авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 16 |

«О.Ф.Гребенников, Г.В.Тихомирова ОСНОВЫ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ...»

-- [ Страница 10 ] --

При возбуждении колбочек первой группы возникает ощущение сине-фиолетового цвета. Фоторецепторы такого типа называются синеощущающими центрами. Колбочки второй группы дают ощущение зеленого цвета. Это зеленоощущающие центры. Колбочки третьей группы дают ощущение красного цвета. Это красноощущающие центры.

Коротковолновые световые излучения возбуждают преимущественно синеощущающие центры, средневолновые преимущественно зеленоощущающие центры, а длинноволновые преимущественно красноощущающие центры. Следовательно, зрительный анализатор осуществляет дискретизацию оптического спектра излучения, причем только по трем отсчетам вдоль оси.

Поскольку спектральная чувствительность каждого цветоощущающего центра охватывает широкий участок оптического спектра, то одновременно с дискретизацией происходит усреднение значений интенсивности излучения в пределах спектральной чувствительности зрительного анализатора. Данный процесс аналогичен фильтрации нижних частот в частотном спектре излучения объекта.

Определить непосредственно спектральную чувствительность колбочек довольно трудно. Решить эту задачу было предложено косвенным путем - нахождением кривых сложения (или смешения) зрительного анализатора. Впервые кривые сложения были получены в середине столетия К.Максвеллом, который заложил основы трехцветной системы фотографической записи и воспроизведения цветного изображения. Данная система в настоящее время нашла широчайшее распространение не только в фотографии, но и в кинематографе и в телевидении.

Принципиальная схема установки для экспериментального нахождения кривых сложения показана на рис.7.1,а. Непрозрачная призма 1 имеет идеально белые матовые грани, одна из которых освещается монохроматическими источниками света К, З и С.

Источники подобраны таким образом, что каждый из них излучает свет, действующий в основном на красно-, зелено- и синечувствительные колбочки. Они создают линейно независимые цвета, т.е. три цвета, любой из которых не может быть получен смешением двух других цветов. Между призмой и источниками К, З и С установлены оптические клинья 2, позволяющие регулировать интенсивность излучения, падающего от источников на грань призмы 1. На другую грань призмы падает монохроматическое излучение, “вырезанное” из сплошного оптического спектра Сп щелевой диафрагмой 3. Исследователь рассматривает одновременно обе грани призмы через отверстие диафрагмы 4. Изменяя с помощью клиньев световые потоки источников сравнения К, З и С, он добивается уравнения яркости и цветности обеих граней призмы. Измерения производят последовательно для всего видимого участка оптического спектра.

Общие законы смешения цветов, принятые в колориметрии, устанавливают трехмерность и векторные свойства цвета. Векторное изображение цвета дает наглядное представление о каждой смеси, которой соответствует диагональ параллелепипеда, построенного на векторах трех смешиваемых цветов. Согласно закону смешения цветов, цвет В() любого монохроматического излучения можно связать с тремя линейно независимыми цветами (К, З и С) уравнением вида В()=В к о ()К+В з о ()З+В с с ()С.

(7.1) Здесь В к о (), В з о () и В с о () указывают числа единиц каждого из цветов и являются модулями цветов В к о ()К, В з о ()З и В с о ()С.

Рис.7.1. Схема установки для нахождения кривых сложения Линейно независимые цвета сравнения К, З и С могут быть образованы монохроматическими излучениями в довольно широком диапазоне длин волн. К.Максвелл принял за основные цвета сравнения, образованные излучениями с длинами волн К - 630, З 528 и С - 457 нм. Позже на более совершенном оборудовании Райт построил кривые сложения на основных излучениях с длинами волн 650, 530 и 460 нм. В процессе проведения экспериментов как К.Максвеллом, так и Райтом было обнаружено, что не каждый цвет чистого монохроматического излучения по своей насыщенности может быть уравнен смешением основных линейно независимых излучений. Для уравнения некоторых цветов, оказывается, к монохроматическому источнику излучения Сп следует добавить одно из трех излучений источников сравнения: К, З или С - для “разбавления” слишком насыщенного спектрального цвета. Такая смесь может быть уравнена смесью излучений двух других источников сравнения. Если, например, разбавляющее излучение должно иметь длину волны цвета К, то источник К следует установить так, чтобы он освещал ту же грань призмы 1, которую освещает источник Сп (рис.7.1,б). В данном случае уравнение цветов будет иметь вид В()+В к о ()К=В з о ()З+В с о ()С, где модуль В к о () показывает количество разбавляющего цвета К.

Перенеся значение В к о ()К в правую часть равенства, имеем В()=-В к о ()К+В з о ()З+В с о ()С.

Таким образом, В к о () в данном случае получает отрицательное значение. Если разбавление насыщенности цвета, создаваемого источником Сп, осуществляют излучения З или С, то отрицательные значения получают В з о () или В с о ().

Проведя измерения соотношений интенсивностей трех потоков сравнения для всех длин волн видимого участка оптического спектра, строят кривые сложения. На рис.7.2,а показаны кривые сложения, полученные Райтом.

Рис.7.2. Кривые сложения Кроме Райта, кривые сложения были получены и другими исследователями. Причем длины волн источников сравнения К, З и С принимались различными (но их цвета всегда были линейно независимыми). Кривые сложения, найденные в различных системах, естественно, отличались друг от друга. Но во всех случаях неизбежно возникали отрицательные ветви кривых сложения.

Причем было обнаружено, что кривые сложения различных систем линейно зависимы друг от друга. Поэтому методом пересчета, разработанным в колориметрии, возможно перейти от одной системы кривых сложения, полученных на источниках сравнения К, З, С определенных длин волн, к другой системе, в которой использованы иные длины волн источников сравнения.

Наиболее совершенные экспериментальные определения кривых сложения были выполнены Райтом, поэтому они были положены в основу кривых сложения “стандартного наблюдателя”, принятых Международной осветительной комиссией в 1931 году. Эти кривые послужили основой построения современных колориметрических систем.

В колориметрической системе RGB (red-красный К, green-зеленый З, blue-синий С) в качестве основных приняты излучения следующих длин волн: К(R) - 700;

З(G) - 546,1;

С(B) - 435,8 нм. Причем выбранные длины волн 546,1 и 435,8 нм соответствуют линиям e и g в спектре ртути, что облегчает создание монохроматических излучений данных длин волн в колориметрах.

На рис.7.2,б приведены кривые сложения системы RGB. Они, так же как и кривые Райта, имеют отрицательные ветви, что затрудняет проведение колориметрических расчетов. Вследствие этого исследователи изыскивали возможность избавиться от отрицательных ветвей в кривых сложения. Такая возможность была найдена, но уже не экспериментальными, а аналитическими методами. Было принято, что источники К, З, С создают нереальные цвета, т.е. более насыщенные, чем спектральные. Тогда оказалось, что методом пересчета можно из известных кривых сложения (например, Райта) найти соответствующие нереальным цветам кривые сложения, которые не имеют отрицательных ветвей.

Подобным образом была построена колориметрическая система XYZ (ее кривые сложения показаны на рис.7.2,в), а также найдены так называемые кривые спектрального распределения реакции цветоощущающих центров на излучения единичной мощности (рис.7.2,г). Площади, ограниченные кривыми сложения на рис.7.2, приняты равными, что дает одинаковую реакцию цветоощущающих центров при восприятии белого цвета.

Изображенные на рис.7.2 кривые сложения линейно взаимосвязаны друг с другом, т.е. методом пересчета из одной системы кривых сложения возможно перейти к другой. Поэтому принципиально безразлично, какой из систем пользоваться для решения конкретных практических задач. Наиболее наглядными и удобными для анализа процесса восприятия цвета зрительным анализатором, а также для формулирования требований к системам записи цветного изображения являются кривые Райта (рис.7.2,а).

Рассмотрим физический смысл кривых сложения. Положим, что источник создает монохроматическое излучение с длиной волны нм. Из графиков кривых сложения Райта на рис.7.2,а находим координаты В к о (500);

В з о (500);

В с о (500). По ним вычисляем требуемые интенсивности излучения источников b к, b з и b с. Сложив излучения источников К, З и С в соотношениях b к :b з :b с, можно воспроизвести цвет монохроматического излучения с длиной волны =500нм.

Если теперь мы используем кривые сложения, построенные на излучениях источников сравнения других линейно независимых реальных цветов, то изменются соотношения, в которых требуется произвести сложение интенсивностей. Однако одновременно изменяются и длины волн трех источников сравнения. Итог же сложения, т.е. синтезированный цвет, будет одинаков в обоих случаях. Следовательно, если осуществляется синтез цветов путем сложения трех основных излучений, то соотношение их интенсивностей допустимо находить только в системе кривых сложения, построенных на излучениях, аналогичных тем, которые осуществляют синтез цветов. Отсюда следует, что при решении практических задач записи и воспроизведения цветного изображения допустимо оперировать только с кривыми сложения, построенными на реальных цветах, например с кривыми сложения Райта.

В рассмотренном случае для синтезирования излучения, воспринимаемого зрительным анализатором того же цветового тона, что и монохроматическое излучение, с длиной волны 500 нм необходимо один из источников сравнения (в данном случае источник К) перенести в верхнюю часть установки, схема которой показана на рис.7.1. Это мы вынуждены сделать в силу того, что источник сравнения с отрицательной интенсивностью излучения физически не реализуем. Вследствие переноса источника сравнения в верхнюю часть установки насыщенность синтезированного цвета будет ниже, чем при наблюдении реального монохроматического излучения с длиной волны 500 нм. Следовательно, с использованием трех монохроматических источников сравнения мы не можем синтезировать все многообразие спектральных цветов, воспринимаемых зрительным анализатором.

Для объяснения данного явления можно предположить, что в результате сложных психофизиологических процессов, происходящих в зрительном анализаторе, цветоощущающие центры ЗА в состоянии иметь спектральную чувствительность в пределах одних длин волн положительную, а в пределах других отрицательную. Тогда допустимо считать, что кривые спектральной чувствительности трех цветоощущающих центров подобны кривым сложения, построенным на реальных цветах. Правомочность такого допущения отчасти подтверждается линейной взаимосвязью различных систем кривых сложения (хотя без экспериментального подтверждения это допущение остается пока гипотетическим).

На основе сделанного предположения можно считать, что при наблюдении приведенного в примере монохроматического излучения с длиной волны 500 нм интенсивность возбуждения цветоощущающих центров относится друг к другу в указанных выше соотношениях. Положим теперь, что наблюдаемый объект имеет сложное излучение и его оптический спектр описывает функция F(). Представим функцию F() в виде конечной суммы n спектральных монохроматических составляющих с интервалом, в пределах каждого из которых спектральную плотность считаем постоянной. Тогда реакция красноощущающего центра будет равна В к =В к о ( 1 )F( 1 )+B к о ( 2 )F( 2 )+...+B к о ( n )F( n )= n =B к о ( i )F( i ), i= где n=(700-400)/.

Аналогично можно найти реакции В з и В с зелено- и синечувствительных цветоощущающих центров. Приняв =d, переходим от сумм к интегралам:

700 700 к к з з B с =F()B с о ()d.

B =F()B о ()d;

B =F()B о ()d;

(7.2) 400 400 Согласно нашим предположениям соотношение величин этих трех реакций и определяет цвет, воспринимаемый зрительным анализатором. Подобная гипотетическая модель восприятия цвета зрительным анализатором показана на рис.7.3.

Принятые нами кривые спектральной чувствительности цветоощущающих центров зрительного анализатора имеют, казалось бы, совершенно необъяснимую форму. Действительно, ни один светоприемник, созданный человеком, не имеет одновременно и положительную и отрицательную спектральную чувствительность.

Более того, такой светоприемник (или фотодатчик) физически не реализуем. Однако необходимость подобного феномена можно объяснить тем, что зрительный анализатор осуществляет дискретизацию оптического спектра, и это доказано как теоретически, так и экспериментально. Попробуем построить спектральные характеристики (импульсные реакции) светоприемников, которые обеспечили бы при дискретизации по переменной получение максимального количества информации об оптическом спектре излучения. Ранее было показано (см.разд.2), что устранить искажения и получить максимальное количество информации в системах с дискретизацией возможно в том случае, когда на входе системы применен идеальный фильтр нижних частот, полностью подавляющий все частоты, большие половины частоты дискретизации.

Рис.7.3. Модель восприятия цвета зрительным анализатором Рис.7.4. Спектральные характеристики идеальных светоприемников Положим, что оптический спектр, воспринимаемый ЗА, дискретизируется с шагом дискретизации *=75 нм. Частота дискретизации равна 1/*=1/75нм - 1, а отсчеты находятся на длинах волн, равных 475, 550 и 625 нм (рис.7.4). Идеальный фильтр, 0,5/*=1/150нм - 1, полностью подавляющий частоту имеет импульсную реакцию F о ()=csin(c/*)=csinc(/75), где с - нормировочный коэффициент. В точках отсчетов будем иметь импульсные реакции F c o ()=csinc[(-475)/75]rect[(-550)/300];

F з о ()=csinc[(-550)/75]rect[(-550)/300];

F к о ()=csinc[(-625)/75]rect[(-550)/300].

Множитель rect[(-550)/300] ограничивает импульсные реакции пределами длин волн видимого участка спектра, как это показано на рис.7.4. Вследствие этого, очевидно, реализовать полное подавление всех частот, больших половины частоты дискретизации, при наличии всего лишь трех точек отсчета невозможно. Поэтому искажения первого рода в системе неизбежны, но из всех мыслимых импульсных реакций указанные выше обеспечивают наименьшие искажения при наиболее полной передаче информации о дискретизируемом сигнале.

Из сопоставления рис.7.4 с рис.7.2,а следует, что кривые сложения Райта близки к кривым спектральной чувствительности идеальных светоприемников. Можно предположить, что в процессе эволюции зрительный анализатор человека совершенствовался так, чтобы при минимальном количестве цветоощущающих центров обеспечить получение максимального количества информации об окружающем его мире. Это дополнительно подтверждает мысль о том, что кривые спектральной чувствительности цветоощущающих центров должны быть подобны кривым сложения, построенным на реальных цветах.

Однако вследствие того, что зрительный анализатор не в состоянии полностью подавить частоты, большие половины частоты дискретизации, в воспринимаемом изображении имеют место искажения первого рода. Они проявляются в том, что некоторые источники, имеющие различный спектр излучения, субъективно воспринимаются зрительным анализатором одного и того же цвета.

Данное явление называется метамерностью цветов. Цвета излучений, неразличимых зрительно, но имеющих различный оптический спектральный состав, называются метамерными. В повседневной жизни человек указанные искажения не замечает. Действительно, если оптический спектр света, отраженного листвой и краской на картине художника, и различен, но цвет воспринимается одинаковым, то большой беды нет. Субъективно человек воспринимает цвет, а не объективный оптический спектр излучения.

В то же время явление метамерности цветов ограничивает цветовой охват зрительного анализатора. Это ограничение возрастет, если фильтрующее действие цветоощущающих центров ЗА снизить, например, за счет устранения гипотетических отрицательных ветвей кривых спектральной чувствительности ЗА.

Ощущение цвета возникает в мозгу, с которым колбочки связаны нервными волокнами. Эти волокна передают три вида сигналов, пропорциональных интенсивности воздействия светового излучения, на красно-, зелено- и синечувствительные группы колбочек. Каждый субъективно воспринимаемый цвет определяется соотношением величин сигналов, идущих от трех групп колбочек. Таким образом, если цветоощущающие центры осуществляют фильтрацию сигнала на входе зрительного анализатора, то мозг выполняет роль своеобразного фильтра на его выходе. Но воссоздает он не оптический спектр, который дискретен, а непрерывную гамму цветов.

То, что зрительный анализатор содержит всего лишь три цветоощущающих центра и преобразует оптический спектр излучения в субъективно воспринимаемый цвет, позволило создать трехцветные системы записи и воспроизведения цветного изображения. Они, в противоположность системам, осуществляющим запись и воспроизведение оптического спектра излучения, воспроизводят только цвет объекта, но не его спектр.

Для создания трехцветных систем, воспроизводящих физиологически точное цветное изображение, требуется очень хорошо знать свойства зрительного анализатора. Изложенное выше предположение о том, что кривые спектральной чувствительности цветоощущающих центров подобны кривым сложения, построенным на реальных цветах, пока еще не получило должного теоретического и экспериментального подтверждения, хотя оно было высказано еще К.Максвеллом (в середине века) и далее развито Н.Д.Нюбергом (в 1930-х годах). В то же время данное предположение косвенно подтверждают результаты работ, направленных на реализацию трехцветных фотографических систем. Попытки получить высококачественные цветные изображения при спектральных характеристиках приемников, не имеющих отрицательных ветвей, в том числе и подобных кривым спектрального распределения реакций цветоощущающих центров (см.рис.7.2,г), не увенчались успехом.

Получаемые изображения имели невысокое качество, что сдерживало широкое распространение цветной фотографии. Задача была решена имитацией отрицательных ветвей кривых спектральной чувствительности кинопленок путем применения особых приемов.

Подобные системы, как будет показано ниже, хотя и не решают задачу в полной мере, но получили широкое применение в фотографии, кинематографе и телевидении.

7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЗАПИСИ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Цветное изображение описывается функцией трех переменных F(x,y,). Как было показано выше (см.раздел 1), классификация систем записи трехмерных сигналов содержит 9 классов и подклассов. Все эти системы следует разделить на две группы: 1) с записью и воспроизведением оптического спектра излучения и 2) с записью и воспроизведением информации о цвете объекта. Системы, относящиеся к первой группе, воспроизводят как оптический спектр излучения, так и цвет объекта. В них осуществляется развертка изображения по переменной вдоль осей x, у или z носителя.

Ко второй группе относятся трехцветные системы записи цветного изображения. В этих системах осуществляется дискретизация изображения по переменной и укладка вдоль осей x, y или z носителя.

На рис.7.5 представлена классификация систем записи цветного изображения, построенная на основе общей классификации систем записи сигналов, изображенной на рис.1.6. Звездочками на рис.7. обозначены аргументы, по которым при записи осуществляется дискретизация изображения. Подклассы систем имеют ту же нумерацию, что и на рис.1.6. Однако они сгруппированы таким образом, что в группе А размещены подклассы с разверткой изображения по переменной, а в группе Б - подклассы с дискретизацией изображения по переменной.

Рис.7.5. Классификация систем записи цветного изображения В данном разделе рассматриваются системы записи цветного изображения в соответствии с указанной классификацией.

7.3. СИСТЕМЫ С РАЗВЕРТКОЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО ПЕРЕМЕННОЙ Наиболее характерной системой, относящейся к данной группе, является цветная фотография Г.Липпмана, предложенная им в году. В этой фотографии развертка сигнала изображения по переменной осуществляется вдоль оси z светочувствительного материала.

Объектив 2 (рис.7.6) совместно с коллиматорной линзой 3 строит изображение объекта 1 в плоскости х,у на поверхности специального прозрачного светочувствительного слоя 5, обладающего чрезвычайно высокой разрешающей способностью.

Эмульсия нанесена на стеклянную пластину 4, образующую совместно с кассетой 7 резервуар, заполненный ртутью 6. Слой ртути вплотную соприкасается с поверхностью эмульсии 5 и образует отражающую зеркальную поверхность. Идущие от объектива лучи проходят через светочувствительную эмульсию, отражаются от ртутного зеркала и интерферируют с падающими лучами. В результате в толще эмульсионного слоя образуется стационарная интерференционная картина. Если участок изображения образован лучами с длиной волны о, нормальными к поверхности эмульсии, то максимумы интенсивности в интерференционной картине будут расположены на расстояниях о /2 друг от друга вдоль оси z.

Рис.7.6. Схема фотоаппарата для получе ния цветной фотографии Г.Липпмана После проявления в эмульсии образуется слоистая структура, созданная отложениями металлического серебра. Каждый слой имеет очень малую толщину и представляет собой зеркальную поверхность, которая часть света отражает, а его большую часть пропускает.

При освещении фотографически обработанной фотопластинки (рис.7.7) со стороны эмульсионного слоя через полупрозрачное зеркало 5 и линзу 2 источником белого света 1, на слоистой структуре произойдет интерференционное усиление лучей света с длиной волны о, а составляющие других длин волн будут погашены. В результате система воспроизведет световой сигнал той же длины волны с которой была освещена фотопластинка при экспонировании. Аналогично на других участках фотопластинки будут воспроизведены детали изображения, имеющие спектр излучения, подобный спектру излучения соответствующих деталей объекта. Зритель через отверстие в диафрагме 6 и полупрозрачное зеркало 5 увидит цветное изображение. Для того, чтобы проходящий свет не искажал воспроизводимого изображения, на обратную сторону фотопластинки 3 наносится черный матовый лак 4.

Рис.7.7. Схема прибора для рассматривания цветной фотографии Г.Липпмана Рассмотрим более подробно процесс записи и воспроизведения изображения в цветной фотографии Г.Липпмана. Развертка изображения по переменным х,у производится фотографическим объективом аналогично тому, как это выполняется в обычном фотоаппарате. Проанализируем процесс развертки сигнала по переменной вдоль оси z. Будем считать, что при экспонировании на фотопластинку падает плоская волна длиной о. Причем плоскость волны параллельна поверхности эмульсионного слоя.

Данное излучение описывает вещественная часть функции J в х (t,z)=a о exp[-i(2ct/ о -2z/ о )], где a о - амплитуда;

2z/ о - начальная фаза;

t - время;

с - скорость света.

Для упрощения выкладок будем считать, что эмульсионный слой абсолютно прозрачен, имеет показатель преломления равный единице, а зеркальная поверхность отражает весь падающий на нее свет. Тогда отраженная от зеркальной поверхности волна будет описана выражением J от р (t,z)=a о exp[-i(2ct/ о +2z/ о )], а световое поле, образованное наложением падающей и отраженной волн, J(t,z)=J в х (t,z)+J о тр (t,z)= =a о exp[-i(2ct/ о -2z/ о )]+a о exp[-i(2ct/ о +2z/ о )].

Светочувствительный слой реагирует на интенсивность света, пропорциональную квадрату модуля амплитуды или произведению комплексно-сопряженных составляющих светового поля:

F(z)J(t,z)J(t,z)= ={a о exp[-i(2ct/ о -2z/ о )]+a о exp[-i(2ct/ о +2z/ о )]} {a о exp[i(2ct/ о -2z/ о )]+a о exp[i(2ct/ о +2z/ о )]}= =a о 2 [2+exp(-i4z/ о )+exp(i4/ о )]=2a о 2 (1+cos4z/ о ).

(7.3) Данное выражение показывает распределение интенсивностей стоячих волн, возникших в результате интерференции когерентных волн одинаковой амплитуды, распространяющихся навстречу друг другу. Из полученного равенства следует, что распределение интенсивностей вдоль оси z подчиняется гармоническому закону.

Если фотографический процесс достаточно линеен, то это же выражение покажет распределение почернения эмульсионного слоя вдоль оси z.

Таким образом, гармоническое изменение амплитуд входного светового сигнала во времени J вх (t)=a o exp(-i2ct/ o ) преобразовано в гармоническое пространственное распределение интенсивностей F(z)=2a o 2 (1+cos4z/ o ) вдоль оси z. Следовательно, в результате интерференции осуществлена развертка временного сигнала по носителю. Временная частота светового сигнала o =с/ o в процессе развертки преобразована в пространственную частоту f=2/ o. Коэффициент преобразования координат будет равен q= o /f=c/2. Поскольку период световых колебаний равен /c, то длина волны вдоль оси z составит =q o /c= o /2. Этой же величине будет равно и расстояние d между отражающими слоями в фотографически обработанной фотопластинке.

Осветим теперь фотографически обработанную пластинку нормально падающим пучком монохроматического света. Если длина волны в точности повторяет длину волны о света, экспонировавшего фотопластинку, то отраженный от каждого последующего слоя серебра пучок будет запаздывать по фазе относительно отраженного от предыдущего слоя на 2, поскольку расстояние между слоями равно d= о /2. Произойдет интерференционное усиление света на каждом слое серебра. В результате итоговая интенсивность отраженного света в идеале будет равна интенсивности освещающего пучка света. Дифракционная эффективность, равная отношению интенсивности отраженного света F r к интенсивности падающего F o, будет равна единице.

Положим теперь, что освещающий пучок света монохроматичен, но несколько отличается по длине волны от света, экспонировавшего фотопластинку. Тогда отраженный от каждого слоя серебра пучок света будет приходить к предыдущему слою со сдвигом фазы, отличным от 2, дифракционная эффективность при этом несколько снизится. Для определенного отклонения о длины волны освещающего пучка от длины волны о экспонировавшего света дифракционная эффективность станет равной нулю. Если теперь мы осветим фотопластинку белым светом, состоящим из бесчисленного множества монохроматических излучений различных длин волн, то ширина оптического спектра в отраженном пучке будет равна 2 о.

Найдем это значение.

Фотопластинка при записи регистрирует в своем эмульсионном слое толщиной D информацию о цуге световых волн длиной 2D, поэтому вещественная часть функции, описывающей записываемый сигнал, может быть представлена произведением J(z)=cos(2z/ o )rect(z/2D).

Частотный спектр сигнала в соответствии с обратной теоремой свертки находится сверткой преобразований Фурье от сомножителей:

S(f)=[0,5(f-1/ o )][2Dsinc(2Df)]=Dsinc[2D(f-1/ o )], (7.4) причем 1/ o =f o = o /c.

Выражение (7.4) показывает распределение по пространственным частотам f амплитуд гармоник, которые содержит в себе цуг записываемых волн. Если эмульсия фотопластинки не вносит искажений в записываемый сигнал, то при освещении фотографически обработанной фотопластинки белым светом он восстановит частотный спектр S(f) светового сигнала. Интенсивность восстановленного сигнала пропорциональна квадрату амплитуды, поэтому F r (f)D 2 sinc 2 [2D(f-1/ o )] или F r (f)=F o sinc 2 [2D(f-1/ o )], (7.5) где Fо - интенсивность при освещении пластинки монохроматическим излучением с длиной волны о.

Примем интервал частот 2f о, воспроизводимых фотографией, равным интервалу между первыми нулевыми значениями функции F r (f) (рис.7.8);

т.е. 2f о =1/D или f о =0,5/D. Дифференцированием выражения f о =1/ о находим f о = о / о 2 (знак минус опущен).

Следовательно, o =f o o 2 =0,5 o 2 /D= o /К, (7.6) где К=2D/ o - число интерференционных плоскостей в толще эмульсии.

Рис.7.8. Интенсивность отраженного пучка лучей Из выражения (7.6) следует, что ширина оптического спектра 2 о зависит от длины волны о. Причем в коротковолновой части спектра (сине-фиолетовое излучение) точность воспроизведения цвета повышается. Кроме того, точность воспроизведения цвета повышается по мере увеличения толщины D слоя.

Положим теперь, что при экспонировании плоская волна распространяется под углом о (рис.7.9) к поверхности эмульсии.

Под таким же углом будут распространяться и отраженные от зеркальной поверхности волны. На рис.7.9 показаны гребни волн и точки их пересечения. В этих точках будут иметь место максимумы интенсивности. При распространении волн точки будут скользить вдоль плоскостей (показаны штриховыми линиями), параллельных плоскости зеркала, образуя неподвижную интерференционную картину. Из прямоугольного треугольника АВС следует, что расстояние d между соседними интерференционными плоскостями равно Рис.7.9. Образование интерференционной картины в эмульсионном слое d=0,5 o /sin o. (7.7) Из выражения (7.7) вытекает, что по мере уменьшения угла о расстояния d будут увеличиваться. Следовательно, при постоянной толщине эмульсионного слоя D количество слоев К уменьшится и, как следует из формулы (7.6), спектр восстановленного пучка света расширится. Кроме того, при освещении пластинки нормально падающим пучком белого света будет восстановлено излучение, отличающееся по длине волны от излучения, экспонировавшего фотопластинку. Для исключения данных явлений перед фотопластинкой устанавливают коллиматорную линзу 3 (см.рис.7.6), передний фокус которой совмещен с выходным зрачком объектива 2.

Освещение пластинки при ее рассматривании (см.рис.7.7) осуществляют источником 1, расположенным на таком же расстоянии от пластинки, как и фотографический объектив, через коллиматорную линзу 2.

Изображение, создаваемое объективом, образуется сходящимися пучками лучей. Сферические волны, сходящиеся к поверхности эмульсионного слоя, могут быть представлены суперпозицией элементарных плоских волн, направленных к эмульсии под разными углами в пределах апертурного угла (см.рис.7.6) объектива. Это приводит к образованию интерференционных плоскостей, расположенных на различных интервалах d. Последнее вызывает некоторое размытие интерференционной картины и снижение ее контраста. При больших апертурных углах объектива возможно полное исчезновение интерференционной картины на определенном расстоянии от поверхности ртутного зеркала. Это произойдет тогда, когда разность хода лучей для крайних и центральных пучков света от зеркальной поверхности до К-той интерференционной плоскости достигнет половины длины волны:

0,5К o /sin o -К o /2= o /2.

Из этого равенства находим o =arcsin[К/(К+1)]. (7.8) П р и м е р 7.1. Записывается излучение с длиной волны о =500 нм. Найти минимальную толщину D эмульсии для воспроизведения физически точного цветного изображения и количество интерференционных слоев.

Поскольку зрительный анализатор различает спектральные цвета, отличающиеся длиной волны 2 нм (см.раздел 7.1), то полуширина оптического спектра, воспроизводимого фотографией, не должна превышать о =2 нм. Из формулы (7.6) находим D=0,5 o 2 / o =0,5500 2 /2=62500 нм =0,062 мм.

Расстояния между слоями равно d= o /2=500/2= 250 нм. Следовательно, количество слоев K=D/d=62500/250=250.

П р и м е р 7.2. Для данных примера 7.1 найти максимально допустимое относительное отверстие фотографического объектива.

Согласно формуле (7.8) угол о не должен быть меньше o =arcsin[250/(251+1)]=85 o.

Это соответствует апертурному углу фотографического объектива =2(90 o -85 o )=10 о или максимальному относительному отверстию объектива =1/6.

Из результатов примеров 7.1 и 7.2 следует, что принципиально цветная фотография Г.Липпмана в состоянии воспроизвести спектральные цвета, а следовательно, и все возможные хроматические цвета, поскольку они представляют собой смесь монохроматических спектральных цветов. Если спектральный состав света, образующего деталь изображения объекта, состоит из длин волн о о, то длина когерентности будет равна S к о г = о 2 / о.

Следовательно, независимо от толщины эмульсии, интерференционные плоскости образуются лишь на расстоянии S к ог / вдоль оси z от поверхности ртутного зеркала. Например, если о =500 нм, а о =50 нм, то S к о г /2=2500 нм. При записи образуются лишь 2500/500=10 слоев серебра. Воспроизводимое изображение будет иметь точно такой же цветовой тон, как и записываемое излучение, но его насыщенность будет значительно ниже, чем насыщенность спектральных цветов. Однако и цвет записываемого излучения имеет малую насыщенность. Таким образом, цветная фотография Г.Липпмана принципиально может воспроизвести любые цвета спектра, а следовательно, и окружающего нас мира.

При записи ахроматических излучений слоистая структура в толще эмульсионного слоя не возникает. Если записывается белое излучение, то образуется сплошной слой металлического серебра.

При освещении фотографии белым светом весь падающий на нее свет отражается и создает белую деталь изображения. Если записывается черная деталь объекта, то в эмульсии в идеальном случае металлическое серебро не восстанавливается и она после фотографической обработки остается прозрачной. При освещении фотографии белым светом расположенный за эмульсией черный матовый лак 4 (см.рис.7.4) полностью его поглощает, поэтому эта деталь изображения воспринимается черной. Следовательно, в результате фотографической обработки фотопластинки образуется не негатив, а сразу позитив.

Для записи изображения в цветной фотографии Г.Липпмана разрешающая спосoбность светочувствительной эмульсии - фотопластинок должна превышать 5000 мм. Только в этом случае возможна регистрация интерференционной картины с расстоянием между плоскостями до mi n /2=400/2=200 нм. Естественно, подобные фотопластинки обладают колоссальной информационной емкостью.

П р и м е р 7.3. Размер фотопластинки составляет h к =90 мм, b к =120 мм, а толщина эмульсионного слоя - D=0,06 мм. Найти информационную емкость фотопластинки, если ПЧХ эмульсионного слоя определяет ф ункция K(f)=exp[-3,14(f/5000) 2 ].

В соответствии с формулой (4.33), приняв N=5000 мм - 1, Y=h к =90 мм, X=b к =120 мм, Z= D=0,06 мм, m=3,14 и n=2, имеем H=85000 3 120900,063,14[1-3(3+2) -1 ]= =0,8310 1 5 нат.ед.=1,210 1 5 бит.

Пример 7.4. Найти информационную емкость системы при использовании фотопластинки с параметрами примера 7.3 при записи ахроматического изображения. ПЧХ системы “фотографический объектив фотопластинка” описывает ф ункция K(f)=exp[-3,14(f/200) 2 ].

Согласно формуле (4.30) имеем H=4200 2 3,14120903,14[1-2(2+2) -1 ]=2,710 9 нат.ед.=3,710 9 бит.

Из сопоставления результатов примеров 7.3 и 7.4 следует, что для записи цветного изображения требуется информационная емкость на несколько порядков большая, чем для записи черно-белого изображения. Однако цветная фотография Г.Липпмана принципиально может обеспечить воспроизведение физически точного цветного изображения. Причем в случае необходимости оптический спектр излучения любой детали изображения может быть объективно измерен.

Фотопластинки с прозрачной эмульсией высокого разрешения были разработаны Г.Липпманом (“липпмановские фотопластинки”) и использовались для изготовления цветных фотографий. Фирмой Цейсс в начале века выпускались фотоаппараты для получения цветных фотографий, приборы для рассматривания и проекции на экран цветных фотографий Г.Липпмана. Очевидцы отмечают, что они были изумительны по красоте. За изобретение и реализацию системы цветной фотографии Г.Липпману была присуждена в году Нобелевская премия. Однако сложность технической реализации данной системы привела к ее вытеснению в практической фотографии трехцветными системами. В настоящее время цветная фотография Г.Липпмана используется в инструментальной технике.

Она также получила широчайшее применение начиная с 1960-х годов как средство в трехмерной голографии, изобретенной нашим соотечественником Ю.Н.Денисюком. На основе свойств цветной фотографии, изложенных в данном разделе, стало возможным воспроизведение трехмерных голограмм в белом свете, как об этом будет подробно рассказано ниже. Трехмерную голографию часто называют голографией Липпмана-Денисюка.

Цветная фотография Г.Липпмана относится к подклассу 6. (см.рис.7.5). Технические решения систем записи цветного изображения, относящихся к остальным подклассам группы А, не известны либо малоизвестны. В качестве примера на основе сформулированного в разделе 1 системного подхода и существующих устройств развертки, дискретизации и укладки попытаемся изыскать некоторые возможные технические решения данных систем.

Системы, относящиеся к подклассам 7.5, 7.6 и 8.6, могут быть реализованы с использованием цветной фотографии Г.Липпмана. К подклассу 7.5 отнесем систему факсимильной передачи и записи цветного изображения. В передающем устройстве цветной плоский объект 1 (рис.7.10) освещен белым светом. Объектив 2 образует в плоскости диафрагмы 3 с малым отверстием изображение объекта. За диафрагмой помещен входной торец световодного стеклянного волокна 4, который передает световой сигнал к приемному устройству. За выходным торцом световодного волокна расположена диафрагма 5 с малым отверстием. Она изображается объективом 6 в плоскости фотопластинки 7 с ртутным зеркалом цветной фотографии Г.Липпмана. Во время передачи объект 1 и фотопластинка синхронно и синфазно перемещаются вдоль оси х. После считывания и записи одной строки объект и фотопластинка перемещаются вдоль оси у на величину шага дискретизации и укладки.

Рис.7.10. Факсимильная система В рассмотренной системе изображение подвергнуто дискретизации по переменной у и развертке по переменным х и.

Учитывая одинаковую физическую сущность при записи цветного изображения переменных х и у, дискретизацию по переменной у можно заменить дискретизацией по переменной х. В данном случае предложенная система факсимильной передачи и записи цветного изображения будет относиться к подклассу 7.6.

Примером возможного технического решения системы, относящейся к подклассу 8.6, может служить система факсимильной передачи цветного изображения при помощи жгута волоконной оптики (см.рис.6.29). В данном случае изображение цветного объекта объектив 3 приемного устройства образует на поверхности фотопластинки 4 с ртутным зеркалом.

Рассмотренные системы обеспечивают запись цветного изображения с разверткой изображения по переменной вдоль третьего z измерения носителя. В системах, относящихся к подклассам 3.4, 3.5, 4.4, для записи используются только два измерения носителя. Поэтому развертка изображения по переменной должна осуществляться либо вдоль оси х, либо вдоль оси у носителя. В данном случае необходима дискретизация изображения по переменной х или у. Для дискретизации изображения по переменным х и у используются растры (см.рис.3.36 и 3.37).

На рис.7.11 показана схема аппарата с линзовым линейным растром 4 и специальным светофильтром 3. Светофильтр имеет вдоль оси х о различные спектральные характеристики. В каждом участке светофильтр обеспечивает пропускание лучей света достаточно узкого оптического спектра определенных длин волн. Если с одного края зрачка объектива 2 светофильтр пропускает длинноволновую часть спектра с длинами волн около 700 нм, то в центре зрачка средневолновую часть с длинами волн около 550 нм, а на другом краю зрачка - коротковолновую часть с длинами волн около 400 нм.

На промежуточных участках пропускание светофильтра постепенно переходит от длинноволновой к средневолновой, а затем к коротковолновой части спектра.

Рис.7.11. Схема растрового фотоаппарата При записи фотографический объектив 2 изображает объект 1 на поверхности растра 4. Каждая линза растра в плоскости панхроматического светочувствительного материала 5 изображает выходной зрачок объектива 2 совместно со светофильтром 3. В результате каждая линза растра осуществляет развертку соответствующего элемента изображения по аргументу вдоль оси х носителя. После фотографической обработки черно-белый диапозитив устанавливают за растром и освещают белым светом на просвет. Объектив совместно со светофильтром, использованным при записи, образуют на экране, установленном на месте объекта съемки, цветное изображение этого объекта.

В рассмотренной системе развертка изображения по переменной осуществляется специальным светофильтром совместно с линзами растра. Создание подобного светофильтра высокого качества может встретить технические трудности, хотя принципиально он реализуем.

Кроме того, подобный светофильтр поглощает значительную часть света. Вместо специального светофильтра развертку можно осуществить при помощи дисперсионных призм.

Схема установки, построенной на основе спектрографа, показана на рис.7.12. Объектив 2 совместно с коллективом 3 строит изображение объекта 1 в плоскости решетчатого (или линзового) линейного растра 4. Если объект излучает свет одной длины волны, например 700 нм, то объективы 5 и 7 образуют в плоскости панхроматического светочувствительного материала 8 изображение растра в виде множества узких полосок. Призма 6 не оказывает существенного влияния на образуемое изображение. Если же длина волны излучения объекта изменится, например станет равной 400 нм, то призма 6 отклонит пучки лучей света и изображение растра переместится относительно фотопластинки вдоль оси х. Это максимальное перемещение изображения не должно превышать шага X* укладки изображения щелей растра на фотопластинке. Понятно, что при сложном составе излучаемого объектом света каждый элемент растра совместно с призмой 6 обеспечит развертку изображения по переменной вдоль оси х носителя. Поместив фотографически обработанный диапозитив в то же положение в приборе, которое он занимал при записи, и осветив его на просвет белым светом, мы воспроизведем на экране, установленном на месте объекта, его цветное изображение.

Рис.7.12. Схема фотоаппарата с призмой Рассмотренные системы относятся к подклассам 3.4 и 3.5. Их существенным недостатком является то, что длина развертки по переменной вдоль оси х ограничена шагом X* укладки изображения щелей растра. Действительно, положим, что разрешающая способность системы вдоль оси х равна N=100 мм - 1.

Тогда, чтобы записать информацию о всех 150 различаемых глазом спектральных цветах, потребуется иметь шаг укладки как минимум равный X*=150/100=1,5 мм. При таком большом шаге укладки будет получена малая информация об объекте в пространстве вдоль оси х. Данный недостаток может быть устранен переходом к подклассу 4.4 с использованием линзового или решетчатого точечного растра.

Схемы установок на рис.7.11 и 7.12 при этом не изменятся.

Рассмотрим запись цветного изображения с использованием системы, схема которой показана на рис.7.12. Вместо решетчатого линейного растра 4 устанавливается точечный решетчатый с предельно малыми прозрачными элементами. При излучении объектом строго монохроматического света с длиной волны 700 нм в плоскости фотопластинки 8 будет образовано изображение растра, показанное на рис.7.13 кружками. Поскольку растр развернут на угол по отношению к оси х, то, как видно из рисунка, длина развертки S изображения от =700 до =400 нм превышает шаг укладки X* и Y* в несколько раз. Если шаги укладки сократить до 0,3-0,5 мм, то количество информации о спектре излучения сохранится, но увеличится количество информации, получаемой об изображении объекта в пространстве вдоль оси х. Кроме того, анизотропность изображения также станет менее заметной. Аналогично длину развертки в системе, схема которой показана на рис.7.11, можно повысить заменой линейного линзового растра на точечный линзовый растр и установкой в плоскости выходного зрачка объектива 2 щелевой диафрагмы.

Рис.7.13. Изображение точечного растра Подобным образом найдем и техническое решение системы, относящейся к подклассу 1.4, например с использованием видеосредств. Если в системах, изображенных на рис.7.11 и 7.12, на месте светочувствительного материала установить фотокатод передающей телевизионной трубки, то передающая телевизионная камера преобразует трехмерный сигнал в одномерный, который может быть записан на магнитном носителе. При этом вдоль магнитного носителя будет осуществляться развертка изображения по переменной, укладка по первому разряду сигнала, дискретизированного линейным растром по переменной х, и укладка по второму разряду сигнала, дискретизированного телевизионной системой по переменной у. Запись целесообразно производить на магнитном диске с кольцевой разверткой и укладкой. Для воспроизведения цветного изображения экран черно-белого проекционного кинескопа должен быть помещен на место светочувствительного материала 5 и 8 на рис.7.11 и 7.12. Цветное изображение образуется на экране, установленном на месте объекта съемки.

Естественно, могут быть найдены и другие технические решения систем, относящихся к подклассам группы А. Их поиск, как было показано, облегчается приведенной классификацией и использованием известных устройств развертки, дискретизации и укладки. В ряде случаев они могут оказаться более подходящими для решения конкретных задач, чем известные системы.

Все рассмотренные выше системы (табл.7.1) пригодны не только для записи и воспроизведения изображений, воспринимаемых при наблюдении цветными, но и для проведения спектрального анализа в информационно-измерительной технике. Последний получил широкое распространение в химии, астрофизике, металлургии, при разведке руд и минералов и т.д. для качественного и количественного анализа веществ, основанного на исследовании спектров излучения и поглощения.

Таблица 7. Известные и возможные технические решения систем записи цветного изображения (групп а А) Класс Технические решения 1. С 3 Н 1 Р 1 Видео совместно с системой с призмой (рис.7.12) 3. С 3 Н 2 Р 2 Фотоаппарат с призмой и ли нейным растром (рис.7.12) 4. С 3 Н 2 Р 1 Фотоаппарат с призмой и точечным растром (рис.7.12 и 7.13) 6. С 3 Н 3 Р 3 Цветная фотография Г.Липпмана (рис.7.6) 7. С 3 Н 3 Р 2 Факсимильная система со световодом (рис.7.10) 8. С 3 Н 3 Р 1 Факсимильная система с жгутом волоконной оптики (рис.6.29) 7.4. СИСТЕМЫ С ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО ПЕРЕМЕННОЙ К данной группе (группа Б на рис.7.5) относятся в основном трехцветные системы. Технические решения почти всех систем, относящихся к этой группе, известны и получили применение на практике.

Как было показано в разд.7.1, любой цвет может быть создан смешением трех линейно независимых цветов К, З и С. Любой цвет также может быть получен смешением монохроматического излучения с белым. Однако белый свет состоит из смеси двух дополнительных цветов, поэтому и в этом случае количество параметров, определяющих цвет, равно трем. В принципе параметры цвета могут быть выбраны любыми, но всегда их количество равно трем. Количество параметров допустимо свести к двум, определяющим цветность излучения, и одному, определяющему его яркость. В цветной фотографии и в цветном кинематографе получили исключительное применение системы записи и воспроизведения информации о трех линейно независимых составляющих К, З и С цветного изображения. В кинотелевизионной технике и видеотехнике обычно производят запись одного сигнала яркости и двух сигналов цветности. Однако воспроизведение цветного изображения осуществляют также смешением трех основных цветов К, З и С.

Для воспроизведения физиологически точных цветных изображений в трехцветных системах необходимо обеспечить на входе и выходе системы вполне определенную фильтрацию изображений по световым частотам (или длинам волн). Данный вопрос будет рассмотрен ниже. В этом разделе ознакомимся с возможными вариантами построения трехцветных систем записи и воспроизведения цветного изображения.

В системах, относящихся к подклассам 3.2, 4.2, 4.3 и 5. (см.рис.7.5), запись цветного изображения осуществляется на черно белых панхроматических фотоматериалах.

На рис.7.14,а показана система записи цветного изображения, соответствующая подклассу 3.2. Три одинаковых фотографических объектива 3 изображают объект 1 в плоскости светочувствительного материала 4. Перед объективами установлены светофильтры 2, пропускающие красные (К), зеленые (З) и синие (С) лучи света, идущие от объекта. В результате получают три цветоделенных черно-белых негатива, с которых печатают три расположенных рядом диапозитива (рис.7.14,б).

Рис.7.14. Аддитивная система записи цветного изображения Воспроизведение цветного изображения осуществляется проекцией диапозитивов при помощи трех объективов с установленными перед ними красным, зеленым и синим светофильтрами на один экран. При освещении диапозитивов белым светом на экране возникает изображение, воспринимаемое зрителем цветным. Поскольку цветное изображение образуется сложением трех основных цветов, то данный метод цветной фотографии называется аддитивным.

В рассмотренной системе имеет место пространственный параллакс, проявляющийся в несоответствии друг другу цветоделенных изображений в тех случаях, когда объект имеет большую протяженность в глубину. Устранение данного недостатка в некоторых известных системах достигается путем последовательной съемки цветоделенных негативов через соответствующие светофильтры одним объективом. В других существующих системах используют светоделительные призмы или зеркала, которые направляют свет от одного объектива через красный, зеленый и синий светофильтры к светочувствительному материалу.

Рассмотренная система была предложена К.Максвеллом еще в середине века и послужила началом развития цветной фотографии. Аддитивный метод использовался в первых системах цветного кинематографа. Однако в последующем цветная многослойная фотопленка вытеснила аддитивный метод цветной фотографии. В настоящее время аддитивный метод цветной фотографии используется в полиграфической промышленности и в информационно-измерительной технике. Этот метод наиболее нагляден при анализе преобразований цветного изображения в процессе его записи и воспроизведения. Поэтому в дальнейшем он будет служить основой при формулировании требований к трехцветным системам записи и воспроизведения цветного изображения.


К подклассам 4.2 и 4.3 можно отнести растровый метод цветной фотографии с использованием линзовых линейных растров. Объектив 2 (рис.7.15,а) образует изображение объекта 1 на поверхности растра 4. За объективом установлены три светофильтра 3 (рис.7.15,а и б), пропускающие красные (К), зеленые (З) и синие (С) лучи света.

Линзы растра 4 образуют в плоскости черно-белой панхроматической фотопластинки 5 изображения светофильтров в виде узких полосок (рис.7.15,в), производя укладку дискретизированных по переменной изображений вдоль оси х носителя. После фотографической обработки диапозитив устанавливают за растром и освещают на просвет белым светом. Проекцию на экран осуществляет объектив, снабженный тремя светофильтрами, аналогичными примененным при съемке. На экране возникает изображение, воспринимаемое цветным.

Понятно, что в данном случае зрителю будет заметна анизотропия изображения. Для ее устранения в ряде систем использовали линзовые точечные растры.

Рис.7.15. Растровая система записи цветного изображения В системах с точечными растрами светофильтры располагают по секторам выходного зрачка объектива (рис.7.16,а). В плоскости фотопластинки за каждой линзой растра образуются изображения светофильтров (рис.7.16,б). В остальном запись и воспроизведение изображения производят так же, как и в системах с линейными растрами. Системы с точечными растрами относятся к подклассу 5.2.

Рис.7.16. Светофильтр (а) и его изображение (б) в плоскости светоч увствительного материала Рассмотренные системы получили практическое применение в кинематографе. Фирмами Кодак и Агфа выпускались 16-мм кинопленки “Кодаколор” и “Агфаколор”, на одной поверхности основы которых располагалась панхроматическая обращаемая эмульсия, а на другой - линзовый растр. При киносъемке и при кинопроекции пленка размещалась линзовой поверхностью к объективам, снабженным тремя светофильтрами. Шаг растра составлял 0,028 мм, а фокусное расстояние линз растра - 0,14 мм. В 1920-х годах растровый метод представлялся ряду специалистов наиболее перспективным для цветного кинематографа. Основным недостатком систем с линзовым растром является возможность воспроизведения цветного изображения только при проекции на экран либо при помощи специальных устройств, содержащих цветные светофильтры и обеспечивающих освещение диапозитивов с растрами при их рассматривании на просвет. Данный недостаток устранен в системах с цветными линейными или точечными растрами, образованными красным, зеленым и синим красителями, наносимыми в виде узких полосок или маленьких кружков на поверхность основы фотопленки. Поверх цветного растра поливается панхроматическая обращаемая эмульсия. Съемка производится обычными фотоаппаратами, в которых фотопластинка установлена основой к объективу. После фотографической обработки диапозитив освещается белым светом и рассматривается на просвет либо проецируется обычным диапроектором на экран. В способе “Дюфеколор” использовались регулярные точечные цветные растры с шагом 0,05 мм. В способе “Автохром” применялся нерегулярный “мозаичный” точечный цветной растр, образованный окрашенными зернами крахмала размером около 0,01 мм.

Общим недостатком систем с линзовыми и цветными растрами является сложность тиражирования фотографий и кинофильмов, а также пониженная по сравнению с черно-белой фотографией четкость получаемого изображения. Это послужило одной из основных причин вытеснения их многослойными цветными фотоматериалами.

К подклассам 7.4, 8.4, 8.5, 9.4 (см.рис.7.5) относятся так называемые субтрактивные системы записи цветного изображения.

Они основаны на использовании многослойных цветных фотоматериалов, гидротипии и цветных электрофотографических систем.

Многослойная цветная фотопленка совместима с черно-белой, поэтому позволяет производить запись, тиражирование и воспроизведение цветных изображений при помощи обычных приборов, предназначенных для записи, тиражирования и воспроизведения черно-белых изображений. Это является существенным достоинством рассматриваемой системы, которое обусловило ее широкое распространение в фотографии и кинематографе. Как и в обычном фотоаппарате, развертка изображения вдоль осей х и у осуществляется фотографическим объективом. Дискретизация по переменной достигается применением в фотопленке трех эмульсионных слоев К, З и С (рис.7.17), чувствительных к красному, зеленому и синему участкам спектра соответственно. Слои расположены друг над другом вдоль оси z носителя. Поскольку все три слоя чувствительны к коротковолновому излучению в силу естественной чувствительности галогенида серебра, над зелено- и красночувствительными слоями расположен желтый фильтровый слой 1, задерживающий коротковолновую (синефиолетовую) часть излучения. Слои расположены на основе 2, имеющей на обратной стороне противоореольный слой 3. При фотографической обработке желтый фильтровый слой обесцвечивается, а противоореольный слой химически выводится из фотопленки.

Рис.7.17. Строение цветной многослойной фотопленки Слои негативной фотопленки содержат краскообразующие компоненты, которые при цветном проявлении преобразуют скрытое фотографическое изображение в окрашенное в дополнительные цвета - в красночувствительном слое в голубой (Г), в зеленочувствительном слое в пурпурный (П), в синечувствительном слое в желтый (Ж). Если объект излучал синие лучи (рис.7.18), то будет экспонирован только синечувствительный слой негатива и при освещении фотографически обработанного негатива на просвет белым светом мы увидим желтое негативное изображение. Негатив зеленого цвета будет пурпурным, а красного - голубым. Позитивная цветная фотопленка устроена аналогично негативной. Поэтому после контактной или оптической печати и фотографической обработки диапозитив, освещенный белым светом, восстановит правильное позитивное цветное изображение. Следовательно, красители, образовавшиеся в слоях фотопленки, вычитают из спектра белого света “ненужные” составляющие. Поэтому данная система и получила название субтрактивной.

Рис.7.18. Образование дополнительных и основных цветов при освещении негатива и позитива белым светом Гидротипный метод основан на получении трех цветоделенных черно-белых негативов, снятых через красный, зеленый и синий светофильтры с последующей печатью с них трех рельефных позитивных матриц. Задубленные желатиновые рельефы матриц окрашиваются водорастворимыми красителями в цвета, дополнительные по отношению к цвету соответствующего светофильтра. После этого осуществляется перенос с каждой из матриц окрашенного изображения на специальную пленку “бланкфильм” или на бумагу с точным совмещением контуров трех изображений. В результате получают готовое позитивное цветное изображение. Для съемок трех исходных цветоделенных негативов требуется применение специальных фотоаппаратов или киносъемочных камер, поэтому с развитием многослойных цветных фотоматериалов рельефные позитивные матрицы стали печатать через соответствующие светофильтры с цветного многослойного негатива на черно-белую кино- или фотопленку.

Аналогично и в цветной электрофотографии на электрофотографический цилиндр последовательно через красный, зеленый и синий светофильтры записываются три цветоделенных изображения. Проявление осуществляется тонерами, имеющими цвет, дополнительный к цвету светофильтров. Перенос окрашенных изображений на бумагу производится последовательно, с точным совмещением контуров окрашенных изображений.

Все рассмотренные системы относятся к подклассу 7.4. Системы, относящиеся к подклассам 8.4 и 8.5, реализуемы аналогично факсимильной системе, показанной на рис.7.10. Отличие заключается в применении в приемном устройстве не фотопластинки 7 с ртутным зеркалом, а многослойного цветного фотоматериала. К подклассу 9.4 можно отнести факсимильную систему с использованием жгута волоконной оптики 2 (см.рис.6.29) с записью изображения в приемном устройстве не на черно-белом фотоматериале 4, а на многослойной цветной фотопленке.

В факсимильных системах подклассов 8.4, 8.5 и 9.4 обычно используют не световодные средства связи, а электрические с последовательной или одновременной передачей трех составляющих цветного изображения. В подобных системах применяют устройства, аналогичные черно-белым фототелеграфным аппаратам, рассмотренным в разд. 6. Они отличаются наличием цветоделения в передающем устройстве и синтезом цветного изображения в приемном.

Возможная схема системы с одновременной передачей красной, зеленой и синей составных частей изображения показана на рис.7.19.

Осветитель 1 передающего устройства освещает диафрагму 2 с малым отверстием. Объективы 3 и 4 совместно со светоделительной призмой 6 образуют изображение отверстия диафрагмы в плоскости цветного объекта 5. Свет, отраженный от объекта, направляется объективом 4 через призму 6 к дихроичным зеркалам 7 и 12, разделяющим световой поток на три части: красную, зеленую и синюю. Последние, пройдя красный 10, зеленый 9 и синий светофильтры, попадают на фотодатчики 11, 8 и 14. В результате возникают три электрических сигнала F к (t), F з (t) и F с (t), направляемых в канал связи 15.

Рис.7.19. Схема цветной факсимильной системы На выходе канала связи сигналы поступают на модуляторы света 25, 28 и 22 приемного устройства, перед которыми установлены красный 21, зеленый 24 и синий 29 светофильтры. Спектральные характеристики светофильтров согласованы со спектральной чувствительностью слоев многослойной цветной фотопленки 32.


Осветитель 16 освещает диафрагму 23 с малым отверстием.

Объективы 17 и 31 строят изображение диафрагмы на поверхности фотопленки 32. Параллельный световой пучок от объектива направляется дихроичными зеркалами 18, 19 и обычным зеркалом к красному, зеленому и синему светофильтрам. Световые потоки, прошедшие модуляторы света 25, 28 и 22, направляются дихроичными зеркалами 27, 30 и обычным зеркалом 26 к объективу 31.

Во время передачи и записи изображения объект 5 и фотоматериал 32 синхронно и синфазно перемещаются вдоль оси х (х), что обеспечивает передачу и развертку одной строки изображения. После этого как объект, так и фотоматериал перемещаются вдоль оси у (у), осуществляя дискретизацию изображения и укладку строк на носителе.

В приемных устройствах вместо источника белого света часто используют лазеры, излучающие красный, зеленый и синий свет, а развертку изображения осуществляют вращающимися зеркальными барабанами.

На рис.7.20 показана схема устройства, служащего для передачи цветных изображений объектов из труднодоступных мест. Световой поток от объекта 1, отразившись от зеркальной грани многогранного зеркального барабана 2 передающего устройства, попадает в объектив 3. Объектив 3 строит изображение объекта 1 в плоскости диафрагмы 4 с малым отверстием. За диафрагмой расположены дихроичные зеркала 6 и светоприемники 5, 7 и 8 с установленными перед ними соответственно красным, зеленым и синим светофильтрами. При передаче изображения зеркальный барабан вращается в направлении стрелки Б, перемещая по поверхности диафрагмы 4 изображение объекта вдоль оси х. При этом происходит считывание интенсивности трех составляющих цветного изображения вдоль одной строки. За время поворота барабана 2 на угловой размер одной грани диафрагма 4 перемещается в направлении стрелки А вдоль оси у на шаг дискретизации изображения. Электрические сигналы F к (t), F з (t) и F с (t) от фотоприемников 5, 7 и 8 подаются в канал связи 9.

Рис.7.20. Система передачи и записи цветных изображений тр уднодоступных объектов В приемном устройстве сигналы F к (t), F з (t) и F с (t) из канала связи 9 поступают на модуляторы света 13, установленные перед лазерами 10, 11 и 12, излучающими соответственно красный, зеленый и синий свет. Три световых потока от лазеров объединяются дихроичными зеркалами 14 и направляются к расширителю 15. Параллельный пучок света, исходящий из расширителя, отражается от грани многогранного зеркального барабана 18 и попадает в объектив 17.

Последний образует в плоскости многослойной цветной фотопленки 16 предельно малое цветное пятно. При вращении зеркального барабана 18 в направлении стрелки Б световое пятно перемещается вдоль оси х фотопленки 16, осуществляя запись одной строки изображения. За время поворота зеркального барабана на угловой размер одной грани фотопленка 16 перемещается в направлении стрелки А вдоль оси у на величину шага укладки строк. Вращение барабанов 2 и 18, а также перемещение диафрагмы 4 и фотопленки 16 происходят строго синхронно и синфазно. Излучение лазеров 10, 11 и 12 должно быть согласовано со спектральной чувствительностью слоев цветной многослойной фотопленки 16.

Рассмотренное приемное устройство часто называют фоторегистратором. В качестве передающего устройства может выступать передающая цветная телевизионная камера.

Рассмотренные устройства относятся к подклассам 8.4 и 8.5. Если сигнал передается в цифровой форме, то данные устройства будут принадлежать подклассу 9.4.

К подклассам 1.1, 1.2 и 2.1 относятся видеофотоаппараты, системы записи в телевидении слайдов и другие системы, обеспечивающие запись телевизионными средствами цветных неподвижных изображений. Поскольку в этих устройствах воспроизведение изображения, как правило, производится на экранах обычных цветных телевизоров, то рассмотрим вначале передачу цветного изображения в современном цветном телевидении (рис.7.21). При этом будем считать, что передается неподвижное цветное изображение.

Рис.7.21. Система цветного телевидения В цветной передающей телевизионной камере объектив (см.рис.7.21) строит изображения на фотокатодах трех черно-белых передающих трубок 3 (или на матрицах ПЗС). Свет от объектива направляется к трубкам дихроичными зеркалами 2, причем перед фотокатодами трубок установлены красный (R), зеленый (G) и синий (B) светофильтры. В результате на фотокатодах образуются три цветоделенных изображения, а трубки создают три телевизионных сигнала F R (t), F G (t) и F B (t), которые несут в себе информацию о красной, зеленой и синей составляющих цветного изображения.

После необходимых преобразований, передачи и обработки сигналы F R (t), F G (t) и F B (t) поступают на три раздельных электронных прожектора 6, расположенных в колбе 7 кинескопа.

Развертка по строкам и кадрам производится одной, общей для всех прожекторов, отклоняющей системой. Перед экраном кинескопа расположена маска 8, представляющая собой тонкую металлическую пластину с многочисленными малыми отверстиями для прохождения электронных пучков к люминофору, нанесенному на экран. Система рассчитана таким образом, что маска совместно с тремя электронными прожекторами обеспечивает попадание электронных потоков, исходящих из “красного”, “зеленого” и “синего” прожекторов, на участки люминофора, излучающие под действием электронного пучка соответственно красный, зеленый и синий свет.

При создании современной системы цветного телевидения ставилась задача совместимости цветного и черно-белого телевидения. Такая совместимость должна обеспечить возможность приема передач черно-белого телевидения на цветных телевизорах, а передач цветного телевидения на черно-белых телевизорах. Эта задача разрешима переходом от передачи сигналов трех основных цветов к передаче одного сигнала яркости и двух сигналов цветности (см.раздел 7.1). Известно, что смешением в определенных пропорциях трех сигналов основных цветов можно получить сигнал яркости F Y (t)=0,30F R (t)+0,59F G (t)+0,11F B (t), несущий информацию о черно-белом изображении. В принятом в настоящее время телевизионном стандарте предусмотрена передача не трех сигналов F R (t), F G (t) и F B (t), а сигнала яркости F Y (t) и двух цветоразностных сигналов:

F R - Y (t)=F R (t)-F Y (t)=0,70F R (t)-0,59F G (t)-0,11F B (t), F B - Y (t)=F B (t)-F Y (t)=0,89F B (t)-0,59F G (t)-0,30F R (t).

Из этих трех сигналов, полученных в передающем устройстве 4, в приемном устройстве 5 цветного телевизора могут быть найдены три исходных сигнала основных цветов:

F R (t)=F Y (t)+F R - Y (t);

F B (t)=F Y (t)+F B - Y (t);

F G (t)=(1/0,59)[F Y (t)-0,11F B (t)-0,30F R (t)], которые и подаются на вход цветного кинескопа.

Главной особенностью цветоразностных сигналов является то, что на белых и серых участках изображения они равны нулю, что сводит к минимуму влияние помех от цветоразностных сигналов на черно белое изображение. Что касается передачи деталей с малой насыщенностью, т.е. слабо окрашенных, то в этом случае цветоразностные сигналы не равны нулю, однако малы и не создают значительных помех при приеме цветного телевизионного сигнала на черно-белом телевизоре.

Из опыта известно, что по мере уменьшения размеров цветных деталей объекта их видимая цветовая насыщенность и различимость цвета становятся меньше. Меньше всего насыщенность и различимость снижаются для зеленых, а больше всего - для синих деталей объекта. Это означает, что мелкие синие и красные детали объекта кажутся серыми. Указанная особенность зрительного анализатора позволяет сократить полосу временных частот в спектре телевизионного сигнала, несущего информацию о синей и красной составляющих изображения. Если спектр сигнала яркости F Y (t), определяющего четкость изображения, в существующей телевизионной системе простирается до 6 МГц, то в спектре цветоразностных сигналов F R - Y (t) и F B- Y (t) достаточно иметь максимальную полосу частот 3 МГц. При этом наиболее точно цвет будет передан только на крупных деталях изображения.

Спектр сигналов цветности (цветоразностных сигналов) располагают в верхней части телевизионного спектра (рис.7.22,а), что обеспечивает наименее заметные зрителю помехи от цветоразностных сигналов при приеме на черно-белом приемнике.

Как было показано ранее (см.разд.6), сокращение полосы пропускания телевизионного канала приводит к снижению четкости изображения только вдоль оси х. Для того, чтобы анизотропия изображения была минимальной, необходимо одновременно со снижением точности передачи цвета мелких деталей вдоль оси х пропорционально снизить ее и вдоль оси у.

В принятой в нашей стране системе цветного телевидения SECAM цветоразностные сигналы F R- Y (t) и F B - Y (t) передаются поочередно: в течение одной строки - сигнал F R- Y (t), в течение следующей сигнал F B - Y (t) и т.д. В цветном телевизионном приемнике имеется линия задержки, позволяющая воспроизводить каждую строку из цветоразностных сигналов дважды - на соседних строках. Точность передачи цвета мелких деталей вдоль оси у при этом снижается пропорционально снижению ее вдоль оси х. Четкость же изображения при этом остается неизменной, поскольку определяется сигналом яркости F Y (t) с полным числом строк развертки.

Рис.7.22. Спектр телевизионного сигнала (а) и увеличенный участок спектра (б), иллюстрирующий перемежение спектров Наложение друг на друга спектров сигналов цветности и яркости, показанное на рис.7.22, неизбежно вызовет искажения обоих сигналов. Чтобы этого не произошло, сигналы яркости и цветности следует разделить и передавать раздельно. Однако с учетом особенностей спектра телевизионного сигнала удалось создать особую систему частотного уплотнения сигналов без расширения полосы пропускания канала. Рассмотрим этот важный вопрос более подробно.

В передающей телевизионной камере развертка изображения может быть построчная (прогрессивная) и чересстрочная (рис.7.23).

Рассмотрим вначале преобразование изображения в телевизионной системе при построчной развертке. Как и ранее, распределение чувствительности в считывающем элементе опишем функцией, обладающей круговой симметрией:

F э с (x,y)=F ma x exp[-N 2 (x 2 +y 2 )], (7.9) где F ma x - максимальное значение функции при х=у=0, N разрешающая способность системы считывания. Считаем, что диаметр считывающего элемента на уровне шума равен (рис.7.24,а) d=2/N. (7.10) Считывающий элемент движется вдоль оси х со скоростью V, поэтому в данный момент времени t описывается выражением F э с (x-Vt,y)=F ma x exp{-N 2 [(x-Vt) 2 +y 2 ]}.

