Некоммерческое
Акционерное общество
Кафедра радиотехники и информационной
безопасности
ОCНОВЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ Конспект лекций для студентов всех форм обучения
специальности 5В071900-Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2017
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ и СВЯЗИ
СОСТАВИТЕЛЬ: Т.А.Урусова. Основы обработки видеоизображения.
Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071900- Радиотехника, электроника и телекоммуникации. — Алматы: АУЭС, 2017. - 38с.
Конспект лекций содержит теоретические материалы, необходимые для изучения дисциплины согласно рабочей программе, а также список литературы, рекомендуемой для изучения дисциплины.
Табл. 2. Ил. – 36, библиогр. — 6 назв.
Рецензент: доцент кафедры ТКС Е.В. Ползик
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи» на 2017 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2017г.
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра компьютерной и инфокоммуникационной безопасности
УТВЕРЖДАЮ
Проректор АУЭС _______ С.В. Коньшин
"____"__________2016г.
Т.А.Урусова Конспект лекций
ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ
для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Согласовано: Рассмотрено и одобрено Начальник УМО на заседании кафедры ____________ М.А.Мустафин Компьютерная и
инфокоммуникационная безопасность
Специалист по стандартизации
протокол №3 от 2.11.16 Заведующая кафедрой
“____”_____________2016г.
______________ Н.К. Молдабекова Председатель ОУМК по МОЭ
___________________Б.К. Курпенов ________Е.Г. Сатимова “____”_____________2016г.
Редактор
Составитель
_____________Л.Т. Сластихина
___________Т.А.Урусова
"____"_____________2016г.
Алматы 2016
Св. план 2016., поз.239
Урусова Татьяна Андреевна
ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ Конспект лекций
для студентов специальности
5В071900-Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Редактор Л.Т.Сластихина
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова
Подписано в печать __.__.__. Формат 60х84 1/16 Тираж 100 экз. Бумага типографская №1 Объем уч.-изл.2,44 л. Заказ_____. Цена 1220 тг.
Копировально-множительное бюро некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013 Алматы, ул. Байтурсынова,126
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕТСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра компьютерной и инфокоммуникационной безопасности
ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ Конспект лекций
для студентов специальности
5В071900-Радиотехника, электроника, телекоммуникации
Алматы 2016
1 Лекция №1. Введение. Основные светотехнические величины.
Трехкомпонентная колориметрическая система. Процесс образования сигнала изображения. Параметры спектра тв-сигнала. Принципы и условия формирования растров
Цель лекции: изучение основных светотехнических величин, характеризующих качество телевизионного изображения. Изучение принципов формирования растров и зависимости между шириной полосы тв сигнала, разрешающей способностью от закона развертки.
Световой поток (F).Определяется энергией излучения, в диапазоне (360 -700) нм, видимым глазом.
Рисунок 1.1- Кривая видности глаза
Сила света (I) - плотность светового потока в телесном угле выбранного направления
I=dF/dw, где dF - световой поток через dS;
dw = dS/R3 - телесный угол.
Если в телесном угле в 1 стерадиан (ср) равномерно распределяется световой поток в 1 лм, то сила света в этом направлении = канделле: 1 кд=1 лм/1 ср.
Освещенность (E)- плотность светового потока по поверхности S, на которую он падает
E=F/S.
Освещенность 1 лк создается световым потоком в 1 лм на площади в м2: 1 лк = 1лм/ 1м2.
Рисунок 1.2 – Источник света, освещающий поверхность
Освещенность экрана в кинотеатре 200 лк.
Освещенность объекта в тв-студии 2000 лк.
Яркость (B). Характеризуется плотностью силы света по площади, излучающей свет
B=I/S - [кд/м2].
Понятие о цвете характеризуется:
- яркостью - пропорциональна лучистому потоку, попадающему от источника в глаз;
- цветовым тоном - определяется длиной волны излучения;
- насыщенностью - характеризует степень разбавления белым.
Рисунок 1.3 - Призма, в вершинах которой источники
основных цветов – RGB
Максимальная насыщенность у монохроматического источника, (свет одной длины волны) р=100%. Для белого, неподкрашенного цвета р=0.
Цветовой треугольник внутри локуса (фигура, соединяющая все монохроматические точки излучения).
Рисунок 1.4 - Локус с цветовым треугольником внутри
Глаз различает около 180 цветовых тонов, любой из них может быть получен в цветовом восприятии смесью 3-х основных: красного, зеленого и синего.
Рисунок 1.5 - Процесс образования сигнала изображения
Спектр частот сигнала вещательного телевидения от 50 Гц до 6 МГц.
Cтандартные параметры развертки в системе SECAM:
- число строк разложения z = 625;
- частота развертки по полям fn = 50 Гц;
- частота строчной развертки fстр = 15625 Гц.
