Тема Основни принципи на телевизията. Блокови схеми на телевизионни системи

Телевизията е метод за предаване и приемане на разстояние оптическите изображения на неподвижни и подвижни обекти с помощта на радиотехнически устройства за преобразуване, предаване, приемане, възпроизвеждане и запомняне на визуална (зрителна) информация.

"ТЕЛЕВИЗИЯ" е съставна дума, образувана от гръцката дума "tele" - далече и латинската дума "visio" - виждам. Човек с нормални сетива възприема реалния свят в цветове, обемен, в динамика. Затова качествено телевизионно изображение ще имаме само тогава, когато в максимална степен се запазят при предаването качествените показатели на образа: яркост, цвят, обемност, пространствено разположение, аромат, звукова картина и т.н. Развитието на науката и техниката в момента все още не позволява по телевизионен път да се предават всички качествени показатели на изображенията. Съществуването на съвременната телевизия и създаването на относително опростени телевизионни системи се базира на особеностите на зрителното възприятие на човека. Основният принцип на телевизията е последователно да се предава информация за отделните елементи от изображението с такава скорост, че когато завърши предаването на информацията за последния елемент, в съзнанието на наблюдателя да се е запазило възприятието от първия предаден елемент. Под елемент на изображението се разбира тази елементарна площ от изображението, която се характеризира с постоянна яркост (на практика това е размера на сечението на развиващия елемент/лъч).

За осъществяване на телевизионно предаване е необходимо да се изпълнят следните три процеса:

1) Преобразуване на оптическото изображение в последователност от електрически сигнали.

2) Усилване на тези сигнали и предаването им на разстояние с помощта на радиотехнически средства.

3) Превръщане на приетите и усилени сигнали отново в оптическо изображение.

В телевизията е важно не само да се предадат сигналите на изображението и да се извърши обратното им преобразуване в светлинни импулси, но и последните да се разположат по екрана в пълно съответствие с положението на същите точки от изображението във входа на фотоелектрическия преобразовател в предавателната страна. Това означава, че е необходима точна синхронизация между процеса на възпроизвеждане на изображението и процеса на създаване на сигналите на изображението във фотоелектрическия преобразовател. Телевизионното предаване се осъществява от телевизионна система: комплекс от технически средства, необходими за осъществяване на предаването и приемането на зрителна информация.

Най-общата блокова схема на монохромна телевизионна система е представена на фиг. 1.10.а. С помощта на обектива се формира плоско оптическо изображение във входа на фото-електрическия преобразовател (ФЕП). Във ФЕП лъчистата енергия се преобразува в електрическа и се осъществява развивката на изображението - процеса на последователното предаване на информация за всеки елемент на разлагане. Електрическите сигнали от изхода на ФЕП се усилват и към тях се прибавят служебни сигнали (гасящи, синхронизиращи и др.) в блока за усилване и формиране на телевизионния сигнал (УФ). Синхронизиращите сигнали, необходими за осъществяване на синхронизъм между процеса на фото-електрическото и електро-оптичното преобразуване се формират в синхрогенератор (СГ). Синхронизиращите сигнали за развивката на електро-оптичния преобразовател (ЕОП) в приемната страна се предават по канала за свръзка (КС) едновременно със сигналите на изображението, получени във ФЕП. Канал за свръзка (КС) може да изпълнява кабелна, радиорелейна, широколентова радиоразпръсквателна, космическа или друга линия за свръзка, която удовлетворява изискванията за неизкривено предаване на телевизионните сигнали.
Включеният в приемната страна избирателен усилвател (ИУ) отделя само полезните сигнали от всички сигнали, достигнали до изхода на канала за свръзка и ги усилва до ниво, което е необходимо за нормалната работа на електрооптичния преобразовател (ЕОП). В синхронизиращите устройства (СУ) се отделят синхронизиращите сигнали, които управляват генераторите за развивка на ЕОП.
В електрооптичния преобразовател (ЕОП) се осъществява синтез на изображението от отделни елементи. Синхронната и синфазна развивка на двата крайни преобразователя в телевизионната система осигурява геометричното подобие на възприеманото от зрителите изображение с предаваното изображение.
В блоковата схема на телевизионната система за цветни изображения, фиг. 1.10.б, многоцветният светлинен поток от обекта се разлага в оптическа цветоразделителна система (ЦРС) на три едноцветни светлинни потока. След формиране с помощта на

