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 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 16 |

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

-- [ Страница 11 ] --

Однако, как было показано ранее (см.разд.2), спектр ограниченного в сигнальной области сигнала протяженностью Х может быть полностью описан его значениями, взятыми через интервалы 1/Х. В нашем случае при передаче неподвижного изображения телевизионный сигнал несет полную информацию о нем в течение периода смены кадров Т с =1/25 с. Следовательно, длительность (протяженность) сигнала равна времени кадра Т с, поэтому его спектр полностью описывают значения, взятые в спектральном пространстве через интервалы с =1/Т с. В энергетическом смысле дискретность спектра объясняется тем, что в спектральном пространстве в импульсах, следующих через интервалы к, сосредоточена энергия колебаний из окружения импульса в пределах к /2.

Дискретность телевизионного спектра открывает возможность передачи в телевизионном сигнале дополнительной информации. В черно-белых видеофотоаппаратах, при записи сигнала на кольцевых дорожках магнитных дисков, эта возможность совершенно не используется. Действительно, воспроизведение изображения на экране телевизора осуществляется вращением диска с повторением одной и той же записи с частотой, равной частоте телевизионных кадров. Поэтому импульсы в спектре изображения неподвижны, а спектр сигнала имеет вид, аналогичный показанному на рис.7.25,б или 7.26,б. В черно-белом же телевидении передается информация о движущемся изображении. Как было показано выше, в данном случае импульсы в телевизионном спектре получают некоторую “размытость” и заполняют межимпульсные промежутки, причем тем более, чем выше скорость движения изображения. Если бы между импульсами в спектре телевизионного сигнала не было промежутков, то передать в телевизионном сигнале информацию о движущемся изображении было бы невозможно.

В большинстве случаев скорость движения изображения, передаваемого в телевидении, невелика и “размытые” импульсы не заполняют полностью промежутки между собой. Поскольку структура спектров сигналов яркости и цветности аналогичны, то и было предложено осуществить передачу сигналов цветного телевидения путем частотного уплотнения с перемежением спектров.

Последнее заключается в том, что импульсы в спектре сигналов цветности располагают в промежутках между импульсами в спектре сигнала яркости (см.рис.7.22,б). Подобным образом была решена задача создания системы цветного телевидения, совместимой с черно-белым телевидением, без расширения полосы пропускаемых частот.

Современная система цветного телевидения позволяет не только осуществлять прием черно-белых и цветных передач как на черно белом, так и на цветном телевизоре, но и использовать для записи цветного изображения обычные черно-белые видеомагнитофоны.

Однако запись цветного изображения создает некоторые особые затруднения, отсутствующие при записи черно-белого изображения.

Рассмотрим этот вопрос на конкретных примерах.

Ранее было показано (см.разд.2), что в связи с большим интервалом частот от 50 Гц до 6 МГц (рис.7.27,а) в спектре телевизионного сигнала осуществить прямую магнитную видеозапись невозможно. Относительное сжатие частотного диапазона телевизионного сигнала достигается применением узкополосной частотной модуляции с индексом модуляции =0,1...0,2. При таком малом значении ширина спектра частотно модулированного сигнала будет примерно такой же, как и при амплитудной модуляции. Отношение сигнал/шум также имеет небольшое значение, но система менее чувствительна к паразитной амплитудной модуляции. Последняя возникает в результате случайного изменения зазора между головкой и лентой, возможных случайных смещений головки воспроизведения относительно дорожки записи и т.п., которые при больших скоростях развертки могут быть во много раз большими, чем при записи звука.

Рис.7.27. Спектр телевизионного сигнала Частотную модуляцию осуществляют таким образом, чтобы минимальная временная частота в спектре модулированного сигнала составляла 0,5...1,0 МГц. Для этого несущая частота н должна быть равна (см.разд.2) н = ma x + н +(0,5...1,0), где ma x - максимальная частота в спектре телевизионного сигнала, 2 н - полоса девиации. Примем н =1 МГц, что даст = н / ma x =1/6. Будем считать также, что минимальная частота в спектре сигнала должна составить 0,5 МГц (рис.7.27,б). Тогда несущая частота будет равна н =6+1+0,5=7,5 МГц.

Максимальная частота в спектре модулированного сигнала составит н + н + ma x =7,5+1+6=14,5 МГц.

Следовательно, максимальная частота в спектре модулированного сигнала будет превышать ее минимальное значение всего лишь в 14,5/0,5=29 раз. Однако при этом максимальная частота телевизионного сигнала возрастет более чем в два раза. Полосу частот можно сократить, используя однополосную частотную модуляцию. В рассмотренном случае за счет частичного подавления верхней боковой полосы максимальную частоту в спектре сигала можно снизить с 14,5 до 8,5...9,0 МГц. Это возможно осуществить лишь в том случае, когда видеомагнитофон используется для записи сигнала только черно-белого изображения. Как было показано выше, спектр сигнала цветности располагают в верхней части спектра телевизионного сигнала, поэтому при подавлении верхней боковой полосы будет подавлен и спектр сигнала цветности. Вследствие сказанного, для записи сигнала цветного изображения могут быть использованы только черно-белые видеомагнитофоны, в которых верхняя боковая полоса в спектре видеосигнала не подавляется.

Для сокращения полосы пропускания во многих профессиональных и особенно бытовых видеомагнитофонах полный цветной видеосигнал предварительно разделяется на сигнал яркости и сигнал цветности. Несущую частоту сигнала яркости выбирают с таким расчетом, чтобы спектр частотно модулированного сигнала не содержал слишком низких частот. Затем путем обычного частотного уплотнения в низкочастотном участке спектрального пространства располагают спектр частотно модулированного сигнала цветности, а верхнюю боковую полосу в спектре сигнала яркости несколько подавляют. В результате удается сократить требуемую полосу пропускания системы записи. Например, в одном из бытовых видеомагнитофонов область девиации в спектре S я () сигнала яркости располагают в пределах 4,2...5,4 МГц (рис.7.28), причем верхнюю боковую полосу в спектре сигнала яркости частично подавляют. Спектр S ц () частотно модулированного сигнала цветности располагают в пределах 0,3...1,3 МГц. В интервале частот между спектром сигнала яркости и спектром сигнала цветности размещают спектр S з () частотно модулированного звукового сигнала. В результате максимальная частота в спектре телевизионного сигнала не превышает 6 МГц.

Рис.7.28. Спектр видеосигнала бытового видеомагнитофона Рассмотренные две системы записи цветного видеосигнала с частотным уплотнением с перемежением спектров и с обычным частотным уплотнением называются системами композитной видеозаписи цветного видеосигнала. Они позволяют объединить в одном видеосигнале информацию о яркости и цветности изображения. Запись производится на одной дорожке вдоль одного измерения носителя.

Получили также применение системы раздельной записи трех сигналов основных цветов F R (t), F G (t) и F B (t) или сигналов яркости F я (t) и цветности F ц (t). Подобная запись производится на три или две раздельные дорожки на носителе и получила название компонентной видеозаписи цветного видеосигнала.

Следует отметить, что в воспроизводимом на экране цветного кинескопа изображении возникают специфические искажения, вызванные дискретизацией изображения по переменной у. Поскольку сигналы цветности в существующем телевизионном стандарте воспроизводятся дважды на соседних строках, то частота дискретизации вдоль оси у для этих сигналов снижается в два раза. В результате искажения как первого, так и второго рода возрастают.

Наиболее характерным проявлением искажений первого рода является цветной муар, особенно заметный при передаче изображений объектов, содержащих периодические структуры, например клетчатые цветные костюмы актеров. Искажения второго рода проявляются в заметной ступенчатости краев ярко окрашенных структур, которая особенно подчеркивается межстрочными мельканиями.

Искажения вносят также и масочные цветные кинескопы. Маски кинескопа осуществляют передискретизацию изображения, в результате которой в изображении могут возникнуть не только сюжетные, но и так называемые растровые муары. В существующих цветных кинескопах получили применение в основном точечные и штриховые маски, структура которых показана на рис.3.37,г и 3.37,д соответственно. Оба вида масок являются гексагональными с шагом дискретизации вдоль оси у равным Y* р. Устранение возможности появления растрового муара достигается либо подавлением всех частот, больших половины частоты телевизионного растра в спектре электронного “изображения” на поверхности маски, либо изготовлением маски с шагом Y* р, в два раза меньшим шага телевизионного растра. Первый путь ведет к снижению четкости изображения, а второй - вызывает технологические сложности в изготовлении как масок, так и кинескопов. Лучшие результаты дают штриховые маски. Полностью устраняется растровый муар в так называемых кампланарных кинескопах, в которых маска заменена фокусирующей сеткой, составленной из вертикальных проволочек.

Такая сетка подобна линейному решетчатому растру (рис.3.39,а).

Естественно, шаг сетки должен быть равен шагу телевизионного растра.

Таким образом, если получаемое в цветном видеофотоаппарате изображение предназначено для воспроизведения на экране стандартного телевизора, то его запись может осуществляться либо композитным, либо компонентным способом, но обязательно с учетом существующего телевизионного стандарта. Если же получаемое изображение предназначено для ввода в компьютер, то параметры системы могут не соответствовать существующему телевизионному стандарту, но преобразования цветного изображения при его записи и воспроизведении принципиально не отличаются от рассмотренных.

Видеофотоаппарат, предназначенный для записи цветного изображения, в отличие от черно-белого, содержит либо три матрицы ПЗС, либо одну матрицу с наложенным на нее цветным растром, осуществляющим цветоделение.

В цифровом телевидении существующего стандарта (625 строк) частота дискретизации сигнала яркости Y принята равной 13,5 МГц, а обоих цветоразностных сигналов R-Y и D-Y по 6,75 МГц. Скорость записываемого цифрового потока видеоинформации при 8-битном квантовании составляет С=(13,5+26,75)8=216 Мбит/с.

