Принципи телебачення

 

Сукупністъ оптичних, електронних i радіотехнічних пристроїв, за допомогою яких зображення перетворюєься на електричні сигнали, після чого вони передаються на відстань, синтезуються або обробляються для здобуття потрібної інформації, утворює телевізійну систему.

За призначенням телевізійні системи можна поділити на системи телемовлення (побутового телебачення) та спеціалізовані.

За якісними ознаками системи телебачення можуть бути монохромні (чорно-білі), колъорові, стереоскопічні монохромні, а також стереокольpoвi. Спещалізовані системи телебачення різноманітні як за структурою так i за технічними параметрами. За способами передавання й оброблення інформаіїп спещалізовані телевізійні системи буваютъ аналогові та цифрові; за спектральними характеристиками джерел інформації– оптичні й неоптичні; за виконуваними функціями — відеозв'язку, візуалізаії зображниъ неоптичних діапазонів та автоматичні. В спещалізованих системах телебачення застосовують стандартні (розглядаються нижче) i нестандартні способи розгортки зображень та розкладання ix на елементи.

Системи відеозв'язку мають поки що найбільше поширення. Їx використовують у різних видах диспетчеризації, у спостереженні за технологічними процесами на виробництві, відеотелеметрії (забезпечує вимірювання параметрів об'ектів з їx спостереженням в умовах, не доступних безпосередньому спостереженню: ядерна енергетика, підводний npoстip, космічні

технології тощо). Для збільшення надійності телевізійного зв’язку на великих відстанях (наприклад, iз космічними об'ектами) застосовують цифpовi телевізійні системи.

Системи візуалізації дають змогу бачити зображення в променях, що лежать за межами оптичного диапазону: електронних, рентгенiвських, інфрачервоних, ультрафіолетових, акустичних тощо.

Особливість телевізійних автоматів полягає в тому, що перетворення відеосигналу на зображення в них не обов'язкове. Вони застосовуються для пошуку, розпізнавання i вимірювання осцилограм, голограм, графічнoi та друкованої інформації. Оброблення телевізійного сигналу в цьому разі здійснюється логічними пристроями i мікропроцесорами, які входять до складу телевізійного автомата.

Далі докладно розглядаються лише принципи побудови та структурні схеми побутових телевізійних систем.

Для створення телевізійних систем треба було вирішити три найважливіші проблеми:

•перетворення зображення (променистої енергії) на електричний сигнал;

•передавання електричних сигналів на відстань;

•перетворення електричних сигналів на зображення.
Друга проблема була вирішена побудовою перших радіопередавачів і радіоприймачів. Однак виршення першої з них, суто телевійшної, почалося ще за 20 років до демонстрації

О. С. Половим першої лінії радіозв’язку.

Перший принцип телебачення — розкладання (розбиття) зображення на елементи — був висловлений ще в 1875 р. американцем Дж. Керра, який запропонував перетворити зображення на електричний сигнал за допомогою мозаїки селенових фотоелементів. Проте ця система була багатоканальною i тому не мала перспектив для технічної реалізації.

Уже через п'ять років після цього в кількох країнах, у тому числі росіянином П.I. Бахметьєвим, було запропоновано одноканальну систему перетворення зображення на електричний сигнал методом розгортання. Саме розгортання зображення в часі є другим принципом телебачення. Він ураховує інерційність сприйняття зором зображень, що дає можливість передавати інформацію про яскравість ycix елементів зображення не одночасно (паралельними каналами), а розгорнувши зображення в часі, тобто послідовно по одному каналу.

Однак yci механічні способи здобуття розгортки зображення,. в тому числі (запатентований поляком П. Ніпковим оптико-механічний диск, не могли бути перспективними внаслідок їхньої інерційності. Основу для електронного телебачення було закладено російським проф.

