Характеристики оптических изображений и их параметры

 

Процесс ТВ передачи начинается с построения двумерного оптического изображения трехмерных объектов, расположенных в пространстве. Качество оптического изображения определяется рядом факторов и не имеет единой, обобщенной количественной оценки.

 

Освещенность в плоскости оптического изображения Е₀ определяется освещенностью объекта Е, его отражательными свойствами, характеризуемыми коэффициентом отражения, и параметрами объектива – прозрачностью, диаметром входного зрачка, фокусным расстоянием. Диаметр входного зрачка меняется с помощью диафрагмы.

 

Четкость оптического изображения характеризуется качеством воспроизведения мелких деталей и определяется разрешающей способностью объектива. Наличие искажений изображения, возникающих в оптических системах – аберраций, приводит к тому, что точка воспроизводится в виде кружка и две близко расположенных точки на объекте сливаются в одну на изображении. Минимальное расстояние между двумя светлыми точками, на котором они еще воспроизводятся раздельно, называется разрешаемым расстоянием, а величина, обратная ему, - разрешающей способностью объектива. Она оценивается максимальным числом пар черно-белых линий на 1 мм, воспроизводимых на изображении.

 

Глубина резкости объектива - глубина пространства, где диаметр кружка размытия деталей не превосходит размеров одного элемента разложения изображения.

Количественное нормирование параметров оптических изображений может быть сделано только с учетом параметров и характеристик зрения.

 

Способность глаза видеть мелкие детали называется разрешающей способностью или остротой зрения. Различают два вида остроты зрения: в плоскости, нормальной к оптической оси глаза, и по глубине деталей, которую называют остротой глубинного или стереоскопического зрения.

Острота зрения сильно зависит от яркости, зависимость которой представлен на рис 2.2.Характер зависимости объясняется тем, что малые яркости сигнала в одном нервном окончании не могут возбудить сигнал, надежно отличающийся от шумов. В этом случае суммируется сигнал от нескольких рецепторов, объединяющихся в один элемент приемника (рецептивное поле), что приводит к уменьшению разрешающей способности. По мере роста освещенности число объединяемых рецепторов уменьшается и разрешающая способность растет, пока не достигает предельной разрешающей способностью – верхний загиб кривой.

Рис. 2.2. Зависимость остроты зрения от яркости

 

Лекция – 3. ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Координатные параметры

Временные параметры

Яркостные параметры ТВ изображения

ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

(КООРДИНАТНЫЕ, ВРЕМЕННЫЕ, ЯРКОСТНЫЕ)

Различают КООРДИНАТНЫЕ (формат кадра, оптимальное расстояние наблюдения и число элементов разложения), ВРЕМЕННЫЕ (критическая частота пульсаций и частота кадров) и ЯРКОСТНЫЕ (максимальная яркость, средняя яркость – яркость адаптации, контраст и число полутонов – градаций яркости) параметры ТВ изображения.

 

 

3.1 КООРДИНАТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

(формат кадра, оптимальное расстояние наблюдения и число элементов разложения)

 

Формат кадра. Размер ТВ изображения должен удовлетворять условиям оптимального наблюдение изображений в пространственном угле ясного зрения. Исходя из его размеров – 16х12⁰, выбирают формат кадра = 4/3, что соответствует отношению ширины (b) экрана к высоте (h), (рис.3.1).

 

Рис.3.1. Определение числа строк (а) и вертикальной четкости изображения (б)

 

Принимая разрешение глаза ≈1 минуте, можно определить число регистрирующих информацию элементарных участков в поле ясного зрения:

 

N_я = (a_г/d)(a_в/d) = (16⁰х60’/1’)(12⁰x60’/1’) = 700 000

где a_г и a _в углы поля ясного зрения глаза в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Оптимальное расстояние наблюдения (L). Экспериментально установлено, что наилучшее восприятие изображение обеспечивается при расстоянии до экрана = 4-5 высот экрана.

