Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Украины
Национальный аэрокорсмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”
Кафедра Проектирования радиоэлектронных систем
Летательных Аппаратов
Учебное пособие по курсу
“ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ”
для студентов направлений
“Радиотехника”
“Телекоммуникации”
Шульгин В.И.
2013
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. Основные принципы телевидения……………………. 5
Введение..............................……………………………….................... 5
Телевизионная развертка…………….………………………………. 12
Обобщенная структурная схема ТВ системы…………….................. 13
Лекция 2. Основы зрительного восприятия……………………... 13
2.1. Зрительная система человека……………………………… ……... 15
2.2. Основные характеристики системы зрения человека ………………..16
Лекция – 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Введение. История ТВ
Телевизионная развертка.
Обобщенная структурная схема ТВ системы.
ВЕДЕНИЕ. ИСТОРИЯ ТВ
Термин «телевидение» (видение на расстоянии или дальновидение) возник в 1890 г. Его впервые употребил русский военный инженер-электрик Перский в докладе «Электрическое ТВ» на Международном конгрессе в Париже.
Телевидением называется область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом движущихся и неподвижных изображений предметов электрическими средствами связи в реальном или измененном масштабе времени.
В процессе развития человеческого общества развивались и совершенствовались средства передачи информации. Телевидение, как средство передачи информации также прошло длительный путь развития: от первых нереализованных идей и проектов, до современных систем цифрового телевидения. Если учесть, что более 85% информации о внешнем мире человек получает через свой зрительный аппарат, то становится ясно, почему проблема передачи визуальной информации издавна занимала умы людей, что нашло отражение в сказках и легендах. Вспомните, к примеру, сказку А.С. Пушкина “О мертвой царевне и семи богатырях” (… Ты мне зеркальце скажи ….), или сказка братьев Гимм “Белоснежка и семь гномов” (… Кто на свете всех милее….) – рис. 1.0.
Рис. 1.0 Телевизор братьев Гримм.
В основе ТВ лежат 3 физических процесса:
Преобразование световой энергии в электрические сигналы;
Передача и прием электрических сигналов по каналу связи;
Преобразование электрических сигналов в оптическое изображение.
Еще в 19 веке были сделаны основные открытия и изобретения для реализации возможности создания телевидения.
В 1839 году французский физик Э. Беккерель на основе открытого им фотогальванического эффекта осуществил преобразование света в электрический ток.
Толчком к передаче электрических сигналов изображений по каналам связи явилось изобретение А. Беллом в 1876 году телефона, в котором многие увидели электрический аналог слуха. От него перешли к поиску электрического аналога зрения. Наверное, поэтому, одна из первых систем телевидения, предложенная американцем Дж. Керри, копировала сетчатку глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне панели с множеством чувствительных фотоэлементов, на которую проецировалось изображение. Каждый фотоэлемент соединялся проводами с источником света на приемной стороне, при этом, количество проводов было равно числу фото и свето- элементов. Сигналы всех фотоэлементов передавались на приемную сторону одновременно. Качество (разрешение) изображения зависела от числа таких элементов, и было тем выше, чем больше их число. Например, для получения разрешения 320х320 точек (как сейчас говорят – пикселей), понадобилось бы 100.000 фотоэлементов, и такое же количество проводов, соединяющих передающую и приемную сторону. Понятно, что реализовать такую систему в то время (да и сейчас) не представлялось возможным. Хотя идея была очень прогрессивной.
По этой причине в конце 19 века появилось несколько проектов с поочередной передачей элементов изображения по одному каналу связи – то есть прототипов современных систем передачи телевизионного изображения. Один из этих проектов был предложен в 1880 году русским студентом физиком Порфирием Бахметьевым, что считается датой возникновения современного телевидения.
Последовательная передача сигналов элементов изображения с их синхронизацией на передающей и приемной стороне является основным техническим принципом, лежащим в основе телевидения. Второй принцип основан на физиологии системы зрения человека – его инерционности, и состоит в том, что предъявляемые системе зрения отдельные элементы изображения при высокой частоте их смены воспринимаются как целостное изображение (неподвижное или подвижное).
