Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

111

Р{.}, отражающим свойства отображающей системы L(x, у, z, λ, t) =P{L (x, у,

z, λ, t)}. Любая реальная отображающая система вносит определенные иска-

жения, т, е. Р{.}≠1.

Изображения, отражающие свойства объектов сцены, могут быть ди-

намическими (изменяющимися во времени) и статическими. Статические

изображения описываются функцией яркости L (x, у, z,

λ), не зависящей от

времени.

По отношению к пространственным координатам различают изобра-

жения объемные и плоские. Плоские изображения описываются функцией

двух пространственных координат L (x, у, λ, t).

Зависимость от λ позволяет разделить изображения по этому парамет-

ру на три группы: цветные, ахроматические и монохроматические. Спектр

излучения каждого элемента

цветного изображения или более крупных его

фрагментов различен: L (x, у, z, λ, t); спектр излучения каждого элемента ах-

роматического изображения одинаков: L(λ)=const. Монохроматические изо-

бражения являются частным случаем ахроматических, когда спектр каждого

элемента изображения представляет собой узкую спектральную зону около

центральной длины волны. Например, запись L(x, у, λ, t) означает

, что изо-

бражение плоское цветное динамическое.

В процессе взаимодействия с исследуемыми объектами, как уже отме-

чалось, происходит модуляция не только амплитуды электромагнитной вол-

ны, а следовательно, и интенсивности, но и ее фазы. Пространственно-

временная картина модуляции фазы несет информацию об изучаемых объек-

тах, что послужило основанием для создания голографических телевизион-

ных и других систем регистрации.

Следует отметить, что приведенная классификация не накладывает ог-

раничений на области определения функции L (

). Такие изображения могут

рассматриваться в рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрас-

ной и других областях спектра электромагнитного излучения.

Из физической природы излучения следует, что функция яркости или

освещенности всегда конечна и положительна, т. е. 0

max

, где L

max

—

максимальная яркость в поле изображения. Функцию яркости можно пред-

ставить и в дискретной форме— в виде соответствующих матриц чисел. На-

пример, плоское ахроматическое статическое изображение в дискретной

форме может быть представлено в виде матрицы n

, т. е. L (i,j), где

i = 1, n

; j = 1, n

. Представленное таким образом изображение называ-

ют дискретным с числом элементов n = n

При цифровой обработке изображений, передаче информации об изо-

бражении по каналу связи и в ряде других случаев удобно, если функция L

принимает значения только из конечного набора чисел L={L

,…,L

}. Та-

кое изображение называют квантованным. Частным случаем квантованного

является двоичное изображение L={0, 1}. С двоичными изображениями осо-

112

бенно часто приходится встречаться в измерительной телевизионной техни-

ке.

Приведенная классификация иллюстрирует подход к описанию изо-

бражений, развиваемый в телевизионной технике, технике обработки изо-

бражений и других областях. Такой подход оказывается наиболее эффектив-

ным при изучении изображения как объекта исследований в измерительных

телевизионных системах, как формы представления информации и при

оценке

искажений, вносимых телевизионной системой в процессе передачи

информации об изображении по каналам связи.

Для установления требований к характеристикам и параметрам систем

передачи информации (СПИ), их обоснования, а также анализа и оптимиза-

ции СПИ необходимо от физических объектов перейти к их математическим

моделям, которыми будем называть упрощенные (приближенные) описания

изображений, устройств

и происходящих в них процессов на языке матема-

тики.

В СПИ для описания физических объектов требуется пять классов ма-

тематических моделей: изображений, сигналов, каналов связи, преобразова-

телей свет — сигнал и сигнал — свет. Само же изображение тесно связано со

свойствами оптической системы. Рассмотрим математическую модель изо-

бражения.