Фиг. 1.10

филтри (ФR, ФG, ФB), всеки от едноцветните светлинни потоци се преобразува в електрически сигнал ER, EG и EB в свой фотоелектрически преобразовател (ФЕПR, ФЕПG, ФЕПB). В кодираща матрица (КМ) се формират електрическите сигнали за цветна телевизия. В кодиращо устройство на предавателната страна (КУ) се създава пълния електрически сигнал за цветна телевизия, който се предава по канала за свръзка. В декодиращото устройство (ДУ) на приемната страна се получават сигналите за цветна телевизия, от които в декодиращата матрица (ДМ) се формират сигналите за трите едноцветни изображения ER, EG, и EB , които в ЕОП за цветно изображение създават за зрителите многоцветното телевизионно изображение. Класификация на телевизионните системи. Сега съществува голямо разнообразие от телевизионни системи. Класификацията им може да се направи по определени признаци:

* По качествен признак телевизионните системи може да се класифицират като черно-бели (монохромни); цветни; обемни и т.н.

* По метод на предаване биват аналогови и дискретни.

* По ширина на честотния спектър на видеосигнала ТВ системи се делят на широколентови и теснолентови. Трябва да се отбележи, че такова разграничаване може да се направи само условно. Обикновено се приема, че системата е теснолентова, когато ширината на честотния спектър на видеосигнала е в границите от 0,1 kHz до 0,1 MHz. Системите с ширина на честотния спектър на видеосигнала, по-голяма от 0,1 MHz са широколентови. * В зависимост от предназначението си телевизионните системи могат да бъдат: - Системи за ТВ разпръскване. Това е най-развитата и най-широко използуваната група телевизионни системи. - Приложни телевизионни системи. Използуват се в промишлеността, научните изследвания, в транспорта, медицината, за наблюдения в космоса и световния океан и т.н. Към тази група се причисляват и учебните телевизионни системи. - Телевизионни автомати. При тях обикновено видеосигналът не се преобразува във визуална информация. Използуват се за разпознаване на обекти, измерване на геометрични характеристики на различни обекти, преброяване на детайли и т.н. Най-характерните особености при използуването на телевизионни системи в педагогическата технология (учебните телевизионни системи) са: - Предаване на изображения в реален мащаб на времето и на много големи разстояния (от коя да е точка на земното кълбо). - Възпроизвеждане на изображенията на неограничен брой екрани. - Запис на сигналите от изображението с възможности за по-следващо възпроизвеждане (консервация на учебни програми, отделни фрагменти и др.).

- Усилване, преобразуване и обработване на сигналите от изображението с цел: отделяне на информативни фрагменти; смесване на изображения; въвеждане на "спец-ефекти"; оцветяване на елементи и детайли; въвеждане на анимация и др. - Телевизионните системи в комбинация с компютри и компютърни методи, запаметяващи устройства с много голям обем на паметта (оптически дискове) и съвременни комуникационни мрежи създадоха нов тип информационен обмен - така наречената мултимедия - една от най-перспективните информационни технологии с приложение в обучението.

Процесът на последователното предаване на информацията за отделните елементи на изображението се нарича развивка на телевизионното изображение.

