Понятие о развертке изображения

Глава 4

СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА

В основе всех современных телевизионных систем лежит принцип поочередной передачи элементов изображения.

Процесс передачи изображения по элементам называется разверткой изображения, а порядок передачи отдельных элементов изображения - способом развертки. Развертка изображения осуществляется электронным лучом.

В телевизионном вещании принято равномерное движение развертывающего луча по параллельным горизонтальным линиям, называемым строками, при одновременном смещении в поперечном (вертикальном) направлении. Все строки, располагаясь одна под другой, образуют растр.

На рис. 4.1, а показано образование растра (число строк условно взято равным 13).

Движение луча вдоль оси Х называется строчной разверткой, а вдоль оси Y - кадровой разверткой. Движение луча от начала строки к ее концу образует прямой ход строчной развертки; возвращение луча от конца предыдущей строки к началу следующей называется обратным ходом развертки.

Совокупность времени прямого tz пр и обратного tz oбp ходов составляет период строчной развертки Тz = t z пр + t z обр.

Аналогично строчной развертке, кадровая тоже имеет прямой и обратный ходы, а период кадровой развертки Tn = tn пр + tn обр, причем Tn >> Tz, поскольку число строк разложения обычно несколько сотен. На рис. 4.1, б, в показаны графики изменения во времени напряженностей магнитных полей Нс и Нк, создаваемых строчными и кадровыми отклоняющими катушками соответственно.

Во время обратных ходов строчной и кадровой разверток изо­бражение не передается и не воспроизводится (электронные про­жекторы передающей и приемной трубок запираются).

За время обратного хода кадровой развертки не участвует в образовании растра несколько периодов строк (на рис. 4.1 ус­ловно показан один такой строчный период). Поэтому время об­ратного хода как строчной, так и кадровой разверток должно быть минимальным. Однако практически обратный ход строчной развертки не удается сделать меньше чем 10—12% от периода строки, а обратный ход кадровой развертки 7—8% от периода кадра.

Рис. 4.1. Развертка изображения: а — образование телевизионного растра; б, в— изменение напряженности магнитного поля разверток строчной и кадровой соответственно

4.2. Чересстрочная развертка

В §1.6 указывалось, что для восприятия слитных изображе­ний необходимо передавать и воспроизводить их с частотой 50 кад­ров в секунду. Однако, как будет показано ниже, при такой частоте смены кадров сигнал изображения занимает очень широкую полосу частот, что по целому ряду причин нежелательно. Поэтому в сис­темах телевизионного вещания частота смены кадров выбирается вдвое ниже, т. е. 25 кадров в секунду, но применяется чересстрочный способ развертки изображения, при котором передается и воспроизводится полный кадр в виде двух полукадров или полей. За время развертки первого поля прочерчиваются нечетные, а за время развертки второго поля — четные строки кадра. Таким образом получается, что в секунду передается не 25, а как бы 50 кадров.

Каждое поле содержит информацию только о половине элемен­тов изображения целого кадра. Однако благодаря инерционности глаз воспринимает изображение обоих полей как слитное изображение, содержащее полное число элементов. Слитному восприятию способствует также тот факт, что при большом числе строк разложения сюжет изображения одной строки мало отличается от сюжета изображения следующей строки.

Рис. 4.2. Чересстрочная развертка изображения

На рис. 4.2 показано образование растра при чересстрочной развертке (для 13 строк). В первом полукадре движение электрон­ного луча начинается в левом верхнем углу растра. Луч про­черчивает первую строку, смещаясь к концу ее прямого хода под действием кадрового отклоняющегося поля на уровень третьей стро­ки, затем прочерчивает 3, 5, 7, 9-ю и, наконец, 11-ю строки. Последняя нечетная строка первого поля растра (11-я) прочерчива­ется не полностью, а только наполовину. Затем электронный луч возвращается к верхнему краю растра. На обратный ход кадро­вой развертки приходится вторая половина прямого хода 11-й строки, ее обратный ход и первая половина прямого хода 13-й стро­ки. В начале второго полукадра электронный луч прочерчивает оста­ток 13-й строки, смещаясь при этом на уровень второй строки развертки, и далее прочерчивает все четные строки растра (2, 4, 6, 8 и 10-ю).

Рис. 4.3. Форма отклоняющих токов

Развертка последней четной строки заканчивается в нижнем пра­вом углу растра. Отсюда луч возвращается в верхний левый угол (прямой и обратный ходы 12-й строки), и весь процесс начи­нается сначала. При совмещении полей строки чередуются, обра­зуя кадр с полным числом строк, за исключением потерянных во время обратных ходов кадров развертки.

