Понятие о развертке изображения

В основе всех современных телевизионных систем лежит принцип поочередной передачи элементов изображения.

Процесс передачи изображения по элементам называется разверткой изображения, а порядок передачи отдельных элементов изображения - способом развертки. Развертка изображения осуществляется электронным лучом.

В телевизионном вещании принято равномерное движение развертывающего луча по параллельным горизонтальным линиям, называемым строками, при одновременном смещении в поперечном (вертикальном) направлении. Все строки, располагаясь одна под другой, образуют растр.

На рис. 1(а) показано образование растра (число строк условно взято равным 13). Движение луча вдоль оси Х называется строчной разверткой, а вдоль оси У - кадровой разверткой. Движение луча от начала строки к ее концу образует прямой ход строчной развертки; возвращение луча от конца предыдущей строки, к началу следующей называется обратным ходом развертки.

Совокупность времени прямого t_{z пр} и обратного t_{z обр} ходов составляет период строчной развертки Т_z = t_{z пр +} t_{z обр}

Аналогично строчной развертке, кадровая тоже имеет прямой и обратный ходы, а период кадровой развертки Т_n = t_{n пр +} t_{n обр}, причем Т_n >> Т_z, поскольку число строк разложения, обычно несколько сотен. На рис. 1 (б) и 1 (в), в показаны графики изменения во времени напряженностей магнитных полей Н_С и Н_К, создаваемых строчными и кадровыми отклоняющими катушками соответственно.

Во время обратных ходов строчной и кадровой разверток изображение не передается и не воспроизводится (электронные прожекторы передающей и приемной трубок запираются).

За время обратного хода кадровой развертки не участвует в образовании растра несколько периодов строк (на рис. 1 условно показан один такой строчный период), поэтому время обратного хода как строчной, так и кадровой разверток должно быть минимальным. Однако, практически обратный ход строчной развертки не удается сделать меньше чем 10-12% от периода строки, а обратный ход кадровой развертки 7-8% от периода кадра.

Чересстрочная развертка

Учитывая свойства человеческого зрения, для восприятия слитных изображений необходимо передавать и воспроизводить их с частотой 50 кадров в секунду. Однако, как будет показано ниже, при такой частоте смены кадров сигнал изображения занимает очень широкую полосу частот, что по целому ряду причин нежелательно. Поэтому в системах телевизионного вещания частота смены кадров выбирается вдвое ниже, т. е. 25 кадров в секунду, но применяется чересстрочный способ развертки изображения, при котором передается и воспроизводится полный кадр в виде двух полукадров или полей. За время развертки первого поля прочерчиваются нечетные, а за время развертки второго поля - четные строки кадра. Таким образом, получается, что в секунду передается не 25, а как бы 50 кадров.

Каждое поле содержит информацию только о половине элементов изображения целого кадра. Однако, благодаря инерционности, глаз воспринимает изображение обоих полей как слитное изображение, содержащее полное число элементов. Слитному восприятию способствует также тот факт, что при большом числе строк разложения сюжет изображения одной строки мало отличается от сюжета изображения следующей строки.

На рис. 2 показано образование растра при чересстрочной развертке (для 1З строк). В первом полукадре движение электронного луча начинается в левом верхнем углу растра. Луч прочерчивает первую строку, смещаясь к концу ее прямого хода под действием кадрового отклоняющегося поля на уровень третьей строки, затем прочерчивает 3, 5, 7, 9-ю и, наконец, 11-ю строки. Последняя нечетная строка первого поля растра (11-я) прочерчивается не полностью, а только наполовину. Затем, электронный луч возвращается к верхнему краю растра. На обратный ход кадровой развертки приходится вторая половина прямого хода 11-й строки, ее обратный ход и первая половина прямого хода 13-й строки. В начале второго полукадра электронный луч прочерчивает остаток 13-й строки, смещаясь при этом на уровень второй строки развертки, и далее прочерчивает все четные строки растра (2, 4, 6, 8 и 10-ю).

Развертка последней четной строки заканчивается в нижнем правом углу растра. Отсюда луч возвращается в верхний левый угол (прямой и обратный ходы 12-й строки), и весь процесс начинается сначала. При совмещении полей строки чередуются, образуя кадр с полным числом строк, за исключением потерянных во время обратных ходов кадров развертки.

