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 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 16 |

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

-- [ Страница 9 ] --

Сигнал, передаваемый в канале связи, обычно подвергается амплитудной или частотной модуляции. В настоящее время получили распространение также системы связи с передачей сигнала в цифровой форме. При этом на входе канала связи имеется аналогоцифровой преобразователь (АЦП), а на выходе цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). В данном случае частота дискретизации электрического сигнала, приведенная к поверхности оригинала или светочувствительного материала вдоль оси х, должна быть равна частоте дискретизации f д =1/Y* вдоль оси у. Только в этом случае анизотропия изображения будет малозаметна. Например, для параметров системы согласно примеру 6.14 частота дискретизации, приведенная к оси х, должна быть равна 10 мм - 1, что равноценно временной частоте дискретизации в канале связи, равной 4790 Гц. Возможны два способа обработки сигнала в системах АЦП и ЦАП.

Первый заключается в полном отсутствии на входе АЦП и выходе ЦАП фильтрации временных частот. В результате в приемном аппарате будет получено изображение, дискретизированное как вдоль оси у, так и вдоль оси х. Данная система относится к пятому классу (С 2 Н 2 Р 0 ) систем записи двумерных сигналов (см.рис.1.4), т.е. изображение состоит из элементов, называемых в иностранной литературе пикселями. Искажения первого и второго рода одинаково проявляются как вдоль оси у, так и вдоль оси х.

Часто подобные системы оценивают количеством пикселей, составляющих изображение. Например, для параметров системы согласно примеру 6.14 изображение образуют 9001200= пикселей.

Во втором способе как на входе АЦП, так и на выходе ЦАП применены фильтры, полностью подавляющие временные частоты, большие половины частоты дискретизации. Для параметров примера 6.14 эта частота составит 2395 Гц. В результате на выходе системы будет получено изображение, не отличающееся от получаемого в системах с аналоговым каналом связи.

В обоих рассмотренных случаях на информационную плотность сигнала на выходе системы оказывает влияние количество разрядов кодирования. В существующих системах для передачи полутоновых изображений количество разрядов кодирования достигает 8, что обеспечивает передачу 256 уровней сигнала. При передаче штриховых рисунков и документов, содержащих только два уровня яркости, принципиально допустимо количество разрядов кодирования снизить до одного-двух.

Недостатком показанных на рис.6.19 устройств является необходимость возвратно-поступательного перемещения оригинала и светочувствительного материала. Это увеличивает время считывания (сканирования) и записи изображения, особенно с учетом времени, теряемого на их обратный ход. Данная система была подробно рассмотрена нами вследствие того, что она наиболее наглядна и удобна для анализа.

Во многих фототелеграфных аппаратах возвратно-поступательное движение оригинала, светочувствительного материала или считывающих и воспроизводящих элементов заменено их вращательным и поступательным движением. Например, на рис.6. показана схема системы фототелеграфа с вращательным движением оригинала и светочувствительного материала. Последние закрепляются на поверхности барабанов 1 и 3 соответственно.

Барабаны во время передачи изображения вращаются с постоянной скоростью, обеспечивая считывание и запись изображения вдоль оси х. Считывающее устройство 2 и пишущее устройство 4 во время передачи поступательно перемещаются в направлении стрелок, осуществляя дискретизацию и укладку изображения вдоль оси у.

Конечно, вращение барабанов 1 и 3 и перемещение считывающего устройства 2 и записывающего устройства 4 строго согласованы и синхронизированы. В подобных устройствах скорость считывания и записи может во много раз превышать эту скорость в системе, показанной на рис.6.19. Кроме того, если оригинал и светочувствительный материал полностью охватывают барабаны 1 и 3, то время на обратный ход считывающего и воспроизводящего элементов равно нулю. Следовательно, подобная система обеспечивает значительное сокращение времени передачи изображения и тем самым загрузки канала связи.

Рис.6.26. Схема системы фототелеграфа Еще большую скорость считывания и записи изображения обеспечивают системы с зеркальными развертками. В передающем аппарате в качестве источника света используется лазер с расширителем 1 (рис.6.27). Параллельный пучок света от последних направляется к объективу 2. От него свет поступает на вращающийся зеркальный барабан 3. Отраженный от зеркальной грани барабана пучок света направляется зеркалом 4 к объекту (оригиналу) 5. На поверхности объекта объектив 2 образует считывающий элемент. Во время передачи изображения зеркальный барабан 3 вращается с постоянной скоростью, перемещая считывающий элемент по поверхности объекта 5 в направлении оси х. Свет, отраженный объектом 5, попадает на фотодатчик 6 и вырабатывает в нем электрический сигнал. Оригинал во время считывания перемещается с постоянной скоростью, осуществляя дискретизацию изображения вдоль оси у.

Рис.6.27. Схема передающего аппарата с зеркальной разверткой Приемный аппарат имеет устройство, аналогичное передающему аппарату (иногда они объединены в единой конструкции). В отличие от передающего аппарата на пути светового потока, идущего от лазера с расширителем 1 (см.рис.6.27), устанавливают модулятор света 7, показанный на рисунке штриховыми линиями. Объектив образует воспроизводящий элемент на поверхности электрофотографического цилиндра 8 (показан штриховыми линиями), установленного вместо объекта 5. Во время записи изображения зеркальный барабан 3 вращается, перемещая воспроизводящий элемент по поверхности электрофотографического цилиндра. При этом производится его экспонирование вдоль оси х.

Укладка строк вдоль оси у осуществляется вращением цилиндра в направлении, показанном стрелкой. Запись производится на обычную бумагу по методу, изложенному в разделе 6.2.

Известны и другие устройства передающих и приемных аппаратов.

Фототелеграфные (телефаксимильные) системы используются для передачи на расстояние документов, фотографий и других двумерных изображений с записью их по месту нахождения адресата.

Они применяются также для передачи и записи изображений неподвижных трехмерных объектов, которые образует объектив передающего устройства. Подобные системы необходимы для передачи и записи изображений объектов из труднодоступных мест (на других планетах, на дне моря и т.п.). Схема передающего аппарата одной из подобных систем показана на рис.6.28.

Рис.6.28. Схема передающего аппарата Свет, идущий от объекта 1, отразившись от зеркальной грани многогранного зеркального барабана 2, попадает в объектив 3.

Последний строит изображение объекта 1 в плоскости диафрагмы 4 с малым отверстием, за которой расположен фотодатчик 5. Во время передачи изображения зеркальный барабан 2 вращается с постоянной скоростью в направлении стрелки А. При этом изображение объекта перемещается по поверхности диафрагмы вдоль оси х и происходит считывание значений освещенности изображения вдоль строки. За время поворота зеркального барабана на угловой размер одной грани, диафрагма 4 с фотодатчиком 5 перемещаются в направлении стрелки Б вдоль оси у на шаг Y* дискретизации изображения.

Электрический сигнал от фотодатчика подается в канал связи.

В данном передающем аппарате считывающим элементом является отверстие в диафрагме с диаметром равным d.

Распределение освещенности в считывающем элементе описывает функция F э с (r)=(1/d 2 )circ(r/d). (6.46) Следовательно, его ПЧХ вдоль осей х и у равна K э с (f)=2J 1 (fd)/(fd). (6.47) Фильтрующее действие считывающего элемента в данном случае дополняется фильтрующим действием объектива 2.

Приемный аппарат может иметь устройство, схема которого изображена на рис.6.27. В подобных системах его часто называют фоторегистратором.

Несмотря на разнообразие конструкций передающих и принимающих аппаратов, преобразования изображений в них принципиально не отличаются и основаны на преобразовании двумерного изображения в одномерный сигнал времени. Последний последовательно передает все изображение на приемный аппарат.

Однако известны и получили некоторое распространение системы передачи изображения на расстояние одновременно по системе многоканальной связи. В данных системах осуществляется дискретизация двумерного изображения по обеим координатам х и у.

Наиболее наглядным примером подобной системы является система передачи и записи изображения с использованием жгута волоконной оптики.

На входе системы имеется объектив 1 (рис.6.29,а), который строит изображение объекта на входном торце жгута волоконной оптики 2. Последний состоит из множества стеклянных волокон диаметром d, прилегающих вплотную друг к другу (рис.6.29,б). По волокнам передаются сигналы изображения. Яркость выходного торца каждого волокна пропорциональна освещенности участка изображения, построенного объективом на его входном торце. В результате на выходном торце жгута волоконной оптики образуется изображение объекта. Это изображение переносится объективом 3 на поверхность светочувствительного материала 4. Принципиально светочувствительный материал может быть расположен вплотную к выходному торцу жгута волоконной оптики. Подобные системы применяются для фотографирования труднодоступных объектов (например, в местах с повышенной радиацией, при медицинском обследовании внутренних органов человека и т.п.). Распределение освещенности в считывающем элементе и его ПЧХ в данном случае определяются функциями (6.46) и (6.47).

Рис.6.29. Схема системы с волоконной оптикой Преобразования изображения, аналогичные рассмотренным в данном разделе, происходят в кинотелевизионных и видеосистемах.

6.5. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ В КИНОТЕЛЕВИЗИОННЫХ И ВИДЕОСИСТЕМАХ Видеосистемой называется система, предназначенная для записи, преобразований и воспроизведения движущихся изображений телевизионными, т.е. электронными методами. Воспроизводимое видеосистемой изображение принципиально не отличается от изображения, создаваемого в обычном фотографическом кинематографе. Вследствие этого часто видеосистему называют электронным кинематографом. Быстрое развитие телевидения и видеотехники создает реальную возможность полной замены традиционного фотографического кинематографа на электронный кинематограф.

В видеосистемах запись сигнала изображения производится на магнитную ленту или на оптические (лазерные) диски.

Кинотелевизионные системы включают в процесс записи, преобразований и воспроизведения движущегося изображения как фотографические, так и электронные средства. Эти системы можно назвать электронно-фотографическим кинематографом.

Изображения, записываемые и воспроизводимые в черно-белых видео- и кинотелевизионных системах, описываются функцией трех аргументов F(x,y,t). Однако, как и при анализе фотографического кинематографа, удобно разделить анализ преобразований изображения в этих системах по пространственным координатам и по времени.

В существующих системах электронного и электронно фотографического кинематографов используется стандарт, принятый в телевидении. Поэтому перед тем, как перейти к изучению преобразований изображения в кинотелевизионных и видеосистемах, рассмотрим процесс передачи изображения в телевидении.

На рис.6.30 показана принципиальная блок-схема замкнутой телевизионной системы. Объектив 1 передающей телевизионной камеры строит входное изображение F(x,y,t) на светочувствительном слое (фотокатоде) передающей электронно-лучевой трубки 2.

Считывающий элемент передающей камеры “обегает” пространство х,у, построчно считывая значения освещенности изображения и преобразуя их в электрический сигнал F(t). Считывающий элемент часто называют разлагающим, зондирующим и т.п. Электрический сигнал F(t) поступает в канал связи 3, где происходят его преобразования и передача к приемному устройству 4. Последнее представляет собой телевизор, содержащий электронно-лучевую трубку (кинескоп). В телевизоре воспроизводящий элемент обегает построчно экран кинескопа, покрытый люминофором, и вызывает его свечение, пропорциональное величине электрического сигнала.

Рис.6.30. Блок-схема телевизионной системы В существующей телевизионной системе производится чересстрочная развертка изображения, когда считывающий элемент в передающей телевизионной камере при передаче одного кадра обегает поле кадра дважды, считывая сначала четные строки в изображении (поле 1), а затем нечетные (поле 2). Аналогично выполняется и воспроизведение изображения в кинескопе. Такой способ развертки изображения позволяет при частоте 25 кадров в секунду осуществлять воспроизведение изображения с частотой полукадров (полей) в секунду, что в значительной степени снижает заметность мельканий изображения на экране кинескопа и улучшает передачу движения изображения. При построчной (прогрессивной) развертке считывающий и воспроизводящий элементы во время передачи одного кадра “пробегают” поле изображения только один раз, считывая и воспроизводя последовательно четные и нечетные строки изображения. Для исключения заметности мельканий изображения частота кадров в телевизионном приемнике удваивается путем воспроизведения каждого кадра дважды (как в фотографическом кинематографе). Кроме того, построчная развертка используется в кинотелевизионных системах, когда записанный на магнитной ленте видеосигнал предназначен для перезаписи на кинопленку. Применять в данном случае чересстрочную развертку лишено смысла.

В действительности в каждый данный момент на экране кинескопа отсутствует изображение, а если не учитывать послесвечение экрана, то имеется только одна светящаяся точка.

Однако, как это будет показано ниже, при принятых в настоящее время параметрах телевизионной системы, вследствие фильтрации зрительным анализатором временных частот, зритель воспринимает изображение слитным. Поскольку в данном разделе мы рассматриваем только пространственные преобразования изображения, то условимся, что в плоскости кинескопа помещен некий гипотетический идеальный светочувствительный материал, на котором воспроизводящий элемент телевизора осуществляет запись передаваемого неподвижного изображения. Считаем, что этот идеальный светочувствительный материал не вносит каких-либо изменений в воспроизводимое изображение. При данном условии на конечный результат не оказывает влияния способ развертки (построчный или чересстрочный), а телевизионная система становится до какой-то степени подобием фототелеграфных и телефаксимильных систем. Пространственные преобразования изображения в этих системах подробно рассмотрены в разделе 6.4 и будут использованы при анализе телевизионных систем.

В существующем в нашей стране телевизионном стандарте предусмотрена частота кадров с =25 кадр/с и z=625 строк разложения изображения (по 312,5 строк на полукадр). Формат кадра принят равным k=b к /h к =4/3=1,33. Поскольку размеры экранов кинескопов не постоянны, а могут изменяться в широких пределах, то все пространственные параметры изображения в телевидении принято приводить к высоте h к кадра (экрана). Исходя из этого следует, что частота дискретизации по переменной у равна 1/Y*=z, а шаг дискретизации - Y*=1/z. Здесь z - число строк телевизионного растра. Максимальная полезная частота, передаваемая вдоль оси у, равна z/2.

При установлении телевизионного стандарта, естественно, стремились к тому, чтобы воспроизводящие свойства системы вдоль осей х и у были одинаковы, а анизотропия изображения была мало заметна зрителю. Последнее возможно в том случае, когда максимальная пространственная частота, которую система передает вдоль оси х, так же как и вдоль оси у, была бы равна z/2. Для этого количество периодов гармонического сигнала на ширине кадра вдоль одной строки должно быть равно kz/2=1,33625/2=415,625.

Следовательно, общее количество периодов на все z строк кадра составит kz 2 /2=259765,625. При частоте кадров с =25 с - максимальную временную частоту, которую должен пропустить видеоканал, определит равенство с kz 2 /2=259765,62525=6494140,625 Гц6,5 МГц.

В выполненных вычислениях не учтено время, необходимое для обратного хода считывающего и воспроизводящего элементов при строчной и кадровой развертках. В действительности для возвращения этих элементов после развертки всего кадра в исходное положение тратится =0,08 часть периода смены кадров (по 0,04 на каждый полукадр). Поэтому полезное (активное) количество строк сокращается до z(1-)=625(1-0,08)=575. Только в пределах данного количества строк образуется на экране кинескопа изображение.

Следовательно, теперь для того, чтобы анизотропия изображения была мало заметна, необходимо вдоль оси х иметь kz(1-)/ периодов. На обратный ход элементов при считывании и воспроизведении одной строки тратится =0,18 часть времени передачи этой строки. Для того, чтобы передать все kz(1-)/ периодов вдоль строки, требуется увеличить временную частоту сигнала в 1/(1-) раз. В результате приходим к выражению, принятому в телевидении для определения полосы временных частот сигнала изображения:

ma x =pkz 2 c (1-)/[2(1-)] (6.48) или ma x =p1,33625 2 25(1-0,08)/[2(1-0,18)]=7286108,994pГц7,3p МГц.

Коэффициент р принят в отечественной телевизионной системе равным 0,82, поэтому ma x =7,30,826 МГц. Рассмотрим физическую сущность коэффициента р.

При экспериментальных исследованиях восприятия изображения на экране кинескопа было обнаружено, что если не учитывать коэффициент р, то изображение имеет заметную анизотропию - оно более четкое вдоль оси х, чем вдоль оси у. Казалось бы, что последнее не отвечает положениям теоремы Котельникова. Однако это не совсем так. Рассмотрим вначале данное явление на примере предельного случая. Положим, что на вход системы вдоль оси у подана гармоника с частотой f y =0,5/Y* в два раза меньшей частоты дискретизации 1/Y*:

F в х (y)=А о +Аcos[2y/(2Y*)], показаная на рис.6.31,а.

Рис.6.31. Косинусоида и ее спектр вдоль оси у На том же рисунке изображены выборки значений функции, полученные в результате дискретизации. Из рисунка следует, что по данным выборкам при наличии на выходе системы идеального фильтра Ф 2 может быть восстановлен сигнал F в ы х (y), не отличающийся от поданного на ее вход. Сместим теперь входной сигнал вдоль оси у на четверть периода, т.е. на Y*/2:

F в х (y)=A о +Acos[2(y-Y*/2)/(2Y*)].

Из рассмотрения рис.6.31,б находим, что теперь все выборки равны, т.е. вся информация о входном сигнале потеряна. Отсюда следует, что на выходе либо будет воспроизведен входной сигнал, либо нет. Это объясняется тем, что при принятой частоте косинусоиды на частоте 0,5/Y* cходятся ее основной и первый смещенный (ложный) спектры. Если начальная фаза гармоники равна нулю, то обе спектральные составляющие сходятся с нулевой разностью фаз и их амплитуды складываются. Данный случай иллюстрирует рис.6.31,в, на котором приведен также график спектра импульса, заимствованный из рис.6.24 (при d=Y*). При сдвиге косинусоиды на Y*/2 появляется фазочастотный спектр (f у )= 2f y Y*/2, показанный на рис.6.31,в прямыми линиями. Из рисунка следует, что на частоте f y =0,5/Y* фазовый сдвиг для основной гармоники равен -/2, а для ложной гармоники он противоположен по знаку и равен /2 (для отрицательных частот f y имеет место обратная картина). Следовательно, разность фаз равна, поэтому основной и ложный спектры сходятся в противофазе и подавляют друг друга. Сигнал на выходе отсутствует.

Положим теперь, что на вход подана гармоника с частотой f у, несколько меньшей частоты 0,5/Y*. Ее спектр изображен сплошными стрелками на рис.6.31,г. Ложные спектры гармоники показаны контурными стрелками. На выходе системы ложная гармоника с частотой 1/Y*-f y наложится на основную и исказит ее. Однако амплитуда ложной гармоники более чем основной подавлена фильтром на выходе системы, поэтому ее влияние на основную гармонику будет меньше чем в случае, когда частота входной гармоники была равна f у =0,5/Y*. Это влияние ложной гармоники на основную, т.е. как бы “загрязнение” основной гармоники, будет быстро спадать по мере снижения частоты f у сигнала. Данное явление и объясняет некоторую потерю четкости телевизионного изображения вдоль оси у. Оно представляет собой проявление искажений второго рода. Вполне понятно, что если фильтр Ф 2 на выходе системы полностью подавит все частоты, большие 0,5/Y*, то “загрязнение” основного спектра смещенным будет полностью устранено. Коэффициент р в данном случае будет равен единице.

Поэтому его значение следует выбирать в зависимости от фильтрации на выходе системы пространственных частот, больших 0,5/Y*, а точнее, от значения коэффициента искажений второго рода.

Для телевизионной системы существующего стандарта значение коэффициента р рекомендуется принимать в пределах от 0,75 до 0,9.

Введение в формулу (6.48) коэффициента р=0,82, естественно, снижает четкость изображения, но только вдоль оси х. Вдоль оси у, при сохранении 575 активных строк, соответствующее снижение четкости вызвано проявлением искажений второго рода, о которых сказано выше. В результате для нахождения информационной емкости кадра следует при расчетах принимать не 575 полезных строк, а 5750,82=472 строки и 472/2=236 периодов на высоту кадра h к как вдоль оси у, так и вдоль оси х.

Приведенные вычисления выполнены для системы с чересстрочной разверткой кадра. При построчной развертке все изложенные выше соображения сохраняются. Исключение составляет нахождение количества активных строк изображения.

Действительно, на обратный ход элементов при считывании и воспроизведении одного кадра в системе с построчной разверткой будет затрачено в два раза меньше времени, чем при чересстрочной.

Коэффициент должен быть принят равным не 0,08, а 0,04. Поэтому количество активных строк будет равно 625(1-0,04)=600. В соответствии с формулой (6.48) полоса частот сигнала изображения в телевидении при =0,04 должна быть расширена до 6,25 МГц. В результате, при прочих равных условиях, информационная емкость системы с построчной разверткой увеличится почти на 10%.

Четкость воспроизводимого изображения существенно повысится.

Далее, при анализе пространственно-временных преобразований изображения, будет показано, что построчная развертка имеет и другие достоинства.

Фильтрацию пространственных частот на входе телевизионной системы осуществляет объектив передающей телевизионной камеры и считывающий элемент. Фильтрующее действие объектива описывает его ПЧХ K о б (f х,f у ). Поскольку считывающий элемент имеет конечные размеры, то он усредняет значения входного сигнала, осуществляя фильтрацию нижних частот в спектре передаваемого изображения. Считывающий элемент характеризуется пространственным распределением вдоль осей х и у чувствительности или, как часто говорят, прозрачности, которое опишем функцией F э с (x,y).

Итоговую импульсную реакцию определит свертка ФРТ объектива и считывающего элемента, а ПЧХ передающей камеры равна произведению ПЧХ объектива и считывающего элемента. Влияние объектива передающей камеры на итоговую ПЧХ в современной телевизионной системе сравнительно невелико. Примем в первом приближении, что ПЧХ объектива в пределах передаваемых пространственных частот равна единице, а фильтрующее действие передающей камеры определяется только считывающим элементом.

При общем анализе системы опишем считывающий элемент и его ПЧХ K э с (f х,f у ) функциями (6.26) и (6.27). Рассмотрим, как и ранее (см.раздел 6.4), два случая: 1) диаметр считывающего элемента равен d=Y*;

2) диаметр считывающего элемента равен d=2Y* (см.рис.6.20).

ПЧХ считывающих элементов вдоль оси х для двух рассматриваемых случаев описывают функции (6.33) и (6.34). Их графики приведены на рис.6.32. На этом же рисунке штриховыми линиями показана ВЧХ K к с (f х ) канала связи (ограниченная частотой МГц), приведенная к пространственным частотам в плоскости фотокатода передающей телевизионной трубки.

Рис.6.32. ПЧХ считывающих элементов Значения пространственных частот выражены в количествах линий на высоту h к кадра. В телевидении принято пространственную частоту выражать не количеством светлых линий в изображении миры, как это принято в оптике и фотографии, а количеством темных и светлых линий на высоте h к кадра. Очевидно, что количество “телевизионных” линий, обозначаемых твл, в два раза больше количества “оптических” линий. На рис.6.32 частота выражена как в оптических, так и в телевизионных линиях. Передающие телевизионные камеры принято оценивать разрешающей способностью (вдоль оси х) или глубиной модуляции на частоте, ограниченной каналом связи. Для показанных на рис.6.32 ПЧХ разрешающая способность равна N=2300 и N=1150 твл, а глубина модуляции 0,87 и 0,56 для систем с d=Y* и d=2Y* соответственно.

Итоговая ПЧХ вдоль оси х на выходе канала связи будет равна произведению ПЧХ объектива, считывающего элемента и канала связи, приведенных к пространственным частотам f х :

K(f х )=K о б (f х )K э с (f х )K кс (f х ).

На выходе канала связи сигнал изображения поступает на телевизор, где воспроизводящий элемент “обегает” пространство экрана кинескопа, образуя на нем изображение объекта.

Воспроизводящий элемент характеризуется распределением яркости, которое опишем функцией F э в (x,y). Примем, что воспроизводящий элемент описывает выражение (6.40), а его ПЧХ - формула (6.41).

Тогда ПЧХ K э в (f х ) воспроизводящего элемента вдоль оси х определят равенства (6.42) и (6.43). ПЧХ K т с (f х ) всей телевизионной системы вдоль оси х равна произведению K т с (f х )=K(f х )K эв (f х ).

На рис.6.33 показаны графики ПЧХ K т с (f х ) для двух систем, в первой из которых диаметры считывающего и воспроизводящего элементов равны d=Y*, а во второй - d=2Y*. Как следует из рисунка, разрешающая способность N т с телевизионной системы для обоих рассматриваемых случаев равна 472 твл.

Рис.6.33. ПЧХ телевизионной системы (ось х) Рассмотрим теперь преобразования изображения вдоль оси у.

Поскольку нами принято, что считывающий и воспроизводящий элементы, а следовательно, и их ПЧХ обладают круговой симметрией, то ПЧХ K э с (f у ) вдоль оси у опишут функции (6.31) и (6.32). Их графики в точности повторяют графики ПЧХ считывающих элементов вдоль оси х (см.рис.6.32). Выразим пространственные частоты f y количеством периодов на высоте кадра h к. Тогда шаг дискретизации будет равен Y*=1/575 и формулы (6.31) и (6.32) примут следующий вид:

K э с (f у )=exp[-(f у /1150) 2 ];

для d=Y* K э с (f у )=exp[-(f у /575) 2 ].

для d=2Y* Поскольку половина частоты дискретизации равна - f д /2=1/(2Y*)=575/2=287,5 h к, то на основе формулы (2.48) коэффициент искажений первого рода определит равенство 287,5 и =1-K э с (f у ) df у /K э с (f у ) 2 df у.

- 2 8 7,5 Подставив в данную формулу вышеприведенные значения K э с (f у ) и выполнив вычисления, находим, что для d=Y* коэффициент искажений равен и =0,42, а для d=2Y* и =0,08.

Поскольку канал связи не оказывает влияния на преобразования изображения вдоль оси у, то на экране кинескопа спектр сигнала будет содержать смещенные спектры. Рассуждая аналогично вышеизложенному (см.раздел 6.4), находим, что фильтрующее действие воспроизводящего элемента в значительной степени подавляет смещенные спектры. Коэффициент искажений второго рода на экране кинескопа, как и ранее, равен для d=Y* и =0,42, а для d=2Y* и =0,08.

Таким образом, воспроизводящие свойства системы вдоль осей х и у, определяющие информационную плотность сигнала, для выбранных параметров системы оказываются одинаковыми. Для нахождения итогового коэффициента искажений второго рода необходимо ПЧХ системы вдоль оси f у привести к поверхности сетчатки глаза и умножить на ПЧХ зрительного анализатора. Выше указывалось, что наилучшее расстояние от зрителя до экрана кинескопа составляет четыре высоты экрана. При этом высота изображения экрана на сетчатке глаза при любых размерах экрана равна 4 мм. Следовательно, частота строк (частота дискретизации) на сетчатке глаза равна 575/4=143,5 мм - 1. Согласно методике примера 6.19 определяем, что коэффициент искажений второго рода для системы с d=Y* равен и =0,04, а для системы с d=2Y* - нулю.

Малые значения коэффициента искажений второго рода вызывают сомнение в целесообразности введения коэффициента р в формулу (6.48). Однако следует иметь в виду, что по мере приближения наблюдателя к экрану кинескопа искажения второго рода становятся более заметными. Коэффициент р, равный 0,82, видимо, был введен в результате наблюдения испытательных телевизионных таблиц с малого расстояния от экрана. Если же принять р=1, то полосу пропускания телевизионного сигнала следует увеличить до 7,3 МГц, что крайне нежелательно. Поэтому проблема решается другим путем, а именно, апертурной коррекцией телевизионного сигнала.

При подъеме ПЧХ системы вдоль оси х до уровня, показанного на рис.6.33 штриховыми линиями, четкость изображения вдоль оси х повысится и станет примерно равной четкости изображения вдоль оси у для всех 575 активных строк растра. Однако при этом будет увеличена лишь резкость воспроизводимого изображения, а детальность сохранится на прежнем уровне. Изображение будет воспринято излишне “жестким”.

В современных передающих телевизионных камерах произошел почти полный переход от передающих телевизионных трубок к твердотельным матрицам ПЗС. Матрицы ПЗС имеют неоспоримые преимущества перед электронно-лучевыми трубками: они меньше по размерам, более экономичны, более долговечны, механически прочнее, надежнее и др. В телевизионной передающей камере объектив образует изображение на поверхности матрицы. Матрица содержит множество светочувствительных элементов (фотоэлементов) обычно прямоугольной или квадратной формы размером АВ, иногда называемых пикселями. Они образуют ортогональную структуру с шагами дискретизации X* и Y* вдоль осей х и у подобно диафрагмированному точечному линзовому растру, показанному на рис.3.37,в. Следовательно, изображение подвергается дискретизации не только вдоль оси у, но и вдоль оси х.

Для того, чтобы анизотропия изображения была наименее заметна, шаги дискретизации X* и Y* должны быть равны. Необходимо, чтобы количество горизонтальных рядов, в которых расположены пиксели, было бы равно количеству активных строк, т.е. 575.

Каждый ряд должен содержать 575k=5751,33= светочувствительных элементов, поэтому матрицы ПЗС в современных профессиональных передающих телевизионных камерах должны как минимум состоять из 575765= элементов (пикселей).

Фильтрующее действие считывающих элементов в камерах с матрицами ПЗС заменено фильтрующим действием светочувствительных элементов, которые усредняют участки изображения, образуемого на их поверхности объективом. Если размеры каждого элемента равны АВ, то его ПЧХ определяет формула (3.113), которую перепишем в наших обозначениях (f p x =f х, f р у =f у, K р =K э с ):

K э с (f х,f у )=sinc(f х A)sinc(f у B).

(6.49) На рис.6.34 показаны графики ПЧХ вдоль осей f х,f y для различных размеров светочувствительных элементов. Из рисунка следует, что наилучшее подавление частот, больших половины частоты дискретизации 0,5/X*=0,5/Y*, обеспечивается при А=В=X*=Y*, т.е.

когда элементы вплотную прилегают друг к другу. Однако в матрицах ПЗС размеры А и В элементов обычно меньше шага дискретизации. Из рис.6.34 следует, что в данном случае (А=ВX*=Y*) фильтрующее действие светочувствительных элементов снижается.

Рис.6.34. ПЧХ элементов ПЗС С целью усиления фильтрующего действия элементов используют матрицы ПЗС, спаренные с линзовыми точечными недиафрагмированными растрами. Линзы растра 1 (рис.6.35) расположены перед матрицей 2 со светочувствительными элементами 3. Они образуют изображение выходного зрачка объектива передающей телевизионной камеры в плоскости матрицы 2. В данной системе фильтрацию пространственных частот осуществляют входные зрачки линз растра. Поскольку они примыкают вплотную друг к другу, то, несмотря на малые размеры светочувствительных элементов, фильтрующее действие системы эквивалентно случаю, когда A=В=X*=Y*. Применение линзовых растров, не только снижает искажения первого рода, но и повышает освещенность светочувствительных элементов.

Вычисления показывают, что даже при использовании матриц ПЗС, спаренных с линзовым растром, коэффициент искажений первого рода достигает и =0,15. Для устранения искажений первого рода иногда объединяют по два соседних светочувствительных элемента, как показано на рис.6.35. При этом ПЧХ элементов принимает вид, показанный на рис.6.34 кривой А=В=2Х*=2Y*. В данном случае искажения первого рода практически полностью устраняются, но одновременно снижается информационная емкость кадра. Используются и другие способы устранения искажений первого рода.

Рис.6.35. Матрица ПЗС, спаренная с линзовым растром Если фильтрацию пространственных частот вдоль оси х дополнит система электронной обработки видеосигнала, которая полностью подавит частоты, большие половины частоты дискретизации, то в системе с матрицей ПЗС вдоль оси х искажения второго рода в выходном изображении будут полностью отсутствовать.

Матричные телевизионные экраны, заменяющие кинескопы, позволяют изготавливать “плоские” телевизоры и большие телевизионные экраны. Матричные экраны состоят из множества светодиодов или плазменных элементов, излучающих свет, пропорциональный величине поданного на них электрического сигнала. Вполне понятно, что для передачи всей информации, содержащейся в телевизионном сигнале, количество светоизлучающих элементов матричного экрана должно быть таким же, как и приведенное выше количество элементов матриц ПЗС.

Фильтрующее действие элементов матричного экрана аналогично фильтрующему действию светочувствительных элементов матриц ПЗС. Если каждый элемент имеет форму прямоугольника со сторонами А и В, то их ПЧХ определяет формула (6.49).

В настоящее время происходит переход от системы аналогового телевидения и видео к цифровой системе. Частота дискретизации видеосигнала черно-белого изображения (сигнала яркости) принята равной д =13,5 МГц, а количество разрядов кодирования составляет m=8 бит. Достоинством цифровой системы электронного кинематографа является возможность исключения потерь информации в процессе записи, тиражирования и воспроизведения цифрового видеосигнала, а также реализации цифровой обработки сигнала, в том числе его сжатия, а следовательно, и сокращения расхода носителя записи. Фильтрация пространственных частот неизбежна только на входе и выходе системы, т.е. в передающей телевизионной камере и в системе воспроизведения изображения.

Цифровая видеосистема является основой для создания театрального электронного кинематографа с демонстрацией изображения на больших киноэкранах. В данной системе для воспроизведения изображения используются видеопроекторы или матричные киноэкраны.

Перспективы развития театрального электронного кинематографа зависят, в первую очередь, от качества изображения, которое он может обеспечить. Как уже было показано, важнейшим показателем качества изображения является его четкость.

Пример 6.20. С использованием критерия В.Г.Комара оценить максимальную четкость изображения в цифровом электронном кинематографе при расположении зрителей на лучших местах зрительного зала (B Э /S Э =0,33).

Найдем вначале зависимость нормированного критерия резкости р от информационной емкости стандартного 35-мм кинокадра (h к =16 мм,b к =22 мм, m=3,2, n=2). Согласно формуле (6.23) имеем р =2500,33/(22f е )=3,75/f е. (6.50) Подставив в это равенство значение f е из формулы (6.24), получим р =3,7585/(Н) 1 / 2 =319/(Н) 1 / 2.

(6.51) Если информационная емкость кадра Н в системе электронного кинематографа будет равна информационной емкости кадра в 35-мм кинематографе, а зритель будет находиться на таком же расстоянии от киноэкрана, то четкость воспринимаемого изображения в обоих случаях будет одинакова.

