Чересстрочная развертка

Чтобы свечение экрана приемной трубки воспринималось зрите­лем без мельканий, необходимо повторять возбуждение всего поля экрана 48...50 раз в секунду. Однако для воспроизведения изображе­ний движущихся объектов вполне достаточно передавать 13...16 фаз движения, т.е. статических изображений, в секунду — кадров. Так как полоса частот, занимаемая спектром видеосигнала, прямо пропорци­ональна скорости передачи информации,то есть числу передаваемых в секунду кадров, избы­точное их число необходимо ограничивать.

Рис 3.4 Образование чересст­рочного растра

а — построчная развертка при г = 7, /к =

=50 Гц, fz = 350 Гц, б — чересстрочная

развертка при z = 7,/к = 25 Гц, /п = 50 Гц,

/₂=175Гц

Избыточность числа кадров в ТВ передаче изображений устраня­ется путем применения чересстрочной развертки, сущность которой заключается в том, что полный кадр изображения развертывается, т.е. передается и воспроизводится за два полукадра или поля. В первом поле развер­тываются нечетные строки растра, а во втором — четные. Каждое из полей представляет собой растр с уменьшенным вдвое числом строк и содержит половину зрительной информации о передаваемом изо­бражении. Так как критическая частота мельканий практически не зависит от числа строк в растре, то частота передачи полей, равная или большая , обеспечивает восприятие изображения без мелька­ний, при этом скорость передачи информации снижается вдвое. В ТВ вещании приняты номинальная частота полей — 50 Гц и номинальная частота кадров — 25 Гц.

Снова проследим процесс образования построчного растра. Он иллюстрируется рис. 3.4,а. Если развертывающий элемент движется по горизонтали с постоянной скоростью, прочерчивая строку растра, и одновременно смещаемся по вертикали, то к исходу строки он сме­стится вниз относительно ее начала на h/z, т.е. на ширину одной строки. Быстро возвращаясь к началу строки (длительностью обрат­ного хода пренебрегаем), развертывающий элемент займет положе­ние, соответствующее началу второй строки и т.д.

Если в качестве исходного принять растр с нечетным числом строк (рис. 3.4,а) и уменьшить вдвое скорость развертки по горизонтали, то в каждом поле получится нецелое, вдвое меньшее число строк (рис. 3.4,6), но из-за разности в полстроки строки растров первого и второго полей окажутся взаимно сдвинутыми по вертикали на ширину одной строки полного растра, т.е. строки второго поля будут ложиться между строками первого. За два периода вертикальной развертки образуется полный растр, аналогичный по числу строк исходному.

Таким образом, с помощью чересстрочной развертки удается при неизменных числе строк и частоте мельканий в 2 раза снизить скорость строчной развертки, т.е. скорость передачи ТВ информации, и тем самым уменьшить вдвое верхнюю граничную частоту спектра сигнала изображения. В результате спектр сигнала для отечественного стан­дарта занимает полосу частот от = 50 Гц до 6 МГц.

При чересстрочном разложении каждая строка повторяется через поле ( = z = ), т.е. каждый кадр один раз.

Для формирования чересстрочной развертки должны быть обес­печены следующие условия:

а) нечетное число строк в кадре, т.е. z = 2m+1, где m — целое число;

б) жесткая связь частот развертки по строке и по кадру, т.е. 2 =
=z = (2m+l) , обеспечивающая в каждом поле целое число строк
с половиной строки.

Обычно оба эти условия выполняются при формировании частот горизонтальной и вертикальной разверток от общего задающего гене­ратора с частотой 2 путем деления на 2 и на z соответственно.При построчной развертке или ,отсюда и видно, что частота задающего генератора ,а частота кадровой развертки .

При чересстрочной развертке частота задающего генератора будет равна удвоенной частоте строчной развертки, а частоты строк и кадров получаются путем деления на 2 и Z.

Действительно, или , то есть

. Отсюда , а .

