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 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 16 |

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

-- [ Страница 8 ] --

В изображении потеряна информация о третьем измерении объекта. Потеря этой информации отчасти восполняется зрительной памятью наблюдателя благодаря главным образом передаче перспективы. Для того, чтобы перспектива была передана правильно, изображение должно рассматриваться под углом, равным углу поля зрения объектива, который строил первичное изображение. В данном случае считается, что выполнено условие естественного впечатления, а угловое увеличение воспринимаемого изображения будет равно единице. Если угол, под которым рассматривается изображение, будет больше угла поля зрения объектива, то глубина изображаемой сцены будет воспринята наблюдателем уменьшенной, в противном случае - увеличенной. Поскольку, как было показано выше, угол, под которым рассматривается изображение, также связан с полем ясного видения, которое постоянно, то промышленностью выпускаются нормальные, длиннофокусные и широкоугольные объективы для каждого формата изображений. Считается, что нормальный объектив обеспечивает условие естественного впечатления. Широкоугольный объектив позволяет несколько подчеркнуть перспективу и сделать изображение более “объемным”.

Длиннофокусные объективы используются для съемок удаленных объектов, а также часто применяются для съемок крупных планов.

Если в дальнейшем не будет особых оговорок, то будем считать, что первичное изображение образует нормальный объектив.

Черно-белое неподвижное изображение описывает функция двух переменных F(x,y). Однако основные параметры черно-белого изображения (размер изображения, передача перспективы, четкость, резкость, детальность, контраст и др.) справедливы и по отношению к цветному, стереоскопическому, движущемуся изображениям.

Поэтому в данном разделе, наряду с системами, образующими черно белые неподвижные изображения, будем рассматривать особенности их восприятия и в цветной фотографии, и в кинотехнике, и в видеотехнике. Согласно классификации, приведенной на рис.1.4, возможны пять классов систем записи двумерного изображения. Они и будут предметом рассмотрения в данном разделе.

6.2. ФОТОГРАФИЯ И ЭЛЕКТРОФОТОГРАФИЯ Фотография получила широчайшее распространение в изобразительном искусстве, в науке, в промышленности и в быту.

Ведущие ученые (С.И.Вавилов) сравнивают значение фотографии для человечества с книгопечатанием. В отличие от последнего фотография позволяет документировать зрительные образы и сохранять их длительное время. На базе фотографии создан кинематограф. В настоящее время получили широкое развитие системы бессеребряной фотографии, главным образом электрофотография, упрощающая технологический процесс получения факсимильных копий с документов, в том числе находящихся на большом расстоянии от получателя.

Первичная запись изображения осуществляется в фотоаппарате.

Конечным продуктом является отпечаток на фотобумаге или диапозитив (слайд) на прозрачной подложке, предназначенный для проекции изображения диапроектором на экран. Фотоаппараты подразделяют на крупноформатные (размер кадра 912;

1318;

1824;

2430 см), среднеформатные (4,56;

66;

69 см) и малоформатные (2436;

1824 мм). Тиражирование с негативов фотоотпечатков производят как контактной, так и оптической (проекционной) печатью на фотобумагу.

Наиболее распространенными размерами фотоотпечатков являются 912 и 1015 см. Расположение изображений на фотоотпечатках в зависимости от сюжета снимка может быть горизонтальным и (реже) вертикальным. Когда фотоотпечаток с горизонтальным расположением изображения находится на расстоянии наилучшего видения (250 мм) от наблюдателя, то он не выходит за пределы зоны ясного видения.

В системе ЗТВ устройством записи является фотоаппарат, к которому отнесем объектив (ОФ) фотоаппарата (рис.6.12,а), механизм фотоаппарата (ФА), негативную фотопленку (НП). Каждое из этих звеньев имеет вполне определенную ПЧХ: K о ф (f), K ф а (f) и K н п (f). Причем пространственная частота f приведена к поверхности фотопленки. Итоговая ПЧХ устройства записи равна K з (f)=K о ф (f)K ф а (f)K нп (f). (6.9) а)ОФФАНПКПФБФОЗА б)ОФФАНПФУОУФБФОЗА в)ОФФАОПДПОД ЭЗА Тиражирование Воспроизведение Запись Рис.6.12. Эквивалентные схемы записи, тиражирования и воспроизведения изображений при использовании кр уп ноформатных (а) и малоформатных (б,в) фотоаппаратов Тиражирование фотоотпечатков с негативов, полученных в крупноформатных фотоаппаратах (рис.6.12,а), производится, как правило, контактной печатью. Устройство тиражирования в данном случае содержит два звена: копировальный аппарат контактной печати (КП) и фотобумагу (ФБ) с ПЧХ K к п (f) и K ф б (f). Итоговую ПЧХ устройства тиражирования определяет произведение K т (f)=K к п (f)K фб (f). (6.10) Дополнительных устройств для воспроизведения в данном случае не требуется, поскольку непосредственно сам фотоотпечаток (ФО) рассматривается наблюдателем (ЗА). Вследствие этого ПЧХ устройства воспроизведения K в (f)=1, а итоговая ПЧХ системы ЗТВ равна K(f)=K з (f)K т (f). (6.11) В устройстве записи малоформатных фотоаппаратов (рис.6.12,б) имеются также три звена: ОФ, ФА, НП и его ПЧХ определяет выражение (6.9). Однако тиражирование фотоотпечатков в данном случае производится оптической печатью с увеличением т.

Устройство тиражирования содержит фотоувеличитель (ФУ), объектив фотоувеличителя (ОУ) и фотобумагу (ФБ). ПЧХ устройства тиражирования определяет произведение K т (f б )=K ф у (f б )K о у (f б )K ф б (f б ), где f б - пространственные частоты, принадлежащие поверхности фотобумаги. Как и в первом случае, при воспроизведении изображения, полученного в малоформатном фотоаппарате, устройство воспроизведения отсутствует. Для нахождения итоговой ПЧХ в данной системе необходимо привести пространственные частоты всех звеньев к плоскости фотоотпечатка либо к плоскости малоформатного негатива. Примем первый путь. Тогда f б =f/ т и K(f б )=K з (f б )K т (f б ). (6.12) Рассмотрим теперь процесс записи и воспроизведения диапозитивов - слайдов (рис.6.12,в). Устройство записи отличается от рассмотренных выше использованием обращаемой фотопленки (ОП), в результате фотографической обработки которой сразу получают позитивное изображение. Вследствие этого устройство тиражирования в системе отсутствует, а ПЧХ устройства записи равна K з (f)=K о ф (f)K ф а (f)K о п (f). (6.13) Устройство воспроизведения содержит диапроектор (ДП), объектив диапроектора (ОД) и экран (Э). Его ПЧХ опишет произведение K в (f э )=K д п (f э )K о д (f э )K э (f э ), (6.14) где f э - пространственные частоты в плоскости экрана. Положим, что увеличение при диапроекции составляет в. Приведя пространственные частоты f от поверхности диапозитива к поверхности экрана, будем иметь f э =f/ в. Итоговая ПЧХ равна K(f э )=K з (f э )K в (f э ). (6.15) В тех случаях, когда необходимо получить несколько или множество диапозитивов, то в процессе записи используют негативную фотопленку и в устройстве тиражирования осуществляют контактную или оптическую печать на позитивном фотоматериале.

В рассмотренных системах ПЧХ объективов фотоаппаратов (ОФ), увеличителей (ОУ), диапроекторов (ОД) находятся по методике, изложенной в разд.3. В этом же разделе приведена методика нахождения ПЧХ фотоматериалов (НП, ПП, ОП, ФБ).

ПЧХ механизмов фотоаппаратов (ФА) зависит от конструкции элементов фотоаппарата, обеспечивающих точность расположения фотопленки относительно фотографического объектива, ее неподвижность во время экспонирования, точность наводки объектива на резкость и т.п.

ПЧХ копировального аппарата контактной печати (КП) зависит от устройств, обеспечивающих надежный контакт между негативом и фотобумагой, а также предотвращающих возможный сдвиг негатива относительно фотобумаги во время печати.

В фотоувеличителях (ФУ) ПЧХ зависит от устройств, удерживающих негатив и фотобумагу в определенных плоскостях относительно объектива фотоувеличителя, а также обеспечивающих точную наводку объектива на резкость.

ПЧХ диапроектора (ДП) определяется устройствами, обеспечивающими строго определенное положение диапозитива относительно проекционного объектива, а также устройствами наводки объектива на резкость. Экраны (Э) в некоторых случаях оказывают существенное влияние на ПЧХ системы, если имеют грубую структуру или загрязнения.

Обозначим наименьшую сторону прямоугольника, ограничивающего изображение, h к, а наибольшую - b к. Отношение этих значений назовем форматом кадра k:

k=b к /h к. (6.16) Различные фотоаппараты обеспечивают формат кадра от k= (66 см) до k=1,5 (2436 мм), однако наиболее распространен формат близкий к k=1,33 (912;

1824;

4,56 см;

1824 мм).

Опытные фотографы, как указывалось, часто изменяют формат кадра, удаляя (отрезая) участки изображения, не несущие сюжетно важной информации о снимаемом объекте. Вследствие сказанного можно считать, что универсального формата кадра в фотографии не существует.

Условия рассматривания фотоотпечатков и изображений на экране, образованных в результате проекции диапозитива, существенно различаются между собой. Фотоотпечатки рассматриваются, как правило, индивидуально, и время их рассматривания практически неограничено. Во время рассматривания наблюдатель может произвольно изменять расстояние до фотоотпечатка и в случае, когда его заинтересует какая-либо мелкая деталь в изображении, он приближает к себе фотоотпечаток. Рассматривание же изображения на экране происходит, как правило, в аудитории зрителей, часто в сопровождении пояснений демонстратора. При этом зритель рассматривает изображение со своего фиксированного места, а время проекции каждого кадра ограничивается демонстратором.

Следовательно, трудно сформулировать общие требования к любой фотографической системе, которая воспроизводит изображения, рассматриваемые в различных условиях.

