- ной структуры растра на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза. В то же время подобная система в принципе может обеспечивать воспроизве- дение как одиночных деталей, так и множества черно-белых деталей N = kz2 « 0,5 • 106 с шахматной структурой расположения, по раз- меру равных одному элементу разложения К/z. Размер воспроизво- димых деталей обычно оценивается в относительных единицах как определенная часть высоты изображения h. Число кадров, передаваемых в одну секунду. Частота мельканий. Зрительное восприятие дискретно во времени. Оди- ночный световой импульс длительностью to может быть обнаружен только при условии, что время действия его на глаз конечно, т.е. to tKp (рис. 2.5). Причем время £кр зависит от освещенности сет- чатки Ео, т.е. от мощности сигнала. Иными словами, установлено, что EotKp = const. При переменном значении Eo(t) суммарное воз- действие светового сигнала должно достигнуть вполне определенного
38 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 2.5. Визуальное ощуще- ние яркости £виз(ОМвизтах периодически излучающего ис- точника С яркостью Lo/Lomax значения для его обнаружения: / Eo(t) dt = const. Jo Минимальное время накопления имеет граничное значение tKp, называемое критической длительностью. Различные исследования дают большие расхождения в значениях tKp, что объясняется раз- личными условиями проведения опытов: tKp меняется в пределах от сотых (при больших яркостях) до десятых (при малых яркостях) долей секунды. После прекращения действия светового потока, возбуждающего сетчатку (см. рис. 2.5), глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей во времени по экспоненциальному закону ^виз(ОМвизтах = (Lq/Lq max )ехр(-</т), где ДзизВД/^визтах — значение визуальной яркости во время Z, про- шедшее после прекращения возбуждения; Lo/^Omax — яркость воз- буждения; т ~ 0,05...0,1 с — постоянная времени, характеризующая инерцию зрения и отсчитываемая как т = t, при котором кажуща- яся яркость уменьшается в е раз. Постоянная времени т является функцией яркости и уменьшается при ее увеличении. Параметр т определяет критическую частоту мельканий /кр, представляющую собой наименьшую частоту повторения импульс- ных возбуждений сетчатки, при которой наблюдатель перестает за- мечать изменение светового потока и воспринимает его как непре- рывное излучение. Критическая* частота мельканий яркости источника зависит от средней яркости поля наблюдения (яркости адаптации), размеров мелькающего участка и т.д. Зависимость критической частоты мель- каний от яркости подчиняется общему психофизическому — лога- рифмическому закону зрительных восприятий: /кр — 1g J^cp 4" (2-3) где средняя яркость, кд/м2; а0 — 9,6; Ьо = 26,8 — коэффи- циенты, установленные опытным путем.
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 39 При частоте повторения, равной или большей критической, визу- альная яркость Lcp прерывисто излучающего источника может быть определена как средняя за период повторения Т — закон Тальбота: Lcp = ^TL°(i)dt. (2.4) Дискретное во времени воспроизведение изображений отдельных мгновенных положений (фаз) движущихся предметов воспринимает- ся как слитное движение, если число фаз (кадров) в единицу времени больше или равно некоторому числу п$ и если смещение предмета в соседних фазах незначительно, т.е. если относительная скорость движения предмета в кадре невелика. Из многолетнего опыта кино установлено, что для восприятия плавного движения объекта в большинстве случаев достаточно пере- давать порядка 20 отдельных фаз движения в одну секунду. Поэтому с учетом (2.3) и (2.4) для съемки и воспроизведения изображений в современных системах кино выбрано 24 неподвижных кадра в одну секунду. Однако при этом частота мельканий /мк киноэкрана полу- чается значительно меньше критической. Для того чтобы /мк > /кр, приходится перекрывать световой поток кинопроектора непрозрач- ной заслонкой — обтюратором, не только при продергивании пленки во время смены кадра, но и дополнительно еще один раз во время проекции неподвижного кадра на киноэкран. Тогда /мк = 48 Гц, что для киноизображений в большинстве случаев является достаточным. По аналогии в ТВ вещании число кадров п, передаваемых в од- ну секунду, было принято равным 25. При этом частота мелька- ний яркости экрана fMK = 2п = 50 Гц за счет использования черес- строчного разложения (см. гл. 3) и соответствует частоте кадровой развертки. Это было сделано из соображений равенства ее частоте промышленной сети для уменьшения заметности помех от электро- сети — характерных динамических (геометрических и яркостных) искажений изображения. Однако в телевизионных системах процесс воспроизведения изо- бражений с относительно большими значениями средней яркости экранов значительно более сложен, чем в кино. Яркость каждой точки киноэкрана практически постоянна во время проекции одного кадра в течение около 20 мс (с учетом перекрытия светового пото- ка обтюратором). В телевизионном же изображении каждая точка экрана возбуждается электронным лучом кинескопа только в мо- мент передачи одного элемента изображения, т.е. в течение примерно 0,1 мкс. Поэтому, несмотря на весьма высокие значения мгновенной яркости экрана под электронным лучем и на послесвечение люми- нофора после его возбуждения, яркость каждого элемента ТВ изо- бражения отличается большой неравномерностью в течение кадра, а. значение средней яркости сравнительно невелико и, главное, зна-
-К) ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения 'inТГ.ЛЫ10 меньше мгновенной под лучом. Как следствие, при про- смотре ТВ передач на расстоянии меньшем оптимального эта нерав- номерность становится заметной, особенно на сравнительно больших деталях. Поэтому увеличение частоты мельканий яркости экрана до 1.00 Гц (за счет использования в современных приемниках элек- тронной памяти для повторного воспроизведения кадров) позволяет улучшить качество воспроизведения изображений. Для опознавания образа он должен наблюдаться на экране не менее 4... 5 с, что определяется пропускной способностью зритель- ной системы. Это справедливо как для движущихся, так и для не- подвижных объектов передачи — заставок, титров, пейзажей и т.п. Изображение последних в принципе достаточно передать один раз, а воспроизводить за счет использования электронной памяти в течение длительного времени. Аналогично можно уменьшить число переда- ваемых фаз движения для воспроизведения изображений медленно движущихся объектов. Подобные меры по уменьшению информаци- онной избыточности и соответственно упрощению каналов связи ре- ализуются в современных ТВ системах за счет применения в цифро- вых участках системы преобразований видеоинформации (см. гл. 13). Контраст. Число полутонов (градаций яркости). При на- блюдении объектов или их изображений существенную роль играет диапазон изменения яркости L — от минимальной rmin до макси- мальной Гтах- Его принято характеризовать максимальным кон- трастом /<тах = Amax/Lmin. В пределах этого диапазона ощущение изменения яркости пропорционально не абсолютному приращению яркости ДГ = |Li — L2I, а логарифму ее относительного измене- ния 1п(ДГ/Г2). Однако глаз не способен обнаружить сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способ- ность глаза также дискретна, как и его разрешающая способность. Она ограничивается квантовыми флуктуациями света и собственны- ми шумами зрительной системы. Минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, об- наруживаемое глазом на черном фоне (при темновой адаптации), называется абсолютным порогом световой чувствительности. На практике чаще приходится различать отдельные детали на некото- ром фоне с яркостью Гф; при этом глаз реагирует на относительное приращение яркости (L — L$)/L$ = &L/L$, Отношение (АГ/Гф)пор при AL — Armin называют пороговым контрастом, который зависит от яркости фона, угловых размеров детали и .фона, а также других параметров. Зависимость порогового контраста от изменения ярко- сти фона и размера деталей г показана на рис. 2.6. В рабочем диапа- зоне изменения яркости фона (яркости адаптации) Гф в первом при- ближении можно считать, что (АГ/Гф)пор = = 0,02...0,005 = const. При заданном контрасте К = L'max/L'min зритель может воспри- нять вполне определенное количество ступеней изменений яркости —
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 41 Рис. 2.6. Зависимость порогово- го контраста (Д£/£ф)Пор от ярко- сти фона Ьф и размера деталей г (W^)nop - 0,8 - 0,6 - 0,4 - 0,2 - 0 — -6 -4 -2 0 2 4 1g Ьф (2-5) полутонов, т.е. градаций яркости. Оценим их величину. Первая раз- личимая ступень яркости Lx = Lfm-n + = (1 + cr)L^in. Следую- щая ступень яркости L2 будет также определяться приращением яр- кости первой ступени на величину аЬ±: L2 = + <rLi = (1 + a)2bmin и т.д. Наконец, последняя ступень яркости L^ax = (1 + <7)mZ/^in. Отсюда число ступеней т или число градаций А определится как А = [ln(Lmax/L^in)]/ln(l + а). Разлагая 1п(1 + а) в ряд и ограничи- ваясь первым членом этого ряда вследствие малости ст, получаем ln(^max/^in) 2,3 L^ax Яркость природных объектов может изменяться в 105 и более раз. Зрительная система не способна одновременно воспринять весь этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей на сетчатке из-за адаптации — приспособления к различным ярко- стям. Адаптация происходит за счет регулировки освещенности сет- чатки путем непроизвольного изменения диаметра зрачка (быстрая адаптация) и выработки глазного пурпура — нейтрального погло- щающего фильтра на поверхности сетчатки (медленная — инерци- онная адаптация). Полагая, что максимальный контраст, ограничиваемый глазом, Ьтах/Дтп = 100, а а = 0,05, получаем, что максимальное число гра- даций, которое глаз будет различать при данных условиях, А « 92. Яркостными параметрами ТВ изображения являются его сред- няя яркость (яркость адаптации) Лизад, максимальная яркость Тиз max, МаКСИМаЛЬНЫЙ КОНТраСТ Киз max ~ Тиз щах/Дга min И ЧИСЛО полутонов — различимых градаций яркости Аиз. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий на- блюдения, свойств зрения и от содержания изображений. Практи- кой установлено, что средняя яркость £из тах ~ 30 кд/м2 вполне достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его дета- лей без особого утомления зрения. При этом максимальная яркость белых деталей изображения может достигать значений ЬИЗ тах = = 200...300 кд/м2. Средняя яркость одной и той же сцены может быть различной в зависимости от того, в какое время дня она воспроизводится: в сол- нечный полдень или в сумерки. Но в каждом изображении в боль-
Г.’ ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения in и нс тве случаев желательно наличие деталей с яркостями, близки- ми к / и t „1<чх и Lll3 min —> 0, ограниченными параметрами кинескопа и условиями наблюдения изображения. Средняя яркость изображения должна изменяться при изменении средней яркости передаваемого объекта. Для этого по каналу связи от телевизионного центра до приемника передается сигнал «постоянной» составляющей (точнее медленно меняющейся составляющей), пропорциональный сред- ней яркости оригинала (см. гл. 15). При воспроизведении ТВ изображений динамический диапазон изменения яркости, контраст Киз тах и число воспроизводимых гра- даций Аиз ограничиваются: • параметрами кинескопа — размером экрана, яркостью Лизтах, максимальным контрастом в крупных и мелких деталях и др. (см. гл. 7); • рациональным выбором режима работы кинескопа — яркостью и контрастом (размахом ТВ сигнала при фиксированном уров- не черного), устанавливаемых с помощью оперативных органов управления; • условиями наблюдения изображения — расстоянием рассматри- вания, внешней и внутренней (от соседних участков) паразит- ными засветками экрана, размерами деталей и всего изображе- ния в целом. Ухудшение условий наблюдения затрудняет распознавание объ- ектов из-за увеличения порогового контраста. Паразитные засветки Тпар снижают максимальный контраст репродукции Киз тах, кото- рый и так из-за малых размеров экрана и малой средней яркости (по сравнению с соответствующими параметрами оригинала) в большин- стве случаев меньше максимального контраста оригинала /Сотах* jyrf ___ Дта max 4" />пар Аиз max — ”7 “7 < ^из тах < тах -^из min • i-'nap Указанные причины приводят к тому, что в репродукции на экра- не кинескопа в соответствии с (2.5) уменьшается и число градацией оригинала Ло, т.е. 4ИЗ < Ао. Поэтому повысить качество изобра- жения в ТВ системе можно только за счет улучшения параметров кинескопа и перераспределения градаций по динамическому диапа- зону изменения яркости репродукции Ьиз min • • • Тиз тах, а также за счет адаптации ТВ системы к конкретным передаваемым изобра- жениям из широкого ансамбля изображений с разными яркостны- ми параметрами. Последнее осуществляется с помощью специфи- ческого освещения передаваемых сцен в соответствии с замыслом творческих работников — режиссеров и операторов, а также с по- мощью ручного или автоматического изменения параметров оптиче- ской системы (диафрагмированием, использованием светофильтров и т.д.), режима работы передающихся трубок, уровня черного, кон- траста и т.д. [10, 11]. (2-6)
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 43 Рис. 2.7. Форма характе- ристики передачи уровней яркости ТВ системы при различных значениях ус Гиз/7/ Перераспределение градаций по динамическому диапазону изме- нения яркости ТВ изображения осуществляется с помощью измене- ния формы характеристики передачи уровней яркости системы (от «света до света») в так называемых гамма-корректорах (см. гл. 15). Эта характеристика (за исключением небольшого участка вблизи уровня черного) может быть аппроксимирована степенной функцией (2-7) Lo ___ I Тиз Тотах \ Тиз шах где Lo, Тиз — яркости объекта и ТВ изображения соответственно. Очевидно, что при ус = 1 имеет место линейная зависимость яркости деталей изображения от яркости соответствующих деталей оригинала Ьиз = Lo и пропорциональное воспроизведение полуто- нов по всему диапазону изменения яркости репродукции (рис. 2.7). Однако в этом случае при Аиз < Ло несколько градаций объекта вос- производятся лишь как одна градация репродукции. Как следствие, распознаваемость объектов ухудшается. При 7с < 1 за счет увеличения крутизны характеристики в обла- сти уровня черного подчеркивается различие и улучшается опозна- вание мало освещенных деталей, но за счет уменьшения полутонов и ухудшения распознаваемости деталей, яркость которых лежит вбли- зи уровня белого. При ус > 1 улучшается опознавание «белых» дета- лей (за счет «черных»). Этот случай наиболее приемлем не только для черно-белых, но и для цветных кино- и ТВ систем, несмотря на некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетно важные детали, как правило, находятся в области большей освещенности. Поэтому практикой кино и ТВ установлено, что наилучшее качество изображения в большинстве случаев наблюдается при ус — 1,2 ... 1,3. 2.3. Особенности восприятия цвета и объема Восприятие цвета. Ощущение белого цвета соответствует раз- дражению сетчатки зрительной системы световым потоком, имею- щим равномерный спектр в видимом диапазоне А « 380...780 нм. Равные по мощности, но различные по спектральному составу све- товые раздражения вызывают неодинаковое яркостное восприятие.
44 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Относительное визуальное восприятие яркости в зависимости от дли- ны волны характеризует относительную спектральную чувстви- тельность глаза и называется кривой относительной видности (см. рис. 1.3,5). Максимум чувствительности зрительной системы лежит в области А = 555 нм (желто-зеленая область). Как в сторону ко- ротких волн (сине-фиолетовая область), так и в сторону длинных (красная область) чувствительность падает. При наблюдении окружающего мира глаз видит предметы, отли- чающиеся не только по яркости, но и по окраске. При этом их можно сравнивать как по цвету, так и по условной яркости — светлоте. На- пример, два равноизлучающих поля (желтое и синее) воспринимают- ся как поля с разной светлотой. При воспроизведении изображений в одном цвете наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы по их окраске и может отличать их лишь по светлоте. Ощущение цвета возникает при раздражении сетчатки световым потоком с резко выраженной неравномерностью спектра. Дополне- ние любого цвета белым не меняет его цветового тона, а создает лишь впечатление блеклой окраски (пастельного цвета). Таким образом, физиологически (субъективно) световой поток характеризуется све- тлотой — определенным количеством цветового излучения, эквива- лентным излучению некоторого поля серой шкалы, и цветностью — качественным отличием данного цвета от других. Цветность све- тового потока, в свою очередь, определяется цветовым тоном и на- сыщенностью. Цветовым тоном называют характерное свойство по- тока, отличающее его от белого и серого, а насыщенностью — сте- пень различия ощущения цветности данного излучения от ощуще- ния цветности белого. Физическими (объективными) параметрами светового потока яв- ляются: яркость L, доминирующая длина волны А — доминанта, и чистота цвета р, определяющая степень разбавленности его белым. Доминанта, т.е. длина волны А монохроматического излучения, ко- торое в смеси с белым создает ощущение данного цвета, численно определяет его тон, а чистота цвета р численно определяет насы- щенность цвета и равна отношению яркости спектрального цвета L\ к суммарной яркости смеси: р = L\/{L\ + L§), где — яркость белого цвета, входящего в смесь. Каждый из субъективных параметров является качественным отражением в нашем сознании соответствующих физических параме- тров светового потока. Между объективными и субъективными па- раметрами существует качественное соответствие, но отождествлять их нельзя. В основе изучения цветового зрения лежит трехкомпонентная те- ория цветового восприятия, высказанная русским ученым М.В. Ло- моносовым еще в 1756 г. и наиболее полно разработанная полтора века спустя Г. Гельмгольцем. Трехмерная теория допускает суще-
ГЛАВА 2. Характеристики оптического и ТВ изображений 45 Рис. 2.8. Кривые чув- ствительности глаза к основным цветам: синему В, зелено- му G и красному R Фиоле- товый Синий Зеле- ный Жел- тый Оран- жевый Крас- ный ствование в нашем органе зрения трех видов рецепторов, селективно (раздельно) реагирующих на красный R, зеленый G и синий В цвета (рис. 2.8). Масштаб кривых выбран таким, чтобы ограничиваемые ими площади были равны в предположении, что одинаковое возбу- ждение всех трех приемников вызывает ощущение белого цвета. Существует ряд других теорий светового зрения — четырехком- понентная, семикомпонентная, а в последнее время разрабатывается и нелинейная теория восприятия цветов. Однако в теории и практи- ке цветного телевидения, цветных фотографий и кино в настоящее время широко используется только трехкомпонентная. Согласно ей красный Я, зеленый G и синий В цвета являются основными — вза- имонезависимыми, т.е. ни один из них не может быть получен сме- шением двух других. Все же остальные цвета, в том числе и белый, могут быть получены смешением трех основных. Для реализации цветной репродукции необходимо передавать в том или ином виде информацию о трех цветоделенных изображени- ях, соответствующую содержанию передаваемой сцены. В простей- шем случае для этого достаточно передать три сигнала основных цветов E'r, E'g и Е'в. Особенности построения цветных ТВ систем рассмотрены в гл. 10-13. Восприятие объема. Объемность деталей и их расположение в пространстве воспринимаются с помощью как бинокулярного зре- ния, так и монокулярного (одним глазом). При монокулярном зре- нии объем оценивается через степень напряженности мышц, упра- вляющих поворотом глаза, кривизной хрусталика (аккомодация) и размером зрачка (адаптация), изменяющихся при наблюдении раз- ноудаленных предметов. Все эти факторы трудно использовать для построения стереоскопической. ТВ системы. Доминирующую роль в глубинном зрении играет бинокулярное наблюдение предметов. Важнейшим параметром глубинного зре- ния является глазной базис — расстояние между оптическими осями глаз. Для «стандартного» глаза глазной базис принимается равным 65 мм (рис. 2.9,с).
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 2.9. Бинокулярное наблюдение оди- ночных предметов Рис. 2.10. К определению порога глубинного зрения При рассмотрении удаленных предметов оптические оси глаз па- раллельны. По мере приближения предмета к наблюдателю оптиче- ские оси сводятся (конвергируют) и скрещиваются на наблюдаемом предмете (рис. 2.9,6). Угол /3, под которым скрещиваются оси, на- зывается углом конвергенции. Если в поле зрения имеются два раз- ноудаленных объекта М и Q (рис. 2.10), то параллактические углы конвергенции и «2 для них различны. Разность параллактических углов 6 = Да = ai — а2 называется угловым параллаксом. Мини- мальный угловой параллакс 6Г, которому соответствует минималь- но различимое восприятие глубины, называется порогом глубинного зрения. Среднее его значение (10...20)". Острота глубинного или сте- реоскопического зрения определяется как величина, обратная порогу глубинного зрения 1/<5г. Наличие углового параллакса приводит к тому, что отрезок МQ имеет различные по длине проекции на сетчатки левого и правого глаза, т.е. тлдл ^гпр<7пр- Разность длин отрезков |тлдл ~ 7Ппр<7пр| называется линейным параллаксом и определяет механизм воспри- ятия глубины. Из краткого анализа особенностей восприятия объема следует,1 что для реализации стереоскопической ТВ системы необходимо пе- редавать и воспроизводить два изображения соответственно для пра- вого и левого глаза. Это осуществляется с помощью двух ТВ ка- мер с базисом 65 мм (не менее) и специального воспроизводящего устройства. Для возникновения стереоэффекта в подобном приемни- ке «левое» и «правое» изображения должны рассматриваться толь- ко соответствующими глазами. Особенности построения подобных систем рассмотрены в гл. 21.
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 47 Глава 3 ФОРМА И СПЕКТР ВИДЕОСИГНАЛА 3.1. Принципы построчной (прогрессивной) развертки Разверткой изображения называется перемещение развертыва- ющего элемента в процессе анализа или синтеза изображения по определенному периодическому закону. Оптическое изображение сначала фотоэлектрическим преобразователем в виде электронно- лучевой трубки или твердотельной передающей матрицы превраща- ется в электрический сигнал, мгновенные значения которого пропор- циональны яркости передаваемых участков изображения, — видео- сигнал. В ТВ приемнике электрический сигнал снова превращается в оптическое изображение с помощью электронно-оптического пре- образователя в виде кинескопа или с помощью плоской матрицы све- тоизлучающих элементов. Телевизионное изображение, получаемое за период кадра (ТВ кадр), состоит из совокупности (до сотен тысяч) элементов — мини- мальных площадок, различаемых и воспроизводимых ТВ системой. Используются процессы последовательного во времени преобразова- ния цвета или яркости элементов изображения объектов в электри- ческие сигналы (ТВ анализ изображения) и электрических сигналов в цвет или яркость элементов ТВ изображения (синтез ТВ изображе- ния). Перемещение развертывающего элемента в процессе анализа и синтеза изображения по определенному периодическому закону на- зывается разверткой изображения. Развертывающий элемент может быть реализован в виде электронного луча (электронная развертка), светового (лазерного) луча, светочувствительного элемента в твер- дотельном датчике видеосигнала и т.д. Рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к развертке. Развертка может осуществляться по различным законам. В различ- ных областях техники используют радиальную, спиральную, сину- соидальную, линейно-строчную и другие виды разверток. Однако во всех случаях закон развертки на передающей и приемной сторо- нах должен быть одинаков, иначе появятся координатные искаже- ния воспроизводимого изображения. Кроме того, развертки долж- ны быть синхронными (равенство частот) и синфазными (совпадение фаз). Невыполнение первого требования, т.е. отличие частот строч- ной или (и) кадровой развертки воспроизводящего устройства от та- ковых на передающей стороне ТВ тракта влечет за собой невозмож- ность получения и просмотра устойчивого изображения на экране телевизора или монитора. Если же частоты разверток равны, но
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 3.1. Линейно-строчная развертка: а — принцип линейнострочной развертки; 6— синхронизация разверток есть фазовые различия, т.е. моменты начала разверток не совпада- ют, то изображение будет сдвинутым по горизонтали или вертикали, может быть «разорвано» на две части, начинают просматриваться интервалы гасящих импульсов. В ТВ вещании используется наиболее простой для реализации закон развертки — линейно-строчная периодическая развертка, ко- гда разложение изображения осуществляется с постоянной скоро- стью слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход строчной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход ка- дровой развертки) (рис. 3.1,а). Быстрый возврат развертывающего элемента справа налево и снизу вверх происходит во время обрат- ны.:!: ходов разверток; сумма времени прямого и обратного ходов со- ставляет период развертки, причем период строчной развертки на- много меньше периода кадровой. Рисунок, образуемый обегающим электронным или световым лу- чом на. поверхности экрана или мишени электронно-лучевого прибо- ра., называют ТВ растром. Элементы на передаче и приеме будут
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 49 Рис. 3.2. Форма отклоняющих токов при построчной развертке иметь одинаковые координаты в пределах растров (рис. 3.1,6), если по ТВ каналу будет передаваться не только видеосигнал, но и допол- нительный (служебный) сигнал — сигнал синхронизации приемника, содержащий импульсы строчной и кадровой частот. Обычно оба эти сигнала совмещаются, а в приемнике разделяются по уровню. Со- вмещенный сигнал называют полным сигналом яркости. Развертка, при которой все строки растра развертываются за один период вертикальной развертки в непрерывной последователь- ности (1-я, 2-я, 3-я и т.д.), как изображено на рис. 3.1, называется построчной (прогрессивной). Форма отклоняющих токов строчной (г2) и кадровой (гк) частот в случае построчной развертки показана на рис. 3.2. Видно, что периоду кадровой развертки Тп соответствует целое число периодов строк Tz. Во время прямых ходов (Д) токи ли- нейно нарастают, т.е. скорости разверток по горизонтали и вертикали постоянны: vr = const и vB = const. Это позволяет избежать некото- рых искажений воспроизводимого изображения — изменения яркости и четкости по полю изображения. Действительно, при нелинейном законе развертки время нахождения развертывающего электронного луча на отдельных элементах растра будет различно и яркость этих элементов на люминофорном экране кинескопа тоже будет неодина- кова. Кроме того, при этом меняется скорость развертки (£эл = var), и для некоторых элементов, для которых скорость развертки мак- симальна, частота ВЧ составляющих спектра видеосигнала может превысить 6 МГц, и в канале связи они будут ограничены. Что же касается обратных ходов (Т2), то линейную форму, изображенную для простоты на рис. 3.2, выдерживать не обязательно, так как воз- врат электронного луча в исходное состояние к началу прямого хода зритель не видит — на воспроизводящее устройство подаются специ- ально сформированные гасящие импульсы (ГИ), причем тги > Т2. На рис. 3.2 показана также зависимость положения воспроизво- димого элемента на строке от значения тока развертки. При отсут- ствии постоянной составляющей тока его среднее (нулевое) значение 4
so ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Таблица 3.1 1 ’ачнгр тка Значения параметров разложения изображения /, Гц Т, мс Т1, мс Т2, мс Гакт, Гги, МС 7 ГИ /Г Л 15625 0,064 0,057 0,007 0,052 0,012 а = 0,18 V 50 20 19 1 18,4 1,6 /3 = 0,08 соответствует середине строки, а максимумы положительных и от- рицательных амплитуд — правому и левому краям растра. В табл. 3.1 приведены номинальные значения некоторых параме- тров разложения изображения для горизонтальной Н и вертикаль- ной V разверток, в том числе абсолютные (тги) и относительные (тги/Т) длительности ГИ и длительности активной части строки и кадра Такт. Точные значения (с допусками) этих и других пара- метров, определяющих систему вещательного ТВ, приведены в [12]. Здесь отметим только, что средняя нестабильность частоты строк Д f'z /f'z в сигнале отечественной системы цветного ТВ SEC AM не должна превышать 10”6, т.е. ±15625 • 10-6 « ±0,016 Гц. Этому соответствует нестабильность периода импульсов с частотой строк ДТ2 = Tz(Afz/fz) = (1/15625) • 10-6 « ±0,06 нс, что необходимо для международного обмена программами цветного ТВ со странами, в которых принята другая система цветного ТВ — PAL. Как видно из табл. 3.1, реально обратный ход вертикальной раз- вертки занимает около 1 мс (5 % периода), или около 15 строк. Они будут воспроизводиться в виде наклонных линий, если на воспроиз- водящее устройство не подавать ГИ. На рис. 3.1,а и 3.2 для упро- щения графических построений время обратного хода кадровой раз- вертки значительно уменьшено — до значения времени обратного хода строчной развертки. В заключение подытожим основные требования, предъявляемые к ТВ разверткам: одинаковый закон разверток на передающей и при- емной сторонах ТВ системы; простой закон формирования отклоняю- щих токов (линейно-строчная развертка в ТВ вещании); постоянство скоростей разверток на прямых ходах; синхронность и синфазность разверток передающей и приемной сторон ТВ тракта; отклонение ча- стоты строк от номинальной не должно превышать ±0,016 Гц. 3.2. Форма видеосигнала Величина видеосигнала, получаемого на выходе фотоэлектри- ческого преобразователя (преобразователя свет-сигнал), является функцией времени и пропорциональна яркости передаваемых эле- ментов изображения. На рис. 3.3 приведен простейший пример пре- образования яркости передаваемого изображения в электрический сигнал (видеосигнал) для объекта, содержащего вертикальные чер- но-белые полосы (в левой части строки), и для градационного клина (справа). Видеосигнал Uc(t) — как видно из рисунка, точно
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 51 Рис. 3.3. Процесс образования видеосигнала: а — передаваемое изображение; 6— сигнал при развертке строки аа повторяет значения яркости каждой точки изображения на сканиру- емой строке. Изменению яркости от черного (Lmin) до белого (Lmax) соответствует изменение видеосигнала в диапазоне U4...U^. При этом предполагается, что в ТВ тракте отсутствуют нелинейные искаже- ния ТВ сигнала, а апертура развертывающего элемента (электрон- ного луча) исчезающе мала. Следует отметить, что длительность импульсов сигнала яркости обратно пропорциональна скорости пе- редачи элементов, т.е. скорости развертки изображения. Рассмотрим структуру совмещенного сигнала (полного сигнала яркости) для произвольного объекта. Его форма за период строки Tz (строчная осциллограмма видеосигнала) приведена на рис. 3.4,а, а за период кадра (кадровая осциллограмма) — на рис. 3.4,5. Вид- но, что видеоинформация передается только во время активной ча- сти строки и кадра, а в интервалах ГИ видеосигнал подавляется. В сигнале различают: номинальный уровень белого, соответствующий передаче нормированного белого в объекте; уровень черного, соответ- ствующий наиболее темным элементам изображения; уровень гаше- ния, расположенный «чернее черного» на 0...5 % для запирания ТВ преобразователей на время обратного хода развертывающих лучей; уровень синхроимпульсов, расположенных на площадках ГИ тоже в диапазоне «чернее черного». Длительность строчного синхронизирующего импульса т2СИНХ = = 4,7 мкс, кадрового тКСИнх = 160 мкс = 2,5Я, где Н — период стро- ки. Остальные временные параметры приведены в табл. 3.1. Если принять размах полного сигнала яркости (видеосигнал 4- синхросиг- нал) за 100 %, то полезная видеоинформация — от уровня ГИ до уровня белого — занимает 70 % его амплитудного диапазона, а сиг- нал синхронизации приемника — 30 %. Диаметр апертуры электронного луча 5, даже хорошо сфоку- сированного, «математической точкой» считать нельзя. Более того,
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 3.4. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и кадра (5) он даже может превышать размеры некоторых мелких деталей изо- бражения. Это приводит к апертурным искажениям — размытию резких границ (контуров) на изображении (уменьшению резкости) и уменьшению размаха сигнала от мелких деталей (ухудшению чет- кости). Последнее вызывает уменьшение контраста в мелких дета- лях, и при уменьшении его до порога различимости детали вообще не воспроизводятся на изображении. Иными словами, конечные разме- ры апертуры ограничивают разрешающую способность системы, т.е. четкость и резкость ТВ изображения. Появление апертурных искажений иллюстрируется рис. 3.5, где а — объект с переменной детальностью (а = var), сканируемый раз- вертывающим элементом с конечной апертурой d (aj = d; а-2 < аз <d); б— форма видеосигнала на выходе преобразователя свет- сигнал: в — форма апертурной характеристики для различных пе- редающих ТВ трубок. Сигнал в каждый момент времени пропорцио- нален средней яркости в пределах апертуры диаметром d. Если отне- сти значение сигнала к положению ее центра, легко построить зави- симость zc(Z) при прохождении границы раздела черно-белых полей. Резкому перепаду яркостей Lmin и Lmax (см. рис. 3.5,с) соответ- ствует сигнал с плавным переходом от значения 2min к гтах длитель- ностью туст. Если размеры деталей меньше размеров развертываю-
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 53 Апертура L} vt ^rnax I T б) Рис. 3.5. Апертурные ис- кажения видеосигнала: а — объект переменной струк- туры; 6 — форма видеосигнала; в — апертурные характеристики видикона (1) и плюмбикона (2) vt В) щего пятна, размах сигнала уменьшается. Если чередуются черно- белые детали, размер которых равен половине (или менее) диаметра апертуры, то сигнал пропорционален их средней яркости. Поэтому детали подобных размеров не воспроизводятся. Это иллюстрирует- ся рис. 3.5,^, на котором построен сигнал изображения от полос с чередующейся яркостью Lmin и Ьтлх. Зависимость глубины модуляции сигнала т — Дг (где Дг = = Smax — ^min) от размера элемента (числа строк разложения z) на- зывается апертурно-импульсной частотной характеристикой (рис. 3.5,в); в научно-технической литературе широко используется сокращенное название — апертурная характеристика. Таким образом, вследствие конечного размера апертуры элек- тронного луча видеосигнал содержит не только полезную информа- цию о яркости передаваемого в данный момент времени элемента изображения, но и паразитную составляющую от соседних элемен- тов по горизонтали и вертикали. Анализируя форму видеосигнала, можно сделать следующие вы- воды :
54 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 3.6. Взаимосвязь видеосигнала (а), тока развертки (6) и растра (в) 1. Видеосигнал не является гармоническим колебанием, а име- ет импульсный характер: в нем могут присутствовать резкие пере- ходы между уровнями (фронты) и плоские (одноуровневые) части импульсов. 2. Исходный видеосигнал по своей природе униполярен и содер- жит постоянную составляющую. 3. Видеосигнал можно представить как периодическую функцию с частотами повторения fz = 1/TZ и fn = 1/Тп- Рассмотрев процессы развертки и формирования видеосигнала, определим их временную взаимосвязь и влияние на форму растра (рис. 3.6). «Момент истины» в процессе синхронизации — это начало (передний фронт) синхроимпульса. В это время прямой ход Т\ прину- дительно прерывается, и начинается обратный ход Т^. Обязательное требование — обратный ход должен закончиться до окончания ГИ, иначе (штриховая линия обратного хода Т^) конец обратного хода Тъ совпадет с началом активной части строки Т~акт и произойдет так называемый «заворот» изображения. Часть растра слева и справа, а также сверху и снизу обрезается гасящими импульсами, так что видимая часть растра с размерами bh не вполне соответствует прямым ходам развертки. 3.3. Спектр видеосигнала и его особенности Определим границы спектра видеосигнала Д/. Он должен со- держать частотные составляющие в полосе от /injn до /тах и низкие частоты Д/о в частотном интервале от нуля до нескольких герц, не- обходимые для передачи средней, очень медленно меняющейся соста- вляющей сигнала: Д/ = Д/о + (/min•••/шах)- Нетрудно представить,
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 55 что при построчной развертке спектр сигнала от простейшего изобра- жения, показанного на рис. 3.7, содержит наинизшую составляющую /min = 1/Тп, равную частоте кадров fn. Эта нижняя граница спек- тра сохраняется и при передаче любого сложного изображения, что объясняется условиями покадровой передачи изображения. Сложнее определить верхнюю границу спектра. Высокие часто- ты определяют тонкую структуру сигнала, т.е. воспроизведение кон- туров и мелких деталей изображения. Структура сигнала зависит как от скорости развертки, так и от размеров, формы и «прозрач- ности» апертуры, которая определяется распределением плотности электронов по сечению развертывающего луча в плоскости разверт- ки изображения. С достаточной точностью форму апертуры можно принять за круг с постоянной плотностью распределения электронов. Примем время установления густ, равным времени развертки од- ного элемента изображения t3Jl (см. рис. 3.5), и получим верхнюю граничную частоту спектра сигнала /max — 1/2'ГуСТ — (3.1) Если формат кадра /с, число строк разложения з, номинальная ча- стота кадров /п, то число элементов в кадре Nn = Nzz — kz2 (вдоль строки растра укладывается Nz = kz элементов), число элементов, передаваемых в одну секунду, Nq = Nnfn = kz2fn и время переда- чи одного элемента изображения 1 1 “ № ~k^fn (3.2) Из (3.1) получим, что верхняя граничная частота спектра /max = ^- = (3'3) ^ЭЛ ~ Как было показано (см. гл. 2), разрешение мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра несколько снижается, поэто- му при условии равенства горизонтальной и вертикальной четкости можно несколько сократить полосу частот в р = Д/г/ДгорОпт раз, где Д/г = h/z — шаг развертки по вертикали (в кадре), ДГОропт —
56 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения оптимальный размер горизонтального элемента, равный полупери- оду частоты /тах, при котором достигается визуальное равенство четкости по горизонтали и вертикали. Отношение Д/г/Дгоропт на- зывают коэффициентом Кэлла. По данным субъективных экспертиз 2? = 0,42.. .0,65. Принятые в большинстве ТВ стандартов значения коэффициента Кэлла превышают эту величину, т.е. обеспечивают за- пас четкости по горизонтали. Так, например, для стандартов D, К, Kl, L р = 0,814. Величину 1/р можно рассматривать как формат элемента изображения. С учетом коэффициента Кэлла /max = Pkz2fn/2. (3.4) Вывод (3.4) сделан для идеализированной развертки. В дей- ствительности изображение развертывается в течение не всего пери- ода строки Т~, а только во время прямого хода строчной развертки (1 — a)Tz1 где а = TzrvJTz — относительная длительность строчно- го ГИ (см. рис. 3.7,6). Время aTz затрачивается на возврат луча к началу последующей строки. То же относится и к развертке по ка- дру. Время /ЗТп затрачивается на возврат луча к началу следующего кадра {(3 — ткги/Тп — относительная длительность кадрового ГИ). Телевизионным стандартом задаются число строк z и частота кадров /п, которые будем называть номинальными. В действитель- ности за длительность кадра полезно развертываемых (активных) строк будет za = (1 — /3)z, a /3z строк будет потеряно за время обрат- ного хода кадровой развертки. Реальное число строк, определяющее четкость по вертикали, таким образом, получается ниже номиналь- ного. Для отечественного стандарта номинальное число строк 625, в действительности 575 строк — 50 строк приходится на обратный ход по кадру. Заметим, что изменение соотношения длительностей прямого и обратного хода кадровой развертки сказывается только на реальной четкости по вертикали и не влияет на скорость развертки и, следо- вательно, на воспроизведение мелкой структуры изображения, т.е. не сказывается на ширине спектра сигнала изображения. При же- лании сохранить одинаковыми четкости по вертикали и горизонта- ли последнюю можно искусственно уменьшить сокращением полосы частот в 1/(1 - /3) раз. Иначе обстоит дело со строчной разверткой. Желая передать номинальное число элементов в строке kz и сокращая длительность развертки строки за счет длительностей обратного хода, будем рас- ширять спектр ТВ сигнала. Реальное время развертки одного эле- мента «эл.р = ТД1 - а)Ж - (1 - a}/kz2fn = «эл(1 - а), так как Tz = 1/fz = 1/fnz, a Nz = kz. В этом случае граничная
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 57 max частота спектра сигнала _ kz2fn fmRX~P2^-ay (М т.е. она выше номинальной, так как величина а всегда положитель- ная и меньше единицы. Реальные четкости по горизонтали и вертикали, как указано вы- ше, выбираются одинаковыми, и спектр ограничивается путем сокра- щения полосы пропускания канала связи в 1/(1 — /3) раз, т.е. Подставив в это уравнение значения коэффициентов р « 0,8, а = = 0,18 и /3 = 0,08, получим более простую формулу: ь~2 / /тах«0,9^Ь (3.7) Итак, сигнал яркости — сигнал широкополосный. Его спектр охватывает полосу частот от fmm до /шах. Нижняя граница видео- частот fmin = fn — 50 Гц. Значение /тах для построчной развертки подсчитаем, если в формулу (3.7) подставим значения параметров разложения к = 4/3, z — 625 и fn = 50 Гц: /тах = о, 9 ’ в2°2'50 = 0,9 13 106 Гц = 11,7 МГц. Как видим, при построчной развертке значение /тах достаточ- но высоко и будет вызывать определенные трудности при передаче видеосигнала по ТВ тракту. Рассмотрим некоторые особенности спектра сигнала яркости. Во-первых, энергия спектральных составляющих сигнала быстро убывает с ростом частоты (рис. 3.8,а), т.е. размах ВЧ составляю- щих видеосигнала обычно невелик. Поэтому в цветном ТВ имен- но в этом участке видеоспектра располагают цветовые поднесущие частоты — влияние яркостного сигнала на сигнал цветности будет незначительным. Попытаемся оценить тонкую структуру видеоспектра. Из теоре- тического анализа спектра видеосигнала с учетом законов развертки следует, что его спектр дискретный, содержащий гармоники, крат- ные частоте повторения строк (рис. 3.8,б). Вокруг этих гармоник строчной частоты группируются достаточно узкие полосы сигналов боковых частот, обусловленных вертикальной (в данном случае — кадровой) разверткой и движением деталей изображения. Гармони- ки строчной частоты со своими боковыми образуют дискретные зоны энергии, несущие информацию о передаваемом изображении.