Основные причины ограниченной разрешающей способности:
a) ограниченная полоса пропускания схемы видеоусилителя;
б) апертурные искажения.
Определение максимального количества мелких деталей на экране:
-по вертикали - z элементов (диаметров луча);
-по горизонтали - Кфz элементов, т.о., на изображении -Кфz2/2- пар элементов.
Число пар элементов, передаваемых в 1 с - fкpz2/2,
где fк =25 Гц ( при чересстрочной развертке), т.о., верхняя граница тв- спектра fверхн=fкКфz2/2 , но нна практике fверхн тв-спектра ниже (вводится kс-
коэффициент дополнительного сокращения полосы частот), т.о., fверхн=kсfкkфz2/2,
где kс = 0,8 - 0,9, тогда
Рисунок 1.6 - Конечные размеры апертуры луча, ограничивающие cпособность к воспроизведению мелких деталей изображения
Конечные размеры апертуры луча ограничивают разрешающую способность. При чередовании ч/б деталей, размерами d/2, d/4, сигнал пропорционален средней яркости, и детали не воспроизводятся.
Fв = 1/ 2t уст = 1/ 2t элемента.
Закон развертки телевизионного изображения: слева- направо, сверху- вниз. Луч, перемещаясь от начала до конца строки, смещается на ширину строки – hэкрана/ z.
Критерии выбора частоты смены кадров: fkадров=50 Гц.
1. fkадров > fкр, где fкр =46 Гц (определяется особенностью зрительного восприятия).
2. Fkадров = nf сети питания.
3. Скорость перемещения передаваемого объекта.
Полоса частот ТВ-сигнала пропорциональна числу кадров/сек.
Избыточное их число приводит к расширению полосы частот. Для восприятия изображения без мельканий необходимо возбуждать экран 48-50 раз/cек, а для восприятия изображения как слитного, движущегося нужно передавать 20-25 фаз движения в сек. Поэтому построчный (прогрессивный) способ развертки является избыточным, что устраняется применением чересстрочной развертки. Полный кадр при чересстрочном принципе развертки делится на 2 поля (полукадра), в каждом 1/2 общего числа строк.
Критическая частота мельканий не зависит от z; fполей fкр воспринимается без мельканий, т.о., полоса сокращается вдвое. Условия формирования чересстрочной развертки:
a) Z = 2m + 1 , где m - целое число;
б) 2f z = z f2n = ( 2m +1 ) f 2n.
2 Лекция №2. Восстановление постоянной составляющей.
Назначение и принцип работы схемы фиксации. Управляемые и неуправляемые схемы ВПС
Цель лекции: пояснить необходимость наличия постоянной составляющей, изучить принцип работы различных схем ВПС.
Уровни тв-сигнала должны быть пропорциональны яркости деталей передаваемой сцены. Для этого необходимо, чтобы сигнал яркости, модулирующий электронный луч приемной трубки, содержал постоянную составляющую, пропорциональную средней яркости изображения. Эта составляющая в процессе передачи меняется медленно или скачком при смене сюжета ТВ программы. Однако видеоусилительный тракт ТВ системы
составлен преимущественно из усилителей переменного тока, и по нему непосредственно «постоянная» составляющая передана быть не может.
Поэтому для ее передачи приходится использовать специальный метод.
Применение этого метода основано на том, что уровень черного ТВ сигнала на выходе современных передающих трубок практически не зависит от содержания изображений и занимает всегда одно и то же положение при передаче оригиналов с различной средней яркостью. Исходный сигнал яркости
Рисунок 2.1 – Особенности передачи сигнала «постоянной» составляющей
пропорционального средней яркости изображения
передающих трубок содержит постоянную составляющую, которая потом утрачивается в видеоусилительном тракте. Этот процесс поясняют осциллограммы сигналов (рисунок 2.1) от двух передаваемых изображений:
первое из них — черная полоса на белом фоне, а второе - белая полоса на черном фоне; минимальные Lоmin и максимальные Lomax яркости изображений
одинаковы, а средние существенно различны и равны соответственно Lср1 и Lср2 (рисунок 2.1,a).
Исходные сигналы яркости на выходе передающей трубки показаны на рисунке 2.1а. Размахи сигналов Uс, пропорциональные перепадам яркости, и положение уровней от равноосвещенных деталей обоих изображений одинаковы, а постоянные составляющие различны: Ucр1= Lср1, Ucр2= Lср2 соответственно.
ТВ сигнал после прохождения через разделительную цепь RрСр, между каскадами усилителя, располагается относительно нулевой оси (или линии равных площадей), т. о., что площади, ограниченные положительной частью сигнала и отрицательной частью сигнала, равны (рисунок 2.1,в). В результате потери постоянной составляющей размах сигналов от этих изображений не меняется, а положение уровней от одинаково освещенных деталей различных изображений изменяется в зависимости от их содержания.