Для сопоставления трех рассмотренных фотографических систем (см.рис.6.12) примем некоторые общие условия записи, тиражирования и воспроизведения изображений. Будем считать, что формат кадра во всех трех случаях равен k=1,33=4/3. Размер изображения, воспроизводимого на фотоотпечатках, составляет 90120 мм. Изображения во всех трех случаях расположены горизонтально и находятся в пределах поля ясного зрения.

Линейное увеличение от сетчатки глаза к изображению равно з а =h к /h к, (6.17) где h к - высота изображения кадра на поверхности сетчатки глаза.

Если принять, что угол, под которым наблюдатель видит изображение, равен 20 о, то при фокусном расстоянии глаза f з а равном 16 мм высота изображения кадра на поверхности сетчатки будет равна h к =2f з а tg10 о =216tg10 о =5,6 мм.

Отсюда имеем з а =5,6/h к. (6.18) Пример 6.6. ПЧХ устройства записи определяет равенство K з (f)=exp[-3,7(f/100) 1, 4 5 ], а тиражирования - K т (f)=exp[-3,7(f/120) 1, 4 5 ]. Найти коэффициент информативности, если размер негатива 90120 мм, а для записи и воспроизведения использована схема, показанная на рис.6,12,а.

ПЧХ системы ЗТВ равна K(f)=exp[-3,7(f/100) 1, 4 5 ]exp[-3,7(f/120 1, 4 5 )]= =exp[-3,7f 1, 4 5 (1/100 1, 4 5 +1/120 1, 4 5 )]=exp[-3,7(f/67) 1, 4 5 ].

Линейное увели чение от сетчатки глаза к изображению согласно формуле (6.18) з а =5,6/90=0,06.

Разрешающая способность системы на поверхности сетчатки равна N с =N/ з а =67/0,06=1117 мм -1, а ПЧХ системы на поверхности сетчатки K(f с )=exp[-3,7(f с /1117) 1, 4 5 ].

ПЧХ сквозного процесса находим из произведения 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/1117) 1, 4 5 ]= =exp[-3,7f c 1, 4 5 (1,49/150 1, 4 5 +1/1117 1, 4 5 )]=exp[-3,7(f c /121) 1, 4 5 ].

Информационная плотность сигнала H p =4121 2 3,7[1-2/(2+1,45)]=95342 нат.ед./мм 2.

Следовательно, коэффициент информативности и =H р /H р з а =95342/200000=0,48.

Пример 6.7. ПЧХ устройства записи определяет выражение 1, K з (f)=exp[-3,7(f/100) ], а ПЧХ устройства тиражирования K т (f)=exp[-3,7(f/160) 1, 4 5 ]. Найти коэффициент информативности, если для записи и воспроизведения использована схема, изображенная на рис.6.12,б, размер негатива 2432 мм, а фотоотпечатка - 90120 мм.

ПЧХ системы ЗТВ, приведенная к поверхности негатива K(f)=exp[-3,7(f/100 1, 4 5 )exp[-3,7(f/160) 1, 4 5 ]=exp[-3,7(f/75) 1, 4 5 ].

Приведем пространственные частоты к поверхности отпечатка. Линейное увеличение в устройстве тиражирования от фотоотпечатка к негативу равно:

т =90/24=3,75, поэтому разрешающая способность системы ЗТВ, приведенная к поверхности фотоотпечатка, составит N б =N/ т =75/3,75=20 мм - 1.

ПЧХ системы ЗТВ, приведенная к поверхности фотоотпечатка, K(f б )=exp[-3,7(f б /20) 1, 4 5 ].

Линейное увеличение от сетчатки глаза к фотоотпечатку з а =5,6/90=0,062.

Следовательно, N с =20/0,062=323мм - 1 и K(f c )=exp[-3,7(f c /323) 1, 4 5 ]..

Итоговая ПЧХ на поверхности сетчатки глаза K с к в (f с )=K з а (f с )K(f с )=exp[-5,5(f c /150) 1, 4 5 ]exp[-3,7(f c /323) 1, 4 5 ]= =exp[-3,7(f c /100) 1, 4 5 ].

Аналогично примеру 6.6 находим информационную плотность H p = нат.ед./мм 2 и коэффициент информативности и =0,33.

Пример 6.8. ПЧХ устройства записи описывает выражение 1, ], а воспроизведения - K в (f)=exp[-3,7(f/160) 1, 4 5 ]. Найти K з (f)=exp[-3,7(f/100) коэффициент информативности, если запись и воспроизведение изображения осуществляются согласно схеме на рис.6.12,в, размер диапозитива составляет 2432 мм, а экрана - 600800 мм.

Аналогично пример у 6.7 находим, что ПЧХ системы ЗТВ равна K(f)=exp[-3,7(f/75) 1, 4 5 ].

Приведем пространственные частоты к поверхности экрана. Линейное увеличение от экрана к диапозитив у равно в =600/24=25.

ПЧХ устройства ЗТВ, приведенная к поверхности экрана, K(f э )=exp[-3,7(f э /3) 1, 4 5 ].

Линейное увеличение от сетчатки глаза к экрану з а =5,6/600=0,009.

ПЧХ системы ЗТВ, приведенная к поверхности сетчатки, K(f с )=exp[-3,7(f с /323) 1, 4 5 ], т.е. такая же, как и в примере 6.7. Выполнив операции, изложенные в предыдущем примере, получаем аналогичный результат: и =0,33.

В приведенных примерах намеренно использованы аналогичные параметры устройств записи изображения. Изменены только размеры негатива. Из этих примеров следует, что, увеличивая размер негатива, при прочих равных условиях, возможно значительно повысить четкость изображения. Следовательно, четкость получаемого изображения зависит не только от качества оптических систем, фотоматериалов и аппаратуры, но и от размеров негатива. И это понятно, поскольку информационная емкость системы пропорциональна площади негатива.

С другой стороны, обращает на себя внимание то, что даже в крупноформатных аппаратах получены изображения с коэффициентом информативности, не превышающим 0,5. Последнее объясняется ограниченным значением параметра m, который в современных фотографических системах обусловлен фотографическими материалами. В фотопленках максимальный коэффициент пропускания составляет ma x =0,6, а минимальный mi n =0,006. Следовательно, контраст изображения на диапозитивах не превышает 100, а у фотоотпечатков он еще меньше (напомним, что у ЗА L ma x /L m i n =160). Этот контраст дополнительно снижается вследствие наличия рассеянного света в фотоаппаратах, а также при диапроекции слайдов на экран. Кроме того, значение m снижает шум, вызванный зернистой структурой фотографического изображения. При рассматривании фотографических изображений пороговый контраст достигает 0,1...0,15 (у ЗА =0,02). В результате количество градаций яркости, воспринимаемых при рассматривании фотографического изображения лежит в пределах от 20 до 50. При этом значение m лежит в пределах 3,0...3,9 (у ЗА m=5,5).

Если в фотографической системе m=3,7, то при любом, сколь угодно большом размере негатива коэффициент информативности не может превышать и =3,7/5,5=0,67. С другой стороны, созданием фотографического материала со значением параметра m равным 5, возможно поднять коэффициент информативности в системе, рассмотренной в примере 6.6 до 0,95, а в примерах 6.7 и 6.8 - до 0,75. Однако такое значительное увеличение параметра m во многих случаях не требуется, поскольку контраст сюжетно важных деталей объекта обычно невелик. Последнее аналогично воспроизведению речи, при котором, как было показано в разделе 5, не требуется использования всего динамического диапазона, воспринимаемого слуховым анализатором (120 дБ).

Сравнительно небольшая относительная разница (20%) в значениях коэффициента информативности в крупно- и малоформатных фотоаппаратах объясняет причину широкого использования средне- и малоформатных фотоаппаратов, которые при незначительном ухудшении качества получаемого изображения более экономичны и удобны в практической работе. В то же время для получения особо высокой четкости изображения, например при съемке групповых портретов, общих видов улиц, площадей городов и т.п., используют крупноформатные аппараты, хотя они громоздки и менее удобны в эксплуатации, чем малоформатные фотоаппараты.

В примерах 6.7 и 6.8 приняты одинаковые ПЧХ устройств записи, а также устройств тиражирования (в примере 6.7) и устройств воспроизведения (в примере 6.8), приведенные к одной плоскости.

Вследствие этого и получены одинаковые результаты по оценке четкости воспроизводимых системами изображений. Из этих примеров следует, что коэффициент информативности, а следовательно, и четкость воспроизводимого изображения не зависят от конечных размеров изображения. Если в примере 6.7 увеличить размеры фотоотпечатка, например до 1824 см, то при расположении его в пределах поля ясного зрения коэффициент информативности практически не изменится. Аналогично и в примере 6.8 при увеличении (или уменьшении) размера экрана коэффициент информативности не изменится, если изображение будет находиться в пределах поля ясного зрения наблюдателя. Таким образом, и в данном случае конечное изображение определяется в основном исходным, полученным на негативной или обращаемой фотопленке.

Почти все фотоаппараты снабжены затворами, служащими для ограничения времени экспонирования (выдержки) фотоматериала.

Затворы обычных фотоаппаратов обеспечивают выдержки до 1/ с. В высокоскоростной фотографии для исследования быстропротекающих процессов применяют фотоаппараты, -8 - обеспечивающие выдержки до 10 -10 с.

Затвор ограничивает сдвиг оптического изображения движущихся объектов, который вызывает смаз изображения на фотопленке и обусловленное им снижение четкости. Действие затвора оценивается его характеристикой, т.е. зависимостью изменения освещенности в изображении элементарной площадки объекта постоянной яркости в течение времени экспонирования фотопленки. Оценим влияние затвора на получаемое изображение при фотографировании движущихся объектов.

Положим, что характеристика затвора по своей форме близка к трапеции (рис.6.13,а), причем t э - полное время экспонирования фотопленки, t о - время, в течение которого затвор полностью открыт.

Выдержкой t в называют время экспонирования, определяющее экспозицию фотопленки. Она равна времени экспонирования при использовании идеального затвора с прямоугольной характеристикой (показана штриховой линией), обеспечивающего такую же экспозицию, как и оцениваемый затвор. Для характеристики затвора трапецеидальной формы выдержка, очевидно, равна t в =(t э +t о )/2.

Рис.6.13. Характеристика затвора (а) и сдвига (б) Если изображение светящейся точки перемещается во время экспонирования вдоль оси х по поверхности фотопленки со скоростью V x, то на фотопленке будет экспонирована полоска длиной x э =t э V x. Причем экспозиция Н вдоль полоски будет изменяться подобно форме характеристики затвора, т.е. вначале будет возрастать до своего максимального значения, а в конце экспонирования, наоборот, снижаться до нуля. Допустив, что фотографический процесс достаточно линеен, можно считать, что изменение коэффициента пропускания вдоль оси х на диапозитиве будет иметь форму, подобную форме характеристики затвора (рис.6.13,б). Изображенную на рис.6.13,б кривую назовем характеристикой сдвига. Она является импульсной реакцией сдвига, поэтому преобразование Фурье от характеристики сдвига даст ПЧХ сдвига. Если характеристика сдвига имеет трапецеидальную форму, то ПЧХ сдвига определит формула (см.пример 2.10) K с д в (f х )=sinc[f х (x э -x о )/2]sinc[f х (x э +x о )/2], где x э =V х t э ;

x о =V х t о.

Если характеристика сдвига имеет прямоугольную форму, то х э =х о =х в и ПЧХ сдвига K с дв (f х )=sincf x x в.

Итоговая ПЧХ K v (f x,f y ) системы при записи изображения движущегося объекта равна произведению ПЧХ K(f x,f y ) фотографической системы на ПЧХ сдвига:

K v (f x,f y )=K(f x,f y )K с д в (f x ). (6.19) Спектр S в ы х (f х,f у ) записанного изображения определяется произведением спектра S в х (f х,f у ) входного изображения на итоговую ПЧХ:

S в ых (f х,f у )=S в х (f х,f у )K v (f x,f у ).

Обратное преобразование Фурье от S в ы х (f х,f у ) дает функцию, описывающую изображение движущегося объекта. Аналогичную задачу можно решить также одномерной сверткой функции, описывающей изображение неподвижного объекта с характеристикой сдвига.

В последние десятилетия широкое распространение получила электрофотография (ксерография). Это оперативная технология получения факсимильных копий документов, чертежей, а также простых тоновых изображений. Принцип действия электрофотографии рассмотрим на примере канцелярского множительного аппарата (ксерокса).

Объект (оригинал) 1 (рис.6.14) укладывается лицевой стороной вниз на стеклянную пластину 2 и освещается линейными источниками света 3. Отраженный от оригинала свет направляется зеркалами 4, 5 и 6 к объективу 7. Свет от последнего направляется зеркалом 8 к щелевой диафрагме 10 и к расположенному за ней электрофотографическому цилиндру 9. На поверхности цилиндра объектив 7 образует изображение оригинала 1. Во время записи источники света 3 совместно с зеркалом 4 перемещаются в направлении стрелки А, что приводит к перемещению изображения оригинала по поверхности цилиндра 9. Для сохранения резкого изображения оригинала одновременно с перемещением источников света 3 и зеркала 4 происходит перемещение зеркал 5 и 6 в направлении стрелки Б, но на величину в два раза меньшую. В результате при непрерывном движении осветителя и зеркала расстояние от оригинала 1 до объектива 7 вдоль оптической оси остается постоянным.

Одновременно с перемещением изображения по поверхности цилиндра 9 осуществляется вращение цилиндра в направлении стрелки В. Скорости движения цилиндра и образованного на его поверхности за щелевой диафрагмой 10 изображения одинаковы, в результате чего оптическое изображение во время записи оказывается неподвижным относительно цилиндра 9.

Электрофотографический цилиндр 9 изготовлен из алюминия. На его поверхность нанесен тонкий слой фотополупроводника (селен или Рис.6.14. Схема копировального аппарата (ксерокса) его соединения). Перед записью фотополупроводник заряжается в электрическом поле, создаваемом коротроном 12. При образовании на поверхности фотополупроводника за щелевой диафрагмой изображения оригинала происходит процесс экспонирования. Он приводит к тому, что на светлых участках изображения электрическое сопротивление фотополупроводника уменьшается и заряд уходит в алюминиевый цилиндр, который заземлен. В результате на поверхности электрофотографического цилиндра образуется потенциальный рельеф, т.е. скрытое изображение оригинала. Проявление осуществляется окрашенным в черный цвет порошком - тонером, расположенным в бункере 11. Порошок имеет заряд противоположной полярности по отношению к заряду цилиндра, поэтому частицы порошка притягиваются к неэкспонированным участкам цилиндра электростатическими силами и удерживаются на его поверхности. В результате на последней образуется видимое зеркальное изображение оригинала.

Печать осуществляется на обычной бумаге 14, которая прижимается роликом 16 к поверхности цилиндра 9. Перед печатью бумага заряжается коротроном 15 зарядом того же знака, что и заряд слоя, но до более высокого потенциала. В результате тонер переходит с цилиндра 9 на бумагу 14. В дальнейшем тонер, в состав которого вводится легкоплавкая примесь, закрепляется на бумаге при легком нагреве в устройстве 17. Для получения копии с нового документа после записи предыдущего изображения осуществляют очистку поверхности цилиндра от тонера вращающейся щеткой 13.

Копии в большинстве случаев имеют стандартный размер А4.

Разрешающая способность существующих ксероксов зависит в основном от размеров зерен тонера и составляет от 6 до 20 мм - 1.

Электрофотография получила применение не только в копировальной аппаратуре, но и в фототелеграфии, в принтерах и других системах записи изображений.

Пространственные преобразования изображения в фотографии принципиально не отличаются от аналогичных преобразований изображения в кинематографе. Однако требования к изображению в кинематографе несколько отличаются от требований к фотографическому изображению, как это будет показано ниже.

3 ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КИНЕМАТОГРАФЕ В черно-белом кинематографе записывается и воспроизводится движущееся изображение, описываемое функцией F(x,y,t). Однако при анализе систем удобно отделить чисто пространственные преобразования вдоль координат х и у от временных и пространственно- временных преобразований изображения.

Рассматривание изображения в кинематографе существенно отличается от рассматривания фотоотпечатков, а также слайдов при проекции их на экран. Это отличие заключается, во-первых, в том, что соотношение сторон изображения (формат кадра) в кинематографе стандартизовано и кинооператор не может в соответствии с содержанием кадра изменять его формат. Во-вторых, в кинематографе зритель находится в специализированном помещении - кинотеатре, на фиксированном месте, расположенном на определенном расстоянии от киноэкрана. В-третьих, время рассматривания каждого кадра ограничено временем его проекции на экран, которое не зависит ни от зрителя, ни от демонстратора.

Основным форматом киноленты является 35-мм лента с двусторонней перфорацией и шагом кадра, равным четырем шагам перфораций. Условимся этот формат киноленты обозначать 4.35 ( перфорации на кадр, ширина ленты 35 мм). Основу данного формата заложили Т.Эдисон и его помощник Диксон в 1889 году. Размеры кадра составляли h к =18 мм, b к =24 мм, формат кадра k=24/18=1,33. С переходом к звуковому кинематографу, для размещения фотографической фонограммы, размер кадра был уменьшен до h к = мм, b к =22 мм. Формат кадра стал равен k=1,37. Такое же соотношение имеют высота H Э и ширина В Э киноэкрана. Указанные форматы кадра примерно соответствуют наиболее распространенным и в фотографии.

Форматы киноленты и кинокадра, близкие к предложенным Т.Эдисоном, получили исключительно широкое распространение в кинематографе. Их часто называют классическими. Систему с данными форматами киноленты и кинокадра назовем системой обычного кинематографа. В последующем были предложены и получили практическое применение и другие кинематографические системы, однако вначале рассмотрим обычную кинематографическую систему. Не сохранилось данных об обосновании выбранного Т.Эдисоном формата кадра. Можно только лишь предположить, что он стремился заполнить видимым изображением поле ясного зрения человека.

В обычном кинематографе (k=1,37) зрительские места в кинотеатре располагались на расстояниях от 1,5В Э до 5В Э от экрана.

Причем лучшие места (места первого разряда) располагались на расстояниях от 2В Э до 3,5В Э от экрана. Такие места были выбраны зрителями стихийно, в результате многолетнего “эксперимента” и отвечают наиболее комфортному восприятию кинофильма. Угловые размеры экрана для этих зрительских мест составляют о о o о соответственно 28 21 30 и 16 11 30. На рис.6.15 показана зона ясного видения и угловые размеры экрана, наблюдаемого зрителем с расстояний 2В Э и 3,5В Э.

Рис.6.15. Поле ясного зрения и угловые размеры киноэкрана Из рассмотрения рис.6.15 следует, что для дальних рядов лучших зрительских мест (3,5В Э ) экран полностью расположен в пределах “комфортной” зоны. Однако по мере удаления зрительских мест в “комфортную” зону входит обрамление экрана и темное помещение зала, не несущее информации об изображении. Очевидно, это не устраивает кинозрителя, поэтому он неохотно занимает последние ряды кинотеатра (места второго разряда).

Для ближних рядов лучших зрительских мест (2В Э ) экран по вертикали находится в пределах “комфортной” зоны, а по горизонтали - между границами поля ясного видения и “комфортной” зоны. При приближении зрительских мест к экрану он начинает выходить из “комфортной” зоны. Очевидно, это еще более не устраивает зрителей, поскольку они очень неохотно заполняют первые ряды кинотеатра (места третьего разряда).

Сказанное подтверждает предположение, высказанное в разделе 6.1 о том, что наибольшую информацию зритель получает тогда, когда наблюдаемое изображение близко к “комфортной” зоне зрительного анализатора. В этом случае зритель очень быстро находит сюжетно важные детали изображения, что имеет большое значение именно в кинематографе, где время предъявления изображения зрителю ограничено.