Фиг. 1.11

В телевизията най-често се използува магнитно отклонение на електронния лъч. В най-общия случай формата на отклоняващите токове може да се представи както е показано на фиг. 1. 12. В съответствие с формата на отклоняващите токове, показана на фиг. 1.12 за времето на правия ход може да се напишат следните линейни уравнения: ix(t) = Imx.( - 1) iy(t) = Imy.( -1) (1.16) където ix(t) е хоризонтално отклоняващия ток; iy(t) - вертикално отклоняващ ток; Т1х - времето за правия ход на лъча в хоризонтална посока;

Фиг. 1.12

Т1у - времето на правия ход на лъча във вертикална посока; Imx; Imy - амплитуда на отклоняващите токове. Тъй като информация за изображението се предава само по време на правия ход на развивката, то законът за обратния ход на развивката няма значение за качеството на изображението. Необходимо е само за времето на обратния ход Т2 развиващият елемент да се върне в изходно положение без паразитно влияние върху правия ход. Ако се пренебрегне времето за обратен ход на лъча като много малко, за прогресивната телевизионна рзвивка може да се запише: Форматът на кадъра в системите за телевизионно разпръскване е к= 4:3 и е определен от полето на ясното зрение за окото, както е посочено в 1.3.1. Първите предложения за ТВ системи с ултрависока разделителна способност (HDTV) в Европа предвиждат броя на редовете в растъра да бъде z = 1249 при формат 5:3. По-късно съгласно с предложен в САЩ проект за формат 5,33:3 се приема като международен формата к = 16:9, който вече се излъчва в някои системи МАС и е заложен в приетите стандарти за телевизия с ултра-висока разделителна способност 1125/60 за САЩ и 1250/50 за Европа. В някои приложни телевизионни системи често се избира к = 1 или к < 1 в зависимост от предназначението на системата. За намаляване на ефекта на трепкане на растъра, в телевизията е прието смяната на кадрите да се извършва с честота 50 Hz. По този начин се превишава с известен запас "критичната честота на трепкане". Следователно: fy = 50 Hz , Ty = 1/fy = 20 ms . При прогресивната развивка изображението съдържа винаги цяло число (z) редове. Следователно за честотата на редовете може да се запише: fx = fy.z = 50 . 625 = 31250 Hz , Tx = 1/fx = 32 ms

Презредова телевизионна развивка. Избраната скорост (50 кадъра/s) за предаване на кадрите при прогресивната телевизионна развивка въз основа на особеностите на зрителното възприятие на човека, доста превишава необходимата за нормалното предаване движенията на подвижните обекти. За възпроизвеждане изображенията на подвижни обекти е достатъчно да се предават 20-25 отделни неподвижни фази на движението в секунда. Както ще се види по-късно, честотната лента която заема спектъра на телевизионния сигнал, зависи право пропорционално от кадровата честота. Следователно увеличеният брой на предаваните кадри в секунда ще доведе до ненужно увеличение на ширината на честотната лента (повече от 12 MHz). Сигнал с такава широка честотна лента трудно се обработва от предавателната и приемна апаратура и трудно се пренася по канала за свръзка без забележими изкривявания. За отстраняване на този съществен недостатък в много ТВ системи и в системите за ТВ разпръскване се използува презредовата телевизионна развивка. Същността на презредовата развивка се състои в това, че пълният кадър на изображението се предава и възпроизвежда на два пъти (разлага се на два полукадъра). В първия полукадър се извършва развивка само на нечетните редове от растъра (1, 3, 5 и т.н.), а във втория полукадър - само четните редове (2, 4, 6 и т.н.). Забележка: Деленето на редовете на четни и нечетни е условно! Следователно всеки от полукадрите съдържа растър от двойно по-малко редове, съответно половината от информацията за изображението, фиг. 1.13. Развивката се извършва така, че редовете на втория полукадър се разполагат точно между съответните редове на първия полукадър, като по този начин пропуснатата при предаването на първия полукадър информация се допълва от информацията във втория полукадър. Този процес се осъществява при нечетен брой редове в растъра на пълния кадър, вследствие на което всеки от полукадрите съдържа цяло число редове плюс половин ред. При развивката растърът на втория полукадър се отмества във вертикална посока на половин ред по отношение на растъра на първия полукадър, защото за времето на предаване на един ред вертикалното преместване при презредовата развивка е равно на ширината на два реда и следователно редовете на втория полукадър ще се разположат между редовете на първия полукадър. По този начин се формира пълен растър , но за два периода на вертикалната развивка.

