Развертка изображения

Разверткой изображения называется процесс поочередной передачи во времени информации о яркости и цвете элементов разложения изображения. Развертка осуществляется с помощью развертывающего элемента (РЭ). РЭ может быть электронный луч, лазерный луч, отверстие в диафрагме и т.п. При перемещении РЭ относительно элементов разложения изображения на выходе преобразователя свет-сигнал формируется электрический сигнал. Мгновенное значение сигнала пропорционально яркости элемента изображения, на который в данный момент времени направлен развертывающий элемент.

Рис. 1.4. К определению элементов разложения

В приемнике ТВ-системы осуществляется поочередное воспроизведение информации о яркости и цвете элементов передаваемого изображения на экране преобразователя сигнал-свет. На вход преобразователя подается электрический сигнал, а на экран преобразователя этот сигнал с помощью развертывающего элемента преобразуется в световое изображение.

Тип разверток на приемной и передающей сторонах ТВ-системы должен

быть одинаков, развертки должны быть синхронными и синфазными (т. е. необходимо выполнить равенство частот разверток и времени их начала на приемной и передающей сторонах).

Развертка может осуществляться по различным законам. В технике используют: спиральную развертку, радиальную, линейно-строчную и другие типы разверток (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Траектории движения развертывающего элемента при различных типах развертки:

а – спиральная; б – радиальная; в – линейно-строчная

При спиральной развертке траектория движения РЭ представляет собой спираль (рис. 1.5, а). Как только РЭ достигает края экрана, он быстро возвращается в его центр и процесс повторяется вновь. При радиальной развертке РЭ передвигается от центра экрана по радиусу, который вращается с малой угловой скоростью (рис. 1.5, б), По достижению края экрана РЭ быстро сдвигается в центр.

При линейно-строчной развертке развертывающий элемент перемещается от одного края экрана (например, левого) к другому с постоянной горизонтальной скоростью и одновременно с этим смещается сверху вниз с гораздо меньшей вертикальной постоянной скоростью. Такое перемещение называется прямым ходом строчной развертки. Достигнув правого края экрана, развертывающий элемент быстро возвращается к левому краю (обратный ход строчной развертки). С нижнего края экрана, РЭ возвращается на верхний край (обратный ход кадровой развертки) (рис. 1.5, в).

В телевидении наибольшее распространение получили линейно-строчная развертка. При такой развертке след, образуемый на поверхности экрана электронно-оптического преобразователя при перемещении РЭ от левого края экрана к правому, называется строкой.

Совокупность видимых сток на экране называется растром.

Полный цикл обхода всего экрана РЭ называется кадром.

Время, за которое РЭ совершает обход всего экрана и возвращается в ис-ходное положение, называется периодом кадровой развертки.

Время, за которое РЭ проходит строку и возвращается к левому краю эк-

рана, называется периодом строчной развертки.

Время, затрачиваемое на прямой ход развертки по строке, называется длительностью активной части строки.

Параметры развертки. К параметрам линейно-строчной развертки относят: формат кадра, число строк, частоту кадра, частоту строк.

Формат кадра k – отношение, горизонтального размера растра (в) к вер-

тикальному (h), k = в/h (рис. 1.4). Размеры растра должны соответствовать углу ясного зрения, поэтому

Число строк (z) ТВ-изображения. При качественном ТВ-изображении

каждая строка должна передавать один элемент развертки изображения по вертикали (рис. 1.4), т. е. z = N В . Стандартом ТВ-вещания в России выбрано z = 625.

Частота кадров F к . Этот параметр развертки зависит от ее вида. Линей-

но-строчные развертки бывают двух видов: построчная и чересстрочная.

Построчная развертка. Развертка, при которой все строки растра просматриваются последовательно одна за другой, начиная с первой строки, называется построчной. Частота кадров при такой развертке выбирается исходя из условия отсутствия мерцания яркости изображения, т.е. F к > fкр. Стандартом принято F к = 50 Гц.

