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 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 16 |

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

-- [ Страница 13 ] --

При частоте кинопроекции 48 или 60 кадр/с данные затруднения полностью устраняются.

Особый интерес вызывает создание кинопроекционного аппарата с непрерывным движением фильмокопии и импульсным источником света, благодаря тому, что он позволит отказаться от перфораций на фильмокопии. Идея заключается в том, что при киносъемке в обычном киносъемочном аппарате на негатив на перфорированной кинопленке наносятся синхронизирующие метки, жестко привязанные к каждому записываемому кинокадру. В кинопроекторе с непрерывным движением фильмокопии данная метка считывается и преобразуется в синхронизирующий сигнал, управляющий поджигом импульсной лампы. Если считываемая метка жестко привязана к тому кадру, который проецируется на экран, то полностью устраняется заметность вертикальной неустойчивости изображения на киноэкране. Однако основное достоинство подобной системы заключается в том, что отпадает необходимость в перфорациях на киноленте, на которой отпечатана фильмокопия.

С отказом от перфораций и с сокращением межкадровой черты при переходе к удвоенной частоте кинопроекции площадь фильмокопии и ее объем сохранятся почти на прежнем уровне. В то же время значительная толщина киноленты (0,15 мм) обусловлена требуемой жесткостью кромок перфораций. С устранением перфораций толщина киноленты может быть сокращена в 2 - 3 раза (в настоящее время выпускаются фотоматериалы с толщиной всего лишь 0,05 мм). С сокращением толщины киноленты объем фильмокопии и ее масса уменьшатся в 2 - 3 раза по сравнению с объемом и массой современных фильмокопий.

Далее, известно, что срок службы фильмокопий зависит от износа перфораций и поверхности фильмокопий. С устранением перфораций срок службы фильмокопий будет зависеть только от износа ее поверхности. Износ поверхности происходит в основном при намотке и перемотке фильмокопий. Он вызван затягиванием витков из-за наличия межвитковых зазоров. Последние возникают в результате коробления киноленты. По мере уменьшения толщины киноленты ее жесткость и склонность к короблению снижаются.

Поэтому возможность появления межвитковых зазоров и поверхностный износ фильмокопий уменьшаются, а срок службы фильмокопии увеличивается ориентировочно в три - пять раз по сравнению со сроком службы существующих фильмокопий.

К сказанному следует добавить то, что кинопроектор с непрерывным движением фильмокопии значительно проще по конструкции и дешевле в изготовлении, чем существующие кинопроекционные аппараты. К тому же он работает почти бесшумно и позволяет простыми средствами обеспечить автоматизацию кинопоказа.

Длительность вспышки импульсной лампы должна быть принята такой, чтобы за время вспышки фильмокопия не успела переместиться на величину, большую 0,5/N, где N - разрешающая способность всей системы (включая зрительный анализатор), приведенная к поверхности фильмокопии. При проекции 35-мм фильмокопии с частотой с =48 кадр/с, шагом кадра Н к =19мм и итоговой разрешающей способностью N=30мм - 1 длительность вспышки не должна превышать t в с п =(2 с H к N) - 1 =(2481930) - 1 =1810 - 6 с=18 мкс.

В качестве источников света могут быть использованы также мощные импульсные лазеры, которые позволят улучшить качество цветопередачи (см.разд.7).

Поскольку габариты и масса фильмокопии в КВК оказываются меньше, чем в современном кинематографе, то, сохранив их на прежнем уровне, можно увеличить размеры кинокадра. Как было показано в разд.6, это позволит повысить явно не достаточную в современном кинематографе четкость изображения.

Довольно подробно принцип новой кинематографической системы рассмотрен вследствие того, что современная техника киносъемки и кинопроекции практически не отличается от созданной более столетия тому назад. Она в настоящее время сдерживает улучшение качества кинопоказа путем повышения яркости киноэкрана, сужает творческие возможности постановщиков кинофильмов наложением ограничений на скорость передвижения изображения по киноэкрану, не обеспечивает требуемой четкости изображения. Переход к новой системе кинематографа не только позволит повысить качество кинопоказа, но и даст значительный экономический эффект по сравнению с существующей кинематографической системой.

8.5. ВРЕМЕННЫЕ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ВИДЕО- И КИНОТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМАХ На рис.8.32 показана геометрическая интерпретация преобразований изображения в видео- и телевизионной системах с чересстрочной разверткой (см.рис.7.23,б). Поскольку считывание и воспроизведение изображения на каждом поле телевизионного кадра происходит построчно - начиная с верхней части кадра, то плоскости полей наклонены по вертикали по отношению к оси времени t на угол. Кроме того, имеет место некоторый небольшой наклон плоскостей по горизонтали (на рисунке не показан), обусловленный перемещением считывающего и воспроизводящего элементов вдоль каждой строки.

Указанные наклоны плоскостей телевизионных полей не оказывают существенного влияния на передачу как неподвижного, так и движущегося изображения, поскольку наклон, возникший в передающей телевизионной камере, компенсирует точно такой же наклон плоскостей в приемнике - телевизоре. Только в отдельных случаях могут возникнуть специфические искажения, вызванные подобным наклоном плоскостей телевизионных полей. Например, если объект освещается источником света, интенсивность которого периодически изменяется, то, как было показано в разд.8.3, в кинематографической системе это может вызвать низкочастотные колебания яркости изображения на киноэкране. В телевизионной системе в подобных случаях за счет того, что плоскости полей имеют наклон, подобные колебания яркости могут сопровождаться дополнительным перемещением темных полос в вертикальном направлении на экране кинескопа. Однако подобные искажения возникают сравнительно редко. Следовательно, рассмотренный наклон плоскостей полей в пространстве x,y,t не вносит существенных отличий в преобразования движущегося изображения в видео- и телевизионной системах от аналогичных преобразований в кинематографической системе (см.рис.8.9).

Рис.8.32. Геометрическая интерпретация дискретизации изображения в телевидении Рассмотрим теперь чисто временные преобразования сигнала на отдельном элементарном участке изображения с координатами х,у (см.рис.8.32) и на заштрихованном на рисунке участке или всей поверхности кадра. Если объект постоянной яркости изображен на элементарном участке х,у фотокатода передающей телевизионной камеры и совпадает со строкой нечетного (или, наоборот, четного) поля, то он будет воспроизведен на экране кинескопа с частотой кадров, т.е. к =1/Т к =25 Гц, где Т к =1/25 с - период смены телевизионных кадров. Пусть теперь объект имеет постоянную во времени яркость и изображается на заштрихованном участке или на всей поверхности кадра. Примем во внимание среднюю яркость изображения на экране кинескопа, т.е. не будем учитывать растровую структуру изображения. Тогда колебания яркости экрана кинескопа будут происходить с частотой полей, т.е. п =1/Т п = 50 Гц, где Т п =Т к /2=1/50 с - период смены полей.

При создании телевизионной системы стремились к тому, чтобы на выходе системы временная частота кадров 25 Гц была бы полностью подавлена, а изображение воспринималось бы наблюдателем с частотой полей 50 Гц, т.е. с частотой, в значительной степени подавляемой зрительным анализатором.

Поставленная задача решается фильтрацией в звеньях телевизионной и видеосистем не только временных, но и пространственных частот.

На входе системы в передающей телевизионной камере фильтрацию временных частот производит считывающий элемент.

Поскольку он всегда имеет конечные размеры (см.рис.7.24,а), то при своем движении по фотокатоду усредняет изменение освещенности во времени в каждой отдельной точке изображения на поверхности фотокатода. Его фильтрующие свойства оценивают временная импульсная реакция и ВЧХ системы, определяемые формулами (7.13) и (7.14) и показанные на рис.7.24,б и в. Как следует из рис.7.24,в, фильтрующее действие считывающего элемента не велико (система пропускает частоты более 6 МГц). Тем не менее, в некоторых устаревших передающих телевизионных камерах фильтрацию временных частот осуществляет только считывающий элемент. К таким камерам относится, например, электромеханическая система с диском Нипкова.

В современных передающих камерах используют электронно лучевые телевизионные трубки с накоплением заряда. В каждом элементарном участке фотокатода в течение периода смены кадра происходит накопление заряда. В течение этого периода (1/25 с) все изменения освещенности изображения усредняются, что равноценно фильтрации временных частот.

По характеру накопления зарядов передающие трубки можно разделить на две группы: с накоплением заряда по экспоненциальному закону (рис.8.33,а) и по прямоугольному закону (рис.8.33,б). К первым относятся передающие трубки типа иконоскоп, а ко вторым - передающие трубки типа суперортикон. Ко второй группе относятся также камеры с матрицами ПЗС.

Приведенные на рис.8.33,а и б свето-временные характеристики передающих телевизионных камер аналогичны характеристикам обтюрации киносъемочных аппаратов. Для унификации терминологии будем их в дальнейшем называть характеристикой обтюрации передающей телевизионной камеры и описывать функцией F 0 1 (t). Для экспоненциальной характеристики обтюрации имеем F 0 1 (t)=(/t э )exp(t/t э )1(-t), (8.57) а для прямоугольной F 0 1 (t)=(1/t в )rect(t/t в ), (8.58) где t э и t в - длительность накопления заряда.

Рис.8.33. Характеристики обтюрации и ВЧХ передающих телевизионных камер ВЧХ К 1 () передающих камер находим преобразованием Фурье функций (8.57) и (8.58). Для экспоненциальной характеристики (рис.8.33,в) K 1 ()=1/[1+(2t э ) 2 ] 1 / 2. (8.59) Для прямоугольной характеристики (рис.8.33,г) K 1 ()=sinc(t в ). (8.60) Из сопоставления рис.8.33,а и 8.33,б следует, что при t э =t в и прочих равных условиях в системе с экспоненциальной характеристикой обтюрации значительно хуже используется световой поток, чем в системе с прямоугольной характеристикой обтюрации. Это равноценно снижению экспозиции при фотосъемке в фотографических системах. Сопоставление же рис.8.33,в и 8.33,г показывает, что системы с прямоугольной характеристикой обтюрации более эффективно осуществляют фильтрацию нижних временных частот.