Так как изображение связано с

распределением электромагнитного по-

ля, последнее наиболее строго может быть описано изменением амплитуды

a, фазы

и трех углов

, определяющих положение плоскости по-

ляризации в пространстве (например, в прямоугольной системе координат х,

у, z). Тогда распределение амплитуды, фазы и углов в пространстве, времени

и по длинам волн будет представлять собой совокупность пяти функций пя-

ти аргументов:

),,,,,();,,,,();,,,,();,,,,();,,,,(

321

tzyxtzyxtzyxtzyxtzyxa

которую следует рассматривать как наиболее полную математическую мо-

дель изображения. Непрерывное изображение можно представить дискрет-

ным, состоящим из N элементов, в пределах каждого из которых значения

функций остаются постоянными.

Если количество каналов связи, необходимых для передачи информа-

ции только об одном элементе изображения, обозначить М (M = 25), то для

одновременной

передачи всего изображения потребуется MN= 25 · 5 · 10

каналов связи (так как в ТВ N ≅ 5 · 10

), что физически нереализуемо.

Представленная модель изображения может быть существенно упро-

щена.

Источником информации в телевизионных системах является оптиче-

ское изображение объекта, которое формируется с помощью оптической

системы на фотоэлектрическом преобразователе (рис. 2.15).

Объект с помощью оптической системы преобразуется в изображение,

размеры которого определяются выражением:

113

h(b) = H

об

)(a/A) = H

об

)(f

/A)[1/(1- f

’/

/A)], (2.32)

где f

- фокусное расстояние объекта.

Объект

Изображение

об

А a

Рис. 2.15. Формирование изображения с помощью оптической системы

То есть масштаб изображения:

М = h/H

об

= а/А. (2.33)

Освещенность Е в плоскости изображения:

Е = 0,25

об

ос

(1 – f

/A)

⋅Ε

об

(2.34)

где

об

- коэффициент отражения объекта;

ос

- коэффициент пропускания

оптической системы; Θ = D

ос

- относительное отверстие оптической сис-

темы; D

ос

- размер входного отверстия объектива; Е

об

- освещенность объек-

тива.

В реальных условиях Е и Е

об

отличаются примерно на два порядка.

Кроме того, при А>>f

оптическое изображение можно считать пло-

ским, тогда оно характеризуется уравнением Е(X,Y,

,T), где X,Y и

- коор-

динаты точек и спектральные параметры, Т - изменение во времени изобра-

жения объекта.

Преобразование функции Е(X,Y,

,T) в электрический сигнал Е

(t) осу-

ществляется дискретизацией функции Е(X,Y,

,T) по входящим в нее незави-

симым переменным.

Если время наблюдения Т

- Т

дискретизировать на малые промежутки

времени ΔТ такие, в течение которого изображение можно считать статиче-

ским (неподвижным), то появляется возможность последовательной переда-

чи неподвижных изображений, на каждое из которых отводится такое время

ΔТ, что частота F = 1/ΔТ

≥

кр

, это необходимо для исключения ощущения

мельканий наблюдаемого изображения.

114

При передаче неподвижных изображений (например, в факсимильной

связи (в функции Е отсутствует Т и можно полагать что ΔТ=Т

- Т

, где Т

соответственно время начала и окончания предъявления объекта.

Известно, что любой цвет может быть воспроизведен тремя основны-

ми цветами (R,G,B или пурпурный, голубой, желтый - в полиграфии, фото-

графии, кинематографии, в системе цветной факсимильной связи). Поэтому

для передачи и воспроизведения цветного изображения можно всю видимую

область спектра (380...760 нм) разделить с помощью фильтров

на три зоны с

некоторыми средними значениями длин волн и передавать в канал три цве-

тоделенных или сформированных из них телевизионных сигнала.

Используя указанные методы можно от функции изображения

Е(X,Y,

,T) перейти к функции Е

(X,Y). Для перехода от Е

(X,Y) к функции

(t), где i = R,G,B - индексы цветовых зон, используют принцип дискрети-

зации изображения по координатам X и Y, при условии, что изображение

имеет ограниченные размеры. Как следует из рис. 2.15 -0,5b

≤

0,5b и

-0,5h

≤

0,5h. Исходя из конечной разрешающей способности зрения и кон-

трастной чувствительности зрения, непрерывную функцию Е(X,Y

), где

= const и Y

∈

h, можно заменить ступенчатой функцией Е

(kΔX,Y

). Ска-

занное поясняется рис. 2.16.

