double arrow

ЯРКОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Лекция 1. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ.ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

ЗРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Оконечным уст­ройством, воспринимающим телевизионное изображение, является зрительная система Человека. Поэтому для рационального по­строения телевизионных систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемника светового излучения - глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головно­го мозга, в которых происходит расшифровка информации и фор­мирование зрительных образов.

Рис. 1.1. Строение человеческого глаза

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рис. 1.1), покрытое оболочкой - склерой 1. Передняя часть склеры 2, назы­ваемая роговицей, прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. За роговицей расположена передняя камера 3, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой 4, имеющей в центре отверстие - зрачок 5. Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза. За зрачком находится хрусталик 6, представляющий собой прозрач­ное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, охватывающей хрусталик, кривизна последнего может меняться, фокусируя на задней стенке глаза изображения предметов, находящихся на расстоянии примерно от 10 см до бес­конечности. Такое свойство зрения называется аккомодацией. С внутренней стороны в глазное яб­локо входит зрительный нерв 7, со­стоящий из большого количества нервных волокон. Окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой 8, которая называ­ется сетчаткой. В зависимости от формы нервные окончания подраз­деляются на палочки и колбочки.




Колбочки обладают чувствительно­стью к свету и цвету, палочки - толь­ко к свету. Элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдель­ному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окон­чаниям нервных волокон группами, они, обладая большей свето­чувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение.

Центральная часть сетчатки (фовеа), называемая также желтым пятном, с угловыми размерами 1...3° содержит фактически только колбочки с плотностью до 1,5·105 на 1 мм2. Средний диаметр колбо­чек примерно равен 3 мкм. Плотность расположения колбочек зна­чительно уменьшается к краям желтого пятна, а размер их возрас­тает. Палочки имеют максимальную концентрацию 1,7·105 на 1 мм2 на расстоянии 10... 12° от оптической оси глаза. Плотность палочек уменьшается как к центру глаза, так и к периферии. В целом сетчат­ка содержит около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек.



В процессе зрительного наблюдения оптические оси глаз рефлекторно устанавливаются так, чтобы изображения подвергающихся рассматриванию объектов проецировались на центральную часть сетчатки, обладающую наибольшей разрешающей способностью.

Разрешающая способность зрения.Предельная способность человека видеть мелкие детали определяется разрешающей спо­собностью зрительной системы (остротой зрения). Для нормального зрения основную роль играет разрешение сетчатки. Однако опре­делить остроту зрения по характеристикам оптической системы гла­за и структуре сетчатки в полной мере нельзя, так как глаз пред­ставляет собой динамическую систему. Процесс зрения сопровож­дается непроизвольными движениями глазного яблока - тремором. Кроме того,, оптическая ось глаза обегает контуры отдельных дета­лей изображения, как бы анализируя наиболее информативные участки. Указанные движения глаза увеличивают остроту зрения по сравнению со статической (расчетной).

Статическая разрешающая способность глаза определяется ми­нимальным углом наблюдения δmin, при котором две тонкие черные линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью (Р=0,95). На рис. 1.2 толщина черных линий равна промежутку ме­жду ними. Разрешающая способность зрительного аппарата зави­сит от яркости и цвета фона, контрастности деталей относительно фона, времени наблюдения. Измерения показали, что для нормаль­ного зрения усредненное значение δmin может быть принято равным одной угловой минуте (δmin ≈ 1ʹ). Острота зрения Sзр оценивается величиной, обратной разрешающей способности, т.е. Sзр= . Острота зрения равна единице, если δmin = 1ʹ.

Из-за неоднородности структуры сетчатки острота зрения умень­шается по мере удаления на угол α от центра желтого пятна.

Рис. 1.2. К определению разрешающей способности зрения

 

Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°) основная зрительная информация от телевизионного изображения, поступающая в глаз, на практике ограничивается пространственными углами ясного зрения, в пределах которых среднее значение δmin можно считать равным единице. По экспериментальным данным фактические угловые размеры поля ясного зрения приняты равными 2αв = 12° по вертикали и 2αг = 16° по горизонтали.

 

Формат кадра. Размер ТВ изображения должен удовлетворять условиям оптимального наблюдение изображений в пространственном угле ясного зрения. Исходя из его размеров – 16х120, выбирают формат кадра = 4/3, что соответствует отношению ширины (b) экрана к высоте (h),(рис.1.3).