Выбор такой частоты кадров приводит к следующим особенностям построчной развертки. Во-первых, возникает избыточность количества кадров при воспроизведении изображения движущихся объектов. Дело в том, что в силу инерционности зрения эффект плавного перемещения предмета в пространстве может быть достигнут, если передавать 16…24 отдельных его мгновенных положений (фаз) в одну секунду. Каждая фаза может быть передана одним кадром. Следовательно, для воспроизведения движения объектов достаточно передавать 24 кадра в секунду. Во-вторых, для передачи сигнала изображения требуется сравнительно большая полоса частоты. Забегая вперед, скажем, что полоса частот, требуемая для передачи сигнала изображения ΔF. может быть оценена из выражения

где τ э – время развертки одного элемента изображения; Р – коэффициент Кэлла, равный 0,75.

В свою очередь,

где Т к – время развертки одного кадра; N – общее количество элементов изображения. (Временами обратного хода по кадру и строкам в первом приближении пренебрегаем.)

Учитывая предыдущие выражения, а также то, что Т к = 1/50 с, имеем

Уменьшить полосу частот, отводимую для передачи сигнала изображения и устранить избыточность числа кадров удается путем применения чересстрочной развертки, широко применяемой в вещательном ТВ.

Чересстрочная развертка. Сущность этой развертки заключается в том,

что полный кадр передается и воспроизводится в два этапа (поля). В первом поле развертывают нечетные строки растра, во втором – четные (рис. 1.6). Таким образом, число строк в каждом поле оказывается в два раза меньше по сравнению с числом строк в кадре. Поскольку общее количество строк в кадре принято z = 625, то в каждом поле число строк оказывается равным 312,5. Время развертки каждого поля делают равным Тп = 1/50 с. Поэтому полный цикл обхода всего экрана (период кадра) составит Т к = 2⋅Тп = 1/25 с, тем самым устраняется избыточность кадров при воспроизведении движения объектов.

Рис. 1.6. Траектория движения луча при чересстрочной развертке: (– – –) – первое поле; (–⋅–⋅–) – второе поле; 1, 2, 3, 4 … – номера строк растра на экране (обратный ход по строкам на рисунке не показан)

С другой стороны, поскольку за время Тп = 1/50 с РЭ при чересстрочной

развертке пробегает вдвое меньше число строк, чем при построчной развертке, время развертывания одного элемента изображения оказывается вдвое большим. Тогда, полоса частот, требуемая для передачи изображения, уменьшается в два раза по сравнению с построчной разверткой. Для отечественного стандарта ТВ-вещания принята ΔF = 6 МГц.

Частота строк. Период строки при чересстрочной развертке может быть

вычислен по выражению

где Тп = 2⋅10 -2 с – период повторения полей; nп = 312,5 – число строк в одном поле.

Тогда частота строк при чересстрочной развертке составит

Fc = 1/Тс = 15625 Гц.

Сигнал изображения

На выходе преобразователя свет-сигнал формируется видеосигнал. Этот сигнал является функцией времени и пропорционален яркости передаваемых элементов изображения. На рис. 1.7 в качестве примера приведен фрагмент видеосигнала за время равное длительности активной части строки, получаемый при развертке изображения в виде вертикальных черно-белых полос. Анализируя видеосигнал на рис. 1.7 можно сделать следующие выводы:

– сигнал имеет импульсный характер;

– сигнал однополярный (яркость не может быть отрицательной).

Из этого рисунка следует: при передаче черных полос величина сигнала равна уровню черного; при передаче белых полос – уровню белого.

Форма видеосигнала, показанного на рис. 1.7, получена в предположении, что РЭ обладает точечной апертурой (поперечным сечением РЭ).

Однако апертура реальных РЭ имеет конечные размеры, что приводит к размытию крутых фронтов видеосигнала и уменьшению размаха этого сигнала от мелких деталей (деталей, размеры которых соизмеримы с размерами РЭ, рис. 1.8).

Рис. 1.7. Изображение и видеосигнал от него при развертке строки по линии аа′

Рис. 1.8. Изображение и видеосигнал от него при конечных размерах РЭ

Это объясняется тем, что мгновенное значение видеосигнала пропорционально средней яркости элементов изображения, находящихся внутри апертуры РЭ. При образовании сигнала от мелких чередующихся деталей его форма становится близкой к синусоидальной. При дальнейшем уменьшении размеров деталей размах сигнала от них становится настолько малым, что изображение таких деталей не может быть передано ТВ-системой.

