Гамма-коррекция

Апертурная коррекция

Сперва уясним происхождение апертурных искажений и их последствия.

Дословный перевод слова «апертура» – отверстие. Речь идет о конечном размере развертывающего элемента преобразователя свет – сигнал, будь это электронный луч передающей трубки или отверстие в диске Нипкова. Для понимания сущности процессов можно ограничиться рассмотрением случая круглой апертуры с равномерной прозрачностью (как в диске Нипкова).

На рис. 38 нижняя ось времени (для напряжения видеосигнала) условно сдвинута влево на половину диаметра апертуры. Очевидно, что конечность размера апертуры приводит к «расплыванию» фронтов импульсов. Если длительность элемента картинки равна диаметру апертуры, то максимум амплитуды достигается лишь на мгновение. Если же длительность элемента картинки станет меньше,

амплитуда видеосигнала упадет, т.е. произойдет уменьшение контрастности в мелких деталях (или, что то же самое, четкости).

*

L t U t

Рис. 38.

Именно апертурные искажения являются основным фактором, ограничивающим четкость изображения по горизонтали.

Для коррекции этих искажений используют апертурные корректоры. В классическом дифференциальном апертурном корректоре производится алгебраическое сложение (в противофазе, т.е. вычитание) сигнала с его четными производными. Обычно ограничиваются второй производной.

*

U вх U вых Л З S U корр Двойная диффер. Усилитель цепь

Рис. 39.

Действие, производимое двойной дифференцирующей цепочкой, должно быть близко к математическому дифференцированию (рис. 40). Усилитель должен быть инвертирующим. Линия задержки уравнивает время прохождения сигнала через ветви схемы.

*

U вх t U ¢ t U ¢¢ t

Рис. 40.

При сложении инвертированного сигнала U ¢¢ (т.е. сигнала U _корр) с входным сигналом достигается главный результат работы апертурного корректора – увеличение крутизны фронтов видеосигнала.

Схемы дифференциальных апертурных корректоров, которые рассматриваются в учебниках [1, 2], позволяют уменьшить только искажения вдоль строки, т. е. по горизонтали. Апертурные искажения по вертикали могут корректировать только разностные корректоры на линиях задержки, а также цифровые корректоры, для реализации которых необходима память на кадр и достаточно быстродействующий процессор.

Сквозная амплитудная характеристика телевизионного тракта по свету (т.е. зависимость яркости на выходе от освещенности на входе) должна быть линейной. Но световые характеристики большинства преобразователей свет–сигнал и модуляционная характеристика кинескопа нелинейны: при аппроксимации степенной функцией, т.е.

(29)

(30)
показатель степени g для видикона – 0,6...0,7, для плюмбикона – 0,9, для кинескопа – 2,8. Для получения сквозной характеристики с g =1 применяют гамма-корректоры. Очевидно, необходимо обеспечить

(31)

Гамма-корректор – это видеоусилитель с заведомо нелинейной амплитудной характеристикой, нелинейность которой должна скомпенсировать нелинейность световой характеристики передающей трубки и модуляционной характеристики кинескопа. В конечном счете эта коррекция обеспечивает правильное воспроизведение градаций яркости передаваемого изображения во всем динамическом диапазоне – от черного до белого.

Нелинейный каскад корректора с кусочно-линейной аппроксимацией с равным успехом можно выполнить, шунтируя набором диодов с разными подпирающими напряжениями как резистор нагрузки, так и резистор цепи отрицательной обратной связи. При изменении уровня видеосигнала отпирается (либо запирается) разное количество диодов, меняется степень шунтирования соответствующего резистора и, следовательно, коэффициент усиления каскада.

*

Рис. 41.

Фиксаторы уровня (передача постоянной составляющей)

В разных учебниках эта тема может иметь разные названия: схемы привязки уровня, восстановители постоянной составляющей, передача постоянной составляющей.

Телевизионный сигнал принципиально является однополярным, т.к. отрицательные яркости не имеют физического смысла. Следовательно, ТВ сигнал содержит постоянную составляющую, а его спектр – линию на частоте 0 Гц, которые несут информацию о средней яркости кадра.

Эту постоянную составляющую следовало бы донести от передающей трубки до кинескопа. Но т. к. реализовать такой тракт (с гальванической связью между всеми каскадами, к тому же с выходом в эфир) невозможно, а после разделительного конденсатора постоянная составляющая теряется, приходится пользоваться фиксаторами уровня.

Различают неуправляемые фиксаторы и управляемые. Простейшим неуправляемым фиксатором может быть обыкновенный диод, подключенный между правой обкладкой разделительного конденсатора и некоторым источником постоянного напряжения, определяющего уровень фиксации (в частном случае это может быть и нуль вольт, т.е. земля). Именно такой вариант показан штриховой линией на рис. 41, изображающем g-корректор.

*

Рис. 42.

В результате заряда разделительного конденсатора отрицательными импульсами сигнал смещается вверх, так что вершины отрицательных импульсов оказываются привязанными к нулю вольт (правая часть рисунка). Очевидно, что эти вершины должны соответствовать уровню черного (гашения), т.к. уровень белого – непостоянная величина, зависящая от сюжета.

Иногда этот технический прием называют косвенной передачей постоянной составляющей. Совершенно очевидно, что фиксатор не восстанавливает истинную постоянную составляющую. В чем же тогда положительный результат работы фиксатора? То напряжение, которому в каждом каскаде соответствует уровень черного, теперь точно известно и не зависит от сюжета. Следовательно, в последнем каскаде телевизионного приемника, работающем на кинескоп, можно так установить уровень черного, чтобы он соответствовал напряжению запирания кинескопа. Кроме этого, примерно в два раза уменьшаются требования к динамическому диапазону видеоусилителя.

Одной из проблем при использовании фиксаторов является следующее противоречие. Для точной фиксации постоянная времени заряда должна быть во много раз меньше, чем постоянная времени разряда. Но обе эти величины определяются одним и тем же конденсатором. При малой постоянной времени разряда возникает перекос вершин видеоимпульсов, при большой постоянной времени фиксатор становится слишком инерционным.

Вторая проблема – наличие в полном телевизионном сигнале синхроимпульсов, не связанных с яркостью изображения. Дело в том, что их амплитуда не всегда оказывается постоянной.

Чтобы облегчить решение первой проблемы и обойти вторую, были придуманы управляемые фиксаторы. По своей сути это управляемый аналоговый ключ. Его можно выполнить как на диодах, так и на транзисторах. Сегодня в нескольких сериях ИМС выпускаются аналоговые ключи (КТ), пригодные для использования в управляемых фиксаторах. Сигнал управления, открывающий ключ, по времени должен совпадать с задней полкой строчного гасящего импульса. Регулятор напряжения привязки фиксатора в телевизионном приемнике является регулятором яркости.

Поскольку неуправляемые фиксаторы явно проще, а потому и дешевле, следует учитывать, что применение неуправляемых фиксаторов возможно в следующих случаях:

· когда амплитуда синхроимпульсов строго постоянна;

· если в видеосигнал еще не введены синхроимпульсы (первые каскады камерного канала);

· если размах сигнала намного меньше динамического диапазона данного каскада.

Следует иметь в виду, что помимо перечисленных выше коррекций, считающихся классическими и широко освещенных в литературе, в профессиональных ТВ камерах используется целый ряд коррекций, либо вообще не освещенных в доступной литературе, либо освещенных весьма кратко.