Максимальная информационная емкость кадра в электронном кинематографе равна (см.разд.4.5) Н= (b к /X*)(h к /Y*)m.

Для цифровой видеосистемы с матрицей ПЗС в передающей телевизионной камере b к /X*=765;

h к /Y*=575;

m=8 бит, следовательно, Н=7655758=3519000бит=2443750 нат.ед.

Подставив это значение в формулу (6.51), получим р =319/2443750 1 / 2 =0,2.

Из табл.6.1 находим, что такому значению р соответств ует оценка четкости изображения “хорошо”.

В примере 6.20 рассмотрен идеальный случай, когда в системе полностью отсутствует шум и дополнительная фильтрация пространственных частот, а количество градаций яркости равно g=256. В реальной системе цифрового электронного кинематографа потеря информации неизбежна в основном на ее входе и выходе. На входе фильтрацию пространственных частот осуществляет оптическая система передающей телевизионной камеры и апертура элементов матрицы ПЗС. Причем эта фильтрация в определенных пределах необходима для устранения искажений первого рода, проявляющихся в виде “муара”, полностью отсутствующих в фотографическом кинематографе. На выходе системы дополнительную фильтрацию пространственных частот вносит видеопроектор или матричный киноэкран.

Положим, что фильтрация пространственных частот происходит только на входе системы и обеспечивает полное подавление частот, равных и больших 0,5/Х* и 0,5/Y*. В данном случае искажения первого рода будут устранены. Пусть ПЧХ оптической части передающей телевизионной камеры описывает функция K(f)=exp[-m(f/N) n ], причем m=5,6 нат.ед.;

N=0,5/X*=0,5/Y*;

n=2. Тогда информационная емкость кадра (см.разд.4.5) H=(h к /Y*)(b к /X*)m[1-2/(n+2)] (6.52) или Н=5757655,60,5=1231650 нат.ед.

Подставив это значение Н в формулу (6.51), находим р =319/1231650 1 / 2 =0,29.

Теперь четкость изображения оценивается не на “хорошо”, а на “почти хорошо” (см.табл.6.1).

Неизбежная частичная засветка изображения рассеянным светом в передающей телевизионной камере и при видеопроекции, наличие шумов и ограниченный контраст изображения на выходе системы снижают количество передаваемых градаций яркости, т.е. значение параметра m, а следовательно, и информационной емкости кадра. В существующих условиях видеопроекции количество передаваемых градаций яркости составляет лишь g=7...8. Следовательно, m=1,9...2,1 нат.ед. Примем m=2,1. Подставив это значение в формулу (6.52), находим Н=461869 нат.ед. Согласно выражению (6.51) такой информационной емкости кадра соответствует критерий резкости р =0,47 и оценка качества изображения “удовлетворительно”.

Таким образом, найденная в примере 6.20 оценка четкости изображения в электронном кинематографе является предельно возможной. В реальных системах оценка четкости всегда будет ниже.

При этом, однако, следует помнить о том, что неизбежный спад ПЧХ на высоких частотах на входе и выходе системы может быть несколько скомпенсирован подъемом временной частотной характеристики электронной системы на высоких частотах.

Учитывая, казалось бы, чрезмерно большое значение отношения сигнал/шум (m=8 бит=5,6 нат.ед., g=256), принятое в цифровой системе, подобная апертурная коррекция не приведет к заметному возрастанию шумов в воспроизводимом изображении. Путем цифровой обработки сигнала принципиально возможно осуществить апертурную коррекцию изображения не только вдоль оси х, но и вдоль оси у.

Дальнейшее повышение четкости изображения достижимо совершенствованием системы видеопоказа, в первую очередь путем увеличения динамического диапазона воспроизводимого изображения. Наиболее перспективна в данном направлении замена видеопроектора матричным киноэкраном.

Даже при выполнении всех указанных выше мер, четкость изображения в современной системе электронного кинематографа вряд ли может быть поднята выше оценки “почти хорошо”.

Таким образом, современная телевизионная система, так же как и современный 35-мм кинематограф, не обеспечивает воспроизведение отличного по четкости изображения. Любопытно то, что причины этому аналогичны. Как и при установлении параметров кинематографической системы, при разработке телевизионного стандарта стремились к тому, чтобы телевизионная система “видела” пространство так же, как и глаз наблюдателя. Действительно, частота телевизионного растра, приведенная к поверхности сетчатки глаза (143,5 мм - 1 ), примерно равна разрешающей способности глаза (150 мм - 1 ), а для воспроизведения физиологически точного по четкости изображения, согласно теореме Котельникова, должна превышать разрешающую способность ЗА в два раза. (Аналогично, например, установлена частота дискретизации при цифровой записи звука, как это показано в разд.5).

Если частоту телевизионного растра, приведенную к поверхности сетчатки глаза, принять равной 1502=300 мм - 1, то число активных строк должно составить 3004=1200. В принятом недавно новом стандарте цифрового телевидения высокой четкости установлены количество активных строк, равное 1080, и формат кадра k=16/9=1,78. В новом стандарте предусмотрена, в частности, система электронного кинематографа с построчной (прогрессивной) разверткой изображения и частотой кадров с =24 кадр/с. Найдем оценку четкости изображения в данной системе электронного кинематографа.

П р и м е р 6.21. Найти оценку максимальной четкости изображения в цифровой системе электронного кинематографа, если изображение состоит из 10801920 элементов, а динамический диапазон составляет m=8 бит.

Данная кинематографическая система относится к широкоэкранному кинематограф у. Как было показано выше, в широкоэкранном кинематографе высота экрана равна высоте экрана в обычном кинематографе, а лучшие зрительские места находятся, как и в обычном кинематографе, на расстоянии S Э =4H Э от экрана. Поэтому при вычислениях доп устимо принять во внимание количество элементов изображения 10801480. При этом формат кадра будет соответствовать формату кадра в обычном кинематографе, т.е. k=1,37. Такое сокращение количества элементов по горизонтали не снизит резкость изображения, воспринимаемого зрителем с лучших мест кинотеатра.

Увеличение количества элементов до 1920 приведет лишь к расширению поля зрения зрителей по горизонтали.

Максимальная информационная емкость кадра равна Н=108014808=12,810 6 бит=8,910 6 нат.ед.

Подставив данное значение в формулу (6.51), находим р =319/(8,910 6 ) 1 / 2 =0,11.

Это соответствует четкости изображения, оцениваемой на “отлично” (см.табл.6.1).

В результате неизбежной дополнительной фильтрации пространственных частот на входе и выходе системы, наличия шумов и ограниченной величины контраста изображения, как и в приведенном выше случае, в реальной системе цифрового электронного кинематографа нового стандарта четкость изображения вряд ли может превышать оценку “почти отлично”.

Таким образом, система электронного кинематографа нового стандарта по четкости воспроизводимого изображения практически сравнялась с обычным 35-мм кинематографом и явно превосходит широкоэкранный 35-мм кинематограф с кашетированным кадром (см.пример 6.10). Если данная система по экономическим и эргономическим соображениям окажется более выгодной, чем система фотографического кинематографа, то со временем сможет ее полностью вытеснить. Однако, как будет показано в разделе 8, и у фотографического кинематографа резервы еще полностью не исчерпаны.

