Основные принципы передачи изображений в телевидении

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокорсмический университет       им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”

Кафедра Проектирования радиоэлектронных систем

Летательных Аппаратов

Учебное пособие по курсу

“ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ”

Для студентов направлений

“Радиотехника”  

“Телекоммуникации”

Шульгин В.И.

2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Лекция 1. Основные принципы телевидения …………………… 5

1.1. Введение..............................………………………………................. 5

1.2. Основные принципы передачи изображений в телевидении….…. 12

1.3. Обобщенная структурная схема ТВ системы……………............... 15

2. Лекция 2. Основы зрительного восприятия …………………….17

2.1. Зрительная система человека……………………………… ……...17

2.2. Основные характеристики системы зрения человека ……………..19

2.3. Трехкомпонентное цветовое зрение. Система RGB ……………….21

2.4. Основные светотехнические единицы   ………………..…………..22

2.5. Характеристики оптических изображений ………………...……….23

3. Лекция 3. Оптико-электронные преобразователи ……………..24

3.1. Источники телевизионных сигналов ……………………………….25

3.2. Фотоэффект и законы фотоэлектрической эмиссии ……………….25

3.3. Первые оптико-электронные преобразователи. Иконоскоп ………26

3.4. Видикон ………………………………………………………………28

3.5. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи на ПЗС ……32

3.6. Формирование цветного телевизионного сигнала ………………...38

4. Лекция 4. Электронно-оптические преобразователи ………....42

4.1. Устройства отображения телевизионных сигналов………………..42

4.2. Кинескопы черно-белого телевидения……………………………...43

4.3. Цветные кинескопы…………………………………………………..45

4.4. Жидкокристаллические панели - LCD……………………………...50

4.5. Плазменные панели – PDP …………………………………………..54

4.6. Панели на основе органических светодиодов - OLED …………….56

5. Лекция 5. Системы аналогового телевидения …………...…….59

5.1. Структурная схема системы аналогового телевидения…………….59

5.2. Стандарты телевизионных разверток………………………………..62

5.3. Сигнал изображения в системе черно-белого телевидения………...64

5.4. Сигналы строчной и кадровой развертки……………………………67

5.5. Полный телевизионный сигнал черно-белого телевидения………..70

5.6. Синхронизация разверток

Лекция 6. Системы аналогового телевидения. Продолжение.

6.1. Передача сигналов черно-белого телевидения

6.2. Спектр полного телевизионного сигнала ч/б телевидения

6.3. Формирование ПТС цветного телевидения

6.4. Стандарты аналогового цветного телевидения

6.5. Стандарт NTSC

6.6. Стандарт PAL

6.7. Стандарт СЕКАМ

6.8. Передача и прием сигналов цветного телевидения

 

Лекция – 1.   ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Введение. История ТВ

Основные принципы передачи изображений в телевидении

Обобщенная структурная схема системы ТВ

 

ВЕДЕНИЕ.   ИСТОРИЯ ТВ

Термин «телевидение» (видение на расстоянии или дальновидение) возник в 1890 г.    Его впервые употребил русский военный инженер-электрик Перский в докладе «Электрическое ТВ» на Международном конгрессе в Париже.

Телевидением называется область современной радиоэлектроники, которая занимается передачей и приемом движущихся и неподвижных изображений предметов электрическими средствами связи.

В процессе развития человеческого общества развивались и совершенствовались средства передачи информации. Телевидение, как средство передачи информации также прошло длительный путь развития: от первых нереализованных идей и проектов, до современных систем цифрового телевидения. Если учесть, что более 85% информации о внешнем мире человек получает через свой зрительный аппарат, то становится ясно, почему проблема передачи визуальной информации издавна занимала умы людей, что нашло отражение в сказках и легендах. Вспомните, к примеру, сказки А.С. Пушкина   “О мертвой царевне и семи богатырях”  (… Ты мне зеркальце скажи ….),  или братьев Гримм “Белоснежка и семь гномов” (… Кто на свете всех милее….) – рис. 1.0., в которых описывались прообразы телевизионных приемников.

 

        

Рис. 1.0 Телевизор братьев Гримм.