E(X,Y

)

0,5b-0,5b

E´(k

X,Y

)

Рис. 2.16 Дискретизация непрерывной функции

Шаг дискретизации ΔX определяется граничным значением про-

странственной частоты

гр

= 1/2ΔX, при которой распределение яркостей

функций Е(X,Y

) и E

(kΔX,Y

) оказываются неразличимыми зрением при дан-

ных условиях наблюдения.

Подобная дискретизация выполняется и в направлении оси OY с ша-

гом ΔY. На основании этого непрерывное изображение можно представить

совокупностью элементарных площадок (ΔX, ΔY), в пределах каждой из ко-

торых зрительная система не различает разницы между непрерывным и дис-

кретизированным изображениями.

Такая площадка называется элементом

изображения (ЭИ).

115

Рассмотрим обобщенную схему передачи изображений, реализую-

щую принцип дискретизации входной информации. Она представлена на

рис. 2.17.

Рис. 2.17. Обобщенная схема передачи изображений

Изображение на входе системы характеризуется распределением ярко-

сти L(X,Y) или коэффициентом отражения

(X,Y). Работа преобразователя

основана на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта: каждо-

му элементу изображения однозначно соответствует определенная величина

фототока L(X,Y)

→

(X,Y).

Передача сведений о состоянии каждого элемента изображения мо-

жет производиться одновременно или последовательно в течение времени

дискретизации ΔТ. В первом случае необходимо N каналов связи (где N -

число элементарных площадок, на которые разбито изображение), что при

N>>1 нереально. Поэтому в телевизионных системах (и в факсимильной

связи) применяется последовательная во

времени передача сигналов. При

этом по существу передаются те же N каналов, но с разделением по времени.

Процесс преобразования сигнала i

(ΔX, ΔY) в сигнал u(t) при после-

довательной передаче изображения поясняется рис. 2.18.

Информация о яркости площадки (ΔX, ΔY) модулирует сигнал u(t) по

амплитуде.

Таким образом, реализована функция анализа изображения: двумер-

ная функция распределения яркости L(X,Y) преобразована в одномерную

функцию времени u(t): L(X,Y)

→

u(t). Выполнение этой операции стало воз-

можным при совместном использовании двух решений:

1. Использование фотоэффекта: L(X,Y)

→

u(t).

2. Использование развертки: i

(X,Y)

→

u(t).

Развертка - последовательное во времени перемещение развертываю-

щего элемента в плоскости оптического изображения по определенному пе-

риодическому закону.

116

а б в г

а б в г а б в г а б в г а б в

1 2 3 4

Рис. 2.18. Последовательное во времени получение сигнала изображения

Технически оба решения реализованы в передающих телевизионных

трубках, таких как видикон, кремникон, преобразователи на базе ППЗ-

структур (ППЗ - прибор с переносом заряда). Принцип построения указан-

ных трубок дан в 3 разделе.

Синтез телевизионного изображения включает также два решения:

1. Использование развертки: u(t)

→

(X,Y).

2. Электронно-оптическое преобразование сигнала: i

(X,Y)

→

L(X,Y).

При этом, очевидно, развертка при передаче и приеме должна быть

синхронной и синфазной.

Синхронность предполагает равенство частот разверток.

Синфазность предполагает одновременность развертки одноименных

элементов изображения при анализе и синтезе.

Обеспечение синхронности и синфазности разверток освобождает от

необходимости непрерывной передачи координат элементов, так как законы

разверток могут быть заранее известны

и есть возможность обеспечения их

стабильности во времени.

2.4. Развертка изображения. Чересстрочная развертка

При поэлементной передаче изображения возможны различные спосо-

бы развертки. Выбор того или иного способа определяется, в первую оче-

редь, назначением системы. Кроме того, существуют и общие требования к

развертке. Основные из них формулируются следующим образом.

