9.1 Фізичні основи передачі оптичних зображень
Під телебаченням розуміється передача оптичних зображень з допомогою технічних засобів з відривом. Параметри пристроїв зв'язку, що забезпечують передачу телевізійних сигналів, мають бути узгоджені з характеристиками органів зору.
Джерелом оптичної інформації для людини є видиме світло в діапазоні хвиль 380 ... 760 нм, що випромінюється або відображається різними фізичними тілами. Приймачем цієї інформації є око людини. Оптична система ока за допомогою прозорого кришталика, що має форму двоопуклої лінзи, і м'язів, що управляють радіусом кривизни цього кришталика, перетворює світловий потік від об'єкта і фокусує його в перевернене зображення на задній поверхні очного яблука, що називається сітківкою.
Сітківка складається з безлічі нервових закінчень двох видів. Близько 7 мільйонів нервових закінчень, що формою нагадують колбочки, розташовані в основному в межах невеликої ділянки навпроти кришталика. Ця невелика ділянка сітківки характеризується найкращим зором і називається жовтою плямою. Колбочки здатні розрізняти як інтенсивність світлової хвилі, яка несе інформацію про освітленість об'єкта або яскравість його випромінювання, так і довжину цієї хвилі, що несе інформацію про колір об'єкта. Навколо жовтої плями розташовано понад 100 мільйонів нервових закінчень, що формою нагадують палички. Палички є більш чутливими рецепторами інтенсивності оптичних потоків, тобто здатні виявляти слабкіші світлові сигнали, але палички не здатні розрізняти довжину світлової хвилі, тобто не можуть розрізняти кольори об'єктів.
Світлочутливі елементи ока перетворять енергію світлових хвиль на сигнали нервової системи людини, що передаються в зорові центри головного мозку, де здійснюється обробкаінформації, що надходить. Внаслідок обробки імпульсів від багатьох мільйонів нервових закінчень складається цілісний образ об'єкта: яскравість, колір, геометричні розміри тощо.
Система передачі оптичної інформації на невеликі відстані може бути здійснена за допомогою світловодів. Світловоди є прозорі для світла волокна, об'єднані в джгут і здатні за рахунок внутрішнього відображення передавати оптичні сигнали навіть по криволінійній траєкторії. Якщо на один торець джгута з таких волокон спроектувати зображення будь-якого об'єкта, це зображення може бути передано у вигляді суми окремих елементів зображення, що передаються кожним з волокон.
Кожен з елементів такого розділеного зображення може бути переданий за допомогою електричних сигналів (з попереднім перетворенням оптичного зображення в електричний сигнал і зворотним перетворенням електричного сигналу в оптичне зображення на приймальному кінці лінії зв'язку). Система зв'язку з одночасною передачею сигналів від усіх елементів зображення (паралельний спосіб передачі елементів зображення) потребує значних ресурсів. Більше економним виявляється спосіб послідовної передачі елементів зображення по одній лінії зв'язку.
В основі послідовної передачі елементів зображення лежить властивість зору зберігати в пам'яті світлові дії. Ця властивість полягає в тому, що світлочутливі нервові закінчення залишаються роздратованими ще якийсь інтервал часу після закінчення світлового сигналу. Інерційність органів зору становить приблизно 0,1 секунди, і протягом цього часу органи зору продовжують «бачити» насправді світловий сигнал, що вже закінчився.
Якщо оптичні сигнали повторювати рідко, то органи зору.фіксуватимуть окремі світлові спалахи. Зі збільшенням частоти повторення спалахів відчуття мерехтіння зображення припиниться, і потік окремих світлових імпульсів буде викликати таке відчуття, як і від джерела безперервного випромінювання.
Величину частоти повторення окремих спалахів, починаючи з якої виникає відчуття злитості сприйняття, називають критичною частотою мерехтіння (миготіння). Критична частота мерехтіння залежить від інтенсивності подразнення нервових закінчень, тобто від яскравості випромінювання. При побудові телевізійних систем враховують, що критична частота мерехтінь, яка визначається параметрами зображення на екрані телевізора, становить 40...48 Гц. Слід зазначити, що зі збільшенням кутових розмірів об'єкта величина критичної частоти мерехтіння зростає. Це враховується під час проектування широкоформатних телевізійних систем.
