uzluga.ru
добавить свой файл
1 2 ... 28 29
Министерство образования Российской Федерации


Уральский государственный технический университет


В.И. Гадзиковский


ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ


Екатеринбург – 2000


УДК 621.397.13(075.8)


Автор: Гадзиковский Викентий Иванович


ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ: Учебное пособие /В.И. Гадзиковский.

– Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 274 с.


Рассмотрены принципы передачи телевизионных изображений, основные телевизионные устройства, стандартные телевизионные системы NTSC, PAL, SECAM, принципы построения цифрового телевидения, телевидения высокой четкости. Дается представление о методах передачи сигналов дополнительной информации, принципах видеозаписи.

Пособие предназначено для студентов специальности 2007 – Радиотехника и 2016 – Радиотехнические системы и комплексы.


Библиогр. 16 назв. Рис. 199. Табл. 7.


РЕЦЕНЗЕНТЫ:



  • Уральский государственный

технический университет, 2000

ВВЕДЕНИЕ


Телевидение (ТВ) – это область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей оптических изображений с помощью электрических сигналов. Основная задача ТВ состоит в получении на приемном ТВ-устройстве изображения, соответствующего объекту передачи. Эта задача решается сложным комплексом аппаратуры, осуществляющей операции кодирования и декодирования, передачи и приема, преобразования и обработки электрических сигналов и визуальной информации [1].

В основе ТВ лежат три физических процесса: 1) преобразование световой энергии в электрические сигналы, 2) передача и прием электрических сигналов, 3) преобразование электрических сигналов в оптическое изображение [1].

Современное ТВ базируется на двух основных принципах:

1) временная и пространственная дискретизация изображения, т.е. представление его в виде последовательности неподвижных изображений (кадров), которые, в свою очередь, разбиваются на совокупность отдельных элементарных площадок (элементов разложения), из которых образуется мозаичная структура кадра;

  1. поочередная передача информации об элементах разложения.

Научной базой развития ТВ послужили открытия ученых многих стран мира, в том числе и России [1]:

  • проект «Телефотографа» П.И. Бахметьева с последовательной (поочередной передачей элементов изображения (1980),

  • исследования А.Г. Столетова в области фотоэффекта (1888 — 1890),

  • изобретение беспроволочного телеграфа (радио) А.С. Поповым (1895),

  • разработка Б.Л. Розингом «катодной телескопии» с использованием для получения изображения электронно-лучевой трубки (1907 — 1911).

Эти работы явились фундаментом, на базе которого стало возможным развитие ТВ.

Среди зарубежных ученых большой вклад в становление и развитие ТВ внесли [1]:

  • Де-Пайва, разработавший проект ТВ-системы с одним каналом связи при поочередной передаче элементов изображения (Португалия, 1879),

  • Н. Нипков, предложивший метод механической развертки изображения (диск Нипкова) и положивший начало развитию механического ТВ (Польша, 1884),

  • Кемпбел Суинтон, предложивший электронную систему ТВ (Англия, 1908).

Большой вклад в теорию и технику ТВ внесли также видные советские ученые: С.И. Катаев, П.В. Шмаков, Я.А. Рыфтин, П.В. Тимофеев, В.Г. Брауде, С.В. Новаковский, И.А. Росселевич, М.И. Кривошеев, Е.А. Орловский и др.

Все многообразие ТВ-систем можно классифицировать по следующим главным признакам:

  • по качественному признаку: черно-белые, цветные, стереоскопические ТВ-системы,

  • по методу передачи и обработки сигналов: аналоговые и цифровые ТВ-системы,

  • по ширине частотного спектра сигнала (полосе канала связи): широкополосные и узкополосные ТВ-системы.

ТВ-системы могут быть классифицированы и по другим признакам, например, по способу развертки изображения или по очередности передачи информации об элементах разложения.

В настоящее время ТВ находится накануне не только количественного, но и качественного перехода на новую ступень развития. Разработка твердотельных фотоэлектрических преобразователей, плазменных панелей, переход на цифровые методы обработки сигналов и новые стандарты развертки (ТВ высокой четкости), использование телевизора как многофункционального устройства, развитие новых систем видеозаписи, микроминиатюризация аппаратуры – все это коренным образом преобразует ТВ и приведет его к более широкому внедрению в различные сферы человеческой деятельности [1].

