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 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 16 |

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

-- [ Страница 7 ] --

Попытки применить магнитную запись на магнитную звуковую дорожку, наносимую на кинопленку хотя и дали некоторое повышение качества воспроизводимого звукового сигнала, но не получили широкого распространения в связи с технологическими затруднениями. Вследствие сказанного, любые пути даже незначительного повышения качества воспроизводимого с фотографической фонограммы звука имеют для современной кинематографической системы большое значение. К этим путям в первую очередь следует отнести искусственное шумоподавление, применение когерентных источников света в звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратах, переход к прямопозитивной записи фонограмм.

5.3. АНАЛОГОВАЯ МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ Принцип магнитной записи сигналов подробно рассмотрен в разделе 2. Магнитная запись звука производится на магнитной ленте в магнитофоне. Особенности восприятия звука слуховым анализатором, заключающиеся в том, что он не чувствителен к низким звуковым частотам (ниже 20 Гц) и мало чувствителен к фазовым искажениям, позволяют использовать прямую магнитную запись звукового сигнала. В отличие от фотографической записи звука, магнитная запись не требует какой-либо обработки и пригодна для воспроизведения звука непосредственно после проведения записи. Кроме того, магнитная запись является реверсивной, т.е.

возможно “стирание” предыдущих записей и использование магнитной ленты для новых записей звука. Указанные достоинства привели к широчайшему распространению магнитной записи звука на радио-, теле- и киностудиях, для записи репортажей, служебной информации и в быту.

Схема трехголовочного магнитофона приведена на рис.5.13.

Магнитная лента из подающего рулона 1 вытягивается ведущим валиком 5, к которому прижимается обрезиненным роликом 7. Затем лента наматывается в принимающий рулон 6. Магнитная лента приводится в соприкосновение с тремя магнитными головками:

стирающей 2, записывающей 3 и воспроизводящей 4.

Звуковой сигнал от микрофона М поступает в усилитель записи (УЗ), а затем на головку записи 3. Для линеаризации передаточной характеристики записывающей магнитной головки к звуковому сигналу добавляется от генератора высокой частоты (ГВЧ) высокочастотная составляющая. От того же генератора подается высокочастотный сигнал (порядка 100 кГц) на стирающую головку 2.

Последняя отличается от головок записи и воспроизведения увеличенным зазором. При воспроизведении звука сигнал от головки воспроизведения 4 поступает в усилитель воспроизведения (УВ), а затем в громкоговоритель 8.

Рис.5.13. Схема магнитоф она Почти все современные магнитофоны работают на магнитных лентах шириной 6,35 и 3,81 мм. На радио-, теле- и киностудиях иногда применяют также ленты шириной 12,7;

25,4;

50,8 мм и перфорированную магнитную ленту шириной 35 мм. При профессиональной записи звука принята скорость движения ленты, равная 38,1;

19,05;

9,53 см/с. В бытовых магнитофонах скорость движения ленты составляет 9,53;

4,76 см/с, а в диктофонах - 2,38 и 1,2 см/с.

Частотный диапазон зависит от длины волны записи и от скорости перемещения магнитной ленты относительно головок записи и воспроизведения. В профессиональных магнитофонах этот диапазон составляет от 20-31,5 Гц до 16-20 кГц;

в бытовых магнитофонах от 31,5-63 Гц до 10-16 кГц и в диктофонах от 100 Гц до 8-9 кГц.

Ранее (см.раздел 2) было показано, что система магнитной записи имеет очень неравномерную амплитудно-частотную характеристику со значительным спадом в области как низких, так и высоких частот.

Это приводит к линейным искажениям. В профессиональных студийных магнитофонах спад амплитудно-частотной характеристики на низких и высоких частотах допускается не более 1,5-3,0 дБ. Как уже указывалось, корректировку неравномерности частотной характеристики производят подъемом временных частотных характеристик усилителей записи и воспроизведения на низких и высоких частотах. При этом следует иметь в виду следующее. Подъем усиления в усилителе воспроизведения приводит к одинаковому росту как полезного сигнала, так и шума, основным источником которого является носитель - магнитная лента. Поэтому при такой коректировке не будет выигрыша в отношении сигнал/шум. Лучший результат дает подъем частотной характеристики усилителя записи.

В современных профессиональных магнитофонах динамический диапазон достигает 60-65 дБ, в бытовых - 40-60 дБ, а в диктофонах до 40 дБ. Таким образом, магнитная запись обеспечивает высокое качество воспроизведения не только речи, но и музыки (см.рис.5.4).

Следует отметить, что по качеству воспроизводимого звука к магнитной записи близка механическая запись на грампластинках. В существующих проигрывателях обеспечивается воспроизведение частотного диапазона от 20-40 Гц до 20 кГц, при динамическом диапазоне до 60-70 дБ. Однако, в отличие от магнитной записи, грамзапись не является реверсивной.

Как магнитная, так и механическая запись имеют общий недостаток - они являются контактными, т.е. в процессе воспроизведения носитель записи находится в контакте с воспроизводящим элементом: при магнитной записи - с магнитной головкой, при грамзаписи - с иглой звукоснимателя. Это неизбежно приводит к износу сигналоносителя в процессе эксплуатации.

Фотографическая запись является бесконтактной.

5.4. ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ДИСКРЕТНАЯ И ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ Дискретная запись с амплитудно- и широтно-импульсной модуляцией, как было показано в разделе 2, не имеет существенных достоинств по сравнению с аналоговой записью. Однако в кинематографе фотографическая дискретная запись звука с ШИМ все же получила некоторое распространение.

На рис.5.14,а штриховой линией изображен входной сигнал (косинусоида), а сплошными линиями показан тот же сигнал после дискретизации с шагом Т* и широтно-импульсной модуляции. В рассматриваемой системе укладка импульсов осуществляется вдоль оси х кинопленки с шагом укладки Х* (рис.5.14,б). Ширина же каждого импульса записывается вдоль оси у. В результате образуется фонограмма переменной ширины. Если на входе будут полностью подавлены все частоты, большие 0,5/Т*, а шаг укладки Х* не превысит 0,5/N, где N - разрешающая способность системы, то полученная фонограмма не будет отличаться от фонограммы переменной ширины, рассмотренной в разделе 5.3.

Рис.5.14. Дискретная фонограмма переменной ширины Запись дискретной фонограммы производится лучом лазера и существенно отличается от записи аналоговой фонограммы переменной ширины. Перемещение предельно малого светового пятна вдоль оси у кинопленки и его модуляцию осуществляют практически безынерционные акустооптический дефлектор и электрооптический модулятор света. Вследствие этого система записи почти не влияет на частотный и динамический диапазоны, а также не вносит нелинейных искажений в записанный сигнал. В существующей системе записи аналоговой фонограммы переменной ширины используют электромеханические модуляторы света, содержащие качающиеся зеркала и подвижные шторки, масса и инерционность которых не могут не оказывать влияния на записываемый сигнал.

Таким образом, дискретная запись фонограммы позволяет несколько улучшить качество воспроизводимого звука. Она особенно эффективна при прямопозитивной записи, когда при печати фильмокопии скорость киноленты в несколько раз превышает ее номинальное значение. В данном случае электромеханические модуляторы света вследствие своей инерционности оказываются малопригодными.

Значительного повышения качества звуковоспроизведения можно достичь переходом к дискретной цифровой фотографической записи звукового сигнала.

Рассмотрим требуемые параметры системы цифровой записи, обеспечивающей воспроизведение звукового сигнала, правильно передающего не только речь и музыку, но и комбинации любых других звуков, значительно отличающихся интенсивностью (например, гром и журчание ручейка, звук выстрела и шелест листвы и т.п). Для этого система должна воспроизводить частотный диапазон от 20 Гц до 20 кГц и динамический диапазон до 80- дБ. Причем частотная характеристика системы должна быть “плоской”, т.е. равной единице в пределах 20 Гц - 20 кГц. Если на входе и выходе системы применены идеальные фильтры Ф 1 и Ф нижних частот, то частота дискретизации может быть принята равной 40 кГц. Однако, как было показано в разделе 2, реализация идеальных фильтров вызывает определенные затруднения.

Вследствие этого необходимо либо допустить некоторый спад частотной характеристики в области полезных частот (до 20 кГц), либо увеличить частоту дискретизации таким образом, чтобы спад частотной характеристики имел место при частотах, больших 20 кГц.

Если для спада частотной характеристики фильтра Ф 1 на входе системы оставить 4 кГц, то, увеличив частоту дискретизации до кГц, можно добиться того, чтобы смещенные спектры (рис.5.15,а) не входили в область частот до 20 кГц, а частотная характеристика фильтра Ф 1 была равна единице в пределах этих же частот. При данных условиях сигнал будет воспроизведен без каких-либо искажений, если фильтр Ф 2 на выходе полностью подавит все частоты, большие 20 кГц. Поскольку частотная характеристика фильтра Ф 2 на выходе системы так же как и на входе, должна иметь плавный спад, то фильтр неизбежно несколько подавит и полезные частоты (показано на рис.5.15,а штриховыми линиями). Для того, чтобы этого не произошло, частоту дискретизации следует увеличить еще на 4 кГц, т.е. до 48 кГц (рис.5.15,б). Однако возможен и другой путь. Поскольку роль фильтра Ф 2 выполняет выходной фильтр системы совместно со слуховым анализатором человека, то выходной фильтр системы при частоте дискретизации 44 кГц может быть вообще устранен, поскольку все частоты, большие 20 кГц, полностью подавит слуховой анализатор. В существующих системах цифровой записи звука частота дискретизации принята 44 и 48 кГц.