Средняя яркость оригиналов, а следовательно, и постоянная со- ставляющая могут меняться в широких пределах — почти от минимальной яркости до максимальной. Поэтому при отсутствии этой составляющей уровни телевизионного сигнала могут занимать различное положение в области, почти в два раза превышающей его размах (рисунок 2.1,с). Для отсутствия нелинейных искажений сигнала амплитудные характеристики усилителей должны быть линейны в указанной области динамического диапазона.
Если ТВ сигнал без постоянной составляющей использовать для модуляции тока луча кинескопа, то яркости деталей изображений будут искажены. В принципе эти искажения можно корректировать регулировкой яркости изображения на экране приемной трубки. Однако практически это невыполнимо. Поэтому в приемнике (если в нем используется видеоусилитель переменного тока) и в некоторых других точках тракта, например, в ограничителях уровней сигнала, гамма-корректоре, модуляторе передатчика, приходится вводить постоянную составляющую. Она восстанавливается путем фиксации вершин гасящих импульсов относительно некоторого постоянного потенциала (уровня фиксации). Hа рисунке 2.1,г видно, что преобразованные подобным образом сигналы вновь содержат постоянную составляющую. Таким образом, информация о средней яркости изображений передается по тракту косвенным методом.
Положение вершин строчных гасящих импульсов фиксируется с помощью межкаскадных разделительных цепей RрCр с коммутируемыми параметрами, т.е. с различными постоянными времени заряда и разряда конденсатора Ср. Различают неуправляемые и управляемые схемы фиксации.
Особенности работы схем фиксации рассмотрим на примере простой неуправляемой схемы, так как в ней наиболее четко проявляются возникающие в этих схемах характерные искажения сигнала изображения.
Неуправляемая схема (рисунок 2.2) предназначена для фиксации ТВ сигнала негативной полярности. Сигнал позитивной полярности фиксируется аналогичными схемами с обратным включением диода.
В обычном усилительном каскаде постоянное напряжение на раз- делительном конденсаторе Ср относительно точек земля — база (затвор) транзистора следующего каскада определяется в установившемся режиме лишь напряжением смешения Есм = Еф. Сигнал располагается относительно этого напряжения по линии равных площадей соответствующих постоянных времени равны. При этом форма сигнала uвх, полностью повторяет форму сигнала а, при достаточно большой постоянной времени цепи RрCр.
Назначение схемы фиксации состоит в том, чтобы во время следования гасящих импульсов сделать напряжение на входе следующего каскада всегда одним и тем же равным напряжению смешения (фиксации) Еф, а весь ТВ сигнал в интервалах между гасящими импульсами «переместить» в область более отрицательных (или положительных значений).
а) принципиальная схема фиксации уровня черного тв-сигнала;
б) эквивалентная схема фиксации уровня черного телевизионного сигнала.
Рисунок 2.2
Во время СГИ Uвх.сл.каскада = Uсм =Eф, чтобы «переместить вниз» сигнал между CГИ. Ключ (диод) VD подключает на t = CГИ базу Тр следующего каскада к Еф. На Ср – дополнительный заряд током, пропорциональным Uс в момент замыкания ключа, который «перемещает» сигнал, когда ключ разомкнут. Проводимость диода меняется от Uс (от уровня CГИ). Напряжение на запертом диоде уменьшается при разряде Ср за время (Тz- tсги ) на U. U определяет параметры неуправляемой схемы ВПС. Диод отпирается напряжением сигнала =ΔU.
От ΔU зависят Rin и tз. ΔU пропорционально перекосу яркости вдоль строки, который не заметен, если: Δ = ΔU/ Ucp = 0,05.
Постоянная времени разряда при Δ= 0,05 и Rp » Rвых1
tр = Сp Rp = Тz-tи / Δ.
Условие трудно обеспечить из-за малого допустимого ΔU и большого Rin.
tз большое - Ср не успевает зарядиться за СГИ. В результате уровень фиксации не постоянный (Еф), а зависит от размаха видеосигнала (сюжета изображения).
При быстрых изменениях яркости фиксация уровня не производится до разряда Ср. Управляемые схемы фиксации уровня лишены недостатков неуправляемых схем. Проводимость диодов меняется не видеосигналом, а управляющими импульсами (из СГИ и ССИ). Управляемые схемы фиксируют уровень видеосигнала любой полярности.
Используется не только для восстановления постоянной составляющей, но и для:
а) уменьшения НЧ-искажений (уменьшения уровня аддитивных помех).
Модулирующую помеху не устраняет;
Рисунок 2.3 – Изменение отношения сигнал/фоновая помеха после фиксации уровня черного
б) уменьшение мощности УП и снижение нелинейных искажений, т.к.