Уже используются искусственные спутники Земли для организации многопрограммного ТВ-вещания, создаются системы спутниковой ретрансляции, которые обеспечивают непосредственный прием ТВ-программ со стационарных спутников Земли на телевизоры индивидуального пользования. Получат развитие наземные световодные (волоконно-оптические) линии связи для передачи ТВ-сигналов. Будет совершенствоваться цветное ТВ и внедряться стереотелевидение. Все шире будут использоваться цифровые методы обработки ТВ-сигналов.

В развитии науки и техники отчетливо видна тенденция взаимного обогащения и проникновения одной науки в другую. Это можно видеть на примере использования ТВ-техники в космических исследованиях и использования искусственных спутников Земли для нужд телевидения, а также на примере использования компьютерных технологий в ТВ, а телевизионных – в компьютерной технике.


Глава 1

ПРИНЦИПЫ ПЕРЕДАЧИ

ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ


1.1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ


1.1.1. Обобщенная структура телевизионной системы


ТВ-систему, предназначенную для передачи оптических изображений, можно представить состоящей из трех последовательно соединенных блоков (рис.1.1): оптико-электрического преобразователя (ОЭП) канала связи и электрооптического преобразователя (ЭОП). ОЭП осуществляет анализ оптического изображения, а ЭОП – его синтез.

На входе системы действует оптическое изображение Авх(x,y;t), представляющее собой пространственно-временной процесс, который в ОЭП благодаря развертке преобразуется в электрический сигнал U(t). Этот сигнал является временным процессом и передается по каналу связи, сигнал на выходе которого V(t) отличается от входного сигнала U(t) из-за неидеальности характеристик канала и действующих в нем помех. В ЭОП из электрического сигнала V(t) опять-таки посредством развертки восстанавливается оптическое изображение Авых(x,y;t). Поскольку все преобразования в системе рис.1.1 выполняются с погрешностями, выходное изображение Авых(x,y;t) представляет собой искаженную копию входного Авх(x,y;t).




Рис.1.1. Обобщенная функциональная схема ТВ-системы


Погрешностями сопровождается процесс преобразования входного изображения в электрический сигнал (ОЭП), процесс передачи электрического сигнала по каналу связи, а также процесс преобразования электрического сигнала в выходное оптическое изображение (ЭОП).

В качестве модели изображения будем рассматривать скалярный (для черно-белого изображения) или векторный (для цветного изображения) пространственно-временной процесс Авх(x,y;t), соответствующий плоскому двумерному изображению, изменяющемуся во времени. Если же изображение неподвижно (постоянно во времени), то временная координата t отсутствует, и мы имеем дело с пространственным процессом Авх(x,y). Выходное изображение также может быть либо пространственно-временным Авых(x,y;t), либо пространственным Авых(x,y) процессом.

Преобразование изображения Авх(x,y;t) в электрический сигнал U(t), осуществляемое в ОЭП, опишем оператором P{...}


U(t) = P{Авх(x,y;t)}, (1.1)


а преобразование сигнала V(t) в изображение Авых(x,y;t), осуществляемое в ЭОП, – оператором Q{...}


Авых(x,y;t) = Q{V(t)}. (1.2)


Соответствие между сигналами V(t) и U(t) на выходе и входе канала связи устанавливается оператором R{...}


V(t) = R{U(t)}. (1.3)


С помощью суперпозиции операторных уравнений (1.1) — (1.3) можно записать операторное уравнение ТВ-системы в целом (см. рис.1.1)


Авых(x,y;t) = Q{R{P{Авх(x,y;t)}}}. (1.4)


Вид операторов P{...}, Q{...} и R{...} можно получить в результате рассмотрения моделей процессов преобразования, которые эти операторы отображают.

В свою очередь, названные операторы могут быть представлены в виде суперпозиции операторов, отображающих процессы преобразования, осуществляемые в отдельных узлах, элементах или деталях в пределах каждого блока ТВ-системы (см. рис.1.1). При таком подходе, основываясь на физических явлениях, можно использовать математические модели разного уровня сложности, что в принципе позволяет получить достаточно точное описание процессов в ТВ-системе. В п.1.1.3 будут построены математические модели операторов P{...} и Q{...}.