Количество разрядов кодирования n принято равным 16 или (шестнадцати- или восемнадцатиразрядное квантование). При этом максимальный динамический диапазон звукового сигнала, обеспечиваемый системой записи согласно формуде (2.74) достигает 96 и 108 дБ соответственно. Однако реальный динамический диапазон звукового сигнала несколько снижается погрешностями, свойственными аналогово-цифровому и цифро-аналоговому преобразователям. Кроме того, с учетом так называемого пик фактора, а также для защиты канала передачи звукового сигнала от возможного превышения его допустимого уровня и маскировки шумов квантования полезным сигналом, динамический диапазон звукового сигнала, подаваемого в АЦП, намеренно снижают.

Считается, что при 16-ти разрядном кодировании этот динамический диапазон не должен превышать 54 дБ.

Рис.5.15. ВЧХ фильтров Ф 1 и Ф 2 и спектр дискретизированного сигнала Записываемый в системах цифровой записи сигнал оценивают скоростью цифрового потока С, определяемого формулой (2.75).

Если n=16, а д =44000 Гц, то С=704000 бит/с. Это значение цифрового потока чрезвычайно велико. Оно будет еще больше за счет необходимости введения служебной информации. Полная скорость цифрового потока при цифровой записи звука примерно 10 6 бит/с. При информационной плотности записи составляет H p =N=50 бит/мм и при продольной укладке символов потребуется скорость перемещения носителя для записи подобного цифрового потока, равная V=С/H р =10 6 /50=20000 мм/с=20 м/c.

Это значение намного больше имеющего место в существующих системах аналоговой фотографической записи звука. Требование повышенной скорости передвижения носителя, а следовательно, и его расхода являлось долгое время препятствием широкого распространения цифровой записи звука.

Решение задачи сокращения расхода носителя при цифровой записи звука искали в двух направлениях. Первое - это повышение информационной и поверхностной плотности записи, что является предметом изучения в данной дисциплине. Второе - это цифровая (компьютерная) обработка сигнала, в результате которой полезный цифровой поток, подаваемый в устройство записи, может быть значительно сокращен. Такая обработка осуществляется в электронной системе подготовки сигнала к записи и практически не оказывает влияния на преобразования сигнала в системе ЗТВ.

Компьютерная обработка сигнала позволяет устранить ту часть сигнала, которая не несет в себе информации либо несет в себе информацию, не воспринимаемую слуховым анализатором. К таким частям сигнала можно отнести паузы, слабые сигналы, которые следуют сразу после сильных сигналов и не воспринимаются слуховым анализатором, и т.п. Данные сигналы устраняются в результате компьютерной обработки, что и приводит к сжатию (компрессии) сигнала. Однако при воспроизведении по сигналам служебной информации сигнал восстанавливается таким образом, что слушатель не замечает последствий его сжатия перед записью. За счет компрессии удается сократить скорость полного цифрового потока в несколько раз.

Компьютерная обработка сигнала также позволяет полностью устранить существенный недостаток систем аналоговой записи детонации звука, вызванные непостоянством скорости передвижения носителя при воспроизведении. Цифровой сигнал поступает в буферную память системы обработки сигнала, из которой подается со стабилизированной кварцевым генератором частотой в цифроаналоговый преобразователь.

Таким образом, основной трудностью в реализации цифровой фотографической записи звука в кинематографе является низкая разрешающая способность системы и недостаточная скорость движения киноленты. Задачу было предложено решить увеличением поверхностной плотности записи путем поперечно-строчной укладки символов (рис.5.16). Если принять, что шаг укладки х* символов вдоль оси x равен 1/N, а шаг h строк вдоль оси у равен 2/N, то поверхностная плотность записи составит N 2 /2 бит/мм 2. При ширине дорожки записи (фонограммы), равной b, и скорости движения фильмокопии, равной V, цифровой поток, который может записать система, составит C=bVN 2 /2.

Рис.5.16. Цифровая фонограмма на фильмокопии В 35-мм кинематографе V=456 мм/с, а ширину дорожки записи можно принять равной b=2,5 мм. Выше было показано, что полный цифровой поток С составляет примерно 10 6 бит/с, следовательно, можем написать 10 6 =2,5456N 2 /2.

Из этого выражения находим, что требуемая разрешающая способность N cистемы составит 42 мм - 1, что вполне достижимо в современном кинематографе. Если же применить даже небольшое сжатие сигнала, то требуемая разрешающая способность может быть снижена либо ширина фонограммы уменьшена.

Желание сделать систему совместимой с системой воспроизведения аналоговой фотографической фонограммы привело к предложению записывать цифровой код не на месте обычной фонограммы, а на межперфорационных перемычках (рис.5.16,б) с сохранением на фильмокопии аналоговой фонограммы. В данном случае считываемые значения цифровой фонограммы поступают в буферную память системы обработки сигнала и выдаются из нее с тактовой частотой, задаваемой кварцевым генератором.

Рассмотрим возможные схемы устройств записи и воспроизведения цифровой фотографической фонограммы. Запись цифрового сигнала с поперечно-строчной укладкой символов производится при помощи линейки светодиодов 1 (рис.5.17,а), на которой высвечивается последовательность символов цифрового кода. Объектив 2 строит изображение линейки светодиодов на поверхности кинопленки 3, находящейся на гладком барабане 4. Во время записи светодиоды последовательно включаются в соответствии с поступающим цифровым сигналом, осуществляя последовательную укладку символов вдоль строки. Кинопленка непрерывно перемещается в направлении стрелки, осуществляя продольную укладку на кинопленке последовательных строк.

Рис.5.17. Схемы устройств записи и воспроизведения фотографической цифровой фонограммы При воспроизведении цифровой фонограммы осветительная система 7 (рис.5.17,б) просвечивает фонограмму на фильмокопии 5.

Объектив 2 строит изображение фонограммы на поверхности линейки ПЗС 6 (прибор с зарядовой связью), которая преобразует изображение цифрового кода в электрический сигнал. Для устранения искажений шаг элементов линейки ПЗС должен быть в 2 3 раза меньше шага изображаемых на ее поверхности символов.

Вместо линейки светодиодов и линейки ПЗС могут быть использованы электронно-лучевые трубки типа кинескопа и передающей телевизионной трубки, в которых обеспечивается только горизонтальная развертка воспроизводящего и считывающего элементов.

Значительное повышение качества звуковоспроизведения в системах цифровой фотографической записи стимулирует специалистов изыскивать новые принципы построения систем записи, причем не только одноканального монофонического, но и двух- и многоканального звукового стереофонического сигналов.

5.5. МАГНИТНАЯ ЦИФРОВАЯ ЗАПИСЬ В разд.2.4 было показано, что в системах прямой магнитной записи в результате дифференцирующего действия индукционной магнитной головки воспроизведения в ответ на импульс, поданный на вход системы, возникает импульсная реакция, описываемая нечетной функцией (см.рис.2.10,в). Такая импульсная реакция трудна для распознования на выходе системы цифровой записи.

Поэтому в системах магнитной цифровой записи на вход подаются не импульсы, несущие информацию о символах “1” или “0”, а знаковые сигналы, мгновенно меняющие свой знак. Эти сигналы определяются равенствами:

1 при х sign(x)= 0 при х= -1 при х0.

Рис.5.18. Воспроизведение сигнала знака системой магнитной записи Если на вход системы подать сигналы sign(x) и sign(-x), то изменение намагниченности магнитной ленты также будет происходить согласно функции знака (рис.5.18,а). В результате дифференцирующего действия головки воспроизведения в идеальном случае на выходе получим одиночные импульсы (рис.5.18,б), описываемые дельта-функциями. Фильтрующее действие системы приведет к некоторому размытию этих импульсов, как это показано штриховыми линиями на рис.5.18,б. Данное размытие обусловлено щелевыми, слойными и контактными потерями.

Таким образом, знаковый сигнал вызывает на выходе головки воспроизведения импульс положительной или отрицательной полярности. Обычно наличие знакового сигнала обозначает “1”, а его отсутствие - “0”. Существуют различные способы записи двоичного кода на магнитной ленте. Рассмотрим два из них - способ с частотной модуляцией (ЧМ) и с модифицированной частотной модуляцией (МЧМ).

Рис.5.19. Способы цифровой магнитной записи При записи по способу ЧМ ток записи изменяет свое направление в начале каждой ячейки записи независимо от того, какой знак приходит - “1” или “0” (рис.5.19,а). В данном случае при воспроизведении происходит переход потока, вызывающий на выходе головки воспроизведения появление импульса. Знак “1” записывается как дополнительный переход потока в середине ячейки, вызывая на выходе головки воспроизведения появление импульса положительной или отрицательной полярности (рис.5.19,б). Запись с ЧМ несет информацию о частоте следования импульсов, поскольку в начале каждой ячейки записывается переход потока, т.е. такая система является самосинхронизирующейся. Способ ЧМ имеет тот недостаток, что необходимо на магнитной ленте записывать два перехода потока на одну ячейку. Вследствие этого требуемый шаг укладки одного кодового слова увеличивается вдвое и становится равным X*=2n/N. Этот недостаток устранен при записи с МЧМ, где переход потока происходит только в середине ячейки (рис.5.19,в), когда приходит символ “1”. Шаг укладки символа в данном случае равен величине ячейки x* (рис.5,19,г), а шаг укладки кодового слова составит X*=n/N. Однако запись по способу МЧМ не несет информации о частоте укладки, вследствие этого возникает необходимость некоторого усложнения системы декодирования, которая должна выполнять логические функции по установлению частоты следования импульсов.

Поскольку цифровая запись звука требует значительно большей скорости передвижения носителя по сравнению с аналоговой записью, то ее обычно производят с наклонно-строчной укладкой символов, используя для этой цели механизмы видеомагнитофонов.

Конечно, последнее значительно усложняет и удорожает цифровые магнитофоны, поэтому они, как правило, используются только на студиях звукозаписи для первичной цифровой записи звука с последующей перезаписью на фотографический, оптичесий или магнитооптический носитель.

