Информатика. Без названия. Доцент каф. Рфмт пикулев Андрей НиколаевичТел. 7 917 268 09 30
 Скачать 282.76 Kb.
|
|
ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ ЦИФРОВЫЕ СТАНДАРТЫ МОБИЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Доцент каф. РФМТ Пикулев Андрей Николаевич Тел.: +7 917 268 09 30 E-mail anpikulev@mail.ru 1.«ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ DVB-T2» А.Н.Пикулев, О.Г.Морозов, П.Е.Денисенко, Р.Р.Самигуллин и др., Казань, «Новое знание», 2017 г., 92 с. 2.«ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И ВИДЕОТЕХНИКИ» А.Н.Пикулев, О.Г.Морозов, Ю.Л.Комаров и др. Изд. КГТУ им. А.Н.Туполева, 2005 г., 207 с. ЛЕКЦИЯ 1 1.ТЕЛЕВИДЕНИЕ И ЕГО ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Телевидением называется область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом неподвижных и подвижных изображений электрическими средствами связи в реальном и измененном масштабе времени. Основная задача телевидения 1.1. Первые проекты механического телевидения ПРОЕКТ ДЖ.КЕРИ Появлению первых проектов передачи движущихся изображений предшествовали изобретение в 1873 г. русским ученым А. Н. Лодыгиным лампы накаливания и открытие англичанами У. Смитом и Дж. Меймом свойств фотопроводимости селена. Эти открытия обеспечили возможность преобразования световой энергии в электрическую, а электрической в световую, что необходимо для передачи изображения. В 1875 г. американцем Дж. Кери был предложен проект передачи изображения, максимально уподобленный глазу человека (рис. 1.1). Каждый селеновый элемент соединен отдельным проводом с соответствующей лампой накаливания через источник питания 4. Так как сопротивление селенового элемента зависит от его освещения, то при проецировании оптического изображения на селеновую панель происходит изменение сопротивления селеновых элементов пропорционально их освещенности. Это приводит к разной величине токов в цепях ламп накаливания, что вызывает разную яркость их свечения и формирование изображения 6. Проект Дж. Кери интересен тем, что в нем впервые осуществляется разбиение изображения на отдельные элементы и проведена поэлементная передача всего изображения, т.е. реализован первый основной принцип телевидения. Процесс разбиения изображения на элементы называется разложением изображения, а сами элементы – элементами разложения (пикселями). Чем больше элементов разложения, тем более высокая четкость передачи изображения. Основной недостаток проекта Дж. Кери в том, что число каналов передачи изображения равно числу элементов разложения. ПРОЕКТ ДЕ-ПАЙВЕ Проблема каналов была решена в 1878 г. португальским ученым Де-Пайве, предложившим соединить передающую и приемную части одним каналом связи и передавать по нему элементы изображения поочередно. При этом скорость передачи всего изображения выбирается такой, чтобы в момент передачи последнего элемента разложения глаз человека еще помнил яркость первого элемента, т.е. все элементы разложения изображения передаются за время не более 0,1 с. В этом случае в силу свойств человеческого зрения переданные элементы разложения слагаются в целое изображение. Рис.1.2. Проект Де-Пайве: 1 – объект передачи; 2 – объектив; 3 – металлическая пластина, покрытая селеном; 4 – острие; 5.1 и 5.2 – источники питания; 6 – чувствительное токовое реле; 7 – контактная группа; 8 – лампа накаливания; 9 – полупрозрачный экран, 6 – лампа накаливания; 7 контактная группа, 8. лампа накаливания, 9 – полупрозрачный экран. В этом проекте, несмотря на его недостаток, реализуется второй основной принцип телевидения – происходит поочередная последовательная передача элементов изображения. Последовательная передача изображения по элементам называется разверткой. Порядок передачи отдельных элементов называется способом развертки. В проекте впервые была поставлена и задача синхронизации разверток на передающем и приемном конце. 1.2. Структурная схема электронного телевидения Рис.1.3. Структурная схема системы электронного телевидения: 1 – преобразователь свет-сигнал (передающая телевизионная трубка); 2 – видеоусилитель; 3 – канал связи; 4 – синхрогенератор; 5 – блок разверток; 6 – видеоусилитель; 7 – канал синхронизации; 8 – блок разверток; 9 – преобразователь сигнал-свет (приемная телевизионная трубка); 10 – передаваемое изображение; 11 – объектив Структурная схема системы электронного телевидения для передачи изображений выглядит следующим образом (рис.1.3). C помощью объектива 11 формируется изображение передаваемой сцены и фокусируется на мишени передающей телевизионной трубки 1. На мишени возникает потенциальный рельеф, т.