Величина видеосигнала измеряется его размахом в вольтах от пикового уровня положительных импульсов до пикового уровня отрицательных импульсов и называется «от пика до пика». Поскольку пиковый уровень одной полярности соответствует передаче самого белого в изображении, а другой полярности – самого черного, размах сигнала обозначается еще термином «от белого до чёрного».

Во время обратного хода, когда луч возвращается в исходное положение, он не должен оставлять след на экране. Для этого во время обратного хода луча в видеосигнал вводятся специальные импульсы, называемые гасящими, которые, воздействуя на управляющий электрод трубки, запирают луч. Гасящие импульсы несколько превышают уровень черного в видеосигнале, и поэтому иногда говорят, что их вершины лежат в области «чернее чёрного».

Гасящие импульсы следуют после передачи, как каждой строки, так и кадра и называются строчными и кадровыми гасящими импульсами. Длительность импульсов определяется параметрами телевизионного стандарта.

Во время прохождения гасящего импульса никакой информации о содержании изображения не передается. Поэтому время их передачи используется для передачи импульсов, которые синхронизируют работу генераторов разверток передающего и приемного устройств, а в некоторых случаях и для других целей. Эти импульсы называются синхронизирующими. Их размах превышает уровень гасящих импульсов, и поэтому они на воспроизводимом изображении не видны, т.к. вызывают еще большее «запирание» приемной преобразователя свет - сигнал. Длительность синхроимпульса меньше длительности гасящих и определяется параметрами телевизионного стандарта.

Сигнал, состоящий из видео, гасящих и синхронизирующих импульсов, называется полным телевизионным сигналом (рисунок 1.7 а). Таким образом, телевизионный сигнал может быть характеризован уровнями и длительностями синхронизирующих и гасящих импульсов, частотой повторения строк и кадров, а также уровнями и частотным спектром видеосигнала.

Рис. 1.7. Форма видеосигнала за периоды строки (а) и поля (б)

Сигнал гашения. Сигнал гашения в ПТВС предназначен для запирания лучей приемных трубок – кинескопов – во время обратных ходов разверток. Он состоит из совокупности П-образных гасящих импульсов частоты строк длительностью 12 мкс (19% от длительности строки T_z = 64 мкс, рис. 1.7, а) и П-образных гасящих импульсов частоты полей длительностью 25 T_z =1600 мкс (8% от длительности поля T_z = 20 мс, рис. 1.7, б). Из 625 строк ТВ растра 50 не используются для передачи изображения и затрачиваются на два обратных хода кадровой развертки.

Полярность и размах сигнала гашения выбираются такими, чтобы вершины П-образных импульсов находились на уровне гашения – на (0...5)% ниже уровня черного ПТВС (рис. 1.7). В случае отсутствия или малого размаха кадровых гасящих импульсов, недостаточных для надежного запирания луча приемной трубки, на изображении появляются характерные белые полоски – след от луча кинескопа во время обратного хода по кадру. В случае недостаточного размаха строчных гасящих импульсов след от луча при обратном ходе по строке создает паразитную засветку. Это приводит к уменьшению контраста ТВ изображения.

Сигнал синхронизации. Сигнал синхронизации предназначен для жесткой синхронизации разверток ТВ приемника с соответствующими развертками передающей камеры ТВ центра.

Сигнал синхронизации состоит из совокупности П-образных строчных синхроимпульсов длительностью 4,7 мкс и кадровых длительностью 2,5 T_z = 160 мкс (рис. 1.7). Для идентичности кадровых синхроимпульсов, следующих в начале четных и нечетных полей, в них сделаны пять импульсов врезок с двойной строчной частотой длительностью 4,7 мкс каждый. Для одинаковых условий выделения синхроимпульсов четных и нечетных полей в приемнике перед этими импульсами и после них передаются две последовательности из пяти уравнивающих импульсов с двойной строчной частотой и длительностью 2,35 мкс каждый.

Сигналы синхронизации передаются во время следования соответствующих гасящих импульсов в области уровней ниже уровня гашения. Размах сигнала синхронизации устанавливается равным 30% от размаха ПТВС (рис. 1.7).