За да се спази изискването за "критичната честота на трепкане" честотата на полукадрите се избира fпк = 50 Hz. Един полукадър се предава за 20 ms, пълният кадър - за 40 ms. Следователно честотата, с която се предават пълните кадри е fk = 25 Hz и ширината на честотната лента на спектъра на телевизионния сигнал е два пъти по-тясна в сравнение с прогресивната развивка при съхранение в общи линии на основните качествени показатели на телевизионното изображение: детайлност, контраст и т.н.

При презредовата развивка fx = fk.z = 25 . 625 = 15625 Hz ; Tx = H = 1/fx = 64 ms
За да се осъществи точна презредова развивка е необходимо:

1. 
   Броят на редовете в кадъра да бъде нечетно число
   
2. 
   z = 2.m + 1 , където m е цяло число,
   
3. 
   2. Честотата на хоризонталната развивка fx и полукадровата честота fn трябва да бъдат здраво свързани една с друга по фаза, съгласно закона
   

осигуряващ наличие на половин ред във всеки полукадър.

Фиг. 1.13

Към недостатъците на презредовата телевизионна развивка може да се отнесе усложняването на формата на полукадровия синхронизиращ импулс и апаратурата на телевизионната система; малко по-силни изкривявания на изображенията на бързоподвижни обекти в сравнение с прогресивната развивка. При недостатъчно точна презредност възниква ефект на сдвояване на редовете, което води до снижаване на вертикалната детайлност и по-силна забележимост на редовата структура на растъра.

Геометричното подобие характеризира точността при възпроизвеждане координатите на отделните елементи в изходното изображение. За да се дефинира условието за геометрично подобие в телевизията е необходимо да се дефинират основните понятия: предавано и възприемано изображения. Предаваното изображение може да бъде тримерно, ако се предава от натура или двумерно при предаване на диапозитив, картина или кинофилм и по тези причини в известен смисъл е неопределено. За да бъде еднозначно определено, под предавано изображение ще се разбира изображението, което съществува върху светочувствителния слой на фотоелектрическия преобразовател. Определеното по този начин "предавано изображение" е винаги двумерно, независимо от характера на предавания обект.

Под възприемано изображение ще се разбира изображението, което съществува върху зрителната равнина c на наблюдателя, фиг.1.14. Зрителната равнина c е равнината, перпедикулярна на оста на конуса на зрението, във върха на който се намира окото на наблюдателя.

Фиг. 1.14

Разстоянието от зрителната равнина c до наблюдателя може да се избере произволно и не оказва влияние върху геометричното подобие на възприеманото изображение. Изменя се само мащабът му. След така дефинираните понятия за предавано и възприемано изображения, въпросът за геометричното подобие между тях се свежда до сравняване на две двумерни изображения, фиг. 1.15.

Равенството (1.17) има две подусловия : условие за синхронност и условие за синфазност в телевизията. Условието за синхронност се определя от израза (1.18) - отношението между модулите на съответните радиус-вектори трябва да бъде постоянна величина:

= const (1.18)

Фиг. 1.15

Необходимо е да съществува и условието за синфазност, т.е. равенството на аргументите на двата радиус-вектора, (1.19)

jо = j (1.19)

На практика трудно се осигурява както постоянство на скоростта на отклонние в течение на периода, така и подобие на неравномерността на скоростите на предаване и приемане. Вследствие това възникват геометрични изкривявания в телевизионното изображение. Нарушаване на геометричното подобие се получава и вследствие несъответствието на форматите при предаване и приемане, недостатъците на светлинната и електронната оптики, влияние на външни магнитни полета и т.н.