1. Развертка должна

производиться с минимальным временем на об-

ратный ход (время перехода от опроса N элемента к опросу первого элемен-

та). Увеличение этого времени приводит к росту верхней граничной частоты

спектра сигнала или к потере четкости.

2. Скорость развертки по возможности должна быть постоянной. Не-

постоянство скорости приводит к специфическим искажениям изображения.

Развертка

при передаче и приеме должна производиться по одинако-

вому закону, должна быть синхронной и синфазной.

117

Указанные требования в ряде случаев являются противоречивыми, по-

этому при реализации развертывающих устройств в каждом случае учиты-

ваются наиболее существенные требования, исходя из назначения и условий

практического использования системы передачи информации.

При наличии только одного канала связи используют идею последова-

тельной передачи изображений по элементам, которую независимо друг от

друга предложили

русский ученый П. И. Бахметьев в 1880 г. и португаль-

ский А. де Пайва в 1879 г.

В простейшем случае эта идея может быть осуществлена следующим

образом. Источник света 2 освещает объект 1 (рис 2.19, а).

Рис. 2.19. Преобразование изображения в электрический сигнал:

а – схема преобразования; б – траектория перемещения развертывающего элемента

Его изображение (рис. 2.19, б) с помощью объектива 3 строится в плоскости

4, в которой расположено развертывающее устройство 6, перемещающее

развертывающий элемент (РЭ), например диафрагму, в плоскости входного

изображения 4. Поэтому РЭ пропускает последовательно световой поток от

каждого элемента изображения на собирательную линзу 5, которая направ-

ляет его на фотоэлемент (ФЭ). Возникающий

ток i

на резисторе нагрузки

, образует напряжение сигнала, мгновенная величина которого пропор-

циональна яркости данного элемента изображения. Рабочая поверхность ФЭ

должна равняться площади элемента изображения (если он перемещается

вместе с РЭ) или входного изображения (если он неподвижен). Так произво-

дится анализ изображения — преобразование пространственного потока во

временную последовательность.

Для синтеза изображения на приемной стороне можно

источник све-

та, модулируемый сигналом, расположить в том месте, где на рис. 2.19 пока-

зан объект, вместо объектива 3 установить собирательную линзу,

а за раз-

вертывающим устройством - матовое стекло. При согласованном движении

РЭ на передающей и приемной стороне выходное изображение формируется

118

на матовом стекле.

Одним из способов развертки, применявшимся в практике ТВ, была

механическая развертка по системе преобразования I (рис. 2.20), предложен-

ная в 1884 г. П. Нипковым (когда еще не существовало кино).

Рис. 2.20. Диск Нипкова

Суть метода состоит в том, что в качестве развертывающего устройст-

ва (см. рис. 2.19) используется непрозрачный диск, в котором сделаны от-

верстия, расположенные по спирали и смещенные друг относительно друга

на величину своего диаметра. За диском установлена неподвижная рамка с

вырезом. При вращении диска через отверстие на ФЭ или фотоэлектронный

умножитель (ФЭУ

) последовательно во времени проходит световой поток от

элементов изображения первой строки. Когда первое отверстие выйдет за

пределы выреза рамки, второе отверстие войдет в него, и начнется развертка

элементов второй строки и т. д.

1 октября 1931 г. впервые в Москве и ряде других городов страны бы-

ли начаты ТВ передачи, в которых

на передающей и приемной сторонах ис-

пользовался диск Нипкова. Развертка изображения имела следующие пара-

метры: число строк z = 30, частота кадров f

= 12,5 Гц, сигнал изображения

занимал узкую полосу частот, что позволяло передавать его по радиовеща-

тельным каналам. При таких параметрах качество передаваемых изображе-

ний было, естественно, низким. Повысить же его путем увеличения количе-

ства строк и частоты кадров невозможно: чтобы обеспечить параметры со-

временного телевидения (z = 625; f

= 25 Гц), потребовался бы огромный

диск (диаметром более 12 м при размере воспроизводимого изображения

примерно 7×5 см

и диаметре отверстия в диске 0,1 мм), вращающийся с

большой скоростью.