е. оптическое изображение превращается в электрическое. Электронный луч под действием отклоняющих катушек, питаемых пилообразным напряжением, поочередно обегает все элементы фотомишени и считывает потенциальный рельеф. На сопротивлении нагрузки передающей камеры возникает сигнал изображения (видеосигнал), который усиливается видеоусилителем 2 и по каналу связи 3 поступает на видеоусилитель 6 приемника и далее на управляющий электрод приемной трубки 9 кинескопа. Электронный луч кинескопа под действием магнитных полей отклоняющих катушек прочерчивает на экране растр. Приходящий видеосигнал, воздействуя на электронный луч, изменяет в нем число пролетающих электронов, в результате чего на экране кинескопа возникает изображение, состоящее из светящихся элементов различной яркости . Для воспроизведения изображения необходимо, чтобы электронный луч в кинескопе двигался строго синхронно и синфазно с лучом передающей трубки. Синхронизация осуществляется путем передачи по каналу связи особых синхронизирующих импульсов: строчных и кадровых. Эти синхроимпульсы вырабатываются синхрогенератором 4. Синхрогенератор управляет работой блока развертки передающей трубки 5 и одновременно вырабатывает синхроимпульсы, которые в видеоусилителе 2 замешиваются в сигнал изображения и по каналу связи передаются в приемник. Совокупность сигнала изображения и замешанных в него синхронизирующих импульсов называется полным телевизионным сигналом (ПТС). Для того чтобы синхроимпульсы не мешали передаче сигналов изображения, они передаются во время обратных ходов разверток, при которых сигнал изображения не передается (сигнал гасится в это время импульсами гашения). В приемнике после усиления ПТС поступает в канал синхронизации 7, в котором происходит отделение синхроимпульсов от сигнала изображения. Выделенные синхроимпульсы используются для синхронизации блока развертки 8 кинескопа 1.3. Основные термины и понятия телевизионной техники Элементы разложения это минимальные площадки, на которые делится изображение объекта. Передать детали изображения размерами меньше элемента разложения ТВС не в состоянии. Все мы уже хорошо и давно используем термин «пиксель», «мегапиксель» и т.д. А пиксель – это и есть элемент разложения. Чем их больше, тем с большей четкостью передается изображение. Развертка изображения это процесс последовательного преобразования по заранее установленному закону яркости элементов изображения в электрические сигналы. В вещательном телевидении закон развертки принят, как при чтении книг, т.е. слева направо по горизонтали (по строкам), и сверху вниз по вертикали (по кадрам) с равномерной скоростью. Формат кадра изображения это отношение ширины передаваемого изображения b к его высоте h: КФ = b / h . (1.1) Число строк в изображении. Если элемент разложения принять за квадрат со стороной d, то при условии, что строки вплотную прилегают друг к другу, число строк в изображении будет определяться как Z= h / d . (1.2) Число элементов разложения в изображении. Число элементов в строке как отношение ширины изображения b к размеру элемента изображения d, с учетом (1.1) и (1.2) запишется как Nс = b / d =KФh / d = KФZ. (1.3) Всего элементов разложения в изображении: Nи = NсZ = KФZ2. (1.4) Кадр однократная развертка по всей площади экрана изображения. За время передачи одного кадра изображение не должно существенно изменяться, иначе будет происходить «смазывание» движущихся объектов. Растр заранее установленный рисунок строк развертки, обеспечивающий существенно равномерное покрытие всей площади кадра, т.е. это траектория движения развертывающего элемента по площади кадра. 2. Восприятие оптической информации глазом человека Основную информацию об окружающем мире человек получает при помощи зрения, представляющего собой систему, состоящую из органа зрения глаза, нервной системы и зрительного центра коры головного мозга. Светочувствительными элементами глаза являются колбочки и палочки, которые входят в состав сетчатки. 