Таким образом, прямоугольная характеристика обтюрации предпочтительнее экспоненциальной. Большая часть существующих передающих телевизионных камер имеет такую характеристику обтюрации. В дальнейшем будем считать, что характеристика обтюрации передающей телевизионной камеры имеет прямоугольную форму.

Время накопления заряда t в может быть равно периоду смены кадра Т к, что соответствует коэффициенту обтюрации о =t в /T к, равному единице. При этом искажения первого рода почти полностью устраняются, однако при частоте кадров 25 Гц в значительной степени возрастает смаз изображения движущихся объектов. Поэтому предпринимаются меры по снижению времени накопления заряда. В передающих телевизионных камерах с матрицами ПЗС предусматриваются электронные затворы, позволяющие в случае необходимости уменьшать время накопления заряда t в. Снижение коэффициента обтюрации в два раза возможно также спариванием соседних строк, как показано на рис.6.35. В телевизионных камерах с передающими телевизионными трубками считывающий элемент с диаметром, превышающим шаг растра Y*, частично снимает заряд с соседних строк, что также несколько снижает коэффициент обтюрации передающей телевизионной камеры.

Таким образом, в телевизионных системах можно эффективно бороться с рассмотренными выше искажениями первого рода.

Фильтрация временных частот на выходе телевизионной и видеосистемы осуществляется экраном кинескопа и зрительным анализатором наблюдателя. Фильтрующее действие экрана кинескопа обусловлено конечными размерами воспроизводящего элемента и послесвечением экрана. Фильтрующее действие воспроизводящего элемента, как и считывающего, незначительно. Основную роль выполняет послесвечение экрана, заключающееся в том, что после воздействия воспроизводящего элемента на элементарную площадку экрана люминофор экрана, как бы по инерции, продолжает какое-то время светиться. Спад яркости экрана происходит по закону, близкому к экспоненциальному (рис.8.34,а), и может быть описан функцией F о к п (t)=(/t э )exp(-t/t э )1(t), (8.61) где t э - время послесвечения. Свето-временная характеристика F о кп (t) аналогична характеристике обтюрации кинопроектора. Назовем ее характеристикой обтюрации кинескопа. ВЧХ кинескопа находим преобразованием Фурье функции (8.61):

K кп ()=1/[1+(2t э ) 2 ] 1 / 2. (8.62) График ВЧХ показан на рис.8.34,б.

Рис.8.34. Характеристика обтюрации и ВЧХ кинескопа Время послесвечения экрана кинескопа составляет t э =0,01...0,04 с.

Его фильтрующее действие дополняется фильтрующим действем зрительного анализатора.

Если ВЧХ зрительного анализатора описывает функция К з а (), то итоговая ВЧХ фильтра Ф 2 на выходе системы К 2 ()=К к п ()К з а (). (8.63) Фильтр Ф 2 в значительной степени подавляет частоту полей Гц, поэтому мелькания изображения с этой частотой зрителю мало заметны. Чисто временные искажения второго рода могут проявиться в заметности межстрочных мельканий с частотой кадров 25 Гц.

Рассмотрим этот вопрос более подробно.

На рис.8.35,а сплошными линиями показано распределение яркости экрана кинескопа вдоль оси у при воспроизведении нечетного поля и диаметре воспроизводящего элемента d=2Y*.

Строки расположены на интервалах 2Y*, поэтому не перекрывают друг друга. Они следуют друг за другом с частотой строк, т.е. Гц. Такая временная частота полностью подавляется зрительным анализатором;

это позволяет считать, что соседние нечетные строки воспринимаются наблюдателем как бы одновременно.

Штриховыми линиями на рис.8.35,а показано распределение яркости при воспроизведении четного поля. Четные поля появляются за нечетными через интервалы, равные 1/50 с. Поэтому в местах перекрытия строк нечетного и четного полей (заштриховано на рисунке) частота мельканий удваивается и становится равной 50 Гц.

Интенсивность же мельканий с частотой 25 Гц пропорциональна площадям незаштрихованных участков, ограниченных сплошными и штриховыми линиями. Для того, чтобы интенсивность мельканий изображения с частотой 25 Гц ослабить, необходимо уменьшить площади незаштрихованных участков. Это достигается усилением фильтрации пространственных частот путем увеличения диаметра воспроизводящего элемента.

Рис.8.35. Возникновение межстрочных мельканий На рис.8.35,б показано распределение яркости в изображении, образованном строками нечетного поля при увеличении диаметра воспроизводящего элемента до d=3Y*. В данном случае соседние нечетные строки частично перекрывают друг друга. В местах перекрытия строк воспринимаемая яркость изображения определяется суммированием яркостей соседних строк. В результате получаем кривую распределения яркости, показанную штрихпунктирной линией. Аналогичный процесс происходит и на четном поле (рис.8.35,в). Итоговое изображение, образованное нечетными и четными полями, показано на рис.8.35,г. Теперь площадь незаштрихованных участков значительно сократилась, поэтому интенсивность колебаний яркости с частотой 25 Гц уменьшилась.

Понятно, что полностью мелькания будут устранены в том случае, когда система подавит пространственную частоту, с которой следуют друг за другом нечетные (или четные) строки, т.е. равную f y =0,5/Y*.

Как было показано выше (см.разд.6.5), для этого воспроизводящий элемент должен иметь диаметр d=4Y*. При увеличении диаметра элемента до таких больших значений существенно снижается четкость воспроизводимого изображения. Однако следует напомнить, что фильтрующее действие кинескопа дополняется фильтрующим действием зрительного анализатора. Если ПЧХ воспроизводящего элемента вдоль оси у описывает функция K э в (f у ), а зрительного анализатора - K з а (f у ), то итоговая ПЧХ будет равна K ит (f у )=K э в (f у )K з а (f у ). (8.64) Следует также учесть фильтрацию временной частоты =25 Гц, осуществляемую зрительным анализатором и кинескопом. Эта фильтрация определяется ВЧХ К 2 (), описываемой формулой (8.63).

Для незаметности мельканий необходимо, чтобы амплитуда колебаний яркости не превышала T mi n =0,008, т.е. минимальную глубину модуляции временного сигнала, воспринимаемого зрительным анализатором (см.разд.8.2).

Таким образом, для того, чтобы межстрочные мелькания не были заметны зрителю, необходимо выполнить условие K ит (0,5/Y*)K 2 (25)T mi n =0,008. (8.65) П р и м е р 8.19. Яркость экрана кинескопа равна 150 кд/м 2, время после свечения экрана - t э =0,02 c. Найти минимальный диаметр d воспроизводящего элемента, который полностью устранит заметность межстрочных мельканий яркости.

По формуле (8.62) имеем К к п (25)= [1+(20,0225) 2 ] -1 / 2 =0,9.

Поскольку яркость экрана равна 150 кд/м 2, то принимаем к р =60 с -1, и по формуле (8.5) находим К з а (25)=ехр[-4,8(25/60) 2 ]=0,43.

Следовательно, согласно равенству (8.63) получим К 2 (25)=0,90,43=0,39.

Поскольку частота телевизионного растра 1/Y* на поверхности сетчатки равна 143,5 мм -1 (см.разд.6.5), то 0,5/Y*=0,5143,5=71,75 мм -1 и в соответствии с формулой (6.6) имеем К з а (71,75)=ехр[-5,5(71,75/150) 1, 4 5 ]=0,15.

Согласно равенству (8.64) можем написать К и т (0,5/Y*)=0,15K э в (0,5/Y*).

По формуле (8.65) получим 0,390,15К э в (0,5/Y*)= 0,059К э в (0,5/Y*)0,008.

Отсюда находим K э в (0,5/Y*)0,008/0,059= 0,14.

На основе равенства (6.41) для f x =0 имеем K э в (f у )=exp[-(f у /N) 2 ] и K э в (0,5/Y*)=ехр[-(0,5/NY*) 2 ].

Следовательно, ехр[-(0,5/NY*) 2 ]0,14.

Решая данное неравенство относительно N, находим N0,63/Y*.

Поскольку (см.рис.6.20,б) диаметр воспроизводящего элемента равен d=2/N, то d2Y*/0,63=3,17Y*.

Из анализа результатов примера 8.19 можно заключить, что устранение межстрочных мельканий вынуждает увеличивать диаметр воспроизводящего элемента, а следовательно, и снижать четкость воспроизводимого изображения. Однако при этом не только подавляются межстрочные мелькания, но и значительно снижается заметность растровой структуры изображения. Устранить данные искажения без снижения четкости изображения возможно лишь повышением частоты дискретизации по пространственным частотам, т.е. путем перехода к телевидению высокой четкости.

Действительно, если частоту 1/Y* телевизионного растра, приведенную к поверхности сетчатки глаза, принять равной 280 мм - 1, то частота строк четных и нечетных полей будет равна 0,5/Y*= мм - 1. Данная частота почти полностью подавляется зрительным анализатором. Поэтому в ТВЧ отсутствуют какие-либо ограничения размеров воспроизводящих элементов.

Если заметность межстрочных мельканий и строчной структуры телевизионного изображения полностью устранена, то воспринимаемое изображение на экране кинескопа не отличается от кинематографического изображения, воспринимаемого на экране кинотеатра. Однако это имеет место только при воспроизведении неподвижного изображения. Воспроизведение движущегося изображения в телевидении и кинематографе принципиально отличается друг от друга. В кинематографе для незаметности мельканий изображения с частотой 24 кадр/с каждый одинаковый кадр, передающий одну фазу изменения объекта во времени, предъявляется зрителю дважды. В телевидении и видео для незаметности мельканий с частотой 25 кадр/с каждый кадр содержит два различных поля, передающих две последовательные фазы изменения объекта во времени. Поэтому в телевидении и видео частота дискретизации изображения во времени равна не частоте кадров (как в кинематографе), а частоте полей, т.е. 50 Гц.