сокращается динамический диапазон;
U вх мах > Uс (при фиксации); U вх мах > 2Uс (при отсутствии фиксации);
3) фиксация уровня сигнала необходима также при ограничении уровней черного и белого, коррекции полутоновых искажений, модуляции несущей частоты ПТВСом.
Рисунок 2.4 – Эпюры напряжений при фиксации уровня черного
3 Лекция №3. Система цветного телевидения SECAM (Sequence de
Coleurs Avec Memoire - франц.)- поочередность цветов с памятью
Цель лекции: изучение принципов формирования и передачи изображения в системе SECAM и основных ее характеристик.
История создания системы. Разработка начата во Франции в 1953 г.
инженером Анри де Франсом. Дальнейшие работы проводились во Франции, а с 1965 г. совместные работы французских и советских специалистов дорабатывали систему и оптимизировали ее параметры. В результате была создана система цветного телевидения SECAM , её параметры в 1974 г. были стандартизированы (ГОСТ 19432 — 74 ).
Принципы построения системы SECAM. Возможность поочередной передачи цветовых сигналов основана на особенности зрения воспринимать цвет в полосе до 1,5 МГц, т. к. минимальные по размеру детали передаются на fв = 6 МГц (ЕY), то окрашенные детали имеют размер по строке 6 МГц/1,5 МГц = 4 раза >минимальных ч/б деталей.
На выходе цветной ТВ-камеры - сигналы ЕR, ЕG и ЕB , из них с помощью кодирующей матрицы формируются сигналы ЕY, Е R—Y и Е B-Y.Они формируются непрерывно, т.е. существуют одновременно.
Сигнал ЕY передается непрерывно, а ЕR—Y и ЕB—Y – поочередно (рисунок 3.1): половина строк в цветовом сигнале компонента ЕR—Y, половина — ЕB—Y . Для сигналов цветности в кадре вдвое меньше строк, что увеличивает размеры окрашенных деталей по вертикали.
Но общая четкость по вертикали сохранится, т.к. сигнал ЕY передается в полном спектре.
Рисунок 3.1 – Поочередная система передачи сигналов цветности
На модуляторы кинескопа необходимо подавать одновременно три сигнала Е R—Y, Е B—Y и Е G—Y. Для получения непрерывной последовательности ЕR—Y и ЕB—Y и формирования в матрице ЕG—Y в приемнике используется ячейка памяти — линия задержки на одну строку з
= Тстр = 64 мкс. При воспроизведении цветного изображения каждый сигнал цветности используется дважды: один раз - со входа ЛЗ, другой — с выхода.
Вх. Вых.
Рисунок 3.2 – Линия задержки
Сигналы цветности на входе и выходе ЛЗ разные, т.о., всегда имеются одновременно оба сигнала цветности. Предполагается, что в пропущенных строках цветовой сигнал почти не отличается от сигнала соседних.
В телевизоре из принятого ПЦТВС формируются цветоразностные сигналы ЕR—Y, ЕB—Y и ЕG—Y. В полном сигнале - информация о яркости, цветности, передаваемых на поднесущей, - на выходе видеоусилителя.
С выхода детекторов сигналы поступают на матрицу, формирующую третий цветоразностный сигнал ЕG—Y. Для управления ЭК прямоугольные импульсы. Полный цикл коммутации - t = 2строки (fи= fстр/2).
Для синхронизации электронного коммутатора необходимо, чтобы переключение коммутатора (ЭК) соответствовало очередности цветоразностных сигналов.
Для этого ЭК в телевизоре должен работать синфазно с ЭК кодирующего устройства, поэтому в приемник дополнительно передается сигнал цветовой синхронизации.
Линия задержки tз = 64 мкс
.
Рисунок 3.3 – Структурная схема передающей части в системе SECAM
Синхронизация генераторов строчной и кадровой разверток в цветном телевизоре происходит с помощью строчных и кадровых синхроимпульсов.
Цветоразностные сигнала преобразуются в сигналы ДR, ДB, согласно формуле:
ДR ,= - 1,9E R-Y; Д в = 1,5E B-Y
и подвергаются гаммакоррекции. Коэффициенты kR = -1,9 и kB = 1,5 улучшают совместимость и повышают помехоустойчивость системы.
Рисунок 3.4 – Структурная схема приемной части в системе SECAM
Значения сигналов изменяются в пределах:
Е`R—Y от – 0,7 до + 0,7, Е`B—Y от – 0,89 до + 0,89.
Если сигналы Е`R—Y и Е`B—Y подать на ЧМ, то девиация частоты при передаче Е`B—Y будет больше, чем при Е`R—Y. Общая полоса частот модулированного сигнала цветности будет определяться ЕB—Y. Е`R—Y , имеющий меньшие экстремальные значения, займет меньшую полосу, что ухудшит помехоустойчивость канала R—Y, поэтому , чтобы уровнять условия передачи цветоразностных сигналов вводятся коэффициенты kR и kB .
