Элементы физиологии зрения и принцип телевизионной развертки

ЛЕКЦИЯ№ 11 ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Оконечным устройством, принимающим ТВ изображение, является зрительная система человека. Поэтому для рационального построения ТВ систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Для изучения принципа передачи изображения рассмотрим устройство, работу и основные особенности человеческого глаза.

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рисунок 11.1), 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. 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.

Рисунок 11.1 - Строение человеческого глаза

Сетчатка несколько напоминает по своему строению пчелиные соты, в каж­дой ячейке которых расположены светочувствительные элементы одного из двух типов: палочки (их около 130 миллионов) и колбочки (около 7 миллионов).

Колбочки расположены главным образом в центральной части сетчатки против зрачка. Особенно плотно они размещаются в области так называемого желтого пятна (угловой размер которого составляет около 5° с центральной ямкой (1°). Каждая колбочка обычно присоединена к отдельному нервному во­локну, передающему воспринимаемые ощущения в головной мозг. Поэтому с помощью колбочек, расположенных в центральной ямке, различаются мелкие де­тали рассматриваемого объекта.

Колбочки требуют для своего возбуждения сравнительно большой освещен­ности. Но зато они при этом, кроме ощуще­ния света, различают цвет.

Палочки расположены в основном на периферии сетчатки. Максимум плот­ности палочек располагается в зоне 10…12° от ее центра. Палочки присоединя­ются к нервным волокнами, как правило, группам, в некоторых случаях до ста палочек на одно волокно. Это обеспечивает их большую светочувствительность, но не дает возможности различать мелкие детали. Зрительный нерв, передающий от колбочек и палочек сетчатки сигналы о яркости и цветности падающего на них света, содержит около миллиона отдель­ных нервных волокон. Вследствие этого зрительные центры коры головного моз­га одновременно получают информацию о яркости и цветовых характеристиках примерно миллиона отдельных участков наблюдаемой сцены.

Разрешающая способность зрения. При рассматривании двух равноудаленных от глаза светящихся точек они воспринимаются раздельно лишь при ус­ловии, что их изображения на сетчатке попадают на две колбочки, разделенные хотя бы одной колбочкой, не получающей светового раздражения (рисунок 11.2,а). Если изображения двух светящихся точек попадают на одну или две соседние колбочки (рисунок 11.2,б), то глаз воспримет их как одну точку. Следовательно, любое изображение, сфокусированное хруста­ликом на сетчатку, разбивается на ряд точек.

Рисунок 11.2 - Восприятие глазом двух точек, находя­щихся под различными углами зрения

Наименьший угол, под которым глаз еще может различить в отдельности две черные точ­ки на белом фоне, называется разрешаемым углом и обычно вы­ражается в угловых минутах. Величина, обратная разрешаемому углу, носит название разрешающей способности глаза или остроты зрения. Разрешающая способность глаза сильно зависит от условий наблюдения: яркости или освещен­ности объектов, их яркостной или цветовой контрастности с фоном и некото­рых других факторов, например адаптации (приспособляемости) глаза. При оптимальных условиях наблюдения острота зрения достигает весьма высоких значений. Однако обычно для всевозможных ориентировочных расчетов остроту зрения глаза принимают равной 1 (разрешаемый угол принимают равным од­ной угловой минуте).

Инерционность зрения. Фотохимические процессы в колбочках и палочках глаза не могут происходить мгновенно. Они требуют некоторого времени. По­этому зрительные ощущения обладают известной инерционностью, т.е. способностью «видеть» исчезающее световое изображение еще примерно 0,1 с. Если смена изображений происходит чаще 10 раз в секунду, то человек не наблюдает разрывов между изображениями.

На инерционности зрения основан кинематограф. Лента кинофильма содер­жит большое число кадров. Каждый кадр – это моментальный снимок, на ко­тором запечатлена одна из фаз движения объекта съемки. При воспроизведе­нии на экране достаточно большого числа кадров в секунду кинозритель уже не замечает смены отдельных кадров и у него возникает ощущение непрерыв­ного движения. Создатели телевизионных систем также использовали покадро­вый принцип передачи для создания иллюзии движения объектов.

Принцип телевизионной развертки. Действие передающей трубки аналогично действию глаза. В зрительной системе информация об освещенности участков сетчатки передается по нервным волокнам одновременно. При одновременной передаче сигналов яркости в телевидении потребовалось бы число каналов, равное числу элементов изображения (около 500 000), что практически невозможно. Поэтому в телевидении используется последовательная передача сигналов яркости элементов изображения. Последовательная передача элементов изображения с определенной скоростью и в строго определенном порядке называется разверткой изображения.

Развертка может быть различной, например, при записи на компакт-диски применяется спиральная развертка; при обычной магнитной звукозаписи – линейная. В телевидении применение нашла развертка, при которой прочерчиваются параллельные строки, т.е. строчная развертка.

Число строк разложения определяется разрешающей способностью глаза. Исследования показывают, что поле зрения глаза ограничивается углом 120… 130º, но только в центральной части с углом около 15º зрение имеет большую разрешающую способность. Как было отмечено ранее, глаз различает две точки как отдельные, если угловое расстояние между ними составляет примерно одну минуту. Поэтому, чтобы строчная структура телевизионного изображения не была заметной, число строк должно быть не менее 15º/1' = 900 строк. Как будет показано, от числа строк зависит ширина спектра телевизионного сигнала, поэтому выбор числа строк обусловлен также технико-экономическими показателями. Отечественным стандартом принято число строк, равное 625.

После того как закончится развертка всего изображения (625 строк), цикл повторяется с исходного положения (с первой строки). Полный цикл развертки изображения называется кадром.

Все строки кадра образуют растр. Прочерчивание строк может быть последовательным – от первой строки ко второй, от второй к третьей и т.д. После прочерчивания последней строки снова наступает очередь первой, и весь процесс повторяется снова. Такая развертка называется прогрессивной (рисунок 11.3).

Прогрессивная развертка используется в системах прикладного телевидения и в компьютерных мониторах.

Рисунок 11.3 - Телевизионный растр при прогрессивной развертке

Мы отмечали, что для передачи движущихся изо­бражений необходима частая смена кад­ров. Тогда за счет инерционности зрения у наблюдателя создается иллю­зия непрерывного движения объекта.

Слитность движения наступает при частоте смены кадров 16…18 Гц. Однако при этом заметно мелькание яркости на экране. Частоту, при которой глаз перестает воспринимать изменение яркости, называют критической частотой мелькания. При демонстрации кинофильма скорость смены кадров составляет 24 кадра в секунду. Для того чтобы исключить мелькание, в кино каждый кадр показывается дважды с помощью так называемого обтюратора – механической заслонки, вращающейся перед фильмовым каналом. При этом частота проекции составляет 48 кадров в секунду, что устраняет мелькание.

В телевидении эта же задача решается с помощью чересстрочной развертки. Сначала передаются все нечетные строки, т.е. первая, третья и т. д. После передачи половины последней нечетной строки луч перемещается в среднюю точку между первой и третьей строками и прочерчивает в промежутках между нечетными строками все четные строки. Когда заканчивается передача последней четной строки, луч возвращается к началу первой и процесс повторяется вновь (рисунок 10.4). При этом передачу только нечетных или только четных строк принято называть передачей полукадров или полей. Частота полукадров у нас в стране принята равной 50 Гц, что обеспечивает отсутствие мельканий, поскольку эта частота больше критической. В то же время частота кадров будет равна 25 Гц.

Рисунок 11.4 - Структура ТВ кадра при чересстрочной развертке

Дата добавления: 2014-01-07