Ранее отмечалось (см.разд.1), что в кинематографе широко используется монтаж, позволяющий как бы осуществить “сжатие” информации путем перехода от одного плана к другому с целью представить зрителю только ту часть сцены, которая несет в себе основную мысль или идею постановщиков фильма. В результате современные кинофильмы содержат множество планов - кадров, длительность проекции которых на киноэкран составляет всего лишь от нескольких секунд до нескольких минут. Поэтому требуется особое искусство кинооператора построить каждый кадр таким образом, чтобы зритель за время его проекции на экран успел найти сюжетно важную деталь и понять мысли и идеи постановщиков фильма. Следовательно, в кинематографе еще более важно, чем в фотографии, обеспечить условия рассматривания изображения таким образом, чтобы за возможно короткий промежуток времени зритель воспринял содержание изображения на экране. Очевидно, что в обычном кинематографе данная задача вполне успешно решается.

Формат кадра, близкий к принятому в обычном 35-мм кинематографе, используется также в 16- (1.16) и 8-мм (1.8) кинематографе, а также в новых 70-мм кинематографических системах Динавижен (8.70) и Аймекс (15.70). Такой же формат кадра принят в современных телевизионной и видеосистемах. В дальнейшем будем считать, что лучшие зрительские места в обычном кинематографе расположены на расстоянии 3В Э или, с учетом того, что k4/3, - на расстоянии 4Н Э от экрана. Считается, что на таком же расстоянии лучше всего воспринимается зрителем и телевизионное изображение на экране кинескопа.

Казалось бы, принятый формат кадра вполне устраивает как работников киноискусства, так и кинозрителей. Однако в 1950-х годах возник широкоэкранный, а затем и широкоформатный кинематограф. Многие исследователи объясняют увеличение ширины экрана появлением телевидения и стремлением кинопредпринимателей за рубежом (оба вида кинематографа появились впервые за рубежом) привлечь зрителей в кинотеатры изображением, которого не могли воспроизвести в то время на телевизионных экранах. Другие обоснования появления новых систем кинематографа основывались на увеличении “зрелищности”, “эффекта присутствия” и т.п.

Широкоэкранный кинематограф базируется на использовании существующего стандарта на 35-мм формат кинолент (4.35).

Широкоформатный кинематограф основан на создании нового формата кинолент (5.70) на 70-мм киноленте с пятиперфорационным кадром.

На рис.6.16 показаны соотношения размеров киноэкрана в различных системах кинематографа в соответствии с принятыми в настоящее время в нашей стране нормами. На рисунке обозначено: - широкоформатный кинематограф k=2,2 (5.70);

2 - широкоэкранный кинематограф с анаморфированным изображением, отношение ширины экрана к его высоте 2,35 (4.35);

3 - широкоэкранный кинематограф с кашетированным кадром k=1,85 (4.35);

4 широкоэкранный кинематограф с кашетированным кадром k=1, (4.35);

5 - обычный кинематограф k=1,33-1,37 (4.35, 1.16, 1.8), телевидение и видео, системы Аймекс (15.70), Динавижен (8.70).

Рис.6.16. Размеры изображения на экране кинотеатра и поле ясного видения зрительного анализатора при расположении зрителя на расстоянии 4Н Э от экрана Поскольку выпускаются фильмы по различным системам кинематографа, то кинотеатры вынуждены иметь возможность демонстрации их на один и тот же экран. Принято, что высота изображения при проекции обычных и широкоэкранных фильмов одинакова, а отличается только его ширина. Для этого кинопроектор снабжается набором проекционной оптики. Проекция широкоэкранных фильмов с кашетированием кадра осуществляется более короткофокусными объективами, чем при проекции обычных фильмов, создающими большее увеличение изображения на киноэкране. При проекции широкоэкранных фильмов с анаморфированным кадром в дополнение к обычному объективу применяют анаморфотную насадку, обеспечивающую линейное увеличение системы по горизонтали вдвое большее, чем по вертикали. В широкоформатном кинематографе пропорционально увеличению размера кадра на фильмокопии увеличен и размер киноэкрана. Поскольку высота кадра на широкоформатной фильмокопии в 1,43 раза превышает высоту кадра на обычной фильмокопии, то и высота экрана при проекции широкоформатных фильмов увеличена во столько же раз.

Система Аймекс (15.70) с горизонтальным расположением кадра на 70-мм кинопленке, хотя и имеет формат кадра, близкий к обычному, но предназначена в основном для расположения зрителей вблизи экрана, когда экран выходит за пределы поля ясного зрения наблюдателя. Эта система является скорее киноаттракционом, чем художественным кинематографом. Однако она вполне пригодна и для обычного кинопоказа, поэтому будем ее рассматривать в дальнейшем как систему обычного кинематографа.

Из рассмотрения рис.6.16 следует, что при расположении зрителя на расстоянии 4Н Э от киноэкрана только экран обычного кинематографа находится в пределах “комфортной зоны”. Экраны всех систем широкоэкранного кинематографа выходят за пределы этой зоны, но находятся в пределах поля ясного видения двух глаз зрителя. Экран же широкоформатного кинематографа выходит и за пределы поля ясного видения обоих глаз зрителя. Последнее вынуждает зрителя “панорамировать” зрением поверхность экрана, т.е. “крутить головой” в поисках сюжетно важной детали изображения. От кинооператора требуется особое мастерство, чтобы облегчить этот поиск. По мере приближения зрителя к экрану поиск сюжетно важной детали изображения все более затрудняется, а возможность “заражения чувствами художника зрителя” усложняется. Однако существуют сюжеты, где постановщики фильма намеренно предоставляют зрителю свободу поиска наиболее интересующих его деталей (видовые планы, батальные сцены и т.п.).

В таких случаях панорамирование киносъемочным аппаратом заменяется неуправляемым “панорамированием” взором зрителя по экрану. Это, конечно, затрудняет “управление” зрителем, но создает “эффект присутствия”. Из сказанного можно сделать вывод о том, что широкоэкранный и широкоформатный кинематографы вполне могут заменить обычный кинематограф, когда их использование оправдано содержанием кинофильма.

На рис.6.17 показаны размеры изображения на фильмокопиях, причем на рис.6.17,а изображены кинокадры с соотношением сторон, близким к классическому, а на рис.6.17,б - кинокадры широкоэкранных и широкоформатных кинофильмов. Поскольку площади кадров значительно отличаются друг от друга, то и информационная емкость в рассматриваемых системах будет различной. При прочих равных условиях наибольшей она будет у системы (15.70), а наименьшей - в 8-мм кинематографе.

Рис.6.17. Размеры изображения на фильмокопиях в обычном (а), широкоэкранном и широкоформатном (б) кинематографах Для сопоставления систем будем считать, что зритель находится в лучших местах кинозала на расстоянии от экрана, равном S Э =4Н Э.

Если фокусное расстояние оптической системы глаза f з а =16 мм, то высота изображения экрана, а следовательно, и кинокадра на поверхности сетчатки глаза будет равна h к =H Э f з а /S Э =16/4=4 мм.

(6.20) Линейное увеличение от сетчатки глаза к кадру на фильмокопии составит з а =h к /h к =4/h к.

(6.21) Условимся, что если нет особых оговорок, то формула (6.21) определяет линейное увеличение при наблюдении изображения из лучших мест в обычном и широкоэкранном кинематографе при любых размерах экрана.

Как и в фотографии, основным субъективным показателем качества передачи пространства в кинематографе является четкость изображения, определяемая размером кинокадра и ПЧХ кинематографической системы.

ПЧХ системы зависит не только от качества оптических систем, кинопленок и киноаппаратуры, но и от технологического процесса создания кинофильма. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные процессы получения фильмокопий.

Устройство записи (рис.6.18) содержит в себе киносъемочный объектив (СО), киносъемочный аппарат (СА) и негативную кинопленку (НП). Устройство воспроизведения в любой кинематографической системе содержит кинопроекционный аппарат (ПА), кинопроекционный объектив (ПО) и киноэкран (КЭ).

Тиражирование фильмокопий производится в кинокопировальных аппаратах (КА). Печать массовой фильмокопии осуществляется на позитивной кинопленке (ПП) с оригинального негатива или (чаще) с контратипа. В последнем случае печать промежуточного позитива и контратипа производится на контратипной кинопленке (КП).

а) СОСАНП КА 1 КПКА 2 КПКА 3 ПП ПАПОКЭЗА б) СОСАНП КА ПППАПОКЭЗА в) СОСАОППАПОКЭЗА Воспроизведение Запись Тиражирование Рис.6.18. Звенья кинематографической системы: СО - киносъемочный объектив;

СА - киносъемочный аппарат;

НП - негативная кинопленка;

КА - кинокопировальный аппарат;

КП - контратипная кинопленка;

ПП - позитивная кинопленка;

ПА - кинопроекционный аппарат;

ПО кинопроекционный объектив;

КЭ - киноэкран;

ОП - обращаемая кинопленка На рис.6.18,а показаны звенья системы ЗТВ с использованием контратипирования, а на рис.6.18,б - печати фильмокопии с оригинального негатива. Итоговая ПЧХ, как и ранее, равна произведению ПЧХ всех звеньев, составляющих систему. Лучшее качество изображения легче получить, если система имеет меньшее количество звеньев. Поэтому в системах с печатью фильмокопии с оригинального негатива, при прочих равных условиях, четкость изображения будет выше, чем в системе с контратипированием.

Однако контратипирование необходимо для сохранности оригинального негатива, особенно если требуется получение большого количества фильмокопий. Контратипирование также применяется при переходе с одного формата кинолент на другой.

Например, для получения 16- или 8-мм фильмокопий с 35-мм негатива. В данном случае в кинокопировальном аппарате КА 1 или КА 2 осуществляется не контактная, а оптическая печать промежуточного позитива или контратипа.

В практике кинолюбительства, как правило, требуется получение лишь одного экземпляра кинофильма. В этом случае для киносъемок используют обращаемую кинопленку (ОП) (рис.6.18,в), а процесс тиражирования отсутствует.

Вполне понятно, что при прочих равных условиях четкость изображения будет наивысшей при использовании обращаемых кинопленок, а наинизшая - в системах с контратипированием.

Как в фотографии на конечный результат оказывают влияние фотоаппарат, копировальное устройство, диапроектор, так и в кинематографе качество изображения на киноэкране в значительной степени зависит от киносъемочных, кинокопировальных и кинопроекционных аппаратов.