Рис.1.3. Определение числа строк (а) и вертикальной четкости изображения (б)
Принимая разрешение глаза ≈1 минуте, можно определить число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения:
Nя = (aг/d)(aв/d) = (160х60’/1’)(120x60’/1’) = 700 000
где aг и a в углы поля ясного зрения глаза в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Оптимальное расстояние наблюдения (L).Экспериментально установлено, что наилучшее восприятие изображение обеспечивается при расстоянии до экрана = 4-5 высот экрана.
L = (4-5)h,
где L – расстояние до экрана (м), h- высота экрана (м).
Число элементов разложения изображения может быть определено как произведение числа элементов по горизонтали на количество элементов по вертикале (строк разложения),или с учетом формата кадра
N = k z2 = 4/3z2
где (z – число строк по вертикали, kz – число элементов в строке), и должно соответствовать числу элементарных участков поля ясного зрения. Так между элементами изображения 700 000 должны воспроизводиться еще промежутки, то число элементов по крайней мере удваивается N ³ 2Nя . Тогда число строк разложения должно быть

Однако из-за взаимного расположения деталей растра и строк разложения (рис.1.2) число передаваемых элементов по вертикали различно, так как в зависимости от этого в вертикальном направлении будут воспроизводится детали размером либо h/z, либо 2h/z. Это делает неоднозначную оценку четкости изображения по вертикали. Поэтому для уверенного различения в ТВ изображении 700000 деталей необходимо использовать еще большее строк разложения. В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к этим требованиям, но для этого требуется значительное увеличение пропускной способности каналов связи. Поэтому в стандарте вещательного ТВ, разработанного в конце 40 годов у нас в стране было принято 625 строк разложения, из-за необходимости сокращения передаваемой полосы частот.
Число строк разложения 625 определяет номинальную четкостьТВ изображения при которой обеспечивается 95% максимальной четкости изображения. При этом различимость строчной структуры на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза.

Четкость ТВ изображения определяется максимально возможным числом мелких деталей, различимых в этом изображении. Она определяется в первую очередь разрешающей способностью устройств ТВ тракта. А она в свою очередь зависит от выбранного числа элементов (или строк) разложения, от качества работы передающих и приемных электроннолучевых трубок, от частотных и фазовых характеристик усилителей и др. Воспроизводимая на экране четкость определяется в первую очередь числом элементов разложения. В существующем стандарте она в идеале равна:
kz2 = 4/3х6252 = 520832.
С учетом времени на обратный ход по строкам и кадрам »400 тыс. Но обычно для количественной характеристики четкости пользуются не количеством элементов разложения, а числом строк разложения, т.к. эти два параметра однозначно связаны. Естественно количество строк или элементов, необходимых для удовлетворительного воспроизведения изображения объекта зависит от характера объекта. Например, для передачи лица крупным планом требуется 120-150 строк, 2-3 человек в полный рост – 250-300, большого количества людей (хор, публика и т.д.) – 450-650.

1.2. ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Зрительное восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс будет зарегистрирован глазом, если его длительность превышает определенную величину tкр. Причем эта величина зависит от освещенности сетчатки, т.е. Еtкр = const, и меняется от сотых долей секунды, при больших освещенностях, до десятых. После прекращения действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей по экспоненциальному закону.
Критической частотой мельканий называется минимальная частота повторения световых импульсов, при которой наблюдатель воспринимает их как непрерывное излучение. Она зависит от средней яркости поля наблюдения, размеров мелькающего участка и т.д. Для яркостей экранов современных ТВ критическая частота мельканий равна 46-48 Гц.
Опытным путем (из практики кино) установлено, что для получения плавного движения изображений движущихся объектов достаточно предавать 16-24 фазы их движения в секунду. В телевидении у нас принята частота смены кадров 50 Гц, которая перекрывает и критическую частоту мельканий (46-48), и критическое число фаз движения (16-24). Эта частота была выбрана с учетом ее равенства частоте промышленной сети с целью уменьшения заметности характерных помех от электросети – динамических искажений геометрии (искривление вертикальных краев изображения) и яркости (крупные горизонтальные светлые и темные полосы).
Но при такой частоте кадров и числе строк разложения 625 (прогрессивная развертка) -рис.1.4(а),полоса частот ТВ сигнала получается около 13 МГц, что 40-е годы заняло бы половину коротковолнового диапазона, используемого тогда для ТВ вещания. Поэтому для уменьшения требуемой полосы частот канала было решено использовать чересстрочную развертку, в которой ТВ кадр передается за 2 полукадра (поля – четного и нечетного) в каждом из которых передается половина строк (312.5),как показано на рис.1.4(б). Причем, в первом полукадре происходит развертка нечетных строк, а во втором – четных. Частота полей выбирается равной 50 Гц, а полный кадр имеет частоту 25 Гци хотя в каждом полукадре разворачивается лишь 312,5 строк, за счет инерционности зрения изображения дух полукадров воспринимается слитно как один кадр с 625 строками. При этом полоса частот канала снижается до 6.5МГц.