(7.11) Рис.7.23. Построчная (а) и чересстрочная (б) развертки изображения Рис.7.24.Считывающий элемент (а), импульсная реакция (б) и ВЧХ (в) телевизионной системы Подадим на вход системы бесконечно малый в пространстве импульс F в х (x,y)=(x,y), находящийся в середине кадра на строке с у=0 (см.рис.7.23,а). При движении считывающего элемента вдоль данной строки возникает электрический сигнал, определяемый выражением F o (t)=F э с (x-Vt,y)(x,y)dxdy.

(7.12) Учитывая, что считывающий элемент описывается четной функцией, после подстановки (7.11) в формулу (7.12) и выполнения интегрирования находим F о (t)=F ma x exp[-(VNt) 2 ] или F о (t)=VNexp[-(VNt) 2 ]. (7.13) Данное выражение показывает нормированную временную импульсную реакцию передающего устройства.

Временную частотную характеристику (ВЧХ) системы находим преобразованием Фурье функции (7.13):

K т с ()=exp[-(/VN) 2 ].

(7.14) Скорость V движения считывающего элемента вдоль строки определяется частотой с кадров, количеством строк z разложения изображения и форматом k кадра. По существующему стандарту в телевидении с =25 кадр/с, z=625, k=4/3. Время перемещения считывающего элемента вдоль строки на величину высоты h к кадра будет равно 1/( с zk)=3/(256254)=1/20833,33 c, а скорость его движения V=20833,33 h к /c.

Если принять диаметр d считывающего элемента равным 2Y*, то в соответствии с формулой (7.10) N=2/d=1/Y*=625h к - 1, а VN=625 h к - 1 20833,33 h к /c=13020625 Гц13 МГц.

Временная импульсная реакция и ВЧХ будут иметь вид, показанный на рис.7.24,б и в. Видеоканал в современной телевизионной системе имеет полосу пропускания до 6 МГц, поэтому ВЧХ всей системы будет ограничена данной частотой, как это показано на рис.7.24,в.

Импульсные реакции F о (t) следуют друг за другом с частотой к кадров (рис.7.25,а), поэтому в телевизионном канале они образуют последовательность F о (t-n/ к )=F о (t-n/25)=VNexp{-[VN(t-n/25)] 2 }, F o т с (t)= n=- n=- n= которую можно представить в виде свертки функции F o (t) с последовательностью дельта-функций:

F о т с (t)=F o (t)(t-n/ к )=VNexp[-(VNt) 2 ](t-n/25).

(7.15) n=- n= Рис.7.25. Телевизионный сигнал (а) и его спектр (б) при построчной развертке Cпектр телевизионного сигнала в соответствии с теоремой свертки будет равен произведению преобразований Фурье от сворачиваемых функций:

S т с ()=exp[-(/VN) ](-25n)25= n= =K тс ()(-25n)25. (7.16) n= На рис.7.25,б показан (в утрированном виде) спектр телевизионного сигнала. Из рисунка следует, что спектр дискретный, линейчатый, состоит из ряда импульсов, отстоящих друг от друга на интервалах к =25 Гц и ограниченных ВЧХ К т с ().

Спектр, показанный на рис.7.25,б, имеет место в том случае, когда входной импульс F в х (x,y)=(х,у) неподвижен. При движении импульса вдоль оси х в направлении перемещения считывающего элемента интервалы между импульсными реакциями F о (t) увеличиваются, а частота их следования становится ниже частоты кадров к =25 Гц. Вследствие этого интервалы между соседними импульсами во временном спектре (рис.7.25,б) станут несколько меньше к. Обратная картина будет иметь место при движении входного импульса в противоположном направлении. Аналогично и при движении входного импульса вдоль оси у интервалы между импульсами в спектре сигнала несколько изменяются. Таким образом, при передаче движущихся изображений спектр телевизионного сигнала оказывается подвижным и как бы размытым в спектральном пространстве. Эта размытость будет тем больше, чем выше скорость движения изображения. Однако в данном случае, рассматривая передачу неподвижных изображений, будем считать, что спектр телевизионного сигнала неподвижен и имеет вид, показанный на рис.7.25,б.

С целью устранения мельканий изображения в современном телевизионном стандарте предусмотрена чересстрочная развертка (см.рис.7.23,б). При этом количество строк и частота кадров сохраняются, но каждый кадр состоит из двух полей, содержащих по 312,5 строк. Строки одного поля (показаны на рис.7.23,б одной стрелкой) находятся между строк второго поля (показаны двумя стрелками). Частота строк с т р, как и при построчной развертке, будет равна с т р =25625=15625 Гц.

Положим, что считывающий элемент при чересстрочной развертке описывается той же функцией (7.9), как и при построчной развертке.

На вход системы в данном случае необходимо подать не один, а два импульса, один из которых должен принадлежать одному, а другой другому полю кадра. Для этого входные импульсы следует расположить в середине кадра на соседних строках, относящихся к двум полям, как это показано на рис.7.23,б. За период кадра считывающий элемент в данном случае выдаст не один, а два отклика, которые являются импульсной реакцией системы.

Интервалы между соседними импульсами не будут одинаковыми, что объясняется нечетным количеством строк в кадре. Путь прохождения считывающего элемента между входными импульсами первого и второго полей будет отличаться на одну строку от его пути между импульсами второго и третьего полей. В результате интервалы между откликами составят 312/15625 и 313/15625 с (рис.7.26,а). В сумме же они будут равны периоду смены кадров, т.е. 1/25 с. Будем считать, что импульсная реакция кадра состоит из двух откликов, расположенных на интервалах 156/15625 с от начала координат.

Тогда, с учетом нормирования, импульсную реакцию системы опишет выражение F o (t)=(VN/2)exp{-[VN(t-156/15625)] 2 }.

Рис.7.26. Телевизионный сигнал (а) и его спектр (б) при чересстрочной развертке Поскольку импульсная реакция повторяется через каждые 1/25 с, то отклики в телевизионном сигнале будут определены сверткой F о т с (t)=(VN/2)exp{-[VN(t-156/15625)] }(t-n/25).

(7.17) n= Спектр же телевизионного сигнала находим на основе частной теоремы смещения (см.Приложение):

S т с ()=exp[-(/VN) ]cos2(156/15625)(-25n)25= n =- =K тс ()cos2(156/15625)(-25n)25.

(7.18) n= На рис.7.26,б в утрированном виде представлен модуль спектра S т с () телевизионного сигнала, в котором все импульсы показаны положительными.

Из выражения (7.18) и рис.7.26,б следует, что, как и при построчной развертке, спектр ограничен временной частотной характеристикой К т с () передающей телевизионной системы и состоит из импульсов, следующих через интервалы, равные частоте к кадров. В отличие от построчной развертки, в спектре явно выражены частоты, кратные частоте строк с т р, возле которых сгруппированы импульсы, расположенные на интервалах, равных частоте 2 к полей. Импульсы соседних групп (показаны кружками и точками) перемежаются, поскольку они сдвинуты относительно друг друга на интервалы, равные частоте кадров. Частота =25 Гц, в отличие от построчной развертки, почти полностью подавлена, и минимальной частотой в спектре телевизионного сигнала является частота полей, т.е. 50 Гц. Постоянная составляющая, определяющая среднюю яркость изображения на экране кинескопа, в существующей телевизионной системе закодирована и передается в сигналах служебной информации.

Найденный спектр телевизионного сигнала показывает предельный случай, когда на вход подан импульс, описываемый дельта-функцией. Последний, как известно, имеет спектр, равный единице для всех частот. Спектр сигнала для любого конкретного изображения не может превышать найденный спектр - он всегда будет расположен ниже его. Однако структура телевизионного спектра, показанная на рис.7.26,б, сохранится. Спектр всегда будет линейчатым с интервалами между импульсами, равными частоте кадров.

Из сопоставления спектров телевизионного сигнала при чересстрочной и построчной развертках (рис.7.25,б и 7.26,б) следует, что при чересстрочной развертке временные частоты, казалось бы, подавляются более интенсивно, чем при построчной. Однако это не так. Различия в спектрах вызваны лишь тем, что при построчной развертке на вход подается один импульс на кадр, а при чересстрочной - два импульса на кадр. Если в системе с построчной разверткой подать два импульса, сдвинутых по вертикали кадра на 312 строк, то спектр будет иметь точно такой же вид, как и в системе с чересстрочной разверткой. Аналогично, если на вход системы с чересстрочной разверткой на вход подать лишь один импульс, то спектр телевизионного сигнала будет точно такой же, как и при построчной развертке. Однако это не будет правомерным, поскольку, в отличие от системы с построчной разверткой, в системе с чересстрочной разверткой передается за период смены кадров фактически два различных изображения. Если не учитывать частичной дополнительной потери информации при чересстрочной развертке на обратный ход считывающего элемента при кадровой развертке (см.разд.6.5), то можно утверждать, что при прочих равных условиях передача информации о неподвижном изображении в обоих случаях совершенно одинакова. Отличия, причем довольно значительные, будут иметь место при передаче движущегося изображения, как это будет показано ниже.

Поскольку спектры телевизионного сигнала дискретны, то, казалось бы, они, не заполняя полностью спектральное пространство, должны приводить к потере информационной емкости системы.



Pages:     | 1 |   ...   | 8 | 9 || 11 | 12 |   ...   | 16 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.