Еще больший цифровой поток возникает при передаче и записи сигналов цифрового телевидения высокой четкости, где частота дискретизации сигнала яркости равна 74,25 МГц, а цветоразностных сигналов - по 37,125 МГц. При 8-битовом кодировании это требует передачи и записи цифрового потока С=1188 Мбит/с.

Подобные цифровые потоки трудно записать, поскольку требуются большие скорости записи и большая информационная емкость носителя. Снижения записываемого цифрового потока добиваются сжатием (компрессией) записываемого сигнала.

Аналогично и в цветной цифровой фотографии записываемый цифровой поток удваивается по сравнению с потоком, записываемым, при прочих равных условиях, в черно-белой цифровой фотографии. Вследствие этого, например, на стандартном гибком магнитном диске возможно записать уже не 6, а всего лишь цветные фотографии (см. разд.6.6).

В табл.7.2 приведена классификация трехцветных систем записи цветного неподвижного изображения, рассмотренных в данном разделе.

Таблица 7. Известные технические решения систем записи цветного изображения (группа Б) Класс Техническое решение 1. С 3 Н 1 Р 1 Цветной видеофотоаппарат 2. С 3 Н 1 Р 0 Цифровой цветной видеофотоаппарат 3. С 3 Н 2 Р 2 Аддитивный метод цветной фотографии (рис.7.14) 4. С 3 Н 2 Р 1 Растровая фотография с линейным растром (рис.7.15) 5. С 3 Н 2 Р 0 Растровая фотография с точечным растром (рис.7.16) 7.С 3 Н 3 Р 2 Фотография с цветной многослойной фотопленкой (рис.7.17) 8.С 3 Н 3 Р 1 Факсимильная система (рис.7.19, 7.20) 9. С 3 Н 3 Р 0 Цифровая факсимильная система (рис.7.19, 7.20) 7.5. УСЛОВИЕ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ ТОЧНОГО ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Как было показано в разд.7.3, в системах записи цветного изображения с разверткой по переменной принципиально возможно воспроизвести спектр излучения объекта съемки. Если разрешение по длинам волн составит более 2 нм, то будут воспроизведены все монохроматические спектральные и чистые пурпурные цвета объекта, а тем более и все возможные хроматические и ахроматические цвета. Такие цветные изображения можно считать как физически, так и физиологически точными. Если разрешение по длинам волн меньше 2 нм, то система обеспечит правильную передачу цветового тона, но насыщенность цвета в изображении будет меньше, чем у объекта. Воспроизводимое изображение в данном случае следует считать лишь психологически точным.

В трехцветных системах ставится задача воспроизведения не объективно существующего оптического спектра объекта, а лишь субъективно воспринимаемого зрительным анализатором его цвета.

Вследствие этого параметры системы записи и воспроизведения изображения должны быть достаточно точно согласованы со свойствами зрительного анализатора. Воспроизводимое изображение в лучшем случае может быть лишь физиологически точным.

Поскольку зрительный анализатор имеет три цветоощущающих центра, то в любом варианте построения системы на входе должны быть получены три цветоделенных изображения. Каждое цветоделенное изображение в идеале должно содержать в себе такую же информацию о цвете объекта, которую получает каждый цветоощущающий центр зрительного анализатора при наблюдении реального объекта. На выходе система должна обеспечить воспроизведение трехцветного изображения таким образом, чтобы каждый цветоощущающий центр воспринял только то цветоделенное изображение, которое предназначено для него. Преобразования, осуществляемые на входе системы, назовем анализом цветного изображения, а на выходе системы - синтезом цветного изображения.

Рассмотрим анализ и синтез цветного изображения в аддитивной системе, схема которой показана на рис.7.14. Положим, что оптический спектр излучения объекта определяет функция F(), а спектральные характеристики светофильтров К, З и С фотоаппаратов описывают функции F к o (), F з o () и F с o (). Как и ранее, будем считать, что спектральная чувствительность светочувствительного материала равна единице в пределах длин волн от 400 до 700 нм и нулю вне этих пределов. Кроме того, опустим здесь и в дальнейшем изложении материала постоянные коэффициенты. Тогда экспозицию в трех фотоаппаратах будет определять полный фотоактиничный поток, который находим из выражений 700 700 к к з з F с =F()F с о ()d.

F =F()F о ()d, F =F()F о ()d, (7.19) 400 400 Поскольку нами принято, что фотографический процесс достаточно линеен, то можно считать, что выражения (7.19) определяют не только экспозицию, но и коэффициент пропускания соответствующих участков диапозитивов, полученных в результате съемки.

Для того, чтобы обеспечить равенство воздействия излучения с оптическим спектром F() на цветоощущающие центры и на фотоматериал в трех фотоаппаратах, необходимо выполнить условия F к =B к, F з =B з, F с =B с. (7.20) Из сопоставления равенств (7.19) и (7.2) следует, что данные условия выполнимы в том случае, когда F к о ()=B к о (), F з о ()=В з о (), F с о ()=B с о (), (7.21) т.е. спектральные характеристики светофильтров фотоаппаратов подобны выбранным кривым сложения зрительного анализатора.

Примем за основу кривые сложения Райта (см.рис.7.2,а). На рис.7. показан спектр объекта, кривые спектральных характеристик фотоаппаратов и коэффициенты пропускания участков диапозитива.

Рис.7.29. Модель записи и воспроизведения цветного изображения в идеализированной аддитивной системе Рассмотрим, при каких условиях зритель воспримет цвет изображения на экране таким же, как и цвет реального объекта.

Пусть светофильтры в диапроекторах имеют спектральные характеристики, описываемые функциями F к п о (), F з по () и F с п о ().

Тогда оптические спектры светового потока каждого диапроектора (показаны на рис.7.29 штриховыми линиями) будут пропорциональны выражениям F к п ()=F к F к п о (), F з п ()=F з F з п о () F с п ()=F с F с п о ().

и (7.22) На экран осуществляют проекцию одновременно все три диапроектора, поэтому при просмотре зрителем изображения интенсивности В к 1, В з 1 и B с 1 излучения, воспринимаемые его цветоощущающими центрами, будут пропорциональны:

700 700 700 B к 1 =F к F к п о ()B к о ()d+F з F з п о ()B к о ()d+F с F с п о ()B к о ()d;

400 400 700 700 з к к з з з з с F с п о ()B з о ()d;

B 1 =F F F п о ()B о ()d+F п о ()B о ()d+F (7.23) 400 400 700 700 с к к с з з с с F с п о ()B с о ()d.

B 1 =F F F п о ()B о ()d+F п о ()B о ()d+F 400 400 Из выражений (7.23) и рис.7.29 следует, что каждый из цветоощущающих центров воспримет не только изображение, предназначенное для него, но и частично изображения, предназначенные для других центров, которые он не должен был “видеть”. Последнее приведет к искажению цветопередачи и снижению насыщенности воспроизводимых цветов.

Для устранения этих искажений следует проекцию осуществить так, чтобы каждый цветоощущающий центр воспринял изображение, предназначенное только для него. Это осуществимо в том случае, когда светофильтры диапроекторов будут узкополосными и будут пропускать свет с длинами волн 650, 530 и 460 нм, на которых построены кривые сложения Райта. В предельном случае оптические спектральные характеристики светофильтров диапроекторов должны определяться дельта-функциями:

F к п о ()=(-650);

F з п о ()=(-530);

F с п о ()=(-460).

(7.24) Подставив выражения (7.24) в формулы (7.23) и выполнив интегрирование, имеем В к 1 =F к B к о (650)+F з B к о (530)+F с B к о (460);

B з 1 =F к B з о (650)+F з B з о (530)+F с B з о (460);

B с 1 =F к B с о (650)+F з B с о (530)+F с B с о (460).

Из рис.7.2,а следует, что В к о (650)=1;

В к о (530)=0;

В к о (460)=0;

В з о (650)=0;

В з о (530)=1;

В з о (460)=0;

В с о (650)=0;

В с о (530)=0;

В с о (460)=1, поэтому В к 1 =F к ;

B з 1 =F з ;

B с 1 =F с.

С учетом выражений (7.20) и (7.21) приходим к результату В к 1 =В к ;

В з 1 =В з ;

В с 1 =В с, из которого следует, что неискаженная цветопередача будет тогда, когда на выходе системы применены строго монохроматические светофильтры, оптические спектральные характеристики которых выражаются функциями (7.24).

Таким образом, трехцветная система может воспроизвести физиологически точное цветное изображение только тогда, когда на входе системы применены светофильтры, имеющие оптические спектральные характеристики, подобные выбранным кривым сложения, построенным на излучениях, аналогичных излучениям источников, образующих синтез цветного изображения. Данное условие воспроизведения физиологически точного цветного изображения было сформулировано впервые К.Максвеллом и развито далее Н.Д.Нюбергом. Оно базируется на предположении о том, что кривые оптической спектральной чувствительности цветоощущающих центров зрительного анализатора подобны выбранным кривым сложения. Последнее, как было показано выше, пока не получило должного как теоретического, так и экспериментального подтверждения. Тем не менее опыт показывает, что наилучшие результаты дают трехцветные системы, удовлетворяющие условию К.Максвелла - Н.Д.Нюберга. Это условие выполняется достаточно полно в цветном телевидении и отчасти в цветной фотографии и кинематографе.

7.6. О ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ ТОЧНЫХ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Основной трудностью реализации систем, обеспечивающих воспроизведение физиологически точного цветного изображения, является то, что оптические спектральные характеристики светофильтров на входе системы должны быть подобны кривым сложения зрительного анализатора. Поскольку кривые сложения, построенные на реальных излучениях, всегда имеют отрицательные ветви, то и спектральные характеристики светофильтров (см.рис.7.14) для определенных длин волн должны иметь отрицательные значения, что нереализуемо. Покажем, что можно косвенным путем имитировать действие светофильтров, которые для одних длин волн имеют положительные, а для других отрицательные коэффициенты пропускания. Данная имитация базируется на том, что получаемый в результате фотографирования негатив имеет коэффициенты пропускания обратно пропорциональные по отношению к величине экспозиции при фотосъемке, а окончательный результат фотографирования - диапозитив, наоборот, имеет коэффициенты пропускания прямо пропорциональные величине экспозиции негатива.

Пусть оптический спектр участка входного изображения описывает функция F() (рис.7.30), а для записи физиологически точного цветного изображения один из фотоаппаратов (предназначенный для записи синего цветоделенного изображения) должен иметь светофильтр с оптической спектральной с характеристикой, описываемой функцией F о (). В пределах длин волн от 400 до 530 нм эта функция положительна, а в области длин волн от 530 до 650 нм - отрицательна (см.рис.7.30). Если бы светофильтр с такой оптической спектральной характеристикой был реализован, то экспозиция при съемке, а следовательно, и коэффициент пропускания участка диапозитива были бы пропорциональны:

c F()F c o ()d.

F= (7.25) (Как и прежде, считаем, что оптическая спектральная чувствительность негатива и позитива равна единице).

Представим интеграл выражения (7.25) в виде суммы интегралов:

530 Fс= F()F с о ()d+ F()F с о ()d.

(7.26) 400 Рис.7.30. Оптический спектр входного изображения и оптическая спектральная характеристика светофильтра одного из фотоаппаратов Первый интеграл в правой части равенства всегда положителен, поскольку значения функций F() и F с о () в пределах интегрирования положительны;

второй же интеграл отрицателен, поскольку значения функции F с о () в пределах интегрирования отрицательны.

Построим для участка оптической спектральной характеристики в области длин волн от 530 до 650 нм вспомогательную симметричную относительно оси О ветвь, показанную на рис.7. штриховой линией и выраженную функцией F с в (), причем F с в ()=-F с о ().

(7.27) Поскольку значения F с в () в пределах длин волн от 530 до 650 нм положительны, то светофильтр с такой оптической спектральной характеристикой оказался физически реализуемым. В соответствии с формулами (7.26) и (7.27) имеем 530 Fс= F()F с о ()d F()F с в ()d.

(7.28) 400 Таким образом, вместо одного мы получили два светофильтра:

первый пропускает свет в пределах длин волн от 400 до 530 нм, а второй - в пределах от 530 до 650 нм, причем оба светофильтра физически реализуемы. Однако для реализации всей системы нам необходимо записать одно цветоделенное изображение в двух фотоаппаратах А и Б (рис.7.31,а). Первый должен иметь светофильтр 1 с оптической спектральной характеристикой, описываемой функцией F с о (), - в нем мы получаем основной негатив 2;

второй должен иметь светофильтр 3 с оптической спектральной характеристикой, описываемой функцией F с в (), - в нем мы получаем вспомогательный негатив 4.

Рис.7.31. Внешнее параллельное маскирование Формула (7.28) показывает, что для имитации действия светофильтра с отрицательной ветвью оптической спектральной характеристики коэффициент пропускания цветоделенного диапозитива, отпечатанного с основного негатива, должен быть уменьшен на величину, определяемую вторым слагаемым в правой части равенства. Этого можно добиться двумя способами.

Первый основан на том, что с вспомогательного негатива 4 (см.

рис.7.31,а) печатают слабый вспомогательный диапозитив-маску 5.

Затем, сложив основной негатив 2 с вспомогательным диапозитивом 5, печатают с них цветоделенный диапозитив 6. В результате, по мере увеличения интенсивности излучения объекта в зоне длин волн, лежащих в пределах действия вспомогательного светофильтра 3, коэффициент пропускания маски 5 будет увеличиваться. Это приведет к увеличению суммарного коэффициента пропускания сложенных вместе основного негатива и маски, а следовательно, и к уменьшению коэффициента пропускания соответствующих участков полученного цветоделенного диапозитива 6.

Второй способ основан на том, что с вспомогательного негатива (рис.7.31,б) печатают достаточно плотный вспомогательный диапозитив (маску) 5. После печати с основного негатива цветоделенного диапозитива 6, на него же (до фотографической обработки) производят дополнительную печать через маску 5. Это также приводит к некоторому уменьшению коэффициента пропускания цветоделенного диапозитива.

Изложенные два способа называют внешним параллельным маскированием. Первый способ эквивалентен сложению плотностей основного негатива и маски, он позволяет лишь приближенно выполнить равенство (7.28). Второй способ эквивалентен сложению интенсивностей излучения, или, что равноценно этому, коэффициентов пропускания основного негатива и маски. Он позволяет более точно выполнить равенство (7.28).

В результате внешнего параллельного маскирования получают эквивалентную спектральную характеристику F с э к в () (рис.7.31,в) светофильтра фотоаппарата, предназначенного для получения синего цветоделенного диапозитива. Аналогичным образом реализуют эквивалентные спектральные характеристики фотоаппаратов, предназначенных для получения зеленого и красного цветоделенных диапозитивов. Поскольку кривые сложения Райта имеют четыре отрицательные ветви (см.рис.7.2,а) и одну дополнительную положительную ветвь, то для получения трех цветоделенных диапозитивов при внешнем параллельном маскировании необходимо изготовить как минимум четыре маски. Следовательно, для съемок требуется уже не три, а семь фотоаппаратов, что в значительной степени затрудняет реализацию системы.

Вследствие этого был предложен процесс с внешним перекрестным маскированием. Он заключается в том, что соответствующим образом подбирают оптические спектральные характеристики светофильтров для записи трех основных цветоделенных негативов, с которых в дальнейшем печатают маски.

Данный процесс иллюстрирует рис.7.32.

Светофильтры, используемые для получения основных негативов, имеют оптические спектральные характеристики F к о (), F з о () и F с о () без отрицательных ветвей (рис.7.32,а), поэтому они физически реализуемы. С основных негативов печатают вспомогательные диапозитивы-маски с вполне определенной плотностью. Маски как бы получены путем съемки объекта в фотоаппаратах со светофильтрами, имеющими оптические спектральные характеристики:

F к в ()=a к F к о (), F з в ()=a з F з о (), F с о ()=a с F с о ().

(7.29) Коэффициенты а к, а з и а с выбираются в зависимости от эквивалентных оптических спектральных характеристик светофильтров, которые требуется получить в результате маскирования. Для реализации отрицательных ветвей характеристик данные коэффициенты должны иметь отрицательные значения.

8. ДВИЖУЩЕЕСЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ 8.1. СИСТЕМЫ ЗАПИСИ ДВИЖУЩЕГОСЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ К данным системам относятся кинематограф, видео- и кинотелевизионная техника, а также некоторые приборы информационно-измерительной техники (например, фоторегистраторы, высокоскоростные фото- и кинокамеры).

Движущееся черно-белое изображение описывает функция трех переменных F(x,y,t). Классификация систем записи движущихся изображений, приведенная на рис.1.7, содержит в себе девять классов и девятнадцать подклассов физически реализуемых систем.

Практическое применение получили далеко не все варианты построения систем, предусмотренные данной классификацией.

Наименее известны системы, относящиеся к группе Н 3, предназначенные для записи движущихся изображений вдоль трех измерений носителя (классы 6, 7, 8, 9). Системы класса 6 получили некоторое распространение для исследований быстропротекающих процессов, они основаны на использовании свойств трехмерной голографии. Подобные системы будут рассмотрены в разд. 9. Также для изучения быстропротекающих процессов использовалась система подкласса 7.4. Для проведения экспериментов была применена обычная многослойная цветная фотопленка. Исследуемый объект освещался тремя импульсными источниками света, перед которыми были установлены красный, зеленый и синий светофильтры.

Импульсные источники света включались последовательно с небольшими интервалами между вспышками. В результате на фотопленке, заряженной в обычный фотоаппарат, записывались три фазы изменения исследуемого объекта во времени. Путем печати через светофильтры на черно-белом фотографическом материале получали три последовательных кадра. Для исследований некоторых быстропротекающих процессов такого количества изображений оказывается вполне достаточно. Системы, относящиеся к остальным подклассам группы классов Н 3, неизвестны, однако их технические решения могут быть найдены с использованием системного подхода, изложенного выше.

К кинематографическим системам относятся устройства с разверткой изображения по переменным х и у вдоль двух измерений фотографического носителя и с укладкой дискретизированного по переменной t изображения вдоль тех же двух его измерений (подкласс 3.2). Устройства записи кинематографического изображения - киносъемочные аппараты, можно разделить на три группы: с записью изображения на прерывисто движущейся кинопленке, на непрерывно движущейся кинопленке и на неподвижной кинопленке. К первой группе относятся киносъемочные аппараты, используемые в обычном кинематографе, ко второй и третьей группам - киносъемочные аппараты с оптической компенсацией и оптической коммутацией, применяемые в основном в информационно-измерительной технике.

В киносъемочных аппаратах с прерывистым движением кинопленки (рис.8.1,а) киносъемочный объектив 1 строит изображение объекта съемки в плоскости кинопленки 6, находящейся в фильмовом канале 7. Высоту h к изображения ограничивает кадровая рамка, расположенная на передних салазках фильмового канала. Кинопленка подается к фильмовому каналу из подающего рулона (на рисунке не показан) непрерывно вращающимся зубчатым барабаном 4, на котором она удерживается придерживающими роликами 5. В фильмовом канале кинопленка 6 прерывисто перемещается зубьями грейферного механизма 3 на величину шага Н к кадра. Во время передвижения кинопленки кадровая рамка перекрывается непрерывно вращающимся обтюратором 2. Выдержка при киносъемке определяется углом о раскрытия обтюратора и частотой киносъемки. В некоторых киносъемочных аппаратах предусмотрена возможность изменения выдержки путем регулирования угла раскрытия обтюратора. После экспонирования кинопленки зубчатый барабан 4 подает кинопленку на принимающий рулон (не показан на рисунке), приводимый в действие наматывателем.