Первые технически реализованные системы телевидения имели электромеханический принцип передачи и приема изображений и назывались дисковизоры. В этих системах развертка изображения осуществлялась с помощью особого диска, изобретенного в 1884 г. немецким студентом Паулем Нипковым названным "диском Нипкова".
Диск Нипкова представляет собой непрозрачный диск большого диаметра, по внешнему краю которого расположены отверстия по спирали Архимеда. Диаметр отверстия определяет размер элемента изображения по горизонтали и по вертикали. При этом, каждое отверстие имеет смещение по радиусу к центру на величину его диаметра. Перед диском расположена ограничительная рамка, определяющая полный размер изображения. Высота рамки равна расстоянию по вертикали между началом и концом спирали, а ширина – расстоянию между отверстиями – это и будет размером изображения. При вращении диска внутри рамки оказывается только одно отверстие, которое прочерчивает строку. Число строк изображения соответствует числу отверстий, а за один оборот передаются все элементы изображения. Перед диском Нипкова размещался объектив, а позади — фотоэлемент, преобразовывавший разворачиваемую картинку в электросигнал. По сути это была механическая телекамера.
В механическом телевизоре позади диска Нипкова размещалась неоновая лампа, яркость свечения которой изменялась синхронно с выходным напряжением фотоэлемента телекамеры. Скорость и фаза вращения дисков на передающей и приемной стороне синхронизировались вручную или специальной схемой. На рис. 1.1. представлено устройство передающей камеры и дискового телевизора.
Рис. .1. Оптико-механическая ТВ система с диском Нипкова
Простота конструкции Нипкова позволила создать целый ряд действующих оптико-механических систем ТВ. Так в Москве в 1931 г. была произведена экспериментальная радиопередача сигналов изображения в Ленинград, а с четкостью 30 строк и частотой кадров 12,5 Гц. (1200 элементов изображения) на волнах 379 и 720 м. Начиная с осени 1934 г., эти передачи стали регулярными. Электромеханическое телевещание работало в Киеве, Ленинграде, Москве, Нижнем Новгороде, Одессе, Смоленске, Томске и Харькове. Годом позже Ленинградский завод им. Козицкого выпустил первую партию советских телевизоров (модель Б-2).
Рис.1.2 Дисковая ТВ камера и устройство
электромеханического телевизора
Рис.1.3.Первый советский механический телевизор Б -2
Рис.1.4. Второй советский механический телевизор «Пионер» (1934)
Рис.1.5 Дизайн ТВ-приемников 30-х годов прошлого века
К 1934-35 г. были разработаны оптико-механические системы с разверткой от 180 до 375 строк, но при увеличении числа строк разложения уменьшалось время считывания каждого элемента, что приводило к падению чувствительности, так как сигнал от каждой тоски изображения генерировался только во время прохождения светового потока от этой точки через отверстие, а все остальная часть изображения в это время не использовалась. Кроме того, для увеличения размеров изображения нужно было увеличивать размеры диска, однако, никакие дальнейшие усовершенствования не могут заметно улучшить качество изображения, в силу органических недостатков оптико-механических систем.
Для решением проблемы улучшения качества изображений был необходим переход к электронному телевидению. Основоположником его считается русский ученый Борис Розинг, запатентовавший первую приемную электронно-лучевую трубку – прообраз КИНЕСКОПА в 1907 г. и создавший работающую систему, где на передающем конце еще использовалась оптико-механическая система.
В начале 30-х гг. прошлого века одновременно в нескольких странах были проведены успешные эксперименты по электронному телевидению. Экспериментальные передачи движущегося изображения осуществлялись в Германии, Великобритании, СССР, США, Франции и Японии.