Чересстрочная развертка, кратность которой равна 2:1, применя­ется во всех системах вещательного ТВ для сокращения полосы час­тот, занимаемой ТВ сигналом. В принципе возможно дальнейшее со­кращение полосы частот путем применения чересстрочного разложения с кратностью 3:1 или 4:1. В этом случае кадр будет состо­ять из трех или четырех отдельных полей, строки которых последова­тельно воспроизводятся друг под другом. По ряду причин такие раз­вертки не применяются. Становятся заметными мелькания строк, так как четные (или нечетные) поля повторяются с частотой 12,5 Гц (при кратности 4:1), а угловое расстояние между строчками одного поля становится больше минимального угла разрешения глаза. Уменьша­ется четкость изображения объектов, движущихся в вертикальном направлении с относительно большой скоростью. Ухудшается воспро­изведение вертикальных границ объектов, движущихся с относитель­но большой скоростью в горизонтальном направлении (границы ста­новятся зигзагообразными и наклонными). Наконец, появляется эффект скольжения строк, которые как бы перемещаются сверху вниз в пределах одного кадра. Объясняется это тем, что, когда луч чертит какую-либо строку четвертого поля, яркость ее максимальна. В то же время расположенные выше строки, прочерченные соответственно в третьем, втором и первом полях, имеют спадающий по яркости во времени характер. Создается эффект последовательного во времени разнояркостного свечения и, как следствие, — перемещение строк. Эти недостатки присущи любой чересстрочной развертке, но при кратности 2:1 они менее заметны.

В последние годы увеличились размеры экранов телевизоров, зна­чительно возросли яркость, контраст и четкость изображения. В этих условиях сильнее стали проявляться недостатки чересстрочной раз­вертки — мелькания изображения с частотой полей и мелькания от­дельных строк четного (или нечетного) поля с частотой 25 Гц. Мелька­ние с частотой полей стало особенно заметно на новых кинескопах с повышенной яркостью, предназначенных для работы в условиях боль­шой внешней засветки. Это явление усугубляется тем, что зрители часто наблюдают изображения на малом расстоянии от экрана, т.е. под большим углом зрения, когда в процесс наблюдения вовлекаются периферийные участки сетчатки, обладающие меньшей инерционно­стью к световому возбуждению.

Мелькания отдельных строк поля хорошо заметны на горизон­тальных границах и наклонных структурах изображения, особенно при наблюдении буквенно-графической информации с близкого рас­стояния. Эти искажения приводят к уменьшению реальной четкости изображения по вертикали. Так, установлено, что 625-строчное изображение с построчной разверткой эквивалентно примерно 900-строчному изображению с чересстрочной разверткой.

3.3. Верхняя и нижняя границы телевизионного спектра [7]

В отличие, например, от звукового радиовещательного сигнала,, телевизионный сигнал имеет во много раз более широкий спектр частот. Если, исходя из практики, принять ширину спектра доста­точно высококачественного звукового сигнала около 12 кГц, а ширину спектра телевизионного сигнала — 6 МГц, то их отноше­ние составит (6-10⁶)/(12-10³) =500 раз. Такой широкий спектр исключает возможность передачи высококачественного телевиде­ния на средних и коротких волнах. Для телевизионного сигнала пригодными оказываются только ультракороткие волны. Основной недостаток ультракоротковолновой связи — передача и прием со­общений только в пределах так называемой прямой видимости (60—80 км) — ограничивает действие телевизионной станции. Это значит, что телезритель может принимать программу только своего относительно близко располо­женного телецентра; его телевизор не имеет технических возможностей непосредственного приема сигнала других, отдаленных телевизионных центров.

Рассмотрим факторы, определя­ющие верхнюю и нижнюю границы телевизионного сигнала. Для непо­движного изображения низкочас­тотная граница определяется чис­лом кадров в секунду (или числом полукадров в секунду при черес­строчной развертке).

На рис. 3.5а приведен простей­ший пример неподвижного изобра­жения в виде двух горизон­тальных полос — одной белой и од­ной черной. Как видно из рис. 3.5б, сигнал, соответствующий этому

Рис. 3.5. К определению ниж­ней границы спектра: а) про­стейший пример неподвижного изображения на экране теле­визора; б) сигнал, соответст­вующий этому изображению.

изображению, представляется в виде импульсов с периодом следова­ния, равным времени передачи кадра Т_к.

Таким образом, нижняя частота спектра телевизионного сигна­ла может быть определена простым соотношением:

(3.1)

При чересстрочной развертке изображение рис. 3.5а практиче­ски будет одинаковым как в четном, так и в нечетном полукадре (разница в форме и длительности импульсов сигнала в соседних полукадрах может составлять только один период строчной раз­вертки, т. е. в относительной мере =64мкс/20*10³ мкс =3,2*10^-5). В связи с этим при чересстрочной развертке за ниж­нюю границу спектра следует принять частоту, равную числу полукадров, передаваемых в секунду:

= 2 = 50 Гц, (3.2)

где n — число кадров в секунду.