В системах цифровой записи получила некоторое применение также перпендикулярная магнитная запись. Воспроизведение записи осуществляется не индукционной магнитной головкой, а магниторезистивной головкой. Действие последней основано на магниторезистивном эффекте, заключающемся в изменении электрического сопротивления магниторезистивного элемента под действием внешнего магнитного поля.

Магниторезистивный элемент представляет собой тонкую металлическую пленку, толщиной порядка долей микрометра, обладающую высоким магниторезистивным эффектом. Этот слой расположен в зазоре между обкладками, на которые он наносится методом вакуумной металлизации. Торец магниторезистивного элемента 1 (рис.5.20) с электродами 3 приводится в контакт с магнитной лентой 2. Величина его электрического сопротивления пропорциональна намагниченности соприкасающегося с элементом участка магнитной ленты. Магниторезистивная головка является потокочувствительной, поскольку выходное напряжение зависит от величины внешнего магнитного потока носителя и не зависит от скорости его изменения. Поэтому ПЧХ магниторезистивных головок, в отличие от индукционных, не имеет спада на нижних частотах, а является “плоской” и только на высоких частотах имеет спад, вызванный в основном контактными потерями. Эти головки, в отличие от индукционных, имеют импульсную реакцию, описываемую четной функцией. Поэтому при цифровой записи нет необходимости передавать импульсы знаковыми функциями.

Рис.5.20. Магниторезистивный элемент В отличие от индукционных головок, магниторезистивные имеют сильно нелинейную передаточную характеристику, поэтому они не используются при аналоговой записи. Однако это отличие нисколько не препятствует использованию их при цифровой записи.

Простота конструкции и малые габариты магниторезистивных головок позволили в одном из бытовых магнитофонов создать блок из девяти головок, которые считывают запись одновременно с девяти дорожек, расположенных на половине ширины 3,81-мм магнитной ленты. В данном магнитофоне обеспечивается эффективная компрессия записываемого сигнала, позволившая сократить записываемый цифровой поток почти в пять раз.

В результате при использовании кассет, по размерам не отличающихся от широко применяемых при аналоговой записи компакт-кассет, удалось обеспечить при длительности записи до мин динамический диапазон до 92 дБ и частотный диапазон до кГц.

5.6. ОПТИЧЕСКАЯ И МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ Поскольку при цифровой записи сигналов амплитуда импульсов цифрового кода остается неизменной, то на выходе системы требуется иметь информацию только о наличии импульса или его отсутствии. Поэтому система должна обеспечить лишь два уровня воспроизводимого сигнала, соответствующих “да” - “нет”. Это открыло возможность создания принципиально новой системы записи цифрового сигнала, которая получила название оптической, лазерной или фототермической системы записи сигналов. Будем ее в дальнейшем называть системой оптической записи.

При оптической записи, как правило, используются в качестве источников света лазеры. Свет, излучаемый лазером 1 (рис.5.21,а), проходит через расширитель пучка света 2, светомодулирующее устройство 3 и попадает в призму полного внутреннего отражения 4.

Последняя направляет параллельный пучок света к объективу 5, который образует на поверхности светочувствительного слоя световое пятно предельно малых размеров. Светочувствительный слой нанесен на основу 7 и вместе с ней во время записи перемещается в направлении стрелки со скоростью V. В качестве светочувствительного слоя обычно используют фоторезисты.

Рис.5.21. Схема системы оптической записи В экспонированных участках фоторезиста возникает эффект локального изменения его растворимости. На этапе обработки экспонированные участки растворяются путем воздействия кислотного проявителя. В результате на поверхности основы возникает рельеф в виде гладкой поверхности с лунками, образовавшимися на экспонированных участках фоторезиста.

Данный принцип рельефной записи обеспечивает сравнительную простоту массового тиражирования записей. После записи с оригинала гальванопластическим методом изготавливают матрицу. С нее прессуют копии, на которые наносят отражающее зеркальное серебряное или алюминиевое покрытие. На наружную поверхность копии 10 (рис.5.21,б), не занятую углублениями, наносят черный матовый лак, а затем защитное прозрачное покрытие 11.

Воспроизводящее устройство (см.рис.5.21,б) содержит лазер 1, свет от которого проходит через расширитель 2 и попадает к светоделительной призме-кубу 8. Последняя направляет часть света к объективу 5, образующему на поверхности носителя записи воспроизводящее световое пятно. Отражающее покрытие в месте записи импульса отражает падающий на него свет, который возвращается в зрачок объектива 5 и направляется им через светоделительную призму-куб к фотоприемнику 9. Фотоприемник вырабатывает электрический сигнал, направляемый в цифро аналоговый преобразователь.

В существующих системах оптической записи в качестве носителей используют диски, которые при записи вращаются, осуществляя укладку символов. При этом пишущий элемент перемещается вдоль радиуса, в результате чего укладка символов производится по спирали. Углубления в носителе, образованные в процессе записи, называются питами. Глубина питов составляет десятые доли микрометра. Обозначим диаметр пита d (рис.5.21,в), минимальный шаг пита вдоль спирали обозначим h t, а шаг спирали hr.

Объективы записывающего и воспроизводящего устройств имеют предельно малое поле зрения и работают в монохроматическом свете излучения лазера, что позволяет изготовить их дифрационно ограниченными при очень больших относительных отверстиях - до 0,8-1,0.

Объектив 5 записывающего устройства образует на поверхности носителя изображение светящейся точки. В разд.3.4 было показано, что как в когерентной, так и в некогерентной дифракционно ограниченных оптических системах распределение освещенности в изображении светящейся точки определяет формула F о (r)=c 1 J 1 2 (r/)/(r/) 2, (5.10) где с 1 - нормировочный множитель.

Диаметр центрального светового пятна (диск Эри) равен 2,44/ (рис.5.22,а). Если принять, что =0,5 мкм, а =1, то диаметр пятна будет равен 1,22 мкм. Экспозицию при записи подбирают таким образом, чтобы на фоторезист оказывала воздействие освещенность на уровне 0,5F о (0). Тогда диаметр d пита будет равен примерно 0, мкм. При записи обеспечивается очень малое время экспонирования, поэтому, несмотря на движение диска, на нем записывается кружок ди- аметром d, который является импульсной реакцией системы записи:

F о з (r)=c 2 circ(2r/d). (5.11) Рис.5.22. Имп ульсные реакции и ПЧХ звеньев системы оптической записи В процессе тиражирования размер питов остается практически неизменным. Во время воспроизведения на поверхности носителя световое пятно образует такая же оптическая система, как и при записи, поэтому распределение освещенности в воспроизводящем световом пятне будет описывать та же функция (5.10). Она представляет собой импульсную реакцию системы воспроизведения.

Следовательно, итоговая импульсная реакция системы ЗТВ может быть найдена сверткой импульсных реакций систем записи и воспроизведения.

Поскольку обе импульсные реакции обладают круговой симметрией, то ПЧХ систем записи и воспроизведения находятся преобразованиями Ганкеля указанных импульсных реакций. Сечение преобразования Ганкеля от функции (5.10) плоскостью, проходящей через начало координат, равно K в (f)=(2/){arccos(f/)-(f/)[1-(f/) 2 ] 1 / 2 }, (5.12) где f - пространственная частота в направлении укладки питов.

Разрешающая способность оптической системы составляет N в =/ (рис.5.22,в). Для принятых ранее параметров N в = 1/0,5 = 2 мкм - 1 = =2000 мм - 1. Сечение плоскостью, проходящей через начало координат, преобразования Ганкеля от круговой функции (5.11), описывающей пит, равно K з (f)=2J 1 (df)/(df).

(5.13) Эта функция обращается в нуль при частоте 1,22/d (рис.5.22,г) и осциллирует далее относительно оси частот с постепенным уменьшением амплитуды. Первый нуль для d=0,6 мкм будет на -1 - частоте 1,22/0,62 мкм =2000 мм.

Итоговая ПЧХ системы ЗТВ находится перемножением ПЧХ устройств записи и воспроизведения:

K(f)=K з (f)K в (f).

Считаем, что уровень шума в системе не превышает 0,04.

Примерно такое значение имеет место в существующих системах.

Тогда, произведя перемножение ПЧХ (рис.5.23), находим, что разрешающая способность системы ЗТВ равна N=1560 мм - 1.

Следовательно, минимальный шаг укладки питов должен быть равен h t = 1/N = 1/1560 = =0,6410 мм - 3 = 0,64 мкм. Для того, чтобы питы, расположенные на соседних витках спирали, не влияли друг на друга при воспроизведении, шаг спирали не должен быть меньше 2/N = 2/1560=1,2810 - 3 мм= = 1,28 мкм. В существующих системах шаг спирали принят равным h r = 1,6 мкм, что необходимо для нанесения между витками защитной полосы, исключающей возможность взаимовлияния соседних дорожек вследствие случайного смещения с дорожки записи при воспроизведении считывающего светового пятна.

Рис.5.23. ПЧХ системы оптической записи Информационная плотность записи будет равна H p =1/h t =1/0,64=1,56 бит/мкм=1560 бит/мм.

Поверхностная плотность записи составит H п о в =H р /h r =1560/(1,610 - 3 )=975000 бит/мм 2 1 Мбит/мм 2.

Получившие применение для оптической записи и воспроизведения звука компакт-диски имеют диаметр 120 мм.

Причем запись ведется с внутреннего витка спирали диаметром мм и заканчивается на наружном витке диаметром 116 мм.

Следовательно, полезная площадь диска, используемая для записи, составляет 8600 мм 2. Считая поверхностную плотность записи равной 1 Мбит/мм 2, находим, что информационная емкость компакт диска равна H=8600 Мбит (8,8 Гбит). Как было показано выше, при записи звука требуется записать цифровой поток 1 Мбит/с, поэтому компакт-диск позволяет записать звуковую программу длительностью 8600 с=143 мин, т.е. более двух часов. Поскольку компакт-диски предназначены для стереофонической записи, то цифровой поток возрастает в два раза и длительность звучания превышает один час.

