Лекция 11. Нелинейные искажения телевизионного сигнала

Содержание: Геометрические искажения изображения из-за нелинейности сигналов. Коррекция нелинейных искажений

Нелинейные искажения телевизионного сигнала возникают в фотоэлектронных и электронно-оптических преобразователях из-за нелинейности световой и модуляционной характеристик соответственно, а также в электрическом канале передачи (модуляторе передатчика, каскадах видеоусилителя и др.). На практике эти искажения определяются главным образом нелинейными характеристиками оконечных устройств – передающими и приемными трубками. Световая характеристика передающей трубки определяется зависимостью тока сигнала от освещенности на фотокатоде. Световая характеристика передающих трубок нелинейна и в общем случае с достаточной для практики точностью может быть учтена k₁ - коэффициентом пропорциональности и γ ₁ - показателем степени, определяющий форму световой характеристики. Световые характеристики различных передающих трубок имеют не одинаковые значения y₁. Более того, значение γ₁ может в некоторых пределах меняться при изменении режима работы трубки или содержания передаваемого изображения. Модуляционная характеристика кинескопа представляет собой зависимость яркости свечения экрана от напряжения на модулирующем электроде и выражается зависимостью: L_из = f(U_c) где L_из - яркость изображения. Как известно, модуляционная характеристика кинескопа тоже нелинейна и может быть учтена с достаточной для практики точностью k₂ – коэффициентом пропорциональности. Обычно для приемных трубок γ₂ = 2...3. Результирующий гамма-коэффициент нелинейности γ равен произведению показателей степени γ ₁ и γ ₂. Если телевизионный канал имеет нелинейную характеристику с показателем γ ₃, то в результирующее значение γ должна войти и эта величина. Следовательно, показатель степени γ определяет результирующую нелинейность и может приобретать различные значения в зависимости от нелинейности отдельных узлов тракта. Нелинейные искажения в черно-белом телевидении приводят к нарушению правильного воспроизведения градаций яркости (передачи полутонов), а в цветном, кроме того, и к искажениям цветности. Если результирующая нелинейность телевизионного тракта будет иметь показатель степени γ <1, то изображение на экране кинескопа воспроизведется вялым, т. е. контрастность полученного изображения будет меньше контрастности передаваемого объекта, а при γ >1 изображение будет излишне контрастным по сравнению с контрастностью передаваемого объекта. Яркость реальных объектов может достигать нескольких тысяч кандел на квадратный метр, а контраст – 1000 и выше. Кинескопы могут обеспечить максимальную яркость 100–200 кд/м² при контрасте 100–200. Следовательно, динамический диапазон яркости репродукции в общем случае меньше диапазона изменения яркости передаваемого объекта. Таким образом, при воспроизведении число градаций на репродукции будет меньше, чем на объекте. Рассмотрим графически искажения градаций яркости изображения при коэффициенте γ >1. Для удобства количественной оценки нелинейных искажений на вход исследуемого устройства подают напряжение равноступенчатого сигнала. Для упрощения построения графиков обычно по оси абсцисс и ординат откладывают не абсолютные значения яркости объекта и изображения, а их относительные значения. На рисунке 11.1 показано графически возникновение нелинейных искажений при коэффициенте γ >1.

Рисунок 11.1 - Коррекция нелинейных искажений

Нетрудно видеть, что нелинейные искажения будут присутствовать при любых значениях γ. В частном случае при γ >1, как видно из рисунка 11.1, перепады яркостей первых нескольких ступенек будут практически неразличимы, и они сольются. Следовательно, количество видимых градаций уменьшается. Данные искажения корректируются специальными гамма-корректорами. Для обеспечения подобия воспроизведенного изображения с объектом необходимо иметь прямую пропорциональность между яркостями соответствующих точек объекта и изображения. Для коррекции полутоновых искажений изображений, т. е. получения определенной формы нелинейной амплитудной характеристики, в телевизионный тракт вводится нелинейный корректор с амплитудной характеристикой, описываемой выражением:

(11.1)

где γ _к – показатель степени, определяющий форму нелинейности амплитудной характеристики корректора.

Для получения линейной амплитудной характеристики всего телевизионного тракта необходим корректор с коэффициентом нелинейности

(11.2)

где γ ₃ - коэффициент нелинейности телевизионного тракта.

Принцип работы схемы корректора нелинейности (гамма-корректора) поясняется на рисунке 11.1. Он основан на применении нелинейных элементов с таким расчетом, чтобы, регулируя их, можно было менять гамма-характеристику в желаемых пределах. Сигнал передаваемого изображения, искаженный нелинейной характеристикой телевизионного тракта (сигнал с неравномерными перепадами напряжений), поступает на вход гамма-корректора, нелинейная характеристика которого рассчитана так, что сигнал на выходе получается необходимой формы. Геометрические нелинейные искажения связаны с искажениями формы растра, нелинейности схем развертки (см. рисунок 11.2).

Рисунок 11.2 - Геометрические искажения из-за нелинейности сигналов: а) – кадровой развертки; б) – строчной развертки