 

L = (4-5)h,

где L – расстояние до экрана (м), h- высота экрана (м).

 

Число элементов разложения изображения может быть определено как произведение числа элементов по горизонтали на количество элементов по вертикале (строк разложения), или с учетом формата кадра

 

N = k z ² = 4/3 z ²

где (z – число строк по вертикали, kz – число элементов в строке), и должно соответствовать числу элементарных участков поля ясного зрения. Так между элементами изображения 700 000 должны воспроизводиться еще промежутки, то число элементов по крайней мере удваивается N ³ 2N_я. Тогда число строк разложения должно быть

Однако из-за взаимного расположения деталей растра и строк разложения (рис.3.1) число передаваемых элементов по вертикали различно, так как в зависимости от этого в вертикальном направлении будут воспроизводится детали размером либо h/z, либо 2h/z. Это делает неоднозначную оценку четкости изображения по вертикали. Поэтому для уверенного различения в ТВ изображении 700000 деталей необходимо использовать еще большее строк разложения. В настоящее время только ТВ системы высокой четкости (ТВЧ) приближаются к этим требованиям, но для этого требуется значительное увеличение пропускной способности каналов связи. Поэтому в стандарте вещательного ТВ, разработанного в конце 40 годов у нас в стране было принято 625 строк разложения, из-за необходимости сокращения передаваемой полосы частот.

 

Число строк разложения 625 определяет номинальную четкость ТВ изображения при которой обеспечивается 95% максимальной четкости изображения. При этом различимость строчной структуры на оптимальном расстоянии рассматривания оказывается вблизи порога разрешающей способности глаза.

 

Четкость ТВ изображения определяется максимально возможным числом мелких деталей, различимых в этом изображении. Она определяется в первую очередь разрешающей способностью устройств ТВ тракта. А она в свою очередь зависит от выбранного числа элементов (или строк) разложения, от качества работы передающих и приемных электроннолучевых трубок, от частотных и фазовых характеристик усилителей и др. Воспроизводимая на экране четкость определяется в первую очередь числом элементов разложения. В существующем стандарте она в идеале равна:

 

kz² = 4/3х625² = 520832.

С учетом времени на обратный ход по строкам и кадрам» 400 тыс. Но обычно для количественной характеристики четкости пользуются не количеством элементов разложения, а числом строк разложения, т.к. эти два параметра однозначно связаны. Естественно количество строк или элементов, необходимых для удовлетворительного воспроизведения изображения объекта зависит от характера объекта. Например, для передачи лица крупным планом требуется 120-150 строк, 2-3 человек в полный рост – 250-300, большого количества людей (хор, публика и т.д.) – 450-650.

 

 

ВРЕМЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

(частота мельканий и число кадров)

Зрительное восприятие дискретно во времени. Одиночный световой импульс будет зарегистрирован глазом, если его длительность превышает определенную величину t_кр. Причем эта величина зависит от освещенности сетчатки, т.е. Еt_кр = const, и меняется от сотых долей секунды, при больших освещенностях, до десятых. После прекращения действия светового потока глаз как бы продолжает «видеть» источник с яркостью, спадающей по экспоненциальному закону.

 

Критической частотой мельканий называется минимальная частота повторения световых импульсов, при которой наблюдатель воспринимает их как непрерывное излучение. Она зависит от средней яркости поля наблюдения, размеров мелькающего участка и т.д. Для яркостей экранов современных ТВ критическая частота мельканий равна 46-48 Гц.

Опытным путем (из практики кино) установлено, что для получения плавного движения изображений движущихся объектов достаточно предавать 16-24 фазы их движения в секунду. В телевидении у нас принята частота смены кадров 50 Гц, которая перекрывает и критическую частоту мельканий (46-48), и критическое число фаз движения (16-24). Эта частота была выбрана с учетом ее равенства частоте промышленной сети с целью уменьшения заметности характерных помех от электросети – динамических искажений геометрии (искривление вертикальных краев изображения) и яркости (крупные горизонтальные светлые и темные полосы).