В основе телевидения лежат 3 физических процесса:

 

1. Преобразование световой энергии в электрические сигналы;

2. Передача и прием электрических сигналов по каналу связи;

3. Преобразование электрических сигналов в оптическое изображение.

Еще в 19 веке были сделаны основные открытия и изобретения для реализации возможности создания телевидения. 

 

В 1839 году французский физик Э. Беккерель на основе открытого им фотогальванического эффекта осуществил преобразование света в электрический ток.

 

Толчком к передаче электрических сигналов изображений по каналам связи явилось изобретение А. Беллом в 1876 году телефона, в котором многие увидели электрический аналог слуха. От него перешли к поиску электрического аналога зрения. Наверное, поэтому, одна из первых систем телевидения, предложенная американцем Дж. Керри, копировала сетчатку глаза. Система предполагала наличие на передающей стороне панели с множеством чувствительных фотоэлементов, на которую проецировалось изображение. Каждый фотоэлемент соединялся проводами с источником света на приемной стороне, при этом, количество проводов было равно числу фото и свето- элементов. Сигналы всех фотоэлементов передавались на приемную сторону одновременно. Качество (разрешение) изображения зависела от числа таких элементов, и было тем выше, чем больше их число. Например, для получения разрешения 320х320 точек (как сейчас говорят – пикселей), понадобилось бы 100.000 фотоэлементов, и такое же количество проводов, соединяющих передающую и приемную сторону. Понятно, что реализовать такую систему в то время (да и сейчас) не представлялось возможным. Хотя идея была очень прогрессивной.

 

По этой причине в конце 19 века появилось несколько проектов с поочередной передачей элементов изображения по одному каналу связи – то есть прототипов современных систем передачи телевизионного изображения. Один из этих проектов был предложен в 1880 году русским студентом физиком Порфирием Бахметьевым, что считается датой возникновения современного телевидения.

 

Последовательная передача сигналов элементов изображения с их синхронизацией на передающей и приемной стороне является основным техническим принципом, лежащим в основе телевидения. Второй принцип основан на физиологии системы зрения человека – его инерционности, и состоит в том, что предъявляемые системе зрения отдельные элементы изображения при высокой частоте их смены воспринимаются как целостное изображение (неподвижное или подвижное).

Первые технически реализованные системы телевидения имели электромеханический принцип передачи и приема изображений и назывались дисковизоры.  В этих системах развертка изображения осуществлялась с помощью особого диска, изобретенного в 1884 г. Немецким студентом Паулем Нипковым названным «диском Нипкова».

 

Диск Нипкова представляет собой непрозрачный диск большого диаметра,по внешнему краю которого расположены отверстия по спирали Архимеда. Диаметр отверстия определяет размер элемента изображения по горизонтали и по вертикали. При этом, каждое отверстие имеет смещение по радиусу к центру на величину его диаметра. Перед диском расположена ограничительная рамка, определяющая полный размер изображения. Высота рамки равна расстоянию по вертикали между началом и концом спирали, а ширина – расстоянию между отверстиями – это и будет размером изображения. При вращении диска внутри рамки оказывается только одно отверстие, которое прочерчивает строку. Число строк изображения соответствует числу отверстий, а за один оборот передаются все элементы изображения. Перед диском Нипкова размещался объектив, а позади — фотоэлемент, преобразовывавший разворачиваемую картинку в электросигнал. По сути это была механическая телекамера.

В механическом телевизоре позади диска Нипкова размещалась неоновая лампа, яркость свечения которой изменялась синхронно с выходным напряжением фотоэлемента телекамеры. Скорость и фаза вращения дисков на передающей и приемной стороне синхронизировались вручную или специальной схемой. На рис. 1.1. представлено устройство передающей камеры и дискового телевизора.

 

Рис.1.1. Оптико-механическая ТВ система с диском Нипкова

 

 

Простота конструкции Нипкова позволила создать целый ряд действующих оптико-механических систем ТВ. Так в Москве в 1931 г. Была произведена экспериментальная радиопередача сигналов изображения в Ленинград, а с четкостью 30 строк и частотой кадров 12,5 Гц. (1200 элементов изображения) на волнах 379 и 720 м. Начиная с осени 1934 г., эти передачи стали регулярными. Электромеханическое телевещание работало в Киеве, Ленинграде, Москве, Нижнем Новгороде, Одессе, Смоленске, Томске и Харькове. Годом позже Ленинградский завод им. Козицкого выпустил первую партию советских телевизоров (модель Б-2).