58 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 3.8. Спектры видеосигнала в общем виде (а, 6) и при построчном (в) и чересстрочном (г) разложении Такой характер спектра позволяет совместить два и более спек- тра аналогичных сигналов. Нетрудно представить, что если второй сигнал имеет такой же дискретный спектр, но его отдельные зоны по частоте размещены в промежутках первого, то оба сигнала можно передать в одном канале связи и затем вновь разделить. Это свой- ство спектра видеосигнала использовано в цветном телевидении и в ТВ измерительных устройствах. При определенных сюжетах изображения боковые полосы сосед- них гармоник строчной частоты могут перекрываться. При построч- ном разложении (рис. 3.8,в) в кадре содержится целое число строк (Л — zfn} и каждая строка повторяется каждый кадр. Это значит, что расстояние между двумя соседними линиями спектра гармоник строчной частоты кратно целому числу fn. Поэтому при перекры- тии спектров будет точное попадание друг на друга боковых линий верхней боковой полосы одной строчной гармоники и нижней боковой полосы последующей гармоники строчной частоты. Рассмотрим еще одну особенность спектра сигнала яркости, свя- занную с передачей движущихся объектов. Отметим, что импульсы сигнала яркости могут быть как одиночными, так и повторяющи- мися. Периодичность импульсов сигнала определяется принципом его развертки. Если передается неподвижное изображение, сигнал периодичен с частотой повторения кадров. Так как развертка произ- водится строками, следующими друг за другом, то сигналу присуща периодичность с частотой повторения строк. При передаче движущегося объекта содержание каждого после- дующего изображения мало отличается от предыдущего. Скорость
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 59 смены кадров ТВ изображения значительно превосходит скорость движения изображений объектов передачи по экрану. Это приводит к медленным изменениям периода повторения компонентов сигнала. Рассмотрим, как изменяется период повторения сигнала от изо- бражения объекта, движущегося в направлении развертки строк со скоростью v. Развертка в этом случае как бы догоняет уходящее от нее изображение, и период повторения сигнала по строке увели- чивается. Новое значение периода Tz будет относиться к периоду строки Tz как T^/Tz = (1 - v/vx)~T, где vx — средняя скорость развертки по строке. Выразим частоту повторения сигнала fz через частоту строч- ной развертки fz: Если положить наибольшую относительную скорость движения изображения объекта vmax = 2b в секунду, где b — длина строки, то наибольшее отклонение частоты сигнала от частоты развертки Д/max = |Л-/'|таХ = Л-Л fl - ~) = Л— = = 2ГЦ. \ Vx J Vx fnzb Эти изменения, наряду с изменениями среднего значения ярко- сти объекта, составляют низкие частоты спектра видеосигнала. Они лежат в интервале от 0 до 2...3 Гц и не передаются непосредственно в видеоканале, а воспроизводятся косвенным методом. В заключение отметим, что значение /тах однозначно определя- ет горизонтальную четкость ТВ изображения (по строке), так как именно ВЧ составляющие видеосигнала определяют качество пере- дачи мелких деталей передаваемого объекта и резкость переходов между различными уровнями яркости. В то же время вертикальная четкость изображения зависит только от числа строк в ТВ растре. 3.4. Чересстрочная развертка Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрите- лем без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего поля экрана 48-50 раз в секунду. Однако для воспроизведения изображе- ний движущихся объектов вполне достаточно передавать 13-16 фаз движения, т.е. статических изображений в секунду — кадров. Так как полоса частот, занимаемая спектром видеосигнала, прямо про- порциональна числу передаваемых в секунду кадров [(3.3)—(3.7)], из- быточное их число необходимо ограничивать. Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устра- няется применением чересстрочной развертки, сущность которой за- ключается в том, что полный кадр изображения развертывается, т.е.
(И) ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 3.9. Образование че- ресстрочного растра: а — построчная развертка при z — 7, fn = 50 Гц, fz = — 350 Гц; 6— черес- строчная развертка при 2 = 7, fn = 25 Гц, А = 175 Гц; /2п = 50 Гц передается и воспроизводится за два поля. В первом поле разверты- ваются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из полей представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк и содержит половину зрительной информации о передаваемом изо- бражении. Так как критическая частота мельканий практически не зависит от числа строк в растре, то частота передачи полей, равная или большая /кр, обеспечивает восприятие изображения без мелька- ний, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В ТВ вещании принято: номинальная частота полей 50 Гц и номи- нальная частота кадров 25 Гц. Снова проследим процесс образования построчного растра (рис. 3.9,а). Если развертывающий элемент движется по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновремен- но смещается по вертикали, то к концу строки он сместится вниз относительно ее начала на величину Д/г, т.е. на ширину одной стро- ки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обратного хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положение, со- ответствующее началу второй строки и т.д. Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом строк (рис. 3.9,а) и уменьшить вдвое скорость развертки по гори- зонтали, то в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число строк (рис. 3.9,6), но из-за разности в полстроки строки растров пер- вого и второго полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками первого. За два периода верти- кальной развертки образуется полный растр, аналогичный по чи- слу строк исходному. Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при неизменных числе строк и частоте мельканий в два раза снизить ско- рость строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спек- тра сигнала изображения. В результате спектр сигнала для оте- чественного стандарта занимает полосу частот от fm-m = 50 Гц до ,/|11ах G МГц (см. (3.7)): /.пах = 0,9 (Т 6252 • 2б) /2 ~ 6,0 • 106 Гц. \ О /
ГЛАВА 3. Форма и спектр видеосигнала 61 При чересстрочном разложении каждая строка повторяется че- рез поле [fz = zfn = (z/2)f2n], т.е. каждый кадр один раз. Поэто- му расстояние между двумя соседними спектральными линиями гар- моник строчной частоты кратно целому числу а поскольку при чересстрочном разложении z является нечетным, то соответственно нечетному числу /п. Учитывая, что боковые полосы вокруг строч- ных линий находятся на расстояниях, кратных частоте вертикаль- ной развертки /2п, при перекрытии спектров боковые линии соседних гармоник строк не будут совпадать (см. рис. 3.8,г). Соответственно расстояние между гармониками строчной частоты через одну равно четному числу /п, т.е. целому числу /2п, так как f2n = и боко- вые линии спектров этих гармоник будут совпадать. Для формирования чересстрочной развертки должны быть обес- печены следующие условия: а) нечетное число строк в кадре, т.е. z = 2т + 1, где т — целое число; б) жесткая связь частот развертки по строке и по кадру, т.е. 2Д = zfan — (2m + 1)/2п, обеспечивающая в каждом поле целое число строк с половиной строки. Обычно оба эти условия выполняются при формировании частот горизонтальной и вертикальной разверток от общего задающего ге- нератора с частотой 2fz делением на 2 и на z соответственно. Чересстрочная развертка кратностью 2:1 применяется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы частот, занима- емой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее сокращение полосы частот применением чересстрочного разложения с кратно- стью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состоять из трех или четырех отдельных полей, строки которых последовательно воспро- изводятся друг под другом. По ряду причин такие развертки не при- меняют. Становятся заметными мелькания строк, так как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратно- сти 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля стано- вится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьшается четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном напра- влении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспроиз- ведение вертикальных границ объектов, движущихся с относительно большой скоростью в горизонтальном направлении (границы стано- вятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется эф- фект 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 то же время расположенные выше строки, прочерченные соответствен- но в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по ярко- сти во времени характер. Создается эффект последовательного во времени разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение
6? ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при кратности 2:1 они менее заметны. В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров, лпачителыю возросли яркость, контраст и четкость изображения. В них условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной развертки — мелькания изображения с частотой полей и межстроч- ные мелькания. Мелькание с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях большой внешней засветки. Это явление усугу- бляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. под большим углом зрения, когда в процесс наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладаю- щие меньшей инерционностью к световому возбуждению. Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизон- тальных границах и наклонных структурах изображения, особенно при наблюдении буквенно-графи ческой информации с близкого рас- стояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четко- сти изображения по вертикали. Так, установлено, что 625-строчное изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900- строчному изображению с чересстрочной разверткой. Глава 4 ИСКАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ 4.1. Нормирование основных параметров систем и искажений телевизионного изображения Задачей ТВ систем является воспроизведение изображений, то- ждественных наблюдаемым объектам в пространстве. Эта задача может быть решена с помощью стереоцветной телевизионной систе- мы со значительно более высокими качественными показателями, чем у современных систем, за счет использования новых методов и средств формирования, передачи и воспроизведения видеоинформа- ции. В настоящее время тождественность передаваемого и воспроиз- водимого изображений в первую очередь ограничивает основные па- раметры системы вещательного телевидения: формат кадра, число строк, число кадров, передаваемых в одну секунду, число мелька- ний. число полутонов и их распределение в динамическом диапазоне
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 63 изменения яркости репродукции, цветовой охват и др. Кроме этих ограничений, соответствие ТВ изображения оригиналу нарушается и из-за искажений изображения, возникающих практически во всех элементах ТВ системы. В настоящее время объективная и субъективная оценки параме- тров звеньев ТВ системы и искажений изображения, а также усло- вия его наблюдения и обработка результатов измерений регламен- тированы документами МККР, ГОСТ 7845-92, ГОСТ 26320-84 и др. Большинство норм на искажения изображения базируется на свой- ствах зрительной системы человека и экспериментальных статисти- ческих исследованиях по определению допустимых значений этих ис- кажений. Параметры электрических сигналов и их искажений в раз- ных точках тракта, как правило, оцениваются объективными мето- дами с помощью специальных измерительных приборов, а резуль- тирующее качество ТВ изображений — визуально, по изображению универсальных оптических или электронных телевизионных испы- тательных таблиц (УЭИТ). Рассмотрим основные виды искажений ТВ изображения и ме- тодику их оценки. 4.2. Геометрические (координатные) искажения Геометрические искажения ТВ изображения возникают из-за из- менения координат передаваемых объектов. Эти искажения проявля- ются в виде нарушения геометрического подобия воспроизводимого ТВ изображения его оригиналу. Геометрическое подобие наруша- ется в основном из-за неидентичности формы растра и относитель- ных скоростей строчной или (и) кадровой развертки при анализе и синтезе изображения в фотоэлектрических преобразователях свет- сигнал и сигнал-свет. Номинальный формат растра к = Ъ/h = Ь/S и относительные скорости разверток К.стрМ — const жестко заданы. Поэтому оцен- ка геометрических искажений производится по отклонению от номи- нальных значений указанных параметров с помощью коэффициен- тов геометрических искажений. На рис. 4.1 приведены наиболее характерные геометрические ис- кажения формы растра. Коэффициенты геометрических искажений для этих частных случаев оцениваются следующим образом: • при дисторсиях бочкообразного или подушкообразного вида, воз- никающих в электронно-оптических системах фотоэлектриче- ских преобразователей (рис. 4.1,а,б): /сгдв — ’ ЮО % или /сгдг = • 100 %; (4.1)
( ’> I ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 4.1. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за иска- жений формы растра • при трапецеидальных искажениях, возникающих из-за наруше- ния ортогональности оптической или электрической оси к плос- кости изображения (рис. 4.1,в): к„ = 100%; (4.2) и + h • при искажениях типа «параллелограмм», возникающих из-за на- рушения ортогональности отклоняющих полей строчной или ка- дровой развертки (рис. 4.1,а): кгл = 2^~^2 • 100%; (4.3) 1/1 + 1/2 • при несоответствии формата кадра на передаче и приеме (b/h) ф Ф (Ь/Лп) Ф (bn/ty из-за нарушения соотношения размеров рас- тра по вертикали или по горизонтали, т.е. значений отклоняю- щих полей кадровой или строчной развертки (рис. 4.1,д.е). Оцен- ка величин искажений в большинстве случаев нецелесообразна, так как искажения этого вида легко корректируются с помощью оперативных регулировок размеров изображения по вертикали и горизонтали; • при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных перио- дических помех (рис. 4.1,эю). Геометрические искажения возникают также из-за неидентично- сти относительных скоростей движения лучей передающей и при- емной трубок по вертикали или (и) горизонтали. Практически это чаще всего происходит при нарушении на одной из сторон усло- вия постоянства скоростей движения луча по вертикали или (и) го- ризонтали ?>к,стр(£) = var, т.е. из-за нелинейности токов кадровой или (и) строчной развертки. В этом случае геометрические искаже-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 65 Рис. 4.2. Геометрические искажения изображения, возникающие из-за не- линейности сигналов кадровой (а) и строчной (6) разверток приемника (при линейных развертках на ТЦ) ния в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно (рис. 4.2,а,б) оцениваются следующим образом: кгв = 2^тах~ 100 %; кгг = 2^ax~^min • 100 %, (4.4) ^тах “Г '^min ^тах “Г ^min где /гтах, hmin (бтах, 6min) — экстремальные значения высоты (ши- рины) элементов телевизионной испытательной таблицы типа «шах- матное поле» на экране кинескопа. Нелинейность развертки до 5 % в любом направлении практиче- ски незаметна, а при нелинейности (8...12) % изображение воспри- нимается еще как хорошее. Измерение величин геометрических искажений изображений производится по квадратным или прямоугольным испытательным элементам, входящим в состав специализированных (например, «шахматное поле», см. рис. 4.8) или универсальных испытательных таблиц. Визуальную оценку искажений и их коррекцию удобнее про- водить по испытательным элементам в виде окружностей, так как ис- кажения формы этих испытательных элементов более заметны: оцен- ка производится дифференциально по сравнительно большой площа- ди таблицы и нарушение любой части окружности в любом участке поля изображения четко отмечается зрительной системой. 4.3. Полутоновые (градационные) искажения Полутоновые искажения ТВ изображения возникают, как было отмечено в разд. 2.2, из-за уменьшения динамического диапазона из- менения яркости оригинала — максимального контраста Ктах (2.6),
66 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения изменения условий наблюдения изображения (паразитных засветок, размеров изображения и его деталей и т.д.) и, как следствие, из-за увеличения порогового контраста (AL/£ф)пор. В результате число полутонов (число пороговых градаций ярко- сти,) Аиз в ТВ изображении уменьшается по сравнению с числом полутонов Ао при непосредственном наблюдении оригинала. В связи с этим ухудшается распознавание объектов. Для улучшения распознаваемости деталей при Аиз = const (ЛТз = const, Тиз max = const) приходится перераспределять это чи- сло градаций по динамическому диапазону изменения яркости репро- дукции — увеличивать число полутонов в сюжетно важном участ- ке диапазона в области белого, т.е. для хорошо (и специально) осве- щенных деталей изображения (за счет ухудшения распознаваемо- сти объектов — уменьшения числа градаций, в области черного). Подобная операция производится с помощью гамма-корректора (см. гл. 15). Она сводится к тому, что форма характеристики переда- чи уровней яркости ТВ системы изменяется гамма-корректором так, чтобы она соответствовала параболической функции с показателем степени ус = 1,2...1,3 (см. рис. 2.7). Форма характеристики передачи уровней яркости системы опре- деляется формой световых характеристик фотоэлектрических пре- образователей свет-сигнал и сигнал-свет, а также формой ампли- тудной характеристики (АХ) тракта передачи сигнала яркости. Как правило, АХ тракта передачи ТВ сигнала — зависимость выходного напряжения от входного 1/вых = — линейна. Поэтому нели- нейные искажения сигнала яркости в тракте передачи, как правило, сравнительно мало влияют на число воспроизводимых градаций. Основное влияние на полутоновые искажения оказывают пара- метры световых характеристик преобразователей. Помимо того, что форма этих характеристик для различных датчиков ТВ сигнала раз- лична, большое значение имеет и разброс характеристик передающих и приемных трубок, так же как и выбор рациональных режимов их работы. Поэтому каждый датчик ТВ сигнала содержит индивиду- альный гамма-корректор, форма АХ которого выбирается с учетом номинальной усредненной формы световой (модуляционной) харак- теристики кинескопов. Все эти причины создают большие трудности по реализации оптимальных условий воспроизведения полутонов, число которых сильно зависит и от конкретной индивидуальной настройки режи- ма работы кинескопа (органы управления «Яркость» и «Контраст- ность» ТВ приемника). Так как номинальное число градаций в соответствии с (2.5) для сравнительно крупных деталей достигает нескольких десятков, то оперативно измерить число воспроизводимых градаций ТВ репродук- ции практически не представляется возможным. Поэтому для ориен- тировочной оценки качества воспроизведения полутонов используют,
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 67 Рис. 4.3. Испытательные сигналы для формирования шкалы перепадов яр- кости на экране ТВ приемника uci (а) и для измерения нелинейных иска- жений ТВ сигналов иС2 (5); гф2тах — синусоидальная насадка, выделенная полосовым фильтром из сигнала иС2 на выходе тракта или его участка (в) как правило, 10-градационный клин — горизонтальную шкалу уров- ней (перепадов) яркости от Lmin до Lmax, каждый элемент которого отличается по яркости от соседнего на несколько пороговых градаций (см. рис. 4.9). В оптических телевизионных испытательных таблицах (ТИТ) используют шкалы с логарифмическим, квадратичным или линейным распределением яркости вдоль шкалы. В электронных ТИТ эта шкала создается с помощью 10-ступенчатого сигнала с рав- номерными перепадами напряжения («ступеньками») (рис. 4,3,а). Нелинейные искажения сигнала яркости, возникающие из-за не- линейной формы АХ тракта передачи, также оцениваются с помощью ступенчатого или пилообразного сигнала. Для удобства измерений в этот сигнал вводятся синусоидальные колебания с частотой 1,2 МГц и размахом порядка 10 % от размаха сигнала яркости (рис. 4.3,6). На выходе тракта или его участка синусоидальная насадка выде- ляется полосовым фильтром (рис. 4.3, в). Коэффициент нелинейных искажений определяется по формуле Агн = mmax - mmin wo (4 5) ^шах где ттгтах, ?nmin — экстремальные значения размаха синусоидального сигнала, пропорциональные соответствующим значениям крутизны АХ (дифференциальному усилению на частоте 1,2 МГц). Для более точного описания нелинейности АХ целесообразно ис- пользовать раздельную оценку коэффициентов нелинейных искаже- ний для областей белого и черного: /сн6 = тс?~тб 100 %; кнч = --ср ЗЛЬ . 100 %, (4.6) 772 Ср 7?1Ср где 77?б, тч — экстремальные значения размаха синусоидального сиг- нала в областях белого и черного соответственно: тср — размах сиг- нала в середине пакета синусоидальных колебаний (рис. 4.3,в).
68 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Изменение числа воспроизводимых градаций по полю изображе- ния может вызвать также неравномерность яркости фона, возникаю- щую из-за специфических искажений в передающих трубках («чер- ное пятно», см. гл. 6) и нечеткой фиксации уровня черного ТВ сиг- нала (см. гл. 15). Наилучшее качество изображения получают установкой (мето- дом последовательных приближений) оптимальных значений ярко- сти и контрастности изображения на экране кинескопа так, чтобы до- биться максимально возможного числа различимых глазом уровней яркости градационной шкалы (см. рис. 4.9). При различении 8-9 гра- даций яркости шкалы качество ТВ изображения считается хорошим. 4.4. Искажения яркости мелких деталей и вертикальных границ крупных деталей (искажения четкости и резкости) Четкость изображения оценивается относительным размером минимальной детали, воспроизводимой ТВ системой, а резкость — относительным размером границы между фоном и деталью с рав- номерной яркостью; причем длительность сигнала от этой детали должна превышать длительность переходных процессов в системе (см. гл. 2). Размеры деталей и границ измеряются в относитель- ных единицах — по отношению к высоте изображения h, а четкость определяется в условных единицах — телевизионных линиях (ТВЛ). Например, если визуально на репродукции различаются детали раз- мером не менее (1/500)Л, то четкость изображения составит 500 ТВ линий. Параметры четкости и резкости изображения связаны ме- жду собой, так как характеризуют способность системы реагировать на быстрые изменения яркости оптического изображения. В отличие от фото- и кинорепродукций четкость ТВ изображения оценивают раздельно по вертикали и горизонтали из-за того, что их значения ограничиваются разными факторами. Номинальная четкость изображения по вертикали определяет- ся дискретной структурой растра — числом строк разложения изо- бражения z = 625. Так как конфигурация одного элемента изобра- жения принимается в виде квадрата или окружности размером h/z, то вдоль строки изображения должно содержаться пропорциональ- ное число элементов разложения: в соответствии с форматом кадра k = Ь/h = 4/3 оно определится как kz & (4/3)625 « 800. Номинальная четкость изображения по горизонтали зависит в основном от ширины спектра сигнала яркости, так как высокоча- стотные составляющие спектра несут информацию о мелких деталях изображения и качество их передачи определяет разрешающую спо- собность ТВ системы в этом направлении. Четкость ТВ изображения принципиально не может превышать ее поминальное значение из-за ограничений, накладываемых норми-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 69 рованными параметрами системы — числом строк z — 625 и шири- ной спектра Д/ « 6 МГц сигнала яркости, определяющих воспроиз- ведение минимальной детали в вертикальном и горизонтальном на- правлениях соответственно. Поэтому искажения четкости (резкости) всегда связаны с уменьшением ее номинального значения, ограничи- ваемого реальными параметрами данной ТВ системы, и в частности: • четкость в обоих направлениях — качеством фокусировки, абер- рациями в оптических системах, внутренними и внешними за- светками, а также формой апертурных (частотно-контрастных) характеристик электронно-оптических систем фотоэлектричес- ких преобразователей (см. гл. 6 и 7); • четкость по вертикали — качеством чересстрочной развертки; • четкость по горизонтали — реальной шириной спектра ТВ сиг- нала, т.е. линейными искажениями в области высоких частот тракта передачи сигнала яркости. Как известно, линейные искажения тракта и его участков описы- ваются с помощью разных, но полностью равноправных методов ана- лиза — с помощью частотных характеристик: ?/(и) — амплитудно- частотной (АЧХ) и <^(а?) — фазо-частотной (ФЧХ), а также с помо- щью Л(£) — переходной характеристики (ПХ) как реакции системы на единичный скачок яркости (или сигнала изображения). «Язык» частотных характеристик более удобен для анализа конкретных при- чин, способов коррекции и определения результирующих искажений тракта по частным параметрам его участков. Недостаток этого ме- тода — трудность анализа влияния величин и характера линейных искажений на проявление их в изображении. Достоинство ПХ — четкая качественная связь искажений изображения с искажениями формы ТВ сигнала. Поэтому эти методы удачно дополняют друг друга, что и определяет целесообразность их сопоставления. На рис. 4.4 приведены типичные случаи искажений АЧХ в обла- сти высоких частот полосы пропускания тракта и качественно соот- ветствующие им формы ПХ в области малых времен, соизмеримых со временем передачи одного элемента изображения. Пусть форма кривых 1 этих характеристик соответствует номинальным — норми- рованным в соответствии с принятыми параметрами ТВ системы и допустимыми искажениями изображения: спадом АЧХ yBi на верх- ней граничной частоте /в (или сив) полосы пропускания и длительно- стью фронта ПХ Тф1, отсчитываемой от уровня 0,1 до уровня 0,9 ее установившегося значения. Спад АЧХ ув2 < Ув1 и соответствующее увеличение длительности фронта ПХ Тф2 > Тф1 приводит к уменьшению уровня высокочастот- ных составляющих сигнала, т.е. к уменьшению размахов сигнала от мелких деталей и увеличению длительности перепадов. Как след- ствие, четкость и резкость изображения в горизонтальном направле- нии уменьшаются, так как контраст самых мелких деталей становит- ся ниже порогового, а протяженность границ деталей увеличивается.