Различните изкривявания, водещи до нарушаване на формата на възпроизвежданото изображение и геометричното му подобие с оригинала в най-общия случай се наричат растрови изкривявания. В зависимост от зрителното им възприемане и причините, които ги пораждат те се разделят на нелинейни и геометрични.

Нелинейните изкривявания в растъра се дължат на непостоянната скорост на развивката и се проявяват като разтегляне или свиване на отделни участъци от растъра. Това означава, че мащабът на изображението на един и същи обект не се запазва постоянен в равнината на растъра. Такива изкривявания са силно забележими и неприятни при наблюдаване на подвижни обекти.

Фиг. 1.16

Геомеричните изкривявания се предизвикват най-вече от несъвършенството на отклоняващите системи и неправилното им монтиране. Проявяват се като нарушаване на правоъгълността на растъра, изкривяване на крайщата му и на правите линии във възпроизвежданото изображение. В зависимост от формата на изкривения растър, геометричните изкривявания се класифицират като изкривявания тип "бъчва", "възглавница", "трапец", "паралелограм" и т.н., фиг. 1.16.

Съвместното въздействие на нелинейните и геометричните изкривявания води до нарушаване постоянството в мащаба на координатите на всяка точка от изображението и по тази причина често се наричат и координатни изкривявания на телевизионния растър.
Растровите изкривявания се оценяват с коефициента на координатни изкривявания:

- Изкривяванията тип "бъчва" или "възглавница" се оценяват в (%) като отношение на максималните отклонения Dh и Db , съответно към ширината и височината на растъра

eo = . 100 [%] ; ky = . 100 [%] (1.20)

- За оценка на трапецовидните изкривявания

ko? = 2. . 100 [%] (1.21)

- За изкривявания тип "паралелограм"

ei = 2. . 100 [%] (1.22)

Растрови изкривявания до 5% практически са незабележими в изображението. При изкривявания до 15% телевизионните изображения се възприемат удовлетворително.

Детайлността е важно качество на всяко изображение. В телевизията детайлността се определя от способността на ТВ система да предава и възпроизвежда най-фината структура на изображенията.

Видимата детайлност зависи от редица фактори:

- от разстоянието между наблюдателя и изображението;

- от яркостта и контраста на изображението;

- от наличието на шум в изображението;

- от характерните особености на зрителната система на отделния наблюдател и т.н.
Интерес представлява детайлността, зависеща само от особеностите на системата, като се изключат всички характеристики, зависещи от зрението.

Възпроизвеждането на най-дребните детайли в телевизионното изображение е свързано с максималния брой елементи N, на които се разлага изображението в съответствие с даден телевизионен стандарт. ( Броят на елементите, на които се разлага изображението или броят на редовете в растъра при даден формат, определя граничната детайлност на формираното изображение), фиг. 1.17.

При зададен формат на изображението к = b/h = 4:3, където в е ширината, а h - височината му, броят на елементите, на които се разлага изображението се определя по следния начин:

В един ред се разполагат b/h . z = k.z елемента,

за z реда N = k.z2 елемента. Например за стандарта с z = 625 реда максималният брой елементи в изображението ще бъде N = 4/3. 6252 = 520 833.


Фиг. 1.17

Така определената стойност е идеализирана, тъй като не са отчетени следните фактори:

- Изгубване на определен брой редове по време на обратния ход на лъча във вертикална посока;

- Изгубване на определен брой елементи по време на обратния ход на лъча в хоризонтална посока;

- Действителната форма на елемента от изображението чувствително се различава от идеализираната във вид на квадратче със страна равна на h/z.

Ако се отчетат посочените по-горе фактори реалният брой елементи е около 380 000.

Чрез броя елементи може да се характеризира детайлността на ТВ изображение. Но по-удобно при количествена оценка на детайлността е да се използува броя на редовете z , на които се разлага изображението тъй като броят на редовете z броят на елементите N са еднозначно свързани.