 

 

Рис.1.2 Дисковая ТВ камера и устройство

электромеханического телевизора

 

Рис.1.3.Первый советский механический телевизор Б -2

 

 

Рис.1.4. Второй советский механический телевизор «Пионер» (1934)

 

Рис.1.5 Дизайн ТВ-приемников 30-х годов прошлого века

 

К 1934-35 г. Были разработаны оптико-механические системы с разверткой от 180 до 375 строк, но при увеличении числа строк разложения уменьшалось время считывания каждого элемента, что приводило к падению чувствительности, так как сигнал от каждой тоски изображения генерировался только во время прохождения светового потока от этой точки через отверстие, а все остальная часть изображения в это время не использовалась. Кроме того, для увеличения размеров изображения нужно было увеличивать размеры диска, однако, никакие дальнейшие усовершенствования не могут заметно улучшить качество изображения, в силу органических недостатков оптико-механических систем.

 

Для решением проблемы улучшения качества изображений был необходим переход к электронному телевидению. Основоположником его считается русский ученый Борис Розинг, запатентовавший первую приемную электронно-лучевую трубку – прообраз КИНЕСКОПА в 1907 г. И создавший работающую систему, где на передающем конце еще использовалась оптико-механическая система.

В начале 30-х гг. прошлого века одновременно в нескольких странах были проведены успешные эксперименты по электронному телевидению. Экспериментальные передачи движущегося изображения осуществлялись в Германии, Великобритании, СССР, США, Франции и Японии.

В 1927 г. Профессор Такаянаги — отец японского ТВ и основатель компании JVC,  провел серию успешных опытов с катодной трубкой Брауна и добился устойчивой передачи неподвижного изображения электронным методом. Его телевизионная система имела интересную особенность. Рассудив, что габариты студийной передающей камеры менее критичны, чем размер телевизора, Такаянаги использовал электромеханическую телекамеру и приемник с трубкой Брауна, создав прообраз «нормального» кинескопного телевизора рис.1.6. Это оказалось революционным для своего времени решением. Кстати, японцам принадлежит еще одно важное изобретение, соприкасающееся с телевидением. В 1924 г. Профессор Токийского инженерного колледжа при Императорском университете Хидецугу Яга создал направленную антенну с пассивными элементами, которую в СССР именовали волновым каналом, а в остальном мире — антенной Яги. Долгое время волновой канал Яги служил основной телевизионной антенной во всем мире.

Рис.1.6. Электронный телевизор Такаянаги (1937)

Первый проект полностью электронной системы ТВ был реализован в Ташкенте в 1925 г. Под руководством Грабовского, где и на приемной и на передающей стороне использовались специальные электронно-лучевые трубки. Однако большую известность получил ученик Розинга В.К. Зворыкин, считающийся отцом электронного телевидения.

 

Свою работу в Штатах русский эмигрант начинал в компании Westinghouse. Но его первые работодатели электронное ТВ проспали. Зато Radio Corporation of America (RCA) щедро спонсировала работы Зворыкина.           К середине 30-х гг. RCA стала монопольным держателем телевизионных патентов и одной из первых в мире начала электронное ТВ-вещание. Кстати, в начале 50-х гг. прошлого века именно специалисты этой корпорации придумали первую электронную систему цветного телевещания NTSC. Основателем RCA был — российский эмигрант Давид Сарнов, который 14 апреля 1912 г. Оказался единственным человеком в мире, услышавшим сигнал бедствия с тонущего «Титаника». Узнав об этом, президент США распорядился приостановить работу всех американских радиостанций, не причастных к спасательной экспедиции. А Д. Сарнов, просидевший трое суток за пультом приемной станции Маркони, покинул свой пост в ранге национального героя.