Технология тиражирования компакт-дисков и их конструкция несколько отличаются от рассмотренных выше. На обратной стороне диска толщиной 1,2 мм, изготовленного из прозрачной пластмассы прессуется цифровой код. На эту (обратную) сторону диска наносится тонкий отражающий слой, а поверх него слой прочной непрозрачной пластмассы. При воспроизведении объектив (см.рис.5.21,б) строит изображение воспроизводящего светового пятна на плоской отражающей поверхности, не занятой питом. Свет от объектива 5 проходит к этой поверхности через прозрачный пластмассовый слой 11. В этом случае почти весь отраженный свет возвращается в зрачок объектива 5 и подается на фотоприемник 9.

Когда свет попадает на пит, то он в значительной степени рассеивается и не захватывается зрачком объектива. Следовательно, в отличие от рассмотренного выше процесса воспроизведения, при совпадении воспроизводящего светового пятна с питом световой поток, попадающий на фотоприемник, не усиливается, а, наоборот, ослабляется. В результате воспроизводится как бы “негатив” записанного сигнала. Принципиальной разницы в данных процессах нет, поскольку всю информацию о записанном сигнале несет только переменная составляющая воспроизводимого сигнала, которая отличается в “негативе” от “позитива” только сдвигом фазы.

Запись символов “1” или “0” в системах оптической записи может выполняться двумя способами. Первый основан на записи пита при появлении символа “1” (рис.5.24,а). Второй способ аналогичен способу магнитной записи МЧМ (см.раздел 5.5). Он основан на том, что символу “1” соответствует “начало” или “конец” пита (рис.5.24,в). При воспроизведении по первому способу записи на выходе либо имеется импульс, либо отсутствует (рис.5.24,б). Во втором способе путем дифференцирования выходного сигнала находится импульс, соответствующий символу “1” (рис.5.24,г,д). В системах с компакт-дисками используется второй способ записи.

Рис.5.24. Способы цифровой оптической записи К достоинствам цифровой оптической записи по сравнению с цифровой магнитной записью относится не только возможность обеспечения значительно большей поверхностной плотности записи, но также то, что воспроизведение записи является бесконтактным.

Вследствие этого срок службы компакт-дисков практически не ограничен. Однако, в отличие от магнитной записи, при оптической записи затруднительно производить многократные записи на один и тот же носитель. Известны некоторые системы оптической фототермической записи на термопластических материалах, в которых возможно стереть одну запись и взамен ее записать на диске новую, однако они не получили пока широкого распространения.

Наиболее перспективной в данном отношении является магнитооптическая запись.

В качестве носителя при магнитооптической записи используется магнитооптический диск. В отличие от компакт-диска, на котором сигнал записывается при помощи углублений, на магнитооптическом диске сигнал записывается путем изменения намагниченности рабочего магнитооптического слоя. Магнитооптический слой способен терять намагниченность и коэрцитивную силу при нагреве 100-200 о С.

до Запись производится с перпендикулярным намагничиванием рабочего слоя.

При записи осуществляется взаимодействие луча лазера, обеспечивающего нагревание локального участка рабочего магнитного слоя, и магнитной головки, которая создает намагниченность той или иной полярности этого участка. Возможны два способа магнитооптической записи.

Первый способ основан на модуляции излучения лазера цифровым сигналом. Лазер 1 (рис.5.25,а) с расширителем 2 светового пучка образуют параллельный пучок света, который направляется в модулятор 3, а затем в призму полного внутреннего отражения 4.

Последняя направляет световой пучок к объективу 5, образующему на рабочем магнитооптическом слое 6 малое световое пятно. Рабочий слой нанесен на прозрачную основу диска 7, который во время записи вращается. Перед записью магнитооптический диск получает предварительную намагниченность. При этом на диске стирается предыдущая запись.

Рис.5.25. Схемы устройств магнитооптической записи и воспроизведения сигналов Магнитная головка (соленоид) 8 создает постоянное магнитное поле обратного направления по сравнению с полем предварительного намагничивания диска. Если на модулятор подан сигнал и он открыл доступ излучению лазера к магнитооптическому слою, то в месте образования пишущего светового пятна происходит нагрев слоя. В результате на этом участке слоя снижается коэрцитивная сила и происходит его перенамагничивание. При смещении данного участка слоя от пишущего светового пятна он остывает и его коэрцитивная сила восстанавливается;

намагниченность, созданная магнитной головкой, как бы “закрепляется”. В рабочем магнитном слое оказываются записанными участки с различным направлением намагниченности (рис.5.25,б).

Второй способ записи заключается в подаче цифрового сигнала на записывающую магнитную головку 8 (см.рис.5.25,а). При этом модулятор света 3 устраняется и лазер в течение записи создает постоянное световое пятно на поверхности рабочего слоя магнитооптического носителя, осуществляя его нагрев в момент прохождения мимо светового пятна. Магнитная головка создает на слое участки взаимно противоположной намагниченности. В отличие от первого способа, этот способ не требует предварительной намагниченности магнитооптического диска. Кроме того, при записи одновременно происходит стирание записей, которые имели место на магнитооптическом диске. Результат записи не отличается от того, который обеспечивается первым способом (см.рис.5.25,б).

Воспроизведение записи основано на магнитооптическом эффекте Керра, который состоит в том, что поляризованный луч после отражения от намагниченной поверхности получает некоторый небольшой поворот плоскости поляризации. В соответствии с этим эффектом в системе воспроизведения магнитооптической записи (рис.5.25,в) лазер 1 совместно с расширителем 2 направляет световой поток к поляризатору 10. Плоско поляризованный свет направляется светоделительной призмой-кубом 9 к объективу 5. Последний образует на поверхности рабочего слоя магнитооптического диска 11, на котором записан цифровой сигнал, небольшое световое пятно.

Мощность излучения лазера при воспроизведении значительно меньше, чем при записи. Поэтому при воспроизведении световое пятно не снижает коэрцитивной силы магнитооптического диска.

Отраженный от рабочего слоя свет в зависимости от направления намагниченности соответствующих участков слоя получает некоторый поворот плоскости поляризации. Отраженный свет попадает во входной зрачок объектива 5 и направляется им к призме кубу 9. Прошедшая через светоделительную призму-куб часть света попадает в анализатор 12, а затем подается к фотоприемнику 13.

Анализатор пропускает свет только с определенным углом поляризации. Вследствие этого на фотоприемник поступает модулированный магнитооптическим диском световой поток. Он вызывает переменный электрический сигнал, который подается в систему обработки, преобразования и воспроизведения.

Информационная и поверхностная плотность записи на магнитооптических дисках, при прочих равных условиях, примерно такая же, как и на оптических дисках.

Как оптическая, так и магнитооптическая запись пригодны не только для цифровой записи сигналов. Они используются также при записи сигналов с широтно-импульсной модуляцией, с частотно импульсной модуляцией, а также любых других сигналов, которые требуют воспроизведения на выходе только двух уровней сигнала.

Рассмотренные в данном разделе системы записи и воспроизведения звукового сигнала относятся к первому и второму классам систем записи сигналов. К первому классу (С 1 Н 1 Р 1 ) относятся системы аналоговой фотографической, магнитной и механической записи звука. Ко второму классу (С 1 Н 1 Р 0 ) следует отнести системы цифровой фотографической, магнитной, оптической и магнитооптической записи и воспроизведения звукового сигнала.

6. ЧЕРНО-БЕЛОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ 6.1. ВОСПРИЯТИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ НАБЛЮДАТЕЛЕМ Основные требования к системам записи и воспроизведения изображений могут быть сформулированы только с учетом свойств зрительного анализатора и психологии зрительного восприятия окружающего человека мира и изображений, воспроизводимых в фотографии, кинематографе, телевидении.

Глаз человека имеет оптическую систему, которая образует изображение наблюдаемого объекта на поверхности светочувствительной сетчатки, связанной нервными волокнами с соответствующими участками головного мозга. Оптическая система глаза, как и любая другая оптическая система, оценивается объективными параметрами (ФРТ, ФРЛ, ФРК или ПЧХ). Многими исследователями эти зависимости найдены как экспериментальными, так и аналитическими методами. Однако для анализа восприятия изображения человеком более важно оценить зрительный анализатор в целом, с учетом не только физических (объективных), но и субъективных психофизических факторов. При субъективных измерениях должны приниматься во внимание условия наблюдения:

яркость объекта, расстояние от него до наблюдателя, яркость фона адаптации, продолжительность рассматривания объекта и т.п. Только в первом приближении можно допустить, что зрительный анализатор является системой линейной и инвариантной к сдвигу, и применить для его оценки методы теории линейных систем.

Рассмотренный выше метод экспериментального определения ПЧХ оптических систем и кинопленок основан на измерении глубины модуляции выходного изображения периодической решетки (миры) при заданной постоянной глубине модуляции в решетке на входе. Данный метод не применим для нахождения ПЧХ зрительного анализатора, поскольку непосредственно определить глубину модуляции в воспринимаемом зрителем изображении тест-объекта задача чрезвычайно трудная. Вследствие этого многими исследователями использовался косвенный метод нахождения ПЧХ зрительного анализатора. Рассмотрим один из методов, который основан на предварительном определении зависимости пороговой глубины модуляции от пространственной частоты решетки. Причем под пороговой глубиной модуляции понимается граничное значение глубины модуляции в тест-объекте, начиная с которого зритель перестает замечать его периодическую структуру и воспринимает тест-объект как равномерно светящуюся поверхность.

Схема установки для нахождения пороговой глубины модуляции показана на рис. 6.1. В установке используются два проекционных канала и с осветительными системами 1 и 2. В кадровом окне проекционного канала установлен тест-объект 5 - решетка с синусоидальным распределением коэффициента пропускания и заданной пространственной частотой. Объектив 6 данного канала образует в плоскости экрана 9 изображение решетки, а объектив проекционного канала II создает световой фон. Световые потоки проекционных каналов I и II объединяет полупрозрачное зеркало 8, поэтому на экране 9 оба канала образуют суммарную освещенность.