70 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 4.4. Искажения АЧХ в области высоких частот тракта передачи ТВ сигнала (а) и его ПХ в области полосы пропускания малых времен (6) Перекоррекция, т.е. подъем АЧХ ?/вз > т/В1 и соответствующее уменьшение длительности фронта ПХ Тфз < Гф1, приводят к некото- рому повышению четкости. При этом на горизонтальной части ПХ может возникнуть затухающий колебательный процесс. В соответ- ствии с искажениями формы ПХ искажаются и детали изображения: после резкого изменения яркости по строке на репродукции могут возникнуть повторы контуров деталей с постепенно убывающей ин- тенсивностью (ложные контуры). Если же колебательный процесс апериодичен, т.е. имеется только один первый выброс 6, то границы детали как бы подчеркиваются. Эти искажения называются «пла- стикой». В ряде случаев небольшая пластика может быть даже по- лезна, так как за счет подчеркивания границ деталей улучшается распознаваемость объектов. Следует еще раз отметить, что существенное повышение четко- сти можно получить только за счет увеличения числа строк разложе- ния и расширения спектра ТВ сигнала /в > 6 МГц (при соответствую- щем увеличении полосы пропускания канала связи), что практически реализуется только в специальных системах ТВЧ при z = 1000...3000 и А = nz2/2 — 15...150 МГц (для аналогового сигнала). Для оценки четкости по горизонтали ТВ изображения использу- ются вертикальные штриховые миры с одним-тремя штрихами оди- наковой толщины d, а также многоштриховые миры с одинаковой или с плавно меняющейся по вертикали толщиной штрихов, т.е. фигуры, состоящей из нескольких вертикальных черных клиньев (и подобны- ми же белыми промежутками между ними, см. рис. 4.9). В электрон- ных ТИТ для этой цели используются пакеты синусоидальных ко- лебаний с частотами 2,8...5,8 МГц. Около этих мир, как правило, на- несены числа условных единиц четкости, соответствующие пример- но относительной толщине штрихов h/d = 200...500 ТВ линий. Для количественной оценки четкости наблюдатель определяет область, гл/' штрихи миры перестают различаться. Резкость воспроизведения
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 71 вертикальных границ оценивается по осциллограмме длительности фронта сигнала от черно-белых прямоугольных элементов ТИТ. Оценка четкости в вертикальном направлении с помощью гори- зонтальных штриховых мир затруднена муаром, возникающим из-за биений достаточно близких пространственных частот, которые обра- зуются дискретными структурами ТВ растра и штрихов миры. По- этому с помощью ТИТ ориентировочно оценивается только каче- ство чересстрочной развертки по искажениям наклонных линий (см. рис. 4.9). При слипании (сближении) строк четного и нечетного полей растра эти линии воспроизводятся в виде ступенчатых кривых. 4.5. Искажения яркости средних и крупных деталей Искажения яркости средних и крупных деталей ТВ изображе- ния, так же как и мелких, возникают в большинстве случаев из-за линейных искажений в тракте передачи сигнала. Но в данном случае изменение яркости деталей является следствием искажений АЧХ в области низких частот полосы пропускания, т.е. ПХ в области сред- них и больших времен, сравнимых соответственно с длительностями строки и кадра. Поэтому термины «средние» и «крупные» детали в достаточной мере условны, так как речь идет об искажениях яр- костей деталей (и фона за ними), размеры которых по горизонтали сравнимы с длиной активной части строки 6а (рис. 4.5,6), а по верти- кали — ис высотой кадра h соответственно. Практически вместо ПХ анализируется реакция системы на П-образные импульсы, длитель- ности которых сравнимы с указанными временными интервалами. В широкополосных резисторных видеоусилителях переменного тока линейные искажения в области низких частот (спад АЧХ ?/Н2, рис. 4.5,а, кривая 2) возникают в основном из-за переходных цепо- чек 77ПСП между каскадами. Эти дифференцирующие цепочки пред- ставляют собой частотно-зависимые делители сигнала, проявляющие Рис. 4.5. Искажение АЧХ в области низких частот полосы пропускания тракта (а) и искажение формы сигнала от «средней» белой детали на сером фоне Ьф (6)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения ( нои свойства на низких частотах полосы пропускания. В результате .даже' сравнительно слабого дифференцирования импульса (от дета- ли средних размеров) на вершине его появляется спад, а за ней — тянущееся продолжение с постепенно убывающей интенсивностью. Так как при этом размахи переднего и заднего фронтов импульса (перепады яркости) передаются без искажений, то уменьшение на- пряжения сигнала непосредственно за импульсом (уменьшение ярко- сти фона за деталью ALcn) численно равно величине спада вершины импульса (уменьшению яркости детали ALJ.n — Дц “ — AL"n ПРИ линейном преобразовании свет-сигнал, рис. 4.5,6", кривая 2). Визуально особенно заметны тянущиеся продолжения при пере- даче белой детали с наибольшей яркостью ЬД на сером фоне Ьф (раз- мером примерно Ьа/2); даже если яркость детали ЬД в результате ис- кажений уменьшится только на несколько процентов (относительно £д), это может привести к значительному уменьшению яркости фо- на £ф за деталью — на десятки процентов изменения яркости £ф, так как £ф «С £д, а А£ф = AL”n. Например, при практически не- заметном изменении яркости детали на Ад = = L* ~L* -100 = 2 % (4.7) Ад Дц и контрасте между деталью и фоном КД — Ьд/Ь$ = 20 яркость фо- на после детали уменьшится (при линейном преобразовании сигнал- свет 7Пр = 1, см. гл. 15) на Дф = Ьф ~ L"n = = А-дДд = 20-2 — 40 %. (4.8) Ьф • Ьф При нелинейном преобразовании сигнал-свет, например, в кине- скопе с 7пр > 1, изменение яркости фона будет несколько меньшей интенсивности, так как в этом случае AL"n < AL'n. Но во всех случаях подобные искажения изображения четко отмечаются глазом как медленно уменьшающееся черное тянущееся продолжение вдоль строки за белой деталью «за белым — черное» (или за черной дета- лью белое продолжение: «за черным — белое»). При перекоррекции АЧХ т/нз (рис. 4.5, кривая 5) за деталями мо- гут возникнуть тянущиеся продолжения того же «знака» («за белым ..белое», «за черным— черное»). Однако эти искажения менее за- метны на изображении из-за сравнительно меньшего относительного изменения яркости фона за деталями. Длительность сигнала изображения от крупных деталей, размер ко торых составляет некоторую часть кадра, во много раз превышает длительность сигнала от средних деталей. Поэтому он искажается значительно больше при прочих равных условиях. Максимальные искажения будут наблюдаться при передаче белой и серой горизон- тальных «деталей» с размерами каждой, примерно равными полови-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 73 не кадра (см. рис. 15.5). При этом тянущиеся продолжения могут весьма заметно исказить яркость серой части кадра на значительной его площади. Однако эти искажения, как правило, частично коррек- тируются с помощью фиксации уровня черного ТВ сигнала во время следования строчных гасящих импульсов (см. гл. 15). В результате фиксации уровня черного значение остаточных искажений яркости деталей и фона получается такого же порядка, как и у деталей сред- них размеров. Заметим, что с помощью фиксации уровня черного из- менение яркости внутри активной части строки не корректируются. Таким образом, специфика искажений средних и крупных де- талей заключается в четкой заметности даже весьма малых значе- ний этих искажений, а также в необычном проявлении их на изобра- жении, особенно за движущимися деталями. Они воспринимаются в основном как тянущиеся продолжения за деталями, т.е. как по- явление заведомо ложных фрагментов, не содержащихся в подавля- ющем большинстве передаваемых изображений и не возникающих ни в фото-, ни в кинорепродукциях. Оценка величины тянущихся продолжений производится по спе- циальным испытательным сигналам, например, по симметричным П- образным импульсам с частотой следования, равной частоте строч- ной развертки 15625 Гц (средние детали) и с частотой следования, равной частоте кадровой развертки 50 Гц (крупные детали). По- следние прорезаны строчными гасящими импульсами (см. рис. 15.5). Визуально эти искажения оцениваются по качеству воспроизведения наибольших по размеру черно-белых деталей, входящих в состав уни- версальных ТИТ, или по бело-серо-черным и черно-серо-белым ис- пытательным элементам УЭИТ (см. рис. 4.9). 4.6. Цветовые искажения Цветовые ощущения так же дискретны, как и восприятие ярко- сти, и оцениваются числом порогов цветоразличимости (см. гл. 2,10). Искажения цветности изображения в ТВ системах возникают из-за: • использования реальных красного, зеленого и синего люмино- форов цветных кинескопов, спектральные характеристики и на- сыщенность которых ограничивают воспроизведение максималь- ного цветового охвата (диапазона воспроизводимых цветов, ко- торый может быть реализован в рамках трехкомпонентной ТВ системы); • использования реальных источников освещения, светоделитель- ных устройств и передающих трубок, спектральные характери- стики которых не полностью обеспечивают верность цветопере- дачи; • линейных и нелинейных искажений ТВ сигнала, возникающих в фотоэлектрических преобразователях свет-сигнал и сигнал- свет, а также в тракте передачи и особенно в устройствах фор- мирования и селекции сигналов яркости и цветности;
71 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения • разброса параметров, старения, неоптимальных режимов работы элементов системы и в первую очередь — цветных кинескопов; • рассовмещения и неидентичности растров цветоделенных изобра- жений, перекрестных искажений и наличия временного сдвига между сигналами яркости и цветности из-за различных условий их передачи (в частности, разной полосы пропускания соответ- ствующих каналов тракта), которые вызывают цветные окантов- ки, повторы (ложные контуры) и т.п. нарушения в репродукциях деталей изображения; • специфических особенностей передачи и селекции сигналов цвет- ности в различных системах цветного телевидения. С помощью специальных устройств — цветокорректоров, кор- ректоров нелинейных искажений ТВ сигналов (гамма-корректоров, см. гл. 15) и др., на телецентрах производится компенсация цвето- вых искажений при условии использования в приемнике цветного кинескопа со среднестатистическими нормированными характеристи- ками (см. гл. 7). Цветовые искажения оцениваются по качеству воспроизведения специальных электрических испытательных сигналов, имитирующих опорные цвета. Например, широко используются сигналы, формиру- емые специальным генератором цветных вертикальных полос (ГЦП), с помощью которых на экране кинескопа воспроизводится восемь наиболее важных цветов: белый, желтый, голубой, пурпурный, крас- ный, синий и черный (см. рис. 4.9). Подобные две цветовые шкалы с разной насыщенностью использованы для визуальной оценки вер- ности цветопередачи в УЭИТ. Более подробно особенности возник- новения и коррекции цветовых искажений в различных системах ЦТ рассмотрены в гл. 10 и в [13]. 4.7. Флуктуапдонные помехи Помехи, возникающие в процессе формирования, передачи и при- ема ТВ сигналов, могут значительно ухудшить качество изображе- ния. Влияние различных помех проявляется в основном двояко: по- мехи на сигналы изображения вызывают нарушение яркости и цвет- ности деталей изображения, а помехи на сигналы синхронизации разверток приводят к нарушению формы растра, т.е. к искажению координат элементов изображения (вплоть до полного разрушения ('ГО структуры). Конкретные формы проявления мешающего действия помехи за- висят от ее вида и интенсивности. К числу наиболее характерных помех относят: • флуктуационные помехи; • сетевые фоновые помехи с частотой сети и ее гармоник до 1 кГц; • гармонические регулярные помехи в виде полос, сетки, муара, посторонних узоров и т.д.;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 75 • импульсные помехи различного происхождения в виде точек и штрихов различной протяженности: • перекрестные помехи между сигналами яркости и цветности, а также от сигналов других ТВ каналов и звукового сопровожде- ния: • эхосигналы из-за приема прямого и отраженных радиотелевизи- онных сигналов и рассогласования линий связи; • шумы квантования, ошибки в приеме символов и другие, возни- кающие при использовании ТВ сигнала в цифровой форме для передачи и коррекции сигналов, для сокращения избыточности видеоинформации, а также для формирования видеоэффектов и преобразования стандартов различных ТВ систем. Визуально особенно заметны помехи, быстро меняющие свою яр- кость и цветность или движущиеся по полю изображения, т.е. некрат- ные частотам строк или кадров, например, сетевые, гармонические, импульсные, флуктуационные и др. Особое место занимают флуктуационные шумы, так как в от- личие от других видов помех они в принципе всегда присущи всем электронным устройствам. Причиной возникновения флуктуацион- ных помех является хаотическое движение электронов в активных сопротивлениях — тепловой шум, а также флуктуации светового по- тока и тока в фотоэлектрических преобразователях, усилительных элементах и т.п. Засорение ТВ сигнала шумами обычно происходит в тех узлах тракта, где размах сигнала, изображения небольшой и сравним с уровнем флуктуационных помех (в передающих трубках, во входных цепях предварительных усилителей передающих камер, в линиях связи большой протяженности, во входных цепях ТВ при- емников и др.), а также, как правило, при коррекции любых иска- жений ТВ сигнала (см. гл. 15). Флуктуационные помехи воспроизводятся на ТВ изображении в виде мерцающих хаотически движущихся мелких точек и штрихов. Наиболее отчетливо эти помехи проявляются на серых участках изо- бражения, где даже сравнительно незначительная их величина суще- ственно изменяет яркость изображения. При большом уровне помех создается как бы паразитная засветка экрана. В результате ухуд- шаются все параметры изображения — уменьшаются четкость, рез- кость, контраст (особенно мелких деталей), число полутонов и т.д. Флуктуационные помехи имеют непрерывный спектр. Поэтому величина помех и их визуальное восприятие зависят от ширины по- лосы пропускания канала связи и от характера распределения мощ- ности шумов по спектру. Спектральная плотность мощности тепловых помех на активном сопротивлении R не зависит от частоты («белый шум») 5п,б = du'l/df = 4kTR, (4.9)
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 4.6. Весовые функции вид- ности флуктуационных помех: 1 — для сигнала яркости и сигналов основных цветов; 2 — для композитных сигналов различных систем ЦТ; 3 — для композитного сигнала системы SECAM Рис. 4.7. Весовая функция видности флуктуационных помех сигнала цветности системы SECAM где — действующее значение напряжения помех; к = 1,38 • 10“23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К. Действующее значение напряжения флуктуационных помех в ограниченной полосе частот __. I rf* / Г/в ______ иш = \11 Sm(f)df^\ Sm6df = V^TRfB, (4.10) V ‘'/н V J о где /н, /в — граничные частоты полосы пропускания устройства (как правило, принимают /н = 0, так как /в /н). Спектральная плотность мощности дробовых флуктуаций тока также не зависит от частоты («белый шум»). Эти помехи принято оценивать как равные тепловым по (4.10) в соответствующем экви- валентном сопротивлении шумов Rm. Однако подобная энергетическая оценка величины помех не учи- тывает визуальное восприятие различных спектральных составляю- щих шумов из-за того, что чувствительность глаза зависит от раз- меров и цветности деталей. Например, низкочастотные составляю- щие «зеленой» флуктуационной помехи оказывают большее меша- ющее действие, чем высокочастотные, окрашенные в красные (или синие) тона. Это свойство восприятия шумов учитывают с помощью экспериментально определенных весовых функций помех [13]: • для сигналов яркости и сигналов основных цветов (рис. 4.6, кри- вая 1) эта функция аппроксимируется как 2/b3b(w) = 1 + w2r23B = 1+4,29/2’ (4'П) где — 0,33 мкс — постоянная времени взвешивающей це- ни; f частота, МГц;
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 77 • для композитных сигналов (сигналов яркости, в высокочастот- ной области которых размещены сигналы цветности) различных систем ЦТ (рис. 4.6, кривая 2) У (cj) - ___1 + Ь2а;2гвзв_ _ 1 + 0, 117/ 2/вэвМ i + (i + d)2u,2T23B 1+3,54/2 ’ 1 ' ' где твзв = 0,245 мкс; Ъ — 1/4,5; / — частота, МГц; • для композитного сигнала системы SECAM (рис. 4.6, кривая 3) со вторым максимумом в области спектра сигнала цветности; • для сигнала цветности системы SECAM (рис. 4.7). Величину зашумленности ТВ сигнала принято оценивать вели- чиной отношения сигнал/помеха или сигнал/взвешенная помеха: ^' = ис1й'ш, ф = ис/йш, (4.13) где Uc — размах сигнала изображения; й'ш = J ffB ЗД) df-, йш = J Л 5ш(/)7/вз„(/) df V Jo У Jo — действующее (эффективное) значение напряжения помехи и ее взвешенное значение соответственно. Особую роль для сопоставления и определения результирующего мешающего действия помех имеет отношение сигнал/взвешенная по- меха при оценке зашумленности ТВ сигнала от источников с разной формой спектральной плотности мощности помех, например «бело- го шума» (передающая трубка, ее сопротивление нагрузки и др.) и «треугольного шума» (предварительный усилитель передающей ка- меры и др., см. гл. 15). Различное восприятие «красных», «зеленых» и «синих» флук- туационных помех оценивается с помощью экспериментально уста- новленных коэффициентов относительной видности, соответственно равных: а = 0,40; 13 = 1,0; е = 0,35. При этом напряжения визуально одинаковых помех соотносятся как t/шкр/Йшз/С/шс = 2,50/1,00/2,86. (4.14) Измерение отношения сигнал/помеха производится с помощью достаточно сложных специальных приборов. Качество изображения считается хорошим, если ~ 30...40 дБ. 4.8. Оценка искажений изображения по испытательным таблицам Оперативная оценка искажений изображения по телевизионным испытательным таблицам (ТИТ) широко практикуется в ТВ систе- мах. С помощью специализированных ТИТ оценивается обычно
ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 4.8. Оптическая ТИТ для измерения геометрических (координатных) искажений один-два качественных параметра (рис. 4.8), а с помощью универ- сальных — все основные (рис. 4.9). Преимущество универсальных ТИТ очевидно. Однако при их использовании либо уменьшается точность оценки качественных параметров за счет огрубления шкал, либо измерения проводятся лишь в отдельных локальных местах ка- дра из-за ограниченных возможностей размещения в поле таблицы большого числа различных испытательных элементов. Указанные ТИТ могут быть оптическими (рис. 4.8) или элек- тронными (рис. 4.9). Преимуществом оптических таблиц являет- ся возможность оценки результирующего качества изображения при проверке всего тракта системы «от света до света», а также оценки величины искажений как в передающем, так и в приемном оборудо- вании. К сожалению, оптическую таблицу для ЦТ, к тому же еще в многочисленных идентичных экземплярах, создать весьма сложно из-за сравнительно быстрого старения цветных испытательных эле- ментов и, как следствие, из-за изменения их спектральных характе- ристик. Поэтому в ЦТ для оценки искажений, возникающих в ви- деоусилительном тракте телецентра, линиях связи и в приемниках, используются лишь электронные ТИТ. Универсальная электронная испытательная таблица (УЭИТ) составляется из эталонных электри- ческих сигналов, формируемых специальным генератором. Искаже- ния в фотоэлектрических преобразователях свет-сигиал оценивают- ся ио монохромным ТИТ и специальными методами. Универсальная электронная таблица предназначена для объек- тивного и субъективного контроля основных параметров и искаже- нии изображения в трактах передачи черно-белых и цветных ТВ си-
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 79 а Ш 5 6 бвгдежзи клмнопрстуфхцчшщэ 1 2 Зеленый ПурпУр_ Красный Белый Желтый ный перепадов яркости | □□□□ЯП Белый Радуга О О> Серый Белый Серый Черный 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 13 II14 15 16 17 18 19 20 Голубой Шкала □ь. Синий 3 Рис. 4.9. Эскиз универсальной электронной испытательной таблицы УЭИТ ОПО□□ 8 9 10 И 12 13 14 15 I16 5 17 LD 18 19 20 Белый Желтый 11II11111111 1 11 11111 !¥□□□□! Голубой Зеленый Пурпур’ Красный ныи Синий Черный □F □ стем. Состав испытательных элементов таблицы, как правило, мно- гофункционален. В то же время оценка тех или иных искажений производится как по различным испытательным элементам, так и по одинаковым, но расположенным в разных местах рабочего поля для дифференциальной оценки этих нарушений [102]. Рамка таблицы УЭИТ (рис. 4.9) состоит из черно-бело-черных штрихов, расположенных по ее периметру и образованных сигнала- ми с уровнями (0/100/0) % от максимального размаха сигнала. Бе- лые штрихи между черными полосами служат реперными линиями рабочего поля таблицы с форматом 4/3. Основу таблицы составляет сетчатое поле, образованное 18 (2... 19) горизонтальными и 24 (б...щ) вертикальными серыми поло- сами и белыми линиями между ними. Вертикальные линии создают- ся синус-квадратичными импульсами длительностью 0,16...0,17 мкс; толщина горизонтальных линий — две строки; размах сигнала линий и серых полос составляет (75/37,5) %. С помощью указанных эле- ментов проверяются горизонтальный и вертикальный размеры изо- бражения, их соотношение (формат кадра), центровка рабочего по- ля таблицы, величина геометрических искажений, качество сведения лучей цветного кинескопа и др. При формате 4/3 реперные белые линии должны совмещать- ся с обрамлением экрана трубки. При формате 5/4 (используемом
КО ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения в большинстве кинескопов по конструктивным соображениям) с го- ризонтальным обрамлением экрана должны совмещаться наружные •|грныс края рамки, а с вертикальным — внутренние черные края. При нарушении формата квадраты сетчатого поля воспроизводятся как прямоугольники, а окружности напоминают эллипсы (при срав- нительно небольших искажениях линейности строчной и кадровой разверток). Центровка изображения должна быть такой, чтобы цен- тральное перекрестие сетчатого поля совпадало с центром экрана. Геометрические (координатные) искажения оцениваются инст- рументально по квадратам сетчатого поля (см. § 4.2), а визуально — по окружностям в центре и в углах таблицы. Сведение лучей цветного кинескопа проверяется по центрально- му перекрестию осевых сетчатого поля и осевым линиям на краях растра, а также по перекрестиям белых линий в окружностях по углам таблицы (см. гл. 7). Определение других параметров, как правило, требует предвари- тельной настройки яркостного режима работы приемника — выбора оптимальных значений яркости и максимального контраста изобра- жения (максимального размаха ТВ сигнала), при которых воспро- изводится максимально различимое число градаций яркости (для данного кинескопа). Эта операция производится по шкале перепа- дов яркости 8б-8ц (см. § 4.3), причем черный и белый испытатель- ные элементы шкалы 86 и 8ц являются опорными уровнями экс- тремальных значений яркости, определяющими максимальный кон- траст изображения. Минимизация, полутоновых (градационных) искажений, возни- кающих в процессе преобразования сигнал-свет, может быть выпол- нена следующим образом. Вначале регулятор «Контрастность» уста- навливается на минимально возможное значение, а затем с помощью регулятора «Яркость» выбирается величина яркости изображения так, чтобы испытательный элемент шкалы 8в (уровень сигнала на 3 % «чернее» уровня черного) визуально отличался по яркости от одинаковых черных элементов 86 и 8г (0 %). После этого яркость уменьшается до потери различимости этих трех испытательных эле- ментов, а контраст устанавливается в положение, при котором вос- производится наибольшее число (как правило, 8-9) визуально раз- личимых градаций шкалы. После выполнения этой операции можно приступить к оценке значений других качественных параметров. Четкость по горизонтали (воспроизведение мелких черно-бе- лых деталей) оценивается по штриховой мире групповой четкости 186 Гкц и подобным же испытательным элементам мир внутри ок- ружностей в углах таблицы (см. § 4.4). В центральной части таблицы штрихи образованы семью пакетами синусоидальных колебаний с ча- стотами 2,8, 3,8, 4,8 и 5,8 МГц, что соответствует четкости 200, 300, •100 и 500 ТВ линий (условно обозначенных цифрами 2, 3, 4 и 5), а
ГЛАВА 4. Искажения телевизионного изображения 81 в углах — колебаниями 3,8 и 4,8 МГц (соответственно 300 и 400 ТВ линий). Отсчет четкости производится по визуальному различению наименьших черно-белых штрихов. Резкость воспроизведения вертикальных границ деталей изобра- жения характеризуется интервалом времени нарастания от 10%- до 90%-ного уровня сигнала изображения. Он измеряется с помощью осциллографа с выделением строки по сигналу от черно-белых ква- дратов 16и-16т. Четкость изображения по вертикали косвенно оценивается по качеству чересстрочной развертки по воспроизведению наклонных белых линий в испытательных элементах 10с-10х и 11е-11к. При нарушении чересстрочной развертки линии воспроизводятся с из- ломами. Цветовая четкость (воспроизведение цветных деталей в гори- зонтальном направлении) оценивается по воспроизведению пурпур- ных и зеленых, желтых и синих, а также красных и голубых штри- хов 9е-9х. Искажение цветности штрихов и ее неоднородность чаще всего возникают из-за неточной настройки контура селекции сигна- ла цветности из спектра сигнала яркости в ТВ приемнике. Частота следования сигналов штрихов 0,5 МГц. Качество воспроизведения «средних» деталей., т.е. наличие за ними тянущихся продолжений (см. § 4.5), оценивается по бело-серо- черным 10е-10х и черно-серо-белым 11е-11х испытательным элемен- там, а также по черно-белым квадратам 16и-16с и деталям с плавно изменяющимися горизонтальными размерами 16в-16е и 16х-16ш. Баланс белого определяется соотношением токов трех лучей цветного кинескопа и проверяется по шкале перепадов яркости (гра- дационной мире) 86... 8щ, все элементы которой должны воспроизво- диться как черно-белые, т.е. не должны окрашиваться. Однородность цвета по рабочему полю изображения контролиру- ется по крупным белым, серььм и черным участкам большой протя- женности. При неоднородности яркости и цветности на этих участках наблюдаются обширные цветные пятна с малой насыщенностью. Верность воспроизведения цветов проверяется визуально по двум цветовым шкалам: шкале 6-16.,.6-7щ с пониженной насы- щенностью (уровень «белого» 75 %, уровень «черного» 37,5 %, экс- тремальные уровни сигнала цветных полос (75/37,5) %, т.е. уровни всех сигналов составляют 75/37,5/75/37,5); шкале Ц~15б...Ц-15щ с повышенной насыщенностью, формируемой сигналами с уровнями 75/0/75/0. Чередование цветов испытательных элементов шкалы: белый, желтый, голубой, зеленый, пурпурный, красный, синий, се- рый (черный). Последовательность и цветовой тон элементов обеих шкал должны соответствовать указанным цветам. Искажения изображения типа «эхо» — многоконтурность, окантовки и т.п. — возникают из-за перекоррекции АЧХ в области
S2 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения высоких частот (см. § 4.4), а также приема прямого и отраженного ра- диотелевизионных сигналов, рассогласования линий связи, несовпа- дения во времени сигналов яркости и цветности. Они оцениваются но воспроизведению одиночных черных и белых штрихов (например, 10е и Не)у вертикальных линий сетчатого поля и др. Наряду с УЭИТ часто используется испытательное изображе- ние в виде восьми широких вертикальных цветных полос, аналогич- ных испытательным элементам цветовых шкал УЭИТ. Подобный сигнал формируется специальным генератором электрических сиг- налов ГЦП. Он может вводиться и контролироваться практически в любых точках тракта. Для оценки результирующего качества изображения и его отли- чия от номинального предложен интегральный критерий качества, величина которого определяется значениями многочисленных част- ных параметров [13]. Важность подобного критерия обусловлена тем, что только на его основе возможно научно обоснованное нормирова- ние параметров ТВ системы в целом и отдельных ее звеньев с учетом «обмена» величин частных параметров качества (например, увеличе- ние четкости за счет уменьшения отношения сигнал/помеха и т.д.). Применение интегрального критерия позволит широко использовать адаптивную автоматическую коррекцию искажений в отдельных зве- ньях тракта, и особенно в ТВ приемниках [13, 69]. Однако до настоящего времени разработать реально приемле- мый интегральный критерий качества не удалось из-за чрезвычайно сложной формализации связей между субъективными обобщенными оценками качества ТВ изображения и частными объективными пара- метрами ТВ устройств. Использование ЭВМ, формализация связей между частными параметрами и разработка алгоритма для опреде- ления интегрального критерия помогут решить задачу повышения качества ТВ изображения. Глава 5 ОСНОВЫ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ 5.1. Общие принципы Аналоговый телевизионный сигнал в соответствии с его приро- дой повторяет распределение яркости и цветности на пути, по ко- торому производится развертка изображения, т.е. он действительно является электрическим аналогом изображения. Поэтому системы
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 83 телевидения, в которых используется для передачи, консервации или каких-либо других задач обработки аналоговый сигнал, называются системами аналогового телевидения. На протяжении нескольких де- сятилетий телевидение было аналоговым, и только в конце 70-х годов разработчикам телевизионных систем пришлось столкнуться с огра- ничениями аналоговых методов, серьезно сужающими возможности дальнейшего развития телевидения. Одной из главных причин этих ограничений следует считать сла- бую помехозащищенность аналогового сигнала, который подвергает- ся в каждом из устройств телевизионного тракта воздействию шумов и других помех. Современная же вещательная ТВ система предста- вляет собой весьма длинную цепь устройств преобразования и пе- редачи сигналов, число звеньев которой с развитием телевидения сильно увеличивается. В любом звене этой сложной цепи возникает неизбежная потеря качества изображения. Связано это с тем, что в каждом устрой- стве, при любом из преобразований, которому подвергается сигнал, на него воздействуют помехи. При аналоговых методах усиления и обработки ТВ сигнала эти помехи накапливаются от звена к звену, и естественно, тем сильнее, чем больше в ТВ системе процессов обра- ботки, переприема или перезаписей сигнала. Пока этих преобразова- ний немного, суммарные искажения еще могут быть незаметны. Но с развитием телевидения число преобразований очень быстро возра- стает. Увеличиваются расстояния между передающими и приемными пунктами, растет номенклатура и число различных видеоэффектов, разнообразящих передачу, но требующих дополнительных преобразо- ваний, усложняется технология монтажа ТВ программ. В таких си- стемах проблема обеспечения необходимой помехоустойчивости ста- новится главенствующей. Существенно уменьшить искажения от по- мех при формировании телевизионной программы, ее консервации или передаче позволяют цифровые методы, уже известные в техни- ке связи. Поэтому в последние годы основное внимание уделяется развитию цифрового телевидения. Цифровое телевидение — область телевизионной техники, в ко- торой операции обработки, консервации и передачи телевизионного сигнала связаны с его преобразованием в цифровую форму. Цифровые методы помимо обеспечения высокого качества изо- бражения при воздействии значительных помех обладают и другими достоинствами. Так, при одинаковой пропускной способности канала они позволяют передавать большее число программ по сравнению с аналоговым телевидением; благодаря уменьшению необходимых на- строечных операций на этапе производства они более технологичны; выше эксплутационная надежность цифровой аппаратуры. Намного легче в сравнении с аналоговой техникой достигается универсаль- ность работы цифровой аппаратуры в различных мировых стандар- тах телевидения. Лучшая помехозащищенность цифрового сигнала 6'
84 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения позволяет снизить требования к его мощности в процессе доставки к приемным устройствам. Повторные изображения, характерные для аналогового телевидения при многолучевом приеме, цифровыми ме- тодами могут быть практически полностью исключены. Наконец, цифровые методы позволят включить телевидение в единую мировую информационную систему через телевизионные ин- терактивные каналы, а также реализовать возможность приема те- левизионных программ через подключение к сети Интернет. Можно представить системы цифрового телевидения двух типов [14]. В системе первого типа, полностью цифровой, преобразова- ние передаваемого изображения в цифровой сигнал и обратное пре- образование цифрового сигнала в изображение на приемном экране осуществляются непосредственно в преобразователях свет-сигнал и сигиал-свет. Во всех звеньях тракта передачи изображения инфор- мация передается в цифровой форме. В перспективе создание таких преобразователей вполне реально. Однако в настоящее время их еще не существует, а поэтому целесообразно рассматривать цифровые ТВ системы второго типа, в которых с датчиков получается аналоговый ТВ сигнал, затем он преобразуется в цифровую форму, подверга- ется всей необходимой обработке, передаче или консервации, а за- тем снова приобретает аналоговую форму. При этом используются существующие датчики аналоговых ТВ сигналов и преобразователи сигнал-свет в телевизионных приемниках. В этих системах на вход тракта цифрового телевидения поступает аналоговый ТВ сигнал, за- тем он кодируется, т.е. преобразуется в цифровую форму. 5.1.1. Импульсно-кодовая модуляция Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму пред- ставляет собой комплекс операций, наиболее существенными из ко- торых являются дискретизация, квантование и непосредственно ко- дирование. Дискретизация — замена непрерывного аналогового ТВ сигна- ла u(t) последовательностью отдельных во времени отсчетов это- го сигнала. Наиболее распространена равномерная дискретизация, имеющая постоянный период, основанная на теореме Котельникова- Найквиста. Согласно этой теореме любой непрерывный сигнал u(t), имеющий ограниченный спектр частот (рис. 5.1,с), может быть пред- ставлен значениями этого сигнала иДД), взятыми в дискретные мо- менты времени (отсчеты) tn = пТ (рис. 5.1,6), где п = 1,2,3,... — целые числа; Т — период или интервал дискретизации, выбранный из условия теоремы Котельникова-Найквиста: Т 0,5//гр. Здесь /гр — максимальная частота спектра исходного сигнала u(t). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискрети- зации. Минимально допустимая частота дискретизации /д = 2/гр.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 85 (п-З)Т (п-2)Т (п — 1)Т пТ (п+1)т (п+2)Т (n+3)T (n + 4)T * Рис. 5.1. Преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую Аналитическое выражение теоремы Котельникова-Найквиста име- ет вид w(t)= V ц(пТ)51"Уг.р^ ffi. 2irfrp[t — пТ) (5-1) Предполагается, что отсчеты гь(пТ) являются 5-импульсами (бесконечно короткими). Для восстановления исходного аналогового сигнала u(t) из последовательности отсчетов и(пТ) последние необ- ходимо в соответствии с (5.1) пропустить через идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) со срезом на частоте /гр. Множитель [sin 2тг/гр(£ — 7гТ)]/[2тг/гр(£ — пТ)] представляет собой реакцию такого фильтра на единичный импульс и(тгТ). Из теоре- мы следует, что для точного восстановления исходного сигнала не-