2.1. ВОСПРИЯТИЕ ЯРКОСТНЫХ ДЕТАЛЕЙ Под яркостными деталями понимаются произвольные по размеру и форме, но отличающиеся по яркости детали изображения. Отношение максимальной яркости изображения к минимальной яркости – это контрастность изображения. Kи = Lmax / Lmin . (2.1) На практике человеку приходится различать яркость L отдельных участков изображения на светлом фоне. Здесь в рассмотрение вступает разностный порог световой чувствительности, определяемый как Lmin=L Lф (2.2) (Lф – яркость фона) и дифференциальный порог: = Lmin / Lф. (2.3) При заданной контрастности зритель может воспринимать вполне определенное количество ступеней изменения яркости (градаций яркости): (2.4) В природе яркость объектов изменяется в диапазоне 105. Считается, что максимальная контрастность, ограничиваемая глазом (использующим изменение зрачка и глазной пурпур), равна 100, а величина дифференциального порога = 0,05. Тогда максимальное число градаций, различимое глазом, равно 92. 2.2. ВОСПРИЯТИЕ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ Человеческий глаз обладает световой инерцией. Минимальная критическая длительность светового потока сигнала кр связана с мгновенной световой мощностью импульса как: (2.5.) После прекращения действия светового потока, возбуждающего сетчатку, глаз как бы продолжает видеть источник с яркостью, спадающей во времени по экспоненциальному закону Lв(t) = L0 exp ( t / ), (2.6.) где Lв яркость визуальная постоянная времени, зависящая от пиковой яркости L0. Постоянная времени определяет критическую частоту повторения импульсных возбуждений сетчатки fкр мерц, при которой наблюдатель перестает замечать мерцание света и воспринимает его как непрерывное излучение. Опытным путем установлено, что критическая частота мерцания fкр мерц лежит в пределах 48 50 вспышек в секунду. Кроме критической частоты мерцания, необходимо определить частоту передачи фаз движений субъектов динамических изображений, при которой отсутствует их дискретность. Экспериментально установлено, что для передачи фаз движения необходимо передавать 16 25 кадров в секунду, так как это делается в практике кино. Эта частота называется критической частотой фаз движения fкр фаз движ. 2.3. ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА ОБЪЕКТА, ПАРАМЕТРЫ ЦВЕТА Электромагнитные волны определенного частотного диапазона воспринимаются человеком как свет разного цвета. Длины волн излучения, видимого глазом, составляют от 300 нм (фиолетовая граница) до 760 нм (красная граница). Световой поток, имеющий равномерный спектр, в указанном диапазоне, вызывает у нас ощущение белого цвета. При раздражении сетчатки световым потоком с резко выраженной неравномерностью спектра возникает ощущение цвета. Чувствительность глаза к различным длинам волн светового диапазона не одинакова. Равные по мощности, но различные по спектральному составу световые раздражения вызывают различное яркостное восприятие. Зависимость визуальной яркости V( ) от длины волны называется кривой относительной видности человеческого глаза (рис.2.2.). Максимум чувствительности глаза лежит в области =555 нм (желто-зеленая область). V( ) , нм Рис.2.2. Кривая относительной видности цветов глазом. Параметры цвета: Светлота (яркость) характеризует восприятие цветового излучения как некоторого поля серой шкалы. Так для красного цвета это линейка: ярко-красный, красный, темно-красный, черный. Цветность характеризует отличие данного цвета от других цветов, в частности, от белого и серого. Насыщенность (чистота цвета) характеризует степень разбавления цвета белым (красный, бледно-красный, розовый, белый). 100% насыщенным является цвет, излучаемый лазером. 2.4. ЦВЕТОВОЙ ТРЕУГОЛЬНИК. ЦВЕТОВОЙ ЛОКУС Ученые установили, что нормальное человеческое зрение различает порядка 180 цветов. Но для передачи всей гаммы цветов не нужно иметь канал связи в 180 раз большей пропускной способности, чем черно-белый канал. Замечательное свойство человеческого зрения состоит в том, что любой из 180 цветов можно получить, смешивая в определенной пропорции три основных цвета: красный R, зеленый G, и синий B. Эти три цвета называются взаимонезависимыми, поскольку ни один из них не может быть получен смешиванием двух других. Рис 2.3. Треугольник Максвелла Для наглядного представления смешения цветов в 1860 г. английский физик Д. Максвелл построил равносторонний цветовой треугольник, вершины которого характеризуют спектральные цвета: красный R (630 нм), зеленый G (528 нм), синий B (457 нм). Смотри рис. 2.3. Теоретически внутри этого треугольника должны размещаться все цветовые тона со всеми степенями насыщенности. Точки, расположенные на стороне BR, характеризуют смеси от смешения синего и красного в разных пропорциях: синий, сиреневый, пурпурный, вишневый, красный. Точки, расположенные на стороне RG, соответствуют смеси красного и зеленого цветов: зеленый, желтый, оранжевый, красный. Точки на стороне BG синего и зеленого (зелено- синий, сине-зеленый). Центр тяжести треугольника Е расположен на пересечении медиан и соответствует белому цвету, т.