Д`R /Д`B = 1,9 ЕR—Y / 1,5 ЕR—Y = (1,9 0,7) / (1,5 0,89) = 1.
В Е`R—Y преобладают положительные значения, а в Е`B—Y — отрицательные.
Изменение полярности Е`R—Y - преобладание отрицательнoй девиации частоты - уменьшение частоты поднесущей - уменьшение заметности искажений цветности, возникающих при ограничении ВБП сигнала цветности. При сложении Д`R и Д`B с ЕY размах цветовой поднесущей составляет 25% от размаха сигнала яркости, что обеспечивает малую заметность помехи на экране ч/б приемника. В ранних вариантах SECAM цветоразностные сигналы по очереди модулировали общую поднесущую частоту.
В стандартизированном варианте принято передавать сигналы Д`R и Д`B на двух разных поднесущих. f0R=282fст =4406,25±2 кГц,
f0B=272fстр=4250,00±2 кГц, где fстр = 15625 Гц — частота строчной развертки.
Рисунок 3.5 –Структура спектра ПЦТВС
Критерии выбора поднесущих частот:
1) fп = (2n + 1) fz/2.
2) Максимально высокая частота .
3) Должна на полосу сигнала цветности отстоять от fmах спектра Ey.
4) По законам модуляции fmax сигнала цветности < fп/2.
Рисунок 3.6 –Формирование сигналов в системе SECAM
Рисунок 3.7 –Спектр ПЦТВС в системе SECAM
Распознавание цвета деталей разного размера:
1) Крупные fс = (0 - 0,5) MГц - полноцветные .
2) Детали средних размеров fс = (0,5 - 1,5) MГц – cмесь голубого и оранжевого.
3) Мелкие fc > 1,5 МГц - черно-белые.
4 Лекция №4. Устройство кинескопов. Масочные и дельтавидные кинескопы
Рисунок 4.1 – Кинескоп
Внутри колбы кинескопа: 3 электронных прожектора - 1, формируют 3 электронных луча (2) 3-х основных цветов R,G и B.
Состав прожекторов: катод- 4; подогреватель- 3; модулятор (управляющий электрод)- 5; ускоряющий электрод-6,фокусирующий электрод –7, анод -8.
Отклоняющая система – 9, общая для всех лучей - 2 строчные и 2 кадровые отклоняющие катушки. Блок полюсных наконечников 10 –часть системы радиального сведения лучей. Анод - графитовое покрытие стекла колбы внутри раструба и передней части горловины и соединенные с ним цилиндры: а, б и в.
Экран состоит из триад люминофоров - частиц, цвет свечения которых при бомбардировании электронами зависит от химического состава.
R - Y2O3E4; G - (ZnCd)Sag ; B - ZnCdAg.
Рисунок 4.2 – Строение кинескопа
Несоблюдение точности расположения точек люминофора искажает цветовоспроизведение. Перед экраном - цветоделительная маска -11 , для попадания ЭЛП только на люминофоры «своих» цветов.
Рисунок 4.3 – Лучи сводятся на плоскости маски, и каждый попадает на зерно люминофора «своего» цвета
Масочные кинескопы делятся на дельтавидные и планарные.
Дельтавидные применяются в качестве электронно- лучевых мониторов компьютеров, а планарные как телевизионные экраны.
Строение дельтавидных масочных кинескопов.
Маска - стальной лист толщиной 0,15 мм с круглыми отверстиями (D
= 0,3 мм), число которых = числу элементов. Катоды всех ЭЛП располагаются под углами в 120° в плоскости, перпендикулярной оси трубки. Оси симметрии прожекторов наклонены к оси трубки на 1° (+2').
После прохождения сквозь отверстия лучи расходятся, попадая каждый на свою точку люминофора.
Рисунок 4.4 – Фрагмент дельтавидного кинескопа
Рисунок 4.4- Фрагмент дельтавидного кинескопа
Трехлучевой кинескоп со щелевой маской и компланарной оптикой.
а) расположение ЭЛП в планарном кинескопе;
б) щелевая маска.
Рисунок 4.5
Три прожектора (1) расположены по горизонтали. Ось среднего (G ) совпадает с осью кинескопа, оси 2-х других наклонены симметрично относительно оси кинескопа. Разделение цветов посредством щелевой маской с вертикальными прорезями (щелями), для механической устойчивости - горизонтальные перемычки.
Линейчатая структура экрана исключает попадание лучей на люминофоры других цветов по вертикали и облегчает регулировку чистоты цвета, которая заключается в смещении лучей только
по горизонтали.
Преимущества планарного кинескопа:
1) Упрощаются условия сведения лучей.
2) Повышается яркость свечения экрана из-за большей прозрачности щелевой маски.
3) Улучшается чистота цвета (при сдвиге луча в вертикальном направлении он продолжает засвечивать свою люминофорную полоску).