86 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения обходимо наличие бесконечно большого числа отсчетов. На практи- ке же сигнал, всегда имеющий конечную длительность, описывается конечным числом отсчетов. Несмотря на несоответствие условиям теоремы, такой способ восстановления сигнала широко используется в цифровом телевидении, и точность восстановления при соблюдении определенных требований оказывается достаточной. За процессом дискретизации при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму следует процесс квантования. Кванто- вание (этот термин заимствован из атомной физики) заключается в замене полученных после дискретизации мгновенных значений отсче- тов ближайшими значениями из набора отдельных фиксированных уровней (рис. 5.1,в). Квантование также представляет собой дискре- тизацию ТВ сигнала, но осуществляемую не во времени, а по уровню сигнала u(t). Для устранения путаницы между этими понятиями и введена разная терминология. Фиксированные уровни, к которьпм «привязываются» отсчеты, называют уровнями квантования. Разбивая динамический диапазон изменения сигнала u(t) уровнями квантования на отдельные области значений, называемые шагами квантования^ образуют шкалу кван- тования. Последняя может быть как линейной, так и нелинейной, в зависимости от условий преобразования. Округление отсчета до одного из двух ближайших уровней (верхнего или нижнего) опреде- ляется положением порогов квантования (рис. 5.1,в). Возможность восстановления в зрительном аппарате человека исходного изображения по его квантованному приближению (в теоре- ме эта операция не предусматривается) вытекает из ограниченности контрастной (и цветовой) чувствительности зрительной системы. Строго говоря, дискретизированный и квантованный сигнал икь(пТ) уже является цифровым. Действительно, если амплиту- да импульсов дискретизированного сигнала и(пТ} может принимать любые произвольные значения в пределах исходного динамического диапазона сигнала u(t\ то операция квантования привела к замене всех возможных значений амплитуды сигнала ограниченным числом значений, равным числу уровней квантования. Таким образом, кван- тованная выборка сигнала выражается некоторым числом в системе счисления с основанием пг, где m — число уровней квантования. Но цифровой сигнал в такой форме по помехозащищенности мало выигрывает по сравнению с аналоговым, особенно при большом т. ,]. 1,ля увеличения помехозащищенности сигнала его лучше всего пре- образовать в двоичную форму, т.е. каждое значение уровня сигнала записать в двоичной системе счисления. При этом номер (значение уровня) будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или I (рис. 5.1,г). В этом и состоит третья, заключительная операция по преобразованию аналогового сигнала ?/Д) в цифровой, называе- ма/! ппсрацией кодирования.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 87 Кодирование представляет собой преобразование квантованного значения отсчета икв(пТ) в соответствующую ему кодовую комбина- цию символов и^пТ). Наиболее распространенный способ кодиро- вания ТВ сигнала — представление его дискретных и проквантован- ных отсчетов в натуральном двоичном коде. Этот способ получил название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На рис. 5.1,г пока- зан результат преобразования фрагмента исходного сигнала u(t) в последовательность комбинаций двоичного трехразрядного кода. Часто всю совокупность перечисленных операций — дискрети- зации, квантования и кодирования для краткости называют кодиро- ванием телевизионного сигнала. Это имеет определенные техниче- ские основания, поскольку все эти три операции выполняются од- ним техническим устройством — аналого-цифровым преобразовате- лем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналого- вый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым пре- образ о в ателем (ЦАП). Аналого-цифровые и цифро-аналоговые пре- образователи — непременные блоки любых цифровых систем пере- дачи, хранения и обработки изображений. Исследования ИКМ в телевидении начались сравнительно давно. Первые предложения относятся еще к 30-м годам. Но только недавно этот метод стал применяться в вещательном телевидении. Причина столь длительного внедрения объясняется жесткими требованиями к быстродействию устройств преобразования и передачи цифрового сигнала. Чтобы пояснить это, оценим скорость передачи цифрового потока ИКМ сигнала по каналу связи. При непосредственном кодировании телевизионного сигнала ме- тодом ИКМ кодовые комбинации создаются с частотой, равной ча- стоте отсчетов, т.е. частоте дискретизации. Каждая кодовая комби- нация соответствует определенному отсчету и содержит некоторое число к двоичных символов (битов). Скоростью цифрового потока с называется число передаваемых двоичных знаков в единицу времени. За единицу скорости принима- ется 1 бит в секунду. Таким образом, скорость передачи ТВ сигнала в цифровой форме рсСвна произведению частоты дискретизации /д и числа двоичных символов к в одном дискретном отсчете: с = fAk. (5.2) Для количественной оценки скорости передачи ИКМ сигнала не- обходимо обосновать выбор к и /д. Число двоичных символов к в кодовой комбинации одного отсчета связано с числом уровней кван- тования т исходного сигнала соотношением к — log2m ~ 3,31g771. (5.3) Выбор числа уровней квантования определяется требованием к минимизации ошибок (ошибок квантования), возникающих из-за за-
88 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения мены истинных значений отсчетов сигнала их квантованными (при- ближенными) значениями. Ошибки квантования носят случайный характер. Поэтому искажения, вызываемые этими ошибками, часто называют шумами квантования. На изображении они могут про- являться по-разному, в зависимости от свойства кодируемого сигна- ла. Если собственные шумы аналогового сигнала невелики по срав- нению с шагом квантования, то шумы квантования проявляются на изображении в виде ложных контуров. Такие искажения хорошо заметны при «грубом» квантовании, когда число уровней квантова- ния недостаточно. В этом случае плавные яркостные переходы пре- вращаются в ступенчатые. Наиболее заметны ложные контуры на изображениях с крупными планами. Этот эффект усугубляется на подвижных изображениях. Эксперименты показывают, что ложные контуры перестают восприниматься, если число уровней квантова- ния превышает 100-200, т.е. шум квантования не превышает 0,5...1 % размаха сигнала. Эти данные хорошо согласуются с понятиями о контрастной чувствительности зрения. Если собственные шумы аналогового сигнала достаточно велики и превышают шаг квантования, то искажения квантования проявля- ются уже не как ложные контуры, а как шумы, равномерно рас- пределенные по спектру. Флуктуационные помехи исходного сигна- ла как бы подчеркиваются, изображение в целом начинает казать- ся более зашумленным. Недостаточное число уровней квантования особенно неприятно сказывается на цветных изображениях. Шумы квантования про- являются в виде цветных узоров, особенно заметных на таких сю- жетах, как лицо крупным планом, на плавных перепадах яркости и пр. В настоящее время рекомендуется использование линейной де- сятиразрядной шкалы квантования, предусматривающей квантова- ние соответственно на 1024 уровня. Хотя еще несколько лет назад считалось вполне удовлетворительным квантование на 256 уровней (восьмиразрядной шкалой). На рис. 5.2 приведены диаграммы, дающие представление о соот- ветствии между аналоговым сигналом яркости Еу и уровнями кван- Рис. 5.2. Соответствие размаха яркостного аналогового сигнала шкале кван- тования: a — восьмиразрядная шкала; 6— десятиразрядная шкала
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 89 тования для восьми- и десятиразрядиой шкалы. В восьмиразряд- ной шкале сигналу отводится 220 уровней квантования (с 16-го, со- ответствующего уровню черного, по 235-й, соответствующий белому). В десятиразрядной шкале яркостный сигнал квантуется на 877 уров- ней (64-й соответствует уровню черного, а 940-й — уровню белого). Из неиспользуемых уровней одна часть резервируется для цифровых синхронизирующих сигналов, другая — представляет собой рабочий запас на возможные в процессе преобразования аналогового сигна- ла превышения им допустимого диапазона значений. Подобные слу- чаи для аналоговой техники весьма вероятны, а связанные с этим перегрузки аналогово-цифровых преобразователей приводили бы к заметным неустранимым искажениям в изображении. Рассмотрим теперь факторы, определяющие выбор частоты дис- кретизации. Дискретизация — первая операция из всего комплекса преобразований аналогового сигнала в цифровой. Исходный сигнал u(t) после дискретизации можно представить в виде суммы: и(пТ) = u(t)8(t — пТ), (5.4) п= —оо где 8 — дельта-функция; Т — период дискретизации. Если (5.4) подвергнуть преобразованию Фурье, то оо 5д(Л= Е S(f -nfa), (5.5) п= —ОО где S(/) и S(JA) — спектры исходной и дискретизированной функ- ций соответственно [15]. Из (5.5) следует, что спектр дискретизированного сигнала пред- ставляет собой сумму исходного спектра (п = 0) и «побочных» или дополнительных спектров того же вида, но сдвинутых один относи- тельно другого на /ц, 2/д,.. .и т.д. (рис. 5.3). Из рисунка видно, что с помощью идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза /фнч можно выделить спектр исходного сигнала, если выпол- няются условия: 1) /д 2/гр; 2) Угр Уфнч Уд — Угр- Если же частота отсчетов выбрана из условия Уд < 2угр, то по- сле дискретизации побочные спектры будут перекрывать основной (рис. 5.4), и восстановить исходный сигнал без помех невозможно. Таким образом, при полосе частот яркостного сигнала, рав- ной 6 МГц, частота дискретизации должна быть выбрана не менее 12 МГц. Учитывая невозможность создания фильтра нижних частот с прямоугольной АЧХ, эта цифра должна быть несколько увеличена. На выбор частоты дискретизации влияют также следующие об- стоятельства. Изображение, подвергнутое кодированию, представля- ет собой совокупность отсчетов (пикселей), структура которых за-
90 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 5.3. Спектр сигнала после дискрети- Рис. 5.4. Перекрытие спектров при /д < 2/гр зации Строки изображения Рис. 5.5. Ортогональная структура дискретизации висит от частоты дискретизации. Лучшие результаты достигаются при фиксированной относительно телевизионного растра структуре отсчетов, расположенных в узлах прямоугольной решетки — так на- зываемая ортогональная структура дискретизации (рис. 5.5). Для этого необходимо, чтобы частота дискретизации была кратной часто- те строк. Кроме того, желательно удовлетворение этому требованию одновременно для двух мировых стандартов разложения: 625/50 и 525/60. Одним из вариантов, отвечающих этим условиям, является частота 13,5 МГц. В этом случае видимая часть строки изображения для обоих стандартов состоит из 720 пикселей, что примерно соот- ветствует разрешению аналогового вещательного телевидения. Для более высокого формата разрешения частота дискретизации должна быть пропорционально увеличена. Приняв во внимание параметры квантования и дискретизации аналогового телевизионного сигнала, оценим скорость цифрового по- тока яркостного сигнала для к = 10 и /д = 13,5 МГц: с = 10 • 13,5 = 135 Мбит/с. А если учесть, что кроме сигнала яркости должна быть переда- на. информация о цвете, то общий цифровой поток, формируемый по методу ИКМ, удвоится и будет равен 270 Мбит/с. Столь высоким быстродействием должны обладать как устройства преобразования 'ГВ сигнала, так и каналы связи. Очевидно, нельзя считать экономи- чески целесообразной передачу такого большого цифрового потока по каналам связи. Важной задачей для построения более экономичных ТВ систем является сжатие или компрессия ТВ сообщения.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 91 5.1.2. Компрессия Резервы для уменьшения цифрового потока без ущерба качеству воспроизводимого изображения заключены в специфике ТВ сигнала, обладающего, как показывают исследования, значительной инфор- мационной избыточностью. Эту избыточность обычно разделяют иа статистическую, физиологическую и структурную. Статистическая избыточность определяется свойствами изо- бражения, которое не является в общем случае хаотическим рас- пределением яркости, а описывается законами, устанавливающими определенные связи (корреляцию) как между яркостями отдельных элементов, так и между их цветностями. Особенно велика корре- ляция между соседними (в пространстве и во времени) элементами изображения. Использование корреляционных связей позволяет не передавать многократно одни и те же данные и сокращать за счет этого объем сообщения. При этом устранение статистической избы- точности в ТВ сигнале может происходить без потери информации, и исходные данные будут полностью восстановлены. Визуальная или физиологическая избыточность ТВ сигнала об- условливается ограниченностью возможностей зрительного аппара- та. Использовать физиологическую избыточность — значит, не пе- редавать в сигнале ту информацию, которая не будет воспринята на- шим зрением. Как следствие, устранение физиологической избыточ- ности связано с частичной потерей информации, но той информации, которая не воспринимается зрением, и ее потеря не повлияет на ви- зуальное качество изображения. Структурная избыточность в соответствии с названием опре- деляется структурой видеосигнала: наличием в аналоговом телеви- зионном сигнале гасящих импульсов. В цифровом потоке соответ- ствующие им временные интервалы можно исключить или исполь- зовать для передачи другой информации, например звукового со- провождения. Уменьшение цифрового потока ТВ сигнала за счет сокращения статистической и физиологической избыточности в изображении осу- ществляется в телевидении применением более эффективных мето- дов кодирования по сравнению с ИКМ. При большом их многообра- зии наиболее широко распространены следующие виды эффективно- го кодирования: кодирование с предсказанием, кодирование с линей- ным ортогональным преобразованием, взвешенное квантование, эн- тропийное кодирование или кодирование с переменной длиной. Пе- речисленные виды кодирования могут использоваться как самостоя- тельно, так и в сочетании друг с другом, давая в последнем случае значительно больший эффект. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в следующих разделах этой главы. В настоящее время существуют стандарты компрессии, которые определяют основные правила эффективного кодирования и декоди-
92 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения рования цифровых потоков как изображений, так и связанного с ни- ми звукового сопровождения. Эти стандарты получили общее на- именование MPEG, представляющее собой аббревиатуру от названия разрабатывавшего их международного комитета — Moving Pictures Experts Group (Группа экспертов по движущимся изображениям). Разработанные и разрабатываемые стандарты компрессии MPEG не подвергают жесткой регламентации процедуры эффективного коди- рования, с тем чтобы оставить возможности для дальнейшего усовер- шенствования кодеров и декодеров. Стандартизованы только кодо- вое представление цифрового потока, сформированного устройством компрессии, и процесс декодирования. В Европе в качестве основно- го стандарта для цифрового телевизионного вещания приняты спе- цификации сжатия MPEG-2, известные как стандарты «Main Profile at Main Level» (основной профиль при основном уровне), хотя раз- работаны и другие подмножества стандарта, отвечающие различным сферам применения и качеству изображений. Эффективность компрессии, достигнутая к настоящему времени, очень велика. Так, для упомянутого основного уровня стандарта MPEG-2 (разрешение 720x576 пикселей) требуется битовая скорость порядка 15 Мбит/с (против приведенного выше значения 270 Мбит/с некомпрессированного ИКМ сигнала). 5.1.3. Канальное кодирование Цифровые сигналы с высоким уровнем компрессии весьма уязви- мы для помех в канале передачи. Поэтому они нуждаются в эффек- тивном обнаружении и исправлении ошибок. Как показали иссле- дования, в цифровом телевизионном вещании интенсивность ошибок должна быть порядка 1О“10 ... 10“12 бит. Это соответствует появле- нию за один час передачи не более 0,1... 10 ошибочных бит. Канал передачи со столь низкой интенсивностью ошибок называют квази- безошибочным каналом. Подобных физических каналов в реалии не существует. Тем не менее условия передачи с такими жесткими тре- бованиями к безошибочности передачи цифровой информации долж- ны быть выполнены. Для этого предпринимаются определенные пре- дупредительные меры, которые гарантируют, что ошибки, вызванные физической средой передачи, будут обнаружены и по возможности скорректированы. С этой целью сигнал подвергается так называемо- му помехоустойчивому кодированию, при котором в сигнал вводится определенная избыточность, позволяющая обнаруживать ошибки и исправлять их. Из помехоустойчивых кодов наиболее широко при- меним код Рида-Соломона. Введение дополнительной избыточности для реализации помехоустойчивого кодирования не снижает замет- ным образом общий результат, достигнутый от применения приемов компрессии цифрового сигнала.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 93 Кроме того, компрессированный цифровой сигнал подвергается и некоторым другим операциям, которые в совокупности с помехо- устойчивым кодированием относят к разряду процедур так называ- емого канального кодирования. В частности, производится: опера- ция скремблирования данных с целью более равномерного распре- деления энергии сигнала и так называемое перемещение, которое позволяет длинные пакеты ошибок распределить на отсчеты, дале- ко отстоящие друг от друга. Процедуры канального кодирования рассматриваются в гл. 13. 5.1.4. Модуляция Существующие каналы связи имеют значительное ограничение по полосе пропускания частот. Особенно это касается сетей распре- деления сигналов наземного телевидения. Способ модуляции в боль- шой степени определяет результирующий спектр частот цифрового сигнала, основные компоненты которого должны попадать в поло- су частот канала. Следует отметить, что обычная амплитудная, частотная или фа- зовая модуляция двухпозиционным (двухуровневым) кодом, при ко- торой логические 0 или 1 представляются двумя значениями несу- щей, крайне неэффективна. Это обусловлено, во-первых, большой шириной спектра самого модулирующего сигнала и, во-вторых, удво- ением (как минимум) ширины спектра сигнала после модуляции. Полоса частот модулирующего сигнала не может быть ниже определенного предела, при котором возникают непреодолимые меж- символьные искажения. Этот предел получил название порога Найк- виста и характеризуется для двухпозиционного кода удельной вели- чиной скорости передачи данных, равной 2 бит/с на Гц. Это означает, что для цифрового сигнала, сформированного в соответствии с основ- ным уровнем MPEG-2 (скорость передачи 15...20 Мбит/с), потребует- ся полоса пропускания не менее 8... 10 МГц, которая в свою очередь может удвоиться при использовании обычных методов модуляции. Значительное сокращение спектра частот могут обеспечить со- временные способы модуляции: относительная квадратурная фазо- вая манипуляция (для спутникового телевидения), квадратурная ам- плитудная модуляция (для кабельного телевидения), кодированное ортогональное частотное уплотнение (для наземного цифрового те- левидения) и ряд других. Более подробно вопросы модуляции рас- сматриваются в главе, посвященной цифровым системам телевизи- онного вещания. 5.1.5. Обобщенная структурная схема системы цифрового телевидения Подлежащий преобразованию аналоговый сигнал поступает на вход цифровой ТВ системы (рис. 5.6). Этот сигнал подвергается
91 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения Рис. 5.6. Обобщенная структурная схема ЦТС предварительной обработке для упрощения последующих цифровых преобразующих устройств. Например, полный цветовой сигнал раз- деляется в устройстве предварительной обработки на сигнал яркости и цветоразностные сигналы с тем, чтобы цифровые преобразования производились с каждым из трех сигналов отдельно. Можно ввести в аналоговый сигнал определенные предыскажения для улучшения субъективного качества выходного изображения и т.п. Несмотря на то что многие из этих предварительных операций по обработке могут быть сделаны и в цифровой форме, на определенном этапе развития технически проще их выполнять в аналоговой форме. Далее, под- готовленный для преобразования аналоговый сигнал поступает на кодирующее устройство, в котором он дискретизируется, квантуется и предварительно кодируется. Как указывалось, в полученном та- ким образом сигнале содержится значительная избыточность, кото- рая может быть в определенной степени сокращена дополнительным, более эффективным кодированием перечисленными выше методами компрессии. Затем цифровой сигнал подвергается так называемой прямой коррекции ошибок, выполняемой в устройстве канального кодирования, и наконец поступает на выходной преобразователь (на- пример, на модулятор передающего устройства). В приемном устрой- стве осуществляются обратные операции. Приведенная на рис. 5.6 схема является обобщенной. В зависи- мости от задач, стоящих перед цифровой системой, она может ви- доизменяться. Например, система вообще не будет содержать ана- логовых звеньев, если использовать преобразователи свет-сигнал и сигиал-свет, генерирующие и преобразующие сигнал в цифровом ви- де'. В другом случае могут отсутствовать устройства, повышающие помехоустойчивость сигнала в каналах связи. Это допустимо при отсутствии протяженных линий связи и, в частности, при цифровой обработке сигнала внутри одного телецентра. В том же случае не обязательны и устройства, устраняющие в ТВ сигнале избыточность и сокращающие цифровой поток.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 95 5.2. Методы видеокомпрессии Компрессией телевизионного сигнала называется устранение из него избыточной информации для уменьшения скорости цифрового потока и, как следствие, более эффективного использования кана- лов передачи. Общая характеристика возможностей видеокомпрессии была рассмотрена в п. 5.1.2. В данном параграфе излагаются конкрет- ные технические приемы по сокращению избыточности видеоинфор- мации, используемые в цифровом телевизионном вещании. Избыточность информации в потоке цифровых данных объяс- няется прежде всего спецификой ТВ изображения. Известно, что, несмотря на равновероятность любых из возможных значений ярко- сти (цветности) для одного элемента изображения, содержание сосед- ствующих с ним элементов мало отличается или не отличается вовсе. При поэлементной передаче яркости и цветности методом ИКМ в ка- нал таким образом посылается одна и та же или мало отличающаяся по содержанию информация. Подобную избыточность информации в сигнале называют пространственной или внутрикадровой. Значительная избыточность содержится и в передаче смежных во времени кадров изображения, в которых, несмотря на движение отдельных фрагментов, существенную роль играют общие для них неподвижный фон или задний план. Такого рода избыточность на- зывают временной или межкадровой. И пространственная, и вре- менная избыточность обусловлены статистическими свойствами те- левизионного изображения. Следует также учитывать, что цифровой ИКМ сигнал, являю- щийся продуктом преобразования аналогового сигнала, содержит и определенную психофизическую избыточность информации. В этой информации содержатся данные о таких особенностях воспроизводи- мого изображения, которые визуально не фиксируются и, следова- тельно, такая информация без ущерба качеству изображения может быть изъята из передачи. Устранение избыточности информации в цифровом сигнале в ко- нечном счете должно выразится в уменьшении числа отсчетов сигна- ла и (или) уменьшении разрядности их двоичных кодовых символов. Реализация таких процедур напрямую с ИКМ сигналом недопусти- ма, так как изъятие из сигнала отдельных отсчетов или замена их значений на более грубо проквантованные соответствует изъятию в воспроизводимом изображении соответствующих элементов или их искаженному представлению. Попытка изъятия отдельных элемен- тов из группы равноправных слагаемых изображения как с инфор- мационной, так и с энергетической точки зрения приводит к необра- тимой потере качества изображения. Решение задачи по устранению избыточности информации в ци- фровом сигнале возможно только путем его предварительной обра- ботки, которая должна перераспределить вклад отдельных отсчетов
90 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения преобразованного сигнала в общее содержание изображения. Пере- распределив таким образом функциональную значимость между от- дельными отсчетами, можно будет выделить «главные» отсчеты, не- сущие основной объем информации, обеспечив им наилучшие усло- вия передачи, а на остальных отсчетах «сэкономить», не передавая их или передавая с минимальным числом градаций. К настоящему времени предложено сравнительно много методов обработки сигнала с таким подходом. В данном параграфе будут рассмотрены самые распространенные приемы, и в частности реко- мендованные стандартами компрессии MPEG. 5.2.1. Дискретно-косинусное преобразование Методы преобразования изображения в общем случае основаны на том, что его цифровой эквивалент (сигнал ИКМ) приводится к виду, удобному для сокращения избыточной информации. В этом отношении наиболее эффективным является преобразование видео- информации из временной области в спектральную. Это преобра- зование, как правило, предваряется разбивкой изображения на ча- стичные подобласти, фрагменты (в терминологии MPEG — блоки), которые затем по отдельности подвергаются необходимой обработ- ке. Результат преобразования представляет собой совокупность спек- тральных коэффициентов, которые характеризуют амплитуды про- странственных частот изображения. В основу преобразования изображений могут быть положены различные приемы. Наиболее часто используются методы линейных ортогональных преобразований. Линейность преобразований означа- ет, что операции сложения, вычитания и умножения на скаляр дей- ствительны и после преобразований, а ортогональность — что пре- образуемый фрагмент представляется ограниченным набором орто- гональных функций. Линейные преобразования можно осуществлять как с непрерывным, так и с дискретным сигналом. В первом случае процессу преобразования соответствует интегральная форма запи- си, во втором — матричная. Из различных ортогональных преобразований, позволяющих эф- фективно выявлять избыточную информацию, стандартом MPEG рекомендовано использовать дискретно-косинусное преобразование (ДКП), являющееся частным случаем двумерного преобразования Фурье. Как известно, преобразование Фурье — это метод обработ- ки, который, анализируя изменения сигнала во времени, выражает их в виде частотного спектра. Любой сигнал можно разложить на частотные гармонические составляющие, и затем по известным зна- чениям амплитуды и фазы этих составляющих их линейным сум- мированием восстанавить исходный сигнал. Последнюю операцию называют обратным преобразованием Фуръе. В цифровых системах сигнал выражается последовательностью дискретных отсчетов. При
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 97 N элементов N элементов /(о,о) .... 7(о,лг-1) ^(0,0) .... F(0,N-l) 771 £ f(N-1,0)’ • F^-i.o). • • • У а) б) Рис. 5.7. Преобразование блока изображения j\x,y) в блок ДКП коэффици- ентов а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП использовании преобразования Фурье для фрагмента цифрового сиг- нала из некоторого ограниченного числа отсчетов последний можно разложить на такое же число дискретных частот. Это преобразова- ние называют дискретным преобразованием Фуръе. Поскольку любое изображение или его фрагмент можно рассма- тривать как функцию изменения яркости (цветности) как по оси X, так и по оси У, то дискретное ортогональное преобразование Фурье будет представлять собой замену массива отсчетов изображения со- ответствующего фрагмента на массив коэффициентов, соответству- ющих амплитудам частотных составляющих Фурье. Объем машинных расчетов для нахождения этих коэффициен- тов весьма значителен. Поэтому преобразования осуществляются над небольшими по размеру фрагментами, обычно 8x8 элементов. Дискретно-косинусное преобразование Фурье в определенной степе- ни минимизирует объем этих вычислений использованием в качестве набора преобразующих (базисных) функций только косинусных со- ставляющих. В результате массиву исходных значений сигнала со- ответствует массив из такого же числа коэффициентов, представля- ющих собой амплитуды этих косинусных составляющих [16]. Аналитически двумерное дискретно-косинусное преобразование описывается следующим образом (рис. 5.7): _2 V'V'f тгт(2х +1) тт(2у + 1) — пС(т)С(п) f(x,у)с03 2N - 1 C0S 2N - 1 ’ х'=0 у=0 (5-6) где C(,n) = 1 при т / 1; C(m) = 1/V^ при т ~ 0; C(n) = 1 при п 1; С(п) — 1/\/2 при п = 0; J\x,y) — отсчеты изображения с про- странственными координатами ж, у (от 0 до N — 1); N — размер блока изображения (Nх N элементов); — коэффициенты, характери- зующие изображение в спектральной плоскости т, N (от 0 до N - 1). ДКП является обратимым: по распределению F(m>n) обратным преобразованием однозначно восстанавливается j\x,yy
<)S ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения 59 59 59 60 60 65 64 64 63 62 62 62 62 61 61 62 137 123 111 101 96 89 88 86 237 236 235 233 231 216 213 208 225 229 232 232 231 237 238 239 193 195 197 198 199 204 204 205 182 182 181 181 181 180 180 180 183 182 181 180 179 178 178 177 1249 19 3 1 1 1 0 1 -381 14 3 2 2 0 0 1 -318 -14 3 1 -1 0 1 —2 31 -45 —4 -3 -5 0 2 -4 154 —7 -8 -2 —2 0 -1 0 38 20 -3 2 2 0 —2 2 -39 11 8 3 0 1 1 0 -42 3 10 1 -1 1 1 -1 а) б) Рис. 5.8. Пример дискретно-косинусного преобразования для некоторого произвольного сюжета: а — блок изображения; 6 — блок коэффициентов ДКП Вернемся к вопросу о задаче рассматриваемых преобразований, являющихся довольно сложными и значительными по объему расче- тов. Очевидно, что поскольку число отсчетов преобразуемого сигна- ла равно числу отсчетов преобразованного сигнала, устранения из- быточности информации в результате такого преобразования не про- исходит. Однако следует обратить внимание на значительное изме- нение содержания блока коэффициентов ДКП по отношению к бло- ку преобразуемого изображения (рис. 5.8). По физическому смыслу блок коэффициентов ДКП представляет собой совокупность значе- ний амплитуд пространственных косинусоидальных гармоник с ча- стотами тип. При этом значение F(O,o) пропорционально среднему уровню (постоянной составляющей) в блоке и может достигать при 256 уровнях квантования значения 2040. (Чтобы ошибки от окру- гления коэффициентов ДКП не сказывались существенным образом на точности преобразования, их значения на этапе преобразования увеличены в восемь раз по сравнению с их действительными зна- чениями.) Компоненты F(Oji) и характеризуют плавное изменение яр- кости в блоке вдоль строки и поперек строк соответственно. Разноча- стотные изменения яркостей пикселей с диагональными структура- ми характеризуются диагональными спектральными компонентами -^(1,1), ^(2,2)? Обычно для большинства блоков изображения лишь малая часть коэффициентов имеет значительную величину. Это объясняется не- большими размерами блока, внутри которого яркость меняется мало, и поэтому относительно большие величины имеют только постоян- ная составляющая и несколько низкочастотных компонентов, рас- положенных в левом верхнем углу матрицы коэффициентов ДКП (см. рис. 5.8). Мелким деталяхм изображения, как известно, соответствуют вы- сокие пространственные частоты, и коэффициенты ДКП, характери-
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 99 зующие их амплитуды, располагаются правее и ниже. Поскольку, как правило, мелкие детали изображения выражены энергетически слабо относительно среднего уровня, то и соответствующие им коэф- фициенты ДКП по сравнению с F(o,o) малы или вообще равны нулю. Таким образом, если передавать вместо значений яркости изо- бражения коэффициенты ДКП, то сокращение скорости передачи данных может быть достигнуто уже хотя бы за счет исключения ну- левых коэффициентов. Однако эта задача решается уже вне про- цедуры ДКП. 5.2.2. Квантование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования Выгодное для компрессии различие в амплитудах между от- дельными коэффициентами ДКП может быть еще более усилено за счет устранения психофизической избыточности в изображении. Как следствие, увеличится число нулевых коэффициентов и коэффици- ентов с малыми значениями. Эта задача решается в процессе кван- тования коэффициентов, полученных после ДКП. Установлено, что глаз более чувствителен к ошибкам переда- чи яркости и цветности на больших площадях, в то время как при передаче контуров и мелких деталей остаются незамеченными бо- лее серьезные ошибки. Отсюда вытекает возможность определенного огрубления значений коэффициентов ДКП, отвечающих за передачу мелких деталей и контуров, без возникновения заметных для гла- за искажений в изображении. С этой целью производят процедуру квантования коэффициен- тов ДКП блока на разное число уровней: коэффициенты, располо- женные в левом верхнем углу блока, квантуются на максимально большое число уровней (особенно это касается коэффициента F(0>q), отвечающего за среднюю яркость блока); остальные коэффициенты передаются с меньшей точностью, а значит, квантуются на меньшее число уровней. Для тех же из них, что располагаются в правом нижнем углу, шкала квантования может содержать всего несколько уровней. Практическая реализация процесса квантования достига- ется поэлементным делением матрицы коэффициентов ДКП на ма- трицу квантования. В приемном устройстве, прежде чем осуществить обратное дис- кретно-косинусное преобразование для восстановления исходного изображения, матрица ДКП умножается на матрицу квантования. Эта операция называется деквантованием. Очевидно, что после де- квантования возвратиться к исходному, неквантованному блоку ДКП уже нельзя. Ошибки, возникающие от округления квантуемых вели- чин, и связанные с ними искажения в изображении необратимы. От- сюда вытекает необходимость отыскания таких матриц квантования, которые не приводили бы к визуально заметным искажениям.