Поради особеностите на зрителната ни система и ограничената разделителна способност на зрението практиката показва, че за удовлетворително възпроизвеждане на лице в едър план са достатъчни 120 - 150 реда на разлагане; за група хора : 250 - 300 реда.

Необходимо е да се обърне внимание, че при определяне на броя на редовете на разлагане в дадена телевизионна система се отчита не само граничната детайлност на изображението, а и така наречената видима детайлност G. Зависимостта на видимата детайлност G от броя на редовете на разлагане z както е известно има логаритмичен характер (1.23), фиг. 1.18.

G = (1.23)

Установено е, че разлагането на изображението на около 600 реда е достатъчно за осигуряване на добро качество. При стандартни характеристики на разлагане z = 625 реда, формат k = 4:3 и наблюдаване на изображението от разстояние l = 5.h, където h е височината на изображението, видимата детайлност G = 0,88.

Важно е да се обърне внимание на факта, че в системите за учебна телевизия и при персоналните компютри, където предимно се работи с графични изображения, таблици или текст, условията за възприемане на изображенията значително се различават от условията на наблюдаване на изображенията от системите за ТВ разпръскване. Поради това в тези случаи се прилагат други характеристики на разлагане на изображенията.

Информационна оценка на телевизионното изображение.

Както е известно теорията на информацията изучава количествените закономерности при предаването, съхраняването и обработването на информация. Тя позволява да се оцени ефективността на различните комуникационни системи, да се установят условията за съгласуване на източника на информацията с канала за свръзка и получателя на съобщението. Несъмнен интерес представлява количеството информация в едно изображение, което се формира по електронен път. Ако приемем за информационен елемент предаването на един ТВ кадър, може да се определи вероятността за предаване на кой да е кадър от цялото множество М на всевъзможни картини.
Количеството информация Б в съобщение за някакво събитие (в случая телевизионния кадър) се определя от вероятността р на това събитие (да се предава този кадър):

Б = - log2 p [дв. ед.] (1.24)

Знакът (-) пред логаритъма е поставен, за да бъде количеството информация винаги положително число, тъй като вероятността р Ј 1.

Нека да приемем, че предаваме едно изображение, което се състои от N елемента. Ако всеки един елемент може да приема само една градация на яркостта, то тези N елемента ще формират само едно изображение.

Ако всеки един от всичките N елемента може да приеме m градации на яркостта, тогава общото количество изображения, които може да се формират от N елемента ще бъде:
M = mN (1.25)

Ako N = 5. 105 = 500 000 елемента;

и m = 8 градации на яркостта, тогава М = 8500 000 възможни изображения. Тук са включени и най-безсмислени комбинации от яркости на отделните елементи.

Вероятността да се предава едно от тези изображения е нищожно малка:

p = (1.26)

Количеството информация за разглеждания случай ще бъде:

Б = - log2 p = - log2 8500 000 = 1,5. 106 [дв.ед.]

При цветни изображения един елемент на многоцветното изображение се състои от три елемента на основните цветове (червен, зелен и син). Следователно броят на комбинациите Мс от елементите на трите основни цвята с различна яркост в един кадър ще бъде:

Mc = mc3.Nc (1.27)

където mc е броя на яркостните градации за всеки един от основните цветове;

Nc - броя на елементите във всяко от едноцветните изображения.

Като се приеме, че mc = m и Nc = N , може да се запише:

Мс = М3

Последното равенство показва, че възможното количество възпроизводими цветни телевизионни изображения в сравнение с монохромните (черно-бели) изображения, при равни други параметри се увеличава М2 пъти. При това с увеличаването на детайлността (N), отношението Мс/М също нараства.

Бc = log2 Mc = log2 M3 = 3.log2 M = 3. Б (1.28)

На практика отделните ТВ кадри не се различават много един от друг и елементите на изображението са силно корелирани. Опитно е установено, че съществува корелация между 5 до 50 елемента в ред в зависимост от сюжета.