Следовательно, передача движущегося изображения в телевидении и видео существующего стандарта аналогична его передаче в кинематографе высокого качества с частотой с =50 кадр/с. Возникающие временные и кинопроекции пространственно-временные искажения изображения, вызванные его дискретизацией, подобны имеющим место в системе КВК и рассмотренным в разд.8.4.

Увеличенная в телевидении и видео частота дискретизации полностью устраняет дробление изображения. Коэффициент обтюрации передающей телевизионной камеры эквивалентен отношению времени накопления заряда к периоду смены полей и может достигать двух. При таких значениях коэффициента обтюрации полностью устраняются искажения в виде стробоскопического эффекта и прерывистости движения изображения. Однако при коэффициенте обтюрации, равном двум, значительно возрастает смаз в изображениях движущихся объектов.

Выше было показано, что при частоте кинопроекции 50 кадр/с оптимален коэффициент обтюрации равный единице. Даже при таком коэффициенте обтюрации указанные искажения проявляются достаточно слабо. Таким образом, телевизионная и видео- системы с чересстрочной разверткой изображения обеспечивают значительно лучшую передачу движения изображения, чем современная кинематографическая система.

В кинотелевизионных системах как КТС-1, так и КТС-2 указанные достоинства телевизионной и видеосистем частично исключаются. В кинотелевизионной системе КТС-1 (см.разд.6.5) на входе происходят преобразования движущегося изображения, как и в обычной кинематографической системе. Изображение дискретизируется с частотой киносъемки, т.е. 24 (25) кадр/с. При переводе в видеосигнал каждый кадр передается двумя соседними телевизионными полями. Поэтому частота дискретизации сохраняется и все искажения, присущие кинематографу (стробоскопический эффект, прерывистость движения и дробление изображения), возникают на экране кинескопа. Только благодаря тому, что четкость изображения на экране кинескопа более низкая, чем на киноэкране, эти искажения будут несколько ослаблены.

Таким образом, передача движения изображения в системе КТС 1 примерно соответствует передаче движения изображения в кинематографической системе. С переходом к кинематографу высокого качества положение несколько изменится. Если частота киносъемки равна 50 кадр/с, то информация о каждом кинематографическом кадре будет содержаться только на одном поле телевизионного кадра. Дробление изображения будет отсутствовать.

Однако если коэффициент обтюрации киносъемочного аппарата, как обычно, равен 0,5, то на экране кинескопа, так же как и на экране кинотеатра, будет заметна прерывистость движения изображения и возможно возникновение стробоскопического эффекта.

В кинотелевизионной системе КТС-2 на входе преобразования движущегося изображения происходят аналогично его преобразованиям в телевизионной системе. Вследствие этого искажения первого рода практически будут отсутствовать. Однако при перезаписи телевизионного сигнала на кинопленку оба поля телевизионного кадра записываются на одном кинематографическом кадре. Происходит передискретизация, т.е. частота дискретизации изображения во времени снижается в два раза. Вследствие этого в воспроизводимом на киноэкране изображении может иметь место дробление изображения. Если время накопления заряда в передающей телевизионной камере будет равно периоду смены полей (0,02 с), то прерывистость движения изображения станет менее заметна, чем в существующем кинематографе. Таким образом, в данной кинотелевизионной системе значительно ослаблены искажения первого рода, но искажения второго рода в виде дробления изображения проявляются, как и в обычном кинематографе.

При переходе к кинематографу высокого качества в системе КТС-2 возможна перезапись каждого поля телевизионного кадра на отдельный кинематографический кадр. В данном случае улучшается передача движения изображения, но снижается его четкость.

Новый стандарт цифрового телевидения высокой четкости предусматривает “кинематографический” вариант 24/Р с частотой кадров 24 кадр/с и построчной (прогрессивной) разверткой изображения. В системе КТС-1 при переводе кинематографического изображения в телевизионный сигнал каждый кадр кинофильма представляется одним полным телевизионным кадром. При воспроизведении изображения на экране кинескопа каждый телевизионный кадр воспроизводится дважды. В системе КТС- каждый телевизионный кадр перезаписывается на один кинематографический кадр.

8.6. СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Системы записи движущихся изображений еще до появления театрального кинематографа использовались исследователями для изучения движения насекомых, животных, деталей машин и приборов. Покадровое изучение результатов записи позволяло анализировать фазы движения, строить графики пути, скорости и ускорений отдельных элементов исследуемых объектов. С появлением театрального кинематографа область применения кинематографических методов исследования изменения во времени различных процессов значительно расширилась. Стал возможен просмотр изображения изучаемого процесса на киноэкране. В настоящее время технические средства этих исследований пополнились методами телевидения и видеотехники.

Особое значение кинематографические (и отчасти телевизионные) методы получили при изучении очень медленно протекающих процессов (распускание цветков, прорастание семян и т.п.) и, наоборот, очень быстро протекающих процессов (взрывные процессы, работа быстроходных машин и приборов и др.). Для этого частота киносъемки принимается отличной от частоты кинопроекции. Для изучения результатов исследовательских киносъемок используют специальные кинопроекторы кинодешифраторы. Последние по конструкции аналогичны обычным кинопроекторам, но позволяют производить покадровую проекцию и кинопроекцию с частотой 16 и 24 кадр/с. В соответствии с этим киносъемку с частотой менее 16 кадр/с называют замедленной киносъемкой, а киносъемку с интервалами между экспонированием отдельных кадров более 1 с называют покадровой. Для замедленных и покадровых киносъемок используют обычные киносъемочные аппараты, снабженные специальными приводными механизмами.

Киносъемку же с частотой выше 24 кадр/с называют ускоренной киносъемкой. Для ускоренных киносъемок применяют киносъемочные аппараты с прерывистым движением кинопленки (см.рис.8.1,а). 35-мм киносъемочные аппараты позволяют производить киносъемки с частотой до 240-300 кадр/с. Известны 16 мм киносъемочные аппараты с частотой киносъемки до 1000 кадр/с.

Более высокие частоты киносъемки (примерно до 3-10 тыс.кадр/с) обеспечивают аппараты с оптической компенсацией (см.рис.8.1,б).

Киносъемки с такими частотами называются скоростными.

Дальнейшее увеличение частоты киносъемки достигается применением киносъемочных аппаратов с оптической коммутацией (см.рис.8.1,в). Они обеспечивают высокоскоростную киносъемку с частотой до 1-2 млн кадр/с.

В перечисленных киносъемочных аппаратах и в кинодешифраторах происходят временные и пространственно временные преобразования изображения, принципиально не отличающиеся от рассмотренных выше.

Во второй половине века возникла необходимость проведения исследований быстропротекающих процессов путем высокоскоростной киносъемки с частотой до десятков и сотен миллионов кадров в секунду. К таким процессам относятся искровые разряды, работа импульсных лазеров, свечение импульсных источников света, некоторые взрывные реакции и др. Для изучения подобных процессов получили широкое распространение высокоскоростные растровые аппараты и фоторегистраторы.

Наибольшие частоты киносъемки достигнуты в растровых киносъемочных аппаратах с зеркальной разверткой (рис.8.36).

Объектив 2 строит изображение объекта 1 в плоскости точечного линзового растра 4, перед которым установлена линза-коллектив 3.

Каждая линза растра изображает выходной зрачок объектива 2 в плоскости, показанной на рисунке штриховой линией. В этой плоскости образуется растровое изображение объекта 1.

Промежуточный объектив 6 совместно с зеркалами 5 и 7 зеркальной развертки переносит растровое изображение объекта съемки в плоскость фотопластинки 8. Во время киносъемки зеркала 5 и вращаются в направлении стрелок, осуществляя развертку изображения по поверхности фотопластинки 8. Как известно, скорость вращения отраженного от зеркала луча в два раза превышает скорость вращения зеркала. Вследствие этого два зеркала образуют так называемый оптический ускоритель и скорость вращения луча в данной системе превышает скорость вращения зеркал примерно в четыре раза. Скорость V развертки изображения относительно фотопластинки в данном аппарате достигает 12,5 км/с, а разрешающая способность во времени ma x =50010 6 с - 1.

Рис.8.36. Схема растрового киносъемочного аппарата с зеркальной разверткой Зеркала 5 и 7 перед киносъемкой разгоняются до заданной скорости. Для того, чтобы исследуемый процесс произошел в тот момент, когда его изображение совпадает с поверхностью фотопластинки 8, в аппарате имеется система синхронизации, подающая импульс на исследуемый объект при вполне определенном положении зеркал 5 и 7.

Воспроизведение движущегося изображения производится на самом киносъемочном аппарате. Для этого зеркало устанавливается в положение, показанное на рис.8.36 штриховыми линиями, и включается осветитель 9, освещающий диафрагму 10. В плоскости диапозитива 8, установленного в аппарат, образуются высвечивающие элементы, выделяющие отдельную фазу движения изображения объекта, которую наблюдатель может видеть на диапозитиве 8 на просвет. Воспроизведение замедленного движения изображения осуществляется при неподвижных зеркалах 5 и перемещением диапозитива 8 в направлении стрелки.

Изучение снятого изображения может производиться указанным способом на самом растровом киносъемочном аппарате. Однако предусмотрена возможность перепечатывания изображения при помощи обычного киносъемочного аппарата на стандартную кинопленку. Демонстрация и изучение изображения производятся в данном случае при помощи кинодешифратора или обычного кинопроекционного аппарата с проекцией изображения на киноэкран.

В рассмотренном аппарате размер растра и фотопластинки составляет 1318 см, а шаг растра равен 0,7 мм. По методике, изложенной в разд.6, можно найти, что по четкости воспроизводимое изображение примерно соответствует изображению, получаемому в обычных 16-мм киносъемочных аппаратах с разрешающей 25 мм - 1. Оптическая емкость согласно формуле способностью (8.4) составляет порядка Z о =300.

Основные параметры растровых киносъемочных аппаратов разрешающая способность во времени и оптическая емкость, естественно, носят условный характер, поскольку четкого деления на кадры при записи изображения не производится. Вскроем физический смысл этих понятий, который позволит сопоставить возможности растровых систем с обычными киносъемочными аппаратами, осуществляющими запись с дискретизацией изображения во времени.

Элемент растрового изображения, образованный оптической системой растрового киносъемочного аппарата, определяется распределением действующей освещенности в эмульсионном слое фотопластинки. Последнее находится сверткой функции, описывающей распределение освещенности в геометрическом изображении элемента растрового изображения, с функциями рассеяния точки оптической системы и фотографического материала.

Положим, что элемент растрового изображения обладает круговой симметрией. С достаточной для данного случая точностью распределение действующих освещенностей в этом элементе вдоль оси х, в направлении которой осуществляется развертка, опишет функция F o (x)=Nexp[-(xN) 2 ], (8.66) где N - итоговая разрешающая способность системы. Она, как и прежде, равна N=2/d. Причем d - диаметр элемента растрового изображения.

Произведя замену переменных x=Vt, находим (рис.8.37,а) F o 1 (t)=VNexp[-(VNt) 2 ]=F ma x exp[-(VNt) 2 ]. (8.67) Рис.8.37. Характеристика обтюрации и ВЧХ растрового киносъе мочного аппарата Если объект представляет собой равномерно светящуюся поверхность, то функция F о 1 (t) определяет изменение действующей освещенности элементарной площадки светочувствительного материала, мимо которой перемещается со скоростью V элемент растрового изображения. По своему определению функция F о 1 (t) эквивалентна характеристике обтюрации киносъемочного аппарата.

Преобразование Фурье от этой функции даст временную частотную характеристику растрового киносъемочного аппарата (рис.8.37,б):

K 1 ()=exp[-(/VN) 2 ]=exp[-(/ ma x ) 2 ]. (8.68) ma x Разрешающая способность во времени показывает максимальную временную частоту, которую система способна записать, а ход ВЧХ для более низких частот оценивает возможность системы воспроизвести спектр временных частот в записанном сигнале, а в конечном счете - размытость (“смаз”) в изображении движущихся объектов. Вполне понятно, что если ВЧХ растрового киносъемочного аппарата совпадает с ВЧХ аппарата с дискретизацией изображения во времени, то размытость записанных изображений движущихся объектов, при прочих равных условиях, будет одинакова. Из сопоставления рис.8.37,б и 8.14,б можно заключить, что формы ВЧХ растровых и обычных киносъемочных аппаратов близки друг другу. Аппроксимируем ВЧХ, показанные на рис.8.14,б, функцией K 1 ()=exp[-(t в ) 2 ]=exp[-( о / с ) 2 ]. (8.69) Из сопоставления выражений (8.68) и (8.69) следует, что ВЧХ совпадут при условии ma x = c / o или c = max o. (8.70) Полученное равенство показывает, что если коэффициент обтюрации о принять равным единице, то частота киносъемки в растровом аппарате будет равна разрешающей способности во времени. При этом смаз изображения движущихся объектов будет эквивалентен имеющему место в аппарате, например, с оптической коммутацией, при одинаковых частоте киносъемки и коэффициенте обтюрации. Если же коэффициент обтюрации принять равным 0,5, то частота киносъемки в растровом аппарате будет вдвое меньше разрешающей способности во времени. Однако размытость движущегося изображения уменьшится и будет эквивалентна имеющей место, например, в аппаратах с прерывистым движением кинопленки при аналогичной частоте киносъемки и коэффициенте обтюрации. Для того, чтобы размытость движущегося изображения была одинаковой, частота киносъемки и коэффициент обтюрации должны быть одинаковы в растровом аппарате и аппарате с дискретизацией изображения во времени.

Размытие в изображении движущегося объекта определяет точность проводимых в результате высокоскоростной киносъемки измерений. Данный показатель в информационно-измерительной технике является важнейшим. Как было показано выше, размытость в изображении движущихся объектов уменьшается при снижении значения коэффициента обтюрации. Однако при этом возрастает возможность появления искажений первого рода. В информационно измерительной технике эти искажения вполне допустимы, поскольку могут быть учтены при анализе снятого процесса.

Снижение коэффициента обтюрации уменьшает не только разрешение во времени, которое не может быть больше половины частоты киносъемки, но и оптическую емкость системы.

Действительно, при делении изображения на кадры шаг растрового кадра будет равен Н к =(N о ) - 1.

Следовательно, оптическую емкость определит равенство Z о =S/H к =SN о, где S - сдвиг изображения до начала повторного экспонирования светочувствительного материала.

С учетом выражения (8.4) имеем Z о =0,5X*Y*N 2 о. (8.71) С целью значительного уменьшения коэффициента обтюрации без существенного снижения оптической емкости системы в некоторых растровых киносъемочных аппаратах применяют обтюратор, обеспечивающий дискретизацию изображения во времени. В данном случае независимо от значения коэффициента обтюрации шаг кадра принимается равным H к =2/N.

Следует напомнить, что во всех предыдущих рассуждениях понятия частота растровой киносъемки, шаг кадра и коэффициент обтюрации носили сугубо условный характер. Действительно, эти понятия устанавливались экспериментатором в условиях расшифровки снятого материала и могли по его желанию изменяться в широких пределах. Однако при использовании обтюратора в растровом киносъемочном аппарате данные понятия принимают абсолютно конкретный характер. Такой же характер они имеют и при перепечатывании растрового изображения на кинопленку при помощи обычного киносъемочного аппарата. В последнем случае коэффициент обтюрации и частоту киносъемки определяет выбранный шаг растрового кадра, на который перемещают высвечивающие элементы относительно диапозитива за время периода смены кадра в киносъемочном аппарате. Временные и пространственно-временные преобразования изображения в данном случае принципиально не отличаются от таких преобразований в системах с дискретизацией изображения во времени.

При изучении исследуемых объектов во многих случаях достаточно записать и воспроизвести изменения изображения объекта, происходящие только вдоль оси х или у. В данном случае киносъемочный аппарат заменяет фоторегистратор, предназначенный для записи сигналов, описываемых функцией F(x,t) или F(y,t).

Принципиальная схема фоторегистратора показана на рис.8.38,а.

Объектив 2 строит изображение объекта съемки 1 в плоскости щелевой диафрагмы 3, за которой расположена линза-коллектив 4.

Промежуточный объектив 5 образует на поверхности кинопленки изображение щелевой диафрагмы с наложенным на нее изображением участка объекта. Предельно узкая щель в диафрагме нейтрализует влияние переменной у на образуемое изображение.

Благодаря этому вдоль оси у кинопленки 6 осуществляется развертка изображения по переменной t. Последняя реализуется перемещением кинопленки во время записи с постоянной скоростью V у в направлении координаты у. В результате происходит преобразование переменных в масштабе V у :

y=V у t.

Рис.8.38. Схема фоторегистратора Если, например, объектом съемки был предмет 1, перемещавшийся в направлении стрелки А, то в результате записи будет получена наклонная полоса (рис.8.38,б). Зная коэффициент преобразования координат V у, по величине наклона полосы можно определить скорость движения изображения объекта во время записи. С учетом же линейного увеличения не представляет труда вычислить скорость движения самого объекта.

В фоторегистраторах временные и пространственно-временные преобразования изображения происходят аналогично имеющим место в растровых киносъемочных аппаратах. Проанализируем их.

Импульсной реакцией вдоль оси у является распределение действующих освещенностей в изображении щелевой диафрагмы.

Импульсная реакция равна свертке функции F щ (y), определяющей распределение освещенности в геометрическом изображении щели, с функциями рассеяния линии оптической системы F л о (y) и кинопленки F л п (y):

F о (y)=F щ (y)F л о (y)F л п (y).

Аппроксимируем импульсную реакцию функцией F o (у)=Nexp[-(Ny) 2 ], где N - разрешающая способность, равная N=2/d. Причем d - ширина изображения щели. Произведя замену переменных у=V у t, находим F о 1 (t)=V у Nexp[-(V у Nt) 2 ]=F ma x exp[-(V у Nt) 2 ].

(8.72) Сопоставление выражений (8.72) и (8.67) показывает их полную идентичность. Так же как и в растровых киносъемочных аппаратах, импульсная реакция, описываемая функцией F o 1 (t), аналогична характеристике обтюрации киносъемочного аппарата. Поэтому ВЧХ фоторегистратора описывает функция (8.68). Разрешающая способность во времени ma x, как и ранее, определяет максимальную временную частоту, которую возможно записать в фоторегистраторе.

Обеспечить высокую разрешающую способность во времени в фоторегистраторе при развертке изображения перемещением кинопленки затруднительно. Поэтому во многих современных фоторегистраторах используется зеркальная развертка.

В одном из фоторегистраторов объектив 2 (рис.8.39) строит изображение объекта 1 в плоскости щелевой диафрагмы 3, за которой расположена линза-коллектив 4. За промежуточным объективом 5 находится зеркало 6, вращающееся во время записи с постоянной скоростью. Изображение щели при этом перемещается по поверхности неподвижной кинопленки 7. Скорость перемещения изображения Рис.8.39. Схема фоторегистратора с зеркальной разверткой щели в фоторегистраторе достигает 3,810 3 м/с, а разрешающая способность во времени - 10 8 с - 1. Еще большие разрешающие способности во времени достигаются при использовании для развертки изображения зеркальных ускорителей или электронно оптических преобразователей.

Разрешающая способность во времени и ВЧХ фоторегистраторов определяют временные преобразования изображения, которые важны при анализе изменения яркости отдельных участков в исследуемом объекте. При анализе перемещения изображения объекта вдоль оси х необходимо учитывать пространственно-временные преобразования, вызывающие сдвиг изображения вдоль оси х при записи, а следовательно, и его “смаз”. Хотя ширина щели в щелевой диафрагме выбирается предельно малой, но при больших скоростях V x движения изображения вдоль оси х оно успевает переместиться за время экспонирования кинопленки, в результате чего и возникает “смаз” изображения, а следовательно, снижается точность измерений.

Произведя замену переменных t=x/V x в выражении (8.72), находим, что характеристику сдвига опишет функция F с д в (x)=(V у N/V х )exp[-(V у Nx/V х ) 2 ].

Преобразование Фурье дает ПЧХ сдвига K с д в (f х )=exp[-(V х f х /V у N) 2 ]=exp[-(f х /N с д в ) 2 ], причем N с дв =NV у /V x (8.73) является разрешающей способностью, обусловленной “чистым” сдвигом. Высокие пространственные частоты вдоль оси х подавляются не только в результате сдвига изображения, но и в результате фильтрующего действия оптической системы и кинопленки, оцениваемого их ПЧХ K о (f х ) и K п (f х ) соответственно.

Следовательно, итоговая ПЧХ будет равна K ит (f х )=K с д в (f х )K о (f х )K п (f х ).

Если аппроксимировать K о (f х )K п (f х )=exp[-(f х /N х ) 2 ], где N х - разрешающая способность системы без учета сдвига изображения, то итоговая ПЧХ будет равна K ит (f х )=exp[-f х 2 (N с д в - 2 +N х - 2 )]=exp[-(f х /N и т ) 2 ]. (8.74) Здесь N и т - итоговая разрешающая способность вдоль оси х, которую можно найти из уравнения N ит - 2 =N с д в - 2 +N х - 2.

С учетом выражения (8.73) имеем N ит =V у NN х (V x 2 N x 2 +V у 2 N 2 ) - 1 / 2. (8.75) П р и м е р 8.20. В фоторегистраторе разрешающая способность вдоль оси у равна N=20 мм -1, а вдоль оси х - N х =25 мм -1. Найти итогов ую разрешающую способность N и т вдоль оси х, если 1) V х =2V у ;

2) V х =0,5V у.

Представим формул у (8.75) в виде N и т =NN х [(V x /V у ) 2 N x 2 +N 2 ] - 1 / 2.

Для первого случая имеем N и т =2025(2 2 25 2 +20 2 ) -1 / 2 =9 мм - 1.

Аналогично находим для второго случая N и т =21 мм -1.

Из анализа результатов примера 8.20 следует, что за счет сдвига изображения вдоль оси х разрешающая способность вдоль этой же оси снизилась с 25 до 9 мм - 1 (случай первый). Ошибка измерения координат изображения приближенно равна 1/N и т, поэтому за счет сдвига изображения ошибка измерений увеличилась почти в три раза. Точность измерений можно повысить более чем в два раза увеличением скорости V у развертки в четыре раза (случай второй).

Существует и другой способ повышения точности измерений пространственно-временных изменений в изображении объекта. Он основан, как и в растровых киносъемочных аппаратах, на дополнительной дискретизации изображения во времени. Для этого в фоторегистраторе устанавливают перед щелевой диафрагмой (см.рис.8.38,а) дисковый обтюратор, показанный на рисунке штриховыми линиями. Во время записи обтюратор вращается с постоянной скоростью, периодически перекрывая световой поток, идущий к кинопленке. Перемещение кинопленки со скоростью V у обеспечивает укладку изображения с шагом Y* (см.рис.8.38,б), зависящим от скорости вращения обтюратора. Угол раскрытия обтюратора о определяет коэффициент обтюрации, равный о = о /360 о.

Обтюратор уменьшает время экспонирования кинопленки при записи каждого последовательного изображения щели.

Следовательно, за время экспонирования уменьшается и величина сдвига изображения объекта вдоль оси х.

Будем считать, что обтюратор мгновенно открывает и закрывает отверстие в щелевой диафрагме 3 (см.рис.8.38,а). Тогда характеристика обтюрации будет иметь прямоугольную форму:

F о б (t)=(1/t в )rect(t/t в ), (8.76) где t в - выдержка.

Время T с между экспонированием соседних полосок равно T с =Y*/V у. Следовательно, выдержка t в = о Т с = о Y*/V у.

Произведя замену переменных в формуле (8.76) t=x/V x, получим характеристику сдвига, ограниченного обтюратором:

F о б (x)=[V у /( о Y*V х )]rect[xV у /( о Y*V х )].

Преобразование Фурье от этой функции дает ПЧХ сдвига, ограниченного обтюратором:

K об (f х )=sinc( о Y*V х f х /V у ).

Примем, что укладка вдоль оси у плотная, т.е. Y*=2/N, cледовательно, K об (f х )=sinc[2 о V х f х /(V у N)].

Эта функция обращается в первое нулевое значение при f x =NV у /(2 o V x ). Будем считать это значение равным разрешающей способности N о б сдвига:

N об =NV у /(2 о V х ). (8.77) Результирующая характеристика сдвига при использовании обтюратора равна F о с д в (x)=F о б (x)F с д в (x).

В соответствии с обратной теоремой свертки результирующая ПЧХ сдвига будет равна K ос д в (f х )=K о б (f х )K с д в (f х ).

Поскольку ПЧХ K о б (f х ) и K с д в (f х ) ограничены вдоль оси f х значениями разрешающих способностей N об и N с д в, то итоговая разрешающая способность будет равна сумме N ос д в =N о б +N с д в.

Подставив значения N с д в и N о б из формул (8.73) и (8.77), находим N ос д в =NV у /(2 о V х )+NV у /V х =N(V у /V х )(0,5/ о +1). (8.78) Итоговую ПЧХ системы на основе формулы (8.72) представим в виде K ит (f х )=exp[-f х 2 (N - 2 о с д в +N - 2 х )]=exp[-(f х /N и т ) 2 ], (8.79) а итоговую разрешающую способность N ит =N о с д в N х (N 2 о с д в +N 2 х ) - 1 / 2. (8.80) П р и м е р 8.21. Фоторегистратор имеет дисковый обтюратор с углом раскрытия о =36 о и остальные параметры такие же, как в примере 8.20. Найти итоговую разрешающ ую способность N и т вдоль оси х, если V х =2V у.

Коэффициент обтюрации равен о =36 о /360 о =0,1.

По формуле (8.78) находим N о с д в =200,5[1/(20,1)+1]=60 мм -1.

Согласно выражению (8.80) получим:

N и т =6025(60 2 +25 2 ) -1 / 2 =23 мм -1.

Из сопоставления результатов примеров 8.20 и 8.21 следует, что при использовании обтюратора удалось без увеличения скорости развертки значительно повысить точность передачи пространственно-временных изменений объекта исследования.

Однако это достигнуто за счет существенного снижения точности передачи чисто временных изменений объекта. Действительно, при укладке изображений щели с шагом Y*=2/N частота дискретизации составит с =V у N/2. В соответствии же с теоремой Котельникова при дискретизации сигнала с частотой с точно будет передан временной спектр сигнала с частотой не более с /2=V у N/4, что в четыре раза меньше, чем при непрерывной развертке. Кроме того, в результате съемки могут возникнуть искажения первого рода, которые, однако, при анализе результатов записи могут быть учтены.

Для изучения быстропротекающих процессов получили широкое применение не только фоторегистраторы, но и спектрофоторегистраторы. Спектрофоторегистраторы служат для исследования изменения во времени спектрального состава излучаемого объектом света (при взрывных реакциях, искровых разрядах и т.п.). В спектрофоторегистраторах осуществляется запись сигнала F(,t). Принцип построения спектрофоторегистраторов основан на объединении спектрографа с фоторегистратором. В качестве диспергирующих устройств используются призменные системы и дифракционные решетки.

На рис.8.40 показана схема спектрофоторегистратора с призменным диспергирующим устройством. Объектив 2 образует изображение объекта 1 на поверхности щелевой диафрагмы 3, перед которой установлена линза-коллектив 4. Щелевая диафрагма расположена в передней фокальной плоскости объектива коллиматора 5. Параллельный пучок света направляется в призму 6, осуществляющую разложение света вследствие того, что лучи света различных длин волн выходят из призмы под различными углами, определяемыми показателем преломления для каждой длины волны света.

Рис.8.40. Схема спектрофоторегистратора Объектив 7 строит изображение щелевой диафрагмы 3 в плоскости второй щелевой диафрагмы 8, за которой расположена вторая линза коллектив 9. Поскольку призма 6 осуществляет разложение света, то в плоскости диафрагмы 8 перпендикулярно ее щели формируется множество изображений щели диафрагмы 3, образованных лучами света различной длины волны. Объектив 10 фоторегистратора образует изображение щелевой диафрагмы с наложенным на нее спектром в плоскости кинопленки 11, которая во время записи перемещается с равномерной скоростью V вдоль оси у, осуществляя развертку сигнала F(,t) по поверхности носителя.

Разрешающая способность во времени в спектрофоторегистраторах определяется так же, как и в фоторегистраторах. Для увеличения разрешающей способности во времени в спектрофоторегистраторах часто используют зеркальную развертку. В одном из спектрофоторегистраторов с зеркальной разверткой в качестве диспергирующего элемента используется отражающая дифракционная решетка 6 (рис.8.41). Объектив 2 строит изображение объекта 1 в плоскости щелевой диафрагмы 3.

Коллиматорный объектив 4 направляет параллельный пучок света через неподвижное зеркало 5 к дифракционной решетке 6, осуществляющей разложение света. Объектив 7 образует изображение на поверхности щелевой диафрагмы фоторегистратора. Объектив 9 фоторегистратора образует изображение щелевой диафрагмы 8 на поверхности кинопленки 11.

Зеркало 10 во время записи вращается, осуществляя развертку изображения щели по кинопленке 11.

Рис.8.41. Схема спектрофоторегистратора с зер кальной разверткой Известно множество других устройств систем информационно измерительной техники, используемых для изучения временных и пространственно-временных изменений различных быстропротекающих процессов и явлений. Однако принципы преобразований изображения при его записи на носителе принципиально не отличаются от рассмотренных в данном разделе.


9. СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ И СВЕТОВАЯ МОДЕЛЬ 9.1. ВОСПРИЯТИЕ ТРЕХМЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА НАБЛЮДАТЕЛЕМ Окружающий нас мир трехмерен. Для лучшей ориентации в пространстве природа создала у человека, как и у большинства живых существ, два глаза (бинокулярное зрение). Однако не у всех животных глаза расположены так же, как у человека - с параллельными оптическими осями. Например, у зайцев, лошадей и многих птиц визирные оси глаз развернуты почти на 180 о. Этим расширяется общее поле зрения, доходящее по горизонтали до 360 о.

У человека же поля зрения обоих глаз практически совпадают.

Человек до некоторой степени воспринимает пространство и при наблюдении действительности одним глазом (монокулярное зрение).

Оптическая система глаза образует трехмерную световую модель объекта (см.разд.3), но строит изображение на поверхности сетчатки.

При этом полностью теряется информация о третьем измерении рассматриваемого объекта. Однако при переводе взгляда с удаленного объекта на расположенный вблизи происходит изменение оптической силы хрусталика глаза. Данный процесс называется аккомодацией (от латинского accomodatio - приспособление к чему либо) глаз. Он протекает помимо воли человека и сопровождается определенными мускульными усилиями, ощущаемыми наблюдателем. Эти мускульные усилия позволяют до некоторой степени определить месторасположение рассматриваемых объектов в пространстве.

Более точно определить расстояние между рассматриваемыми объектами позволяют условия и законы перспективы. Так, например, если один из объектов частично перекрывает другой, то наблюдатель уверенно судит о том, что этот объект ближе к нему. Если же наблюдаются два предмета одинаковой величины (например, телеграфные столбы), то ясно, что видимый в меньшем масштабе предмет находится дальше, чем видимый в большем масштабе.

Расстояния до рассматриваемых объектов легко могут быть уточнены перемещением в небольших пределах наблюдателя в горизонтальном или вертикальном направлениях (“оглядывание” объекта). При этом объекты, расположенные на различных расстояниях от наблюдателя, воспринимаются перемещающимися относительно друг друга, что значительно облегчает достаточно точное определение их относительного пространственного расположения. Пространственную форму объекта наблюдения часто выявляет наличие светотеней на его поверхностях.

Указанные способы и приемы восприятия пространства при монокулярном зрении ни в коей мере не сравнимы с эффектом, имеющим место при бинокулярном наблюдении трехмерной действительности. Человек обладает прирожденной способностью судить о трехмерном пространстве не на основании каких-либо умозаключений, а по непосредственному ощущению. Это ощущение называется стереоскопическим эффектом.

Вскроем причину возникновения стереоскопического эффекта. На рис.9.1,а показано в плане расположение двух глаз наблюдателя и две точки объекта А и А 1. Если наблюдатель фиксирует взор на точке А, то визирные оси АО п и АО л обоих глаз сходятся на точке А. При этом изображения А п и А л образуются в центрах желтых пятен сетчаток правого (П) и левого (Л) глаза, где острота зрения масимальна. Сведение визирных осей глаз на фиксируемую точку называется конвергенцией (от латинского convergere - сходиться) глаз. Конвергенция глаз так же, как и аккомодация, происходит помимо воли наблюдателя и требует определенных мускульных усилий, ощущаемых наблюдателем. Расстояние конвергенции S К всегда равно расстоянию аккомодации S А. Угол конвергенции обычно невелик, поэтому в первом приближении можно написать =В/S К, (9.1) где В - расстояние между центрами вращения глазных яблок человека, называемое глазной базой. У разных людей глазная база составляет от 52 до 76 мм, а в среднем равна В=65 мм.

Положим теперь, что наблюдатель перевел взор на точку объекта А 1. При этом изменилось расстояние аккомодации и угол конвергенции, а следовательно, и потребовались вполне определенные мускульные усилия для изменения кривизны хрусталиков глаз и их угла конвергенции. Наблюдатель более определенно по сравнению с монокулярным зрением ощутит изменение расстояния до рассматриваемого объекта.

Наблюдатель может судить об изменении расстояния конвергенции только по изменению угла конвергенции. Чем больше изменяется угол конвергенции при переводе взгляда с одного участка объекта наблюдения на другой, тем более мы ощущаем его пространственный облик, как бы его пространственную пластичность. Поэтому величину d=- 1 (9.2) в стереоскопии принято называть мерой пластики. Так как величина d обычно очень мала, то ее можно найти дифференцированием выражения (9.1):

d=BdS К /S К 2. (9.3) (Знак “минус” опущен). Здесь dS К - приращение расстояния S К при переходе от точки А к точке А 1 :

dS К =S К -S К 1. (9.4) Рис.9.1. Рассматривание двух точек объекта Для тренированного наблюдателя величина d при различении разницы расстояний до двух контрастных рядом расположенных предметов в среднем равна 10 угловым секундам. В стереоскопии данная величина считается стереоскопической разрешающей способностью. По мере увеличения расстояния S К угол уменьшается, и когда точка А уйдет в бесконечность, угол обратится в нуль и лучи А О п и А О л будут параллельны друг другу.

Вполне понятно, что если для удаленного объекта, находящегося на расстоянии S ma x от наблюдателя, угол конвергенции равен угловым секундам, то объекты, находящиеся далее, наблюдатель воспримет на том же расстоянии S ma x. Величину S ma x называют радиусом стереоскопического зрения. Приняв в формуле (9.1) = угловых секунд1/20000 рад и В=65 мм, получим S ma x =1,3 км. При наблюдении объектов, расположенных далее этого расстояния, отсутствует стереоскопический эффект, т.е. они лишены пластичности.

Стереоскопический эффект напрямую зависит от производной d/dS К, которую находим на основе формулы (9.3):

d/dS К =B/S К 2. (9.5) Из данного выражения следует, что стереоскопический эффект обратно пропорционален квадрату расстояния, на котором находится рассматриваемый объект. Поэтому близко расположенные к наблюдателю объекты воспринимаются с большей стереоскопической пластичностью, чем удаленные объекты.

Приведенные выше рассуждения вскрывают общие закономерности возникновения стереоскопического эффекта. Однако не только аккомодация и конвергенция глаз обусловливают его возникновение. Основную роль играет диспаратность (различия) изображений на сетчатках глаз при наблюдении протяженного в глубину объекта. При наблюдении точки А (см.рис.9.1,а) в пределах поля зрения обоих глаз находится и точка А 1. Поэтому на сетчатках глаз будут одновременно образованы изображения обеих точек. Из построения на рисунке ясно, что расстояние А п А 1 п между изображениями точек на сетчатке правого глаза будет меньше расстояния А л А 1 л между изображениями тех же точек на сетчатке левого глаза. Еще более существенна будет разница в изображениях близко расположенных к наблюдателю реальных объектов. Она обусловлена различными ракурсами, под которыми виден правым и левым глазом наблюдаемый объект. Сигналы, поступающие от правого и левого глаза, в мозгу наблюдателя объединяются и в результате чрезвычайно сложных психофизиологических процессов возникает воспринимаемый наблюдателем стереоскопический образ объекта.

Восприятие двух точек несколько изменится, если точку А разместить так, как показано на рис.9.1,б. В данном случае изображения точек на сетчатках правого и левого глаза меняются местами, т.е. как бы перевернуты. При этом возникает эффект двоения воспринимаемых стереоскопических образов. Если глаза фиксируют точку А, то точка А 1 будет воспринята раздвоенной. Если же глаза фиксируют точку А 1, то раздвоенной будет точка А. Данный эффект легко проверить на опыте. Если рассматривать удаленный объект и поместить перед ним вертикально расположенный карандаш, то он будет воспринят раздвоенным. Если же зафиксировать взором этот карандаш, то раздвоенным окажется объект, расположенный за ним. Двоение исчезнет при перемещении карандаша на достаточное расстояние вправо или влево. Данное явление не следует считать искажением воспринимаемого стереоскопического образа объекта. Оно вполне естественно и только усиливает стереоскопический эффект.

Таким образом, стереоскопический эффект обусловлен целым рядом причин, к которым следует отнести в первую очередь диспаратность изображений на сетчатках глаз, конвергенцию и аккомодацию глаз. Он усиливается факторами, присущими монокулярному зрению, и особенно эффектом “оглядывания” наблюдаемого объекта.

С первых лет появления фотографии многие исследователи изыскивали пути записи и воспроизведения трехмерного пространства. В первую очередь была изобретена и реализована одностереопарная стереофотография. Затем были найдены технические решения растровой стереофотографии, которая, однако, была реализована лишь в середине двадцатого столетия. До сих пор не получила практического применения изобретенная в 1908 году интегральная фотография, которая способна наиболее полно решить проблему записи и воспроизведения световых моделей. В 1947 году была изобретена двумерная, а затем и трехмерная голография.

Однако системы записи и воспроизведения трехмерного пространства пока не заняли подобающего места в фотографии, кинематографе и видеотехнике. Это объясняется тем, что третье измерение в пространстве, как и цвет объекта, не несет в себе существенной дополнительной информации о наблюдаемой сцене.

Отсутствие этой информации возмещается зрительной памятью наблюдателя. В то же время стереофотография и голография довольно широко используются в информационно-измерительной технике.