Б. Л. Розінгом, який у 1907 р.запатентував, а у 1911 р. здійснив першу в. світі передачу зображення на відстань електричним способом. Таким чином, третій принцип телебачення полягає в електронному cnoco6i перетворення зображень на електричні сигнали i навпаки. Технічне втілення цього принципу було забезпечене створенням високочутливих передавальних телевізійних трубок, у найсучасніших з яких використовується ефект накопичення електричних зарядів.

Зусиллями багатьох учених та конструкторів Америки, Англії, Pociї протягом 1925 - 1940 pp. Були створені високочутливі передавальні трубки різних конструкцій, у тому числі сучасні відекони i суперортикони. В передавальних трубках зображення проектується об'єктивом на світлочутливу мішень, після чого за допомогою зчитувального електронного променя перетворюється на електричний сигнал яскравості.

Передавання та відтворення зображення здійснюються поелементно послідовним растровим розгортанням, при якому електронні промені в передавальній i приймальній (кінескопі) трубках синхронно переміщуються зліва направо й униз, швидко повертаючись ліворуч на початок наступного рядка. Після останнього рядка промінь повертажється на початок першого, креслячи при цьому за 1/25 с 625 рядків. Така кількість рядків є оптимальною, оскільки роздільна здатність ока становить 1,1, а кут поля зору без переміщення ока — 11°. За таких умов можна роздільно бачити не більш як 600 рядків.

Оскільки відношення сторін у телевізійному кадрі прийнято 4/3, зображення одного кадру розкладається на

N = 625² • 4/3 = 520 000 елементів (пікселів). (9.1)

Кількістъ кадрів, яка передається за одиницю часу, визначається умовами відсутності миготіння під час сприймання зображення. Дослідження показують, що за умови інерційності екранів з післясвітінням 0,02 с критична частота кадрів лежить у межах 46. ..56 Гц. Для живлення від мережі змінного струму частоту кадрів синхронізують з частотою мережі, тобто зручно вибрати частоту кадрів 50 Гц. Це зменшує завади, які виникають у зображенні від електромережі у вигляі1 темних i світлих смуг.

Однак при частоті кадрів 50 Гц треба передавати за секунду 50•520 000 = 26 000 000 елементів зображення, що потребує вищої частоти смуги пропускання сигналу F_в = 13 МГц. Щоб зменшити ширину смуги частот сигналу при збереженні незмінними вимог до миготіння, телевізійний сигнал передєеться двома послідовними полями зображення (півкадрами) з черезрядковим розгортанням сигналу. При цьому електронний промінь креслить спочатку вci непарні рядки, а потім — парні (рис. 9.1). Таким способом частота кадрів знижується до 25 Гц, а верхня гранична частота телевізійного сигналу — до 6,5 МГц.

Рис. 9.1. Принцип формування телевізійного растра

 

Телевізійний растр формується за допомогою пилкоподібних коливань струму, або напруги рядкової та кадрової частот, які забезпечують горизонтальне i вертикальне відхилення розгортальних променів у передавальному та приймальному пристроях. Частота горизонтальнї! розгортки становить 15 625 Гц, а вертикальної — 50 Гц. Для узгодження роботи генераторів розгортки в передавальному i приймальному пристроях використовують синхроімпульси рядкової та кадровї! частот, а для усунення спотворень сигналу зображення niд час зворотних ходів розгорток електронні промені гасять. Тривалість гасильних імпульсів мєе бути трохи більшою від тривалості зворотних ходів розгорток, щоб уникнути спотворень сигналу від нестабільностей частот.

Таким чином, повний телевізійний сигнал мєе нести, крім інформації про яскравість кожного елемента зображення, ще й рядкоі1 та кадрові синхрі!мпульси, а також імпульси гашення зворотних ходів рядків i полів (півкадрів).

Структуру повного телевізійного сигналу показано на рис. 9.2. Як видно завдяки наявності рядкових гасильних імпульсів кожен рядок має не 820, а лише приблизно 740 елементів зображення; в кожному кадрі з тієї самої причини є приблизно 580 рядків.