Недостатками данной механической развертки являются: крайне низ-

кая чувствительность преобразователя свет — сигнал, плохая четкость, ма-

лый размер экрана и слабая яркость воспроизводимого изображения. Низкая

чувствительность объясняется тем, что свет поступает на ФЭ через малое от-

119

верстие в течение ограниченного времени, равного времени передачи одного

элемента. Световые потоки от остальных элементов изображения в это время

не используются. Поэтому такую систему называют механической системой

мгновенного действия, так как мгновенное значение фототока пропорцио-

нально освещенности передаваемого в данный момент элемента изображе-

ния.

Возможны различные варианты разверток. В качестве

примера рас-

смотрим некоторые из них (рис. 2.21).

Рис. 2.21. Растры при различных видах развертки:

а –спиральная; б – зигзагообразная; в - шаговая

Одной из простейших является спиральная развертка (рис. 2.21, а).

Однако при неизменной угловой скорости развертки линейная скорость раз-

вертывающего элемента пропорциональна расстоянию до центра изображе-

ния. Следовательно, для обеспечения постоянства линейной скорости, что

важно с точки зрения спектрального состава сигнала, угловая скорость

должна быть переменной.

При зигзагообразной развертке растр имеет вид, представленный

на

рис. 2.21, б. При этом траектория направления разверток от строки к строке

и от кадра к кадру изменяются на противоположные (см. рис. 2.21, б) и рас-

стояние между осями строк не остается постоянным. В этом случае при со-

гласовании размеров апертуры (развертывающего элемента) с шагом разло-

жения в средней части строки,

на краях изображения наряду с пропусками

появляются участки, перекрываемые соседними строками (заштрихованные

участки на рис. 2.21, б).

Пропущенных и дважды переданных участков может не быть, если пе-

рейти к шаговой развертке (рис. 2.21, в) в поперечном к осям строк направ-

лении и соответствующим образом выбрать диаметр апертуры. Однако во

всех случаях изменение направления

сканирования на противоположное

резко усиливает требования линейности развертки (нелинейность развертки

сопровождается расслоением изображений, передаваемых при различных, в

том числе и встречных, направлениях разверток).

Поэтому в телевизионных системах используются строчная и про-

грессивная (чересстрочная) развертки.

120

Рассмотрим сущность строчной развертки на примере передачи изо-

бражения с размером b

h, как показано на рис. 2.22.

b x,T

РЭ

y,T

Рис. 2.22. Строчная прямолинейная растровая развертка

Развертывающий элемент (РЭ) имеет размеры 2h

. В начале цикла

развертки РЭ находится в верхнем левом углу.

Совокупность элементов изображения, пройденных РЭ в одном на-

правлении (оси ОX), образует строку. После достижения правой границы

изображения РЭ мгновенно перемещается к левому краю и одновременно

смещается вниз (по оси OY) на величину шага развертки

. После этого про-

изводится развертка следующей строки и т.д.

Шагом развертки называется расстояние между центрами строк.

Если строки плотно примыкают друг к другу, то 2h

. Обычно

=2b

Рассмотрим основные характеристики строчной развертки.

Число элементов в строке:

= b/

(2.35)

Если время развертки строки T

, то скорость и частота строчной раз-

вертки:

= b/T

, F

= 1/T

. (2.36)

Число строк разложения (количество элементов разложения по оси

OY):

= h/

(2.37)

Если время развертки кадра (время просмотра всех элементов разло-

жения) T

, то скорость и частота в направлении кадровой развертки:

= h/T

, F

=1/T

. (2.38)

Из (2.36) и (2.38) следует, что периоды и частоты кадровой и строчной

разверток связаны между собой соотношениями:

= ZT

, F

= ZT

(2.39)