Рис.1.4. Принцип построчной (а) и через строчной развезвертки (б)

ЯРКОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Контрастная чувствительность глаза, контраст и число воспринимаемых градаций яркости в изображениях. Абсолютная величина яркости изображения не может служить количественным критерием уровня зрительного ощущения. Экспериментально установлено, что изменение интенсивности ощущения света глазом ∆E связано не с абсолютным изменением яркости объекта ∆L = Lmax - Lmin, а с отношением величины ∆L к первоначальной яркости (или яркости фона) Lmin и может быть представлено выражением

(1.1)

где k - коэффициент пропорциональности.

 

Рис. 1.5. Зависимость порогового контраста от яркости фона

при поле зрения 4°

 

В широких пределах изменения яркости Lmin∆E минимально и постоянно, вследствие чего можно считать, что отношение

пор=σ=const

называется пороговым контрастом, a ∆L = Lmin - абсолютным порогом световой чувствительности.

В пределах средних величин яркости (10... 1000 кд/м2) глаз ощущает относительные приращения яркости, равные примерно 2...5%. Зависимость порогового контраста от яркости фона при поле зрения около 4° изображена на рис. 1.5.

Интегрирование уравнения (1.1) приводит к установлению общего закона зависимости интенсивности ощущений Е от интенсивности соответствующих им яркостей L в виде

E = k ln L + c, (1.2)

где k и c - некоторые постоянные величины.

Данный закон, гласящий, что интенсивность ощущений растет пропорционально логарифму раздражения (яркостям), известен как основной психофизический закон, или закон Вебера-Фехнера.

На основании анализа выражения (1.2) можно фактически считать, что физиологическое ощущение возрастет в арифметической прогрессии, если раздражение увеличивается в геометрической про­грессии.

С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие по­казатели изображений, как контраст и число воспроизводимых гра­даций яркости (полутонов).

Под контрастом (контрастностью) изображения К понимается от­ношение максимальной его яркости к минимальной, т.е. диапазон воспроизводимых яркостей

.

В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 105 и более раз. Зрительная система человека неспособна одно­временно воспринять весь этот диапазон изменения яркости и су­жает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптаций - приспособлению к различным яркостям. Поэтому на практике в вос­производимых изображениях контрастность в лучшем случае со­ставляет всего несколько сотен раз. Например, диапазон воспроиз­водимых яркостей большинства рисунков и фотографий не превы­шает 100, но они воспринимаются как изображения очень хорошего качества. Поэтому телевизионное изображение, имеющее контра­стность более 40, уже считается хорошим. На рис. 1.6 изображена субъективная зависимость оценки качества телевизионного изо­бражения в зависимости от контрастности .

При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное количество ступеней изменения яркости т, называемых градациями яркости. Из рассмотрения особенностей восприятия изображений следует, что

. (1.3)

 

Рис. 1.6. Субъективная зависимость оценки качества телевизионного изображения в зависимости от контрастности

 

Полагая, что максимальный контраст изображения, ограничиваемый глазом, Lmax/Lmin = 100, а σ = 0,05, получаем, что возможное число градаций, которое глаз будет различать при данных условиях, будет равным m 92.


Все параметры, которые мы уже рассмотрели, относятся к основам ТВ, т.е. одинаковы для черно-белого и цветного изображений. Но для характеристики цветных изображений существуют дополнительные параметры: светлота, цветность, цветовой тон, насыщенность, чистота тона и т.д.Эти параметры будут рассмотрены при изучении колориметрии и систем формирования сигнала цветного ТВ.







Сейчас читают про: