Каким способом осуществляется развертка телевизионного изображения

Вопрос 3. Методы развертки телевизионного изображения

Одной из центральных проблем, которые необходимо было решить, чтобы создать практичную ТВ систему, была проблема разложения пе­редаваемых изображений на отдельные элементы. Эту проблему удалось решить в конце 1883 г. немецкому студенту Паулю Нипкову.

Он занялся этой проблемой на досуге во время студенческих кани­кул, и в течение недели ему удалось найти ее решение. Главной деталью в проекте Нипкова был светонепроницаемый диск с отверстиями около внешнею края. Расстояния между отверстиями составляли равную угло­вую величину, каждое последующее отверстие было смещено к центру относительно предыдущего на его ширину. На передающей станции диск размешался между оптической проекцией передаваемой картинки и фото­элементом. При вращении диска на фотоэлемент падал свет только через одно отверстие, перемещавшееся по дугообразной траектории.

Когда это отверстие уходило за рамку изображения, с другого края рамки надвигалось следующее отверстие, расположенное несколько ниже. Таким образом, за один оборот диска перед фотоэлементом проходили поочередно все участки изображения. Происходило сканирование изобра­жения световым лучом, с последующей передачей сигнала на специальный преобразователь. Значение сигнала на выходе светочувствительного элемента было пропорционально освещенности элемента изображения.

В приемнике такой же диск помещался между наблюдателем и ис­точником модулированного света и вращался синхронно с передающим. В дальнейшем это была неоновая лампа с плоским анодом, в которой яркость свечения газового разряда пропорциональна приложенному к ее электродам напряжению сигнала. Наблюдатель видел источник света че­рез отверстия в диске, т. е. видел светящиеся строки, яркость элементов которых была пропорциональна яркости строк переданного изображения.

Диск Нипкова позволял реализовать простым способом идеи де Пайва и Сенлека по последовательной (поочередной) передаче в приемник сигналов от элементов изображения с помощью однопроводного канала связи. Нипков был уверен, что сделал великое открытие. С трудом собрав необходимую сумму денег, он оплатил пошлину за патентование. Через год в 1885 г. он получил патент. Любопытно, что именно это изобрете­ние сделало его знаменитым, хотя сам он в своей жизни больше никогда не обращался к проблемам телевидения.

Другой метод развертки изображения — так называемое зеркальное колесо, был предложен в 1889 г. Вейлером. Это устройство представляло собой многогранную призму, стороны которой составляют плоские зеркала, каждое из которых слегка наклонено к оси призмы и угол на­клона равномерно возрастает от зеркала к зеркалу. Вращение зеркального колеса создает движение от точечного источника света в приемном аппарате по строкам, а смена строк осуществляется постепенным увеличением угла наклона зеркал. Колесо Вейлера могло быть использовано и на пе­редающей станции, если вместо точечного источника света установлен фотоэлемент с диафрагмой.

При создании механических систем ТВ в последующие годы приме­нялись как диск Нипкова, так и зеркальное колесо Вейлера.

Источник

ТЕЛЕВИЗИО́ННАЯ РАЗВЁРТКА

В книжной версии

Том 32. Москва, 2016, стр. 5

Скопировать библиографическую ссылку:

• 
• 
• 
• 
• 

ТЕЛЕВИЗИО́ННАЯ РАЗВЁРТКА, пе­рио­дич. про­цесс пе­ре­ме­ще­ния по оп­ре­де­лён­но­му за­ко­ну ска­ни­рую­ще­го элек­трон­но­го или све­то­во­го лу­ча (раз­вёр­ты­ваю­ще­го эле­мен­та) при раз­ло­же­нии пе­ре­да­вае­мо­го те­ле­ви­зи­он­но­го изо­бра­же­ния (ана­ли­зе изо­бра­же­ния) или при его вос­соз­да­нии (син­те­зе изо­бра­же­ния). В те­ле­ви­де­нии при­ня­та ли­ней­но-строч­ная раз­вёрт­ка, при ко­то­рой раз­вёр­ты­ваю­щий эле­мент (РЭ) от­кло­ня­ет­ся в двух вза­им­но пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­ни­ях, со­вер­шая воз­врат­но-по­сту­пат. пе­ре­ме­ще­ние. Дви­же­ние РЭ в на­прав­ле­нии, при ко­то­ром про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние и пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции об изо­бра­же­нии или её вос­про­из­ве­де­ние, на­зы­ва­ет­ся пря­мым хо­дом Т. р., а воз­врат­ное дви­же­ние в про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нии – об­рат­ным хо­дом. Раз­ло­же­ние и син­тез изо­бра­же­ния осу­ще­ст­в­ля­ют­ся по стро­кам сле­ва на­пра­во (строч­ная раз­вёрт­ка) и по по­лям свер­ху вниз (кад­ро­вая раз­вёрт­ка). Осн. раз­но­вид­но­сти ли­ней­но-строч­ной Т. р.: про­грес­сив­ная (по­строч­ная), при ко­то­рой весь те­ле­виз. кадр под­вер­га­ет­ся ана­ли­зу (или син­те­зу) по­сле­до­ва­тель­но – стро­ка за стро­кой; че­рес­ст­роч­ная (пе­ре­ме­жаю­щая), ко­гда раз­ло­же­ние ка­ж­до­го кад­ра на стро­ки осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в два или неск. приё­мов, на­зы­вае­мых крат­но­стью Т. р. Напр., при че­рес­ст­роч­ной Т. р. с крат­но­стью 2:1, при­ня­той в сис­те­мах ве­ща­тель­но­го те­ле­ви­де­ния, кадр со­сто­ит из двух по­лей (по­лу­кад­ров); в пер­вом по­ле раз­вёр­ты­ва­ют­ся и вос­про­из­во­дят­ся не­чёт­ные стро­ки, во вто­ром – чёт­ные, рас­по­ла­гаю­щие­ся в про­ме­жут­ках ме­ж­ду стро­ка­ми пер­во­го по­ля.

Источник

Развертка изображения

Разверткой изображения называется процесс поочередной передачи во времени информации о яркости и цвете элементов разложения изображения. Развертка осуществляется с помощью развертывающего элемента (РЭ). РЭ может быть электронный луч, лазерный луч, отверстие в диафрагме и т.п. При перемещении РЭ относительно элементов разложения изображения на выходе преобразователя свет-сигнал формируется электрический сигнал. Мгновенное значение сигнала пропорционально яркости элемента изображения, на который в данный момент времени направлен развертывающий элемент.

Рис. 1.4. К определению элементов разложения

В приемнике ТВ-системы осуществляется поочередное воспроизведение информации о яркости и цвете элементов передаваемого изображения на экране преобразователя сигнал-свет. На вход преобразователя подается электрический сигнал, а на экран преобразователя этот сигнал с помощью развертывающего элемента преобразуется в световое изображение.

Тип разверток на приемной и передающей сторонах ТВ-системы должен

быть одинаков, развертки должны быть синхронными и синфазными (т. е. необходимо выполнить равенство частот разверток и времени их начала на приемной и передающей сторонах).

Развертка может осуществляться по различным законам. В технике используют: спиральную развертку, радиальную, линейно-строчную и другие типы разверток (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Траектории движения развертывающего элемента при различных типах развертки:

а – спиральная; б – радиальная; в – линейно-строчная

При спиральной развертке траектория движения РЭ представляет собой спираль (рис. 1.5, а). Как только РЭ достигает края экрана, он быстро возвращается в его центр и процесс повторяется вновь. При радиальной развертке РЭ передвигается от центра экрана по радиусу, который вращается с малой угловой скоростью (рис. 1.5, б), По достижению края экрана РЭ быстро сдвигается в центр.

При линейно-строчной развертке развертывающий элемент перемещается от одного края экрана (например, левого) к другому с постоянной горизонтальной скоростью и одновременно с этим смещается сверху вниз с гораздо меньшей вертикальной постоянной скоростью. Такое перемещение называется прямым ходом строчной развертки. Достигнув правого края экрана, развертывающий элемент быстро возвращается к левому краю (обратный ход строчной развертки). С нижнего края экрана, РЭ возвращается на верхний край (обратный ход кадровой развертки) (рис. 1.5, в).

В телевидении наибольшее распространение получили линейно-строчная развертка. При такой развертке след, образуемый на поверхности экрана электронно-оптического преобразователя при перемещении РЭ от левого края экрана к правому, называется строкой.

Совокупность видимых сток на экране называется растром.

Полный цикл обхода всего экрана РЭ называется кадром.

Время, за которое РЭ совершает обход всего экрана и возвращается в ис-ходное положение, называется периодом кадровой развертки.

Время, за которое РЭ проходит строку и возвращается к левому краю эк-

рана, называется периодом строчной развертки.

Время, затрачиваемое на прямой ход развертки по строке, называется длительностью активной части строки.

Параметры развертки. К параметрам линейно-строчной развертки относят: формат кадра, число строк, частоту кадра, частоту строк.

Формат кадра k – отношение, горизонтального размера растра (в) к вер-

тикальному (h), k = в/h (рис. 1.4). Размеры растра должны соответствовать углу ясного зрения, поэтому

Число строк (z) ТВ-изображения. При качественном ТВ-изображении

каждая строка должна передавать один элемент развертки изображения по вертикали (рис. 1.4), т. е. z = N В . Стандартом ТВ-вещания в России выбрано z = 625.

Частота кадров F к . Этот параметр развертки зависит от ее вида. Линей-

но-строчные развертки бывают двух видов: построчная и чересстрочная.

Построчная развертка. Развертка, при которой все строки растра просматриваются последовательно одна за другой, начиная с первой строки, называется построчной. Частота кадров при такой развертке выбирается исходя из условия отсутствия мерцания яркости изображения, т.е. F к > fкр. Стандартом принято F к = 50 Гц.

Выбор такой частоты кадров приводит к следующим особенностям построчной развертки. Во-первых, возникает избыточность количества кадров при воспроизведении изображения движущихся объектов. Дело в том, что в силу инерционности зрения эффект плавного перемещения предмета в пространстве может быть достигнут, если передавать 16…24 отдельных его мгновенных положений (фаз) в одну секунду. Каждая фаза может быть передана одним кадром. Следовательно, для воспроизведения движения объектов достаточно передавать 24 кадра в секунду. Во-вторых, для передачи сигнала изображения требуется сравнительно большая полоса частоты. Забегая вперед, скажем, что полоса частот, требуемая для передачи сигнала изображения ΔF. может быть оценена из выражения

где τ э – время развертки одного элемента изображения; Р – коэффициент Кэлла, равный 0,75.

где Т к – время развертки одного кадра; N – общее количество элементов изображения. (Временами обратного хода по кадру и строкам в первом приближении пренебрегаем.)

Учитывая предыдущие выражения, а также то, что Т к = 1/50 с, имеем

Уменьшить полосу частот, отводимую для передачи сигнала изображения и устранить избыточность числа кадров удается путем применения чересстрочной развертки, широко применяемой в вещательном ТВ.

Чересстрочная развертка. Сущность этой развертки заключается в том,

что полный кадр передается и воспроизводится в два этапа (поля). В первом поле развертывают нечетные строки растра, во втором – четные (рис. 1.6). Таким образом, число строк в каждом поле оказывается в два раза меньше по сравнению с числом строк в кадре. Поскольку общее количество строк в кадре принято z = 625, то в каждом поле число строк оказывается равным 312,5. Время развертки каждого поля делают равным Тп = 1/50 с. Поэтому полный цикл обхода всего экрана (период кадра) составит Т к = 2⋅Тп = 1/25 с, тем самым устраняется избыточность кадров при воспроизведении движения объектов.

Рис. 1.6. Траектория движения луча при чересстрочной развертке: (– – –) – первое поле; (–⋅–⋅–) – второе поле; 1, 2, 3, 4 … – номера строк растра на экране (обратный ход по строкам на рисунке не показан)

С другой стороны, поскольку за время Тп = 1/50 с РЭ при чересстрочной

развертке пробегает вдвое меньше число строк, чем при построчной развертке, время развертывания одного элемента изображения оказывается вдвое большим. Тогда, полоса частот, требуемая для передачи изображения, уменьшается в два раза по сравнению с построчной разверткой. Для отечественного стандарта ТВ-вещания принята ΔF = 6 МГц.

Частота строк. Период строки при чересстрочной развертке может быть

вычислен по выражению

где Тп = 2⋅10 -2 с – период повторения полей; nп = 312,5 – число строк в одном поле.

Тогда частота строк при чересстрочной развертке составит

Источник

Форма и спектр видеосигнала

Глава 3. Принципы развертки изображений.

Общие сведения. Основным принципом современного телевидения является принцип последовательной передаче изображений — элемент за элементом, то есть принцип развертки изображений.

Разверткой изображения называется перемещение развертывающего­
элемента в процессе анализа или синтеза изображения по­
определенному периодическому закону. Оптическое изображение
в преобразователе свет-сигнал сначала­ превращается в
электрический сигнал, мгновенные значения которого пропорциональны­
яркости передаваемых участков изображения.­В ТВ приемнике электрический сигнал снова превращается в
оптическое изображение с помощью электронно-оптического­
преобразователя в виде кинескопа или с помощью плоской матрицы светоизлучающих элементов.

Телевизионное изображение, получаемое за период кадра (ТВ кадр), состоит из совокупности (до сотен тысяч) элементов — мини­мальных площадок, различаемых и воспроизводимых ТВ системой. Используются процессы последовательного во времени преобразова­ния цвета или яркости элементов изображения объектов в электриче­ские сигналы (ТВ анализ изображения) и электрических сигналов в цвет или яркость элементов ТВ изображения (синтез ТВ изображе­ния). Развертывающий элемент может быть реализован в виде электронного луча (электронная развертка), светового (лазерного) луча, светочувствительного элемента в твердо­тельном датчике видеосигнала и т.д.

Рассмотрим некоторые требования, предъявляемые к развертке. Развертка может осуществляться по различным законам, то есть порядок передачи элементов определяет способ развертки. В различ­ных областях техники используют радиальную, спиральную, синусо­идальную, линейно-строчную и другие виды разверток. Однако во всех случаях закон развертки на передающей и приемной сторонах должен быть одинаков, иначе появятся координатные искажения воспроизво­димого изображения. Кроме того, развертки должны быть синхронными (равенство частот) и синфазными (совпадение фаз). Невыполнение первого требования, т.е. отличие частот строчной или (и) кадровой развертки воспроизводящего устройства от таковых на передающей стороне ТВ тракта влечет за собой невозможность получения и просмотра устойчивого изображения на экране телевизора или монитора. Если же частоты разверток равны, но есть фазовые различия, т.е. моменты начала разверток не совпадают, то изображение будет сдви­нутым по горизонтали или вертикали, может быть «разорвано» на две части, начинают просматриваться интервалы гасящих импульсов.

В ТВ вещании используется наиболее простой для реализации закон развертки — линейно-строчная периодическая развертка, ког­да разложение изображения осуществляется с постоянной скоростью слева направо, прочерчивая строку изображения (прямой ход строч­ной развертки), и одновременно сверху вниз (прямой ход кадровой развертки) (рис. 3.1,а). Быстрый возврат развертывающего элемента справа налево и снизу вверх происходит во время обратных ходов разверток; сумма времени прямого и времени обратного ходов состав­ляет период развертки, причем период строчной развертки намного меньше периода кадровой.