Необходимая форма токов в кадровых и строчных отклоняющих катушках при чересстрочной развертке показана на рис. 3, где

Т_К - период развертки одного полукадра, Т_К = Т_n / 2

Параметры развертки

Телевизионные развертки характеризуют следующими параметрами: числом строк разложения в одном кадре z, числом передаваемых кадров в секунду n, форматом кадра К, т. е. отношением

ширины растра к его высоте, периодами развертки кадра Т_n, полукадра Т_К и строки Т_z, направлением движения электронного луча.

Отечественным стандартом (ГОСТ 7845-79) установлено:

     z = 625;

     n = 25;

     К = 4/3;

     Т_n = 1/25  с =40 мс;

     Т_К = Т_n / 2 = 1/50  с = 20 мс;

     T_z = T_n / z = 2T_K / z = 1/15625  с=64 мкс.

Следовательно, частота развертки полного кадра

    f_n = 1/Т_n = 25 Гц,

частота развертки полей (называемая частотой кадровой развертки)

    f_K = 1 / T_K = 50 Гц,

частота строчной развертки

    f_z =  1 / T_z = 15 625 Гц.

Направление движения электронного луча во время прямого хода строчной развертки принято слева направо, кадровой развертки - сверху вниз.

Частотный спектр сигнала изображения

Для определения требуемой полосы пропускания канала связи, по которому передается телевизионный сигнал, необходимо знать частотный спектр сигнала изображения, т. е. его нижнюю  верхнюю граничные частоты.

Частотный спектр зависит как от характера изображения, так и от параметров развертки. Нижняя граничная частота соответствует изображению, имеющему минимальное число изменений яркости, т. е. содержащему наименьшее число деталей. Таким изображением является неподвижная картинка, состоящая из двух деталей разной яркости (рис. 4 а). При ее развертке через нагрузку передающей трубки в течение одного кадра протекают два импульса тока - по одному в каждом поле (рис. 4 б).

Период образовавшегося импульсного сигнала будет равен периоду полукадра Т_n = Т_K, а его частота (нижняя граничная частота сигнала изображения) - частоте смены полей кадровой развертки: f_n = f_K = 50 Гц.

Верхняя граничная частота соответствует изображению, содержащему максимальное число элементов, яркость которых позволяет раздельно передать (и воспроизвести) телевизионная система. Такое изображение, состоящее из чередующихся светлых и темных

элементов (квадратов), показано на рис. 4 в.

Геометрические размеры d каждого элемента соответствуют высоте строки, которая, в свою очередь, определяется апертурой - конечным размером D развертывающего электронного пятна.

При развертке каждой пары соседних элементов изображения получаются импульсы тока, следующие с периодом Т_В (рис. 4 г). Частота такого импульсного сигнала, являющаяся верхней граничной частотой сигнала изображения, f_B = 1 / T_B. Верхняя граничная частота, как и нижняя, находится в прямой зависимости от частоты смены полей, а также от числа строк разложения и формата кадра.

Действительно, если принять число элементов изображения, укладывающихся по высоте кадра Н (см. рис. 4 в), равным числу строк разложения z, то вдоль каждой строки В уложится в К = B / H раз больше, т. е. К_z элементов, а общее число элементов будет N = zKz = Kz². Для передачи всех элементов полного кадра отводится время Т_п = 2 Т_К. Следовательно, время передачи одного

элемента Т_Э=2 T_K / N = 2 T_K / Kz², а время передачи каждой пары элементов, т. е. соответствующий верхней граничной частоте период импульсного сигнала, Т_В = 2Т_Э = 4Т_К / Kz². Отсюда верхняя граничная частота

         f_B = 1 / T_B = ( Kz²  / 4)( 1 / Т_К ) =  ( Kz²  / 4)f_K,

где f_K= 1 / Т_К - частота смены полукадров.

Подставив в эту формулу значения К=4/З, z=625 строк и f_K=50 Гц, получим

          f_B = 6,5 МГц.

Фактически, вследствие потери части строк за время обратного хода кадровой развертки число активных (несущих информацию об изображении) строк будет несколько меньше чем 625, а f_B = 6,0 МГц.

Поскольку верхняя граничная частота (6 МГц) значительно выше нижней (50 Гц), то ширина частотного спектра сигнала изображения определяется только верхней граничной частотой, т. е. Δf= f_B - f_H ≈ fв = 6 Мгц.

