Параметры разложения изображения в телевидении

Разобьем поле плоского (двумерного) изображения (рис. 2.4) вертикальными и горизонтальными линиями на N элементарных ячеек со стороной б и будем считать, что в пределах каждой ячейки, которую называют элементом разложения или элементом изображения, поток излучения воспринимается только как интегральная величина. Передача изображения, как было показано, осуществляется за счет преобразования пространственного потока энергии излучения во временную последовательность.

Процесс последовательной передачи информации о каждом элементе разложения называется разверткой или сканированием изображения. Изображение, полученное в результате однократного воспроизведения всех элементов разложения, называется кадром. Очередность (порядок) последовательной передачи элементов образует траекторию развертки. Структура поля изображения, образованная в результате развертки, называется растром. В зависимости от траектории развертки различают линейный, точечный, спиральный и другие растры. Для линейной траектории развертки растр представляет собой совокупность строк. При прямоугольном кадре отношение ширины изображения в к его высоте h называют форматом кадра в/h = k . Важным параметром, характеризующим скорость передачи изображений, является число кадров п , передаваемых (или воспроизводимых) в единицу времени.

Отношение яркостей наиболее светлого и наиболее темного участков изображения называется контрастом изображения. С контрастом изображения непосредственно связано число m_L воспроизводимых градаций яркости. Для цветного изображения важным параметром является также число m _ц воспроизводимых градаций цветности.

Разумный выбор параметров разложения изображения в телевидении играет важную роль при разработке телевизионной системы, предназначенной для решения определенных задач. Проанализируем указанные параметры.

Число элементов разложения

Для повышения четкости телевизионного изображения число элементов разложения следует увеличивать, но это приводит к усложнению и удорожанию телевизионной системы. Поэтому при выборе числа элементов разложения для системы телевизионного вещания исходят из того, что оно не должно превышать некоторого максимального значения N_max , за пределами которого возрастание четкости было бы незаметным из-за ограниченной разрешающей способности зрения.

Это условие неоднозначно, так как при изменении расстояния l от экрана до наблюдателя угол α будет принимать различные значения. Число элементов в кадре N = kz ² . Принимая γ ₀ = 1.5ʹ, k = 4/3, получаем следующие значения для z_max и N_max в зависимости от α:

Оптимальное расстояние наблюдения изображения, согласно рис. 2.5 и (2.1), определяется из условия

В специализированных телевизионных системах необходимое число элементов разложения может существенно отличаться от указанных значений. Когда требуется увидеть возможно больше деталей, например при передаче изображений аэрофотосъемки или космических объектов, необходимое число элементов разложения существенно возрастает, в то время как в системах опознавания простых образов, N = 50÷100 например отдельных букв, достаточно

Кажущаяся четкость изображения G непосредственно связана с числом элементов разложения, однако эта связь нелинейна. Приращение кажущейся четкости dG пропорционально относительному приращению числа элементов разложения:

Откуда G = C ₁ln + C ₂

Постоянные С ₁ и С₂ могут быть определены из граничных условий: при G = 0 N=l и С₂ = 0 при G = G_max N = N_max . Полагая, что значение G_max определяет 100 % четкость, получаем G_max = G ₁lnN_max = 1, откуда C ₁ = 1/lnN_max

Таким образом, из (2.2) и (2.3) следует

Например, при z_max = 1200 и k = 4/3

уменьшение числа строк разложения z с 1200 до 600 приводит к падению визуальной четкости всего лишь на 10 %, а спектр частот телевизионного сигнала, как будет показано ниже, сокращается при этом в четыре раза. В связи с этим стремление к реализаций максимальной четкости экономически не всегда оправдано, поэтому ограничиваются некоторой удовлетворительной кажущейся четкостью (например, 0,9G_max ), по которой определяется визуально-достаточное число элементов разложения N.

Число кадров, передаваемых и воспроизводимых в единицу времени

Требования к числу передаваемых n _п и к числу воспроизводимых n _в кадров в единицу времени в общем разные.

Необходимое число передаваемых за секунду кадров определяется из условия допустимой дискретизации изображения во времени. При передаче движущихся изображений таким условием является обеспечение слитности фаз движения, зафиксированных в соседних кадрах. В профессиональном кино считают достаточным показ 24 кадров в секунду, в любительском — 16. При передаче малоподвижных изображений один кадр может передаваться несколько секунд, минут или даже часов. Уменьшение числа n _п кадров, передаваемых в секунду, позволяет сократить количество информации, передаваемой по телевизионному каналу, и, следовательно, является выгодным.

Число кадров, воспроизводимых в единицу времени, при визуальном наблюдении определяется из условия отсутствия мерцаний изображения.

В кино число передаваемых кадров в секунду составляет 24, а воспроизводимых — 48 за счет того, что каждый кинокадр дважды подряд демонстрируется зрителю. Однако условия воспроизведения изображения в кино и на телевизионном экране неодинаковы. В кино все элементы изображения проецируются на экран одновременно, пока открыта заслонка объектива (обтюратор) киноаппарата, т. е. в течение всего времени демонстрации кадра. В телевидении условия воспроизведения изображения тяжелее, так как каждый элемент изображения высвечивается в течение времени, значительно меньшем, чем длительность передачи кадра. Поэтому критическая частота мерцаний f _кр для телевизионного экрана оказывается выше, чем для киноэкрана, поскольку она определяется не только кажущейся яркостью изображения, но и скважностью световых импульсов, создающих это изображение (п. 1.2). В случае безынерционного экрана скважность импульсов велика, поэтому и критическая частота оказывается высокой. При использовании инерционного экрана время высвечивания каждого элемента изображения увеличивается за счет послесвечения экрана, что приводит к понижению f _кр. Для приемлемых в случае телевизионного экрана яркости (30—100 кд/м ² ) и послесвечения ~ 0,02 с f _кр = 46 ÷ 56 Гц.

Если телевизионные устройства питаются от сети переменного тока, частоту кадров синхронизируют с частотой питающей сети. Это делает наводки от сети менее заметными, так как они проявляются на изображении в виде неподвижных светлых и темных полос. Несоблюдение этого условия при недостаточной фильтрации приводит к образованию перемещающихся полос, создающих более заметные помехи.

Формат кадра

Формат кадра в разных системах может существенно изменяться. Например, во многих прикладных телевизионных устройствах часто выбирают k = 1. В системах видеотелефона, где преобладают изображения, вытянутые по вертикали, обычно k<1, а в системе телевизионного вещания к = 4/3 т. е. больше 1.

Формат кадра в вещательном телевидении согласован с форматом стандартного кинокадра, что облегчает передачу кинофильмов по телевидению.

Число градаций яркости

При передаче полутоновых изображений число градаций, различаемых глазом в пределах одного уровня адаптации при пороговом контрасте 4 % и контрасте изображения 25, составляет около 80 (п. 1.2). Однако пороговый контраст в 4 % глаз ощущает при сравнении двух световых полей на фотометре, т. е. в идеальных условиях наблюдения.

В реальных условиях глаз в состоянии достаточно уверенно ощутить контраст в 10 %. При этом общее число различимых порогов, вычисленное по (1.2), составит 32. На контрастную чувствительность глаза оказывает существенное влияние плавность перехода на границе сравниваемых полей, оцениваемая градиентом контрастности. Глаз ощущает контраст 10 % в соседних полях при градиенте 0,3—0,5 % на одну угловую минуту. При меньшем градиенте контрастная чувствительность глаза уменьшается.

Число цветовых градаций