Рис.6.1. Схема установки для нахождения пороговой глубины модуляции В оптических системах обоих проекционных каналов установлены дозаторы света 3 и 4. Каждый из них представляет собой два поляроида, один из которых можно поворачивать вокруг оптической оси системы, изменяя ее коэффициент пропускания, а следовательно, и освещенность изображения решетки или светового фона на экране 9.

Эксперимент состоит в следующем. Наблюдатель рассматривает изображение тест-объекта на экране 9, постепенно снижая глубину модуляции путем уменьшения коэффициента пропускания оптической системы проекционного канала I и одновременного пропорционального увеличения коэффициента пропускания оптической системы проекционного канала II. При этом он добивается такого значения глубины модуляции Т п ор, при котором перестает замечать полосы в изображении тест-объекта. Изменение коэффициентов пропускания оптических систем обоих проекционных каналов осуществляется таким образом, что средняя освещенность Е с р изображения на экране остается неизменной. Это необходимо для того, чтобы адаптация зрительного анализатора была постоянной.

На рис.6.2 штриховыми линиями показано распределение освещенностей Е 1 (x) и E 2, создаваемое на экране проекционными каналами I и II соответственно. Образуемое на экране в результате сложения световых потоков обоих проекционных каналов изображение показывает кривая E(x), а среднее значение освещенности - прямая E с р. Будем считать, что приведенное на рис.6.2,а распределение освещенностей имеет достаточную для восприятия изображения решетки глубину модуляции.

Рис.6.2. Распределение освещенности на экране установки для определения пороговой глубины модуляции Изменяя соотношение световых потоков проекционных каналов I и II, наблюдатель добивается незаметности изображения полос решетки. Положим, что этому соответствует распределение освещенностей E(x), показанное на рис.6.2,б. Тогда граничное пороговое значение глубины модуляции определит формула T п ор =(E ma x -E mi n )/(E ma x +E mi n ).

Повторив эксперимент для тест-объектов с различной пространственной частотой, строят график зависимости Т п о р от пространственной частоты f, приведенной к поверхности изображения (экрана). Удобно привести эту частоту к поверхности сетчатки глаза, что осуществляется в соответствии с равенством f с =f/ з а, (6.1) где f с - пространственная частота, приведенная к поверхности сетчатки;

з а - линейное увеличение от сетчатки к поверхности изображения. Причем з а =f з а /S.

Здесь S - расстояние от наблюдателя до экрана;

f з а - фокусное расстояние оптической системы глаза. Переднее фокусное расстояние оптической системы глаза в зависимости от аккомодации глаза изменяется от 17 до 14 мм. Будем считать, что фокусное расстояние оптической системы глаза равно f з а =16 мм, тогда з а =16/S. (6.2) Для условий, близких к условиям рассматривания изображения с лучших мест в кинотеатре, кривая пороговых контрастов имеет вид, приведенный на рис.6.3.

Рис.6.3.Графики пороговой глубины модуляции и ПЧХ зрительного анализатора Анализ рис.6.3 показывает, что функция T п о р (f с ) имеет минимум на частотах 8-10 мм - 1. При частотах f с =140...150 мм - 1 график функции достигает максимума, равного единице. Возрастание функции T п о р (f с ) на низких частотах (менее 8-10 мм - 1 ), по мнению многих исследователей, - следствие взаимодействия процессов возбуждения и торможения, возникающих в нервной системе.

Увеличение функции T по р (f с ) на высоких частотах (выше 8-10 мм - 1 ) свидетельствует о фильтрующем действии зрительного анализатора.

Наибольшая контрастная чувствительность зрительного анализатора имеет место на частотах 8-10 мм - 1. Назовем глубину модуляции на этих частотах минимальной и обозначим T mi n.

Функция T п о р (f с ) показывает глубину модуляции изображения на входе зрительного анализатора. Обозначим ее T в х (f с ). Если знать соответствующую глубину модуляции Т в ых (f с ) изображения на выходе зрительного анализатора, то отношение T в ых (f с )/T в х (f с ) и даст значение коэффициента передачи модуляции в зрительном анализаторе, т.е. его ПЧХ.

Можно предположить, что на частотах 8-10 мм - 1 ЗА не производит фильтрацию пространственных частот, а значение Т mi n обусловлено лишь шумовыми процессами в ЗА. Подобные шумовые процессы имеют место и на других частотах, поэтому при подаче на вход ЗА сигнала с глубиной модуляции Т в х (f с )=Т п о р (f с ) на выходе ЗА воспринимает его с глубиной модуляции Т в ых (f с )=Т mi n.

Следовательно, ПЧХ ЗА (рис.6.3) равна K з а (f с )=T в ы х (f с )/T в х (f с )=T mi n /T п о р (f с ).

ПЧХ зрительного анализатора, имеющую вид, показанный на рис.6.3, впервые экспериментально нашел еще в 1950-х годах известный американский исследователь O.Schade и аппроксимировал ее функцией (показана на рисунке штриховой линией) K з а (f с )=exp[-(f с /f е ) 1,4 5 ].

(6.3) Критическая частота f е, приведенная к поверхности сетчатки глаза, изменяется в пределах от 40 до 50 мм - 1 при изменении яркости изображения от 12 до 100 кд/м 2.

Позже рядом исследователей были получены ПЧХ зрительного анализатора, близкие к описываемым функцией (6.3). Эта функция используется многими специалистами для изучения восприятия изображения в кинематографе и телевидении.

Для приведения выражения (6.3) к принятой нами аппроксимации (2.33) частотной характеристики необходимо найти значения N з а и m.

На основе формулы (2.35) имеем 1,45=lnm/ln(N з а /f e ).

Отсюда находим N з а =f e m 0, 6 9. (6.4) Следовательно, для определения разрешающей способности N з а зрительного анализатора необходимо знать величину m, т.е.

логарифм количества градаций яркости, воспринимаемых зрительным анализатором. Для этого требуется найти пороговый контраст, при котором человек начинает различать два соседних поля, отличающихся только своей яркостью. Подобные опыты проводились многими исследователями с 1865 по 1915 гг., и они установили следующую закономерность. Оказывается, в широком диапазоне яркостей минимальное значение контраста, т.е. пороговый контраст, является величиной постоянной и равной =0,02.

Если L - приращение яркости едва заметное зрителю, то, независимо от величины L, L/L= или L=L.

Очевидно, что значение обусловлено шумовыми процессами в зрительном анализаторе.

Определим максимальное число g градаций яркости, воспринимаемых зрительным анализатором, если контраст объекта равен Т=L ma x /L mi n. Яркость нулевой градации равна L mi n, яркость первой градации - L 1 =L mi n +L mi n =(1+)L mi n ;

яркость второй градации - L 2 =L 1 +L 1 =(1+) 2 L mi n ;

яркость g-1 градации L g- 1 =(1+) g- 1 L m i n.

Отсюда находим g=ln(L m a x /L mi n )/ln(1+)+1=ln(L ma x /L mi n )/+1, поскольку 1 и, следовательно, ln(1+). Кроме того, ln(L ma x /L mi n )/1, поэтому окончательно имеем g=(1/)ln(L ma x /L mi n ). (6.5) Значение g определяет ощущение яркости, т.е. светлоту, которая пропорциональна логарифму яркости, выраженной в относительных единицах. Зависимость (6.5) называется законом Вебера-Фехнера.

Если значение L mi n соизмеримо с уровнем шума в ЗА, то в первом приближении значение g определяет также отношение сигнал/шум и динамический диапазон ЗА.

Диапазон воспринимаемых ЗА яркостей достаточно широк - он расположен между порогом видимости, т.е. минимальной яркостью, еще воспринимаемой ЗА, и порогом ослепления, т.е. максимальной яркостью, которую ЗА может вынести. Этот диапазон простирается от 10 - 7 -10 - 6 до 10 4 -10 5 кд/м 2. Следовательно, интервал яркостей, воспринимаемых ЗА, составляет L ma x /L mi n =10 1 0...10 1 2.

От величины зависит контрастная чувствительность R зрительного анализатора, которая принимается равной обратной величине, т.е.

R=1/.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что закон Вебера-Фехнера действует только для диапазона яркостей примерно от 1 до 1000 кд/м 2. При яркостях выше и ниже указанных значение возрастает, а контрастная чувствительность R ЗА снижается (рис.6.4).

Рис.6.4. Кривые порогового контраста и контрастной чувствительности ЗА Из рис.6.4 следует, что контрастная чувствительность ЗА при яркостях 10 - 2 и 10 5 кд/м 2 уменьшается в десять раз по сравнению с максимальной контрастной чувствительностью. Очевидно, что основная жизнедеятельность человека происходит при освещениях, обеспечивающих данный диапазон яркостей (L ma x /L mi n =10 7 ) объектов окружающего человека мира. В то же время природа позаботилась о расширении диапазона воспринимаемых яркостей в сторону их уменьшения. Это необходимо в основном для ориентации в ночное время, в сумерки и в темных помещениях. Однако различительная способность ЗА в данных условиях крайне низка.


Если считать значение постоянным для всего диапазона яркостей от 10 - 2 до 10 5 кд/м 2 и равным его минимальной величине 0,02, то, подставив значение L ma x /L mi n =10 7 в формулу (6.5), получим g=805.

Следовательно, благодаря рассмотренному свойству ЗА, вскрытому законом Вебера-Фехнера, входной сигнал как бы “сжимается” им на 4 с лишним порядка. Однако даже при таком “сжатии” одновременно воспринять весь указанный диапазон яркостей ЗА не в состоянии.

Зрительный анализатор имеет свойство адаптации к средней яркости рассматриваемой сцены, т.е. перестраиваться к условиям наилучшего зрительного восприятия при заданном уровне яркости.