Сутність послідовної передачі елементів зображення полягає в тому, що зображення, що передається, розкладається на окремі елементи, звані елементами розкладання, і по лінії зв'язку по черзі передається інформація про кожен елемент розкладання. На приймальному кінці лінії зв'язку поверхню екрана розкладається на таку ж кількість елементів розкладання, і кожному елементу розкладання на кінці прийманні послідовно передається інформація про параметри відповідного йому елемента розкладання на передавальному кінці.
Сигнали кожного окремого елемента зображення при послідовному способі обробки можна передавати в різному порядку. Траєкторія, якою переміщається елемент розкладання зображення під час передачі і прийомі, називається розгорткою зображення. При передачі безперервних зображень широкого поширення набула рядкова розгортка. При рядковій (прогресивній) розгортцівся площа екрану прямокутної форми розбивається на ряд горизонтальних рядків, що не перекриваються.
Елементи розкладання в рядку зчитуються послідовно від початку рядка до кінця (рядки показані суцільними лініями малюнку 9.1,а; рядки також зчитуються послідовно одна одною, утворюючи так званий растр). Пристрої, що забезпечують розгорнення зображення, мають інерційність, тобто не можуть миттєво перескочити на початок наступного рядка. На малюнку 9.1 а пунктиром показаний зворотний хід променя до початку нового рядка. Рядки розташовуються щільно одна під одною, і повна сукупність рядків утворює кадр зображення.
Почерговий вибір елементів у рядку та послідовний перебір рядків у кадрі забезпечує спеціальний розгортаючий пристрій. Послідовній зміні координат обраного елемента по горизонталі та вертикалі відповідають пилкоподібні напруги розгортки по рядках і кадрах, наведені на малюнках, відповідно, 9.1,б і 9.1,в.
На малюнку використані такі позначення: x та y - відповідно, горизонтальна та вертикальна координати елемента розкладання; ТС - період розкладання зображення по горизонталі, причому ТСП - тривалість прямого ходу розгортки по рядку, ТСО - тривалість зворотного ходу; ТК - період розгорнення зображення по вертикалі, причому ТКП - тривалість прямого ходу по вертикалі. При рядковій розгортці зображення період розгортки по кадру кратний періоду розгортки по рядку ТК = N * TC, де N - ціле число. У цьому випадку після перебору всіх елементів розкладанняпопереднього кадру розгортаючий пристрій забезпечить передачу інформації про перший елемент першого рядка наступного кадру.
Кількість елементів розкладання по горизонталі та вертикалі вибирається з урахуванням показників зору людини. Найкраще сприйняття об'єкта забезпечується, якщо він розглядається у вертикальній площині під кутом зору, рівним 15°, і горизонтальній площині під кутом, рівним 20°. Такі співвідношення забезпечуються при відстанях до прямокутного екрана, що в 5 разів перевищують висоту цього екрана.
Кількість рядків вибирається із умови необхідного дозволу у вертикальному напрямку (чіткість по вертикалі). При цьому не повинна бути помітною малі структури зображення. У різних стандартах використовується різна кількість рядків. У вітчизняному телевізійному мовленні прийнято 625 рядків у кадрі.
Повне зображення кадру формується при послідовному скануванні всіх рядків. Якщо частота зміни кадрів вище критичної частоти мерехтіння, то зображення кадру виглядає єдиною картинкою, і при зміні кадрів не відчуваються мерехтіння.
У мовному телебаченні ефективнішою виявляється черезрядкова розгортка. При такому способі розгортки зображення весь цикл формування розгортки на інтервалі одного кадру розбивається на два підцикли. У першому підциклі обробляються усі непарні рядки, у другому підциклі – усі парні рядки. Повне зображення кадру передається за два цикли розгортки. Для того, щоб забезпечити формування черезрядкової розгортки, у кадрі має бути непарна кількість рядків. Для формування двох полів зі зрушеними рядками формування другого напівкадра має починатися із середини рядка.
Структура растру при черезрядковому розгорненні наведена малюнку 9.2,а. У вітчизняномумовному телебаченні частота зміни напівкадрів обрана більше критичної частоти мерехтінь і дорівнює частоті мережі змінного струму 50 Гц. Такий вибір частоти зміни кадрів зменшує негативний вплив фону змінного струму на роботу вузлів телевізійної системи і, зрештою, формування зображення. На рисунках 9.2, б і 9.2, наведені сигнали, відповідно, горизонтальної і вертикальної розгорток.