Очевидно, что при увеличении частоты смены кадров или числа строк разложения увеличивается верхняя граничная частота и расширяется частотный спектр сигнала изображения. Так, при f_n = 50 Гц частотный спектр составил бы 12 МГц.

Понятие об уровнях сигнала изображения

Как было показано выше, сигнал изображения представляет собой совокупность импульсов, амплитуда которых пропорциональна яркости элементов передаваемого объекта.

Уровень сигнала, соответствующий самым темным элементам изображения, называется уровнем черного, а наиболее ярким уровнем белого. Сигналы, соответствующие серым элементам изображения, занимают промежуточные уровни.

Если уровню белого соответствует максимальное значение сигнала изображения, то такой сигнал называется позитивным. Если уровню белого соответствует минимальное (а уровню черного максимальное) значение сигнала изображения, то такой сигнал называется негативным.

Сигнал изображения может подаваться на катод или модулятор (управляющий электрод) кинескопа. На катод должен подаваться негативный сигнал, на модулятор - позитивный. В противном случае на экране возникает негативное изображение, т. е. светлые детали воспроизводятся темными, а темные - светлыми.

Постоянная составляющая сигнала изображения

Свет по своей природе униполярен, так как яркость не может быть величиной отрицательной. Следовательно, и сигнал изображения также униполярен и поэтому имеет среднюю (постоянную) составляющую.

Среднее значение сигнала за строку пропорционально средней яркости этой строки. Среднее значение сигнала за полный кадр пропорционально средней яркости всего изображения.

Средняя составляющая зависит, во-первых, от характера объекта (соотношения площадей его ярких и темных элементов) и, во-вторых, от освещенности объекта. На рис. 5 показано образование средней составляющей для двух изображений, А и Б при негативном и позитивном сигналах.

В изображении А преобладают темные участки, так как это узкая светлая полоска на темном фоне. В изображении Б, наоборот, преобладают светлые участки. Из рисунка видно, что при негативной полярности сигнала для изображения А средняя составляющая значительно больше, чем для изображения Б. При позитивной полярности сигнала, наоборот, средняя составляющая изображения Б больше, чем для изображения А. Если объект подсветить, то черные элементы станут серыми и средняя составляющая негативного сигнала уменьшится, а позитивного - увеличится. Если освещение объекта ослабить, то средняя составляющая негативного сигнала возрастет, а позитивного - уменьшится.

При передаче изображения неподвижного объекта и неизменной освещенности средняя составляющая будет постоянной. Обычно во время телевизионной передачи освещенность и содержание изображения (т. е. соотношение между светлыми и темными элементами) меняются. Однако эти процессы происходят постепенно. Поэтому частота изменений средней составляющей получается очень низкой и колеблется в пределах от 0 до 2..3 Гц, что дает право по сравнению даже с самой низкой частотой сигнала изображения (50 Гц) во всех случаях считать среднюю составляющую постоянной составляющей сигнала.

В усилительных ступенях, имеющих разделительные конденсаторы, постоянная составляющая неизбежно теряется. При этом любая сцена, независимо от ее содержания и освещенности, воспроизводится на экране кинескопа с одинаковой средней яркостью, а хорошо освещенные кадры не отличаются от затемненных. В цветном телевидении потеря постоянной составляющей приводит к искажению насыщенности цветов изображения по всему полю экрана: недостаток средней яркости воспринимается как сгущение красок, а ее избыток, наоборот, как обеднение. Для устранения искажений, возникающих вследствие потери постоянной составляющей, в телевизионных устройствах принимаются меры по ее сохранению или восстановлению.

Качество телевизионного изображения

Качество изображения, воспроизводимого на экране кинескопа, определяется степенью соответствия его изображению передаваемого объекта и, в первую очередь, зависит от особенностей формирования сигнала изображения и вносимых в него искажений.

На рис. 6 а и рис. 6 б показаны изображение, состоящее из чередующихся разнояркостных деталей различной ширины, и форма негативного сигнала одной строки развертки. Пока электронный луч ЭЛ перемешается по достаточно широкой светлой детали А, образуется сигнал изображения, соответствующий уровню белого. Когда луч достигает левой границы темной детали Б и проходит ее, сигнал постепенно нарастает от уровня белого до уровня черного, а затем, при прохождении правой границы этой детали, постепенно спадает снова до уровня белого.