Нам хорошо известно из опыта, что, войдя из очень светлого помещения в темную комнату, мы вначале ничего не видим, и только постепенно наш ЗА перестраивается и через несколько минут начинает нормально работать. Это называется темновой адаптацией.

Наоборот, при выходе из очень темного помещения на солнечный свет нам также необходимо некоторое время для адаптации зрения.

Это - световая адаптация.

Адаптация происходит автоматически, помимо нашего сознания, путем переключения ЗА с палочкового на колбочковое зрение, изменения диаметра зрачков глаз, изменения светочувствительности сетчатки глаза. При достаточно длительном рассматривании сцен с постоянной средней яркостью состояние адаптации стабилизируется и параметры ЗА сохраняются неизменными. В реальной жизни рассматриваемые наблюдателем без напряжения зрения сцены обычно имеют сравнительно небольшой контраст.

Эксперимент по определению порогового контраста =L/L заключался в том, что наблюдателю предъявлялось равномерно освещенное поле, к яркости L которого ЗА наблюдателя адаптировался. Затем яркость небольшой метки в середине поля адаптации увеличивалась до минимального предела L, при котором наблюдатель начинал ее различать на фоне равномерно освещенного поля. Подобные опыты последовательно проводились для всего диапазона яркостей L, воспринимаемых ЗА.

В реальной жизни ЗА адаптируется к средней яркости наблюдаемой сцены, в которой одновременно находятся детали различной яркости. Вследствие этого, к сожалению, закон Вебера Фехнера не может быть прямо использован для нахождения информации, воспринимаемой ЗА при наблюдении реальной действительности.

Указанные затруднения были сняты в 1920-х годах экспериментами E.Lowry. Они отличались от рассмотренных выше тем, что яркость поля адаптации при проведении серии экспериментов оставалась постоянной и равной L A. В середине поля размещались две небольшие метки - одна как эталон, а другая для сравнений. Во время эксперимента наблюдатель для заданной яркости L э т эталонной метки находил минимальное приращение яркости L метки сравнения, при которой она начинала отличаться от эталонной метки. При проведении серии испытаний для заданной постоянной яркости поля адаптации L A эталонной метке задавалось требуемое количество значений яркости Lэт. Следующие аналогичные серии экспериментов проводились для других фиксированных значений яркости поля адаптации L А. На рис.6.5 в качестве примера приведена кривая, показывающая зависимость контрастной чувствительности R=1/=L э т /L ЗА от яркости L э т эталонной метки при яркости поля адаптации L A =320 кд/м 2.

Рис.6.5. Кривая контрастной чувствительности ЗА Анализ рис.6.5 показывает, что максимальная контрастная чувствительность ЗА имеет место при яркости эталонной метки, равной яркости поля адаптации (показано вертикальной штриховой линией). Причем эта контрастная чувствительность совпадает с найденной согласно закону Вебера-Фехнера. По мере как увеличения, так и уменьшения яркости Lэт контрастная чувствительность ЗА снижается. При яркостях L э т, равных 20 и кд/м 2, контрастная чувствительность снижается в десять раз.

Диапазон яркостей L ma x /L mi n при этом составляет 3200/20=160, т.е.

уменьшается (по сравнению с L ma x /L mi n =10 7 ) более чем на четыре порядка. Так же и количество градаций яркости, воспринимаемых ЗА, согласно формуле (6.5) снижается более чем в три раза до g=253.

Таким образом, вследствие того, что мы ощущаем не яркости деталей окружающего мира, а логарифмы яркостей, а также благодаря способности ЗА к адаптации, количество воспринимаемой зрительной информации при наблюдении конкретной сцены в значительной степени сокращено. Очевидно, в процессе эволюции ЗА совершенствовался таким образом, чтобы, сохранив чрезвычайно широкий диапазон яркостей, воспринимаемых ЗА, устранить избыточную зрительную информацию, которая перегружает наш мозг. Указанное свойство ЗА в значительной степени облегчает реализацию систем записи и воспроизведения изображений.

Опыты E.Lowry иллюстрируют “сжатие” светового сигнала в результате адаптации ЗА, но могут служить лишь для приближенного нахождения величины информации, воспринимаемой наблюдателем в реальной жизни. Дело в том, что кривые контрастной чувствительности существенно различаются в зависимости от яркости поля адаптации. Примем в первом приближении, что ЗА воспринимает при постоянстве адаптации и без напряжения зрения объекты, контраст которых L ma x /L mi n =160.

Следует отметить то, что в результате объективного изучения (фотометрирования) большого количества различных сюжетов было установлено, что контраст в них изменяется от 20 до 900, однако в среднем он равен 160. Контраст же деталей, несущих зрительную информацию при субъективном восприятии тех же сюжетов, естественно, значительно меньше (например, детали в глубоких тенях хотя и не различаются зрительно, но часто и не вызывают интереса наблюдателя). Очень редко контраст сюжетно важных деталей наблюдаемой сцены превышает 160.

Считая, что глаз при постоянном состоянии адаптации воспринимает контраст L ma x /L mi n =160, а отношение сигнал/шум равно g=253, имеем m=ln253=5,5 нат.ед.

Согласно выражению (6.4) находим, что для яркости 12 кд/м (f e =40 мм - 1 ) N з а =405,5 0,6 9 =129 мм - 1, для яркости 100 кд/м (f e =50 мм - 1 ) N з а =162 мм - 1. При общем анализе систем примем значение N з а =150 мм - 1. Следовательно, ПЧХ зрительного анализатора опишет функция K з а (f с )=exp[-5,5(f с /150) 1,4 5 ].

(6.6) Данная формула выведена для условий наблюдения изображения в кинематографе и телевидении. В оптике и физиологии зрения способность зрительного анализатора воспринимать мелкие детали объекта принято оценивать не разрешающей способностью N з а, а угловым пределом разрешения. Последний выражается в угловых минутах и равен углу, под которым наблюдатель воспринимает две светящиеся точки, находящиеся на предельно малом расстоянии друг от друга, но позволяющем наблюдателю различить их раздельно.

Угловой предел разрешения при N з а =150 мм - 1 и f з а =16 мм будет примерно равен 1/(15016)=4,210 - 4 рад=1,4. Установлено, что угловой предел разрешения в значительной степени зависит от условий наблюдения объекта. Наилучшие условия наблюдения тогда, когда диаметр зрачка глаза равен 3-4 мм, а объект находится на расстоянии наилучшего видения S о п т =250 мм. Причем с повышением яркости объекта до 200-300 кд/м 2 угловой предел разрешения снижается до 30. Для приближенных расчетов в оптике принимают среднее значение углового предела разрешения, равное 1. Это значение соответствует разрешающей способности N з а около 200 мм - 1. Разрешающая способность ЗА неравномерна для монохроматических лучей разных длин волн. Она выше всего для середины видимого участка спектра (=580 нм) и снижается к его краям (=400 и =700 нм).

При рассматривании изображения оптическая система глаза образует на поверхности сетчатки вторичное изображение. Причем исходное изображение уже отфильтровано системой ЗТВ, которая имеет вполне определенную ПЧХ K(f). Зрительный анализатор последовательно соединен с системой ЗТВ, поэтому ПЧХ сквозного процесса, включающего восприятие наблюдателем изображения, может быть найдена перемножением ПЧХ K(f) и K з а (f с ). Однако для этого необходимо привести пространственные частоты либо от сетчатки глаза к поверхности изображения, либо, наоборот, от поверхности изображения к поверхности сетчатки. Здесь и в дальнейшем изложении материала примем второй путь, используя для приведения частот к сетчатке глаза формулы (6.1) и (6.2).

Следовательно, ПЧХ сквозного процесса K с к в (f с ) будет равна K с к в (f с )=K(f с )K з а (f с ). (6.7) При перемножении ПЧХ следует иметь в виду следующее.

Параметр m сквозного процесса не может быть больше 5,5. Он будет равен данной величине только в том случае, когда значение m системы ЗТВ равно или превышает 5,5. В данном случае количество воспринимаемых градаций яркости в изображении будет максимальным. В реальных системах ЗТВ обычно параметр m имеет значения меньшие 5,5. Они определяются контрастом воспроизводимого изображения и уровнем шума в системе. В современных фотографических системах контраст воспроизводимого изображения лежит в пределах от 50 до 150, а в телевизионных системах от 30 до 100. Шумы в фотографических системах обусловлены зернистой структурой изображения, а в телевизионных системах - напряжением шума и собственными флюктуационными шумами кинескопа. Если параметр m в системах ЗТВ имеет значение меньшее 5,5, то параметр m в итоговой ПЧХ должен быть принят равным имеющему место в системе ЗТВ.

П р и м е р 6.1. ПЧХ системы ЗТВ, приведенную к поверхности сетчатки глаза, описывает функция K(f с )=exp[-3,7(f с /200) 1, 4 5 ]. Здесь m= 3,75,5.


Найти итоговую ПЧХ.

Согласно формуле (6.7) имеем K с к в (f с )=K з а (f с )K(f с )=exp[-5,5(f с /150) 1, 4 5 ]exp[-3,7(f с /200) 1, 4 5 ]= =exp[-5,5(f с /150) 1, 4 5 -3,7(f с /200) 1, 4 5 ]= =exp[-3,7f с 1, 4 5 (1,49/150 1, 4 5 +1/200 1, 4 5 )]=exp[-3,7(f с /89) 1, 4 5 ].

Принятая в примере 6.1 методика аналитического нахождения итоговой ПЧХ системы пригодна, к сожалению, только в тех случаях, когда показатель степени n в перемножаемых ПЧХ одинаков. В противном случае приходится прибегать к графоаналитическому методу вычислений.