Перейдем теперь к анализу пространственных преобразований изображения в кинотелевизионной системе (КТС).

Наиболее распространены два вида КТС:

- с записью изображения на кинопленку в обычной кинематографической системе, преобразованием изображения в телевизионный сигнал и воспроизведением его на экране кинескопа (КТС-1);

- с записью изображения видеосредствами на магнитную ленту, перезаписью изображения на кинопленку и воспроизведением его на киноэкране (КТС-2).

На рис.6.36 приведены упрощенные блок-схемы обычной кинематографической и обычной телевизионной систем. В кинематографической системе (КС) входное изображение F в х (x,y) поступает на ее вход, подвергается пространственной фильтрации в звеньях системы и воспроизводится на киноэкране (КЭ), наблюдаемом зрителем (ЗА). В телевизионной системе (ТС) входное изображение поступает на ее вход, подвергается преобразованиям и передаче, а затем воспроизводится на телевизионном экране (ТЭ), наблюдаемом зрителем (ЗА).

К инематографическая система Телевизионная система F в х (x,y)КСКЭЗА F в х (x,y)ТС ТЭЗА Кинотелевизионные системы КТС-1 КТС- F в х (x, y)КССП 1 ТСТЭЗА F в х (x,y)ТССП 2 КСКЭЗА Рис.6.36. Схемы кинематографической, телевизионной и кинотелевизион ной систем В кинотелевизионной системе КТС-1 (см.рис.6.36) входное изображение поступает на вход кинематографической системы (КС), где подвергается таким же преобразованиям, как и в обычной кинематографической системе. Однако на выходе системы изображение подается не на киноэкран, а на вход телевизионной системы (ТС) через систему перевода изображения (СП 1 ). Роль последней выполняет телекинопроектор. Только после этого изображение возникает на телевизионном экране (ТЭ), наблюдаемом зрителем (ЗА). Следовательно, в КТС-1 изображение по сравнению с обычной кинематографической системой подвергается дополнительной фильтрации по пространственным частотам в системе перевода изображения и в телевизионной системе, а по сравнению с обычной телевизионной системой - подвергается дополнительной фильтрации в системе перевода изображения и в кинематографической системе.

Преобразование кинематографического изображения в телевизионный сигнал в телекинопроекторе осуществляется бегущим лучом, проекцией кинокадра на фотокатод передающей телевизионной трубки или на матрицу ПЗС. На рис.6.37 показана упрощенная схема кинопроектора с бегущим лучом. На экране электронно-лучевой трубки 1 образуется предельно малое световое пятно, которое объектив 2 изображает в плоскости фильмокопии 3.

За фильмокопией расположен фотоприемник 4. Во время передачи фильма по телевизионному каналу световое пятно перемещается в горизонтальном направлении по поверхности экрана трубки 1 вдоль оси х. При этом изображение светового пятна перемещается по поверхности фильмокопии 3, осуществляя считывание изображения вдоль строки. Фильмокопия во время передачи движется с постоянной скоростью в направлении, указанном стрелкой. За время развертки одной строки фильмокопия перемещается на величину шага Y* дискретизации, после чего происходит развертка изображения по следующей строке. Световой поток, промодулированный изображением на фильмокопии, попадает на фотоприемник 4, который вырабатывает телевизионный сигнал. В результате происходит построчная развертка изображения. Для чересстрочной развертки принципиальная схема телекинопроектора несколько усложняется. Однако на результаты анализа пространственных преобразований изображения, как на это уже указывалось, вид развертки не оказывает существенного влияния.

Рис.6.37. Схема телекинопроектора В рассматриваемой кинотелевизионной системе КТС-1 световое пятно на поверхности фильмокопии выполняет роль считывающего элемента в передающей телевизионной камере. Распределение освещенности в этом пятне описывает функция F э с (x,y). Данный считывающий элемент осуществляет пространственную фильтрацию изображения, но, в отличие от передающей телевизионной трубки, входное изображение уже отфильтровано кинематографической системой. Следовательно, для нахождения итоговой ПЧХ необходимо перемножить ПЧХ кинематографической и телевизионной систем. Это, естественно, снизит информационную емкость кадра в кинотелевизионной системе по сравнению с информационной емкостью кадра в составляющих ее кинематографической и телевизионной системах. Рассмотрим данный вопрос на конкретных примерах.

П р и м е р 6.22. ПЧХ 35-мм кинематографической системы описывает функция K к (f)=exp[-(f/25) 2 ], ПЧХ считывающего и воспроизводящего элементов телевизионной системы равна K э с (f т в л )=K э в (f т в л )=exp[-(f т в л /N) 2 ], а ПЧХ канала связи - K к с (f т в л )=rect(f т в л /472), где f т в л - частота, выраженная в телевизионных линиях (твл). Найти ПЧХ K к т с (f) кинотелевизионной системы, приведенную к пространственным частотам f, принадлежащим поверхности фильмокопии для дв ух случаев: 1) d=Y*;

2) d=2Y*.

1) Из рис.6.32 для d=Y* находим N=2300 твл, поэтому K э с (f т в л )=K э в (f т в л )=exp[-(f т в л /2300) 2 ].

ПЧХ сквозной телевизионной системы равна K т с (f т в л )=K э с (f т в л )K э в (f т в л )K к с (f т в л )= =exp[-(f т в л /2300) 2 ]exp[-(f т в л /2300) 2 ]rect(f т в л /472)= =exp[-(f т в л /1631) 2 ]rect(f т в л /472).

Поскольку в 35-мм кинематографе высота кадра h к =16 мм, то f=f т в л /(216)=f т в л /32. Следовательно, K т с (f)= exp[-(f/51) 2 ]rect(f/15). (6.53) Итоговая ПЧХ кинотелевизионной системы:

K к т с (f)= K к (f)K т с (f)=exp[-(f/25) 2 ]exp[-(f/51) 2 ]rect(f/15) или K к т с (f)=exp[-(f/22) 2 ]rect(f/15). (6.54) 2) Из рис.6.32 находим для d=2Y* N=1150 твл. Выполнив вычисления, аналогичные п.1, имеем K т с (f)=exp[-(f/25) 2 ]rect(f/15), (6.55) K к т с (f)=exp[-(f/18) 2 ]rect(f/15). (6.56) П р и м е р 6.23. Найти информационную емкость кадра на фильмокопии для кинематографической, телевизионной и кинотелевизионной систем согласно параметрам примера 6.22.

Информационную емкость кадра в кинематографической системе находим согласно формуле (4.30) H к =425 2 22163,14(1-2(2+2) -1 ]=1,3810 6 нат.ед.