100 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения 8 16 19 22 26 27 29 34 16 16 22 24 27 29 34 37 19 22 26 27 29 34 34 38 22 22 26 27 29 34 37 40 22 26 27 29 32 35 40 48 26 27 29 32 35 40 48 58 26 27 29 34 38 46 56 69 27 29 35 38 46 56 69 83 Рис. 5.9. Матрица взвешенного квантования коэффициентов ДКП 156 1 0 0 0 0 0 0 -24 1 0 0 0 0 0 0 -17 -1 0 0 0 0 0 0 1 -2 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 — 2 0 0 0 0 0 0 0 —2 0 0 0 0 0 0 0 Рис. 5.10. Значения коэффи- циентов ДКП, полученные де- лением матрицы рис. 5.8,6" на матрицу квантования рис. 5.9 На рис. 5.9 приведена матрица квантования, используемая стан- дартом MPEG. Учитывая, что значения большинства коэффициен- тов ДКП в блоке весьма малы, деление их на числа, характеризу- емые почти двумя порядками, приводит или к обнулению многих коэффициентов, или к сильному их уменьшению (рис. 5.10). Это в свою очередь позволит при передаче проквантованных значений коэффициентов ДКП по каналу связи значительно уменьшить ско- рость цифрового потока. 5.2.3. Кодирование коэффициентов дискретно-косинусного преобразования Следующим шагом после квантования коэффициентов ДКП яв- ляется преобразование матрицы этих коэффициентов в одномерную последовательность. Именно здесь окончательно реализуется про- цесс устранения избыточности, подготовка к которому проводилась на рассмотренных выше этапах ДКП и взвешенного квантования. Данное преобразование предусматривает объединение коэффициен- тов матрицы в определенные группы и применение затем так назы- ваемого энтропийного кодирования. Алгоритм группирования (упорядочивания) коэффициентов ДКП существенно влияет на эффективность компрессии. Он заклю- чается в том, что в процессе сканирования преобразуемой во вре- менную последовательность чисел матрицы нулевые коэффициенты объединяются в максимально длинные серии. Тогда их описание мо- жет сводиться к лаконичной записи длины серии и ее местоположе- ния в матрице. Одним из вариантов такого алгоритма группирова- ния является зигзагообразное сканирование, при котором преобразо- вание начинается с левого верхнего угла матрицы и заканчивается в ее правом нижнем углу (рис. 5.11). Поскольку именно в правом нижнем углу сосредоточено большинство нулевых коэффициентов, такой порядок сканирования обеспечивает формирование наиболее
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 101 Рис. 5.11. Зигзаг-сканирование коэффици- ентов ДКП длинных серий нулей, а следовательно, и самую компактную фор- му их передачи. Полученная в результате сканирования последовательность чи- сел подвергается упомянутому выше энтропийному кодированию или кодированию с переменной длиной слова. Наиболее употребимым из энтропийных кодов является код Хаффмана. Он основывается на том, что коды символов, обладающих большей вероятностью, описы- ваются меньшим числом бит, чем коды символов с меньшей вероятно- стью. Как было показано, после взвешенного квантования матрицы ДКП в последней преобладают числа с малыми амплитудами, и их целесообразно кодировать короткими словами. Большие амплиту- ды, характерные для левого верхнего угла матрицы, по сравнению с другими значениями коэффициентов встречаются реже, и им можно приписать символы с большим числом разрядов. Эффективность энтропийного кода Хаффмана повышается так- же за счет того, что не требуется разделителей между символами. И хотя последние имеют различную битовую длину, они декодиру- ются единственным образом. 5.2.4. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ), представляющая собой еще один из методов эффективного кодирова- ния цифрового телевизионного сигнала, в основном применяется при сокращении его временной избыточности. Как известно, в большин- стве случаев содержание двух соседних во времени телевизионных кадров мало отличается друг от друга. Отличие заключается толь- ко в положении отдельных подвижных фрагментов изображения. В основном же в этих кадрах содержится очень много одинаковых обла- стей, информацию о которых многократно передавать нецелесообраз- но. Можно ограничиться передачей значений только одного кадра, а содержание последующих, используя статистические законы, пред- сказать, т.е. вычислить на приемном конце системы. Однако как бы ни были близки по содержанию соседние кадры, как бы ни был совершенен их статистический анализ, предсказание
102 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения а) б) Рис. 5.12. Структура системы ДИКМ: а — кодер; 6— декодер; ап — текущее значение сигнала: ап — предсказанное значение сигнала; (а„ — dn) — сигнал ошибки может нести в себе ошибку. Эта ошибка для каждого элемента изо- бражения обязательно учитывается и корректируется. Только при этом условии на приемном конце системы воссоздается изображение, соответствующее оригиналу. Отсюда вытекает следующий принцип кодирования сигнала с предсказанием: передача в каждом отсчете кодированной разности между текущим истинным значением сигнала и предсказанным. Эту разность называют ошибкой предсказания. Чем точнее сделано пред- сказание, тем меньший объем данных будет содержаться в подлежа- щем передаче разностном сигнале. Логично ожидать, что этот объем будет меньше, чем в полном отсчете. Чтобы сформировать необходимый для передачи сигнал ошиб- ки предсказания, на передающем конце системы устанавливается устройство предсказания и вычитающий каскад (рис. 5.12). На при- емном конце системы исходный сигнал восстанавливается сложением предсказанного и принятого сигнала ошибки предсказания. Устрой- ства предсказания на обоих концах системы для правильного вос- становления в приемнике исходных значений сигнала должны быть одинаковыми. Предсказание, применяемое в системе, может быть организова- но различными способами и с разной степенью сложности. Однако вполне хорошие результаты по глубине достигаемой компрессии ре- ализуются весьма простым способом, когда в качестве сигнала пред- сказания используются значения предыдущего кадра. Статистические исследования показали, что свойства телевизи- онного изображения, обусловленные межкадровыми связями, в це- лом аналогичны пространственным свойствам в неподвижном изо- бражении. А коэффициенты корреляции в соседних кадрах получа- ются зачастую даже большими, чем для соседних пикселей в одном кадре [1G]. Отсюда следует вывод о целесообразности обработки раз- ностного сигнала ДИКМ рассмотренными ранее способами для вну- трикадровой обработки, к каковым относятся ДКП, взвешенное кван- тование и энтропийное кодирование. В этом случае структура систе- мы ДИКМ приобретает вид рис. 5.13 и работает следующим образом. Для первого кадра из последовательности кадров, подлежащих преобразованию, предсказание не может быть выполнено из-за отсут- ствия каких-либо априорных сведений (отсутствия предшествующих
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 103 Рис. 5.13. Структура Д1/1КМ, совмещенная с процедурами ДКП и квантова- ния: а—кодер; б—декодер ему кадров). Поэтому предсказанные значения отсчетов для первого кадра можно приравнять нулю, и тогда сигнал ошибки предсказа- ния будет представлять собой непосредственно отсчеты этого перво- го кадра. Следующее за вычитающим каскадом устройство осуще- ствляет ДКП отсчетов первого кадра, т.е. выявляет в нем простран- ственную избыточность. Дальнейшие процедуры над коэффициента- ми ДКП описаны в предыдущих разделах (взвешенное квантование и энтропийное кодирование). Компрессированный цифровой поток че- рез соответствующие устройства передачи направляется в приемное устройство (декодер), где осуществляются обратные операции. Второй и последующие кадры передаются по алгоритму ДИКМ. Для этого в кодере формируется сигнал предсказания. В качестве не- го можно использовать отсчеты предыдущего кадра. Однако следует отметить, что истинные значения предыдущего кадра, полученные в кодере, например, задержкой на время кадра, не пригодны в каче- стве предсказания. Дело в том, что предыдущий кадр, используемый в качестве предсказания в декодере, отличается от своего истинно- го значения, так как в процессе перечисленных выше преобразова- ний он реконструируется в декодере с определенной погрешностью. А поскольку предсказываемые значения на обоих концах системы должны быть одинаковы, то формирование предсказания в кодере проводится по тому же алгоритму, что и в декодере. С этой целью в петлю обратной связи кодера, где формируется предсказание, вклю- чается деквантователь и процессор обратного преобразования Фурье. Энтропийное кодирование в общем случае не вносит ошибок, а зна- чит, не влияет на формирование сигнала предсказания. Предсказа-
104 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения тель, таким образом, представляет собой задержку на время кадра отсчетов, воспроизводимых на приемном конце системы. Первый кадр рассмотренной преобразуемой последовательности кадров называется опорным. Из него устранена только простран- ственная избыточность. По сравнению с ним последующие кадры компрессированы значительно сильнее. Как следствие, они менее помехоустойчивы. Для поддержания необходимой помехоустойчиво- сти системы и сведения к минимуму возможных сбоев в ее работе в последовательность разностных сигналов ДИКМ периодически вре- заются опорные кадры. Их периодичность в стандарте MPEG со- ставляет около 0,5 с. Разностный сигнал и сигнал опорного кадра после ДКП кванту- ется по разным алгоритмам. Если для опорного кадра используется рассмотренная в п. 5.2.2 матрица квантования для внутрикадрового кодирования (см. рис. 5.9), то для разностного сигнала применяется другая, более однородная матрица. Это объясняется тем, что раз- ностный сигнал в основном несет информацию о небольших измене- ниях в отдельных фрагментах изображения (в процессе их переме- щения). И высокие частоты (коэффициенты ДКП правого нижнего угла), ответственные за детализацию изображения, столь же важ- ны, как и низкие. Конкретный вид матрицы в зависимости от сю- жета может меняться, но по умолчанию используется однородная матрица квантования с постоянным значением 16 для всех частот, включая нулевую [17]. 5.2.5. Компенсация движения в динамических изображениях Из принципа работы ДИКМ следует, что чем ближе по содержа- нию соседние кадры, тем меньше в разностном сигнале информации, а значит, тем эффективнее компрессия. Всякое изменение положе- ния отдельных фрагментов изображения в результате их собственно- го движения или перемещения передающей ТВ камеры снижает эф- фективность кодирования. Сохранить эффективность работы ДИКМ можно соответствующим анализом характера движения. Целью ана- лиза является возможность установления соответствия между пре- дыдущим по времени блоком изображения и блоком в текущем ка- дре, смещенным в пространстве на координаты Дя, Д?/. Под соответ- ствием понимается достижение максимально точного равенства ярко- стей пикселей1 некоторого блока в текущем кадре яркостям пикселей блока, найденного в предшествующем кадре: + Дх,2/+Д?/,£+At) (^’0 1 Пиксел — англоязычный синоним термина «элемент», получивший сейчас широкое распространение в технической литературе (особенно в области цифро- вой обработки изображений). В дальнейшем изложении могут использоваться оба варианта.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 105 где Ъ — яркость пикселей; At — время между сравниваемыми ка- драми. Разницу в координатах (Ат, Ат/) этих двух блоков называют век- тором движения. Нахождение вектора движения, другими слова- ми, есть определение нового положения подвижного фрагмента изо- бражения. Под компенсацией движения понимается использование в каче- стве предсказания блока из предшествующего (или последующего) кадра, но при этом смещенного в плоскости изображения на вели- чину вектора движения. Такое предсказание позволяет значительно уменьшить ошибку предсказания по сравнению с обычной ДИКМ. Это иллюстрируется рис. 5.14, где представлена последовательность из трех кадров изображения с перемещающимся серым квадратом на фоне гладкого белого фона (рис. 5.14,а). Первый кадр bi в этой последовательности является опорным. Как отмечалось, предсказание для него не делается (сигнал предска- зания равен нулю для всего изображения), и он подвергается только внутрикадровой компрессии. Предсказанием для второго кадра Ь% является реконструируемый по алгоритму ДКП и взвешенного кван- тования первый кадр bi. Ошибка предсказания для второго кадра в обычной ДИКМ равна bo — bi, для третьего кадра — соответственно 6з — &2 и т.д. Для простоты следует пренебречь небольшой разницей между истинными значениями отсчетов 61, Ьз,... и их реконстру- ируемыми значениями 81, 82, 83,.... Тогда ошибки предсказания для обычной ДИКМ будут иметь вид рис. 5.14,5, где черный фон соот- ветствует нулевым значениям, а серый — остальному множеству от- счетов. Если бы в предложенном примере движение отсутствовало, то ошибка предсказания для второго и последующих кадров равня- лась бы нулю для всего изображения. Именно такого результата для данного примера с движущимся фрагментом изображения, а не ста- тическим удается добиться в ДИКМ с компенсацией движения. В этом случае предсказание для первого (опорного) кадра, как и при обычной ДИКМ, равно нулю, а для второго и последующих ка- дров соответственно — bi(х + Arci, у+Ат/i), Ь%(х + А#2, У + &У2)♦ Здесь Axi, Ai/i, Ат2, А?/2 и т.д. — изменение координат движущегося фраг- мента (векторы движения) в последовательности кадров (рис. 5.14,в). В результате ошибка предсказания для приведенного примера с по- движным фрагментом изображения в ДИКМ с компенсацией движе- ния обращается в нуль для всего множества отсчетов изображения (рис. 5.14,г), что иллюстрирует более эффективную компрессию. При реализации компрессии с компенсацией движения сигнал ошибки предсказания должен дополняться передачей данных о век- торах движения. Последние, так же как и коэффициенты ДКП, ком- прессируются использованием кодов переменной длины. Абсолютное равенство в (5.7) может быть достигнуто только при
106 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения bi Рис. 5.14. Сравнение обычной ДИКМ и ДИКМ с компенсацией движения: а — исходная последовательность изображений; 6— ошибка предсказания при обычной ДИКМ; в— предсказание с учетом вектора движения; г—ошибка пред- сказания с компенсацией движения выполнении следующих условий [16]: движение объекта в изображе- нии исчерпывается только плоскопараллельным перемещением, его яркость постоянна, градиент яркости фона равен нулю, и все объек- ты в блоке движутся с постоянной скоростью. Именно этим условиям отвечает пример изображения, приведенный на рис. 5.14, и соответ- ственно предельно достижимый результат компрессии (сигнал ошиб- ки в системе с компенсацией движения равен нулю). Нарушение пе-
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 107 речисленных выше условий уменьшает эффективность компрессии. К возможным факторам, влияющим на эффективность кодиро- вания, следует отнести и осложнения глобального порядка, когда происходит резкое изменение сюжета (например, при коммутации од- новременно работающих камер). При этом изменения в изображении охватывают все пространство в кадре, и блоков, соответствующих друг другу с удовлетворительной точностью, в смежных кадрах не существует. Эффективность компрессии в таких экстремальных слу- чаях может снижаться настолько, что целесообразно отказываться от процедуры ДИКМ, и для таких изображений данные передавать только на основе внутрикадровой компрессии. Решение о замене спо- соба кодирования должно приниматься в кодере автоматически, пу- тем оперативного анализа возможных результатов компрессии. Самым трудоемким при реализации алгоритма компенсации дви- жения является согласование блоков, т.е. нахождение блоков в разных кадрах, наилучшим образом соответствующих условию (5.7). Для этого текущий блок сравнивается со всеми блоками предыдущего ка- дра в пределах некоторой области поиска: ±128 шагов (пикселей) при точности определения вектора движения в один пиксель или ±64 шага при точности 1/2 пикселя. Стандарт не ограничивает методы согласования, но наиболее точным принято считать так называемый полный поиск (full search), который сводится к расчету ошибки предсказания для всех возмож- ных векторов и определению положения (т.е. нахождения Дт и Д?/) блока с минимальной ошибкой (например, по среднеквадратическому отклонению для всех отсчетов блока). Существуют и другие методы, отличающиеся большей скоростью определения векторов движения, но несколько меньшей точностью. К ним, в частности, относятся логарифмический и телескопический методы [16, 17]. На рис. 5.15 приведена структурная схема эффективного кодиро- вания, в котором сочетаются методы внутрикадровой и межкадровой компрессии с компенсацией движения. Эта схема в значительной степени упрощена, отражая последовательность выполнения толь- ко самых основных преобразований. От структурной схемы обыч- ной ДИКМ она отличается, во-первых, наличием устройства, про- изводящего оценку движения и определяющего вектора движения подвижных фрагментов. Во-вторых, предсказатель в этой системе — не просто память для хранения предшествующих кадров, как это было в обычной ДИКМ рис. 5.13. Это — устройство, которое при формировании предсказания отыскивает из всего массива данных, находящихся в его памяти, блок, согласованный с блоком текуще- го кадра. Для этого в предсказатель заводятся данные о векторах движения. Последние, как уже отмечалось, подвергаются энтропий- ному кодированию и мультиплексируются в общий цифровой поток с коэффициентами ДКП.
108 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения а) б) Рис. 5.15. Структурная схема эффективного кодирования на основе ДИКМ с компенсацией движения: а — кодер; 6 — декодер Кроме того, в устройствах компрессии, предназначенных для ра- боты в системах распределения сигналов телевизионного вещания, требуется включение буферной памяти. Ее необходимость объясня- ется следующими обстоятельствами. В зависимости от детальности движения и характера передаваемого движения в существенной сте- пени может меняться скорость цифрового потока на выходе блока кодирования с переменной длиной. При возрастании в изображении уровня высокочастотных компонентов, при быстро меняющихся сю- жетах скорость потока данных на выходе компрессора возрастает. Это возрастание может приводить к превышению возможностей ка- нала передачи по его пропускной способности. Ограничение скорости кодированного цифрового потока осуществляется реализацией обрат- ной связи, в которую включена буферная память и квантователь.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 109 В буферную память записываются цифровые данные с перемен- ной в зависимости от сюжета скоростью. Считывание из нее про- изводится с фиксированной скоростью, согласованной с пропускной способностью канала. При возможном переполнении буфера кванто- ватель с помощью обратной связи переводится в режим квантования с меньшим числом уровней (меняется матрица квантования). Как следствие, уменьшаются по амплитуде квантованные значения от- счетов, возрастает число их нулевых значений, и скорость цифрового потока после энтропийного кодирования уменьшается. В результа- те благодаря действию обратной связи степень заполнения буферной памяти в среднем поддерживается постоянной. Конечно, изменение масштаба квантования в зависимости от содержания изображения от- ражается на качестве воспроизводимого изображения. В частности, изменяется уровень шумов квантования. 5.2.6» Типы изображений При межкадровом кодировании, основанном на временной избы- точности, возможны различные способы предсказания. В зависимо- сти от этого изображения в своей временной последовательности под- разделяются на следующие типы: • I (intra) — изображения, играющие роль опорных при восста- новлении других изображений. Предсказание для них не фор- мируется; • Р (predicted) — изображения, кодируемые с предсказанием на основе предыдущего I или Р изображения; • В (bidirectionaly predicted) — изображения, кодируемые путем двунаправленного предсказания на основе предыдущего и после- дующего изображений типа I или Р. Изображения объединяются в группы (GOP — Group of Pictures), представляющие собой повторяемые серии из последовательности изображений. Типичной является группа, содержащая двенадцать изображений (рис. 5.16). Буквами на рисунке обозначается их тип, а цифрами 0, 1, 2,... — порядок поступления этих изображений на вход компрессора: (То, Bi, В2. Рз, В4. В5, Рб, В7, В8, Р9, Вю, Ви), (Т12, В1з, В14,...), .... Порядок их обработки и передачи несколько отличается: То, В3, Вь В2, Ре, В4, В5, Р9, В7, В8,Т12, Вю, Вц, Рю,- • • Начинается группа с изображения типа Т, которое кодируется независимо от других и подвергается только виутрикадровой ком- прессии. Это изображение станет опорным для всех остальных один- надцати изображений. Затем кодируется и передается кадр Р3. Он подвергается процедуре ДИКМ с компенсацией движения и предска- занием на основе первого кадра Tq. Очевидно, что глубина компрес- сии этого изображения больше, поскольку здесь сокращена и про- странственная, и временная избыточность. Затем кодируются кадры Bi н /?2 путем двунаправленного предсказания в виде полусуммы < мешенных фрагментов в кадрах То и Р3. Именно потому, что при
по ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения GOP Рис. 5.16. Группа из двенадцати изображений: I — изображения с внутрикадровым кодированием; Р— изображения с предсказани- ем по предыдущему I или Р изображению; В — изображения с пред- сказанием по предыдущему и последующему I или Р изображениям их декодировании на приемном конце системы потребуются кадры /0 и Р3, изменен порядок их передачи: кадры 1д и Рз передаются раньше, чем Pi и Р^. Изображения типа В компрессированы наиболее глубоко. Если Р кадры требуют для своей передачи в три раза меньше битов, чем I кадры, то в В изображениях число битов для большинства сюже- тов в 2-5 раз меньше, чем в Р. Как следствие, страдает помехо- устойчивость В кадров. Поэтому для защиты от возможных оши- бок изображения В не используются для предсказания никаких дру- гих изображений. Дальнейший порядок кодирования и передачи изображений в группе аналогичен описанному выше: Рд предсказывается на осно- ве Рз; Рд — на основе Ре; В^, В5 — на основе Рз и Р6; В7 и В8 — на основе Pq и Рд и т.д. В заключение следует отметить, что к какому бы типу не от- носились изображения, передаваемые с предсказанием, внутри них могут находиться фрагменты, которые целесообразно кодировать по другому типу: например, в изображениях Р или В типа могут быть макроблоки I типа. Решение о способе предсказания принимают- ся кодером в зависимости от содержания изображения, влияющего на степень «экономии» в передаче данных различными способами. Если эта «экономия» оказывается незначительной, то предпочтение отдается более точному кодированию по алгоритму обработки I изо- бражения [17, 18]. 5.3. Цифровая фильтрация телевизионного сигнала Одной из важных особенностей цифрового сигнала является воз- можность различных преобразований над ним, что позволяет во мно- гих случаях улучшить качество изображения, обогатить технологию ТВ вещания, сделать более надежным и простым в эксплуатации обо- рудование. Конечно, и в аналоговом телевидении, как будет видно из дальнейших разделов, осуществляется разнообразная обработка
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 111 Рис. 5.17. Структурная схема устройства цифровой обработки ТВ сигнала сигнала. Однако цифровые методы во многих случаях имеют пре- имущества в точности, простоте алгоритма преобразования, в ком- пактности оборудования. Рассмотрим обобщенную структурную схему устройства обра- ботки ТВ сигнала (рис. 5.17). В АЦП производятся известные опе- рации дискретизации, квантования и кодирования. Скорость цифро- вого потока ИКМ сигнала может быть весьма значительна, и для того, чтобы процессор, осуществляющий обработку сигнала, позво- лял работать в реальном масштабе времени, этот поток обычно рас- пределяют на несколько параллельных каналов. В каждом из них тактовая частота ниже тактовой частоты преобразованного в АЦП сигнала в соответствии с числом каналов. Операция распараллели- вания цифрового потока выполняется в демультиплексоре ДМ. Про- цессор состоит из запоминающего устройства ЗУ, арифметического устройства АУ и устройства управления УУ, согласующего работу составных частей процессора. Арифметическое устройство, упра- вляясь по заданной программе УУ, реализует совместно с ЗУ за- данный алгоритм обработки, другими словами, выполняет цифровую фильтрацию сигнала. Совокупность ЗУ и УУ обеспечивает требуе- мые временные преобразования сигнала. Эти преобразования связа- ны с требованием согласования во времени поступающего входного сигнала с процессом обработки, с необходимостью устранения вре- менных искажений во входном сигнале, с разнообразными задачами, возникающими при создании спецэффектов, синхронизации источни- ков сигнала и пр. Сигналы, снимаемые с параллельных каналов процессора, объединяются в один цифровой поток в мультиплексоре М. При необходимости обратного преобразования цифрового сигна- ла в аналоговый после мультиплексора включают цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Как таковая, цифровая фильтрация осуществляется в устрой- стве, объединяющем в себе функции памяти отдельных отсчетов сиг- нала и логических элементов, в которых выполняются арифметиче- ские операции над этими отсчетами. Эту совокупность устройств называют цифровыми фильтрами. Сама же фильтрация сводит- ся к преобразованию последовательности отсчетов входного сигнала то, .Т1, .т-2, --, в последовательность отсчетов выходного сигна- ла //о, .71, 2/2>- ♦ •, Ут в соответствии с выбранным алгоритмом пре- образования.
112 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения з) б) Рис. 5.18. Цифровые фильтры: а — нерекурсивный; б— рекурсивный От аналоговой фильтрации цифровая фильтрация сигнала от- личается лишь способом физической реализации. К достоинствам цифровой фильтрации относятся: высокая временная и температур- ная стабильность характеристик, простота перестройки фильтра из- менением частоты дискретизации, возможность повторения фильтра с идентичными параметрами. Однако не во всех случаях техническая реализация цифровых фильтров проще аналоговых: кроме того, ци- фровая фильтрация может сопровождаться проявлением в изобра- жении шумов квантования. Различают рекурсивные (с обратной связью) и нерекурсивные (без обратной связи) цифровые фильтры. При нерекурсивной фильтра- ции (рис. 5.18,с) выходной сигнал в любой момент определяется как сумма взвешенных предшествующих значений входного сигнала х^ .т / _ 1, т _ 2 ? • • • • yi — a^Xi + ayXi-i + azXi-2 + ... + amxi^mi где c0, c.j, ^2,..., am — коэффициенты передачи. Более сложную структуру имеет рекурсивный фильтр (рис. 5.18,6). В нем выходной сигнал является функцией предшествующих значений как входного, так и выходного сигнала: Vi ~ o.qXi + a^Xi-i + ... + amXi-m 4- + ••• + bnyi-m.
ГЛАВА 5. Основы цифрового телевидения 113 Символ г"1 обозначает оператор задержки сигнала на один пери- од дискретизации. Процесс фильтрации сводится к операциям умножения и сложе- ния. выполняемым с задержанными отсчетами сигнала с помощью АУ и ЗУ. По заданной программе арифметическое устройство умно- жает отсчеты сигнала па весовые коэффициенты и суммирует их. За- поминающее устройство используется для хранения отсчетов сигна- лов, весовых коэффициентов, интервалов временного сдвига, а также команд программы обработки, управляющих АУ и ЗУ. Цифровая фильтрация во многих случаях помогает улучшить исходные параметры искаженного ТВ изображения, избирательно подавляет шумовые составляющие в сигнале, эффективно коррек- тирует апертурные искажения. Примеры использования цифровой фильтрации для улучшения качества ТВ изображения даются в со- ответствующих разделах учебника. 5.4. Временные преобразования цифровых сигналов Временными преобразованиями называют такие преобразования над сигналом, при которых меняется положение на оси времени дис- кретных отсчетов этого сигнала при сохранении их амплитудных значений. Наряду с цифровой фильтрацией временные преобразо- вания имеют значительное распространение в вещательном телеви- дении. Так, широкое применение временные преобразования полу- чили при коррекции временных искажений, возникающих в процессе воспроизведения изображений в видеомагнитофонах. На основе вре- менных преобразований строятся современные синхронизаторы ис- точников сигналов, цифровые преобразователи телевизионных стан- дартов, устройства видеоэффектов, системы с компонентной переда- чей или записью сигналов цветного телевидения и др. Все эти вопро- сы рассматриваются в соответствующих разделах учебника. Здесь же целесообразно отметить только характерные особенности тех или иных преобразований. Временные преобразования цифрового сигнала реализуются в устройстве цифровой обработки сигнала путем записи этого сигна- ла в ЗУ и выборкой отдельных его значений из ЗУ в соответствии с заданным алгоритмом преобразования. В результате сигнал будет перенесен в необходимую временную область. При этом возможно временные преобразования классифицировать на два вида: без из- менения частотного спектра или небольшим его изменением и с за- метным влиянием на спектр [19]. К первому виду можно отнести корректоры временных искаже- нии и телевизионные синхронизаторы источников сигнала. В этих устройствах время записи и время считывания строк изображения
114 ЧАСТЬ I. Физические основы телевидения не отличаются или отличаются очень мало. Во втором виде преобра- зований (характерном для систем с временным уплотнением сигна- лов яркости и цветности, для устройств видеоэффектов, в какой- то степени для преобразователей стандартов) эти интервалы вре- мени могут значительно отличаться, что и приводит к изменению частотного спектра. Принципиально временные преобразования отличаются друг от друга алгоритмом обращения к запоминающему устройству, кото- рый в свою очередь определяется задачей преобразования. Алгоритм преобразования обусловливает емкость запоминающего устройства. Структура и объем ЗУ значительно усложняются при несинхронных процессах записи и считывания. В цифровых устройствах временного преобразования применя- ют цифровые ЗУ двух типов — с последовательным и произволь- ным доступом. При использовании ЗУ с последовательным досту- пом запись и считывание происходят последовательно и отсутствует возможность изменения порядка записи и считывания информации. Для разделения процессов записи и считывания приходится в та- ких устройствах увеличивать емкость ЗУ в 2-3 раза по отношению к информационному объему преобразуемого фрагмента сигнала. За- поминающие устройства с произвольным доступом позволяют обхо- диться меньшей емкостью, поскольку в них реализуется считывание записанной в них информации по любому заданному адресу. При- мером такого ЗУ может служить запоминающее устройство в теле- визионном синхронизаторе (см. гл. 9), в котором процессы записи и считывания разделяются во времени путем регулируемой задержки входного преобразуемого сигнала в зависимости от моментов считы- вания выходного сигнала. При временных преобразованиях с изменением спектра сигна- ла процедура преобразования состоит в изменении параметров дис- кретизации исходного сигнала, т.е. в изменении числа дискретных значений, которыми представляется данный сигнал. Например, при реализации видеоэффектов, связанных с изменением масштаба изо- бражения, исходный дискретный сигнал должен быть преобразован в выходной с другим шагом дискретизации. Интервалы дискретизации во входном и выходном сигналах из- меняют в зависимости от изменения масштаба изображения. При от- сутствии отсчетов входного сигнала в точках расположения отсчетов выходного сигнала их или заменяют ближайшими входными отсчета- ми (если ошибка незаметна), или подвергают входной сигнал цифро- вой фильтрации, восстанавливающей его значения в точках вторич- ной дискретизации (например, выполнением интерполяции соседних элементов входного сигнала).