4) Используется метод самосведения лучей .
5) Магнитное поле Земли не влияет на чистоту цвета.
Для самосведения - формы отклоняющих катушек и плотности распределения витков, создающих неравномерное отклоняющее поле.
Рисунок 4.6 – Формы отклоняющих полей в кинескопе с самосведением
Общая для трех лучей ОС сконструирована тaк, что поле горизонтального отклонения подушкообразное, а вертикального — бочкообразное образует электромагнитную линзу, совмещающую три луча в плоскости маски по всей ее площади, несмотря на уплощенную форму экрана и маски. Корректирует трапецеидальные искажения красного и синего растров, которые возникли бы при отклонении равномерным полем, т.о., отпадает необходимость в динамическом сведении лучей.
Установку и юстировку отклоняющей системы на горловине кинескопа производят при изготовлении, после чего прочно закрепляют (наклеивают).
5 Лекция №5. Аналого-цифровое преобразование тв-сигнала.
Форматы дискретизации. Рекомендация ITU 601
Цель лекции: обоснование параметров дискретизации с учетом особенностей зрительного восприятия. Изучение Рекомендации ITU-601.
АЦП ТВ-сигнала есть: дискретизация, квантование, кодирование.
Исходный сигнал после дискретизации
∞ u(nT) =
u(t)δ(t - nT),n = -
где δ (t)- дельта -функция;
T - период дискретизации.
После преобразования Фурье ∞
Sд(f)=
S(f - nfд), n = -где S (f) и Sд(f) - спектры исходной и дискретизированной функций.
При fд >2fгран; fгр < fфнч< fд-fгр При fд < 2fгран
спектры перекрываются
Рисунок 5.1 – Спектры сигнала после дискретизации
Различаются ортогональная и шахматная структуры дискретизации.
Если fд = 2fгран, то число отсчетов равно числу элементов, т.о., формируется ортогональная структура дискретизации, имеющая одинаковую разрешающую способность в горизонтальном и вертикальном направлениях, а в диагональном направлении в √2 раз худшую ( рисунок 5.2).
Разрешающая способность зрения анизотропна (неодинакова в разных направлениях). Человеческий глаз видит одинаково хорошо по горизонтали и вертикали, а по диагонали - в 1,5 раза хуже. Следовательно, ортогональная структура дискретизации является избыточной в диагональном направлении.
Для исключения избыточности используется шахматная структура дискретизации, которая формируется при условии fд = n (fстр/2).
Оценивая разрешающую способность шахматной структуры, приходим к выводу: разрешение по горизонтали в 2 раза лучше, чем по вертикали, а расстояние между соседними наклонными линиями 1,8d, что максимально учитывает особенности зрительного восприятия.
1,8d
Рисунок 5.2- Ортогональная и шахматная структуры дискретизации В соответствии с рекомендацией ITU (Международного телекоммуникационного союза) выбрано одно значение частоты дискретизации сигнала яркости fд ( ЕY) = 13,5 МГц (по теореме Котельникова), а каждый цветоразностный сигнал дискретизируется с вдвое меньшей частотой fд (ЕR-Y; ЕB-Y) = 6,75 МГц, что согласовано с разрешающей способностью зрения при восприятии цветных деталей. Данный стандарт обозначается- 4:2:2. Это означает, что fд цветоразностных сигналов в 2 раза ниже fд яркостного сигнала, они передаются в каждой строке.
Рисунок 5.3 –Варианты расположений отсчетов при дискретизации
Предусмотрены и другие форматы преобразования телевизионных стандартов в цифровую форму в зависимости от требований, предъявляемых к качеству «картинки» и пропускной способности канала связи.
4:2:0 - fд цветоразностных сигналов в 2 раза ниже fд яркостного сигнала;
они передаются в каждой 2-ой строке. Отсчеты цветоразностных сигналов- матрица 360x288 эл.
4:1:1 -оба цветоразностных сигнала передаются в каждой строке, их частоты дискретизации в 4 раза меньше частоты дискретизации сигнала яркости и равны 3,375 МГц. Число элементов каждого цветоразностного сигнала такое, как для 4:2:0.
4:4:4 -оба цветоразностных передаются в каждой строке и дискретизируются с частотой яркостного сигнала.
Квантование.
В Рекомендации 601 для всех сигналов предусмотрено число разрядов квантования п = 8, что дает число уровней квантования Nкв = 28 = 256.
При этом уровень черного Ey - 16-й уровень квантования, уровень белого - 235-й уровень. 16 уровней квантования снизу и 20 сверху образуют резервные зоны при выходе аналогового Ey за пределы номинального диапазона. Особые назначения имеют 0-й и 255-й уровни, с помощью соответствующих им кодов передаются сигналы синхронизации:
Y = 219Е’у+16,
где Е'Y - аналоговый сигнал яркости (0 ... 1) В;
Y- цифровой сигнал яркости (16... 235).