Необходимая форма токов в кадровых и строчных отклоняю­щих катушках при чересстрочной развертке показана на рис. 4.3, где Тк — период развертки одного полукадра, Тк = Тп/2.

4.3. Параметры развертки

Телевизионные развертки характеризуют следующими парамет­рами: числом строк разложения в одном кадре г, числом передавае­мых кадров в секунду п, форматом кадра К, т. е. отношением ширины растра к его высоте, периодами развертки кадра Тп, полукад­ра Тк и строки Тг, направлением движения электронного луча.

Отечественным стандартом (ГОСТ 7845—79) установлено: z = 625; n = 25; К = 4/3; Гn = 1/25 с = 40 мс; Tк = Tn/2 = 1/50 с= = 20 мс; Tz =Tn/z =2Tк/z = 1/15 625 с = 64 мкс.

Следовательно, частота развертки полного кадра fn = 1/Tn = = 25 Гц, частота развертки полей (называемая частотой кадровой развертки) fк = 1/Tк = 50 Гц, частота строчной развертки fz = 1/Tz = 15625 Гц.

Направление движения электронного луча во время прямого хода строчной развертки принято слева направо, кадровой раз­вертки - сверху вниз.

4.4. Частотный спектр сигнала изображения

Для определения требуемой полосы пропускания канала связи, по которому передается телевизионный сигнал, необходимо знать частотный спектр сигнала изображения, т. е. его нижнюю и верх­нюю граничные частоты.

Частотный спектр зависит как от характера изображения, так и от параметров развертки. Нижняя граничная частота соответст­вует изображению, имеющему минимальное число изменений ярко­сти, т. е. содержащему наименьшее число деталей. Таким изобра­жением является неподвижная картинка, состоящая из двух де­талей разной яркости (рис. 4.4, а). При ее развертке через на­грузку передающей трубки в течение одного кадра протекают два импульса тока — по одному в каждом поле (рис. 4.4, б).

Период образовавшегося импульсного сигнала будет равен пе­риоду полукадра Tn = Tк, а его частота (нижняя граничная ча­стота сигнала изображения) — частоте смены полей кадровой раз­вертки: fn = fк = 50 Гц.

Верхняя граничная частота соответствует изображению, содер­жащему максимальное число элементов, яркость которых позволяет раздельно передать (и воспроизвести) телевизионная система. Та­кое изображение, состоящее из чередующихся светлых и темных элементов (квадратов), показано на рис. 4.4,в.

Геометрические размеры d каждого элемента соответствуют вы­соте строки, которая, в свою очередь, определяется апертурой — конечным размером D развертывающего электронного пятна.

При развертке каждой пары соседних элементов изображения получаются импульсы тока, следующие с периодом T в (рис. 4.4, г). Частота такого импульсного сигнала, являющаяся верхней гранич­ной частотой сигнала изображения, fв = 1/Tв. Верхняя граничная частота, как и нижняя, находится в прямой зависимости от ча­стоты смены полей, а также от числа строк разложения и формата кадра.

Рис. 4.4. Определение граничных частот сигнала изображения: а, б - нижней; в, г — верхней

Действительно, если принять число элементов изображения, ук­ладывающихся по высоте кадра Н (см. рис. 4.4, в), равным числу строк разложения z,то вдоль каждой строки В уложится в К=В/Н раз больше, т. е. Кz элементов, а общее число элементов будет N = zKz = Kz². Для передачи всех элементов полного кадра отводится время Тп=2Тк. Следовательно, время передачи одного элемента T э = 2 T к/ N = 2 Т к /К z ², а время передачи каждой пары элементов, т. е. соответствующий верхней граничной частоте пе­риод импульсного сигнала, T в = 2 T э = 4 T к/ K z².

Отсюда верхняя граничная частота

f в = 1/Tв = Кz² /4Tк, или f в = f к Кz ² /4

где f к = 1/Tк — частота смены полукадров.

Подставив значения К = 4/3, z = 625 строк и f к =50 Гц, по­лучим f в = 6,5 МГц.

Фактически, вследствие потери части строк за время обратного хода кадровой развертки число активных (несущих информацию об изображении) строк будет несколько меньше чем 625, а f в = 6,0 МГц.

Поскольку верхняя граничная частота (6 МГц) значительно выше нижней (50 Гц), то ширина частотного спектра сигнала изображения определяется только верхней граничной частотой, т. е. D f = f в - f н » f в = 6 Мгц.

Очевидно, что при увеличении частоты смены кадров или числа строк разложения увеличивается верхняя граничная частота и рас­ширяется частотный спектр сигнала изображения. Так, при f n = 50 Гц частотный спектр составил бы 12 МГц.