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СВЕТ-СИГНАЛ И СИГНАЛ-СВЕТ Глава 6 ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТ-СИГНАЛ 6.1. Датчики телевизионных сигналов и их характеристики Преобразователи оптических изображений в электрические сиг- налы — датчики ТВ сигнала — преобразуют световую энергию, от- раженную от объекта и спроецированную на фоточувствительную поверхность преобразователя, в последовательность электрических сигналов с определенными параметрами, обеспечивающими обратное преобразование. Яркость спроецированного на фоточувствительную поверхность оптического изображения является функцией не толь- ко времени i, но и координат х, у в горизонтальном и вертикальном направлениях. Поэтому датчик ТВ сигнала должен обладать спо- собностью преобразовывать значения яркостей отдельных элементов изображения в электрический заряд. Для последовательного считы- вания ТВ сигнала от отдельных элементов изображения в преобразо- вателе одновременно с фотопроцессом осуществляется процесс раз- вертки изображения. Закон развертки является одним из основных параметров ТВ сигнала, обеспечивающих возможность его преобра- зования в телевизионное изображение, Датчики ТВ сигнала могут быть построены с использованием оптико-механических систем развертки, систем бегущего луча, в ко- торых развертка осуществляется бегущим световым лучом, элект- ронно-лучевых трубок и твердотельных фотоэлектрических преобра- зователей (ФЭП). Оптико-механические системы используются в фо- тотелеграфии и при передаче неподвижных изображений. Системы бегущего светового луча применяются в ТВ устройствах прикладно- го назначения, объекты передачи которых могут быть изолированы <S’;
116 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей от внешнего источника света. В современной телевизионной техни- ке оптические изображения преобразуются в ТВ сигналы с помощью электронно-лучевых передающих трубок и твердотельных ФЭП. Качество ТВ изображения во многом определяется характери- стиками фотоэлектрических преобразователей оптических изобра- жений: чувствительностью, разрешающей способностью, световой и спектральной характеристиками, инерционностью. Чувствительность передающей трубки — величина, обратная освещенности фоточувствительной поверхности преобразователя, не- обходимой для получения ТВ сигнала с заданным соотношением сиг- нал/шум. В инженерной практике чувствительность фотоэлектри- ческих преобразователей оценивают по минимальной освещенности фоточувствительной поверхности (в люксах). Разрешающая способность фотоэлектрического преобразователя характеризует свойство генерировать ТВ сигнал от мелких деталей изображения. О разрешающей способности можно судить по апертур- ной характеристике фотоэлектрического преобразователя, которая определяет связь между глубиной модуляции генерируемого сигнала и размерами передаваемой детали изображения. Световая характеристика — зависимость тока сигнала на выходе преобразователя от освещенности его фоточувствительной поверхно- сти гс — f(E). Она позволяет судить об интервале освещенности, в котором способен работать данный фотопреобразователь. Спектральная характеристика преобразователя ic = /(А) — за- висимость ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фото- чувствительную поверхность равноинтенсивного излучения. Требо- вания к спектральной характеристике преобразователя определяют- ся конкретным его назначением. При использовании преобразова- теля в прикладных ТВ системах область его спектральной чувстви- тельности может выходить за пределы видимого глазом спектраль- ного интервала длин волн. Если преобразователь используется в камерах вещательного телевидения, его спектральная чувствитель- ность должна соответствовать спектральным свойствам зрительно- го аппарата человека. Инерционность — параметр, характеризующий запаздывание из- менения ТВ сигнала на выходе ФЭП относительно изменения осве- щенности его фоточувствительной поверхности. Проявляется она на изображении в виде тянущегося следа и размывания границ дви- жущихся объектов передачи. Инерционность оценивается значени- ем остаточного сигнала относительно его максимального значения в процентах спустя кадр после прекращения экспозиции. Рассмоз’ренные характеристики позволяют выбрать ФЭП при проектировании конкретных ТВ систем. Они определяются прин- ципом построения ФЭП, их конструктивными особенностями, а так- же типами фоточувствительных поверхностей, являющихся входным
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 117 элементом ФЭП. Работа фотонувствительных поверхностей основы- вается на использовании внешнего и внутреннего фотоэффектов, в основе которых лежит способность световых лучей освобождать в каком-либо веществе электроны. При внешнем фотоэффекте освобо- жденные электроны покидают облученное светом вещество, вылетая в свободное пространство (фотоэлектронная эмиссия). При внутрен- нем фотоэффекте освобожденные светом электроны остаются внутри твердого тела, изменяя его проводимость (фотопроводимость). В телевизионных передающих камерах вещательного назначения преобразование свет-сигнал осуществляется электронно-лучевыми трубками видиконного типа либо их твердотельными аналогами — матрицами ПЗС, позволяющими существенно сократить габариты и массу телевизионной камеры. 6.2. Видикон Общие сведения. Идея создания передающей трубки с фото- проводящей мишенью принадлежит А.А. Чернышову, который вы- сказал ее в 1925 г. Однако первые эксплуатационные образцы таких трубок появились лишь в 1950 г., после того как были разработаны и технологически освоены малоинерционные полупроводниковые фото- чувствительные слои, изменяющие электрическую проводимость под действием падающего светового потока. Это изменение проводимости происходит в результате увеличения энергии отдельных электронов вещества за счет поглощения энергии излучения и нарушения связи этих электронов с ядром своего атома. При этом электроны не по- кидают вещество, как при внешнем фотоэффекте, а остаются внутри него, переходя из заполненной зоны в зону проводимости, в резуль- тате чего значительно изменяется сопротивление вещества. Возбу- жденный светом электрон спустя некоторое время рекомбинирует — возвращается в заполненную зону, скорость рекомбинации возрастает по мере увеличения концентрации фотогенерированных электронов. Поскольку скорость генерации носителей постоянна при неизменном потоке излучения, а скорость рекомбинации возрастает, через опреде- ленные промежутки времени интенсивность рекомбинации становит- ся равной интенсивности генерации новых фотоэлектронов. Насту- пает равновесное состояние, характеризующееся стационарным зна- чением проводимости. При прекращении освещения носители тока рекомбинируют не мгновенно, поэтому фотопроводимость сохраня- ется еще спустя некоторое время. Это означает, что нарастание и спад фотопроводимости происходят не мгновенно, а являются про- цессами инерционными. Инерционность фотопроводника зависит от его химического со- става, конструкции, а также от значения воздействующего иа фо- то проводи и к светового потока. Фототок i, обусловленный внешним
118 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей фотоэффектом, связан с освещенностью Е: i = кЕ0, где к— коэффициент пропорциональности: /3 — величина, зависящая от химического состава и конструкции фотопроводника, ее значение обычно лежит в пределах 0,5...1. Фототок при внутреннем фотоэффекте зависит от спектрально- го состава воздействующего излучения. Энергия светового излучения hv должна быть достаточной для перевода электрона из заполненной зоны в зопу проводимости. Длина волны, при которой начинается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. По мере уменьшения длин волн и соответственно увеличения hv излучение воздействует на все большее число электронов заполненной зоны, и фотоэффект усиливается. Конкретные спектральные характери- стики фотопроводящих мишеней определяются свойствами вещества слоя и конструктивными особенностями фотомишени. Конструкция и принцип действия. Видикон отличается про- стотой конструкции, небольшими размерами и массой и является вы- соконадежной и дешевой передающей трубкой. Трубки типа видикон (рис. 6.1,а) содержат два основных узла: фотомишень и электрон- ный прожектор, создающий коммутирующий пучок. Фотомишень 1 состоит из фотослоя и сигнальной пластины. Последняя предста- вляет собой тонкий проводящий прозрачный слой золота, платины или окиси олова, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянной пластины (планшайбы). Прозрачность сигнальной пластины превы- шает 90 %. Поверхностное сопротивление 200 Ом-см. Выводом сиг- нальной пластины служит металлическое кольцо, вваренное между планшайбой и колбой трубки. На сигнальную пластину испарени- ем в вакууме нанесен фотослой толщиной 1...3 мкм из материала, обладающего фотопроводимостью, в качестве которого используют- ся соединения сурьмы, селена, мышьяка, серы. Материал, из кото- рого изготовлена мишень, а также его толщина определяют чувстви- тельность, спектральную характеристику и инерционность видикона. Поэтому выбор материала полупроводника зависит от тех характе- ристик, которыми должен обладать конкретный тип видикона, т.е. от назначения цередающей трубки. Электронно-оптическая система видикона содержит электрон- ный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку 6, поме- щенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подо- гревного катода 5, управляющего электрода 3, первого 4 и второго 5 анодов. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча. Потенциал выравнивающей сетки 6 в 1,5-2 раза превышает напряже- ние второго анода, что обеспечивает подход электронов ко всей по- верхности фотомишени под прямым углом. Это позволяет иметь рав- номерную фокусировку луча и одинаковый исходный потенциал на
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 119 Рис. 6.1. Видикон: а — устройство трубки; б— эквивалентная схема мишени всей поверхности мишени, что является одним из условий получения равномерного сигнала по полю изображения. Фокусировка, отклоне- ние и коррекция траектории развертывающего луча осуществляются внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей ФК, отклоняющих ОК и корректирующих КК катушек. Процесс образования сигнала изображения в видиконе может быть пояснен с помощью его эквивалентной схемы (рис. 6.1,6). На этой схеме каждый элементарный участок фотопроводящей мишени представлен в виде емкости Сэ, конденсатора, образованного элемен- тами сигнальной пластины и правой стороны мишени. Емкость шун- тирована резистором, сопротивление R3 которого изменяется в зави- симости от освещенности этого участка. При проекции на мишень трубки оптического изображения распределение освещенности на ее поверхности вызовет соответствующее распределение сопротивлений, т.е. рельефу освещенности мишени будет соответствовать рельеф со- противлений. Темновое удельное сопротивление фотопроводника мо- жет быть очень велико (порядка 1012 Ом-см). При максимальном освещении сопротивление мишени уменьшается примерно в 100 раз. При «развертке» фотомишени коммутирующим (считывающим) лучом ее поверхность приобретает потенциал, определяемый режи- мом бомбардировки мишени. Трубка может работать в режиме ме- дленных и быстрых электронов. Чаще используется режим медлен- ных электронов. В режиме развертки медленными электронами по- тенциал правой стороны фотомишени приобретает в момент коммута- ции потенциал катода. Потенциал сигнальной пластины поддержива- ется постоянным, поэтому «под лучом» элементарные конденсаторы Сэ заряжаются до напряжения Ucn. При проекции на мишень опти- ческого изображения сопротивления R3 шунтирующие элементарные конденсаторы Сэ изменяются, так как R3 = f(E3), где Е3 — освещен- ность элементарного участка. При этом наиболее освещенным эле- ментам мишени соответствует наименьшее сопротивление и, наобо-
120 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей рот, темным участкам мишени — наибольшее сопротивление. В пери- од между двумя коммутациями (длительность кадра) конденсаторы Сэ разряжаются через резистор ГС, с постоянной времени тр = C3R3. Чем сильнее освещен участок мишени, тем меньше и быстрее раз- ряжается Сэ. При этом потенциал обкладок конденсаторов Сэ, обра- щенных к лучу, увеличивается, приближаясь в пределе (в наиболее освещенных участках мишени) к потенциалу сигнальной пластины. На неосвещенных участках мишени он остается практически равным нулю. Таким образом, на поверхности мишени, обращенной к лучу, создается потенциальный рельеф — распределение потенциалов, со- ответствующее распределению освещенности по поверхности мишени. Телевизионный сигнал образуется при последовательном прохо- ждении (коммутации) участков поверхности мишени электронным лучом, выравнивающим потенциальный рельеф, образовавшийся на правой стороне мишени. При этом на освещенных участках мишени, имеющих более положительный потенциал, осаждается значитель- ная часть электронов. А от неосвещенных участков поверхности ми- шени, потенциал которых примерно равен нулю, электронный луч, отразившись, возвращается обратно. Выравнивание потенциального рельефа приводит к дозаряду элементарных конденсаторов Сэ. При- чем ток дозаряда протекает в цепи сигнальной пластины через RH и Сэ в направлении, указанном стрелкой (см. рис. 6.1,6), и являет- ся током сигнала. Освещенным, слабо освещенным и неосвещенным участкам мишени будут соответствовать разные токи дозаряда, кото- рые, протекая через RH, при последовательной коммутации участков мишени электронным лучом, образуют сигнал изображения. Характеристики видикона. Спектральная характеристика видикона определяется свойствами фотомишени. Имеются видико- ны, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолето- вому и рентгеновскому излучениям. Спектральные характеристики некоторых типов видиконов изображены на рис. 6.2. Здесь S(A) — спектральная чувствительность трубки, определяемая как отноше- ние тока сигнала гс(Л) к его максимальному значению гс(Л)тах. Световая характеристика видикона определяется зависимостью фотопроводимости мишени от ее освещенности: R — f(E) и зарядом элементарного конденсатора Сэ. Заряд при прочих равных услови- ях зависит от напряжения на сигнальной пластине /7СП, в связи с чем световые характеристики видикона обычно приводят для раз- личных значений Ucn (рис. 6.3). Приведенные на рис. 6.3 характе- ристики соответствуют максимальной чувствительности (при Z7Cni)? средней чувствительности (С/Сп2) и минимальной чувствительности, обычно используемой в телекинопроекции (С/спз)- И3 рисунка следу- ет, что зависимость ic — f(E) для трубки видикон нелинейна, причем нелинейность различна для различных напряжений на сигнальной пластине. В приведенном примере у изменяется в пределах 0,6...0,8.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал 121 Рис. 6.2. Спектральные ха- рактеристики видиконов: 1 — ЛИ-421; 2 — ЛИ-418; 3 — ЛИ-426 Рис. 6.3. Световые характеристи- ки видикона ЛИ -415 при различ- ных напряжениях на сигнальной пластине (C7cni > Ucn2 > Ucn3) Световая характеристика видикона мало зависит от характера рас- пределения освещенности на мишени и позволяет обеспечить высо- кий контраст изображения. Передача информации о средней яркости. При коммутации мишени медленными электронами видикон воспроизводит информа- цию о средней яркости изображения, так как уровень сигнала во вре- мя обратного хода луча соответствует уровню черного. Действитель- но, от неосвещенных участков мишени (при темновом сопротивлении элемента R^T = оо) луч возвращается обратно и в цепи сигнальной пластины ток отсутствует. То же происходит, когда электронный луч заперт гасящим импульсом. Практически R3T оо, и конденсатор Сэ при отсутствии света также несколько разряжается. Электрон- ный луч в момент коммутации компенсирует этот разряд и создает темновой ток, в результате чего уровень сигнала от черных мест изо- бражения (уровень черного) несколько отличается от уровня гася- щих импульсов. Темновой ток увеличивается с ростом напряжения на сигнальной пластине и может быть неодинаков для разных участ- ков мишени. Поэтому при выборе режима работы трубки стремятся к обеспечению минимального темнового тока, что увеличивает рав- номерность ТВ сигнала в целом. Полярность сигнала, генерируемого видиконом в режиме ком- мутации медленными электронами, отрицательна, так как наиболее освещенным участкам фотомишени соответствует максимальный ток сигнала, который, протекая по нагрузке RH (см. рис. 6.1,6), понижает потенциал точки Л, с которой снимается сигнал изображения. Зна- чит, увеличению освещенности соответствует уменьшение потенциа- ла точки А, т.е. полярность сигнала отрицательна. Разрешающая способность видикона характеризуется его апер- турной характеристикой, которая определяется структурой, разме- рами и конечным значением поверхностной проводимости фотомише- ни. а также сечением коммутирующего (считывающего) луча. При (•(пдаипи трубки основная задача состояла в получении наименьше-
122 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 6.4. Апертурная характеристика види- кона ЛИ-421 го диаметра сечения луча с требуемой плотностью тока. Так, при размере рабочего участка мишени 9,5x12,5 мм диаметр сечения лу- ча не должен превышать 15 мкм при токе луча 0,5 мкА. Слож- ность технической реализации этих требований заставила разработ- чиков на определенном этапе развития техники ТВ передающих при- боров для увеличения разрешающей способности видикона увеличи- вать диаметр его мишени до 40 мм. Дальнейшее совершенствова- ние электронно-оптической системы видикона, установление жест- ких допусков на изготовление и сборку отдельных деталей и все- го электронно-оптического узла в целом решило задачу повышения удельного разрешения трубки. Так, апертурная характеристика од- ного из видиконов, рекомендованных разработчиками для ТВ веща- ния (рис. 6.4), показывает, что на отметке 600 строк видикон обеспе- чивает глубину модуляции сигнала изображения 20 %. Высокое качество изображения обеспечивается при освещенно- сти мишени трубки видикон в пределах 1...10 лк, что соответству- ет максимальной и средней его чувствительности. Увеличение осве- щенности фотомишени желательно также для уменьшения инерци- онности трубки. Инерционность видикона является его недостатком, который проявляется при передаче движущихся объектов в виде тя- нущегося за ним следа, размазывания контуров, потери четкости и снижения контраста. Обычно инерционность оценивается отношени- ем (в процентах) остаточного сигнала спустя кадр после прекращения экспозиции к сигналу во время экспозиции. Различают фотоэлектри- ческую и коммутационную составляющие инерционности. Фотоэлектрическая составляющая инерционности обусловлена физическими процессами в фотомишени. Она зависит от материа- ла применяемого фотопроводника, количества примеси в нем, техно- логии изготовления и уровня освещенности. Коммутационная соста- вляющая инерционности обусловлена недостаточным значением тока электронного пучка, в результате чего потенциальный рельеф фото- мишени не успевает выравниваться за один цикл развертки. Умень- шить коммутационную составляющую можно только уменьшением емкости Сэ элементарного конденсатора, так как увеличение тока луча приводит к ухудшению разрешающей способности трубки вслед-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 123 ствие увеличения диаметра сечения считывающего пучка. Инерци- онность может быть существенно уменьшена при увеличении осве- щенности мишени. К достоинствам видикона следует отнести высокую чувствитель- ность, способность к передаче информации о постоянной составляю- щей, отсутствие искажений сигнала изображения, связанных с эф- фектом перераспределения электронов. Промышленностью выпускается около тридцати модификаций передающих трубок типа видикон с размерами диаметра колбы 13,6; 26,7; 30,4; 38,4 мм, которые благодаря простоте коммутации, малым габаритам и высоким эксплуатационно-техническим параметрам ши- роко применяются в прикладных телевизионных системах различно- го назначения, а также используются в ТВ вещании для передачи ки- нофильмов, где возможность обеспечения высокой освещенности по- зволяет преодолеть основной недостаток видикона— инерционность. 6.3. Плюмбикон1 Широкому использованию видикона в аппаратуре вещательного телевидения препятствует большая инерционность, значение которой складывается из коммутационной и фотоэлектрической составляю- щих. Уменьшение фотоэлектрической составляющей инерционности может быть достигнуто путем использования в качестве материала мишени веществ, обладающих низкой концентрацией ловушек, и со- здания режима работы, обеспечивающего прохождение носителей то- ка без рекомбинации. Для уменьшения коммутационной составля- ющей инерционности, связанной с конечным временем перезарядки элементарного конденсатора мишени Сэ, стремятся уменьшить его емкость путем изменения геометрических параметров мишени, что приводит к уменьшению времени дозаряда этого конденсатора. Однако уменьшение емкости конденсатора Сэ приводит одновре- менно к уменьшению постоянной времени его разряда т = C3Rb и для сильно освещенных участков изображения, соответствующих малым сопротивлениям Яэ, постоянная времени разряда может оказаться меньше длительности кадра, что приведет к неполному использо- ванию эффекта накопления. Следовательно, уменьшение емкости участка мишени должно сопровождаться одновременным увеличе- нием сопротивления R3. При этом необходимо позаботиться о со- хранении потенциального рельефа, определяемого отношениями мак- симального и минимального значений элементарных сопротивлений, т.е. соответственно этому изменить свойства мишени. Разумеется, из- менение свойств мишени не должно сопровождаться увеличением фо- 1 Плюмбикон — название трубки с фотодиодной мишенью из окиси свин- ца (фирмы «Филлипс», Нидерланды). Название аналогичной трубки, выпуска- емой в России, — глетикон.
124 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 6.5. Плюмбикон: а — устройство мишени; б — эквивалентная схема мишени тоэлектрической составляющей инерционности. Упомянутые усло- вия выполняются при замене фоторезистивной мишени мишенью фо- тодиодного типа, имеющей электронно-дырочный p-i-n-переход. Это обеспечивает малую инерционность фотоэффекта, высокое темновое сопротивление и близкую к линейной световую характеристику. Мишень плюмбикоиа состоит из трех слоев и схематически изо- бражена на рис. 6.5,с. Тонкая прозрачная сигнальная пластина 3 нанесена на стеклянную планшайбу 2 с внутренней стороны баллона трубки и служит для вывода сигнала. На сигнальную пластину как на подложку нанесен также тонкий прозрачный слой полупроводника 4 с проводимостью типа п. Далее идет слой 5, обладающий собствен- ной проводимостью (типа г) и образующий основную толщину мише- ни. Затем на поверхности мишени с помощью специальной обработки создается слой 6 с проводимостью типа р. Слой 6 с проводимостью р так же, как слой 4 с проводимостью п, получают легированием основ- ного слоя 5. Слой 6 должен обладать более высокой, чем слой 5, про- водимостью и быть достаточно тонким для предотвращения растека- ния зарядов между участками мишени с различными потенциалами. Сигнальная пластина и слой с проводимостью типа п прозрач- ны для прохождения световых лучей. Слой i выполнен из химиче- ски чистой окиси свинца с упорядоченной кристаллической структу- рой. Кристаллы имеют пластинчатую форму с размерами примерно 0,1x3,0x0,05 мкм и ориентированы параллельно направлению свето- вых лучей. Такая структура мишени позволяет существенно снизить концентрацию ловушек, чем увеличивает скорость дрейфа и умень- шает вероятность рекомбинации носителей тока. Благодаря этому, а также высокой напряженности поля в слое i все носители тока про- ходят сквозь него не рекомбинируя. Следовательно, структура слоя i такова, что позволяет значительно увеличить толщину мишени, не вызывая увеличения фотоэлектрической составляющей инерционно- сти. Увеличение толщины мишени приводит, во-первых, к уменьше- нию емкости, а значит, и к уменьшению коммутационной составляю-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 125 Рис. 6.6. Световая характери- стика плюмбикона с дополни- тельным считыванием перес- веченных мест изображения Рис. 6.7. Спектральная характери- стика чувствительности плюмбикона щей инерционности, во-вторых, к более полному поглощению падаю- щего на мишень света, что повышает чувствительность мишени. Эквивалентная схема элементарного участка мишени плюмбико- на представлена на рис. 6.5,6 Она отличается от схемы на рис. 6.1,6 включением фотодиода р-г-л типа. Из-за большой ширины запрещен- ной зоны слоя i скорость тепловой генерации носителей тока мала, что существенно уменьшает темновой ток, а следовательно, увели- чивает темновое сопротивление мишени Лэ.т. В момент коммутации p-i-п переход смещается в обратном направлении, что дополнитель- но увеличивает Яэ.т. Повышенное рассеяние света вызывает образование ореолов и бликов вокруг ярких деталей изображения. Для устранения этого явления трубки с фотодиодной мишенью из окиси свинца снабже- ны противоореольным стеклянным диском 1 (рис. 6.5,а) толщиной около 6 мм, закрепленным на входном окне 2 с помощью оптиче- ской склейки. Световая характеристика плюмбикона линейна (рис. 6.6) в широ- ком диапазоне освещенности (штриховая линия). Показатель нели- нейности у для этой трубки лежит в пределах 0,95±0,05. Малый раз- брос этого параметра указывает на высокую его воспроизводимость, что является большим достоинством фотодиодной мишени при рабо- те в многотрубочных камерах цветного телевидения (ЦТ). Плюмбикон обеспечивает высококачественное изображение при рабочей освещенности мишени 5...8 лк и, таким образом, несколько уступает по этому параметру видикону. Плюмбикон обеспечивает равномерную по полю разрешающую способность, равную 600 лини- ям, при высоком отношении сигнал/помеха, достигающем 200:1. Ма- лое значение темнового тока (0,5...3 нА) и его высокая равномерность (1 %) обусловливают воспроизведение плюмбиконом уровня черного. Существенным преимуществом плюмбикона перед видиконом яв- ляется его малая инерционность. Остаточный сигнал спустя кадр
126 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей после выключения света не превышает 5 %. Для снижения инерци- онности при передаче движущихся объектов с низким уровнем осве- щенности применяется дополнительная подсветка мишени. Спектральные характеристики плюмбикона приведены на рис. 6.7. Кривая 1 характеризует спектральную чувствительность трубки с нелигированной мишенью. Спад характеристик в длинно- волновой части видимого спектра затрудняет использование труб- ки с такой мишенью в «красном» канале многотрубочной камеры цветного телевидения. Легирование окиси свинца серой способствует смещению спектральной характеристики в длинноволновую область (кривая 2). При этом мишень приобретает чувствительность и к не- воспринимаемому глазом излучению ближней инфракрасной области спектра. Для подавления излучения с длиной волны свыше 720 нм на противоореольный диск трубки нанесен интерференционный све- тофильтр с полосой пропускания в области 400...720 нм. Кривая 3 соответствует спектральной чувствительности такой трубки. Линейная световая характеристика плюмбикона (см. рис. 6.6) приводит к тому, что при освещенности мишени, превышающей рабо- чую в 2-3 раза, потенциальный рельеф возрастает настолько, что ток луча становится недостаточен для полной коммутации «пересвечен- ных» участков мишени. При передаче движущихся объектов с повы- шенной яркостью на экране возникают дефекты изображения в виде тянущегося следа («хвосты кометы»). Для устранения этого дефек- та в последних выпусках трубок (ЛИ-457, ЛИ-458) используется так называемый антикометный прожектор, с помощью которого «перес- веченные» участки мишени дополнительно считываются лучом с уве- личенным током (100... 150 мкА) во время обратного хода по строке, что обеспечивает полную коммутацию участков мишени с освещенно- стью, более чем в 30 раз превышающей номинальную. В результате такого дополнительного считывания световая характеристика плюм- бикона получает характерный излом (см. рис. 6.6, сплошная линия). Высокие показатели трубок с окисно-свинцовой мишенью в со- четании с минимальной инерционностью и линейностью световой характеристики сделали их наиболее подходящими отечественными приборами для передающих камер ЦТ. 6.4. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения Микроминиатюризация ТВ передающей аппаратуры тормози- лась использованием в ней в качестве преобразователя свет — сигнал электровакуумного прибора, обладающего достаточно большими га-, баритами и сложной системой управления электронным лучом. В связи с этим в течение многих лет велись широкие поисковые рабо- ты в направлении безвакуумных анализирующих устройств — ана- логов ТВ передающих электронно-лучевых трубок. Развитие твер-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 127 дотельной технологии, технологии тонкопленочных покрытий позво- лило разработать твердотельные матричные фотоэлектрические пре- образователи ФЭП изображения, состоящие из массива фоточувстви- тельных элементов, расположенных в местах пересечения проводя- щих шин. В качестве фоточувствительных элементов такой матри- цы могут быть использованы фотосопротивления, фотодиоды, фото- транзисторы с коммутацией фоточувствительных элементов в напра- влении координат X и Y тонкопленочными сдвиговыми регистрами. Фотогенерированные заряды в такой матрице собираются на об- щую шину, емкость которой пропорциональна числу фоточувстви- тельных элементов. Эта емкость, являясь одной из составляющих входной емкости предварительного усиления камеры, ограничивает достижимое отношение сигнал/шум на его выходе [23]. Следователь- но, увеличение разрешающей способности такой матрицы приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, т.е. существовала альтерна- тива: высокая разрешающая способность — малое отношение сиг- нал/шум и наоборот. Кроме того, изображение, получаемое с таких матриц, страдало наличием фиксированного геометрического шума в виде большого количества вертикальных полос, устранение которого являлось достаточно сложной задачей. Перечисленные недостатки фоточувствительных матриц с координатной адресацией не позволи- ли создать на их основе ФЭП с числом элементов разложения более чем 256x256, а изобретение к этому времени прибора с зарядовой связью (ПЗС) открыло новое направление работ по созданию твер- дотельных ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим стандарту телевизионного вещания. В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства структуры металл-окисел-полупроводник (МОП-структура), способ- ной собирать, накапливать и хранить зарядовые пакеты неосновных носителей в локализованных потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а переносятся они путем управляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговый регистр, обладающий способностью собирать, накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным досто- инством ПЗС является принцип последовательного переноса зарядо- вой информации от отдельных элементов матрицы к единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сигнал изображения. Входная емкость такого устройства может не превы- шать 0,1 пФ. В результате улучшается отношение сигнал/шум на выходе предварительного усилителя, а следовательно, и предельная чувствительность прибора. Все ячейки матрицы одинаково чувстви- тельны к действию помех от тактовых импульсов. Поэтому геоме- трический шум, возникающий от этих помех, легко компенсируется.
128 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Неосновные носители Основные носители Рис. 6.8. Конденсатор МОП-структуры Объясним принцип работы прибора с зарядовой связью. Основ- ным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, одна из обкладок которого — металлический электрод, вторая — полупро- водниковая подложка (р- или n-проводимости). Диэлектриком явля- ется окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде тонко- го слоя на подложку. В изображенном на рис. 6.8 МОП-конденсаторе в качестве полупроводника использован кремний дырочного типа проводимости. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния тол- щиной 0,1 мкм. В полупроводнике дырочного типа проводимости основными носителями заряда являются дырки. При приложении к металлическому электроду положительного потенциала основные носители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с оки- слом, будут отталкиваться от электрода и, покинув поверхностный слой, отойдут в толщину полупроводника. Под электродами образу- ется область, обедненная основными носителями, — потенциальная яма, глубина которой зависит от приложенного напряжения (напря- жение на затворе С7), степени легирования полупроводника, толщины слоя окисла. Таким образом, выбирая значения напряжения затво- ра, плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно управлять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциаль- ной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации неоснов- ных носителей, так как в кремнии при данной температуре всегда генерируются пары электрон-дырка, которые под действием элек- трического поля разделяются: основные носители «отгоняются» в толщину, а неосновные — накапливаются, заполняя постепенно по- тенциальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенери- рованных носителей является паразитным процессом. Время, необ- ходимое для заполнения потенциальной ямы из-за термогенерации, называется временем релаксации. Следовательно, промежуток вре- мени, существенно меньший по сравнению со временем релаксации, может быть использован для хранения в потенциальных ямах за- рядовых пакетов, несущих информацию о значении полезного сиг- нала, а МОП-конденсатор может служить элементом, запоминаю- щим информацию, представленную зарядом потенциальной ямы. Та- ким образом, максимальное время хранения зарядовой информации zxpinax, а следовательно, и минимальная частота работы цифровых
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет—сигнал 129 Рис. 6.9. Перенос зарядовых па- кетов путем перемещения потенци- алов электродов двух рядом рас- положенных МОП-конденсаторов +171 + 1/2 +171 +L72 и аналоговых устройств на ПЗС определяются процессами накопле- ния паразитного заряда в потенциальной яме. Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим пу- тем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. Нако- пленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположени- ем МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы со- единяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма (рис. 6.9). На металлические электроды расположенных рядом двух конденса- торов поданы положительные потенциалы и П2. В начальный мо- мент потенциал U\ > В образовавшуюся глубокую потенциаль- ную яму левого конденсатора может быть помещена зарядовая ин- формация (рис. 6.9,а). Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенциал правого — увеличим. Тогда под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую перетечет заря- довый пакет, помещенный ранее в потенциальную яму левого кон- денсатора (рис. 6.9,6). Следовательно, изменяя определенным обра- зом потенциалы на электродах близко расположенных конденсато- ров, можно направленно перемещать накопленный зарядовый пакет. Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере трехфазного сдвигового регистра — устройства, состоящего из цепочки МОП-конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора подключен к од- ной из трех тактовых шин с фазами Ф1? Ф2, Фз, как показано на рис. 6.10. Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП-конденсаторов. В течение первого такта работы (момент ti) на электроды фазы Ф1 подано положительное напряжение U^. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых мо- гут накапливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями. Это может происходить как в результате воздействия светового излучения — тогда заряды будут носителями полезной ин- формации, так и вследствие паразитного процесса термогенерации. При этом термогенерированные заряды составляют паразитную до- бавку к информационному заряду и являются источником темново- го тока, сигнала изображения.) Время хранения зарядов 1хр равно 9
130 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Ь\ U2 th U1 U2 U3 Ui и2 Ui th U2 Ui иг и2 иг иг Рис. 6.10. Перемещение зарядовых па- кетов в трехфазном сдвиговом регистре: а — трехфазный регистр; б— идеаль- ная тактовая диаграмма; в— реаль- ная форма управляющих импульсов времени действия напряжения U2, а режим работы ячейки под элек- тродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент t2 (второй такт) на электроды фазы Ф2 подается напряже- ние (7з, значение которого превышает в 1,5.. .2 раза напряжение U2- Это напряжение называется напряжением записи. Оно вызывает по- явление под электродами фазы более глубоких потенциальных ям, в которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Фр Ре- жим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям в другие, называется режимом записи. В момент (третий такт) напряжение на электродах фазы уменьшится до значения £/2, соот- ветствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы Ф1 уменьшится от значения U2 до L/p что предотвращает возврат за- рядового пакета под электроды фазы Фр Из рис. 6.10,а видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, так как под электродами фазы Ф1 потенциал остается низким, равным U]. Такой направленный перенос зарядовых пакетов является одним из досто- инств трехтактных регистров. В регистрах, работающих по двухтакт- ной схеме, направленный перенос зарядов приходится обеспечивать усложнением структуры ПЗС. Последовательность смены потенциалов на тактовых группах по- казана на тактовой диаграмме (рис. 6.10,6), на которой форма упра-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 131 вляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Однако для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импуль- сы, подаваемые на электрод, должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потен- циальной ямы. Поэтому практически для управления используют импульсы трапецеидальной формы (рис. 6.10,в). При этом остат- ки заряда (последние носители) успевают перетечь в соседнюю по- тенциальную яму, и в результате повысится эффективность пере- носа заряда. Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС де- лятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумер- ные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изо- бражение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использо- ваны при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъектов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в направлении, перпендикулярном направлению строчной развертки. Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является матричный формирова- тель сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординат- ный массив светочувствительных элементов, в котором осуществля- ется электронное сканирование по координатам х и у. При проек- тировании такой двухкоординатной матрицы решается вопрос орга- низации ее считывания. Для наиболее полного использования достоинств ПЗС зарядовые пакеты должны перемещаться к одному выходному устройству, а по- рядок считывания информации — обычно соответствовать принято- му телевизионному стандарту. При выборе способа организации счи- тывания необходимо обеспечить минимальное смазывание изображе- ния, возникающее при переносе накопленных зарядовых пакетов че- рез освещенные области прибора. Поэтому в современных матричных ФЭП на ПЗС области накопления заряда и его переноса разделяют. По способу организации считывающие матрицы ПЗС делятся на матрицы с кадровым переносом заряда (КП), матрицы со строчным переносом заряда (СП) и матрицы со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС КП (рис. 6.11) включают в себя секцию накопле- ния — фотоприемную секцию, секцию хранения или памяти, которая защищена от света и равна по площади секции накопления, и один или несколько параллельных выходных сдвиговых регистров. Во время активной части поля происходит накопление зарядо- вых пакетов в фотоприемной секции. Во время кадрового гасящего
132 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей регистр Рис. 6.11. Способ организации покадрового считывания импульса, накопленные заряды всех строк поля последовательно пе- реносятся в защищенную от света секцию хранения. Далее во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда — сдвиговый регистр. Сдвиг строк в секцию переноса осуществляет- ся во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем заря- довые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображе- ния. После считывания всей видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующего кадра. Одним из основных достоинств покадрового считывания являет- ся уменьшение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации легко осуществляется чересстрочное разло- жение изображения, также проста электродная структура, что позво- ляет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить бо- лее равномерную характеристику спектральной чувствительности. Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать чересстрочное разложение изображения. Для этого в течение дли- тельностей нечетных полей накопление производится под электрода- ми Ф1, а в течение длительностей четных — под электродами фазы Ф2. Во время обратного хода по полям зарядовая информация не- четного поля переносится в секцию хранения (памяти). В период следующего четного поля в режим накопления переводятся электро- ды фазы Ф2, и в секции накопления начинается новый цикл рабо- ты. В то же время из секции хранения последовательно, строка за строкой, переносятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиго- вый) регистр, который сдвигает элементы строки один за другим к выходному устройству. Перенос зарядов отдельных строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а выход зарядов строки из регистра в выходное устройство — во время прямого хода строчной развертки.