Kpiм рядкових та кадрових синхронізувальних i гасильних імпульсів до структури гасильного імпульсу поі1в (півкадрів) входять ще вирівнювальні імпульси у вигляді насадок на кадрових гасильних імпульсах. Вирівнювальні імпульси забезпечують перехід від непарних полів розгортки до парних i навпаки. Частота цих імпульсів вдвічі вища за частоту рядкових імпульсів.

Сигнал яскравості в аовному телевізійному сигналі є негативним. Більш світлим елементам зображення на світлочутливій мішені передавальної трубки в ньому відповідають низькі piвнi напруги. Так, на рис. 9.2 рівень сигналу, що становить понад 75 % максимального рівня, відповщає рівню «чорного», а piвень сигналу менший за 15 % — рівню «білого».

Телевізійний сигнал зображення передається з AM високочастотних коливань метрового і дециметрового діапазонів, а сигнал звукового супроводження — ЧМ коливань носійної частоти звуку f_н.зв, яка розташовується на 6,5 МГц вище носійної частоти f_н.з сигналу зображення (рис 9.3). При звичайній AM загальний спектр частот телевізійного сигналу перевищував би 13 МГц. Щоб зменшити смугу частот, яку займає телевізійний радіосигнал, одна його бічна частота частково заглушується, завдяки чом в смузі залишаються лише низькочастотні складові спектра відеосигналу які містять інформацію про великі деталі зображення, що сприяє збереженню високої якості зображення.

Рис. 9.2. Структура повного телевізійного сигналу

 

Таким чином, ширина спектра частот одного телевізійного каналу становить 8 МГц.

Розглянуті принципи побудови плоского монохромного телевізійного сигналу при переході до кольорового телебачення доповнюються принципом трикомпонентної теорії світла. Він полягає в тому, що будь-які чотири кольори знаходяться в лінійній залежності, але існує необмежена кількість комбінацій з трьох кольорів, які є лінійно незалежними, тобто будь-який колір можна одержати як одну з комбінацій трьох лінійно незалежних кольорів. У 1931р. Міжнародна комісія з освітлення розробила стандарт, згідно з яким основними кольорами визнано червоний R (λ = 700 нм), зелений G (λ = 546,1 нм) i синій В (λ = 435, 8 нм).

Довільний колір D можна математично визначити через основні кольори R, G, В лінійним рівнянням

D = rR + gG + bB, (9.2)

де r,g,h – триколірні коефіцієнти, пов'язані рівнянням

r + g+b = l. (9.3)

Як видно, колірність світла однозначно визначається за допомогою двох незалежних триколірних елементів. Тому колірність є двовимірною величиною. Цей висновок має дуже велике технічне значення для забезпечення подвійної сумісності систем кольорового телебачення з системами монохромного телебачення, що вже існували. Ця подвійна сумісність полягає в тому, що вона має забезпечити приймання на кольорові телевізори монохромних передач (у чорно-білому варіанті), а на монохромні – кольорових передач без збереження кольору. Отже, вводячи кольорове телебачення, не можна було порушувати існуючу структуру відеосигналу i спектральну ширину те-левізійного радіосигналу.

У системі кольорового телебачення за опорний рівносигнальний колір було прийнято стандартне джерело реального білого. Тоді рівняння (9.2) в параметрах яскравості для цього джерела має вигляд

E_Y = 0,3E_R + 0,59E_G + 1,1E_B. (9.4)

 

Рис. 9.3. Структура телевізійного радіосигналу чорно-білого телебачення

 

 

Яскравість елементів зображення передається в монохромному каналі. Отже, передавати її ще й у каналах

колірності немає потреби. Тому в рівнянні (9.4) в обох частинах віднімаємо величину Е_Y::

0 = 0,3(E_R–E_Y) + 0,59(E_G–E_Y) + 0,11(E_B–E_Y). (9.5)

Вирази, записані у дужках, виражають кольорорізницеві сигнали E_R-_Y, Е_G–Y, E_b–y. Для еталонного білого кольору вci вони дорівнюють нулю. 3 трьох кольорорізницевих сигналів згідно з принципом двовимірності колірності для передачі можна вибрати два незалежних. 3 міркувань завадозахищеності для передачі вибрано сигнали E_R–Y та E_b–y оскільки їхні рівні, як це випливає з (9.5), вищі, ніж сигналу Е_G–Y.