к. состоит из равных долей R, G, B. Точки, расположенные на медианах от центра тяжести Е до основных цветов R, G, B имеют окраску только одного соответствующего цвета, меняется только насыщенность цвета, т.е. разбавленность цвета белым. В точке Е насыщенность цветов равна нулю для всех цветов. С помощью основного колориметрического уравнения можно записать любой цвет, который складывается из трех основных компонент: F = rR + gG + bB, (2.9.) Реальные источники цвета, используемые в телевидении (например, люминофоры кинескопов) имеют насыщенность Р меньше 100%, т.е. их излучение не строго монохроматично. Поэтому, если исходить из того, что цвет усиливается по мере удаления точки от центра тяжести Е, то 100%-ная насыщенность Р достигается в точках, лежащих дальше R, G, B (точки с насыщенностью 100% лежат за пределами треугольника). Соединив эти эквивалентные точки, соответствующие монохроматическим источникам цвета, сплошной кривой линией, получим так называемый локус, на котором расположены все цвета со 100 % насыщенностью. На экранах телевизоров мы видим цвета, расположенные внутри цветового треугольника. Цвета, расположенные в зоне между локусом и треугольником, можно получить только на лазерных телевизионных устройствах. 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ 3.1. Датчики телевизионного сигнала и их характеристики Одним из важнейших элементов, с которого начинается ТВС и который во многом определяет ее параметры, является телевизионный преобразователь оптического изображения в электрический сигнал датчик телевизионного сигнала. Датчик располагается в передающей телевизионной камере и выполняет функцию преобразования оптического изображения в электрический сигнал. Основным элементом датчика является фоточувствительная поверхность, на которую с помощью объектива проецируется изображение. Под действием света из мишени выбиваются фотоэлектроны, число которых зависит как от локальной яркости спроецированного на нее изображения. На фотомишени образуется потенциальный рельеф, соответствующий спроецированному изображению электронное изображение. При считывании потенциального рельефа «электронным лучом» происходит модуляция тока последнего. Считывание рельефа электронным лучом осуществляется не хаотически, а по закону развертки изображения. В модуляции полученного тока заключена информация о локальных яркостях передаваемого изображения. Данная информация о характеристиках оптического изображения преобразуется в видеосигнал, свойства которого будут рассмотрены нами позже. Основными характеристиками датчиков-трубок-матриц являются: чувствительность, разрешающая способность, спектральная характеристика, световая характеристика, инерционность, передача градаций яркости, уровень собственных шумов, наличие паразитных сигналов. Чувствительность минимальная освещенность, при которой на выходе передающей трубки обеспечивается необходимое отношение сигнал/шум. Обычно указывается интегральная чувствительность ф , определяемая для широкого спектра видимого диапазона: ф = iс/F , (3.1) где iс ток сигнала в нагрузке (мкА); F световой поток (лм). Спектральная характеристика зависимость относительной чувствительности датчика от длины световых волн излучения (рис.3.1). Спектральная характеристика выражается в процентах отн = 100 х / max. (3.2) Для объективной оценки разрешающей способности трубки используется апертурная характеристика (рис.3.2), которая показывает зависимость глубины модуляции сигнала изображения от размеров деталей изображения. N это число черных и белых полос, укладывающихся по вертикальной строке кадра. При снятии апертурной характеристики размах сигнала от черно-белых перепадов крупных деталей (широких полос) принимается за 100%. Световая характеристика показывает зависимость тока сигнала i (мкА) от освещенности фотокатода E (лк). Инерционность телевизионных передающих трубок сказывается в том, что при быстрых движениях объекта передачи происходит смазывание изображения. Оценивается инерционность как отношение тока сигнала, полученного в момент освещения фотокатода, к току остаточного сигнала, получаемого через промежуток времени, равный времени передачи одного кадра, после прекращения освещения. |