В киносъемочном аппарате предпринимаются необходимые меры для удержания кинопленки во время экспонирования в строго фиксированной плоскости относительно киносъемочного объектива, а также для точной наводки киносъемочного объектива на резкость.

В фильмовом канале прижимная рамка надежно прижимает кинопленку всей поверхностью к кадровой рамке, точно выставленной относительно объектива. В прецизионных киносъемочных аппаратах, как правило, используют контргрейфер и пульсирующую прижимную рамку, освобождающую кинопленку во время ее перемещения и прижимающую к кадровой рамке во время экспонирования. Наиболее точно наводка на резкость обеспечивается по шкале расстояний, но во всех современных киносъемочных аппаратах используется также наводка на резкость по матовому стеклу через зеркальный обтюратор.

Кинокопировальные аппараты бывают прерывистой и непрерывной, контактной и оптической печати. Прерывистая контактная печать дает наилучшие результаты. В прецизионных кинокопировальных аппаратах прерывистой печати применяют пульсирующую прижимную рамку, обеспечивающую надежный контакт между негативом и позитивной или контратипной кинопленками, а контргрейфер предотвращает возможность их относительного сдвига во время экспонирования. Такие кинокопировальные аппараты имеют сравнительно небольшую производительность, поэтому используются обычно лишь для печати промежуточных позитивов и контратипов. Массовая печать фильмокопий, как правило, производится в кинокопировальных аппаратах непрерывной контактной печати. Оптическая непрерывная и прерывистая печать используется в основном для перевода киноизображений из одного формата в другой.

На качество экранного изображения существенное влияние оказывает кинопроекционный аппарат. Для сохранности фильмокопии в фильмовом канале она прижимается к передним салазкам только по поверхности перфорационных дорожек. В то же время при кинопроекции фильмокопия выдерживает тепловой удар от источника света, особенно существенный при использовании источников большой мощности. Под действием этого теплового удара фильмокопия во время проекции каждого кадра деформируется и частично выходит из плоскости наводки. Для снижения влияния этого эффекта на резкость экранного изображения предпринимаются особые меры - охлаждение фильмового канала (воздушное и водяное), применение теплофильтров, изготовление фильмовых каналов криволинейной формы и т.п. Особенно значительная потеря резкости может произойти из-за неточной фокусировки кинопроекционного объектива. Эта фокусировка производится до сих пор вручную и “на глаз”. В некоторых случаях используют дистанционное управление наводкой объектива на резкость. Ее осуществляет помощник киномеханика, находящийся в кинозале на небольшом расстоянии от киноэкрана.

Итоговая разрешающая способность N современной кинематографической системы, приведенная к поверхности - фильмокопии, составляет примерно 25-40 мм при получении - фильмокопии контратипированием, 35-55 мм при печати - фильмокопии с оригинального негатива, 45-65 мм при использовании обращаемых кинопленок. Показатель степени n близок к двум. Конечно, в каждом конкретном случае итоговую ПЧХ системы и ее параметры N и n находят перемножением ПЧХ звеньев, составляющих систему, или экспериментальным путем, как было показано выше.

Параметр m кинематографической системы, как и ранее, зависит от максимального контраста изображения и уровня шума.

Современные кинопленки имеют максимальный коэффициент пропускания ma x =0,6, а минимальный - mi n =0,006. Следовательно, контраст на фильмокопии может достигать L ma x /L mi n = m ax / mi n =100.

Однако при кинопроекции вследствие посторонней засветки контраст изображения на киноэкране значительно снижается. С учетом шума, обусловленного в основном зернистой структурой изображения, количество градаций яркости в изображении не превышает g=20-30.

В среднем параметр m будет равен ln25=3,2 нат.ед.

Используя приведенные данные, комплексную оценку системы можно произвести с применением понятий информационная емкость кадра или коэффициент информативности. Оба этих параметра обуславливают четкость воспроизводимого изображения. Если найти взаимосвязь объективных показателей системы с субъективной оценкой четкости воспроизводимого изображения, то откроется возможность обоснования требуемых параметров кинематографических систем. Данная задача наиболее успешно решена в результате многолетних фундаментальных исследований профессором В.Г.Комаром (Журнал “Техника кино и телевидения”, 2000, №10).

Метод В.Г.Комара базируется на оценке субъективного показателя качества изображения его резкости (четкости) на основе объективного параметра системы записи и воспроизведения изображения - критической пространственной частоты f е, входящей в формулу, аппроксимирующую пространственную частотную характеристику (ПЧХ) системы K(f)=exp[-(f/f е ) 2 ], (6.22) где f и f е - пространственные частоты, приведенные к поверхности фильмокопии.

Нормированный критерий резкости изображения подсчитывается по формуле р =250В Э /b к S Э f e, (6.23) где B Э - ширина экрана, S Э - расстояние между экраном и зрителем.

Вычислив значение р, из табл.6.1 находят количественную оценку резкости (четкости) воспроизводимого изображения.

Таблица 6. Визуальная оценка резкости (четкости) изображения р Оценка 0-0,125 Отлично 0,125 - 0,173 Почти отлично 0,173 - 0,25 Хорошо 0,25 - 0,35 Почти хорошо 0,35 - 0,5 Удовлетворительно 0,5 - 0,7 Почти удовлетворительно 0,7 - 1,0 Посредственно 1,0 и более Недопустимо П р и м е р 6.9. ПЧХ обычной 35-мм кинематографической системы (h к =16, b к =22 мм, k=1,37) описывает ф ункция (2.33), причем N=40 мм -1, m=3,2, n=2.

Зрители находятся на лучших местах кинотеатра (H Э /S Э =0,25), следовательно, B Э /S Э =0,33. Найти оценку четкости изображения.

На основе формулы (2.35) находим f е = N/m 1 / n =40/3,2 1 / 2 =22,3 мм - 1.

Согласно выражению (6.23) имеем р =2500,33/(2222,3)=0,168.

Из табл.6.1 следует, что данному значению р соответств ует оценка “почти отлично”.

П р и м е р 6.10. Найти оценку четкости изображения для системы, имеющей параметры, аналогичные примеру 6.9, но при демонстрации кинофильма с кашетированным кадром k=1,85.

При нахождении зрителей на лучших местах (H Э /S Э =0,25) отношение B Э /S Э =0,331,85/1,37=0,45.

Следовательно, р =2500,45/(2222,3)= 0,23.

Четкость изображения оценивается на “хорошо”.

П р и м е р 6.11. ПЧХ 16-мм кинематографической системы (h к =7,5 мм, b к =10 мм, k=1,37) описывает ф ункция (2.33), причем N=40 мм -1, m=3,2, n=2.

Зрители находятся на лучших местах кинотеатра (В Э /S Э =0,33). Найти оценку четкости изображения.

Согласно формуле (2.35) находим f е =22,3 мм -1. В соответствии с выражением (6.23) имеем р =2500,33/(1022,3)= 0,37.

Четкость изображения оценивается на “удовлетворительно”.

П р и м е р 6.12. Для условий примера 6.9 найти минимальное граничное значение разрешающей способности N, при котором четкость изображения будет оценена на “отлично”.

На основе формулы (6.23) имеем f е =250B Э /(S Э b к р )=2500,33/(22 р )=3,75/ р.

Из табл.6.1 находим р =0,125, следовательно, f e =3,75/0,125=30 мм -1.

На основе формулы (2.35) получаем N=f е m 1 / n =303,2 1 / 2 =54 мм - 1.

По методике, изложенной в примере 6.12, вычислены граничные значения разрешающей способности для различных кинематографических систем и заданных категорий качества изображения (табл.6.2).

Рассмотренный метод оценки четкости изображения применим лишь в тех случаях, когда показатель степени n функции, аппроксимирующей ПЧХ, равен двум. В некоторых кинематографических системах этот показатель существенно отличается от двух. В данном случае количественную оценку четкости изображения можно осуществить используя в качестве параметра системы не критическую частоту f e, а информационную емкость кадра Н.

Пример 6.13. Найти оценку четкости изображения для системы, имеющей параметры, приведенные в примере 6.9, за исключением показателя степени, который равен n=1,5.

Таблица 6. Граничные значения разрешающей способности N (мм -1 ) кинематографи ческих систем для различных оценок четкости изображения (m=3,2 нат.ед., n=2, H Э /S Э =0,25) Визуальная Кинематографическая система оценка четкости изображения 35-мм 35-мм 16-мм 70-мм(8.70) k=1,37 k=1,85 k=1,37 k=1, B Э /S Э =0,33 B Э /S Э =0,45 B Э /S Э = 0,33 B Э /S Э =0, Отлично 54 и более 72 и более 118 и более 23 и более Почти отлично 54...39 72...52 118...86 23... Хорошо 39...27 52...36 86...59 16... Почти хорошо 27...19 36...26 59...42 11... Удовлетворительно 19...13 26...19 42...30 8... Почти удовлетвори тельно 13...10 19...13 30...21 6... Посредственно 10...7 13...9 21...14 4... Недопустимо 7 и менее 9 и менее 14 и менее 3 и менее Информационную емкость кадра определяет равенство (4.30):

H=4N 2 h к b к m[1-2/(n+2)].

Выразим значение N через f е :

N=f е m 1 / 2 =f е 3,2 1 / 2 =1,79f е.

При h к =16мм, b к =22 мм, m=3,2, n=2 имеем H=4(1,79f e ) 2 h к b к m[1-2/(n+2)]=4(1,79f е ) 2 16223,2[1-2/(2+2)]=7218f е 2, или f е =(H) 1 / 2 /85. (6.24) Найдем информационн ую емкость кадра для n=1,5:

H=440 2 16223,2[1-2/(1,5+2)]=3099853 нат.ед.

Подставив значение Н в формулу (6.24), получим f е =3099853 1 / 2 /85=20,7 мм - 1.

По формуле (6.23) находим р =2500,33/(2220,7)=0,181.

Следовательно, в данном случае изображение оценивается не на “почти отлично”, а лишь на “хорошо” (см.табл.6.1).

Методика вычислений, использованная в примере 6.13 расширяет возможности метода В.Г.Комара и будет использована нами в дальнейшем.

Из анализа результатов приведенных примеров и табл.6.2 можно заключить, что в современной фотографической 35-мм кинематографической системе (k=1,37) лишь при печати фильмокопии с оригинального негатива может быть достигнуто качество изображения, оцениваемое на “отлично”. При использовании контратипирования четкость изображения оценивается на “хорошо” и только с применением лучших кинопленок, кинооптики и киноаппаратуры оно может достичь оценки “почти отлично”. В 35-мм кинематографических системах с кашетированным кадром (k=1,85) даже при указанных условиях оценка качества изображения не превышает “хорошо”. Еще более низкое качество изображения имеет место в 16-мм кинематографической системе.


В широкоформатном кинематографе (5.70, k=2,2) одновременно с увеличением площади киноэкрана и пропорционально ему увеличена и площадь кадра. Поэтому четкость изображения при прочих равных условиях в широкоформатном кинематографе такая же, как в стандартной 35-мм кинематографической системе (k=1,37).

Из анализа табл.6.2 следует, что только 70-мм система (8.70) со значительно увеличенным размером кадра (см.рис.6.17,а), даже с ис пользованием контратипирования, обеспечивает воспроизведение в обычном кинематографе (k=1,37) изображение, оцениваемое на “отлично”. Однако экономические и эргономические затруднения сдерживают широкое распространение данной системы. В то же время быстрое развитие и внедрение на наши домашние “киноэкраны” телевидения высокой четкости наиболее остро ставит вопрос о резком повышении качества изображения в театральном кинематографе.

Напомним, что основа современного формата 35-мм кинолент была заложена еще Т.Эдисоном. Однако им был установлен размер кадра не 1622, а 1824 мм. При этом коэффициент линейного увеличения от сетчатки глаза к кинокадру был равен з а =4/18=0,22.

Во времена Т.Эдисона при печати фильмокопии с оригинального черно-белого негатива разрешающая способность системы достигала мм - 1.

N=30...35 Следовательно, разрешающая способность, приведенная к поверхности сетчатки глаза, была равна N с =136... мм - 1, т.е. была близка к разрешающей способности зрительного анализатора. Можно предположить, что, устанавливая размер кинокадра, Т.Эдисон считал, что киносъемочный аппарат должен “видеть” объект так же, как его видит зрительный анализатор человека. При этом он, как и некоторые последующие специалисты в области кинематографа и телевидения, не учитывал того, что зрительный анализатор является звеном сквозной кинематографической системы, в котором так же, как и в других звеньях, происходит фильтрация пространственных частот.

Вследствие этого для получения отличного по четкости изображения киносъемочный аппарат должен “видеть” объект значительно лучше, чем его видит зрительный анализатор. Изложенные предполагаемые рассуждения Т.Эдисона были бы правомочны при условии, что ПЧХ K(f с ) кинематографической системы, приведенная к сетчатке глаза, была бы “плоской” до частот, равных разрешающей способности ЗА.

Однако, как было показано выше, в фотографических системах ПЧХ монотонно снижается по мере увеличения пространственной частоты.

Со времен Т.Эдисона в обычном 35-мм кинематографе произошло не только уменьшение размера кадра, но также был введен процесс контратипирования, который в первые годы появления кинематографа не применялся. Одновременно с этим за прошедшие годы значительно были улучшены свойства кинопленок, оптических систем, киноаппаратуры, которые в какой-то степени компенсировали уменьшение площади кадра и введение процесса контратипирования. Однако анализ показывает, что даже лучшие по техническому качеству современные фильмокопии, полученные контратипированием, только лишь приближаются по четкости изображения к оценке “почти отлично”.

В то же время последние годы характеризуются резким повышением качества воспроизведения аудио и видео информации. В звукотехнике осуществляется переход от аналоговой к цифровой записи информации. В телевидении ведутся интенсивные работы по внедрению телевидения высокой четкости, цифровой записи видеосигнала. Только в кинематографе за последние более чем сто лет не произошло коренного изменения в технике записи и воспроизведения изображения. Принцип построения современных кинопроекционных и киносъемочных аппаратов практически не отличается от принципа построения аппаратов, разработанных в начале века. Даже формат кинолент обычного кинематографа сохранен в виде, предложенном еще Т.Эдисоном.

Повышение качества изображения, как это следует из вышеизложенного, возможно либо улучшением свойств кинопленок, кинооптики, киноаппаратуры при сохранении существующего стандарта на 35-мм киноленту либо увеличением размеров кинокадра. Первый путь при современном состоянии кинотехники не может дать резкого скачка в повышении качества кинопоказа.

Второй путь, хотя и не вызывает особых технических затруднений, но сопряжен с экономическими и эргономическими трудностями.

Вопрос о пересмотре стандарта на киноленту впервые встал еще в 1930-х годах при переходе к звуковому кинематографу. Уменьшение размера кинокадра привело к увеличению межкадровой полосы до мм. Еще более эта полоса (до 6 мм) была увеличена с появлением широкоэкранного кинематографа с кашетированным кадром (k=1,66).

Таким образом, сейчас до 30% площади киноленты не используется.

Однако переход на новый стандарт (например, с трехперфорационным кадром) вызывает значительные экономические затруднения. Они вызваны необходимостью переоборудования всей киносети и перевода существующего фильмофонда на новый стандарт, что не окупается только лишь сокращением расхода кинопленки.

Проблема перехода на новый стандарт киноленты с увеличенным размером кадра и более рациональным использованием кинопленки может быть решена только тогда, когда будут найдены новые технические решения, которые приведут не только к резкому улучшению качества кинопоказа, но и к значительному повышению экономической эффективности кинематографической системы по сравнению с существующей.

6.4. ФОТОТЕЛЕГРАФ И ТЕЛЕФАКСИМИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Фототелеграф предназначен для передачи на расстояние изображений и записи их на приемной стороне на фотопленку или на фотобумагу. В настоящее время также получили широкое распространение системы передачи на расстояние документов, рисунков, чертежей и т.п. с записью их на приемной стороне на термохимическую бумагу или электрофотографическим методом на обычную бумагу. Поскольку при этом сохраняется документальная точность передаваемых изображений, то данные системы принято называть факсимильной связью. Устройства подобного рода, используемые в канцелярской практике, называют факсами или телефаксами. Приборы, принципиально не отличающиеся от передающих и приемных устройств факсимильной связи, получили применение также для ввода и вывода графических и полутоновых изображений в ЭВМ. Их принято называть соответственно сканерами и принтерами.

Принцип действия всех этих систем аналогичен и основан на преобразовании двумерного изображения, описываемого функцией двух пространственных координат F(x,y), в одномерный сигнал времени F(t). Последний передается к получателю по каналу связи и в приемном устройстве подвергается обратному преобразованию в двумерное изображение.

Фототелеграфные аппараты представляют собой комплекс оптических, механических и электронных устройств, обеспечивающих считывание, передачу и запись изображений.

Передающий и принимающий аппараты имеют схожую конструкцию.

Осветительная система 1 (рис.6.19) считывающего устройства передающего аппарата освещает диафрагму 2 с небольшим отверстием. Оптическая система, состоящая из объективов 3, 6 и светоделительной призмы 5, образует считывающий элемент, являющийся изображением диафрагмы и имеющий вид предельно малого светового пятна на поверхности передаваемого объекта (оригинала) 7. Отраженный объектом свет направляется объективом 6 к светоделительной призме 5, которая часть отраженного света пропускает на фотодатчик 4.

Рис.6.19. Схема системы фототелеграфа Величина отраженного светового потока определяется коэффициентом отражения освещенного участка объекта. Во время передачи объект перемещается в направлении стрелки А, модулируя отраженный пучок света, который приводит к выработке переменного электрического сигнала фотодатчиком 4. После того, как будет считано распределение коэффициентов отражения вдоль одной строки, совпадающей с осью х, объект возвращается в исходное положение, а считывающее устройство перемещается вдоль оси у на величину шага дискретизации Y*. Естественно, что во время обратного перемещения объекта считывание распределения коэффициентов отражения не производится (для этого, например, отключается питание от осветительной системы 1). Затем осуществляется считывание значений коэффициентов отражения вдоль следующей строки и т.д.

Электрический сигнал от фотодатчика поступает в канал связи, где усиливается и передается к приемному аппарату, который содержит записывающее устройство. Осветительная система освещает диафрагму 9;

оптическая система, состоящая из объективов 10,13, совместно с призмой полного внутреннего отражения образует воспроизводящий элемент, являющийся изображением диафрагмы 9 на поверхности светочувствительного материала 14.

Последний во время записи перемещается в направлении стрелки А синхронно и синфазно с движением объекта 7 в передающем аппарате. Для этого от передающего аппарата подаются синхронизирующие импульсы, согласующие работу передающего и принимающего аппаратов. Световой поток проходит к светочувствительному материалу 14 через модулятор света 11, на который подается электрический сигнал из канала связи. Этим обеспечивается запись изображения вдоль строки. Для записи следующей строки светочувствительный материал 14 возвращается в исходное положение, а пишущее устройство синхронно со считывающим устройством перемещается относительно светочувствительного материала на шаг укладки Y*. В результате производится дискретно-аналоговая запись передаваемого изображения. Данная система, очевидно, относится к четвертому классу С 2 Н 2 Р 1 (см.рис.1.4) систем записи двумерных сигналов.


Формат изображений, передаваемых в фототелеграфных системах, как правило, близок к k=4/3=1,33, а размеры оригинала и его изображения, получаемого в приемном аппарате, одинаковы.

Обозначим, как и ранее, ширину изображения b к, а высоту - h к.

Изображение, получаемое на выходе системы, сугубо анизотропно:

вдоль оси х оно непрерывно, а вдоль оси у -дискретно. При установлении параметров системы стремятся к тому, чтобы данная анизотропия была мало заметна.

Если шаг дискретизации равен Y*, то частоту дискретизации определит равенство f д =1/Y* мм - 1, (6.25) а количество строк z=h к /Y*.

Рассмотрим процесс считывания изображения в передающем аппарате. Поскольку считывающий элемент имеет конечные размеры, то он усредняет значения входного сигнала, фильтруя пространственные частоты в спектре передаваемого сигнала изображения. Считывающий элемент характеризуется распределением освещенности, которое описывает функция F э с (x,y).