Аналогично формируются сигналы и при развертке других деталей изображения (В, Г, Д и т. д.). Однако по мере уменьшения их размеров уменьшаются амплитуда и период следования соответствующих импульсов. Так, импульсы, соответствующие крупным деталям изображения (А, Б, В), ширина которых больше диаметра электронного луча на поверхности фотомишени, достигают полного размаха (от уровня белого до уровня черного) и имеют большой период следования, т. е. являются низкочастотными. Импульсы, соответствующие мелким, соизмеримым с диаметром луча деталям (Г, Д, Е, Ж, З, И), образуют высокочастотные составляющие сигнала изображения. Амплитуда этих импульсов убывает по мере уменьшения размеров деталей, принимая практически нулевые значения для деталей, ширина которых меньше половины диаметра луча (К, Л, М). Это значит, что сигнал изображения на участке строки от И до Н приобретает почти постоянное значение, соответствующее средней яркости данного участка, а детали К, Л, М раздельно не передаются и не будут воспроизведены.

Таким образом, вследствие конечных размеров диаметра луча ограничивается разрешающая способность телевизионной системы, т. е. ее способность передавать и воспроизводить относительно мелкие детали изображения. По той же причине форма импульсного сигнала получается отличной от прямоугольной. И границы между деталями изображения различной яркости на экране кинескопа оказываются размытыми. Однако при оптимальной фокусировке и большой скорости движения электронного луча, а также неискаженной передаче сигнала изображения указанные дефекты практически незаметны.

Если же форма сигнала изображения, поступающего на модулятор кинескопа, искажена, то качество изображения заметно ухудшается. Так, ослабление («завал») низкочастотных (или среднечастотных) составляющих (рис. 6 б, штриховая кривая 1) приводит к появлению убывающего по яркости серого тянущегося продолжения («тянучки») справа от границы крупной темной детали Б (рис. 6 в). Ослабление высокочастотных импульсов (штриховая кривая 3) вызывает уменьшение четкости изображения, так как яркость мелких деталей Е, Ж. 3 при этом усредняется (рис. 6 г). Если, наоборот, имеет место чрезмерное усиление высокочастотных составляющих сигнала (штриховая кривая 2), то наблюдается дефект, называемый «пластикой», т. е. справа от границы раздела между темной и светлой деталями Г и Д появляется более светлая (белее белого) окантовка (рис. 6 д).

Для устранения рассмотренных недостатков в телевизионных усилительных устройствах широко применяются схемы низкочастотной и высокочастотной коррекции амплитудно-частотных характеристик.

Полный телевизионный сигнал

Совокупность сигналов изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называется полным телевизионным сигналом.

Сигнал изображения формируется во время прямого хода луча. Во время обратного хода луч должен быть погашен, иначе, двигаясь в противоположном направлении, он нарушит правильное распределение электрических зарядов на фотомишени передающей трубки, а на экране кинескопа появятся светлые наклонные линии, ухудшающие качество изображения.

Электронные лучи гасятся подачей на электронные прожекторы передающей и приемной трубок специально сформированных гасящих импульсов. Кроме того, для правильного воспроизведения изображения все развертывающие устройства телевизионной системы должны работать синхронно и синфазно, т. е. если, например, на экране кинескопа воспроизводится начало первой строки передаваемого изображения, то электронный луч должен находиться в верхнем левом углу экрана, а при воспроизведении конца последней активной строки второго полукадра - в правом нижнем углу.

В системах телевизионного вещания синхронная и синфазная работа развертывающих устройств передающих камер и телевизионных приемников достигается подачей специальных синхронизирующих импульсов в конце прямого хода каждой строки (строчные синхроимпульсы) и каждого полукадра (кадровые синхроимпульсы).

Гасящие и синхронизирующие импульсы формируются на телевизионном центре с помощью довольно сложного устройства синхрогенератора. Эти импульсы передаются по каналу связи одновременно с сигналами изображения.

На рис. 7 а показана упрощенная форма полного телевизионного сигнала черно-белого телевидения в негативной полярности.

Гасящие импульсы

Гасящие импульсы (рис. 7 а) передаются после сигнала изображения каждой строки (строчные гасящие импульсы) и каждого полукадра (кадровые гасящие импульсы).