Поскольку воспроизведение третьего измерения значительно увеличивает естественность воспроизводимого изображения, то можно утверждать, что широкое распространение систем записи трехмерной действительности неизбежно произойдет, когда будут найдены технические решения, устраняющие недостатки существующих систем. Данные системы и их недостатки будут рассмотрены ниже.


9.2. СТЕРЕОФОТОГРАФИЯ Стереофотография основана на получении двух фотографий (стереопары) с помощью стереофотоаппарата, содержащего два одинаковых фотографических объектива, расположенных относительно друг друга на расстоянии базиса В с стереосъемки. Если базис стереосъемки равен глазной базе В, то полученные изображения будут диспаратны, т.е. аналогичны изображениям, образованным на сетчатках глаз наблюдателя при рассматривании им трехмерной действительности. Просмотр стереофотографий производится при помощи специальных устройств, обеспечивающих восприятие каждого изображения стереопары раздельно правым и левым глазом наблюдателя.

Объективы 1 и 2 (рис.9.2,а) стереофотоаппарата строят два изображения объекта 4 в плоскости светочувствительного материала 3. В результате получают негатив стереопары (рис.9.2,б), содержащий изображения, предназначенные для правого (П) и левого (Л) глаза наблюдателя. Положим, что точка А объекта расположена на оси ОО, параллельной оптическим осям фотографических объективов и находящейся посередине между ними. Если точка А значительно удалена от фотоаппарата, т.е. расстояние от объективов до этой точки S (правило знаков здесь и в дальнейшем изложении материала не выполняется), то ее изображения совпадут с точками О п и О л пересечения оптических осей объективов с плоскостью светочувствительного материала. Если же эта точка находится на конечном расстоянии S от стереофотоаппарата, то ее изображения расположатся в точках А п и А л, отстоящих от точек О п и О л на расстояниях р п и р л. Назовем эти расстояния линейными параллаксами изображений точки А. Из рисунка следует, что р п =р л =0,5В с S /S, Рис.9.2. Схема стереофотоаппарата где S - расстояние от объектива до светочувствительного материала.

Печать позитива стереопары выполняется в соответствии с используемым способом рассматривания стереоизображения.

Способы рассматривания стереоизображения можно разделить на три группы: при помощи стереоскопов, проекционные и с цветными очками.

Стереоскопы содержат либо призменные, либо линзовые элементы. В первых (рис.9.3,а) стереопара рассматривается через призмы 1 и 2, которые разводят оси глаз 3 наблюдателя в стороны. В результате правое П и левое Л изображения воспринимаются наблюдателем совмещенными (П+Л), но видимыми каждым глазом по отдельности. Во вторых стереофотография рассматривается через окуляры 4 и 5 (рис.9.3,б), которые дают прямое мнимое увеличенное изображение стереопары. Поскольку оптические оси окуляров разнесены относительно друг друга на расстояние, превышающее глазную базу В зрителя, то оба изображения стереопары воспринимаются наблюдателем совмещенными друг с другом.

Существуют стереоскопы, предназначенные для рассматривания стереопар, отпечатанных на фотобумаге, в отраженном свете, а также для рассматривания диапозитивов стереопар, отпечатанных на фотопленках или фотопластинках, на просвет.

Рис.9.3. Схемы стереоскопов Проекционные способы основаны на проекции стереопары на экран. Наиболее распространены системы с поляризацией света.

Проекция стереопары П,Л (рис.9.4) производится двумя объективами 1 и 2 на экран 3 через два поляроида 4 и 5. Плоскости поляризации поляроидов взаимно перпендикулярны. Зрители снабжены очками с поляроидами 6 и 7. Их плоскости поляризации также взаимно перпендикулярны. Вследствие этого каждый глаз зрителя видит только одно, предназначенное для него изображение. В системе используются специальные алюминированные экраны 3, которые не деполяризуют падающий на них свет. Стереопара печатается на фото- или кинопленку.

Рис.9.4. Проекция стереопары в поляризован ном свете на экран Способ с цветными очками основан на печати двух черно-белых изображений стереопары друг на друга на цветной многослойной фотобумаге. На фотобумагу поочередно впечатываются изображения для правого и левого глаза через светофильтры. В результате образуются два изображения, окрашенные в дополнительные друг к другу цвета (обычно красный и голубой). Эти изображения (рис.9.5) рассматриваются через очки - светофильтры 2 и 3. Данный способ отличается от остальных невозможностью воспроизведения цветных изображений. Несмотря на это, он получил некоторое распространение в информационно-измерительной технике и в изданиях учебной литературы. В последнем случае изображения для правого и левого глаза печатаются полиграфическим методом в дополнительных цветах. Рассмотренную систему принято называть методом цветных анаглифов (от греческого anagliphos - рельефный).

Во всех рассмотренных системах восприятие объемного (рельефного) трехмерного пространства осуществляется принципиально одинаково - каждый глаз видит плоское изображение, сфотографированное из определенных точек пространства.

Объективно третье измерение в записанных изображениях отсутствует. Однако они содержат информацию, которая позволяет в результате сложных психофизиологических процессов, происходящих в головном мозгу наблюдателя, воспроизвести стереоскопическую модель объекта.

Рассмотрим процесс воспроизведения и восприятия трехмерного пространства на примере системы с цветными анаглифами. Будем считать, что печать стереопары с негатива произведена контактным путем с линейным увеличением, равным единице. Точки О п и О л (см.рис.9.2,а) пересечения оптических осей объективов со светочувствительным материалом при печати совместим друг с другом (рис.9.5,а). Поскольку при съемке получаем “перевернутое” негативное изображение, то для получения “прямого” позитивного изображения стереопару при рассматривании необходимо повернуть на 180 о. В результате линейные параллаксы р п и р л изменят свой знак, а точки А п и А л поменяются местами, как это показано на рис.9.5,а. Глаз П увидит только изображение точки А п, а глаз Л только изображение точки А л.

Рис.9.5. Рассматривание стереофотографий методом цветных анаглифов Стереоскопический образ точки А объекта наблюдатель воспримет в точке А, находящейся на расстоянии 1 от стереофотографии. При этом расстояние аккомодации будет равно S А, а расстояние конвергенции - S К. Следовательно, будет иметь место расхождение расстояний аккомодации и конвергенции, чего при рассматривании объектов реального мира быть не может. Данное расхождение приводит к напряжению зрения и ограничивает возможную глубину воспринимаемого стереоскопического образа объекта. Известно, что зрительный анализатор переносит расхождение расстояний аккомодации и конвергенции в 3 диоптрии.

Однако при такой величине расхождения происходит значительное напряжение зрения, поэтому в стереоскопических приборах стремятся удержать расхождение расстояний аккомодации и конвергенции в “зоне комфорта”, составляющей ±1 дптр.

Для расположения стереоскопического образа в пределах “зоны комфорта” необходимо выполнить условия 1/(S A - 2 ma x )-1/S A 1, 1/S А -1/(S А + 1 ma x )1 и (9.6) где 1 m a x и 2 m a x - расстояния от передней и задней границ стереоскопического образа до стереофотографии (рис.9.6). Из выражений (9.6) находим 1 ma x S A 2 /(1+S A ) и 2 m a x S A 2 /(1-S A ). (9.7) П р и м е р 9.1. Расстояние от наблюдателя до стереофотографии равно S А =0,25 м. Найти границы “зоны комфорта” и максимальный линейный параллакс для изображений точек объекта.

Согласно формулам (9.7) имеем (см.рис.9.6) 1 ma x =0,25 2 /(1+0,25)=0,05 м и 2 ma x =0,25 2 /(1-0,25)=0,083 м.

Передняя и задняя границы “зоны комфорта” находятся на расстояниях S K mi n =S A - 1 ma x =0,25-0,05=0,2м и S K ma x = S A + 2 ma x =0,25+0,083=0,333м от наблюдателя.

Величину максимального линейного параллакса находим из подобия тре угольников на рис.9.6:

р ma x =0,5В 2 m a x /(S A + 1 m a x )=0,50,0650,083/(0,25+0,083)=0,008 м.

Такое же значение линейного параллакса будет для изображений точек, стереоскопический образ которых находится на передней границе “зоны комфорта”.

Рис.9.6. Границы “зоны комфорта” Стереоскопический образ изображения сюжетно важных деталей объекта следует располагать в пределах “зоны комфорта”. Из формул (9.7) следует, что допустимая глубина “зоны комфорта” зависит от расстояния S А от наблюдателя до стереофотографии. По мере увеличения расстояния S А глубина стереоскопического образа может быть расширена. Например, при S А =1 м глубина “зоны комфорта” простирается от S К mi n =0,5 м до бесконечности. Вследствие сказанного при стереопроекции на большие экраны (в частности, в стереоскопическом кинематографе) глубина стереоскопического образа объекта ограничена только для деталей переднего плана.

Например, при S А =10 м передняя граница “зоны комфорта” находится на расстоянии 0,9 м от наблюдателя.

Ранее было показано (см.разд.6), что лучшее восприятие изображений происходит при расположении изображения от зрителя на расстоянии, в четыре раза превышающем высоту изображения.

Будем считать, что это требование всегда выполняется. С другой стороны, было установлено, что для наиболее естественного восприятия пространства видимое увеличение при рассматривании изображения объектов должно быть равно единице. Последнее достигается в том случае, когда угол поля зрения фотографического объектива 2 (см.рис.9.2,а) равен углу, под которым изображение рассматривается наблюдателем. Для этого расстояние S от объектива до светочувствительного материала должно в четыре раза превышать высоту кадра.

Для оценки способности стереоскопического прибора усиливать или ослаблять стереоскопический эффект по сравнению с тем стереоскопическим эффектом, который имеет место при наблюдении объекта невооруженными глазами, в стереоскопии введено понятие пластика прибора. Последняя определяется равенством Р=d/d, (9.8) где d и d - приращение углов конвергенции при рассматривании предмета и его стереоскопического изображения.