 

 

Рис.1.7. Первый серийный цветной телевизор RCA CT-100 (NTSC)

 

Основные принципы передачи изображений в телевидении

Как мы уже сказали, телевидение – это передача и прием движущихся и неподвижных изображений некоторых физических объектов или явлений электрическими средствами связи. К сожалению, передача на расстояние самих объектов – телепортация, на сегодня еще технически неосуществима, поэтому приходится ограничиваться передачей изображений этих объектов. Иными словами, когда Вы хотите посмотреть дома какой-то концерт, то вы получите лишь изображение этого концерта на телевизионном экране, а не реальную сцену, оркестр и живых артистов.

Таким образом, первым этапом телевизионной передачи является формирование неподвижного или подвижного изображения объекта путем проецирования этого объекта на плоскость с помощью оптического устройства, называемого объективом.

Двумерным изображением объекта называется проекция на некоторую плоскость, называемую плоскостью изображения пространственного распределения световой отражающей способности этого объекта.  

То есть, изображение представляет собой некоторую двумерную непрерывную функцию I (x,y) распределения яркости (или цветов) в плоскости проекции, и каждая точка этого изображения имеет определенную яркость. Если же это подвижное изображение, то яркость каждой точки изображения изменяется еще и во времени, и функция координат I (x,y) станет также зависящей от времени - I (x,y,t).

 

 

Рис. 1.8 Тестовое изображение Лена

Следующими шагами является формирование электрического сигнала, соответствующего этому изображению, и его передача. Но электрический сигнал s(t) представляет собой функцию одной переменной – времени, тогда, как изображение I (x,y) – функция двух пространственных переменных x и  y, то есть прежде нужно решить задачу преобразования двумерной функции     I (x,y) в функцию одной переменной s(t).

Эта задача – преобразования функции I (x,y) пространственного распределения яркости в плоскости x, y в сигнал s(t), являющийся функцией одной переменной – времени, решается так называемой телевизионной разверткой.

Телевизионная развертка представляет собой процедуру последовательного сканирования изображения с преобразованием яркости каждой точки в электрический сигнал, пропорциональный яркости этой точки и передачу этого сигнала.

Чаще всего (но не всегда) в системах ТВ используется линейная развертка, при которой поочередно передаются элементы изображения, расположенные на одной прямой линии - Рис. 1.9. Линия, по которой перемещается развертывающий элемент (например – электронный луч) по оси X называется   строкой.   Совокупность видимых на экране строк называется растром. Полный цикл прохода развертки по всем элементам изображения называется кадром.

Рис.1.9. Линейно-строчная развертка

Для передачи всех точек изображения I (x,y) таких строк должно быть  по идее бесконечное множество, а каждая строка должна быть бесконечно узкой. Только в этом случае мы сможем “развернуть” изображение абсолютно точно. Но это практически невозможно.

А нужно ли это на самом деле?

Действительно, глаз человека имеет ограниченную разрешающую способность, поэтому он просто не может различать детали (ширину строки), имеющие размер меньше некоторого порогового уровня. Поэтому ширину строки можно сделать малой, чтобы была незаметной “строчность”, но конечной, и тогда таких строк на изображении будет уже конечное множество – например 480, 625, 800 или 1024.

 

С учетом этого в телевидении принято говорить о двух видах развертки: горизонтальной – строчной, и вертикальной – кадровой, при этом за направление движения развертывающего элемента принято движение слева направо для строчной развертки (СР) и сверху вниз для кадровой (КР).

При работе развертки различают ее прямой и обратный ход. Во время прямого хода происходит снятие или отображение видеоинформации (активная часть), при этом луч движется слева направо для СР и сверху вниз, а при обратном ходе (пассивная часть) возвращается назад, как показано на рис.1.9.

Точно такой же должна быть процедура отображения изображения на приемной стороне. Принимаемый телевизионный сигнал, как функция времени, должен быть преобразован в изображение – функцию пространственных координат.  Эта задача также решается с помощью развертки, как и на передающей стороне, только входной функцией здесь является   s(t), а выходной – I (x,y).

Для синхронизации развертки на передающей и приемной частях ТВ системы передаются специальные синхронизирующие импульсы, определяющие привязку к началу координат разверток по строкам и кадрам, передающего и приемного устройств. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче (рис. 1.10).

Рис.1.10. Синхронизация разверток передающей и приемной стороны