Особенности телевизионной развертки

Передача изображений наблюдаемых объектов в телевидении осуществляется электрическим способом, т.е. оптическое изобра­жение объекта преобразуется в электрический сигнал, передавае­мый по каналу связи, который затем в месте приема преобразуется в телевизионное изображение.

Для телевизионной системы, когда изображение непосредственно воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображения рассматриваемого объекта ограничивается физиологи­ческими характеристиками зрения: в первую очередь, разрешающей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционностью зрительного восприятия. Поэтому при телевизионной переда­че изображение объекта условно разбивается примерно на 500 000 элементарных площадок, называемых элементами изображения. Те­левизионная система должна передавать информацию о яркости ка­ждого элемента. При одновременной передаче сигналов яркости всех элементов в телевидении потребовалось бы число каналов, равное числу элементов изображения, что практически невозможно. Поэтому в телевидении используется последовательная передача сигналов яркости элементов изображения, называемая разверткой. В общем случае процесс развертки заключается в периодическом движении развертывающих элементов по передаваемому и воспроизводимому изображениям. Например, в случае использования в телевизионной системе вакуумных (электронно-лучевых) передающей и приемной трубок, например, видикона и кинескопа, развертка осуществляется с помощью электронного луча, перемещаемого в пределах анализи­руемого или воспроизводимого изображений.

Однако в современных телевизионных системах, как на пере­дающем конце, так и непосредственно в приемниках, все чаще при­меняются твердотельные матричные устройства. Например, в пе­редающих камерах используются матрицы на основе приборов е зарядовой связью (ПЗС), а в воспроизводящих устройствах - жид­кокристаллические панели и плазменные экраны. В этом случае те­левизионная развертка обеспечивается формированием специаль­ных напряжений, управляющих работой соответствующих матриц.

Рис. 5.1. Схема образования растра при прогрессивной развертке изображения

Для детального изучения особенностей телевизионной развертки рассмотрим более подробно процесс разложения и синтеза изображений в телевизионных системах с электронно-лучевыми трубками.

Способ перемещения электронных лучей по плоскости изображений может быть любым. Однако для геометрически правильного воспроизведения изображения закон движения электронных лучей при передаче и приеме изображений должен быть строго одинаковым, т.е. необходимо соблюдать синхронность и синфазность разверток.

В телевидении принята линейно-строчная развертка, при которой по всей площади изображения движение развертывающего элемента осуществляется одновременно по двум взаимно перпендикулярным направлениям: по горизонтали - вдоль оси x и по вертикали - по оси y (рис. 5.1). За счет движения электронного луча по горизонтали прочерчиваются параллельные прямые линии, называемые строками. Движение от начала к концу строки образует прямой ход строчной разверни, а возвращение развертывающего элемента от конца предыдущей строки к началу следующей называется обратным ходом, который необходим для подготовки к развертке следующей строки. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой (вертикальной) разверткой, все строки располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром. Если все строки растра прочерчиваются последовательно одна под другой, то такая развертка называется построчной или прогрессивной. При построчной развертке за один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Закон движения развертывающего элемента вдоль оси х как функция времени х= f(t) изображается в виде кривой пилообразной формы (рис. 5.2, а).

Рис. 5.2. Временные графики движения развертывающих элементов при прогрессивной развертке: а - для строчной развертки; б - для кадровой развертки

Чтобы строки растра были параллельными и располагались одна под другой, характер движения по вертикали также делается линейным. При этом строки растра оказываются несколько наклоненными по отношению к горизонтальной границе телевизионного изображения, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Закон движения развертывающего элемента по вертикали как функция времени у = f(t) аналогичен закону движения по горизонтали и также является пилообразным (рис. 5.2, б). Аналогично строчной, кадровая развертка имеет прямой и обратный ходы.

При применении чересстрочной развертки чередование строк первого и второго полей достигается выбором нечетного числа строк в кадре, благодаря чему второе поле начинается с половины строки и все строки второго поля оказываются соответственно сдвинутыми по вертикали относительно строк первого поля (рис. 5.3).

С математической точки зрения условия формирования чересстрочной развертки обеспечиваются следующими соотношениями:

z = 2m + 1, 2f_z =(2m + 1)f_n,

где m - целое число; f_z = zf_K - частота строчной развертки; f_к - частота смены кадров; f_n - номинальная частота полей. В этом случае будет обеспечена жесткая связь частот развертки по строкам и по кадрам.