Положим, что точка А (рис.9.7,а) сюжетно важной детали объекта находится на расстоянии S от объективов 1 и 2 стереофотоаппарата.

При рассматривании наблюдателем с того же расстояния данной точки угол конвергенции будет равен =2arctgB/(2S). Отпечатаем теперь на цветной фотобумаге с увеличением, равным единице, оба изображения стереопары с нулевым линейным параллаксом для изображений точки А. При этом изображения А п и А л (рис.9.7,б) точки А будут совмещены и угол конвергенции при наблюдении стереофотографии 3 через очки-светофильтры 4 и 5 с расстояния S A будет равен =2arctg B/(2S A ).

Рис.9.7. Схемы к определению пластики стерео фотографий Для выполнения условия естественного впечатления расстояние S A должно быть принято равным расстоянию S от объективов фотоаппарата до cветочувствительного материала. Следовательно, линейное увеличение объективов стереофотоаппарата будет равно =S/S=S A /S.

Углы конвергенции и малы, поэтому в первом приближении примем =B/S =B/S А.

и Произведя дифференцирование, получим d=-BdS/S 2 d=-BdS A /S A 2.

;

Подставив значения d и d в формулу (9.8), имеем Р=(S 2 /S A 2 )(dS А /dS).

Отношение dS A /dS равно продольному стереоскопическому увеличению с т, поэтому Р= с т / 2. (9.9) Стереоскопический образ, возникающий при наблюдении стереофотографии, будет аналогичен стереоскопическому образу, возникающему при наблюдении объекта, только в том случае, когда выполняется условие ортостереоскопии: с т = и Р=1. Однако это условие выполнимо только тогда, когда =1, поскольку в любых других случаях удовлетворить двум уравнениям с т = и с т / 2 = невозможно.

Обычно 1, поэтому при рассматривании стереофотографии, даже при выполнении условия Р=1, имеют место искажения. Если 1 (Р=1), то поперечный размер стереоскопического образа объекта будет меньше объекта в 1/ раз, а продольный - в 1/ 2 раз.

Следовательно, стереоскопический образ будет как бы сжат по глубине. Если 1 (Р=1), то поперечный размер изображения будет больше объекта в раз, а продольный - в 2 раз, поэтому стереоскопический образ будет как бы растянут в глубину. Однако искажения все же менее заметны, когда Р=1, т.е. с т = 2. Если Р1, то наиболее заметны искажения, при которых стереоскопические образы объектов, смещенных по глубине, воспринимаются не объемными, а плоскими, как будто бы вырезанными из картона.

Такие искажения называются кулисностью. При Р1 наиболее заметны искажения, называемые макетностью, в результате которых стереоскопический образ дает впечатление уменьшенных макетов объектов. Указанные искажения с целью достижения определенных эффектов иногда вводятся фотографами намеренно. Для этого в профессиональных стереофотоаппаратах предусматривается возможность изменения величины пластики Р.

Рассмотрим, от чего зависит пластика стереофотоаппаратов.

Положим, что объективы 1 и 2 (см.рис.9.7,а) стереофотоаппарата сопрягают плоскость О-О объектов с плоскостью О-О изображений.

Точка А объекта, лежащая на прямой, параллельной оптическим осям объективов и расположенной посередине между ними, изображается объективами в точках А п и А л. Расположим на той же оси точку объекта А 1, смещенную относительно плоскости наводки О-О на расстояние. Ее изображения объективы образуют в точках А 1 п и А 1 л светочувствительного материала. Величину линейного параллакса в изображениях точек А и А 1 обозначим р. Из построения на рисунке имеем р=0,5[В c /(S-)](S/S). (9.10) После съемки и фотографической обработки негативов произведем печать на позитивном фотоматериале, совместив точки А п и А л (см.рис.9.7,б). В этом случае расстояние А 1 п А 1 л между изображениями точки А 1 будет равно 2р. При рассматривании стереофотографии с расстояния S А =S через очки-светофильтры наблюдатель воспримет стереоскопический образ точки А 1 в точке А 1, смещенной относительно плоскости стереофотографии на величину, равную =2S A p/(B+2p)=2Sp/(B+2p). (9.11) Подставив значение р из формулы (9.10), имеем =B c S 2 /[S 2 B-(SB-SB c )]. (9.12) Учитывая малые значения и, примем в первом приближении =dS A и =dS. Тогда продольное стереоскопическое увеличение с т =dS A /dS=/=B с S 2 /[S 2 B-(SB-SB c )]. (9.13) Из полученной формулы следует, что если объект находится вблизи плоскости наводки О-О (см.рис.9.7,а), т.е. 0, то с т =(S 2 /S 2 )(B c /B)= 2 (B c /B). (9.14) с т = 2.

Примем В с =В, тогда согласно формуле (9.14) Следовательно, в данном случае при любых значениях линейного увеличения пластика Р согласно формуле (9.9) будет равна единице. С другой стороны, на основе формул (9.9) и (9.14) находим Р=В с /В. (9.15) Формула (9.15) показывает, что изменения пластики стереофотоаппарата возможно достичь изменением базиса стереосъемки Вс, т.е. изменением расстояния между фотографическими объективами.

Вышеизложенные рассуждения, проведенные применительно к системе с цветными анаглифами, справедливы и по отношению к другим системам стереофотографии. Однако при анализе устройств с линзовыми стереоскопами и проекционными системами необходимо учитывать увеличение окуляров и проекционных объективов.

Кроме рассмотренных недостатков стереофотографии (расхождение расстояний аккомодации и конвергенции, кулисности и макетности воспринимаемых стереоскопических образов), ее широкому распространению препятствует необходимость применения специальных устройств (стереоскопов, очков) для рассматривания стереофотографий.

С самого начала развития как кинематографа, так и телевидения и видео многими исследователями изыскивались и изыскиваются пути реализации безочковых стереокинематографических и стереотелевизионных систем. Одно из наиболее удачных решений было найдено в нашей стране С.П.Ивановым, предложившим линзово-растровый стереоэкран, предназначенный для проекции на него стереофильмов. Подобная система была реализована и функционировала в ряде кинотеатров Советского Союза. Однако безочковая стереопроекция требовала вполне определенного положения зрителя в кинозале и ограничивала его подвижность.

Вследствие этого дальнейшая эксплуатация данной системы была прекращена.

В мире, в том числе и в нашей стране, существует ограниченное число стереокинотеатров с кинопроекцией в поляризованном свете.

В рассмотренных системах записи стереоскопического изображения, описываемого функцией F(x,y,x o ), сигнал дискретизировался по переменной х о. Однако при развертке сигнала вдоль двух измерений носителя изображение может быть дискретизировано также по переменным х или у и развернуто по переменной х о. В данном случае приходим к особой системе стереофотографии - растровой стереофотографии.

9.3. РАСТРОВАЯ СТЕРЕОФОТОГРАФИЯ Растровая стереофотография, в отличие от обычной одностереопарной стереофотографии, основана на дискретизации изображения по переменной х и развертке изображения по переменной х о. Она свободна от основного недостатка обычной стереофотографии - необходимости применения очков, стереоскопов или других приспособлений при восприятии стереоскопического образа объекта. Кроме того, она допускает в некоторых пределах “оглядывание” стереоскопического образа, что, как указывалось, усиливает стереоскопический эффект. Вследствие этого растровая стереофотография вызывала и вызывает особое внимание специалистов.

Для дискретизации изображения по переменной х в растровых стереофотоаппаратах используют линзовые линейные растры. На рис.9.8,а изображена в аксонометрии схема стереофотоаппарата с объективом большого диаметра 2, а на рис.9.8,б - схема того же аппарата изображена в плане. Объектив 2 строит в трехмерном пространстве вблизи плоскости линзового линейного растра изображение (световую модель) объекта съемки. Цилиндрические линзы растра 3 в вертикальной плоскости действуют подобно плоскопараллельной пластинке и практически не оказывают влияния на ход лучей от объектива к светочувствительному материалу 4.

Вследствие этого объектив в вертикальной плоскости осуществляет развертку изображения по переменной у. В горизонтальной плоскости зрачки линз растра производят дискретизацию изображения по переменной х, а линзы растра изображают выходной зрачок объектива, осуществляя развертку изображения по переменной х о. Ширина и высота зрачка объектива 2 ограничены апертурной диафрагмой 1 с прямоугольным отверстием. Ширина зрачка определяет базис В с стереосъемки, а его высота - глубину резко изображаемого пространства в вертикальной плоскости. Чтобы увеличить глубину резко изображаемого пространства, высоту зрачка выбирают достаточно малой. Ширина же зрачка В с должна превышать базис В зрения наблюдателя.

Рис.9.8. Схема растрового стереофотоаппарата В результате записи на фотопластинке 4 произведена укладка дискретных значений сигнала по переменной х с шагом X*. В пределах шага Х* укладки осуществлена развертка сигнала по переменной х о.

Положим, объектом съемки являются светящиеся точки А 1 и А 2.

Пучки света, исходящие из точек А 1 и А 2, прошедшие через правую (П) часть объектива 2, будут направлены линзами растра 3 в участки А 1 п и A 2 п светочувствительного материала, а через левую (Л) - в участки А 1 л и А 2 л.

После фотографической обработки диапозитив 1 (рис.9.9) устанавливается за растр 2, аналогичный примененному при записи.

Зритель рассматривает изображение через растр. Каждая линза растра направляет в глаза наблюдателя световые пучки, прошедшие через соответствующие участки записанных на диапозитиве изображений зрачка объектива стереофотоаппарата. При перемещении зрителя вдоль оси х о в пределах базиса стереосъемки В с он сможет “оглядывать” стереоскопический образ объекта.

Однако воспринимаемый в данном случае зрителем стереоскопический образ объекта будет иметь обратный рельеф, т.е.



Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 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.