На рис.6.20,а показаны считывающие элементы, имеющие вид кружка и перемещающиеся вдоль оси х в направлении, показанном на рисунке стрелкой. Положим, что диаметр d элемента равен шагу Y* дискретизации. Однако в действительности считывающий элемент не имеет резкой границы, а в общем случае распределение освещенности в предельно малом кружке рассеяния близко к экспоненциальному закону, как показано на рис.6.20,б. Функция F э с (x,y) является импульсной реакцией передающего устройства.

Поэтому если функция F в х (x,y) описывает входное изображение (оригинал), то исходное изображение опишет двумерная свертка F и (x,y)=F в х (x,y)F э с (x,y).

В действительности фильтрация пространственных частот и преобразование входного изображения в электрический сигнал происходят одновременно. Однако условно разделим эти два процесса. Будем считать, что вначале произошла фильтрация нижних пространственных частот, а затем преобразование исходного изображения в электрический сигнал. Тогда исходное изображение, которое образовано в плоскости оригинала, опишет функция F и (x,y), а его спектр в соответствии с теоремой двумерной свертки будет равен S и (f х,f у )=S в х (f х,f у )K э с (f х,f у ), где S в х (f х,f у ) - спектр входного изображения (оригинала), K э с (f х,f у ) ПЧХ считывающего элемента. Последний находится двумерным преобразованием Фурье от функции F э с (x,y).

Рис.6.20. Считывающий элемент передающего устройства При общем анализе системы фототелеграфа примем, что распределение освещенности в считывающем элементе описывает функция F э с (x,y)=F ma x exp[-N 2 (x 2 +y 2 )]. (6.26) Следовательно, K э с (f х,f у )=exp[-(f х 2 +f у 2 )/N 2 ]. (6.27) Обе эти функции обладают круговой симметрией и, кроме того, являются функциями с разделяющимися переменными. Последнее позволяет произвести анализ преобразования изображения раздельно вдоль осей х и у. Причем в первом случае будем считать, что входное изображение не зависит от у, а во втором - от х. К таким изображениям можно отнести изображения светящихся линий, полос, решеток и т.п.

Рассмотрим вначале процесс преобразования изображения вдоль оси у. Распределение освещенности в считывающем элементе вдоль оси у определит равенство F э с (у)=F ma x exp[-(Nу) 2 ], (6.28) а ПЧХ K э с (f у )=exp[-(f у /N) 2 ]. (6.29) Функция F э с (у) принимает значение F ma x exp(-)=0,04F ma x при у=1/N. Будем считать, что это значение равно уровню шума.

Тогда диаметр считывающего элемента на уровне шума будет равен d=2/N. Отсюда на основе формулы (6.29) получим K э с (f y )=exp[-(f y d/2) 2 ]. (6.30) При d=Y* ПЧХ опишет функция K э с (f у )=exp[-(f y Y*/2) 2 ].

(6.31) Если принять d=2Y* (см.рис.6.20,а), то получим K э с (f у )=exp[-(f у Y*) 2 ].

(6.32) На рис.6.21,а показаны графики функции K э с (f у ) для обоих рассмотренных случаев. В разделе 2 было показано, что частоты, большие половины частоты дискретизации, т.е. f д /2=0,5/Y*, не несут в себе какой-либо полезной информации. Из анализа рис.6.21,а следует, что при уменьшении размера считывающего элемента максимальная полезная частота f m a x =0,5/Y* не изменяется, однако значения ПЧХ в области полезных частот повышаются, что говорит о том, что информационная плотность сигнала в системе с d=Y* будет больше, чем в системе с d=2Y*. Однако в первой системе слабее подавляются частоты, большие 0,5/Y*. Поэтому в ней сильнее будут проявляться искажения первого рода, чем во второй с d=2Y*.

Рассмотрим теперь процесс преобразования изображения вдоль оси х. Поскольку нами принято, что считывающие элементы, а следовательно, и их ПЧХ обладают круговой симметрией, то ПЧХ вдоль оси х опишут функции, аналогичные (6.31) и (6.32):

K э с (f х )=exp[-(f х Y*/2) 2 ];

для d=Y* (6.33) K э с (f х )=exp[-(f х Y*) 2 ].

для d=2Y* (6.34) Рис.6.21. ПЧХ считывающих элементов Они имеют вид, показанный на рис.6.21,б. В отличие от ПЧХ вдоль оси у, в данном случае полезные пространственные частоты не ограничены частотой f ma x =0,5/Y*. Такое ограничение осуществляется обычно каналом связи. Положим, что ВЧХ K к с (f х ) канала связи, приведенное к поверхности оригинала, имеет вид, показанный на рис.6.21,б. Итоговая ПЧХ считывающего элемента и канала связи равна произведению K(f x )=K э с (f x )K к с (f x ). (6.35) Будем считать, что канал связи имеет ВЧХ близкую к ВЧХ идеального фильтра и полностью подавляет частоты, большие f ma x =0,5/Y*. В данном случае итоговые ПЧХ системы вдоль осей х и у будут одинаковы и анизотропия изображения будет малозаметной.

Для того, чтобы привести ВЧХ канала связи к поверхности оригинала, необходимо знать коэффициент преобразования временных частот в пространственные f х, т.е. скорость V х перемещения считывающего элемента относительно объекта вдоль оси х. Найдем эту скорость. Если количество строк разложения равно z, а ширина оригинала - b к, то путь считывающего элемента равен S=zb к =kzh к мм.

Примем, что время передачи всего изображения равно Т. Тогда скорость перемещения оригинала относительно считывающего элемента должна быть равна V х =cS/T=ckzh к /T мм/c, (6.36) где с - коэффициент, учитывающий время обратного перемещения объекта 7 (см.рис.6.19) после записи каждой строки. Этот коэффициент равен c=t п ер /t с тр, причем t пер - период между считыванием соседних строк, t с т р - время считывания одной строки.

Следовательно, f х =/V х или =f х V х. (6.37) Для того, чтобы канал связи полностью подавил частоты, большие f ma x, необходимо, чтобы максимальная временная частота, которую он пропускает, была равна ma x =f ma x V x =0,5V x /Y*. (6.38) Следует отметить, что канал связи, оказывая существенное влияние на передачу сигнала вдоль оси х, практически не влияет на его передачу вдоль оси у. Последнее объясняется тем, что значения коэффициента отражения участка объекта, снимаемые считывающим элементом, разнесены друг от друга на значительный временной интервал, равный периоду передачи строк.

Передающие аппараты характеризуются глубиной модуляции на максимальной частоте f m a x =0,5/Y* и разрешающей способностью считывающего элемента N. Для рассмотренных выше случаев (d=Y* и d=2Y*) глубина модуляции равна соответственно 0,85 и 0, (см.рис.6.21). Ее часто выражают в процентах - 85% и 45%.

Разрешающая способность для этих же случаев равна N=2/Y* и N=1/Y*.

П р и м е р 6.14. Передающий фототелеграфный аппарат предназначен для передачи изображения с оригинала размером h к =90 мм, b к =120 мм с шагом дискретизации Y*=0,1 мм. Найти максимальную временную частоту ma x, которую должен пропустить канал связи, если время передачи сигнала Т= с, а время считывания строки и обратный ход оригинала равны др уг друг у.

Период между считыванием соседних строк равен t п е р =2t с т р, следовательно, c=t п е р /t с т р =2.

Количество строк разложения z=90/0,1=900.

Формат кадра k=120/90=1,33.

Согласно формуле (6.36) имеем V х =21,3390090/450=479 мм/c.

Частота дискретизации f д =1/0,1=10 мм -1.

Cледовательно, f m a x =f д /2=5 мм -1.

По формуле (6.38) находим ma x =5479=2395 Гц.

П р и м е р 6.15. Передающий фототелеграфный аппарат имеет параметры примера 6.14. Найти информационную плотность Н p сигнала при 1) d=Y*;

2) d=2Y*.

Для принятой ВЧХ канала связи допустимо для вычислений использовать формулу (4.51), с учетиом того, что Y=h к, X=b к, X*=Y*=0,1 мм, m=, n=2:

H p =H/(h к b к )=(/Y* 2 )[1-2(2NY*) -n (n+2) -1 ]= =(3,14/0,1 2 )[1-2(20,1N) -2 (2+2) -1 ].

Поскольку d=2/N, то для d=Y*, N=2/Y*=20 мм -1. Подставив это значение в приведенное выражение, находим H р =304 нат.ед./мм 2.

Для d=2Y* N=1/ Y*=10 мм -1. Подставив это значение в формулу, получи м H р =275 нат.ед./мм 2.

Пример 6.16. Для передающего фототелеграфного аппарата с параметрами примера 6.14 найти коэффициент искажений первого рода при 1) d=Y*;

2) d=2Y*.

Поскольку f д /2=5 мм -1, то на основе формулы (2.60) имеем 5 и =1-K э с (f у ) 2 df у /K э с (f у ) 2 df у.

(6.39) -5 Для d=Y* имеет место ПЧХ, описываемая формулой K э с (f y )=exp[-(f y /20) 2 ].

Подставив это выражение в формулу (6.39) и выполнив вычисления, находим, что и =0,42.

Для d=2Y* ПЧХ описывает формула K э с (f у )=exp[-(f у /10) 2 ]. Вычисления дают значение коэффициента искажений и =0,08.

Из анализа результатов примеров 6.15 и 6.16 следует, что увеличение диаметра считывающего элемента в два раза приводит к уменьшению информационной плотности лишь на 10%, но при этом коэффициент искажений первого рода снижается в несколько раз.

Поэтому когда недопустимы искажения, то прибегают к увеличению размеров считывающего элемента, мирясь с некоторой потерей четкости в воспроизводимом изображении.

Рассмотрим теперь преобразования изображения при его записи в приемном аппарате. На приемный аппарат из канала связи поступает сигнал, определяющий записываемое изображение как вдоль оси х, так и вдоль оси у носителя. Сигнал, считанный вдоль оси х оригинала, подвергается дополнительной фильтрации в канале связи.