У цветоразностных сигналов резервные зоны - по 16 уровней квантования сверху и снизу.
На АЦП - компрессированные цветоразностные сигналы:
Есr = 0,713E’R-Y , Есв = 0,564E’ В-Y , CR =160 Е’r-y +128; Св = 126 Е'В-Y +128.
128-й уровень квантования - цветоразностные сигналы = 0.
В конце СГИ - синхросигнал начала активной строки - (НАС).
В начале СГИ - синхросигнал конца активной строки- (КАС).
НАС и КАС содержат по 4 байта: первый байт - из 8 двоичных единиц (255), следующие два байта = 0, четвертый байт - информация о поле (чет/нечет), и защита от ошибок.
Рисунок 5.4 – Соответствие между уровнями аналоговых телевизионных сигналов и уровнями квантования по Рекомендации 601 При значениях, близких к уровню черного, шаг квантования должен быть меньше, т.к. глаз лучше различает оттенки темного.
Вместо переменного шага квантования выполняют - коррекцию:
уменьшается влияние ошибок квантования при малых уровнях яркости, корректируется нелинейность передаточной характеристики кинескопа и обеспечивается оптимальная характеристика всего тракта «от света до света».
Кодирование может быть компонентным и композитным.
Компонентное, если АЦП яркостного и цветоразностных сигналов раздельное, а затем они объединяются в единый поток. Приспособлено для студийной аппаратуры.
Для АЦП (NTSC, PAL, SECAM) применяется композитное кодирование, используемое также в системах цифровой записи на магнитный носитель, в цифровых преобразователях телевизионных стандартов, в блоках цифровой обработки в телевизорах.
В DVB (цифровой ТВ-стандарт) применяется код Рида-Соломона (внешнее кодирование), который записывается
(204, 188, 8),
где 204 - байт в пакете + проверочные символы;
188 - байт в пакете транспортного потока MPEG-2;
8 - min расстояние между допустимыми кодовыми комбинациями.
6 Лекция № 6. Жидкокристаллические панели
Цель лекции: изучение свойств жидких кристаллов, принципов построения ж/к панелей, их основных технических характеристик
Австрийский ботаник Friedrich Reinitzer открыл жидкие кристаллы в 1888 г. В 1963 г. Williams в фирме RCA исследовал поляризационные эффекты в жидких кристаллах. В 1973 г. был разработан первый дисплей на жидких кристаллах (EL 8025) для переносной ЭВМ. Жидкие кристаллы находятся в некотором числе фаз, промежуточных между твердым и жидким состояниями. Молекулы ЖК являются стрежнеобразными органическими соединениями (рисунок 6.1) и находятся в различных ориентациях в этих фазах (рисунок 6.2).
Рисунок 6.1- Структурная формула жидкого кристалла
В изоторопической фазе (жидкой) при повышении температуры позиция и ориентация молекул случайны. Если температура понижается, то в ЖК совершаются переходы через различные фазы, одна из которых, нематическая, используется в дисплеях. В этой фазе позиции молекул все еще случайны, но ориентированы в одном направлении. Если температура понижается далее, то молекулы получают периодическую упорядоченность в слоях (смектическая фаза). Таким образом, при понижении температуры в ЖК увеличивается упорядоченность и наступает твердое состояние.
Изотропическая
фаза Нематическая
фаза Смектическая
фаза
Рисунок 6.2 - Фазы жидкого кристалла
Вследствие оптической и электрической анизотропии ЖК-молекул коэффициент преломления зависит от направления поляризации света относительно оси молекулы. Это свойство используется для поворота поляризации при прохождении света через закрученную ЖК-структуру.
Известно, что свет не проходит через два скрещенных поляризатора (рисунок 6.3).
Рисунок 6.3 - Прохождение неполяризованного света через поляризаторы
Молекулы в нематической фазе принудительно закручиваются за счет их помещения между двумя стеклянными пластинами, которые имеют взаимно перпендикулярную линейчатую гравировку. На поверхности стекла молекулы вынужденно размещаются вдоль гравировки, а так как гравировки взаимно перпендикулярны, то между пластинами формируются перекрученные цепочки ЖК-молекул (рисунок 6.4).
Рисунок 6.4 - Закрученный нематический жидкий кристалл
Расстояние между пластинами порядка 10 мкм. В зависимости от расстояния между пластинами и типа ЖК-кристалла закрученность составляет 90- 270 (twisted nematics и super-twisted nematics, TN и STN).
При воздействии электрического поля молекулы, вследствие их анизотропии, ориентируются вдоль поля. В этом случае цепочки раскручиваются и пропадает возможность поворота плоскости поляризации (рисунок 6.5).