Для передачі кольорорізницевих сигналів були розроблені три сумісних системи кольорового телебачення : NTSC. CEKAM i PAL, які різняться методами передачі кольорорізницевих сигналів. Основними ідеями системи СЕКАМ, прийнятої в нашій країні, є: кольорорізницеві сигнали треба передавати послідовно один за одним, щоб уникнути взаємного впливу та взаємозавад; сигнал яскравості i кольорорізницеві сигнали слід передавати різними способами модуляції.

Отже, для передачі кольорорізницевих сигналів вибрано ЧМ з девіацією частоти 1,5 МГц відносно підносійних частот:

f_OR=282f_p=4,406MГц; f_OB=272f_p=4,25МГц (9.6)

де f_р — частота рядкової розгортки.

 

Рис. 9.4. Структура телевізійного радіосигналу кольорового телебачення в системі СЕКАМ

 

Амплітуда кольорорізницевих підносійних становить 20 % амплітуди носійної частоти сигналу яскравості, щоб уникнути взаємних завад (рис. 9.4). Підносійні f_0R та f_0B, розташовані в різних півкадрах, передаються по чepзi. Для розпізнання кольору в кадровому імпульсі гашеня поів між 7- i 15-м рядками першого півкадру та між 320- і 328-м рядками другого півкадру розміщуються спеціальні високочастотні частотно-модульовані імпульси, якими сигнали E_R–Y відрізняються від сигналів E_b–y . Ці імпульси ідуть по черзі в сусідніх рядках. У телевізорі вони легко фільтруються i використовуються для кольорової синхронізації.

У системі СЕКАМ для завадозахищеності вжито ще деяких заходів схемного та корекційного характерів.

Для побудови стерео телевізійної системи треба окремо сформувати зображення для лівого і правого очей глядача. Найпростіше побудувати для цього два двовимірних телевізійних канали (рис. 9.5), в одному з яких передавати зображення для лівого ока (канал 1), а в іншому – для правого (канал 2). Спостереження зображень окремо лівим та правим очима можна забезпечити кількома способами, наприклад, за допомогою

 

поляризованих окулярів. Якщо перед екраном телевізора, шо передає зображення, наприклад, для правого ока, встановити фільтр з вертикальною поляризацією Р_||, а перед екраном телевізора, який передає зображення для лівого ока, — з горизонтальною поляризацією Р₌ i cпостерігати ці зображення на напівпрозорому дзеркалі через поляроїдні окуляри відповідно з вертикальною для правого та горизонтальною для лівого ока поляризаціями фільтрів, то кожне око бачитиме «своє» зображення i не сприйматиме «чуже».

 

Рис. 9.5. Структурна схема стерео телевізійної системи

 

Для стереоефекту в телебаченні, в тому числі для стереокольорового ефекту, проф.

П. В. Шмаков сформулював додаткові принципи стереотелебачення:

•стереоефект спостерігається при заниженні чіткості одного з кадрів стереопари, при цьому чіткість сприймання сигналу глядачем визначається каналом з більш якісним зображенням;

•ефект сприйняття кольору й об'єму практично не порушується, якщо один iз кадрів стереопари буде чорно-білим;

•смуга частот сигналів одного з кадрів стереопари може бути значно меншою, якщо інший кадр передається повною смугою частот.

Застосування цих принципів у стереокольоровому телебаченні значно спрощує його апаратурне виконання.