В 1927 г. профессор Такаянаги — отец японского ТВ и основатель компании JVC, провел серию успешных опытов с катодной трубкой Брауна и добился устойчивой передачи неподвижного изображения электронным методом. Его телевизионная система имела интересную особенность. Рассудив, что габариты студийной передающей камеры менее критичны, чем размер телевизора, Такаянаги использовал электромеханическую телекамеру и приемник с трубкой Брауна, создав прообраз «нормального» кинескопного телевизора рис.1.6. Это оказалось революционным для своего времени решением. Кстати, японцам принадлежит еще одно важное изобретение, соприкасающееся с телевидением. В 1924 г. профессор Токийского инженерного колледжа при Императорском университете Хидецугу Яга создал направленную антенну с пассивными элементами, которую в СССР именовали волновым каналом, а в остальном мире — антенной Яги. Долгое время волновой канал Яги служил основной телевизионной антенной во всем мире.
Рис.1.6. Электронный телевизор Такаянаги (1937)
Первый проект полностью электронной системы ТВ был реализован в Ташкенте в 1925 г. под руководством Грабовского, где и на приемной и на передающей стороне использовались специальные электронно-лучевые трубки. Однако большую известность получил ученик Розинга В.К. Зворыкин, считающийся отцом электронного телевидения.
Свою работу в Штатах русский эмигрант начинал в компании Westinghouse. Но его первые работодатели электронное ТВ проспали. Зато Radio Corporation of America (RCA) щедро спонсировала работы Зворыкина. К середине 30-х гг. RCA стала монопольным держателем телевизионных патентов и одной из первых в мире начала электронное ТВ-вещание. Кстати, в начале 50-х гг. прошлого века именно специалисты этой корпорации придумали первую электронную систему цветного телевещания NTSC. Основателем RCA был — российский эмигрант Давид Сарнов, который 14 апреля 1912 г. оказался единственным человеком в мире, услышавшим сигнал бедствия с тонущего «Титаника». Узнав об этом, президент США распорядился приостановить работу всех американских радиостанций, не причастных к спасательной экспедиции. А Д. Сарнов, просидевший трое суток за пультом приемной станции Маркони, покинул свой пост в ранге национального героя.
Рис.1.7. Первый серийный цветной телевизор RCA CT-100 (NTSC)
ТЕЛЕВИЗИОННАЯ РАЗВЕРТКА
Телевизионной разверткой называется процесс последовательной, поочередной передачи элементов изображения.
Чаще всего (но не всегда) в системах ТВ используется линейная развертка, при которой поочередно передаются элементы изображения, расположенные на одной прямой линии. Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (например – электронный луч) по оси X называется строкой. Из-за инерционности зрения мы видим не отдельный элемент изображения, а весь след, оставляемый разверткой. Совокупность видимых на экране строк называется растром. Полный цикл прохода развертки по всем элементам изображения называется кадром.
В соответствии с этим в телевидении принято говорить о двух видах развертки: горизонтальной – строчной, и вертикальной – кадровой, при этом за направление движения развертывающего элемента принято движение слева направо для строчной развертки (СР) и сверху вниз для кадровой (КР).
При работе развертки различают ее прямой и обратный ход. Во время прямого хода происходит снятие или отображение видеоинформации (активная часть), при этом луч движется слева направо для СР и сверху вниз, а при обратном ходе (пассивная часть) возвращается назад, как показано на рис.1.8.
Рис.1.8. Линейно-строчная развертка
Для синхронизации развертки на передающей и приемной частях ТВ системы передаются специальные синхронизирующие импульсы, определяющие привязку к началу координат разверток по строкам и кадрам, передающего и приемного устройств. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче (рис. 1.9).