Рис. 5.3. Структура телевизионного кадра при чересстрочной развертке

Чересстрочная развертка, кратность которой равна 2:1, применяется во всех системах вещательного телевидения для сокращения полосы частот, занимаемой телевизионным сигналом, в два раза.

Для отечественного вещательного телевизионного стандарта частота строчной развертки f_z имеет следующее численное значение:

f_z = 625 х 25 Гц = 15 625 Гц.

При этом период строчной развертки T_z равен

T_z= 1 /f_z= 1/15 625 = 64 х 10^-6 мкс.

Причем T_z= Т_z1 + Т_z2, где Т_z1, Т_z2 - длительности соответственно прямого и обратного ходов строчной развертки. Во время обратного хода строчной развертки видеосигнал не передается и изображение не воспроизводится, поэтому это время желательно делать короче. Практически длительность обратного хода составляет 12 мкс. Период кадровой (вертикальной) развертки равен

T_п = 1/f_п = Т_п1 + Т_п2= 1/50 = 2 х 10^-3 с = 20 мс,

где Т_п1, Т_п2 - длительности соответственно прямого и обратного ходов кадровой развертки. Время обратного хода кадровой развертки охватывает 25 периодов строк, которые не участвуют в образовании телевизионного растра, т.е. Т_п2 = 25T_z = 64 х 10^-6 х 25 = 1,6 мс. Если учесть, что в телевидении используется чересстрочная развертка, то в течение периода каждого кадра осуществляются два обратных хода по вертикали. Поэтому из номинального числа строк в одном кадре (z = 625) 50 строк не воспроизводятся на изображении, так как они приходятся на интервалы обратных ходов по вертикали.

Практика наблюдения телевизионных изображений показала, что разрешение мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра несколько снижается. Потери вертикальной четкости при построчном разложении учитываются коэффициентом Келла (К_кел ≈ 0,75...0,85). Телевизионное изображение при чересстрочной развертке по качеству (с точки зрения вертикальной четкости) уступает изображению с построчной разверткой. В частности, это обусловлено временными характеристиками зрительной системы человека. Временное интегрирование яркости светящихся точек экрана кинескопа на периоде поля из-за быстрого затухания свечения люминофора не дает желаемого эффекта. Вследствие этого при наблюдении чересстрочного телевизионного растра зритель воспринимает межстрочные мерцания яркости с частотой кадров, дрейф строк и частично замечает строчную структуру изображения. Экспериментально установлено, что при переходе от стандарта с прогрессивной разверткой, с частотой кадров f_к = 50 Гц и удвоенной частотой строк (2f_z = 31 250 Гц) к стандарту с чересстрочной разверткой, с частотой кадров 25 Гц и вдвое меньшей частотой строк (f_z = 15 625 Гц), коэффициент потери четкости К_пч ≈ 0,63. При частоте смены полей 90 Гц потерь четкости уже нет и К_пч ≈ 1. Используя принципы линейной интерполяции, вычислим коэффициент потери вертикальной четкости из-за чересстрочной развертки при частоте полей 75 Гц. Из расчета следует, что К_пч ≈ 0,85 [6]. Таким образом, при чересстрочной развертке с f_к = 25 Гц (число воспроизводимых в секунду полей 50) для достижения качества телевизионного изображения, соответствующего построчному разложению с теми же параметрами, число строк развертки z должно быть увеличено примерно в 1,6 раза. Данное соотношение практически справедливо при изменении яркости телевизионного изображения от 50 до 250 кд/м². Поэтому, с учетом потерь вертикальной четкости из-за дискретности растра, за счет чересстрочной развертки число строк разложения в перспективных телевизионных системах должно определяться в соответствии с выражением [7]:

z=2α_в/К_келК_пчδ_min.

При f_n = 50 Гц преобразование чересстрочного стандарта разложения телевизионного растра в построчный позволяет уменьшить число строк в растре примерно в 1,6 раза при той же самой визуально воспринимаемой вертикальной четкости. Поэтому при разработке новых телевизионных систем иногда ставится вопрос об использовании только построчного разложения.