Приведенные выше рассуждения показывают то, что нет необходимости в воспроизводимом изображении передавать абсолютные значения яркостей деталей снимаемой сцены достаточно правильно передать контраст деталей объекта. Однако при этом следует иметь в виду следующее. Неизбежные шумы в системе ЗТВ повышают при наблюдении изображения пороговый контраст ЗА по сравнению с его величиной (0,02), которая имеет место при наблюдении действительного объекта. Установлено, что при просмотре изображения на экране кинескопа значение возрастает до 0,2...0,4. В результате малые детали яркости в изображении объекта ЗА не различает. Изображение воспринимается серым, “вялым”. Данное явление иллюстрирует рис.6.6.

На вход системы ЗТВ подан тест-объект - градационный клин (рис.6.6,а), имеющий 7 полей, хорошо различаемых ЗА.

Неискаженная передача возможна лишь при коэффициенте =1 и прямолинейной переходной характеристике (рис.6.6,б) системы ЗТВ.

В данном случае в изображении клина (рис.6.6,в) будут правильно переданы все 7 градаций яркости. Однако наличие шумов несколько “размоет” уровни сигнала и они как бы сольются друг с другом.

Зрительно поля не могут быть различены и будут восприняты как непрерывный переход от черного к белому.

Рис.6.6. Градационный клин и его изображения Положение можно несколько исправить намеренным внесением в систему нелинейных искажений, т.е. приняв 1 (см.рис.6.6,б). В данном случае тонопередача будет искажена (рис.6.6,г), но в изображении клина становится возможным зрительно различить три наиболее ярких поля. Изображение при этом субъективно улучшается. К потере деталей в темных участках изображения, особенно когда они не несут в себе сюжетно важной информации, человек привык, поскольку и в реальной жизни при постоянной адаптации ЗА предметы в глубоких тенях различаются слабо.

Изложенное объясняет причину повышения в кинематографе и телевидении итогового коэффициента контрастности до 1,5...2,0. Это возможно в силу того, что к нелинейным искажениям ЗА менее чувствителен, чем слуховой анализатор.

Восприятие мелких деталей объекта зависит не только от свойств оптической системы глаза, но и от структуры сетчатки, которая неравномерна по всей ее поверхности. В дальнейшем мы будем иметь в виду только дневное или колбочковое зрение, которое имеет место при яркостях объекта более 0,1...1,0 кд/м 2. Разрешающая способность выше всего в области центральной ямки сетчатки (желтого пятна) и быстро падает с удалением от нее. На угловом расстоянии 20 о от центральной ямки разрешающая способность снижается почти в десять раз. Только в пределах зоны наиболее четкого видения (1-2 о ) разрешающая способность ЗА достигает своего максимального значения. Следовательно, ЗА не удовлетворяет требованию инвариантности к сдвигу. Однако, как было показано выше (см.разд.1), при рассматривании объекта, а также и его изображения глаз как бы “обследует” наблюдаемый предмет, обегая его взором. При этом он совмещает с заинтересовавшей его деталью объекта зону наиболее четкого видения. Последнее в какой-то степени компенсирует неинвариантность к сдвигу ЗА. Поэтому вполне допустимо использовать полученную выше ПЧХ для оценки фильтрующего действия всего глаза в целом.

В идеальном случае ПЧХ системы ЗТВ, приведенная к поверхности сетчатки глаза, должна быть равна единице в диапазоне частот от 0 до 150 мм - 1, как это показано на рис.6.7 прямой K и д (f с ).

При этом итоговая ПЧХ сквозного процесса K с к в (f с ) будет равна ПЧХ ЗА K з а (f с ), также показанной на рис.6.7. Информационная плотность светового сигнала, воспринимаемого наблюдателем при рассматривании изображения, образованного подобной идеальной системой, в соответствии с формулой (4.31) будет равна H р з а =4150 2 5,5[(1-2(1,45+2) - 1 ]=207900210 5 нат.ед/мм 2.

Рис.6.7. Пространственные частотные х арактеристики, приведенные к поверхности сетчатки глаза Очевидно, такая же информационая плотность светового сигнала будет иметь место и при рассматривании в аналогичных условиях реального объекта. Поскольку информационая плотность определяет четкость воспринимаемого изображения, то она в данном случае будет максимальной.

В реальных условиях ПЧХ системы записи и воспроизведения изображения, приведенная к поверхности сетчатки глаза, почти всегда имеет спад в пределах частот до 150 мм - 1. Вследствие этого информационная плотность светового сигнала H p при рассматривании реального изображения, как правило, будет меньше значения H р з а. Для количественной оценки воспроизводящих свойств системы записи и воспроизведения изображений введем понятие коэффициент информативности и, равный отношению информационной плотности светового сигнала при наблюдении изображения к информационной плотности светового сигнала при рассматривании реального объекта, т.е.

и =H р /H р з а =Н р /(210 5 ).

(6.8) В идеальном случае и =1,0. В реальных же системах коэффициент информативности всегда меньше единицы, причем чем меньшее значение имеет коэффициент информативности, тем менее четким воспринимает наблюдатель изображение.

П р и м е р 6. 2. ПЧХ системы ЗТ В описывае т функци я K(f)=e xp[ -4,6(f/N) 2 ], причем N=8 мм - 1, =0,01. Привести ПЧХ к повер хнос ти сетчатки глаза, если изображение рассматривае тся с расстоян ия S=320 мм.

Согласно форм уле (6. 2) имеем з а =16/320=0,05.

Обозначим разрешающую способность системы, приведенн ую к повер хности сетчатк и, N с, тогда в соотве тствии с формуло й (6.1) получим N с =N/ з а =8/0,05=160 мм.

Следовательно, ПЧХ, приведенн ую к поверхности сетчатки, опишет функц ия K(f с )=exp[ -4,6(f с /160) 2 ], показанная на рис. 6.7.

П р и м е р 6.3. Найти коэффициент информативности для системы, рассмотренной в примере 6.2.

Итоговую ПЧХ K с к в (f с ) сквозного процесса находим согласно формуле (6.7) перемножением ПЧХ K(f с ) системы ЗТВ на ПЧХ K з а (f с ) зрительного анализатора, показанных на рис.6.7. Из кривой ПЧХ K с к в (f с ) (см.рис.6.7) находим N с к в =100 мм -1, f е =38 мм -1. Согласно формуле (2.35) можем написать, что n=ln4,6/ln(100/38)=1,57.

В соответствии с формулой (4.31) имеем H р =4100 2 4,6[1-2/(1,57+2)]=80960 нат.ед./мм 2.

Следовательно, на основе выражения (6.8) находим, что коэффициент информативности равен и =80960/(210 5 )=0,40.

Пример 6.4. Найти коэффициент информативности для условий примера 6.2, если расстояние от наблюдателя до изображения равно 1)S= мм, 2) S=160 мм.

Линейное увеличение в первом случае будет равно з а =16/640=0,025, поэтому N с =8/0,025=320 мм - и K(f с )= exp[-4,6(f с /320) 2 ].

Построив графики ф ункций K(f с ) и K з а (f с ) (рис.6.8) и перемножив их, находим график функции K с к в (f с ). Из полученного графика находим, что N с к в =120 мм -1, f е =41 мм -1. По методике, изложенной в примере 6.3, определяем n=1,43. Следовательно, K с к в (f с )=exp[-4,6(f с /120) 1, 4 3 ] и H р =4120 2 4,6[1-2/(2+1,43)]=111283 нат.ед./мм 2.

Рис.6.8. ПЧХ, приведенные к сетчатке глаза при S=640 (а) и S=160 мм (б) Коэффициент информативности равен и =111283/(210 5 )=0,56.

Аналогично находим для второго случая з а =0,1;

N с =80 мм - 1 ;

N с к в =68 мм - 1 ;

K с к в (f с )=exp[-4,6(f с /68) 1, 6 6 ];

H р =38287 нат.ед./мм 2 ;

и =0,19.

Из анализа результатов приведенных примеров вытекает вывод о том, что по мере удаления изображения от наблюдателя коэффициент информативности возрастает. И это действительно так. Из опыта мы знаем, что по мере удаления нерезкой фотографии от наблюдателя ее воспринимаемая четкость возрастает, а нерезкость становится незаметной. Казалось бы, из сказанного следует парадоксальный вывод о том, что количество воспринимаемой информации по мере удаления изображения от наблюдателя также возрастает. Однако данный вывод не соответствует действительности. Чтобы разобраться с этим вопросом, вспомним (см.разд.1), что зрительный анализатор, кроме зоны наиболее четкого видения, имеет зоны ясного видения и периферического зрения. Только в пределах зоны ясного видения наблюдатель распознает рассматриваемые объекты. В пределах же зоны периферического зрения объекты не распознаются и данная зона служит только лишь для ориентации, что играет чрезвычайно важную роль в нашей жизни. Однако эта зона практически не используется при восприятии изображения. Из опыта мы знаем, что, рассматривая большие полотна мастеров живописи, посетители музеев стремятся отойти от них на значительное расстояние. Наоборот, маленькие фотографии мы рассматриваем с небольшого расстояния. И в первом и во втором случаях наблюдатель стремится расположить изображение в пределах зоны ясного видения. Если изображение находится в пределах зоны ясного видения, то наблюдатель очень быстро находит сюжетно важную деталь, с которой совмещает зону наиболее четкого видения.

Опытные фотографы специально удаляют (отрезают) те участки фотографии, которые не несут в себе смыслового содержания, а только затрудняют восприятие сюжетно важной части изображения.

Напомним, что зона ясного видения для каждого глаза имеет угловые размеры около 30 о по горизонтали и около 22 о по вертикали (рис.6.9), а для бинокулярного зрения около 40 о по горизонтали и 22 о по вертикали. Вероятно, “комфортное” поле зрения располагается в зоне наложения полей ясного видения правого и левого глаз наблюдателя (заштриховано на рисунке).