Рис.1.9. Синхронизация разверток передающей и приемной стороны
1.3. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ТВ
Общая задача ТВ – преобразование светового изображения в электрический сигнал, передача его по каналу связи и обратное преобразование на приемном конце электрического сигнала в оптическое изображение. Решение этой задачи определяет структуру ТВ системы, т.е. комплекса технических средств, обеспечивающих получение зрительной информации о передаваемом объекте на приемном конце. В зависимости от назначения системы построение технических средств могут быть различными, но они характеризуются общими свойствами. Обобщенная структурная схема ТВ системы, представленная на рис.1.10, состоит из следующих функциональных блоков:
О – объектив;
ОЭП – оптико-электронный преобразователь;
РУ – развертывающее устройство;
СГ – синхрогенератор;
УС – усилитель;
ПРД – передающее устройство;
КС – канал связи;
ПР – приемное устройство;
ВУ – видеоусилитель;
ЭОП – электронно-оптический преобразователь;
АСС – селектор синхроимпульсов.
Рис.1.10. Обобщенная структурная схема ТВ системы
Рассмотрим работу ТВ системы по обобщенной структурной схеме рис.1.10. Объектив преобразует световой поток, создавая оптическое изображение сцены на светочувствительной поверхности оптико-электронного преобразователя (это может быть передающая трубка, ПЗС-матрица или что то иное). В преобразователе происходит преобразование светового потока в электрический сигнал, за счет явления фотоэффекта и считывания электрических зарядов с помощью развертывающего устройства. Этот сигнал называется исходным яркостным сигналом.
Для синхронной работы устройств формирования и отображения ТВ изображения, обеспечивающих идентичность положения точек на передаваемом и принимаемом изображениях, необходимо передавать также специальные сигналы синхронизации. В ТВ используется строчная и кадровая синхронизация.
Сигналы строчной синхронизации формируются с частотой строк, кадровой синхронизации – с частотой кадров. Они вырабатываются в синхрогенераторе и управляют работой развертывающего устройства на передающей стороне. Кроме этого в определенные моменты времени они суммируются с сигналом яркости, и вместе поступают на передающее устройство. Сигнал, состоящий из сигнала яркости и сигнала синхронизации, называется полным телевизионным сигналом (ПТВС).
В передающем устройстве этим сигналом осуществляется модуляция несущей, и далее радиосигнал поступает в канал связи. Это может быть радиоканал, радиорелейные, спутниковые, кабельные и другие линии связи, удовлетворяющие требованиям качественной передачи ТВ сигнала.
В приемном устройстве происходит усиление ТВ радиосигнала и его детектирование. Полученный видеосигнал усиливается до уровня, необходимого для управления преобразователем сигнал-свет (кинескоп) и также подается на селектор импульсов синхронизации. В селекторе происходит выделение импульсов синхронизации из ПТВС, которые управляют развертывающим устройством на приемной стороне, обеспечивая синхронность и синфазность работы устройств формирования и отображения ТВ изображения.
Лекция – 2. ОСНОВЫ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ
2.1. Зрительная система человека
2.2. Основные характеристики системы зрения человека
2.3. Основные светотехнические единицы
2.4. Характеристики оптических изображений
2.1 ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ЧЕЛОВЕКА
Человек получает зрительную информацию с помощью зрительной системы, состоящей из глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга.
Глаз - Рис. 2.1 имеет приблизительно шарообразную форму с диаметром около 2,5 см.
Рис. 2.1 Строение глаза человека.
Внешняя прочная оболочка глазного яблока - склера – защищает его от внешних повреждений. На передней части глаза склера прозрачна, она называется – роговицей. За ней располагается хрусталик, представляющий собой прозрачное упругое тело в форме двояковыпуклой линзы. Кривизна поверхности хрусталика может меняться под действием охватывающих его мышц, за счет чего осуществляется аккомодация – автоматическая фокусировка на сетчатке изображения тех предметов, которые мы хотим рассмотреть. Спереди хрусталик прикрыт радужной оболочкой, которая является диафрагмой, имеющей в середине отверстие – зрачок. Диаметр зрачка может непроизвольно (без участия сознания человека) меняться. В результате происходит адаптация – автоматическое регулирование количества света, поступающего внутрь глаза, для защиты от световых перегрузок. Вся полость глаза за хрусталиком заполнена прозрачной желеобразной массой, называемой стекловидным телом. С помощью всей этой оптической системы изображение объекта проецируется на внутреннюю оболочку глаза – сетчатку, представляющую собой огромное количество мельчайших светочувствительных элементов - фоторецепторов – колбочек и палочек.
