Преобразование непрерывного оптического изображения в дискретное и обратно

Оптическое чёрно-белое изображение на фотокатоде передающей трубки (или цветоделённое изображение на одной из трубок в камере ЦТВ) можно представить в виде непрерывной трёхмерной функции , представляющей собой распределение яркости по 2 координатам и времени (рис. 3.18, а). В результате развёртки с выбранными параметрами разложения ( и ) и преобразования света в сигнал пространственно-временная функция подвергается дискретизации (по вертикали с шагом и по времени с частотой ) и преобразованию во временную — электрический сигнал . На приёмной стороне в кинескопе осуществляется обратный процесс — синтез оптического изображения, которое теперь будет дискретным (рис. 3.18, б). Процесс восстановления непрерывного изображения из дискретного происходит в зрительной системе, являющейся пространственно-временным фильтром нижних частот. Если параметры ТВ-системы выбраны правильно, то есть согласованы с характеристиками зрения, то восстановление изображения происходит практически без потерь. Существующие системы ТВ-вещания (625/50 и 525/60) этого не обеспечивают (см. Техника телевидения повышенного качества и высокой чёткости). Параметры дискретизации должны быть согласованы и с дискретизируемой функцией : период дискретизации должен быть как минимум в 2 раза меньше периода максимальной пространственной частоты по оси в спектре изображения . Невыполнение этого условия ведет к появлению искажения типа муара.

3.4.3. Оценка качества телевизионного изображения по испытательным таблицам

Контроль и оценку качества ТВ-изображения производят визуально по различного рода испытательным таблицам (ИТ), сигналы которых формируют электрическим путём с помощью соответствующих генераторов. Оптические ИТ используют главным образом для настройки и проверки передающих камер. Электрические ИТ подразделяют на таблицы узкого назначения и универсальные. Изображения в первых имеют вид шахматного поля, сетки, креста, градационного клина, горизонтальных или вертикальных цветных полос и т. п. По изображению универсальных ИТ можно оценить практически все параметры ТВ-изображения и косвенно оценить степень искажения важнейших электрических характеристик канала, блока или телевизора, через которые прошёл сигнал ИТ. В вещательном телевидении применяют оба вида ИТ в зависимости от решаемой задачи: ремонт, настройка или комплексная оценка качества изображения.

Отличия изображения на экране телевизора от оригинала называются искажениями, поэтому понятия качества и искажений однозначно связаны между собой. Однако не все сколь угодно малые искажения изображения ухудшают его качество. Это зависит от свойств зрительной системы человека. Ряд отличий обусловлен самим принципом действия ТВ-системы, поэтому их классифицируют как ограничения системы (напр., строчная структура растра, дискретность передачи полей и т. д.).

Все искажения можно разделить на 3 основные группы — искажения оконечных устройств (преобразователей свет — сигнал и сигнал — свет), ограничения системы и искажения тракта передачи. Искажения оконечных устройств бывают растровые, светотехнические и сигнальные. В ТВ к растровым искажениям относятся прежде всего координатные. Отклонения координат точек синтезированного изображения от координат соответствующих точек анализируемого изображения объекта называются координатными искажениями. При их появлении нарушается масштаб передачи и, следовательно, геометрическое подобие изображения объекту. Причиной этого может быть изменение формы растра на передающей или приёмной стороне, а также непостоянство скорости развёртки по строке и кадру. Изменения формы растра, состоящие в искривлении вертикальных и горизонтальных прямых и нарушении прямоугольности растра, называют также геометрическими искажениями, а вызываемые непостоянством скорости развёртки — нелинейными искажениями. Такое деление условно, но делает более определённой их количественную оценку с помощью коэффициентов геометрических и нелинейных искажений.

Расчёт производят в процентах по следующим выражениям: бочкообразных или подушкообразных искажений растра (рис. 3.19, а, б), возникающих из-за несовершенства электронно-оптических систем или сферической формы экрана кинескопа: ; ; трапецеидальных искажений и типа «параллелограмм» (рис. 3.19, в, г), возникающих при нарушении ортогональности соответственно оптической (или электронно-оптической) оси к плоскости изображения и отклоняющих полей по строке к кадру: ; . Используемые в приведённых выражениях обозначения ясны из рис. 3.19, а — г. Геометрические искажения возникают также при воздействии на отклоняющие поля низкочастотных периодических помех (рис. 3.19, д).