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 133 Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) пере- нос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвигового регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число перено- сов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным — для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число перено- сов А^тах = 2 х 3z + 2?г, где z — число строк; п — число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй — число переносов вдоль строки. Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не пол- ностью, так как, во-первых, часть заряда теряется в ловушках, су- ществующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при опре- деленной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда г накла- дывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и пол- ное число переносов, которые можно совершить без существенного разрушения сигнала; г — относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета на один перенос. Умножив е на число переносов в приборе N, получим результирующую неэффек- тивность переноса Ns всего прибора. Недостатком матриц ПЗС КП является неполное устранение смаза изображения, которое проявляется в виде вертикальных тя- нущихся продолжений за очень яркими деталями. Смаз появляет- ся из-за того, что при переносе накопленных зарядов из фотопри- емной секции в секцию памяти свет продолжает попадать в фото- приемную секцию. Для уменьшения величины смаза изображения были разработа- ны матрицы со строчным переносом зарядов (рис. 6.12), в которых область накопления образована вертикальными столбцами светочув- ствительных элементов, между которыми помещены защищенные от света вертикальные сдвиговые регистры. В течение времени кадра в светочувствительных элементах накапливаются зарядовые паке- ты. Во время гасящего кадрового импульса они одновременно пере- носятся в соседние ячейки вертикальных сдвиговых регистров. Во время накопления следующего кадра, зарядовые пакеты из верти- кальных регистров одновременно сдвигаются в горизонтальный (вы- ходной) регистр. Сдвиг по вертикальным регистрам на один элемент происходит во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядовых пакетов из горизонтальных регистров в выходное устрой- ство — за время прямого хода строчной развертки. Полное освобо- ждение вертикальных сдвиговых регистров от зарядов происходит за. время кадра.
134 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Вертикальные сдвиговые регистры (выходной) регистр устройство Рис. 6.12. Матрица со строч- ным переносом зарядов Вертикальные сдвиговые регистры (выходной) регистр устройство Рис. 6.13. Матрица со строчно- кадровым переносом зарядов Для обеспечения чересстрочной развертки в матрице ПЗС СП заряды из светочувствительных ячеек в вертикальные регистры пе- реносятся: в нечетных полях — из нечетных ячеек, а в четных по- лях — из четных ячеек. Величина смаза изображения в матрицах ПЗС СП существенно меньше, чем в ПЗС КП. Однако при наличии на объекте ярко осве- щенной детали, уровень смаза оказывается заметен. В матрицах ПЗС СП он обусловлен попаданием части наклонно падающего света под алюминиевый экран над вертикальным ПЗС регистром. Это пара- зитная засветка значительно меньше, чем в матрицах ПЗС КП, но время ее действия существенно больше и равно длительности поля. В трехматричных камерах вещательного назначения необходи- мо дальнейшее снижение уровня смаза изображения. Для обеспе- чения этого требования были разработаны гибридные матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда (СКП). Матрицы ПЗС СКП (рис. 6.13) отличаются от матриц ПЗС СП (см. рис. 6.12) наличием в них дополнительной секции хранения зарядов на длительность поля. Поэтому частота переноса заряда из вертикальных ПЗС регистров в секцию хранения может быть выбрана в десятки раз больше частоты строк, используемой в матрицах ПЗС СП. Это позволяет во столько же раз уменьшить уровень смаза изображения. Недостатки матриц ПЗС СКП заключаются в относительной сложности изготовления и высокой стоимости производства. Световая характеристика матрицы ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна (рис. 6.14). Точка 1 соответствует выходно- му сигналу в отсутствие освещения и определяет темновой ток, об- условленный в большой степени термогенерацией неосновных носи- телей. Точка 2 характеризует режим насыщения элемента матрицы, т.е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителя- ми. Глубина потенциальной ямы определяется конструктивными па-
ГЛАВА 6. Телевизионные преобразователи свет-сигнал 135 Рис. 6.14. Световая харак- теристика матрицы ПЗС Рис. 6.15. Спектральная ха- рактеристика матрицы ПЗС раметрами матрицы и потенциалом накопления, значение которого ограничено напряжением пробоя МОП-конденсатора. Спектральная чувствительность матричного формирователя (рис. 6.15) имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5 мкм (кривая 7), который обусловлен сильным поглощением на этом участке спектра нанесенными на по- лупроводниковую подложку поликремниевыми электродами. Для повышения чувствительности в этой области спектра в поликремни- евых электродах вскрыты окна. Площадь окон составляет пример- но 15...20 % от площади фоточувствительной поверхности элемента. Это подняло чувствительность матрицы на длине волны Л = 0,4 мкм до 20 % (кривая 2), что позволило использовать матрицу в цветном телевидении. Разрешающая способность определяется числом эле- ментов накопления в матрице ПЗС. Для систем телевидения высокой четкости разработаны матрицы ПЗС с числом элементов 1035x1920. Матрицы ПЗС СП широко используются в бытовых одноматрич- ных телевизионных камерах. Камеры вещательного телевидения ра- ботают на матрицах ПЗС СКП, обладающих более высокими све- тотехническими параметрами. Глава 7 ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИГНАЛ-СВЕТ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Преобразователи электрических сигналов в оптическое изобра- жение — устройства воспроизведения ТВ изображения — могут быть разделены на устройства прямого наблюдения и проекционные. Наи- более распространены устройства прямого наблюдения — монохром- ные и цветные электронно-лучевые приемные трубки — кинеско-
136 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей пы. Они обеспечивают получение ТВ изображения площадью до 0,25...0,5 м2, предназначенного для просмотра небольшим числом зрителей. Увеличение аудитории телезрителей требует увеличения размеров ТВ изображения от единиц до нескольких десятков ква- дратных метров. Для этого используются проекционные воспроизво- дящие устройства: высокояркие проекционные кинескопы, лазерные проекторы и светоклапанные системы. Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам вос- произведения ТВ изображения, являются: необходимые размеры экрана, достаточная яркость, способность к созданию изображения с высоким контрастом, высокая разрешающая способность, позволяю- щая различать наиболее мелкие детали изображения, а также разме- ры воспроизводящих устройств, стабильность их характеристик и т.д. 7.1. Кинескопы черно-белого телевидения Кинескоп — приемная электронно-лучевая трубка с люмино- форным экраном, преобразующая мгновенные значения ТВ сигна- ла в последовательность световых импульсов, совокупность которых образует ТВ изображение. Развертывающим элементом в кинеско- пе является сфокусированный электронный луч. Воспроизведение изображения на экране обеспечивается отклонением луча по закону развертки и модуляцией его плотности сигналом изображения. По назначению различают кинескопы прямого наблюдения, в которых изображение создается непосредственно на экране, и про- екционные. Последние используются для проекции изображения на большой экран и в системах бегущего светового луча. Наиболее ши- роко распространены кинескопы прямого наблюдения. Они приме- няются в индивидуальных ТВ приемниках, в промышленных теле- визионных устройствах ПТУ, видоискателях передающих телевизи- онных камер и др. Устройство кинескопа схематически изображено на рис. 7.1,а. Основными частями являются: стеклянная колба 8, электронно- оптическая система 2, формирующая электронный луч, и люмино- форный экран. На горловине кинескопа помещается отклоняющая Рис. 7.1. Кине- скоп черно-белого телевидения
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 137 система 3, с помощью которой формируется магнитное поле, обес- печивающее перемещение электронного луча в процессе развертки изображения. Экран представляет собой слой люминофора 7, покрытый тон- кой пленкой алюминия 6. В цилиндрической горловине колбы поме- щен электронный прожектор 2. Второй анод прожектора соединен с проводящим покрытием нанесенным на внутреннюю поверхность колбы и горловины. Вывод второго анода 5 сделан через колбу, а остальных электродов — через цоколь 1. 7.2. Электронный прожектор Электронным прожектором называется конструктивный узел электронно-лучевого прибора, состоящий из катода и ряда электро- дов, которые обеспечивают ускорения, фокусировку и управление плотностью электронов луча. Электронный прожектор должен сфор- мировать электронный луч с током в несколько сот микроампер и диаметром луча в плоскости экрана не более 0,5 мм, а также обес- печить возможность модуляции тока луча сигналом изображения. Причем для получения изображения с требуемой контрастностью при приемлемых уровнях модулирующего сигнала прожектор дол- жен обладать достаточно крутой модуляционной характеристикой. Электронный луч может быть сфокусирован с помощью электромаг- нитных или электростатических полей. Преобладающая часть совре- менных кинескопов имеет электронный прожектор с электростатиче- ской фокусировкой, которая не требует увеличения габаритов откло- няющих систем за счет размещения в их корпусе фокусирующей ка- тушки, дополнительного увеличения мощности источников питания, менее чувствительна к изменению питающих напряжений, стабильна во времени, в связи с чем не требует оперативной регулировки. Конструктивно электронный прожектор представляет собой си- стему цилиндрических электродов (см. рис. 7.1,6) и состоит из по- догревателя 7, термокатода 2, модулятора <9, ускоряющего электро- да фокусирующего электрода 5, второго анода 6. Построенный по такой схеме прожектор называется пентодным. Применение пен- тодного прожектора в кинескопе позволяет ослабить влияние изме- нения потенциала ускоряющего электрода на качество фокусиров- ки электронного луча. Большинство прожекторов современных кинескопов строят по двухлинзовой оптической схеме. При этом фокусировка электрон- ного луча осуществляется в двух зонах: в поле иммерсионного объ- ектива и в поле главной фокусирующей линзы. Иммерсионный объектив (рис. 7.2) образуют: термокатод 7, мо- дулятор 2 и ускоряющий электрод 3. Благодаря высокой разно- сти потенциалов между катодом и ускоряющим электродом (Uy =
138 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей б) Рис. 7.2. Фокусировка электронного луча: а — выход электронов из прожектора; б— двухлинзовая оптическая система = 500...800 В) и малому расстоянию между этими электродами в зо- не иммерсионного объектива создается большая напряженность элек- трического поля, конфигурация сечения эквипотенциальных поверх- ностей которого на рис. 7.2,а обозначена штриховыми линиями. Эми- тируемые с поверхности катода электроны попадают в поле иммерси- онного объектива (рис. 7.2,а, б) и собираются в плоскости его фокуса в узкий пучок, сечение которого называется кроссовером. Диаметр кроссовера (Кр) оказывается значительно меньше диаметра той ча- сти катода, с которой электроны попадают в отверстие модулятора. После кроссовера пучок электронов снова расходится и попадает в фокусирующее поле главной фокусирующей линзы, которая перено- сит изображение кроссовера в плоскость экрана. При этом сечение пучка в плоскости экрана имеет размер кроссовера. Таким образом, использование двухлинзовой оптической схемы (рис. 7.2,6) позволя- ет сравнительно просто получить в плоскости экрана сечение луча с радиусом не более 0,5 мм при существенно большем радиусе эми- тирующей поверхности катода. 7.3. Экраны кинескопов Для преобразования сигнала в световое изображение использу- ется явление люминесценции, заключающееся в способности атомов, молекул и ионов некоторых веществ испускать свет при переходе из состояния с повышенной энергией (возбужденное состояние) в состо- яние с меньшей энергией. Вещества, обладающие такой способно- стью, называются люминофорами (lumen — свет (лат.), phonos — несущий (греч.)).
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 139 Возбуждение атомов некоторых веществ может быть вызвано электрическим полем или током, при этом возникает электролюми- несценция. Вещества, обладающие свойством электролюминесцен- ции, называются электролюминофорами. В телевидении используется катодолюминесценция — свечение, вызванное ударами быстролетящих электронов. Бомбардировка лю- минофора быстрыми электронами приводит его в возбужденное со- стояние, при котором электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энергетические уровни внешних ор- бит. Возвращаясь с внешних орбит на прежние уровни, электроны излучают кванты света. Люминофоры, применяемые для экранов кинескопов, предста- вляют собой кристаллические вещества различного химического со- става. Это могут быть окислы, силикаты, сульфиды и фосфаты цин- ка, кадмия, магния, кальция, активированные различными металла- ми. Активацией добиваются повышения эффективности и необходи- мого спектрального состава излучения. Электрооптические характе- ристики люминофорных экранов зависят от химического состава ве- щества люминофора, технологии его нанесения и условий возбужде- ния. Химический состав люминофора обозначается обычными сим- волами. На первом месте — основное вещество, затем (в скобках) — активатор. Например, сульфид цинка, активированный медью, запи- сывается как ZnS (Си), а активированный серебром — как ZnS (Ag). Важнейшими характеристиками экрана являются цвет свечения, инерционность и световая отдача. Цвет свечения экрана определяет- ся типом выбранного люминофора. Для экранов черно-белых кине- скопов используется люминофор БМ-5, являющийся смесью сульфи- да цинка (активированного серебром и цинком) и сульфида кадмия (активированного серебром): ZnS (AgZn) 47 %; CDS (Ag) 53 %. Спек- тральная характеристика излучения данной смеси имеет два мак- симума (рис. 7.3, сплошная линия). Первый максимум находится в области излучения, соответствующего ощущению синего цвета, а второй — совпадает с кривой видности глаза (штриховая линия), что увеличивает светоотдачу экрана. Цвет свечения люминофора БМ-5 имеет голубоватый оттенок и соответствует цветовой темпе- ратуре 9700 К. Одной из важных характеристик работы экрана кинескопа явля- ется его инерционность, определяющая длительности возгорания и послесвечения люминофора. Длительность возгорания люминофо- ра достаточно мала. Основным параметром инерционности люми- нофора является длительность послесвечения , в течение которой яркость экрана уменьшается до 0,01 максимального значения по- сле прекращения возбуждения люминофора (рис. 7.4, сплошная кри- вая). Длительность послесвечения является существенным параме- тром при выборе люминофора для экранов электронно-лучевых при- боров различного назначения.
140 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 7.3. Спектральные ха- рактеристики люминофо- ра черно-белых кинескопов Рис. 7.4. Характеристика по- слесвечения люминофора Например, для приемных ТВ трубок желательно иметь длитель- ность послесвечения, равную времени передачи одного кадра изо- бражения. Требование это становится очевидным, если вспомнить, что визуальная яркость ТВ экрана определяется по закону Таль- бота (см. гл. 22) как 1 [т •^ВИЗ — J 7/(t) ^5 где L(t) — функция изменения яркости элемента изображения во вре- мени, которой в данном случае соответствует кривая, характеризу- ющая возгорание и затухание люминофора; Т — период повторения световых импульсов, равный времени передачи кадра. Если L(i) аппроксимировать треугольной функцией (см. рис. 7.4, штриховая линия), что в первом приближении допустимо, то ТВиз — 0,5—- Z/max + 0,5—-Lmax, I К -I к т.е. визуальная яркость экрана складывается из двух слагаемых — яркостей элемента при возгорании люминофора и при его затухании. Учитывая, что тъ/Тк = 1/N, где N — число элементов в кадре (для вещательного телевизионного стандарта N = 0,5 • 106), а Тпс/Тк — 1, можем записать Лвиз = 0,25 • 10“6Lmax + 0,5Lmax. Таким образом, основная доля визуальной яркости определяется послесвечением люминофора, в связи с чем длительность послесвече- ния для приемных телевизионных трубок Тпс желательно иметь рав- ной длительности кадра Тк. Увеличение длительности послесвече- ния приводит также к уменьшению заметности мельканий при смене кадров. Дальнейшее увеличение длительности послесвечения неже- лательно, так как приводит к смазыванию (размытости) изображе- ния движущихся объектов из-за сигнала, остающегося от предыдуще-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 141 го кадра. Установлено, что размытие практически незаметно, если остаточный сигнал не превышает 5 %. Более жесткие требования предъявляются к инерционным свойствам кинескопов, работающих в системе бегущего луча. Люминофоры их экрана должны иметь ма- лую длительность послесвечения, не превышающую время коммута- ции одного элемента изображения (около 7,7 • 10-8 с). Такое жесткое требование связано с тем, что в системе бегущего луча коммутация элементов изображения осуществляется не электронным, а световым лучом. Телевизионный сигнал на выходе фотоэлектронного усили- теля (ФЭУ) определяется яркостью луча в коммутируемой точке, промодулированного по амплитуде в соответствии с коэффициентом отражения или пропускания передаваемого элемента изображения. При Тпс > сигнал на выходе ФЭУ будет определяться не только яр- костью пятна передаваемого элемента изображения, но и яркостями соседних, уже ^коммутированных элементов, что приведет к потере четкости и контрастности мелких деталей изображения. Так как по- лучить необходимую длительность послесвечения для экранов, излу- чающих в видимом диапазоне, не удается, в трактах передачи систем с бегущим лучом предусматривается схема коррекции послесвечения. Эффективность преобразования энергии электронов луча в све- товое излучение характеризуется светоотдачей экрана к, определя- емой отношением силы света 7, кд, излучаемой экраном, к мощности Р, Вт, электронного луча. Светоотдача зависит от энергии электро- нов луча, типа люминофора, способов его нанесения и может изме- няться от десятых долей канделлы на ватт до 15 кд/Вт. Сила света, излучаемая экраном кинескопа, определяется эм- пирической зависимостью I = kUu2-uQy\ (7.1) где к — светоотдача; 1Л — ток луча; и2 — напряжение второго анода кинескопа; uq — пороговое напряжение второго анода, при котором происходит возбуждение люминофора. Для современных люминофорных экранов uq = 1...2 кВ; п — показатель степени, определяемый физическими свойствами люми- нофоров и условиями его возбуждения. При токе луча 1Л — 100... 150 мкА и ускоряющем напряжении 10 кВ п = 1. Современные кинескопы работают при и2 = 12...18 кВ и более, поэтому напряжение ио < и2 и им можно пренебречь. Принимая п = 1, с достаточной для практики точностью можно считать, что сила света I — к1ли2 = кР^у (7.2) где Рл — мощность электронного луча. При принятых условиях светоотдача к оказывается постоянной
ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей величиной. Поэтому сила света 7, а следовательно, и яркость экрана — I / ^эк — ^эк (,9ЭК — площадь экрана кинескопа, м2) могут быть увеличены повы- шением мощности электронного луча Ра. Поскольку увеличение тока луча свыше 100... 150 мкА приводит к заметной расфокусировке, яр- кость экрана увеличивают повышением ускоряющего напряжения W2- Потенциал экрана необходимо принудительно поддерживать равным потенциалу второго анода кинескопа (для черно-белых кинескопов 12...18 кВ, для цветных 25 кВ). Для выполнения этого условия на слой люминофора наносится проводящее покрытие, электрически соединенное со вторым анодом прожектора. Это позволяет эффективно отводить вторичные элек- троны с экрана кинескопа, обеспечивая необходимую яркость экра- на. Таким образом, экран современного кинескопа представляет со- бой слой люминофора, нанесенный на дно колбы кинескопа. Лю- минофор, в свою очередь, покрывают пленкой алюминия толщиной 0,05...0,5 мкм, обеспечивающей электрический контакт между люми- нофором и вторым анодом прожектора. Пленка практически про- зрачна для электронов луча, которые при ускоряющих напряже- ниях свыше 8... 10 кВ беспрепятственно проникают на люминофор и возбуждают его, вызывая световое излучение. Для световых лу- чей алюминиевая пленка не прозрачна. Она, как зеркало, отражает световое излучение люминофора, повышая светоотдачу экрана бо- лее чем в 1,5 раза. Кроме увеличения эффективности металлизированный экран по- зволяет увеличить контраст крупных деталей изображения при уст- ранении подсветки экрана от внутренних стекол колбы, деталей элек- тронного прожектора и соседних участков, расположенных на сфе- рической поверхности. Он также предохраняет люминофор от бом- бардировок тяжелыми отрицательными ионами, устраняя необходи- мость введения в электронный прожектор ионных ловушек. Существенно снижает контраст мелких и средних деталей изо- бражения явление ореола. Ореол образуется вследствие того, что часть расходящихся световых лучей, пройдя из точки возбуждения люминофора (рис. 7.5, точка А) сквозь толщу стекла экрана труб- ки, па границе стекло-воздух отражается обратно, освещая соседние с точкой участий (рис. 7.5 точка Г). В результате ярко светящая- ся точка экрана оказывается окруженной менее ярким кольцом — ореолом, что и является причиной снижения контраста. Для уве- личения контраста изображения экран колбы современного кинеско- па изготовляют из специального стекла, являющегося нейтральным фильтром. Такое стекло называют дымчатым, контрастным, про- тивоореольпым. Ослабление ореол а происходит за счет поглощения части све- ча в толще экрана колбы. Прямой световой луч Д от светящейся
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 143 Рис. 7.5. Влияние дымчатого сте- кла на контраст мелких деталей точки люминофора проходит путь АБ (рис. 7.5), а световой луч вред- ной подсветки вызванной явлением ореола, проходит более длин- ный путь АБВГД и поглощается значительно больше. Использова- ние противоореольного стекла увеличивает контраст мелких дета- лей примерно в 15 раз. Промышленностью выпускается большая номенклатура кине- скопов с диагональю экрана 6... 71 см. Гостированное условное обо- значение электронно-лучевых трубок состоит из четырех элементов, например 61ЛК2Б. Цифра 61 указывает в сантиметрах диагональ экрана; буквы ЛК обозначают лучевой кинескоп; цифра 2 характери- зует тип электронного прожектора; буква Б указывает цвет свечения экрана — белый. В обозначении трубки 61ЛКЗЦ буква Ц указыва- ет на то, что кинескоп цветной. 7.4. Кинескопы цветного телевидения Общие сведения. Для получения цветного изображения в боль- шинстве современных цветных ТВ приемников и видеоконтрольных устройств используется один электровакуумный прибор — цветной кинескоп, в котором цветные изображения формируются из трех цве- тоделенным методом пространственного смешения цветов. В боль- шинстве разработанных кинескопов используется трехрастровая си- стема, при которой на экране кинескопа формируются три одно- цветных растра — красный, зеленый и синий, совмещенные с до- статочной степенью точности друг с другом. Трехрастровая система предполагает наличие в кинескопе трех электронных прожекторов и трех люминофорных групп, спектральное излучение которых со- ответствует красному, зеленому и синему цветам. Разделение цве- тов, т.е. обеспечение правильного попадания каждого из лучей на люминофорные элементы экрана «своего» цвета, обеспечивается с помощью теневой маски. Такие кинескопы часто называют масоч- ными. По способу расположения прожекторов кинескопы делятся на дельта-кинескопы, прожекторы которых, а также люминофорные группы расположены в вершинах равностороннего треугольника, и
144 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 7.6. Кинескоп с компланарной оптикой и щелевой маской: 1 — электронные прожекторы; 2 — щелевая маска; 3 — экран с люминофорным покрытием на компланарные с расположением прожекторов в одной плоскости и линейчатыми люминофорными группами. Кинескоп с дельтавидным расположением электронных прожек- торов и мозаичным люминофорным экраном имеет существенные не- достатки, основным из которых является сложная система совмеще- ния трех растров и малая прозрачность теневой маски, лимитирую- щей увеличение яркости экрана кинескопа. По этой причине совре- менные телевизионные приемники и мониторы комплектуют кине- скопами с компланарным расположением электронных прожекторов и линейчатой структурой люминофорного экрана. Масочный кинескоп с компланарным расположением прожекторов. Схематическое изображение масочного кинескопа с компланарным расположением электронных прожекторов предста- влено на рис. 7.6,а. Особенностью его устройства является располо- жение осей всех трех электронных прожекторов 1 в одной плоскости, причем ось одного прожектора (зеленого) совпадает с осью кинеско- па, а оси двух других зеленых прожекторов повернуты к оси кине- скопа на угол 1,5°. Экран кинескопа представляет собой сферу из стекла с большим радиусом кривизны, на внутреннюю поверхность которой нанесены чередующиеся по цвету люминофорные полоски трех цветов: красного, зеленого и синего (рис. 7.6,6). Так же как в монохромном кинескопе, люминофоры покрыты тонкой алюминиевой пленкой, соединенной со вторым анодом. Для направления электрон- ных лучей на «свои» люминофорные полоски используется теневая маска (рис. 7.6,в), изготовленная из листовой стали, форма которой практически повторяет форму экрана. В маске вырезаны вертикаль- ные прорези — щели, которые имеют горизонтальные перемычки, увеличивающие ее механическую прочность. • Принцип попадания электронных лучей на «свои» люминофор- ные полоски заключается в том, что три электронных, луча, напра- вленные из трех прожекторов, пересекаются в одной точке, геоме- трическое место которой соответствует отверстию маски, и, проходя сквозь нее, попадают на соответствующие люминофорные полоски. Для осуществления этого принципа взаимное расположение прожек-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 145 торов, их наклон к оси кинескопа, расстояние от центра отклонения электронных лучей до теневой маски и от теневой маски до экрана должны быть связаны определенными геометрическими отношения- ми [24]. Точность попадания электронных лучей на свои люмино- форные зерна зависит от точности реализации этого соотношения, т.е. от механической точности изготовления кинескопа. Недостаточ- ная точность реализации приводит к нарушению правильности по- падания лучей, что вызывает следующие для цветного кинескопа искажения изображений: 1. Нарушение чистоты цвета, обусловленное попаданием элек- тронного луча частично или полностью на «чужие» люминофорные зерна, которое возникает при боковом смещении или наклоне блока электронных прожекторов относительно оси кинескопа, неправиль- ным положением отклоняющей системы относительно экрана кине- скопа, а также под влиянием внешних магнитных полей, в частно- сти магнитного поля Земли. Коррекция нарушений частоты света производится с помощью кольцевых магнитов, расположенных в гор- ловине кинескопа. 2. Несовмещение изображений от растров, обусловленное попа- данием неотклоненных лучей не в одно отверстие теневой маски, а в соседние и в отстоящие друг от друга на некотором расстоянии, ко- торое возникает при неточном изготовлении или сборке электронных прожекторов. Коррекция этого вида искажений, т.е. обеспечение по- падания трех неотклоненных электронных лучей в одну группу лю- минофорных полосок (триад), называется статическим сведением лучей. Она производится с помощью изображения сетчатого поля поворотом вокруг оси кинескопа кольцевых четырехполюсных и ше- стиполюсных магнитов, помещенных на горловине кинескопа. 3. Рассовмещение электронных лучей при их отклонении от цен- тра к краю экрана, обусловленное следующими причинами: • смещение двух электронных прожекторов (красного и синего) от- носительно оси кинескопа и их наклон на угол 1,5° приводят к появлению на экране кинескопа смещенных друг относительно друга трапецеидальных растров (рис. 7.6,г); • геометрическое место пересечения трех лучей при их отклоне- нии находится на поверхности сферы, радиус кривизны которой определен углом наклона прожекторов и значительно меньше ра- диуса кривизны экрана; поэтому при отклонении от центра к пе- рифирии экрана электронные лучи будут достигать плоскости маски в виде расходящихся пучков и попадать на люминофор- ные зерна разных триад [24]. Указанные причины действуют совместно и ведут к нарушению динамического сведения лучей, коррекция которого осуществляет- ся методом самосведения лучей. Принцип самосведения заключает- ся в следующем: в компланарном кинескопе отклонение трех лучей К)
146 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей в равномерном магнитном поле приводит к расслоению вертикаль- ных линии слева и справа (рис. 7.6,г). Такое расслоение может быть скорректировано с помощью неравномерного магнитного поля, обла- дающего астигматизмом при отклонении пучка электронов. Астиг- матизм, как известно, проявляется в том, что сечение пучка элек- тронов при его отклонении от центра экрана становится не круглым, а эллиптическим. Большая ось эллипса может быть ориентирована в направлении отклонения (положительный астигматизм) или пер- пендикулярно к нему (отрицательный астигматизм). Такое измене- ние формы сечения электронного луча при отклонении можно рас- сматривать как сближение крайних нитей пучка, образующих вытя- нутую часть его сечения (эллипса). Аналогичное явление происхо- дит с электронными лучами синего и красного прожекторов, которые при отклонении в поле, обладающем отрицательным астигматизмом, сближаются подобно крайним нитям одного пучка. Подобрав задан- ную степень астигматизма, можно полностью скомпенсировать рас- совмещение лучей в любой точке экрана. Таким образом, в компла- нарных кинескопах динамическое самосведение трех совмещенных в центре экрана лучей обеспечивается автоматическим отклонением их в неравномерном поле, обладающем заданным астигматизмом. Тре- буемое поле создается подбором формы и плотности распределения витков катушек отклоняющих систем. В системе с самосведением изображения с требуемой точностью могут быть совмещены лишь при условии прецизионного выполнения электронно-оптического узла трубки и точной повторяемости кон- фигурации магнитного поля отклоняющих систем. Для выполнения этого требования блок прожектора должен быть выполнен в виде еди- ного конструктивного узла, а сам кинескоп выпускается в комплекте с закрепленной к горловине отклоняющей системой, положение кото- рой предварительно тщательно юстируется для получения оптималь- ных чистоты цвета и сведения лучей. Регулирующим элементом, ис- пользуемым при настройке комплекса кинескоп — отклоняющая си- стема, является магнитостатическое устройство, включающее в себя магниты чистоты цвета и статического сведения, установленные на горловине кинескопа позади отклоняющей системы. Оптимальное положение регулирующих элементов подбирается и фиксируется на заводе-изготовителе комплекса кинескоп — отклоняющая система и в дальнейшем процессе эксплуатации не регулируется. Основные преимущества кинескопа с комланарным расположе- нием прожекторов по сравнению с дельта-кинескопом заключается в следующем: 1. Расположение электронных прожекторов в одной плоскости делает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает ме- ханизм динамического сведения лучей, так как средний луч (обычно зеленый) направлен вдоль оси кинескопа и дает симметричный отно- сительно осей экрана растр, не требующий сведения. Растры, полу-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 147 ченные от крайних лучей (красного и синего), необходимо совмещать с центральным (зеленым) только в горизонтальном направлении. 2. Повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как ще- левая маска обладает более высокой прозрачностью для возбужда- ющих люминофорный экран электронов, чем маска, имеющая кру- глые отверстия. 3. Улучшается чистота цвета, так как электронный луч на «чу- жую» люминофорную полосу может попадать только в одном (гори- зонтальном) направлении. По этой же причине на чистоту цвета в компланарных кинескопах значительно меньшее влияние оказывает магнитное поле Земли, конкретно - только ее вертикальная соста- вляющая, сдвигающая луч в горизонтальном направлении. 4. Появляется возможность построить кинескопы по принципу самосведения лучей и тем самым исключить сложные устройства и схемы статического и динамического сведения. 7.5. Жидкокристаллические и плазменные экраны Общие сведения. С момента появления электронного телеви- дения основным элементом, осуществляющим развертку, был элек- тронный луч, а само изображение воспроизводилось на экране кине- скопа. Максимально угол отклонения электронного луча в кинескопе 110°, в связи с чем увеличение размеров изображения приводило к значительному увеличению габаритов воспроизводящего устройства — телевизора или монитора. Поэтому в течение многих лет и в на- стоящее время идут упорные поиски идей и конструкций, позволя- ющих наблюдать изображение на плоском экране воспроизводяще- го устройства, что позволяло найти практическую реализацию вос- производящим устройствам на жидких кристаллах и плоским плаз- менным экранам. Жидкокристаллические воспроизводящие устройства. Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называе- мых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и мо- дуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сиг- нал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), мо- дулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием мо- дулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становит- ся носителем промежуточного изображения (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению диапозитива). При этом свето- вой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пик- селей ПМС). К)1