Поэтому если на вход был подан сигнал со спектром, равным для всех частот единице, то спектр сигнала на выходе канала связи будет равен итоговой ПЧХ K(f x ), определяемой формулой (6.35). На рис.6.22,а показаны спектры для принятых ранее условий, т.е. d=Y* и d=2Y*.

Рис.6.22. ПЧХ системы вдоль оси х Записывающее устройство принимающего аппарата вновь осуществляет фильтрацию пространственных частот в записываемом сигнале. Понятно, что импульсной реакцией записывающего устройства является воспроизводящий элемент. Его фильтрующее действие дополняет светочувствительный материал. Итоговая импульсная реакция равна свертке импульсной реакции записывающего устройства и ФРТ светочувствительного материала.

При общем анализе системы условимся, что итоговая импульсная реакция записывающего устройства описывается функцией, аналогичной принятой нами для описания импульсной реакции передающего аппарата (см.формулу (6.26), т.е.

F з в (x,y)=F ma x exp[-N 2 (x 2 +y 2 )].

(6.40) Эта формула показывает распределение действующей освещенности в изображении диафрагмы 9 (см.рис.6.19) на светочувствительном материале 14.

ПЧХ записывающего устройства определит выражение K э в (f х,f у )=exp[-(f х 2 +f у 2 )/N 2 ]. (6.41) Тогда ПЧХ вдоль оси х по аналогии с формулами (6.33) и (6,34) будут равны K э в (f х )=ехр[-(f х Y*/2) 2 ];

для d=Y* (6.42) K э в (f x )=ехр[-(f х Y*) 2 ].

для d=2Y* (6.43) Итоговая ПЧХ системы фототелеграфа вдоль оси х равна K фт (f х )=K э с (f х )K к с (f х )K з в (f х ).

Для рассматриваемых двух случаев она показана на рис.6.22,б.

Причем при общем анализе систем условно считаем, что диаметр d воспроизводящих элементов равен диаметру считывающих элементов.

Если задан спектр S в х (f х ) входного сигнала вдоль оси х, то спектр сигнала на выходе системы равен S в ых (f х )=S в х (f х )K ф т (f х ). (6.44) Как было показано выше, канал связи практически не влияет на сигнал, определяющий изображение вдоль оси у. Вследствие этого на выходе канала связи спектр сигнала не будет отличаться от спектра сигнала, полученного на выходе передающего аппарата. В нем кроме основного спектра будут иметь место и смещенные спектры, вызванные дискретизацией изображения вдоль оси у. Смещенные спектры частично проникают в пределы полезных пространственных частот (до f y =0,5/Y*) и являются причиной появления искажений первого рода. Эти искажения уже не могут быть устранены ни в канале связи, ни в приемном аппарате. Кроме того, они уже оценены нами коэффициентом искажений первого рода. Вследствие этого условно примем, что на входе передающего аппарата применен некий гипотетический идеальный фильтр пространственных частот со срезом частотной характеристики K и д (f у ) на частоте f m a x =0,5/Y*.

Этот фильтр дополняет фильтрующее действие считывающих элементов, ПЧХ которых определяют формулы (6.31) и (6.32).

Положим, что спектр входного сигнала равен единице, тогда спектр исходного сигнала (до его дискретизации) будет равен K ид (f у )K э с (f у ) и будет иметь вид, показанный сплошными линиями на рис.6.23,а. В результате дискретизации возникнут смещенные спектры (рис.6.23,б), в точности повторяющие основной. Основной и смещенные спектры опишет функция K э с (f у -n/Y*)K и д (f у -n/Y*).

S*(f у )= n= Рис.6.23. Основные и смещенные спектры Фильтрующее действие принимающего аппарата вдоль оси у определяют ПЧХ, описываемые функциями для d=Y* K э в (f y )=exp[-(f y Y*/2)];

для d=2Y* K э в (f y )=exp[-(f y Y*)].

Спектр сигнала вдоль оси у на выходе системы фототелеграфа равен произведению S в ых (f y )=S*(f y )K э в (f y ).

На рис.6.24 показаны спектры сигнала на выходе системы. Из анализа рисунка следует, что в обоих рассматриваемых случаях фильтрующее действие приемного аппарата не обеспечивает полного подавления частот, больших f ma x =0,5/Y* (заштриховано на рисунке).

Это говорит о том, что в воспроизводимом изображении будут иметь место искажения второго рода. Причем эти искажения наиболее сильно проявляются при d=Y*. Вычисления, выполненные по формуле 0,5/Y* и =1-S вы х (f у ) df у /S в ых (f у ) 2 df у, -0,5/Y* показывают, что при d=Y* коэффициент искажений второго рода равен и =0,42, а при d=2Y* - и =0,08.

Рис.6.24. Спектры сигнала на выходе фототелеграфа Фильтрующее действие приемного аппарата на выходе системы дополняется фильтрацией пространственных частот зрительным анализатором. Рассмотрим преобразования изображения при его восприятии зрительным анализатором на конкретных примерах.

П р и м е р 6.17. Фототелеграф имеет параметры, заданные в примере 6.14.

Найти ПЧХ вдоль оси х с и спектр изображения вдоль оси у с на поверхности сетчатки глаза в сквозном процессе, если коэффициент линейного увеличения определяет формула (6.18).

Поскольку высота изображения равна h к =90 мм, то линейное увеличение з а =5,6/90=0,062.

Разрешающая способность системы фототелеграфа N ф т =0,5/Y*=0,5/0,1=5 мм -1.

Разрешающая способность, приведенная к поверхности сетчатки глаза, N ф т с =N ф т / з а =5/0,062=80 мм - 1.

На рис.6.25,а показаны ПЧХ K ф т (f х с ), приведенные к сетчатке глаза для двух рассматриваемых случаев (d=Y* и d=2Y*), а также ПЧХ зрительного анализатора. ПЧХ сквозного процесса вдоль оси х с сетчатки равна K с к в (f х с )=K ф т (f х с )K з а (f с ), где f х с - пространственная частота вдоль оси х с сетчатки глаза. На рис.6.25,а показаны графики K с к в (f х с ), найденные графоаналитическим методом.

Вдоль оси у с спектр изображения S в ы х (f у ) приводится к поверхности сетчатки аналогичным образом (показан на рис.6.25,б). Спектр изображения в сквозном процессе равен S с к в (f ус )=S в ы х (f ус )K з а (f с ), где f ус - пространственная частота вдоль оси у сетчатки. Спектры S с к в (f ус ) для двух рассматриваемых случаев (d=Y* и d=2Y*) показаны на рис.6.25,б.

Заштрихованный участок спектра не несет информации об изображении, а вызывает искажения второго рода.

П р и м е р 6.18. Найти коэффициент информативности для данных примера 6.17.

Из анализа рис.6.25 следует, что для обоих рассматриваемых случаев (d=Y* и d=2Y*) ПЧ Х вдоль оси х с и полезная часть спектра вдоль оси у с совершенно одинаковы. Разрешающая способность вдоль обеих осей на поверхности сетчатки равна N ф т с =80 мм -1.

Информационную плотность сигнала в сквозном процессе определим аналогично примеру 6.16 по формуле H p =(/Y* c 2 )[1-2(2N c Y* c ) -n (2+n) -1 ], (6.45) где N c - частота на поверхности сетчатки, на которой ф ункция, аппроксимир ующая ПЧХ (или спектр), достигает значения уровня ш ума, Y* c шаг растра, приведенный к поверх ности сетчатки.

Значение шага растра, приведенное к сетчатке, Y* с =Y* з а =0,10,062=0,0062 мм.

Из построений на рис.6.25 находим для d=Y*:

N c =115 мм - 1, f е =43 мм -1.

Следовательно, n=1,34. Подставив эти значения в формулу (6.45), находим:

H р =3,14/0,0062 2 [1-2(21150,0062) - 1, 3 4 (2+1,34) - 1 ]=51000 нат.ед./мм 2.

Согласно формуле (6.8) коэффициент информативности равен и =51000/200000=0,26.

Для d=2Y* из рис.6.25 находим N c =82 мм -1, f е =36 мм - 1. Следовательно, n=1,63. Подставив эти значения в формулу (6.45) и выполнив вычисления, находим, что H р =37600 нат.ед./мм 2. Такому значению информационной плотности соответств ует коэффициент информативности и =0,19.

Рис.6.25. ПЧХ и спектры изображения (к примерам 6.17 и 6.18) П р и м е р 6.19. Найти коэффициент искажений второго рода для данных примера 6.18.

На основе формулы (2.66) можем для нашего случая написать 80 Nc и =1-S с к в (f у с ) 2 df ус /S с к в (f ус )df ус.

-8 0 -Nc В результате вычислений, выполненных графоаналитическим методом, находим, что для d=Y* коэффициент искажений второго рода равен и =0,03, а для d=2Y* - и =0.

Из анализа результатов примеров 6.17 - 6.19 можно сделать вывод о том, что с уменьшением диаметра d считывающего и воспроизводящего элементов в два раза информационная плотность записи и четкость изображения существенно возрастают. В то же время искажения второго рода в обоих из рассмотренных конкретных случаев достаточно малы. Они значительно снижены за счет фильтрующего действия зрительного анализатора. Однако искажения первого рода, как следует из примера 6.16, для системы с d=Y* значительно больше, чем для системы с d=2Y*. Как уже указывалось ранее, поскольку искажения первого рода проявляются сравнительно редко, то с целью повышения четкости изображения с ними приходится мириться. Искажения же второго рода проявляются в любом изображении, записанном в приемном аппарате фототелеграфной системы. Поэтому для устранения возможности появления таких искажений следует принимать необходимые меры.

Они могут быть полностью устранены при сколь угодно малом размере воспроизводящего элемента, если частота дискретизации, приведенная к сетчатке глаза, будет в два раза превышать разрешающую способность зрительного анализатора. При - разрешающей способности зрительного анализатора 150 мм и высоте изображения на сетчатке глаза 5,6 мм для этого требуется разложение изображения на 21505,6=1680 строк.

Следует иметь в виду то, что при передаче фотографий, пространственные частоты в которых ограничены разрешающей способностью N, искажения первого рода могут быть полностью устранены, если частоту дискретизации принять равной f д =1/Y*=2N.



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 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.