1.1.2. Временная и пространственная дискретизация изображения


Оптическое изображение A(x,y;t) является пространственно-временным процессом. По своей структуре оно представляет более сложное образование, чем сигнал U(t), являющийся временным процессом. Фундаментальные различия здесь кроются в различии таких категорий, как «пространство» и «время». Дело в том, что время является упорядоченной величиной, т.е. применительно ко времени можно говорить о прошлом, настоящем и будущем. Всегда из двух различных моментов времени один из них предшествует другому. Если взять два различных момента времени t1 и t2, то можно записать t1 < t2. Иными словами, время всегда «течет» в одном направлении: из прошлого через настоящее в будущее. Это обусловливает причинно-следственные связи в окружающем нас мире: следствие не может возникнуть раньше породившей его причины. Таков смысл временного детерминизма.

Пространство таким свойством не обладает, поэтому пространственный детерминизм по своей природе отличается от временного детерминизма. Действительно, если во времени значение процесса в настоящий момент зависит только от его поведения в прошлом и никак не зависит от его поведения в будущем, то для пространственного процесса характерно то, что его значение в данной точке связано со значениями процесса во всех точках некоторой окрестности рассматриваемой точки, т.е. слева, справа, сверху, снизу и т.д. Эти свойства пространства и времени должны учитываться при разработке математических моделей ОЭП и ЭОП.

П
ри передаче оптического изображения A(x,y;t) в ТВ-системе осуществляется его временная дискретизация, т.е. представление пространственно-временного процесса A(x,y;t) совокупностью последовательно передаваемых пространственных процессов A(x,y;kt), взятых в дискретные моменты времени через интервал (шаг) дискретизации t:

где h(t) – импульсная характеристика интерполирующего фильтра. Формула (1.5) обобщает теорему В.А. Котельникова на случай пространственно-временных процессов.

Е
сли в качестве интерполирующего фильтра используется идеализированный ФНЧ с прямоугольной АЧХ и полосой пропускания Fв, то

а шаг (интервал) дискретизации t = 1/(2Fв). Здесь Fв соответствует верхней граничной частоте временного спектра изображения A(x,y;t).

Таким образом, временная дискретизация непрерывного движущегося изображения A(x,y;t) сводится к замене его совокупностью неподвижных изображений (кадров) A(x,y;kt), следующих друг за другом через интервал (шаг) дискретизации t (рис.1.2). При этом каждый кадр несет информацию об определенной фазе движения изображения, а частота кадров определяется выражением Fк = 1/t.

В
соответствии с теоремой отсчетов В.А. Котельникова интервал (шаг) временной дискретизации следует выбирать из соотношения

где Fв – верхняя граничная частота временного спектра пространственно-временного процесса A(x,y;t).

В кинематографе принято t = 1/24 с, а в вещательном ТВ — t = 1/25 с (европейский стандарт) и t = 1/30 с (американский стандарт). Такой выбор шага временной дискретизации изображения t (частота кадровой развертки Fк = = 1/t) обеспечивает слитное восприятие человеком фаз движения изображения. При этом частота кадров Fк в ТВ связана с частотой переменного тока в промышленной сети электроснабжения.




Рис.1.2. Временная дискретизация изображения


Особенность человеческого зрения такова, что при названных значениях интервала временной дискретизации изображения t ощущаются мерцания яркости, так как соответствующие частоты смены кадров меньше критической частоты мерцаний fкр  48 Гц . Глаз перестает реагировать на мерцания яркости, если их частота превышает критическое значение fкр.

В кинематографе проблема мерцаний решается двукратным просвечиванием кадра за время его экспозиции. Для этого за время t световой поток перекрывают дважды специальным устройством (обтюратором), цикл вращения которого согласован с работой лентопротяжного механизма. Первое перекрытие осуществляется в начале интервала t (во время смены кадра), а второе – в середине интервала t. При этом частота мерцаний яркости изображения будет в два раза выше частоты смены кадров, поэтому глаз эти мерцания не воспринимает.

В телевидении проблема мерцаний яркости изображения решается применением чересстрочной развертки изображения, при которой кадр A(x,y;kt) передается посредством двух полей (полукадров): поля нечетных строк (первое поле) и поля четных строк (второе поле). При развертке каждого поля засвечивается весь экран, поэтому частота мерцаний яркости изображения равна частоте полей Fп = 2Fк. Таким образом, не изменяя частоты кадров, удается удвоить частоту мерцаний яркости, сделав ее выше критической fкр, т.е. не ощутимой для глаза.