Для надежного запирания электронных прожекторов на время обратного хода разверток амплитуда гасящих импульсов превышает уровень черного сигналов изображения. Чтобы скрыть от зрителя переходные явления, которые неминуемо возникают при изменении прямого хода развертки на обратный и наоборот, длительность гасящих импульсов выбирается несколько больше длительности обратных ходов разверток.

Стандартом установлена длительность строчного гасящего импульса 12 мкс (т. е. около 19% от периода строки), а кадрового 1600 мкс (или 8% от периода полукадра).

В результате действия строчных гасящих импульсов все активные строки на экране кинескопа разделены тонкими черными промежутками, которые на близком расстоянии хорошо видны. Для того чтобы строчная структура не была заметна, изображение рекомендуется рассматривать с расстояния равного пяти-шести высотам экрана.

Кадровые гасящие импульсы образуют довольно широкие темные промежутки между кадрами. Однако при устойчивом изображении они не видны, так как располагаются за пределами поля экрана.

Сигнал синхронизации

Строчные и кадровые синхронизирующие импульсы передаются в пределах тех же интервалов времени, что и соответствующие гасящие (рис.7 а).

Располагаются синхронизирующие импульсы над гасящими (в области «чернее черного»). Это позволяет легко отделять их от сигнала изображения обычными амплитудными селекторами.

Поскольку синхроимпульсы должны поступать на развертывающие устройства в конце прямого и начале обратного ходов, то они сдвинуты ближе к фронтам гасящих импульсов. Последовательность строчных и кадровых синхроимпульсов называется сигналом синхронизации.

На рис. 7 б показан сигнал синхронизации, отделенный от сигнала изображения. Стандартом установлена длительность кадрового синхроимпульса t_к.с =  160 мкс, а длительность строчного t_с.с = 4,7 мкс. Такая разница в длительности строчных и кадровых синхроимпульсов обеспечивает их разделение с помощью простых интегрирующих и дифференцирующих цепей. При этом разница в длительности импульсов преобразуется в разницу по их размаху.

Пример выделения кадрового синхроимпульса с помощью интегрирующей цепи, постоянная времени которой τ во много раз больше длительности строчного синхроимпульса, но меньше длительности кадрового (t_c.c << τ << t_к.с ) , показан на рис. 7 в; строчные синхроимпульсы на выходе интегрирующей цепи оказываются подавленными.

Упрощенная форма сигнала синхронизации, показанная на рис. 7 а и на рис. 7 б, не обеспечивает качественного воспроизведения изображения. Так, прекращение синхронизации строчной развертки на время кадровых гасящих импульсов может вызвать смещение строк в начале развертки полукадров. т. е. излом вертикальных линий изображения в верхней части экрана. Поэтому сигнал синхронизации приходится усложнять введением врезок строчной частоты в кадровые синхроимпульсы и передачей строчных синхроимпульсов в течение остальной части кадровых гасящих импульсов (рис. 7 в).

Однако в связи с применением чересстрочной развертки только этой меры недостаточно, так как начало кадрового синхроимпульса, следующего за нечетным полем развертки, отстоит от последнего строчного синхроимпульса на половину строчного интервала, а следующего за четным полем - на целый строчный интервал (рис. 8 а, рис. 8 б). В результате этого на выходе интегрирующей цепи (рис. 8 в) форма кадровых синхроимпульсов четного и нечетного полей получается неодинаковой, что приводит к некоторой неточности синхронизации кадровой развертки, сопровождающейся смещением по вертикали одного полукадра относительно другого, а, следовательно, спариванием строк и уменьшением четкости изображения.

Для обеспечения устойчивой чересстрочной развертки кадровые синхроимпульсы сдвигаются вправо, относительно фронтов гасящих импульсов и в них вводятся врезки двойной строчной частоты (рис. 9 а, рис. 9 б). Перед кадровыми синхроимпульсами и непосредственно после них передается по пять уравнивающих импульсов, также следующих с двойной строчной частотой (с полустрочным периодом). Длительность врезок и уравнивающих импульсов установлена 2,35 мкс.

Такое усложнение сигнала синхронизации позволяет свести к минимуму на выходе интегрирующей цепи различия в форме кадровых синхроимпульсов четного и нечетного полей развертки (рис. 9 в). Форма полного телевизионного сигнала при чересстрочном способе развертки показана на рис. 10