Рисунок 6.5 - Электронно-оптическое переключение жидким кристаллом
ЖК-дисплеи имеют два таких перекрещенных поляризатора с перекрученным жидким кристаллом между ними (рисунок 6.6). Благодаря вращению плоскости поляризации ЖК-цепочками, свет проходит и дисплей становится ярким. При приложении электрического поля к взаимно перпендикулярным прозрачным электродам, нанесенным на внутренние стороны пластин, эффект поворота плоскости поляризации пропадает, и соответствующий пиксел становится темным.
Рисунок 6.6 - Схема жидкокристаллического индикатора
При выключении напряжения кристалл за время порядка от десятков до сотен миллисекунд возвращается в исходное состояние. Важной особенностью жидких кристаллов является то, что при протекании постоянного тока кристалл подвергается электролитической диссоциации и теряет свои свойства, поэтому жидкокристаллические индикаторы запитываются переменным напряжением, с постоянной составляющей не более десятков милливольт.
В простых индикаторах (с пассивной матрицей) ячейки растра, составляющие изображение, запитываются последовательно. Для этого на проводники, пересекающиеся над нужной точкой, подают напряжение. В результате точка подсвечивается. Благодаря большому времени релаксации и достаточно высокой частоте сканирования ( 1 мс на строку), изображение не мерцает. Естественно, что такие индикаторы медленны. Цветные ЖК- индикаторы используют три ячейки растра для формирования пиксела.
Яркость свечения для каждой из компонент определяет цветовой оттенок.
Для решения проблемы быстродействия были разработаны ЖК-дисплеи с активной матрицей, в которых каждый пиксел снабжается независимо управляемым тонкопленочным транзистором (thin-film transistor, TFT). Такие дисплеи значительно более быстродействующие, но имеют большую стоимость, так как для цветного дисплея 800×600 необходимо 1 440 000 бездефектных транзисторов.
В целом ЖК-индикаторы имеют следующие основные характеристики:
- толщина 1/6 ЭЛТ;
- вес 1/5 ЭЛТ;
- энергопотребление < 1/4 ЭЛТ;
- отсутствует мерцание;
- отсутствуют геометрические искажения;
- отсутствует паразитное излучение;
- цена 3×ЭЛТ;
- небольшая контрастность изображения 1:100;
- небольшая яркость 200 cd/m2; - малый угол обзора 50;
- небольшая скорость работы;
- ограниченный температурный диапазон работы.
7 Лекция №7. Плазменные панели. (РDP- Plasma Digital Panel)
Цель лекции: изучение принципов работы плазменных панелей, их основных технических характеристик. Ознакомление с методикой и результатами тестирования качества изображения на примере современных моделей PDP.
Плазменные панели своим рождением обязаны блокнотным ПК, где они одно время конкурировали с ЖК-мониторами, но потом были вытеснены из
этой ниши, не выдержав ценовую и технологическую конкуренцию.
Благодаря новейшим технологическим достижениям по качеству изображения (яркость и контраст), плазменные телевизоры практически не уступают ЭЛТ-телевизорам, а по размерам экранов давно их превзошли.
Сейчас распространены плазменные телевизоры с диагоналями 32" и 42" (81 см и 107 см), хотя и диагональ 61" (более 1,5 м) уже не редкость.
Рисунок 7.1 – Строение плазменной панели Принцип работы плазменных панелей.
Вместо потока электронов, засвечивающих люминофор, эту функцию выполняет инертный газ (гелий или ксенон), приведенный в состояние плазмы. Между электродами возникает разряд, ультрафиолетовый свет от которого и подсвечивает люминофор. Каждый пиксель состоит из трех точек разного цвета. По сути, это очень напоминает принцип работы лампы дневного света. Плазменная панель отображает около 16 миллионов оттенков.
На рисунке 5.1 цифрами 1 и 5 обозначены электроды; 2 и 6 - стеклянные пластины (передняя и задняя часть панели); зазор между ними составляет 0,1 мм; 3 - область разряда; 4 - люминофор.
Ячейки не светятся все одновременно, но алгоритм и время управления ими выбраны так, что глаз мерцания не замечает. Более того, не замечает его и телекамера в студии, где установлен плазменный дисплей, - в репортажах из студий мы не видим бегущих по нему полос, как это бывает с компьютерными мониторами. Конструкция плазменного экрана очень сложна. Каждая ячейка, а типовая 42-дюймовая панель содержит их около миллиона, представляет собой отдельный прибор, изолированный от других и наполненный газом.
Основные характеристики. Достоинства и недостатки:
1) Размер экрана. Максимальный размер кинескопа 46 дюймов. PDP -80 дюймов.
2) Четкость изображения. В кинескопе четкость зависит от точности фокусировки ЭЛП (время эксплуатации, качество радиодеталей. Фокусировка не бывает равномерной по всему экрану (углы). У PDP четкость изображения