В аппаратах с оптической компенсацией (рис.8.1,б) кинопленка перемещается с постоянной скоростью зубчатым барабаном 11 мимо экспозиционного окна фильмового канала 10. Изображение на поверхности кинопленки образует киносъемочный объектив совместно с зеркальными гранями барабана 8. Высоту кадра h к определяет диафрагма 13, установленная перед барабаном 8. Во время киносъемки зеркальный барабан 8 вращается с постоянной скоростью, перемещая изображение синхронно с равномерно движущейся кинопленкой 12 таким образом, что во время экспонирования оно остается неподвижным относительно кинопленки. Шаг кадра Н к определяется количеством граней зеркального барабана 8, а выдержка - высотой h э экспозиционного окна в фильмовом канале 10. Изменением количества граней зеркального барабана 8 (путем его замены) можно изменить шаг кадра, изменением высоты отверстия в диафрагме 13 - высоту кадра, а изменением высоты h э экспозиционного окна - выдержку при киносъемке.

Рис.8.1. Схемы киносъемочных аппаратов Известны и другие варианты построения киносъемочных аппаратов с оптической компенсацией. Их общим недостатком является наличие так называемой тангенциальной ошибки, в результате которой происходит некоторый сдвиг изображения во время экспонирования относительно кинопленки. Вследствие этого аппараты с оптической компенсацией нашли применение лишь в информационно-измерительной технике для высокоскоростной киносъемки с частотами, не достижимыми в аппаратах с прерывистым движением кинопленки.

В аппаратах с оптической коммутацией (рис.8.1,в) киносъемочный объектив 14 изображает объект 19 в плоскости коллектива 15. Коллектив 15 совместно с зеркалом 16 изображает выходной зрачок 21 объектива 14 на поверхности, совпадающей с входными зрачками промежуточных объективов 17. Последние образуют вторичные изображения объекта на поверхности кинопленки 18. Вторичное изображение будет образовано только за тем промежуточным объективом, с входным зрачком которого совмещено изображение 22 выходного зрачка объектива 14. При киносъемке зеркало 16 вращается с постоянной скоростью, перемещая изображение 22 выходного зрачка 21 объектива 14 по поверхности входных зрачков объективов 17. В результате на поверхности кинопленки 18 последовательно образуются изображения объекта съемки, т.е. происходит киносъемка. Размер кадра определяется размерами выходного зрачка 20 коллектива 15, шаг кадра - количеством промежуточных объективов 17 и угловыми размерами между ними, а выдержка - размерами изображения выходного зрачка 21 киносъемочного объектива и входных зрачков промежуточных объективов 17. Изменением данных параметров аппарата можно установить требуемый шаг кадра, его размеры и выдержку при киносъемке.

Известны и другие варианты построения киносъемочных аппаратов с оптической коммутацией. Общим недостатком подобных аппаратов является ограниченное количество кадров, получаемых в результате киносъемки. Оно определяется количеством промежуточных объективов 17 и обычно не превышает 250-500.

Вследствие этого недостатка аппараты с оптической коммутацией используются только в информационно-измерительной технике для киносъемок с очень высокими частотами, до нескольких миллионов кадров в секунду.

В результате киносъемки всеми рассмотренными типами киносъемочных аппаратов возможно получение негатива, отвечающего стандарту на 35-, 16-, 70- или 8-мм кинопленках.

Однако в аппаратах с оптической компенсацией и оптической коммутацией часто получают негатив, не соответствующий существующим стандартам;

он предназначается для покадрового изучения снятого процесса. Для воспроизведения движущегося изображения на киноэкране при помощи обычного кинопроектора с подобных негативов на специальных кинокопировальных аппаратах производится печать фильмокопий со стандартными размерами изображения на одном из принятых форматов кинолент. Таким образом, результаты киносъемок рассмотренными аппаратами принципиально не отличаются друг от друга, хотя действия их существенно различаются. Аппараты отличаются друг от друга в основном устройствами развертки, дискретизации и укладки.

Несмотря на различие в принципах построения, во всех трех типах киносъемочных аппаратов преобразования изображения при записи принципиально не отличаются друг от друга. Известны и другие виды киносъемочных аппаратов - с короткими выдержками и непрерывным движением кинопленки, с электрической, механической, электронно-оптической коммутацией изображения.

Они отличаются от рассмотренных систем устройствами развертки, дискретизации и укладки, но принцип преобразования изображения аналогичен рассмотренному выше.

Если известные киносъемочные аппараты отличаются друг от друга устройствами развертки, дискретизации и укладки, то современные кинопроекционные аппараты имеют принципиально одинаковую конструкцию. Они рассчитаны на демонстрацию фильмокопий на перфорированных кинолентах различной ширины (35-, 16-, 8-, 70-мм). Последние аналогичны друг другу по своей структуре (рис.8.2,а), т.е. укладка последовательных кадров производится вдоль оси у с шагом кадра Y*=H к. На кинолентах одной и той же ширины шаг кадра может отличаться. Например, при использовании кинолент шириной 35 мм известны системы кинематографа с двумя-, тремя-, четырьмя- и восьмью перфорационными шагами кадра (2.35, 3.35, 4.35, 8.35).

Соответственно существуют системы 70-мм кинематографа с пятью-, восьмью- и пятнадцатью перфорационными шагами кадра (5.70, 8.70, 15.70) и др. Основным форматом фильмокопии в настоящее время является 4.35.

На рис.8.2,б изображена принципиальная схема современного кинопроекционного аппарата. Осветительная система 1 освещает кадр фильмокопии 7, находящейся в фильмовом канале 3. В последнем имеется кадровое окно, ограничивающее поле кадра, проецируемого на киноэкран. Фильмокопия подается к фильмовому каналу непрерывно вращающимся зубчатым барабаном 5. Скачковый барабан 4, приводимый в действие мальтийским механизмом, осуществляет прерывистое передвижение фильмокопии, находящейся в фильмовом канале 3. После скачкового барабана 4 фильмокопия поступает на непрерывно вращающийся задерживающий зубчатый барабан 6, а затем на наматыватель (на рисунке не показан). Во время прерывистого передвижения фильмокопии обтюратор перекрывает кадровое окно. В отличие от киносъемочного аппарата, обтюратор 2 дважды за период смены кадра перекрывает кадровое окно. Проекционный объектив 8 осуществляет проекцию изображения на киноэкран.

Частота кинопроекции в современном кинематографе стандартизована и составляет 24 кадр/с. Вполне понятно, что и частота киносъемки должна быть равна этому значению. Однако многие современные киносъемочные аппараты позволяют производить киносъемки с частотой кадросмен, отличной от стандартной. Это приводит к ускорению или, наоборот, замедлению скорости протекания снятых сцен на киноэкране, что используется для достижения особых художественных эффектов. В информационно-измерительной технике данное свойство кинематографа широко используется для изучения очень быстро или очень медленно протекающих процессов.

Рис.8.2. Схема кинопроекционного аппарата Система современного кинематографа не может обеспечить воспроизведение физически точного движущегося изображения. Оно в лучшем случае является физиологически точным. Последнее объясняется тем, что при просмотре кинофильма на сетчатках глаз зрителя образуется дискретная последовательность статических изображений кадров кинофильма. Только в результате фильтрующего действия зрительного анализатора во времени зритель воспринимает движение изображения достаточно плавным и непрерывным. В основном благодаря данному свойству зрительного анализатора оказалось возможным реализовать кинематографическую (а также и телевизионную) систему в существующем виде.

В видеотехнике запись движущегося изображения осуществляется в видеомагнитофонах и видеокамерах на магнитной ленте. В данном случае развертка сигнала возможна только вдоль одного измерения носителя, поэтому трехмерное изображение F(x,y,t) подвергается дискретизации вдоль двух измерений y и t (подкласс 1.1). Поскольку спектр стандартного телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6 МГц, то запись сигнала на магнитном носителе осуществляется с частотной модуляцией. В результате полный спектр сигнала содержит временные частоты до 14,5 МГц. Если даже система записи имеет разрешающую способность 1000 мм - 1, то скорость развертки видеосигнала по магнитной ленте составит 14500 мм/с=14,5 м/с.

Вполне понятно, что осуществить продольную запись с такой скоростью движения магнитной ленты достаточно сложно.

Вследствие этого в видеомагнитофонах запись видеосигнала осуществляется с поперечно-строчной или (чаще) с наклонно строчной разверткой сигнала (см.рис.4.11,в и г).

Для поперечно-строчной развертки применяют диск 1 (рис.8.3,а), на котором закреплены четыре магнитные головки 2. Магнитная лента 3 расположена в виде желоба и во время записи или воспроизведения перемещается в направлении стрелки V л, а диск с головками вращается с постоянной скоростью в направлении стрелки V г. В результате осуществляется поперечно-строчная развертка сигнала по носителю. Для записи одного поля телевизионного кадра обычно требуется несколько строк.

Рис.8.3. Схемы устройств развертки сигнала в видеомагнитофонах Наклонно-строчная развертка также производится относительным движением головок и ленты. В видеомагнитофонах применяют диски с одной, двумя или несколькими магнитными видеоголовками. При использовании одной головки 2 (рис.8.3,б), укрепленной на вращающемся диске 1, магнитная лента 3 огибает неподвижный барабан 4 по спирали в пределах угла охвата 360 о и движется со скоростью V л. В результате на каждой дорожке записывается одно целое поле или даже полный телевизионный кадр. В двухголовочных видеомагнитофонах на диске 1 (рис.8.3,в) закреплены две магнитные головки, а магнитная лента огибает по спирали барабан 4 только в пределах 180 о. За один оборот диска осуществляется запись двух полей, т.е. одного полного телевизионного кадра. В видеомагнитофонах используют магнитные ленты шириной 50,8;

25,4;

19,01;

12,65;

8 и 6,3 мм.

Поперечно-строчная запись была применена в первых серийно выпускавшихся в 1950-х годах профессиональных видеомагнитофонах фирмы Ампекс и в отечественном видеомагнитофоне “Кадр-3ПМ”. Эти видеомагнитофоны до сих пор используются в телевизионном вещании. Они характеризуются записью видеосигнала (формат Q), спектр которого показан на рис.7.27,б. Четырехголовочный диск осуществляет поперечно строчную развертку видеосигнала на магнитной ленте шириной 50, мм со скоростью V г =40 м/с. Ширина дорожки записи составляет b=0,26, а шаг дорожек - h=0,4 мм. Минимальная длина волны записи в этом видеомагнитофоне 2,7 мкм, следовательно, разрешающая способность равна N=1/2,7=0,37мкм - 1 = =370 мм - 1 и ma x = NV г = 3704010 3 = 14800000Гц =14,8 МГц. Считая m=3,7 и n=5, по формуле (4.24) находим, что продольная плотность записи равна H р =23703,7[1-(5+1) - 1 ]=2300 нат.ед./мм, а поверхностная плотность H по в =H р /h=2300/0,4=5750 нат.ед./мм 2.

Скорость движения магнитной ленты в данных видеомагнитофонах составляет 397 мм/с, т.е. даже меньше, чем скорость движения киноленты в 35-мм кинопроекторе.

Дальнейшее развитие видеомагнитофонов происходило в основном в направлении повышения как продольной, так и поверхностной плотностей записи. Основным недостатком видеомагнитофонов с поперечно-строчной разверткой изображения является то, что в них осуществляется так называемая “сегментная” запись, когда на каждой дорожке записывается только часть поля кадра. В рассмотренном видеомагнитофоне для записи поля кадра требуется 20 дорожек. Последнее может вызвать искажения в виде “полосатости” изображения, обусловленной различием параметров магнитных головок и их электронных блоков. Данный недостаток вынудил как в профессиональных, так и в бытовых видеомагнитофонах полностью перейти к наклонно-строчной развертке сигнала. Такой способ развертки не только устранил возможность появления искажений в виде “полосатости” изображения, но и позволил сравнительно просто реализовать замедленное и ускоренное воспроизведение изображения, а также “стоп-кадр”. Профессиональные видеомагнитофоны для композитной записи (с переносом и без переноса сигнала цветности в низкочастотную часть спектра) телевизионного сигнала выпускались за рубежом и у нас в стране. Они рассчитаны на использование магнитных лент шириной 25,4 мм. За счет уменьшения ширины дорожки и ее шага, а также увеличения разрешающей способности удалось повысить поверхностную плотность записи почти в три раза.

Данные видеомагнитофоны позволяют воспроизводить телевизионный сигнал практически без потерь информации.

Воспроизводимое на экране кинескопа изображение зрительно не отличается от получаемого непосредственно от передающей телевизионной камеры.

Для профессиональной видеозаписи получили применение также видеомагнитофоны с компонентной наклонно-строчной записью видеосигнала. Эти видеомагнитофоны построены по принципу двухканальной записи раздельных сигналов яркости и цветности.

Для этого в двухголовочном видеомагнитофоне (рис.8.3,в) на диске закреплены две пары сдвоенных видеоголовок, одна пара которых осуществляет запись сигнала яркости, а другая, на соседних дорожках, - сигнал цветности. Запись обоих сигналов происходит одновременно, причем сигнал цветности содержит два цветоразностных сигнала, объединенных путем временного (пространственного) уплотнения.

В бытовой видеотехнике, как правило, производят композитную запись сигналов яркости и цветности в одном канале путем переноса спектра сигнала цветности в нижнюю часть спектра телевизионного сигнала (см.рис.7.28). В одном из бытовых двухголовочных видеомагнитофонов с наклонно-строчной записью телевизионного сигнала на 8-мм магнитной ленте минимальная длина волны записи составляет 0,58 мкм, т.е. разрешающая способность достигает N=1724 мм - 1. Для увеличения поверхностной плотности записи дорожки шириной 34 мкм примыкают вплотную друг к другу (рис.8.4). Расположение дорожек без зазоров оказалось возможным благодаря применению азимутальной записи, когда запись и воспроизведение по одной из дорожек производятся головками с зазорами, параллельными друг другу, но расположенными под углом к зазорам головок соседних дорожек. Азимутальная запись получила широкое применение не Рис.8.4. Азимутальная запись видеосигнала только в бытовых, но и в профессиональных видеомагнитофонах.

Она позволяет не только повысить пространственную плотность записи, но и устранить взаимовлияние записей, сделанных на соседних дорожках.

Продольная плотность записи в данном бытовом видеомагнитофоне составляет H р =23,71724[1-(5+1) - 1 ]=12758 нат.ед./мм, а поверхностная плотность H по в =12758/0,034=375223 нат.ед./мм 2, т.е. в 65 раз больше, чем в рассмотренном выше первом профессиональном четырехголовочном видеомагнитофоне. Однако известны видеомагнитофоны, в которых шаг h дорожек снижен до мкм. При этом поверхностная плотность записи более чем в три раза повышена по сравнению с приведенными данными.

Высокая поверхностная плотность записи позволила создать малогабаритные видеомагнитофоны с кассетной зарядкой магнитной ленты. Путем объединения компактных кассетных видеомагнитофонов с передающими телевизионными камерами были созданы видеокамеры, которые также называют камкордерами.

Видеокамеры получили широчайшее распространение как в бытовой видеотехнике, так и в видеожурналистике.

Хотя аналоговые профессиональные видеомагнитофоны позволяют производить видеозапись практически без потери информации, но неизбежная в телевещании перезапись телевизионных сигналов приводит к существенной потере четкости в конечном изображении. Вследствие этого последние годы характеризуются интенсивным внедрением в видеотехнику цифровой записи сигналов. Цифровая запись, кроме того, позволяет производить необходимую цифровую обработку изображения, в том числе и сжатие (компрессию) сигналов.

Для цифровой записи видеосигналов используют два основных формата D1 и D2. В формате D1 производится компонентная раздельная запись сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов.

Сигнал яркости дискретизируется с частотой 13,5 МГц, а цветоразностные - с частотой 6,75 МГц. В формате D осуществляется композитная цифровая запись телевизионного сигнала с частотой дискретизации д =17,72 МГц. В обоих форматах сигналы подвергаются восьми- (иногда десяти-) разрядному кодированию. При этом цифровой поток в формате D1 составляет С=(13,5+26,75)8=216 Мбит/с.

Как было показано выше (см.разд.2), запись цифрового сигнала требует повышенного расхода магнитной ленты. Рассмотрим этот вопрос на конкретном примере.

П р и м е р 8.1. Видеомагнитофон имеет разрешающ ую способность N= мм - 1 и шаг дорожек h=34 мкм. Найти расход магнитной ленты:

1) при аналоговой композитной записи видеосигнала с m a x =14,5 МГц;

2) при цифровой композитной записи видеосигнала с частотой дискретизации 17,72 МГц и 8- битовым кодированием.

1) Скорость движения видеоголовки относительно магнитной ленты равна V л = ma x /N=14,510 6 /100014500 мм/с=14,5 м/с.

Площадь магнитной ленты, расходуемой в одн у секунду при аналоговой записи, V л h=145000,034=494 мм 2 /с.

2) Цифровой поток видеосигнала равен С=17,7210 6 8=14210 6 бит/с.

Скорость движения видеоголовки относительно магнитной ленты составит V л =14210 6 /1000=140000 мм/с=140 м/с.

Площадь магнитной ленты, расходуемой за одн у секунду при цифровой записи, V л h=1400000,034=4760 мм 2 /с.

Анализ результатов примера 8.1 показывает, что, при прочих равных условиях, цифровая запись требует почти на порядок большего расхода носителя, чем аналоговая запись, а необходимая скорость V л движения видеоголовки относительно магнитной ленты достигает величин, которые реализовать чрезвычайно трудно. Задача решается разделением цифрового потока на ряд меньших параллельных потоков с одновременной записью их на нескольких дорожках. Для этого в видеомагнитофоне на одном диске устанавливают несколько видеоголовок.

В настоящее время разработан и находит все более широкое применение ряд форматов профессиональной цифровой записи видеосигнала существующего телевизионного стандарта. Кроме того, разработан стандарт цифрового телевидения высокой четкости. В нем частота дискретизации сигнала яркости составляет 74,25 МГц, а цветоразностных сигналов по 37,125 МГц, т.е. цифровой поток в несколько раз превышает имеющий место в цифровом телевидении существующего стандарта. Запись видеосигнала производят в цифровых видеомагнитофонах со сжатием сигнала в 6-8 раз.

Значительное сжатие цифрового видеосигнала телевидения существующего стандарта позволило реализовать систему лазерной записи на дисках DVD. Принцип записи и воспроизведения видеосигнала не отличается от используемого для цифровой записи и воспроизведения звукового сигнала на лазерных компакт-дисках (см.разд.5). Однако для увеличения информационной емкости дисков диаметром 120 мм размер питов снижен до 0,4 мкм, а шаг спирали до 0,74 мкм. Информационная емкость диска DVD достигает 4, Гбайт= =40757 Мбит. При записи цифрового сигнала формата D1 цифровой поток составляет С=216 Мбит/с. Следовательно, на диске возможна запись несжатого сигнала лишь в течение 40757/216=188 с3 мин. В системе DVD предусмотрено сжатие сигнала в 40-50 раз, что позволило увеличить время записи и воспроизведения сигнала до 2 часов.


Конечно, излишнее сжатие сигнала может привести как к дополнительной потере информации, так и к появлению искажений, особенно при передаче насыщенных подробностями кадров с быстрыми движениями изображения.

Аналоговая видеозапись относится к подклассам 1.1 и 1.2, а цифровая - к подклассу 2.1. Техническое решение систем подкласса 1.4 неизвестно.

Кинотелевизионная система КТС-2 (см.рис.6.36) с перезаписью на кинопленку аналогового видеосигнала относится к подклассу 4.2 или 4.3, а с перезаписью цифрового видеосигнала - к подклассу 5.2.

Во всех рассмотренных выше системах изображение было дискретизировано по переменной t. Однако, как следует из рис.1.7, существует целая группа систем записи движущегося изображения с разверткой изображения по переменной t, но с дискретизацией изображения по переменным х или у. Рассмотрим данные системы.

Системы записи движущихся изображений с разверткой по переменной t используются в основном в информационно измерительной технике, главным образом для исследования быстропротекающих процессов. Для дискретизации изображения по пространственным координатам в данных системах применяют линейные и точечные растры (см.разд.3.6).

Схема растрового киносъемочного аппарата с линзовым линейным растром показана на рис.8.5,а. Объектив 1 строит в плоскости растра 2 изображение объекта. Каждая цилиндрическая линза растра образует в плоскости фотопластинки 3 изображение выходного зрачка объектива 1 в виде предельно узких полосок, расположенных друг от друга на расстояниях шага укладки X*. Для того, чтобы получить полоски достаточно узкими, объектив 1 снабжен щелевой диафрагмой 4. В результате действия линейного линзового растра в плоскости фотопластинки образуется растровое изображение снимаемого объекта. Во время киносъемки фотопластинка перемещается с постоянной скоростью V в направлении стрелки, осуществляя развертку изображения по переменной t вдоль оси х носителя. При этом происходит запись всех изменений изображения объекта в течение перемещения фотопластинки на величину шага X* укладки. После этого затвор (не показан на рисунке) перекрывает зрачок объектива 1 и киносъемка прекращается.

Рис.8.5. Схемы растровых киносъемочных аппаратов Поскольку развертка изображения в растровых киносъемочных аппаратах производится непрерывно, то процесс киносъемки оценивается не частотой киносъемки (дискретизации), а разрешающей способностью во времени. Последняя равна ma x =V/x э, (8.1) где х э - ширина элемента растрового изображения. Если, например, V=10 м/с, а х э =0,02 мм, то max =500000 c - 1. Именно возможность достижения очень высоких разрешающих способностей во времени и привела к применению растровых киносъемочных аппаратов для исследования быстропротекающих процессов.

Общее количество фаз изменения изображения, которое можно воспроизвести по результатам киносъемки, назовем оптической емкостью. Очевидно, что оптическая емкость в системах с линейными растрами равна Z о =X*/x э. (8.2) Если, например, X*=0,7 мм, x э =0,02 мм, то Z о =35.

Оптическая емкость определяется длиной развертки вдоль оси х, которая не может превышать шага X* укладки, иначе произойдет повторное экспонирование фотопластинки. Однако если изображение дискретизировать не только вдоль оси х, но и вдоль оси у, то высвободятся дополнительные участки носителя, которые могут быть использованы для расширения развертки изображения по переменной t. Для этого в растровых аппаратах используют не линейный, а точечный растр.

Фотографический объектив 1 (рис.8.5,б) образует изображение объекта съемки в плоскости линзового точечного растра 5.

Сферические линзы растра 5 образуют в плоскости фотопластинки изображения выходного зрачка объектива 1 в виде предельно малых кружков диаметром d. В результате в плоскости фотопластинки образуется растровое изображение объекта съемки. Направление перемещения фотопластинки во время киносъемки со скоростью V образует угол с рядами элементов растрового изображения.

Вследствие этого развертка осуществляется одновременно вдоль осей х и у. Длина S развертки может быть найдена из подобия треугольников АВС и АDЕ:

S=ACDЕ/ВС.

Расстояние ВС между соседними полосками примем равным 2d.

Учитывая, что АС=X*, а DЕ=Y*, получаем S=0,5X*Y*/d. (8.3) Оптическая емкость системы будет равна Z o =S/d=0,5X*Y*/d 2. (8.4) Например, если X*=Y*=0,7 мм, d=0,02 мм, то Z о =612. Такой оптической емкости вполне достаточно для изучения многих быстропротекающих процессов. Как у нас в стране, так и за рубежом в растровых киносъемочных аппаратах применяют только точечные растры с шагом 0,4 - 0,7 мм. Для получения достаточной информационной емкости в пространстве при таких шагах растра в растровых киносъемочных аппаратах используют фотопластинки размером 912 и 1318 см.

Воспроизведение полученного изображения может быть осуществлено непосредственно на киносъемочном аппарате либо на специальном устройстве. Фотографически обработанный негатив (или диапозитив) 1 (рис.8.6) устанавливают за растром 2 и освещают осветителем 3 через диафрагму 4 с малым отверстием. При этом за растром в плоскости негатива 1 образуются высвечивающие элементы в виде полосок (при использовании линейного растра) или кружков (при точечном растре), выделяющие отдельную фазу движения изображения. Если негатив переместить в направлении стрелки, то будет высвечена следующая фаза движения изображения.

Медленным непрерывным перемещением негатива осуществляется воспроизведение движения изображения снятого объекта.

Наблюдатель 5 на матовом стекле 6 увидит движущееся изображение. Это изображение может быть также переснято обычным киносъемочным аппаратом на стандартную кинопленку и демонстрироваться при помощи кинопроектора на киноэкран.

Рис.8.6. Воспроизведение растрового изображения Растровый аппарат с линейным растром относится к подклассу 3. или 3.5, а с точечным - к подклассу 4.4. Рассмотренные известные системы записи движущихся изображений сведены в табл.8.1.

Таблица 8. Классификация известных систем записи движущегося изображения Класс Подкласс Тех ническое решение С3Н1Р1 1.1;

1.2 Аналоговый видеомагнитофон 1.

С3Н1Р0 2.1 Цифровой видеомагнитофон 2.

С3Н2Р2 3.2 Обычный кинематограф 3.

3.4;

3.5 Растровая система с линейным растром С3Н2Р1 4.2;

4.3 Аналоговая кинотелевизионная система КТС- 4.

4.4 Растровая система с точечным растром С3Н2Р0 5.2 Цифровая кинотелевизионная система КТС- 5.

Основные параметры систем записи и воспроизведения движущегося изображения устанавливают на основе свойств зрительного анализатора, главным образом его способности фильтровать временные частоты.

8.2. ФИЛЬТРАЦИЯ ВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТ ЗРИТЕЛЬНЫМ АНАЛИЗАТОРОМ При рассматривании действительных объектов человек не замечает очень быстрых их изменений во времени. Например, если смотреть на быстро вращающееся колесо, то отдельных спиц его не заметишь, так как они образуют сплошной круг вращения. В этом проявляется фильтрующее действие зрительного анализатора во времени. Только благодаря данному свойству зрения оказалось возможным создание современных кинематографических и телевизионных систем с дискретизацией изображения во времени.

Фильтрующее действие зрительного анализатора желательно оценивать так же, как его оценивают в обычных фильтрах нижних частот, т.е. с помощью временной частотной характеристики (ВЧХ).

Однако, применяя метод спектрального анализа к временным преобразованиям изображения в зрительном анализаторе человека, следует сделать определенные допущения, считая его достаточно линейным.

Рядом исследователей предложено находить ВЧХ зрительного анализатора косвенным методом - путем предварительного нахождения зависимости пороговой глубины модуляции светового сигнала от его временной частоты. Причем под пороговой глубиной модуляции понимается граничное значение глубины модуляции тест объекта, начиная с которого зритель перестает замечать изменение его яркости во времени и воспринимает равномерно светящимся.

Яркость тест-объекта изменяется во времени по гармоническому закону. Пороговая глубина модуляции входного сигнала определяется по формуле Т п ор =Т в х =(F ma x -F m i n )/(F ma x +F mi n ), где F ma x и F mi n - максимальная и минимальная яркости тест-объекта в моменты времени, отстоящие друг от друга на величину полупериода временных колебаний яркости.

Схема установки для нахождения пороговой глубины модуляции показана на рис.8.7. Установка содержит две осветительные системы 1 и 2. Световые потоки от этих осветительных систем объединяются в один с помощью полупрозрачного зеркала 6. Объединенный поток направляется к кадровому окну 7. Между осветительными системами и полупрозрачным зеркалом установлены дозаторы света 4 и 5. Они позволяют изменять соотношение световых потоков, идущих к кадровому окну от осветительных систем 1 и 2. На пути светового потока от осветительной системы 1 установлен модулятор света 3.

Он состоит из двух поляроидов, причем один из них неподвижен, а второй вращается вокруг оптической оси с постоянной скоростью, изменяя проходящий световой поток по гармоническому закону.


Рис.8.7. Схема уста новки для определения пороговой глубины модуляции В кадровом окне 7 могут быть установлены тест-объекты, т.е.

диапозитивы различного содержания. Проекционный объектив проецирует кадровую рамку (или диапозитив) в плоскость экрана 9.

Зритель, наблюдая изображение, образованное на экране, постепенно с помощью дозаторов света 4 и 5 изменяет соотношение световых потоков, идущих от осветительных систем 1 и 2, добиваясь снижения глубины модуляции до таких граничных пределов, когда он перестает замечать мелькания на экране. Глубина модуляции изображения, замеренная объективно, будет равна пороговой глубине модуляции.

Изменение временной частоты мелькания изображения достигает ся варьированием угловой скорости вращения одного из поляроидов, составляющих модулятор света 3.

Проведя замеры пороговой глубины модуляции для различных временных частот, строят график зависимости пороговой глубины модуляции от частоты. Поскольку зрительный анализатор нелинеен, то значение средней яркости изображения на экране, расстояние от зрителя до экрана, время рассматривания изображения должны быть установлены определенным образом и поддерживаться при проведении каждого эксперимента постоянными.

На рис.8.8 приведен график пороговой глубины модуляции для условий наблюдения изображения, близких к тем, которые имеют место в обычном кинематографе (яркость киноэкрана 40-50 кд/м 2, расстояние от наблюдателя до экрана составляет 4 высоты экрана).

Рис.8.8. Графики пороговой глубины модуляции и ВЧХ зрительного анализатора Из анализа рис.8.8 следует, что значение пороговой глубины модуляции достигает минимального значения T mi n =0,008 при частотах 8...10 с - 1. Значения глубины модуляции возрастают не только по мере увеличения, но и по мере уменьшения временной частоты. В этом отношении кривая пороговой глубины модуляции для временных частот подобна кривой пороговой глубины модуляции для пространственных частот (см. рис.6.3).

Пороговая глубина модуляции показывает глубину модуляции изображения, поданного на вход зрительного анализатора. Для нахождения ВЧХ зрительного анализатора необходимо определить соответствующую ей глубину модуляции Т вы х изображения на выходе зрительного анализатора.

Так же как и при нахождении ПЧХ зрительного анализатора, значение Т вы х принимают равным Т mi n, считая, что оно зависит от шумовых процессов, происходящих в зрительном анализаторе.

Следовательно, можем написать, что ВЧХ зрительного анализатора определяет выражение К з а ()=Т в ы х ()/Т в х ()=Т mi n /Т п ор ().

На основе данного выражения и кривой Т п о р (), на рис.8. построена ВЧХ зрительного анализатора. Для проведения математических вычислений ВЧХ зрительного анализатора может быть аппроксимирована функцией К з а ()=exp[-4,8(/ к р ) 2 ], (8.5) где к р - критическая частота слияния мельканий, т.е. максимальная временная частота мельканий, воспринимаемая зрительным анализатором. При = к р К з а ( к р )=ехр(-4,8)=0,008.

Критическая частота слияния мельканий зависит от яркости экрана, расстояния зрителя до экрана, размеров экрана и др. Для указанных выше условий рассматривания экрана в обычном кинематографе критическая частота слияния мельканий была найдена еще в 1920-х годах известным исследователем Х.Айвсом:

к р п р =12,4lgL+29,4, где L - яркость экрана к которой адаптирован зрительный анализатор, выраженная в апостильбах. При экспериментах яркость экрана изменялась П-образно (подобно изображенному на рис.2.40,б) с отношением времени свечения к периоду колебаний яркости равным 0,5. Если яркость L выразить в кд/м 2 и перейти к изменению яркости экрана во времени по гармоническому закону, то формула Х.Айвса примет вид к р =12,1lgL+34,7. (8.6) На рис.8.8 штриховой линией показанеа ВЧХ, построенная согласно формулам (8.5) и (8.6) для яркости экрана 50 кд/м 2.

8.3 ВРЕМЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КИНЕМАТОГРАФЕ На рис.8.9 показана геометрическая интерпретация дискретизации изображения в кинематографе по переменной t. В результате дискретизации с частотой киносъемки равной с получаем b к h к, последовательность изображений (кадров) размером отстоящих друг от друга на интервалах, равных периоду смены кадров Т с =1/ с. Каждый из последовательных кадров описывается функцией двух переменных F(x,y).

Рис.8.9. Геометрическая интерпретация дискретизации изображения Преобразования движущегося или изменяющегося во времени изображения при его записи и воспроизведении следует разделить на две группы: чисто временные и пространственно-временные. Чисто временные преобразования изображения происходят в отдельном элементарном участке изображения с координатами х,у (показан на рис.8.9). Пространственно-временные преобразования имеют место при записи и воспроизведении движущегося в пространстве х,у изображения. Рассмотрим вначале чисто временные преобразования изображения.

При анализе чисто временных преобразований изображения будем считать, что x=const и y=const, поэтому изображение описывает функция только одной переменной F(t). На рис.8.10 показана эквивалентная схема преобразования сигнала при его дискретизации по аргументу t. Входной сигнал F в х (t) подвергается предварительной фильтрации во входном фильтре Ф 1. Исходный сигнал F и (t) поступает в дискретизатор Д, в котором сигнал дискретизируется с частотой киносъемки с. Дискретизированный сигнал F*(t) подается в выходной фильтр Ф 2, преобразующий дискретизированный сигнал F*(t) в выходной сигнал F в ых (t).

Фильтры Ф 1 и Ф 2 оцениваются импульсными реакциями F 0 1 (t) и F 0 2 (t) или временными частотными характеристиками K 1 () и K 2 ().

Для того, чтобы система воспроизвела неискаженное изображение после его дискретизации, фильтры Ф 1 и Ф 2 должны полностью подавить в спектре сигнала все частоты, большие половины частоты дискретизации, т.е. с /2=0,5/Т с. В лучшем случае это должны быть идеальные фильтры, ВЧХ которых выражает функция K 1 ()=K 2 ()=rect(T c )=rect(/ c ). (8.7) Рис.8.10. Эквивалентная схема кинематографической системы Обратное преобразование Фурье функций (8.7) дает импульсные реакции фильтров Ф 1 и Ф 2 :

F 0 1 (t)=F 0 2 (t)=(1/T c )sinc(t/T c ). (8.8) Процесс дискретизации в устройстве Д описывает формула F*(t)=F и (t)F д (t)=F и (t)(t-nT с )T с. (8.9) n= Таким образом, выходной сигнал в кинематографической системе определяет выражение F в ых (t)={[F в х (t)F 0 1 (t)]F д (t)}F 0 2 (t), (8.10) а его спектр S в ых ()={[S в х ()K 1 ()]S д ()}K 2 (), (8.11) причем S д ()F д (t).

Выше было показано, что идеальные фильтры Ф 1 и Ф 2 нижних частот в кинематографических системах физически не реализуемы.

При совершенствовании существующих и создании новых кинематографических систем следует стремиться к тому, чтобы их фильтрующее действие на входе и выходе приближалось к фильтрующему действию идеальных фильтров. Поскольку в реальных системах это не всегда удается, то обычно имеют место искажения первого и второго рода, вызванные дискретизацией изображения по переменной t.

Вполне понятно, что на входе системы фильтрация нижних временных частот осуществляется при киносъемке, а на выходе системы - при кинопроекции. Рассмотрим, как это происходит.

Фильтрация нижних временных частот при киносъемке должна проявляться в том, чтобы очень быстрые изменения изображения были сглажены, а все частоты, большие половины частоты киносъемки, были по возможности полностью подавлены. Перед кинопленкой в киносъемочном аппарате расположены киносъемочный объектив и обтюратор (см.рис.8.1,а). Является ли фильтром временных частот киносъемочный объектив? Очевидно, нет, поскольку все быстрые изменения объекта он воспроизводит в изображении, образуемом в плоскости кинопленки. От угла раскрытия обтюратора о зависит выдержка при киносъемке. Чем больше выдержка, тем большее усреднение изменений объекта во время киносъемки осуществит кинопленка, поскольку она обладает интегрирующим свойством, благодаря которому все изменения освещенности участка изображения во время выдержки суммируются и записываются на ней. Таким образом, процесс, аналогичный фильтрации временных частот, при киносъемке осуществляет обтюратор совместно с кинопленкой.

Как в фотоаппаратах затвор не может мгновенно перекрыть световой поток, идущий от выходного зрачка фотографического объектива к фотопленке (см.разд.6.2), так и в реальном киносъемочном аппарате требуется определенный промежуток времени для полного открытия или закрытия светового пучка, идущего от киносъемочного объектива к элементарному участку кинопленки. Это объясняется тем, что плоскость обтюратора (рис.8.11) всегда находится на определенном расстоянии S от плоскости кинопленки 3. Поэтому для пересечения пучка лучей, идущих от выходного зрачка киносъемочного объектива 1 к точке изображения на кинопленке, требуется время t н а ч =/, где - угол, который образован касательными, проведенными из центра вращения обтюратора к окружности сечения конуса пучка лучей плоскостью обтюратора, - угловая скорость вращения обтюратора. Полную продолжительность экспонирования кинопленки можно найти из выражения t э =( о +)/, (8.12) а время, когда световой поток полностью открыт обтюратором, - из выражения t о =( о -)/. (8.13) Рис.8.11. Перекрытие пучка лучей плоскостью обтюратора Выдержка же определяется формулой t в =(t э +t о )/2= о /. (8.14) Таким образом, освещенность изображения участков объекта постоянной яркости в течение времени экспонирования кинопленки оказывается непостоянной. Зависимость F 0 1 (t) освещенности изображения равномерно светящейся элементарной площадки от времени при экспонировании одного кадра называется На характеристикой обтюрации киносъемочного аппарата.

рис.8.12,а показан общий вид характеристики обтюрации киносъемочного аппарата, из которого следует, что она имеет форму, близкую к трапеции, показанной на рисунке штриховой линией.

Положим, что объектив образует на кинопленке изображение участка объекта переменной яркости, причем изменение освещенности изображения во времени описывает функция F в х (t), график которой показан на рис.8.12,б. Пусть экспонирование кинопленки в киносъемочном аппарате происходит в момент времени t 1. Экспозиция кинопленки F и (t 1 ), а следовательно, и коэффициент пропускания полученного в результате киносъемки позитива определяются площадью заштрихованного на рисунке участка, ограниченного кривой произведения функций F в х (t) и F 0 1 (t t 1 ):

F и (t 1 )=F в х (t)F 0 1 (t-t 1 )dt.

Рис.8.12. К определению экспозиции кинопленки в киносъемочном аппарате Учитывая то, что функция F 0 1 (t) четная, и заменив обозначения параметра и переменной интегрирования, получаем F и (t)=F в х (t 1 )F 0 1 (t-t 1 )dt 1. (8.15) Данное выражение является сверткой функций F в х (t) и F 0 1 (t).

Поэтому воздействие функции F 0 1 (t) на записываемое изображение аналогично воздействию на сигнал импульсной реакции фильтрующей системы.

Таким образом, характеристика обтюрации показывает импульсную реакцию фильтра Ф 1, т.е. киносъемочного аппарата.

Поэтому временная частотная характеристика киносъемочного аппарата, а следовательно, и фильтра Ф 1 находится преобразованием Фурье от характеристики обтюрации:

К 1 ()F 0 1 (t).