Колбочки – рецепторы дневного зрения, имеют низкую световую чувствительность, но большую разрешающую способность и цветовую чувствительность. Наиболее густо они располагаются в центральной области сетчатки, называемой желтым пятном – в области наилучшего зрения, обеспечивающей различение мелких деталей изображения.
Палочки – рецепторы сумеречного зрения имеют высокую световую чувствительность, но низкую разрешающую способность и чувствительность к цвету.
Фоторецепторы через сложную нервную систему – зрительный нерв – связаны со зрительной корой головного мозга - Рис. 2.2.
Рис. 2.2. Структура системы зрения человека
2.2 Основные характеристики системы зрения человека.
Способность глаза различать мелкие детали изображения определяется разрешающей способностью или остротой зрения. Она определяется наименьшим угловым расстоянием d между двумя точками на изображении, при котором наблюдатель видит эти точки раздельно - Рис. 2.3.
Рис. 2.3. Угловая разрешающая способность глаза δ
Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей, которую называют остротой глубинного или стереоскопического зрения.
Разрешающая способность глаза в плоскости у обычного здорового человека составляет примерно 1 угловую минуту, что соответствует расстоянию между различаемыми точками равному примерно 3 см на дистанции 100 метров. Из-за неоднородности структуры сетчатки по мере удаления от центра острота зрения падает. Основная четко воспринимаемая зрительная информация сосредоточена в пространственном угле ясного зрения, который составляет примерно 160 х 120.
Стереоскопичность зрения человека обусловлена его бинокулярностью (от слов «два» и «глаз»). Смысл бинокулярного зрения заключается в том, что мы видим один и тот же объект двумя разнесенными в пространстве глазами, но воспринимаем это как одну объемную картинку, которая складывается из двух плоских в нашем мозгу.
Рис. 2.4 Бинокулярное зрение и восприятие “глубины”
Цветовая чувствительность. Видимая человеческим глазом часть спектра электромагнитных колебаний – составляет примерно от 350 до 800 нм. При этом различные частоты (цвета) воспринимаются системой зрения по-разному, что определяется спектральной чувствительностью человеческого зрения.
Рис. 2.4. Кривая спектральной чувствительности человеческого глаза
Спектральная характеристика чувствительности глаза, приведенная на рис. 2.4, имеет максимум в диапазоне желто-зеленого цвета с длинами волн 540 до 580 нм.
Инерционность системы зрения. Характер и степень зрительного восприятия являются функциями времени. Например, одиночный световой импульс длительностью t0 и мощностью F0 может быть обнаружен только при условии, если время его действия на глаз t0 больше некоторой критической величины tкр (критической длительности), или же суммарная световая энергия E0 = t0 F0 превышает Eкр.
После прекращения действия светового потока на сетчатку, в силу инерционности, глаз как бы продолжает “видеть” источник с убывающей во времени яркостью – Рис. 2.5
Рис. 2.5 Инерционность системы зрения
Постоянная времени, с которой происходит экспоненциальное “забывание”, составляет обычно τ0 = 0,05 – 0,1 секунды. Этот параметр определяет критическую частоту мельканий, представляющую собой наименьшую частоту повторения импульсных возбуждений сетчатки, при которой наблюдатель перестает замечать изменения уровня светового потока и воспринимает световой поток как непрерывный и неизменный во времени.
Именно на этом свойстве человеческого зрения – его инерционности, основана возможность поочередной, (а не одновременной), передачи элементов изображения во всех современных системах телевидения. И именно это делает передачу изображений технически реализуемой.
2.3 Основные светотехнические единицы
Оптические изображения характеризуются набором светотехнических величин. Основными являются: световой поток, сила света, освещенность и яркость.
Светом называется часть электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм, воспринимаемая человеческим глазом.