Но при такой частоте кадров и числе строк разложения 625 (прогрессивная развертка) -рис.3.2 (а), полоса частот ТВ сигнала получается около 13 МГц, что 40-е годы заняло бы половину коротковолнового диапазона, используемого тогда для ТВ вещания. Поэтому для уменьшения требуемой полосы частот канала было решено использовать чересстрочную развертку, в которой ТВ кадр передается за 2 полукадра (поля – четного и нечетного) в каждом из которых передается половина строк (312.5), как показано на рис.3.2(б). Причем, в первом полукадре происходит развертка нечетных строк, а во втором – четных. Частота полей выбирается равной 50 Гц, а полный кадр имеет частоту 25 Гц и хотя в каждом полукадре разворачивается лишь 312,5 строк, за счет инерционности зрения изображения дух полукадров воспринимается слитно как один кадр с 625 строками. При этом полоса частот канала снижается до 6.5МГц.

 

Рис.3.2. Принцип построчной (а) и через строчной развезвертки (б)

 

 

3.3. ЯРКОСТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

(максимальная яркость, средняя яркость, контраст и число градаций яркости)

 

Контрастом называют отношение яркости самого яркого участка к яркости самого темного. Этот важный параметр характеризует диапазон изменения яркости.Хорошая контрастность делает изображение более естественным и увеличивает его разборчивость. Для примера, контрастность обычного ландшафта около 100, ландшафта в яркий солнечный день – 1000, внутри помещения при освещении – 20-60, мелкие детали на экране ТВ – 5-8, крупные – до 30-40. Однако, глаз не способен обнаружить сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаза так же дискретна, как и его разрешающая способность. Она ограничивается собственными шумами зрительной системы и квантовыми флуктуациями света. Минимальное значение яркости светового пятна, обнаруживаемое глазом на черном фоне называют абсолютным порогом световой чувствительности. На практике мы наблюдаем детали на каком-то фоне, яркость которого Вф также меняется. Экспериментально было установлено, что минимальное различимое приращение яркости DL зависит от величины начальной яркости – чем выше яркость фона, тем большее приращение может быть замечено. Отношение DВ/Вф называется дифференциальным порогом или пороговым контрастом.

 

При заданном контрасте зритель может воспринять вполне определенное количество ступеней изменения яркости – полутонов, или градаций яркости. Экспериментально установлено, что человеческий глаз воспринимает от 80 до 130 градаций яркости.

В природе, окружающей человека, яркость изменяется в очень больших пределах: слабо различимая человеческим глазом яркость составляет 0,1 кд/м², слепящая яркость, которую еще можно с трудом терпеть, например, нити накаливания – 10⁷. Таким образом диапазон изменения яркости составляет 10⁸. Зрительная система неспособна одновременно воспринять весь этот диапазон и сужает его на сетчатке благодаря адаптации – приспособлению к различным яркостям за счет непроизвольного изменения размеров зрачка (быстрая адаптация) и выработки глазного пурпура – нейтрального поглощающего фильтра на поверхности сетчатки (медленная, инерционная адаптация). Эта способность зрения описывается хорошо экспериментально подтвержденным законом Вебера-Фехнера, согласно которому ощущение от изменения яркости пропорционально логарифму этого изменения. Т.е. при изменении яркости от 0.1 до 10⁷ ощущение будет меняться лишь в 18 раз (ln10⁸ = 18,4).

Все параметры, которые мы уже рассмотрели, относятся к основам ТВ, т.е. одинаковы для черно-белого и цветного изображений. Но для характеристики цветных изображений существуют дополнительные параметры: светлота, цветность, цветовой тон, насыщенность, чистота тона и т.д. Эти параметры будут рассмотрены при изучении колориметрии и систем цветного ТВ.