Если характеристику обтюрации аппроксимировать трапецией, то ВЧХ киносъемочного аппарата опишет функция K 1 ()=sinc[(t э -t о )/2]sinc[(t э +t о )/2]. (8.16) Характеристика обтюрации зависит от расстояния S (см.рис.8.11), от угла раскрытия обтюратора о, от типа используемого обтюратора (дисковый, дисковый зеркальный, конический и др.). Наиболее общей формой характеристики является трапецеидальная, однако, по мере уменьшения расстояния S, ее форма приближается к прямоугольнику, а по мере увеличения S - к треугольнику.

Аналогично меняется форма характеристики и по мере увеличения или уменьшения угла раскрытия обтюратора о.

Если форма характеристики обтюрации прямоугольная, то t э =t о =t в и из формулы (8.16) находим K 1 ()=sinct в. (8.17) Если же форма характеристики треугольная, то t о =0 и из формулы (8.16) имеем K 1 ()=sinc 2 t э /2. (8.18) Форма характеристики обтюрации будет изменяться также при диафрагмировании киносъемочного объектива. Действительно, при уменьшении относительного отверстия объектива диаметр d кружка сечения конуса светового пучка плоскостью обтюратора (см.рис.8.11) уменьшится, при этом форма характеристики обтюрации приблизится к прямоугольной. Следовательно, фильтрующее действие фильтра Ф1 зависит от многих конструктивных особенностей киносъемочного аппарата. Оно зависит также от положения рассматриваемого элементарного участка в пределах поля записываемого кадра.

Если при прочих равных условиях рассматриваемый элементарный участок удалить от оси вращения обтюратора, то диаметр d кружка не изменится, но угол уменьшится, что приведет, как следует из формул (8.12) и (8.13), к изменению величин t э и t о, а поэтому и к изменению ВЧХ фильтра Ф 1. Однако выдержка t в при этом остается неизменной, поскольку, как это видно из формулы (8.14), она не зависит от угла. ВЧХ киносъемочного аппарата будет неизменной для всего поля кадра только в том случае, когда характеристика обтюрации близка к прямоугольной форме. Для достижения этого обтюратор всегда следует располагать ближе к поверхности кинопленки, а угол раскрытия обтюратора о принимать по возможности большим.

П р и м е р 8.2. Киносъемочный аппарат имеет дисковый обтюратор, расположенный на расстоянии S=12 мм от кинопленки и объектив с относительным отверстием =1:2. Частота киносъемки с =24 кадр/с. Найти характеристики обтюрации и ВЧХ киносъемочного аппарата, если расстояние R (см.рис.8.11) равно 50 мм, а угол раскрытия обтюратора о равен: 1) 7 о ;

2) 30 о ;

3) 180 о.

Диаметр кружка сечения светового пучка d=S=12/2=6 мм.

Угол находим из прямоугольного тре угольника ОО 1 К (см.рис.8.11):

=2arcsin(d/2R)=2arcsin(6/100)=7 o =0,12 рад.

Угловая скорость вращения обтюратора =2 с =23,1424=151 рад/с.

o При o = 7 =0,12 рад cогласно формулам (8.12) и (8.13) имеем t э =(0,12+0,12)/151=0,0016 c;

t о =(0,12-0,12)/151=0.

Выдержка равна t в =(t э +t о )/2=(0,0016+0)/2=0,0008 c.

Аналогично находим для о =30 о =0,53 рад:

t э =0,0042 c;

t о =0,0026 c;

t в =0,0034 c;

для о =180 о =3,14 рад:

t э =0,022 с;

t о =0,020 с;

t=0,021 c.

На рис.8.13,а показаны характеристики обтюрации.

Для угла о =7 о характеристика обтюрации близка к треугольнику, поэтому ВЧХ согласно формуле (8.18) определяет ф ункция K 1 ()=sinc 2 (t э /2)=sinc 2 (0,0016/2)=sinc 2 (/1250).

Для угла =30 о характеристика обтюрации близка к трапеции, поэтому согласно формуле (8.16) имеем K 1 ()=sinc[(0,0042+0,0026)/2]sinc[(0,0042-0,0026)/2]= =sinc(/294)sinc(/1250).

Для угла о =180 о характеристика обтюрации близка к прямоугольнику, следовательно, согласно формуле (8.17) находим K 1 ()=sinc(0,021 )=sinc(/48).

На рис.8.13,б показаны ВЧХ киносъемочного аппарата, построенные по полученным формулам.

П р и м е р 8.3. Киносъемочный аппарат имеет дисковый обтюратор с углом раскрытия о =30 о =0,53 рад и киносъемочный объектив с относительным =1:2. с = отверстием Частота киносъемки кадр/с. Найти ВЧХ киносъемочного аппарата, если R=50 мм, а S равно: 1) 2 мм;

2) 25 мм;

3) мм.

Рис.8.13. Характеристики обтюрации и ВЧХ киносъемочного аппарата (к примеру 8.2) Диаметр кружка сечения п учка луче й при S=2 мм равен d=S=2/2=1мм.

Аналогично для S=25 мм d=12,5 мм, а для S=50 мм d= 25 мм.

Угол для S=2 мм равен =2arcsin(d/2S)=2arcsin(2/100)=1 о =0,017 рад.

Подобным образом находим для S=25 мм =0,25 рад, а для S=50 мм =0, рад.

Угловая скорость вращения обтюратора =2 с =23,1424=151 рад/с.

Для S=2 мм имеем t э =(0,51+0,017)/151=0,0035 с;

t о =(0,51-0,017)/151=0,0033 с;

t в =(0,0035+0,0033)/2=0,0034 с.

Аналогично получаем: для S=25 мм t э =0,005 с;

t о =0,0017 с;

t в =0,0034 с, а для S=50 мм t э =0,0067 с;

t о =0;

t в =0,034 с. На рис.8.14,а показаны характеристики обтюрации.

Поскольку при S=2 мм характеристика обтюрации прямоугольная, при S=25 мм - трапецеидальная, а при S=50 мм - треугольная, то ВЧХ киносъемочного аппарата определяют формулы (8.17), (8.16) и (8.18) соответственно. Согласно данным формулам имеем:

для S= 2 мм K 1 ()=sinc(0,0034)=sinc(/300);

для S=25мм K 1 ()=sinc[(0,005-0,0017)/2]sinc[(0,005+0,0017)/2]= =sinc(/600)sinc(/300);

S= 50 мм K 1 ()=sinc 2 (0,0067/2)=sinc 2 (/300).

для На рис.8.14,б показаны найденные BЧХ киносъемочного аппарата.

Из анализа результатов примеров 8.2 и 8.3 следует, что ВЧХ киносъемочного аппарата наиболее критична к величине выдержки (рис.8.13) и менее критична к форме характеристики обтюрации (рис.8.14). В дальнейшем при общем анализе временных и пространственно-временных преобразований изображения в кинематографической системе, если не будет особых оговорок, будем считать, что характеристика обтюрации имеет форму прямоугольника.

Рис.8.14. Характеристики обтюрации и BЧХ киносъемочного аппарата (к примеру 8.3) В существующих киносъемочных аппаратах угол раскрытия обтюратора близок к 180 о, причем во многих аппаратах для изменения выдержки предусмотрена возможность уменьшения угла раскрытия обтюратора. Для оценки фильтрующего действия киносъемочных аппаратов введено понятие коэффициент обтюрации о, равный отношению выдержки к периоду смены кадров:

о =t в /T с. (8.19) Подставив в выражение (8.17) значение t в =T с о, имеем К 1 ()=sincT c o =sinc o / c. (8.20) П р и м е р 8.4. Найти ВЧХ киносъемочного аппарата при коэффициенте обтюрации о, равном: 1) 0,25;

2) 0,5;

3) 1,0;

4) 2,0.

Подставляя значения о в формулу (8.20), имеем:

о =0,25;

К 1 ()=sinc0,25/ с ;

о =0,5;

K 1 ()=sinc0,5/ с ;

о =1,0;

К 1 ()=sinc/ c ;

o =2,0;

K 1 ()=sinc2/ c.

Используя получ енные выражения, строим графики ВЧХ киносъемочных аппаратов (рис.8.15).

Рис.8.15. Графики ВЧХ киносъемочных аппаратов (к примеру 8.4) Штриховыми линиями на рис.8.15 показана ВЧХ идеального фильтра, обеспечивающего полное устранение возможности появления искажений первого рода, вызванных дискретизацией изображения в кинематографе. Из рисунка следует, что при коэффициенте обтюрации о =0,5 (угол раскрытия обтюратора о =180 о ), имеющем место в большинстве современных киносъемочных аппаратов, частоты, большие с /2, подавляются очень слабо. Еще в меньшей степени они подавляются, если о 0,5, т.е. при угле раскрытия обтюратора меньшем 180 о. Следовательно, фильтрующее действие современных киносъемочных аппаратов не устраняет возможности появления искажений первого рода.

Достаточно хорошее подавление частот, больших с /2, можно достичь при о равном 1...2. Однако обеспечение такого значения о в аппаратах с прерывистым движением кинопленки связано со значительными техническими трудностями.

П р и м е р 8.5. Найти коэффициенты искажений первого рода, если коэффициент обтюрации о киносъемочного аппарата равен: 1) 0,25;

2) 0,5;

3) 1,0;

4) 2,0.

На основе формулы (2.60) для временных частот имеем с /2 и =1 - K 1 () d/K 1 () 2 d.

- с / Подставив в данную формулу выражение (8.20), получим с /2 и =1 - sinc о / с d/sinc о / с 2 d.

-с /2 Для о =0,25 коэффициент искажений первого рода будет равен с/2 и =1 - sinc0,25/ с d/sinc 0,25/ с 2 d=0,82.

-с/2 Аналогично находим коэффициенты искажений и для других значений о (табл.8.2).



Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 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.