Нелинейные искажения могут быть определены через коэффициент нелинейности развёрток и непосредственно по изображению равномерного шахматного поля (в процентах): ; , где , — максимальная и минимальная скорости движения развёртывающего луча, , — максимальная и минимальная ширина воспроизводимых квадратов шахматного поля. Расчёт производится раздельно для нелинейности по горизонтали и вертикали.

Рис. 3.19. Искажения формы растра.

К светотехническим искажениям относятся искажения контраста и относительного распределения яркости. Максимальный контраст ТВ-изображения зависит от типа кинескопа и уровня внешней засветки экрана. Современные кинескопы могут обеспечивать величину контраста в крупных деталях более 100. Обычно для меньшей утомляемости помещение, в котором находится телевизор, в той или иной степени освещено, что снижает . Если засветка экрана кинескопа от внешнего источника света составляет 2 — 5 % максимальной яркости изображения, то не превышает 20 — 50. Интервал яркости при передаче из помещений редко превышает эту величину (если не учитывать бликов от зеркальных поверхностей). Характер распределения яркости по полю ТВ-изображения определяется характеристикой передачи уровней . Для обеспечения максимально высокого качества воспроизведения яркостных параметров объекта передачи, определяемых из критерия психофизиологической точности, в аппаратной телецентра включают специальное корректирующее нелинейное звено — гамма-корректор.

Для оценки качества показателей ТВ-изображения применяются 2 вида испытательных таблиц: ИТ 0249 и ИТ-72 (для оценки чёрно-белых телевизоров), УЭИТ (для оценки цветных телевизоров). Для оценки искажений растра используют элементы, имеющие правильную геометрическую форму, например окружности, квадраты или другие фигуры, критичные к нелинейным и геометрическим искажениям. На ИТ 0249 (рис. З.20) и ИТ-72 (рис. 3.21) имеются центральная и 4 угловые окружности. Обе таблицы разделены на 12 больших квадратов, в ИТ 0249 каждый из них разделён ещё на 4 малых. Для удобства определения координат в каждой части таблицы введены обозначения квадратов по вертикали буквами Б, В, Г, Д и по горизонтали цифрами со второй по седьмую. Буквы А и Е и цифры 1 и 8 на таблицах не указаны. При изменении формата, а также из-за указанных выше искажений растра передающего или приёмного устройства искажается форма квадратов и окружностей, что легко замечается визуально.

Рис. 3.20. Телевизионная испытательная таблица 0249.

Для оценки чёткости изображения на ИТ 0249 предусмотрены клинообразные горизонтальные и вертикальные полоски (штрихи) в центральном круге и в кругах по углам. В нижней части центрального круга имеются группы вертикальных штрихов разной ширины. Вдоль вертикальных клинообразных штрихов сделаны чёрточки — отметки N=100, 400, 500, 600. Промежуточные отметки без цифр соответствуют N=350, 450 и 550. Такие же отметки (чёрточки и точки без цифр) сделаны на горизонтальных клиньях. Около групп вертикальных штрихов сделаны цифровые отметки 200, 300, 400, 450, 500, 550 и 600. Чёткость изображения таблицы на приёмном экране определяют наибольшей отметкой N, на которой глаз достаточно отчётливо различает отдельные чёрные и белые линии. При этом имеется в виду, что действительное число чёрных и белых линий, умещающихся по высоте таблицы, не менее чем на 8 % меньше значения, указываемого отметкой, то есть 550 при отметке 600; 250 при отметке 300 и т. д. Пять концентрических колец (Б-2, Б-7, Д-2, Д-7, В, Г4, 5) ИТ 0249 и одно такое кольцо (В, Г4, 5) ИТ-72 служат для контроля равномерности фокусировки развёртывающего пятна по площади растра.

Оптимальную яркость приёмного экрана устанавливают с помощью имеющихся на таблицах 4 (для ИТ 0249) и 3 (для ИТ-72) серых шкал (градационных клиньев). Каждая шкала содержит 10 прямоугольников разной яркости, расположенных в виде ступеней у постепенного перехода от чёрного к белому. Относительные значения коэффициентов отражения прямоугольников градационного клина изменяются по логарифмическому закону. Воспроизведение градаций яркости оценивают числом прямоугольников градационного клина, которые воспринимаются отличающимися по яркости от смежных прямоугольников.