Световой поток (F) - мощность излучения, оцениваемая по его воздействию на нормальный глаз. Единица измерения – люмен (лм). Экспериментально установлено, что в максимуме кривой восприятия – 550 нм одному ватту (1 Вт) мощности излучения соответствует световой поток 683 лм, для белого цвета эта величина – 220 лм, а 100 Вт лампа накаливания создает световой поток 800 -1500 лм.
Сила света (I) - плотность светового потока в телесном угле. Сила света характеризует неодинаковость излучения светового потока в разных направлениях. Единицей силы света является канделла (кд) – которая соответствует равномерному распределению в телесном угле в 1 стерадиан светового потока в 1 лм. Средняя сила света определяется отношением излучаемого светового потока к полному телесному углу (4p). Для примера 100 Вт лампа накаливания обладает силой света 60 -120 кд.
Освещенность (Е) – это распределение плотности светового потока по поверхности, на которую он падает. Единицей освещенности является люкс, который создается световым потоком в 1 лм на площадке в 1 м2.
Для примера освещенность экрана в кинотеатре составляет от 40 до 200 лк, освещенность страницы книги при чтении – примерно 20 лк, освещенность в тени летом – 1000 лк, освещенность на пляже в летний, солнечный день – 100 000 лк.
Яркость - плотность силы сета, излучаемой с поверхности. Единицей яркости является канделла/м2. Светящиеся поверхности по способу их светового возбуждения можно разделить на два вида: самосветящиеся (экран ТВ, нить лампы накаливания) и вторичные, отражающие или пропускающие часть падающего на них света (киноэкран, плафон люстры).
Для примера яркость киноэкрана составляет 10 - 30 кд/м2, яркость телевизионного экрана – 40 – 80 кд/м2 , яркость пламени спички – 5000 кд/м2, яркость нити лампы накаливания – около 5.000.000 кд/м2, яркость солнца – 1,5 млрд. кд/м2 .
2.4 Характеристики оптических изображений
Процесс передачи телевизионного изображения начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных объектов, расположенных в пространстве. Рассмотрим наиболее существенные для телевизионного преобразования харак теристики оптического изображения.
Освещенность в плоскости оптического изображения Е0 определяется освещенностью объекта Еоб, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения, а также параметрами объектива – прозрачностью, диаметром входного зрачка, фокусным расстоянием. Относительное отверстие объектива делается обычно регулируемым с помощью диафрагмы, изменяющей диаметр входного зрачка.
Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива.
Наличие искажений изображения, возникающих в оптических системах – аберраций, приводит к тому, что точка воспроизводится в виде кружка и две близко расположенных точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся раздельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему - разрешающей способностью объектива. Она оценивается максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на изображении. Аберрации уменьшаются при диафрагмировании объектива, т.е. при уменьшении относительного отверстия. Однако чрезмерное уменьшение относительного отверстия приводит к возрастанию дифракционных явлений, снижающих разрешающую способность.
Глубина резкости. При формировании изображений объектов, протяженных по глубине, разрешающая способность объектива реализуется лишь для деталей, расположенных на одинаковом от него расстоянии, т.е. в плоскости резкого изображения. Точки, расположенные дальше и ближе от этой плоскости, будут воспроизводиться на изображении уже не в виде точек, а в виде кругов различных диаметров (круги размытия). Глубина резкости - это глубина воспроизводимого пространства ∆A = А1 —A2, для которого максимально допустимый диаметр круга размытия d не превышает некоторой заданной величины. Повышение глубины резкости можно обеспечить только диафрагмированием объектива.
ЛИТЕРАТУРА
Телевидение. Под ред. Джаконии В.Е. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007г.
Теоретические основы телевидения. Быков Р.Е. – Изд. “Лань”, 1998 г.
Цифровое телевидение. Смирнов А.В., Пескин А.Е., М: Горячая линия – Телеком, 2008.
Основы цифрового телевидения. Смирнов А.В. , М: Горячая линия – Телеком, 2001.