148 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении по- ляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществля- ют деления изображения путем поляризации световых пучков во вза- имно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает толь- ко ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции ко- торой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости по- ляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид бу- дет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией све- та. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Откры- тие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под дей- ствием электростатического или электромагнитного поля позволили создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность кото- рого меняется под действием приложенного напряжения. Основными элементами модулятора света являются два скре- щенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристалли- ческая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой мо- жет регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модуля- тора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляриза- ции (рис. 7.7). Принцип работы жидкокристаллического экрана по- ясняет рис. 7.8. Экран состоит из нескольких слоев, основными из которых являются две стеклянные пластины 5, на которых нанесены полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя за- зор, который заполняется жидким кристаллом Полосковые решет- ки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электро- дов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота поляризации, а следовательно, и прозрач- ность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляриза- ции которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вер- тикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключа- ет с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осу- ществляет перекоммутацию горизонтальных электродов. Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покры- вают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых со- ответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских телевизоров и мониторов работают на просвет. Поэтому обязатель- ным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки. Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экра- на, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требовани- ем к световому потоку, входящем у в ЖК ячейку, является его малая расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал—свет 149 Рис. 7.7. Зависимость интенсив- ности света на выходе электронно- оптического модулятора от угла поворота плоскости поляризации Скрещенные электроды \4777777777//7//77/Л\ Я1111Ш11111Ш1Ш11 '777777777777777777Л Рис. 7.8. Конструкция ЖК электронно-оптического модулятора света: 1 — поляризатор; 2— полос- ковые электроды; 3 — стеклян- ные пластины; 4 — жидкий кри- сталл; 5— поляризатор-анализатор поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность вос- производимого изображения. Необходимость направленного светово- го излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране восприни- мается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10... 15° относительно нормали к экрану). Отклонение от заданных углов на- блюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана. Модуляционная характеристика ЖК ячейки (см. рис. 7.7) су- щественно нелинейна, что заметно снижает число воспроизводимых градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячей- ку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей форму модуляционной характеристики ячейки. ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопны- ми, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024x768 точек, высокая яркость (200...250 кд/м2) и контрастность 300:1, отсутствие геоме- трических искажений, отсутствие искажения растров и их мелька- ния. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах, карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях бытовых и профессиональных видеокамер. Плоские плазменные экраны. Сравнительно небольшие раз- меры жидкокристаллических экранов и ограниченный угол наблюде-
150 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей ния стимулировали разработку плазменных плоских экранов (пане- лей). Работа плазменной панели основана на свечении люминофоров экрана панели под воздействием ультрафиолетовых лучей, возника- ющих при электрическом разряде в плазме (разреженном газе). Кон- структивный элемент, формирующий отдельную точку изображения — пиксель, включает в себя три субпикселя, излучающих три основ- ных цвета RGB. Каждый субпиксель представляет собой отдельную микрокамеру, заполненную разреженным газом, на стенках которой нанесены люминофоры одного из трех основных цветов. Пиксели расположены в точках пересечения прозрачных разрядных электро- дов, образующих прямоугольную сетку (матрицу). Кроме разрядных электродов каждый пиксель снабжен третьим — адресным электро- дом. На разрядные электроды постоянно подается напряжение, до- статочное для поддержания разряда, но меньшее, чем напряжение зажигания. На адресный электрод подается импульс, размах кото- рого достаточно велик, чтобы зажечь разряд. Во время разряда воз- никает мощное ультрафиолетовое излучение, возбуждающее находя- щийся на стенках ячейки люминофор. При этом электроны атомов люминофора оказываются переведенными на более высокие энерге- тические уровни внешних орбит. При возвращении с внешних орбит на прежние уровни электроны излучают кванты света в соответству- ющем данному люминофору красном, зеленом или синем участке ви- димого спектра излучения. Так происходит преобразование ультра- фиолетового излучения в видимую часть спектра. Коммутационная система плазменной панели с поэлементной тактовой частотой переключает потенциалы на адресные электроды и со строчной частотой — на разрядные электроды. Интенсивность излучения трех люминофоров пикселя определяется длительностью подаваемых на адресные электроды импульсов, поэтому амплитуда сигналов трех основных цветов Ur. Ug. Ub предварительно модули- руются методами широтно-импульсной модуляции. Прогресс в развитии плазменных панелей идет необычайно бы- стро. Свидетельство тому выпускаемые плазменные телевизоры с размером экрана по диагонали 127 см. Разрешающая способность экрана 1366x768 пиксель. Яркость 400...500 кд/м2. Контраст 3000:1. Число воспроизводимых цветов 16 ♦ 106. Существенным недостат- ком плазменных телевизоров является высокая потребляемая мощ- ность и масса. 7.6. Проекционные системы Одним из направлений улучшения качества ТВ изображения является увеличение размеров воспроизводящего экрана. Большой экран позволяет осуществлять коллективный просмотр ТВ передач в домах отдыха, клубах, санаториях или специально созданных теа- трах. Он широко используется при проведении конференций и пре-
ГЛАВА 7. Телевизионные преобразователи сигнал-свет 151 Рис. 7.9. Оптическая схема про- екционной системы с жидкокри- сталлическим модулятором света: 1 — источник света; 2— оптический кон- денсатор; 3 — отражающие зеркала; 4 — дихроические зеркала; 5 — кон- денсорная система; 6— поляризатор; 7— ЖК панель; 8— поляризатор- анализатор; 9—дихроическая приз- ма; 10— проекционный объектив зентаций, в прикладных ТВ системах, например, для имитации окру- жающей обстановки в телевизионных тренажерах, а также при сле- жении за работой и управлении космическими летательными аппа- ратами. Телевизионное изображение увеличенного размера оказы- вает существенно большее эмоциональное воздействие на зрителя, усиливает эффект присутствия при наблюдении демонстрируемых событий. Потребность в увеличении экрана, безусловно, возрастет в случае внедрения нового ТВ стандарта с большим числом строк разложения. В настоящее время для получения ТВ изображения на большом экране широко используется проекционные светоклапанные систе- мы, в которых свет от внешнего источника модулируется простран- ственным модулятором света (ПМС). В ПМС под действием моду- лирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент от- ражения модулирующей среды. Интенсивность излучения, а следо- вательно, и яркость экрана таких систем определяются лишь мощ- ностью внешнего источника. В большинстве проекционных свето- клапанных систем в качестве ПМС используется жидкокристалли- ческая ячейка (см. § 7.5). Оптическая схема проекционной системы с жидкокристалличе- скими модуляторами света представлена на рис. 7.9. Световой поток, создаваемый высокоэффективной лампой 7, проходит конденсорную систему 2, компенсирующую спад светового потока от центра к пе- риферии. Далее с помощью нормальных 3 и дихроических 4 зеркал световой поток разделяется на три спектральных составляющих R. G и В первичных цветов. Разделенные световые потоки посредством коиденсорной системы 5 направляются на соответствующую панель ЖК, каждая из которых представляет собой пакет из двух скрещен- ных поляризаторов (входного и выходного поляризатора-анализатора Л’) и помещенных между ними ЖК ячеек 7. ЖК панели расположены па. минимальном расстоянии от дихроической призмы 9. суммирую-
152 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей щей модулированные по интенсивности световые потоки первичных цветов и направляющей их в проекционный объектив 10. Ячейки ЖК панелей образуют матрицу, степень прозрачности каждого пикселя которой определяется дополнительной поляриза- цией ЖК ячейки. Величина дополнительной поляризации является функцией приложенного к данному пикселю напряжения. Использование поляроидной сепарации в оптической ЖК пане- ли приводит к 50 % потери света на входных поляризаторах, про- пускающих только полезную Р составляющую линейного поляризо- ванного светового потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную S-составляющую. Поэтому в современных высокоэф- фективных проекторах применяются конверторы поляризации, пре- образующие составляющую S светового потока в Р [25]. Появление новых термостойких ЖК панелей, модулирующих при пропускании или отражении световой поток от мощного источ- ника света, обусловило создание компактных видеопроекционных си- стем. Изображение, получаемое с помощью таких систем, обладает высокой разрешающей способностью — 1280x1024 и более и контрас- том 300:1. Яркость изображения зависит от размеров экрана и зна- чения светового потока, излучаемого проектором, который в лучших образцах достигает 2000 лм. Глава 8 РАЗВЕРТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 8.1. Отклонение электронного луча Отклоняющая система. Развертка изображений в ТВ устрой- ствах осуществляется отклонением электронного луча по определен- ному закону. Электронный луч может быть отклонен с помощью как изменяющихся электрического (используются отклоняющие пласти- ны), так и электромагнитного (используются отклоняющие катуш- ки индуктивности) полей. При линейно-строчном законе развертки на отклоняющие пластины подается отклоняющее пилообразное на- пряжение, а в отклоняющих катушках создается отклоняющий пи- лообразный ток. На заре развития электронного телевидения применялись оба способа отклонения электронного луча. Однако по мере увеличения размеров экрана кинескопа и увеличения угла отклонения стала вид- на непригодность отклонения электронного луча в кинескопе элек- трическим полем. В этом случае предельный угол отклонения, при
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 153 Рис. 8.1. Отклоне- ние электронного луча в электронно- лучевой трубке Рис. 8.2. Зависимость отклонения луча от откло- няющего тока котором еще можно считать дефокусировку луча допустимой, соста- вляет не более 30°. Для больших экранов современных телевизоров угол отклонения электронного луча в кинескопах достигает 110° и более. Электромагнитное отклонение электронного луча в кинеско- пе позволяет получать указанные углы отклонения без существенной дефокусировки электронного луча. При отклонении электрическим полем для размера экрана 67 см длина колбы кинескопа составляет 123 см, а при отклонении электромагнитным полем 24 см, т.е. выигрыш почти 5 раз. При отклонении электронного луча электрическим полем необ- ходимо на отклоняющие пластины подавать напряжение, составляю- щее примерно одну треть от напряжения на главном аноде, которое в современных кинескопах равно 16... 25 кВ. При этом отклоняющее напряжение должно быть 5.. .8 кВ, что достигнуть трудно и нецеле- сообразно экономически. В связи с чем в кинескопах современных телевизоров используется исключительно электромагнитное откло- нение электронного луча. Для электромагнитного отклонения лу- ча на ЭЛТ устанавливается отклоняющая система (рис. 8.2, слева изображено равномерное магнитное поле в сечении отклоняющей си- стемы), создающая магнитное поле, которое отклоняет электронный луч так, чтобы он перемещался ио поверхности экрана (мишени) в соответствии с требуемым законом развертки. Закон развертки опре- деляет изменение во времени напряженности отклоняющего поля и тем самым изменение тока, протекающего по катушкам отклоняю- щей системы и создающего указанное поле. Объясним воздействие магнитного поля на электронный луч. При отклонении электронного луча равномерным электромаг- нитным нолем траектория движения электронов имеет вид окруж-
154 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей ности с радиусом R = ^-y/2mUa/e, 11 где Ua — напряжение на втором аноде; т и е — масса и заряд элек- трона: Н — напряженность магнитного поля. Перемещение луча в плоскости экрана у = Ltga (рис. 8.2). Из подобия треугольников О АВ и СЕР следует, что /о = Я/р R y/2(m/e)Ua’ (8.1) ИЛИ у — L tg arcsin Hip y/2(m/e)Ua’ (8-2) где L — расстояние от центра отклоняющего поля до экрана; 1$ — длина отклоняющего поля. Анализ выражения (8.2) показывает, что при линейном переме- щении луча напряженность поля должна изменяться во времени по сложному закону. Это особенно важно учитывать при построении развертывающих устройств для кинескопов с углом отклонения боль- ше или равным 90° и плоским экраном. Рассмотрим характерные геометрические искажения, возникаю- щие на плоском экране при таких углах отклонения. Как видно из рис. 8.2, отклонение луча растет быстрее (см. рис. 8.1, сплошная кри- вая), чем отклоняющий ток; появляются симметричные геометриче- ские искажения растра, т.е. края растра получаются растянутыми. Чтобы уменьшить эти искажения, необходимо добиваться неравно- мерности воздействия на луч отклоняющего поля внутри горловины кинескопа, что достигается либо соответствующей динамической кор- рекцией формы тока отклонения (S-коррекция), либо рациональным размещением витков кадровых катушек (КК) и строчных катушек (СК) (рис. 8.3,а) по сечению. Связь между напряженностью магнитного поля Н и числом ампер-витков геи, создающих это поле, определяется интегралом Ам- пера: /яШ = 0,4тггщ. (8.3) Интегрирование ведется по замкнутому контуру I. Для данного слу- чая I — замкнутая силовая линия (рис. 8.3,а), причем число ампер- витков определяется произведением тока, протекающего в катушках, на число витков, расположенных внутри контура I. Магнитный сер- дечник (на рис. 8.3,а не показан) имеет магнитную проницаемость, в сотни раз большую, чем магнитная проницаемость вакуума, поэтому и напряженность магнитного поля в сердечнике оказывается в сотни
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 155 Рис. 8.3. Поперечное сечение отклоняющей катушки: а — создание отклоняющего магнитного поля; б — упрощенный вид пары седло- видных катушек раз меньшей. Это позволяет при вычислении интеграла (8.3) прене- бречь той его частью, которая относится к участку силовой линии, находящейся внутри сердечника. Кроме того, при линейном законе развертки на участке силовой линии внутри горловины трубки по- ле должно быть равномерным, т.е. напряженность поля Н = const в любой точке горловины. Поэтому $Н dl Н j dl = Hd sin tp = 0,4тгга^, откуда Hd . W - sm 0,4тг где d — диаметр горловины трубки. Для силовой линии, проходящей по диаметру горловины, т.е. при <р — 90°, полное число ампер-витков пары отклоняющих катушек шп = Я(й/0,47г). (8.4) Подставляя значение Н из (8.4) в (8.1) и зная заряд и массу элек- трона, получаем = 2,7^sina\/77a. (8.5) f'O Таким образом, полное число ампер-витков отклоняющей систе- мы пропорционально синусу угла отклонения электронного луча. С достаточной для практических расчетов точностью индуктив- ность пары отклоняющих катушек, Гн, Ln = 1ош^ 10-8. (8.6)
156 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Для увеличения чувствительности к отклонению, т.е. получения заданного угла отклонения возможно меньшим числом ампер-витков, колбы кинескопов с большим углом отклонения (110°) должны иметь плавный переход от горловины к раструбу. Для этого часть отклоня- ющих катушек необходимо располагать в месте этого перехода. Та- ким образом, увеличивается электрическая длина катушки, и соглас- но (8.5) необходимое число отклоняющих ампер-витков может быть уменьшено. При этом уменьшаются искажения изображения на пе- риферии экрана за счет краевых эффектов и затенения. Выведенные соотношения (8.2) и (8.5) основываются на предпо- ложении, что магнитное поле отклоняющей системы однородно и от- клоняющий ток линейно изменяется в течение прямого хода разверт- ки. Однако, изменив распределение магнитного поля, сделав его не- однородным, можно получить другие результаты. При неоднородности магнитного поля возникают подушкообраз- ные либо бочкообразные искажения. Следовательно, можно, подби- рая характер неоднородности поля в горловине кинескопа, компен- сировать искажения, вносимые плоским экраном кинескопа. Тре- буемая для компенсации искажений кинескопа неоднородность поля создается изменением распределения витков в сечении отклоняющей катушки. Как видно из рис. 8.3,а, для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению отклоняющей катушки должно быть неодинаково. Если для получения равномерного поля распределение плотности витков по сечению должно соответствовать косинусоидальному закону (зависимость от угла <р), то для компенса- ции искажений необходимо, чтобы распределение витков происходи- ло по закону cos2(/? или cos3<р. Однако введение неоднородных полей для компенсации геометрических искажений приводит к некоторо- му ухудшению фокусировки луча на краях вследствие астигматизма поля. Поэтому часто для черно-белых кинескопов принимают та- кое распределение витков, чтобы добиться хорошей фокусировки, а корректировку поля осуществляют одной или двумя парами вспомо- гательных постоянных магнитов, смонтированных в передней части отклоняющей системы, прилегающей к колбе кинескопа. Эффективным способом борьбы с искажениями от плоского экра- на кинескопа является подбор специальной формы отклоняющего то- ка, обеспечивающей требуемое отклонение луча по всему растру. В черно-белых кинескопах для этой цели применяется S-коррекция то- ка отклонения в выходных каскадах генераторов, а в цветных теле- визорах кроме S-коррекции тока отклонения используется взаимная перекрестная модуляция отклоняющих токов, о чем будет сказано в следующих разделах. При конструировании отклоняющей системы необходимо обеспе- чить минимальное значение отклоняющего тока для получения за- данных размеров изображения, создать хорошую фокусировку луча в пределах всего ноля изображения, избежать подушкообразных и
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 157 других геометрических искажений. При этом конструкция должна быть простой, габариты, масса и стоимость — малыми. Современная конструкция отклоняющей системы широкоуголь- ного кинескопа выполнена на тороидальном панцире из феррита, имеющем раскрыв по форме перехода от горловины к раструбу кине- скопа. Внутрь тора вложена пара катушек СК седловидной формы (см. рис. 8.3,6), плотно прилегающих к стеклу колбы. В окнах этой пары катушек (ортогонально) размещаются две встречно включен- ные КК, намотанные непосредственно на торе ферритового панци- ря. При таком исполнении отклоняющая система получается очень компактной и с минимальными потерями в меди КК, однако с от- носительно большой реактивностью, что необходимо учитывать при конструировании генераторов кадровой развертки. К конструкции отклоняющих систем для цветных масочных ки- нескопов предъявляется ряд дополнительных требований по сравне- нию с отклоняющими системами для черно-белых кинескопов. В них следует обеспечить такое сведение лучей при отклонении, которое позволило бы осуществить необходимое динамическое сведение лу- чей по полю экрана, чистоту цвета изображения на экране при со- блюдении жестких допусков на электрические и конструктивные па- раметры. Для сравнения отклоняющих систем вводится понятие эффек- тивности и электрической прочности. Эффективность отклоняющих систем характеризуется максимальной энергией магнитного поля, не- обходимой для полного отклонения лучей: 1) по горизонтали СК Жтр = LPzmmj2U&, где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; L — результирую- щая индуктивность, Гн; U& — ускоряющее напряжение на втором аноде кинескопа, кВ; 2) по вертикали КК И/каДр=Л/2тах/1/а) где Дтах — амплитуда отклоняющего тока, A; R — результирую- щее активное сопротивление, Ом. Отклоняющие системы цветного телевидения обычно работают при напряжении на втором аноде кинескопа 25 кВ, а отклоняющие системы черно-белого телевидения — при напряжении 16 кВ. В ре- зультате этого при одинаковых углах отклонения и диаметрах горло- вины кинескопа эффективность отклоняющих систем цветных теле- визоров в 1,5-2 раза меньше, чем эффективности отклоняющих си- стем черно-белых телевизоров. Электрическая прочность отклоняющих систем, измеряемая в вольтах, должна быть больше максимального напряжения /7тах на (К во время обратного хода Тох.
158 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей 8.2. Эквивалентная схема отклоняющей системы В связи с большой разницей рабочих частот генераторов разверт- ки строчного и кадрового отклонений (частота строчной развертки — 15625 Гц, а частота полей — 50 Гц, т.е. примерно в 300 раз) принци- пы действия и схемы их также различны. Для получения неискаженной формы импульсов с точностью, удовлетворяющей практические инженерные расчеты, достаточно воспроизвести 20-ю гармонику сигнала. При этом для строчного ге- нератора верхняя граничная частота спектра сигнала 15625 х 20 = = 300 кГц, а для кадрового — всего 50 х 20 = 1 кГц. На рис. 8.4,а изображена эквивалентная схема отклоняющей си- стемы. Здесь Гк, гк и Ск — соответственно индуктивность, активное сопротивление и межвитковая емкость катушек отклонения. Емко- стью Ск в схеме кадровой развертки можно пренебречь, но на строч- ной частоте паразитная межвитковая емкость может значительно влиять на форму и размах отклоняющего тока и напряжения. Пре- небрегая емкостью Ск, легко определить, какие управляющие напря- жения следует подавать на отклоняющую систему: ГТ ГТ тт г Дк — Ъl 4“ Ur — LK— 4- ткг. dt Так как ток, протекающий через катушки, меняется по линейно- му закону (рис. 8.4,5), то i = It/Т и, следовательно, UK = (LK/T)I + 4-7'kZ(Z/T), где Т — длительность строки или кадра; I — размах тока. Для получения пилообразного тока в отклоняющих катушках необходимо на них подавать напряжение, содержащее пилообразную и импульсную составляющие. Рис. 8.4. Получение пилообразного тока в отклоняющих катушках: а — эквивалентная схема; б-д — форма тока и напряжений отклоняющей системы
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 159 Когда rK cjLk, приложенное напряжение практически со- ответствует форме протекающего тока и является пилообразным (рис. 8.4,в). При rK «С wLK напряжение имеет импульсную форму, так как форма его определяется производной тока (рис. 8.4,г). Если u>LK и гк соизмеримы, то для получения пилообразного тока в ка- тушках отклонения необходимо подавать напряжение пилообразно- импульсной формы (рис. 8.4,д'). Соотношение импульсной и пи- лообразной составляющих напряжения определяется соотношением значений LK и тк. Таким образом, всякая система развертки должна включать в себя специальное формирующее устройство для получения управля- ющего напряжения требуемой формы. Такое напряжение легко мож- но было бы получить преобразованием синхронизирующих импуль- сов. Однако практически в схему развертывающего устройства все- гда входит специальный генератор напряжений импульсной формы (генератор импульсов), который синхронизируется приходящими им- пульсами. Такая система более помехоустойчива, и ее работа не за- висит от формы и уровня синхронизирующих импульсов. В общем случае всякое развертывающее устройство состоит из генератора импульсов (задающий генератор), каскада формирования управляющего напряжения и выходного каскада. 8.3. Выходной каскад строчной развертки на двустороннем ключе Рассмотрим работу выходного каскада строчной развертки, в ко- торой активным прибором служит ключ К, прерывающий протекание тока через отклоняющую катушку (рис. 8.5,а). Для простоты рассу- ждений можно принять сопротивление потерь гк от реального ключа и реальной катушки в цепи выходного каскада равным бесконечно малой величине, т.е. тк = 0. В таком случае при замыкании ключа через катушку LK потечет ток il - у- / Eq dt. ^к J При значении Zmax, определенного для данной отклоняющей ка- тушки в момент времени ti (рис. 8.5,5) ключ размыкается, и в кон- туре LKC возникнут свободные колебания. При идеальном конту- ре эти колебания будут незатухающими с периодом 7q. При этом ток изменяется по косинусоидальному закону, а напряжение — по синусоидальному: i L — -Лпах COS С^о^, U L — Hmax Sill На диаграмме токов и напряжений отмечены моменты време- ни /|, f-2 и f3, фиксирующие максимальную энергию в катушке маг-
160 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 8.5. Выходной каскад строчной развертки: а — эквивалентная схема; б, в — форма напряжения и тока НИТНОГО ПОЛЯ WL = LKI2/2 и в конденсаторе электрического поля Wc = CU2/2 соответственно. При следующем замыкании ключа в момент времени пере- магниченная катушка с запасенной энергией магнитного поля будет разряжаться на источник питания, у которого внутреннее сопроти- вление Ri = 0. Следовательно, с момента до момента катушка освобождается от запасенной энергии по тому же закону изменения тока, что и до момента Zi, но в другой полярности. Момент време- ни характеризует перемену в направлении тока, так как катушка снова начинает запасать энергию до очередного выключения ключа в момент t4. Как видно из диаграммы тока, идеализированная схе- ма с ключом способна генерировать пилообразный ток, в среднем не потребляя энергию от источника, так как отрицательная полуволна тока симметрична ее положительной части. Однако необходимо со- блюдать определенную синхронизацию в работе ключа (моменты t±, £з), обязательную двустороннюю проводимость его и правильность выбора реактивных параметров схемы LK и С. Правильность выбора этих параметров состоит в том, чтобы в контуре полу период сво- бодных колебаний укладывался в длительность Т% обратного хода строчной развертки, тогда при Т = (1/2)ТЬ и Tq = 2п\/ЬкС параме- тры колебательного контура в схеме развертки будут определяться соотношением Т-2 = тг\/ЬкС. При определении пригодности активных приборов, используе- мых в качестве ключа, в подобной схеме можно воспользоваться дву-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 161 мя оценочными параметрами: максимальным током 1КЛ тах замкну- того ключа (см. рис. 8.5,6) и максимальным напряжением UKJl max разомкнутого ключа. Для этого обратимся к диаграмме рис. 8.5,6и обозначим пределы интегрирования для тока в катушке во время прямого хода Д: • - J_ Г1/2 р т - — j- I -М) dt, /Шах — -г ~ • JQ -^к * Таким образом, I — I — — — 2кл max — 2max — у <-, • В свою очередь, за время свободных колебаний напряжение на индуктивности di и = £/к — = —С^о^кЛпах sin ^0^- at При этом амплитуда колебаний напряжения ^тах — /тах, И после подстановки известных CJq И /max получим [7тах = -Ео —. J-2 Как видно из схемы рис. 8.5,а и диаграммы рис. 8.5,в, макси- мумы напряжения на разомкнутом ключе во время обратного хода Д определяются как Дкл max ~ ^тах “Ь Как правило, это напряжение многократно превышает напряже- ние источника питания и в практических схемах эта кратность при- ближается К 10. . . 15, Т.е. t/max кл = Ю...15Е(). Произведение UKJl max и 1кл тах, характеризующее работоспособ- ность ключа в такой схеме, называется «разрывной мощностью» Рразр ~ Апах(^Лпах 4" -®о)‘ На практике в схемах строчной развертки при выборе в качестве ключа ламп, транзисторов или тиристоров необходимо руководство- ваться следующими неравенствами: /доп ^Anaxi Дцоп ^тах И /допДцоп Рразр, где /доп и Uдоп — допустимые ток и напряжения для прибора. Рассмотрим влияние активного сопротивления потерь гк (кату- шек отклонения и ключа) на форму тока при прямом ходе. Влиянием I 1
162 ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 8.6. Эквивалентная схема генератора строчной развертки на прямом ходе Рис. 8.7. Формы тока и напряжений при гк — О емкости обратного хода С при прямом ходе можно пренебречь. Таким образом, эквивалентная схема выходного каскада строчной разверт- ки упрощается (рис. 8.6). Конечное значение сопротивления гк явля- ется причиной потерь мощности, а также приводит к геометрическим искажениям изображения, проявляющимся обычно в растяжении его левого края и сжатии правого. Ток в катушке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 8.7): где т = LK/rK — постоянная времени катушки. Нелинейность отклоняющего тока на прямом ходе оценивается коэффициентом нелинейности _ \di/dt\t=o ~ \di/dt\t=n \di/dt\t=0 где \di/dt\t=o — \di/dt\t=T! — скорости изменения тока в начале и конце прямого хода соответственно. Формы тока и напряжения на обратном ходе будут почти такими же, как и в идеализированной схеме, поскольку источник питания Ео отключается и образуется ко- лебательный контур CLK, но с потерями от активного сопротивления катушки. Поэтому | + Zmax| > I ~ Zmax| из-за затухания колебаний в контуре, вследствие чего весь цикл пилообразного тока в реаль- ной цепи с потерями смещается вверх относительно нуля. Други- ми словами, появляется постоянная составляющая тока отклонения Iq. Зависимость коэффициента нелинейности от параметров схемы (см. рис. 8.6) можно определить, продифференцировав по времени
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 163 выражение тока на прямом ходе: откуда di Eq dt t=o di Ео гк -г. = — ехР dt 7 к LK di Eq dttT =Z7exp Подставляя эти значения скорости изменения тока в выражение для коэффициента нелинейности, получаем К„ = 1- expt-T,/?). При малых нелинейностях, учитывая, что 1 — ехр(—х) « гг, при х < 1 лн ~ — т ? т LK т.е. для уменьшения нелинейности нужно стремиться к уменьшению гк и увеличению индуктивности LK отклоняющих катушек. Прак- тически при Кн < 0,05 геометрические искажения для глаза неза- метны. Допустимыми считаются искажения при Кн 0,1...0,15 в черно-белом телевидении и /<н С 0,03...0,05 в цветном телевидении. 8.4. Практическая схема генератора строчной развертки на транзисторе Из существующих активных электронных приборов — ламп, транзисторов и тиристоров — в настоящее время в наибольшей степе- ни соответствуют свойствам двустороннего ключа специально разра- ботанные биполярные транзисторы большой мощности с малой инер- ционностью. Это позволяет реализовать описанный принцип получе- ния пилообразного тока наиболее экономично, чего невозможно было добиться на лампах и тиристорах вследствие их специфических осо- бенностей. Так, лампа не способна быть хорошим ключом с двусто- ронней проводимостью, а тиристор требует усложнения схемы из-за трудностей управления его проводимостью. Поэтому современные генераторы строчной развертки для черно-белых и цветных кинеско- пов выполнены в основном на транзисторах. Выходной каскад. Отметим особенности работы выходного каскада строчной развертки на транзисторе. Как отмечалось, из- за. потерь в цепях выходного каскада от источника тока потребля- ется мощность Pq = EIq. Следовательно, во избежание протекания постоянного тока Iq через катушку необходимо трансформаторное или дроссельное включение отклоняющей системы в цепь генерато- ра. Как правило, используется дроссельное включение. При этом I I
пи ЧАСТЬ II. Принципы построения преобразователей Рис. 8.9. Диаграмма токов и напряжений в схеме рис. 8.8 Рис. 8.10. Выходные характе- ристики пары диод-транзистор обеспечивается более высокий КПД, так как практически вся коле- бательная мощность выделяется в отклоняющей системе. Рассмотрим работу выходного каскада на транзисторе типа п- р-п, собранного по схеме с дроссельным включением катушки от- клонения. Как видно из рис. 8.8, на базу транзистора VT подводят управляющие импульсы, периодически открывающие и закрываю- щие транзистор. Эти импульсы должны быть достаточного размаха, чтобы транзистор был либо в состоянии насыщения, либо отсечки. Для иллюстрации процессов в схеме на рис. 8.9 представлены диа- граммы токов и напряжений в характерных ее точках, т.е. процесс развертки на транзисторе вполне укладывается в теоретические по- сылки, которые были сделаны в § 8.3. Отметим лишь ряд практиче- ских особенностей схемы выходного каскада. Ввиду малого числа витков современных отклоняющих катушек (что позволяет уменьшить потери в меди), допускающих наибольшие значения постоянной времени т = LK/rK и, следовательно, наимень- шую нелинейность, в схему приходится включать отдельный конден-
ГЛАВА 8. Развертывающие устройства 165 сатор С, емкость которого существенно больше межвитковой и опре- деляется требуемой длительностью обратного хода = тгу/ЬкС. Па- раллельно транзистору включают в обратной полярности диод VD, который по традиции ламповой схемотехники называют демпфер- ным, что можно принять весьма условно. У этого диода два основных назначения. Во-первых, своей прямой проводимостью он уравнивает обратную и прямую проводимости транзистора, находящегося в на- сыщении и под воздействием ЭДС переполюсованной катушки во вре- мя первой половины прямого хода. Выбор диода осуществляется из условия согласования выходных ВАХ транзистора для положитель- ной и отрицательной полуволн тока. На рис. 8.10 приведен пример такого сопряжения, из которого видно, что у биполярного транзисто- ра выходные характеристики гк = f(UK) в первом и третьем квадран- тах существенно неодинаковы. Проводимости, определяемые для на- сыщенного состояния транзистора линиями критического режима с разными углами наклона, уравниваются при подсоединении соответ- ствующего диода и обеспечивают, таким образом, одинаковость фор- мы тока в первой и второй половине прямого хода развертки. Во-вторых, не менее важная функция у диода — избавиться от необходимости очень точного выбора момента замыкания ключа- транзистора в начале прямого хода, как это было определено для схе- мы с идеальным ключом. Очевидно^ что использование дополнитель- ного диода избавляет от этой трудно реализуемой инженерной зада- чи, так как ЭДС переполюсованной катушки в начале прямого хода автоматически включает диод в прямом направлении (см. рис. 8.9, гд) и начинается формирование пилообразного тока в его отрицательной полуволне. При этом моме