Верхняя граница спектра телевизионного сигнала определяется мельчайшими деталями изображения, которые еще могут быть воспроизведены на экране телевизора. В кинескопе должна быть возможность сфокусировать электронный луч так, чтобы в месте касания экрана (люминофора) его диаметр d_л был равен толщине одной строки dn=h/Z, где h — высота кадра; Z — число строк.

Это значит, что при одинаковых горизонтальной и вертикальной четкостях минимальные раз­меры черных и белых чередующихся элементов вдоль строки и поперек строк должны быть равны диаметру электронного луча (рис. 3.6).

Определим верхнюю границу телевизионного спектра. Для это­го подсчитаем число пар черных и белых элементов на изображе­нии «шахматной доски» (рис. 3.6), состоящей из клеточек, верти­кальный и горизонтальный раз­мер которых равен диаметру развертывающего луча.

Рис. 3.6. К определению верхней границы спектра.

Число пар таких клеточек, передаваемых в секунду, и определит верх­нюю границу спектра телевизионного сигнала.

Число пар на одной строке (к =4/3 — формат кадра): pZ /2.

Число пар на всем кадре: (кZ /2) Z.

Число пар элементов, передаваемых в секунду (n — число кад­ров, передаваемых в сек): (кZ /2) Zn.

Полученное выражение и определяет верхнюю границу спек­тра телевизионных частот:

. (3.3)

Подсчитаем величину верхней границы спектра из общепри­нятых данных: число строк разложения полного кадра Z =625, формат изображения к = 4/3, а число кадров в секунду (с учетом перекрытия критической частоты мельканий) n=50 кадр/с. Под­ставляя эти данные в ф-лу (4.3), получим

. ()

Таким образом, полоса частот оказывается весьма большой. Сигнал с таким широким спектром трудно усиливать, передавать без искажений по эфиру. Важно также и то, что число телевизи­онных каналов, в отведенном для этого диапазоне, при такой по­лосе будет небольшим.

Для сокращения телевизионного спектра вдвое сейчас повсе­местно в радиовещательном телевидении используется чересстроч­ная развертка. Этот технический прием дает возможность, не вы­зывая неприятных мельканий изображения, снизить число кадров в секунду в два раза, т. е. соответственно уменьшить верхнюю границу спектра в два раза, практически не ухудшая качества изображения.

При чересстрочной развертке каждый кадр состоит из двух по­лукадров, причем в одном полукадре передаются только нечетные строки: 1, 3, 5,...,

(2 m + 1), а во втором — только четные: 2, 4, 6,..., 2 m. Таким образом, на экране телевизора за время передачи полного кадра создаются два изображения, мало отли­чающиеся друг от друга, в особенности в крупных деталях. Так как в одном полукадре число строк уменьшено вдвое, каждый по­лукадр содержит вдвое меньшую информацию об изображении по сравнению с полным кадром. Но зрительная память наблюда­теля соединяет в его сознании изображения двух полукадров в одно, соответствующее полному кадру.

Число полукадров, передаваемых в секунду n=50 полукад­ров/с, с некоторым запасом перекрывает критическую частоту мельканий; вместе с тем верхняя граница спектра частот телеви­зионного сигнала уменьшается вдвое:

()

На практике, учитывая влияние апертурных искажений на воспроизведение мелких деталей (§ 2.2.2), а также снижение вер­тикальной четкости за счет строчной структуры телевизионного изображения (§ 2.2.2), верхнюю частоту f_в можно еще уменьшить без заметного ущерба качеству изображения. Таким образом, практическая формула для определения верхней границы телеви­зионного спектра имеет вид

, (3.4)

где практический коэффициент k выбирается в пределах 0,8—0,9. При этом

С учетом времени обратных ходов по строкам и кадрам формула (3.4) принимает вид:

, (3.5)

где p =0.8 коэффициент Келла, учитывающий дискретность растра [5];

- относительное время обратного хода по кадру;

-относительное время обратного хода по строке;

-формат кадра;

-число строк.