Рисунок, образуемый обегающим электронным или световым лу­чом на поверхности экрана или мишени электронно-лучевого прибора, называют ТВ растром. Элементы на передаче и приеме будут иметь одинаковые координаты в пределах растров (рис. 3.1,6), если по ТВ каналу будет передаваться не только видеосигнал, но и дополни­тельный (служебный) сигнал — сигнал синхронизации приемника, содержащий импульсы строчной и кадровой частот. Обычно оба эти сигнала совмещаются, а в приемнике разделяются по уровню. Совме­щенный сигнал называют полным сигналом яркости.

Рис. 3.1. Линейно-строчная развертка

а — принцип линейно-строчной развертки, б — синхронизация разверток

Развертка, при которой все строки растра развертываются за один период вертикальной развертки в непрерывной последователь­ности (1-я, 2-я, 3-я и т.д.), как изображено на рис. 3.1, называется построчной (прогрессивной). Форма отклоняющих токов строчной (i_z) и кадровой (i_к) частот в случае построчной развертки показана на рис. 3.2. Видно, что периоду кадровой развертки соответствует целое число периодов строк . Во время прямых ходов (Т₁) токи ли­нейно нарастают, т.е. скорости разверток по горизонтали и вертикали постоянны: и . Это позволяет избежать некоторых искажений воспроизводимого изображения — изменения яркости и четкости по полю изображения. Действительно, при нелинейном зако­не развертки время нахождения развертывающего электронного луча на отдельных элементах растра будет различно и яркость этих эле­ментов на люминофорном экране кинескопа тоже будет неодинакова. Кроме того, при этом меняется скорость развертки ( =var) и для некоторых элементов, для которых скорость развертки максимальна,

Рис 3.2 Форма отклоняющих токов при построчной развертке

ВЧ составляющие спектра видеосигнала могут превысить 6,0 МГц и в канале связи будут ограничены. Что же касается обратных ходов (Т₂) то линейную форму, изображенную для простоты на рис. 3.2, выдерживать не обязательно, так как возврат электронного луча в исходное состояние к началу прямого хода зритель не видит — на воспроизводящее устройство подаются специально сформированные гасящие импульсы (ГИ), причем > .

На рис. 3.2 показана также зависимость положения воспроизводи­мого элемента на строке от величины тока развертки. При отсутствии постоянной составляющей тока его среднее (нулевое) значение соот­ветствует середине строки, а максимумы положительных и отрица­тельных амплитуд — правому и левому краям растра.

В табл. 3.1 приведены номинальные значения некоторых парамет­ров разложения изображения для горизонтальной Н и вертикальной V разверток, в том числе абсолютные ( ) и относительные ( / ) длительности ГИ и длительности активной части строки и кадра . Точные значения (с допусками) этих и других параметров, определя­ющих систему вещательного ТВ, приведены в [30]. Здесь отметим только, что средняя нестабильность частоты строк в сигнале отечественной системы цветного ТВ SECAM не должна превышать 10 -6 , т.е. ±15625*10 -6 +0,016 Гц. Этому соответствует нестабиль­ность периода импульсов с частотой строк Т_z= Т_z ( )= =(1/15625)*10 -6 0,06 мкс, что необходимо для международного обме­на программами цветного ТВ со странами, в которых принята другая система цветного ТВ — PAL.

Как видно из табл. 3.1, реально обратный ход вертикальной раз­вертки занимает около 1 мс (5 % периода), или около 15 строк. Они будут воспроизводиться в виде наклонных линий, если на воспроизво­дящее устройство не подавать ГИ. На рис.3.2 для упрощения графических построений обратный ход кадровой развертки значи­тельно уменьшен — до величины обратного хода строчной развертки.

В заключение подытожим основные требования, предъявляемые к ТВ разверткам: одинаковый закон разверток на передающей и при­емной сторонах ТВ системы; простой закон формирования отклоняю­щих токов (линейно-строчная развертка в ТВ вещании); постоянство скоростей разверток на прямых ходах; синхронность и синфазность разверток передающей и приемной сторон ТВ тракта; отклонение частоты строк от номинальной не должно превышать ±0,016 Гц.

В телевизионном вещании нашли применение два типа разверток: построчная (прогрессивная) и чересстрочная.

Источник