Рис. 3.21. Телевизионная испытательная таблица ИТ-72.

Однородность яркости фона изображения определяют визуально по равномерности яркости серого фона, занимающего значительную часть полей таблиц. При этом дополнительную помощь оказывают серые шкалы, так как при равномерной яркости фона на каждой шкале будет различаться одно и то же число градаций яркости. В центральной окружности (Г-4, 5, Д-3, Д-6, Е-3, 4, 5, 6) ИТ 0249 помещены чёрные прямоугольники, с помощью которых могут быть выявлены искажения в изображении в виде тёмных и светлых тянущихся продолжений. Интенсивность повторных изображений можно обнаружить с помощью узких вертикальных штрихов, расположенных в квадратах на линиях В и Г. При отражениях обычно справа за штрихами наблюдаются повторные светлые или тёмные их изображения. Качество чересстрочной развёртки устанавливают по наклонным линиям, расположенным в углах (Б-3 и Б-6) таблицы ИТ 0249 и в углах (Е-4, 5) таблицы ИТ-72.

Ряд дополнительных возможностей для настройки и контроля параметров ТВ-тракта предоставляет ИТ-72. Благодаря соответствующему расположению её элементов наряду с удобством визуального контроля качества ТВ-изображений обеспечивается возможность инструментального измерения ряда параметров ТВ-сигналов. Для визуального контроля разрешающей способности в горизонтальном и вертикальном направлениях служат штриховые миры в виде вертикальных клиньев и зонных решёток из наклонных параллельных линий, расположенных в центре и по углам таблицы. При наличии муара разрешающую способность в вертикальном направлении оценивают по положению центра концентрических полуокружностей с помощью шкалы, а при отсутствии муара — по числу различимых в зонных решётках линий. При инструментальной оценке разрешающей способности измеряют глубину модуляции ТВ-сигнала от штриховых клиньев и зонных решёток по отношению к глубине модуляции сигнала чёрно-белого перепада. Для получения последнего служат чёрные прямоугольники на белом фоне, расположенные рядом со штриховыми мирами. Отклонения ширины чёрных и белых линий номинальной ширины не превышает ±15%.

Благодаря совмещению шкал вертикальных штриховых клиньев и зонных решёток при определении разрешающей способности в обоих направлениях можно измерять глубину модуляции ТВ-сигнала осциллографическим способом одновременно на одной и той же строке. Рядом со штриховыми мирами вносят цифровые отметки, указывающие число чёрных и белых линий данной ширины, которые можно разместить на рабочей части таблицы. Это число , где — высота рабочего поля таблицы, — ширина горизонтальной и вертикальной линий при данной отметке миры. По расположению муаров на зонных решётках можно также судить о качестве чересстрочной развёртки. Центр концентрических полуокружностей на изображении зонной решётки при наличии муара должен находиться вблизи отметки 575 линий. Если он наблюдается на отметке 300 линий, то чересстрочная развёртка отсутствует.

Белые линии, образующие сетчатое поле таблицы, позволяют проверять характеристики растров в передающих и приёмных устройствах, а также точность сведения лучей в цветных кинескопах. Шаг сетчатого поля по отношению к среднему значению шага сетки составляет не более ±0,5 %. Деталь таблицы в нижней половине центрального круга, состоящая из расположенных друг под другом белого и чёрного горизонтально вытянутых прямоугольников и примыкающего к ним справа серого прямоугольника, служит для образования сигналов бело-серого и черно-серого перепадов. Этот элемент таблицы позволяет оценивать искажения в виде тянущихся продолжений и выбросов переходной характеристики на сером более полно, чем элемент в виде чёрного прямоугольника, имеющийся в таблице 0249. В нижней части центральной окружности расположены чёрные треугольники, наклонённые к горизонтали под углом 8°. Они предназначены для измерения нестабильности изображения из-за несинхронности частот развёртки и питающей электросети и для проверки точности чересстрочной развёртки. С помощью чёрных прямоугольников, расположенных в центре и по углам таблицы, оценивают неравномерность сигнала по полю изображения. Группы параллельных штрихов в центральной части таблицы позволяют измерить апертурную характеристику в горизонтальном направлении по осциллограмме.