Положим, что изображение, расположенное на расстоянии S= мм (см.примеры 6.2 и 6.3), имеет угловые размеры 2034 о (показано штриховыми линиями на рис.6.9), а его площадь примерно соответствует площади сечения зоны ясного видения зрительного анализатора плоскостью изображения. Площадь вторичного изображения на поверхности сетчатки глаза обозначим. Тогда, считая, что зрительный анализатор в пределах поля ясного зрения в достаточной степени удовлетворяет условию инвариантности к сдвигу, информационная емкость всей системы записи, воспроизведения и восприятия изображения будет равна H=H р =80960 нат.ед.

Рис.6.9. Поле ясного видения зрительного анализатора При рассматривании того же изображения с расстояния S=640 мм (см.пример 6.4) линейное увеличение от сетчатки к плоскости изображения будет в два раза меньшим, чем в предыдущем случае.

Поэтому площадь вторичного изображения будет равна / (cм.рис.6.9). Информационная емкость системы в данном случае станет равной H=H p /4=111283/4=27821 нат.ед.

Наконец, при S=160 мм края изображения выходят за рамки зоны ясного видения (см.рис.6.9). Однако при этом площадь вторичного изображения, воспринимаемого наблюдателем, остается равной.

Информационная емкость в данном случае равна H=H р =38287 нат.ед.

Из сопоставления полученных результатов следует, что максимальная информационная емкость имеет место в том случае, когда рассматриваемое изображение заполняет зону ясного видения, поэтому получаемая наблюдателем информация будет наибольшей.

Конечно, выполненные расчеты носят сугубо приближенный характер. Следует учитывать то, что условия восприятия изображения наиболее благоприятны в том случае, когда оно находится вблизи комфортной зоны, а также то, что разрешающая способность каждого глаза спадает по мере удаления от зоны наиболее четкого видения. Для рассмотренных конкретных случаев оптимальное положение изображения находится где-то между S= и S=640 мм. Оно зависит также от соотношения сторон изображения и его смыслового содержания. Более точные данные, естественно, могут быть получены только в результате психофизических экспериментов, выполненных применительно к конкретным условиям наблюдения изображения.

Как было показано, для достижения наибольшей четкости, ПЧХ системы ЗТВ, приведенная к поверхности сетчатки глаза, должна быть “плоской”, т.е. равной единице в пределах разрешаемых зрительным анализатором частот. Решение данной задачи сопряжено, как правило, с известными трудностями. Дело в том, что ПЧХ оптических систем и фотоматериалов имеют плавный спад по мере повышения пространственной частоты. Вследствие этого для получения качественных изображений мы вынуждены значительно повышать разрешающую способность систем ЗТВ до пределов, не воспринимаемых ЗА. Например, для случая, рассмотренного в примере 6.4 для расстояния S=640 мм, коэффициент информативности имеет наибольшее из всех рассмотренных случаев значение. Однако, как следует из рис.6.8,а, частоты от 120 до мм - 1 в спектре изображения, приведенном к поверхности сетчатки, не будут восприняты наблюдателем. Поэтому мелкие детали изображения, спектр которых состоит из этих частот, наблюдатель не увидит. Для того, чтобы рассмотреть все мелкие детали, которые содержит изображение, его необходимо приблизить к наблюдателю или даже рассматривать через лупу. Если, например, расположить то же самое изображение на расстоянии S=160 мм от наблюдателя, то весь спектр изображения будет находиться в пределах ПЧХ зрительного анализатора (см.рис.6.8,б). Наблюдатель увидит все сколь угодно мелкие детали, которые содержит изображение, но они будут восприняты очень нечеткими. Вследствие сказанного, повышения четкости изображения приходится достигать только путем увеличения разрешающей способности системы ЗТВ, что приводит к расширению полосы пропускания и, как следствие, к излишнему расходу носителей записи.

Четкость - наиболее важный субъективный показатель качества изображения. Тем не менее пока не существует точного определения этого понятия, хотя смысл его интуитивно ясен. Попытаемся вскрыть сущность этого понятия. Четкость изображения связана с объективным показателем системы - информационной плотностью воспринимаемого наблюдателем светового сигнала при рассматривании изображения. Информационная плотность записи определяется выражением H р =4N 2 m[1-2/(n+2)], содержащим три независимых параметра - логарифм отношения сигнал/шум m, разрешающую способность системы N и показатель степени n. Поэтому информационная плотность может иметь одно и то же значение при бесчисленном множестве сочетаний m, N и n. В том случае, когда две системы имеют различные сочетания m, N и n, но обеспечивают одинаковую информационную плотность записи, количество информации об одном и том же объекте в его изображениях, при прочих равных условиях, будет одинаково.

Следовательно, и четкость изображений, воспринятых наблюдателем, будет одинаковой. Однако полной идентичности в воспроизводимых изображениях не будет. Рассмотрим на конкретном примере, чем различаются изображения, воспроизводимые системами с одинаковой информационной плотностью записи и c постоянной величиной m, равной, но с различными параметрами N и n.

П р и м е р 6.5. Найти ФРЛ и ФРК дв ух систем, имеющих одинаковую информационную плотность записи, и ПЧХ, описываемые функциями:

Система 1 K 1 (f)=exp[-(f/N 1 ) 2 ] n 1 = Система 2 K 2 (f)=exp[-[f/N 2 ) 1 ] n 2 =1, причем N 1 =100 мм -1.

Информационная плотность записи в первой системе равна H p 1 =4100 2 [1-2/(2+2)]=62800 нат.ед./мм 2.

Поскольку обе системы имеют одинаковые информационные плотности, то можем написать:

H p 2 =H p 1 =62800=4N 2 2 [1-2/(2+1)].

Отсюда находим, что разрешающая способность второй системы N 2 должна быть равна 123 мм -1. ПЧХ обеих систем показаны на рис.6.10,а. Обратным преобразованием Фурье от ф ункций K 1 (f) и K 2 (f) вычисляем ФРЛ:

F л 1 (x)=N 1 exp[-(N 1 x) 2 ]=100exp[-(100x) 2 ], F л 2 (x )= (2/N 2 )/[(/N 2 ) 2 +(2x) 2 ]=(2/123)/[(/123) 2 +(2x) 2 ].

Графики ф ункции рассеяния линии F л 1 (x) и F л 2 (x) изображены на рис.6.10,б, причем при построении кривых принято F л 1 (0)=F л2 (0)=1.

Рис.6.10. ПЧХ (а), ФРЛ (б) и ФРК (в) систем записи изображений По формуле (3.24) находим ФРК системы 1:

х F к 1 (x)=N 1 exp[-(N 1 x 1 ) 2 ]dx 1 = о х =N 1 exp[-(N 1 x 1 ) ]dx 1 +N 1 exp[-(N 1 x 1 ) 2 ]dx 1 = - о х =1/2+N 1 exp[-(N 1 x 1 ) 2 ]dx 1.

о Произведя подстановку x 1 =t/[(2) 1 / 2 N 1 ], получим а х F к 1 (x)=1/2+[1/(2) 1 / 2 ]exp(-t 2 /2)dt, о где а=(2) 1 / 2 N 1 =(2) 1 / 2 100. Пользуясь таблицей интеграла вероятности x Ф(х)=[2/(2) 1 / 2 ] exp(-t 2 /2)dt, строим крив ую F к 1 (x) (рис.6.10,в).

o Для второй системы имеем х х F к 2 (x)=(2/N 2 )[(/N 2 ) 2 +(2x) 2 ] - 1 dx=[1/(2N 2 )]{[1/(2N 2 )] 2 +x 2 } dx= - =1/2+(1/)arct g(2xN 2 ).

На рис.6.10,в показана кривая F к 2 (x ) для N 2 =123 мм -1.

В рассмотренных в примере 6.5 системах отличаются друг от друга не только графики ПЧХ, но и графики ФРЛ и ФРК. Причем ФРК характеризует резкость изображения, т.е. характер перехода от светлого к темному участку изображения достаточно протяженного объекта. Из рис.6.10,в следует, что система 1 обеспечивает лучшую резкость изображения, чем система 2. ФРЛ характеризует детальность изображения, т.е. передачу мелких деталей в изображении объекта. Из рассмотрения рис.6.10,б можно предположить, что система 2 обеспечивает лучшую передачу мелких деталей в изображении объекта, чем система 1. Подтверждением этому служат графики, показанные на рис.6.11 штриховыми линиями, которые построены суммированием двух одинаковых ФРЛ, образованных рассматриваемыми системами и расположенных на одинаковых расстояниях 0,008 мм друг от друга. Из рис.6.11 следует, что изображения линий, образованных системой 1, практически сливаются и не могут быть различимы. В то же время в системе кривые ФРЛ, расположенные на том же расстоянии, различаются достаточно уверенно. Следовательно, система 2 обеспечивает большую детальность изображения, чем система 1.

Рис.6.11. ФРЛ систем записи изображений Таким образом, при изменении значений N и n систем, имеющих одинаковую информационную плотность записи, происходит обмен параметров, определяющих субъективные показатели качества изображения, т.е. резкость и детальность. Четкость же изображения является комплексным показателем качества, который остается неизменным и определяется только информационной плотностью записи. Опыт показывает, что изображения, полученные в системах с большим показателем степени n аппроксимирующей функции, воспринимаются как более “жесткие”, без чувства неудовлетворенности зрителя, а с меньшим показателем степени как более “мягкие”. Однако если обе системы имеют одинаковую информационную плотность записи, то, при прочих равных условиях, качество изображения оценивается как одинаково четкое.

Промышленностью наряду с нормальными объективами для фотоаппаратов выпускаются жестко- и мягкорисующие объективы.

Они используются фотографами для достижения различных художественных эффектов в зависимости от решаемых задач.

Третий параметр системы m, как было показано выше, определяет количество градаций яркости в воспроизводимом изображении. При малых значениях m снижается контраст изображения и возможна потеря малых деталей яркости. Этот параметр также оказывает влияние на четкость воспроизводимого изображения и на количество информации, содержащейся в нем.

В дальнейшем изложении материала будем оценивать качество изображения по комплексному показателю качества изображения четкости, зависящему только от информационной плотности записи.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 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.