Кроме временной дискретизации ТВ-изображение подвергается также и пространственной дискретизации, в основе которой лежит представление о мозаичной структуре плоского двумерного изображения, т.е. о возможности разложения кадра A(x,y;kt), x  [0, X ], y  [0,Y ], на ряд элементов Sij, координаты которых xi = ix, yj = jy, где x и y – интервалы пространственной дискретизации вдоль координатных осей x и y соответственно, а X и Y – размеры изображения по осям x и y.

Совокупное состояние всех элементов разложения А(Sij) с определенной точностью аппроксимирует кадр A(x,y;kt). Ясно, что точность такой аппроксимации будет тем выше, чем меньше диаметр (наибольший размер) элементов разложения Sij.

Простейший способ подобного разложения заключается в разбиении плоского двумерного изображения A(x,y;kt) на элементы Sij сеткой горизонтальных и вертикальных линий (рис.1.3). При этом элементы разложения Sij представляют собой прямоугольники размером x  y.





Рис.1.3. Разложение ТВ-кадра на элементы Sij сеткой горизонтальных и вертикальных линий


Размеры элементов разложения Sij следует выбирать таким образом, чтобы каждый элемент для зрителя имел угловой размер, не превышающий угловой разрешающей способности глаза (для среднего глаза угловая разрешающая способность составляет = 1 — 1,5).

Отношение ширины изображения Х к высоте Y (см. рис.1.3) называется форматом кадра:

k = X / Y. (1.8)


В кинематографе k = 4 / 3  1,333. Такой же формат кадра принят и в ТВ при передаче. В современных ТВ-приемниках изображение воспроизводится с форматом кадра k = 5 / 4, что позволяет несколько снизить требования к активным элементам генератора строчной развертки. В перспективных ТВ-системах предусматривается использование форматов кадра k = 5 / 3  1,666 и k  16 / 9   1,777 (для телевидения высокой четкости).

Допустим, что элементы разложения представляют собой квадраты. Тогда, если по высоте экрана укладывается Z строк разложения, то с учетом (1.8) по ширине разместится kZ элементов, а число элементов разложения в кадре составит

N = kZ 2. (1.9)

Ч
исло строк разложения Z должно выбираться таким, чтобы обеспечить требуемую четкость изображения. Экспериментально установлено, что приращение кажущейся четкости изображения G пропорционально относительному приращению числа элементов разложения на поле экрана:

У
читывая, что N – величина довольно большая (порядка 5·105), перейдем от разностного уравнения (1.10) к дифференциальному

решение которого имеет вид


G = C1·ln(N) + C2. (1.12)


Константы C1 и C2 определяются из граничных условий:


N = 1  G = 0 = C1·ln(1) + C2, откуда C2 = 0;


N = NmaxG = 1 = C1·ln(Nmax), откуда C1 = 1/{ln(Nmax)}.


Т
аким образом, с учетом (1.9) получаем

На рис.1.4 показана зависимость G(Z), построенная по формуле (1.13) при Zmax = 1200 (при Z = 1200 четкость ТВ-изображения соответствует четкости изображения кинофильма). Из рисунка видно, что при уменьшении числа строк разложения Z от 1200 до 600 (в два раза) кажущаяся четкость изображения G снижается всего лишь на 10 %, а ширина спектра ТВ-сигнала при этом уменьшается в четыре раза (см. п.1.8.3).

В табл.1.1 приведены стандартные значения параметров дискретизации (разложения) изображения вещательных ТВ-систем. В стандарте разложения указывается число строк в кадре Z и частота полей Fп = 2Fк при чересстрочной развертке.

Отметим, что в настоящее время используется только два основных стандарта разложения: европейский и американский. В России действует европейский стандарт ТВ-разверток. В перспективных ТВ-системах (телевидение высокой четкости) предлагается разложение кадра на 1125 — 1250 и на 2625 — 3125 строк.




Рис.1.4. Зависимость кажущейся четкости от числа строк разложения


Таблица 1.1

ТВ-стандарт

Число строк

разложения Z

Частота полей

Fп, Гц

Европейский

Американский

Английский

Французский

(черно-белое ТВ)

625

525

405

819


50

60

50

50




следующая страница >>