Информационную емкость кадра в телевизионной системе определяем на основе формул (4.51), (6.53) и (6.55) учитывая, что шаг дискретизации в плоскости фильмокопии равен Y*=16/575=0,028 мм:


для d=Y* H т с =415 2 22163,14[1-2(2510,028) - 2 (2+2) -1 ]= =0,9410 6 нат.ед., для d=2Y* H т с =415 2 22163,14[1-2(2250,028) - 2 (2+2) - 1 ]= =0,7410 6 нат.ед.

Информационную емкость кадра кинотелевизионной системы находим на основе формул (4.51), (6.54) и (6.56):

H к т с =415 2 22163,14[1-2(2220,028) - 2 (2+2) - 1 ]= для d=Y* =0,6710 6 нат.ед., для d=2Y* H к т с =415 2 22163,14[1-2(2180,028) - 2 (2+2) - 1 ]= =0,5110 6 нат.ед.

Из анализа результатов примеров 6.22 и 6.23 можно сделать вывод о том, что в КТС-1 информационная емкость кадра, а следовательно, и четкость изображения ниже, чем в кинематографической и телевизионной системах, составляющих кинотелевизионную систему, и для параметров, принятых в примерах, не превышает оценки “удовлетворительно”.

Несмотря на сравнительно низкое качество изображения, воспроизводимого в кинотелевизионных системах КТС-1, они получили исключительно широкое распространение в телевидении для передачи кинофильмов по телевизионным каналам и в видеотехнике для перезаписи кинофильмов на видеокассеты.

В кинотелевизионной системе КТС-2 (см.рис.6.36) входной сигнал F в х (x,y) поступает в телевизионную систему (ТС), в которой претерпевает рассмотренные выше преобразования и записывается на магнитную ленту. Далее посредством системы перевода СП телевизионный сигнал подается в кинематографическую систему (КС). В ней происходит запись изображения на кинопленку, все необходимые преобразования и воспроизведение изображения на киноэкране (КЭ). Перевод изображения с магнитной ленты на кинопленку осуществляется непосредственной пересъемкой киносъемочным аппаратом изображения с экрана кинескопа, лазерным записывающим устройством или электронным лучом в вакууме.

Как и в КТС-1, телевизионная и кинематографическая системы в КТС-2 включены последовательно, поэтому четкость итогового изображения всегда будет ниже, чем в каждой из этих систем, взятых раздельно. В данной системе существенную роль на качество итогового изображения оказывает система перевода СП 2 и технологический процесс создания кинофильма.

При переводе изображения с магнитной ленты на кинопленку путем киносъемки с экрана кинескопа считывающий и воспроизводящий элементы образуются как в обычной телевизионной системе: в передающей телевизионной камере и в кинескопе. При диаметрах этих элементов, равных Y* или 2Y*, итоговая информационная емкость кадра находится по методике, аналогичной использованной в примерах 6.22 и 6.23.

Информационная емкость кадра может быть несколько повышена, если в результате киносъемок c экрана кинескопа получать нужное количество контратипов, используемых в дальнейшем для печати с них массовых фильмокопий. В данном случае в результате устранения оригинального негатива и печати с него промежуточного позитива итоговая разрешающая способность кинематографической системы будет несколько повышена. Следовательно, и четкость получаемого на фильмокопии изображения возрастет.

В лазерных записывающих устройствах воспроизводящий элемент образуется непосредственно на поверхности кинопленки. На рис.6. показана схема одного из реализованных лазерных записывающих устройств. Свет, излучаемый лазером 1, направляется к модулятору света 2, на который подается телевизионный сигнал. Параллельный пучок света, исходящий из расширителя 3, отражается от зеркальной грани конического многогранного зеркального барабана 4, попадает в зрачок объектива 5 и собирается в его фокальной плоскости. В данной плоскости находится и фокальная плоскость объектива 6, вновь преобразующего световой пучок в параллельный. Качающееся зеркало 7 направляет параллельный пучок лучей к объективу 8, образующему воспроизводящий элемент непосредственно на поверхности кинопленки 9, находящейся в фильмовом канале 10.

Рис.6.38. Схема лазерного записывающего устройства Во время перезаписи зеркальный барабан 4 вращается с постоянной скоростью, обеспечивая строчную развертку изображения, осуществляемую перемещением воспроизводящего элемента в горизонтальном направлении вдоль оси х по поверхности кинопленки 9. Качающееся зеркало 7 выполняет кадровую развертку, перемещая за время записи одного поля воспроизводящий элемент от верхней до нижней границы кадра на кинопленке 9. Последняя после записи двух полей кадра перемещается грейферным механизмом на шаг кадра. Если телевизионная система осуществляет не чересстрочную, а построчную развертку изображния, то кадровая развертка возможна не качающимся зеркалом, а непрерывным движением при записи кинопленки 9.

Лазерное записывающее устройство обеспечивает несколько лучшие результаты, чем непосредственная киносъемка с экрана кинескопа. Это достигается в основном за счет уменьшения диаметра воспроизводящего элемента, приведенного к поверхности кинопленки.

Дальнейшее улучшение четкости изображения обеспечивается перезаписью изображения электронным лучом. Диаметр воспроизводящего элемента в плоскости кинопленки в подобных устройствах может достигать 5 мкм. Однако необходимость помещения всей системы в вакуум значительно усложняет ее применение. Кроме того, и эта система при существующем телевизионном стандарте не может обеспечить получение изображения, эквивалентного по четкости получаемому в современном кинематографе.

Следовательно, при использовании существующего телевизионного стандарта, КТС-2 не может обеспечить качества изображения, получаемого в традиционной 35-мм фотографической кинематографической системе. Этим объясняется то, что КТС-2 не получила пока широкого распространения в фильмопроизводстве, несмотря на ее очевидные преимущества (бесшумность передающих телевизионных камер, возможность немедленного просмотра снятого материала и т.п.). Несомненно, что данная система получит применение при внедрении цифрового телевидения высокой четкости и создании систем перевода изображения, не снижающих четкости итогового изображения.

К кинотелевизионным системам может быть отнесен также получивший в последнее время некоторое распространение так называемый цифровой кинематограф. Последний основан на получении исходного негатива киносъемкой на стандартной кинопленке, с дальнейшим вводом изображения в компьютер, его цифровой обработкой и выводом на киноленту. Подобная система позволяет заменить комбинированные киносъемки и даже получать кадры, которые традиционными методами комбинированных киносъемок получить невозможно. Она используется также для устранения дефектов в изображении (царапин, пятен и т.п.), а также для некоторых исправлений изображения, например удаления излишних деталей изображения.

Для ввода изображения в компьютер используют телекинопроектор, а для вывода - лазерное записывающее устройство или систему с записью изображения электронным лучом в вакууме. В данном случае указанные устройства иногда называют фильмсканером и фильмпринтером. На выходе системы изображение на кинопленке может быть получено также киносъемкой с экрана дисплея ЭВМ.

Основным требованием к цифровому кинематографу является необходимость сохранения информации, содержавшейся в исходном негативе. Кадры, полученные в результате цифровой обработки, не должны отличаться по четкости от включенных в кинофильм кадров, полученных непосредственной печатью с оригинального негатива или с контратипа. Поскольку после преобразования аналогового сигнала в цифровой потери информации в нем произойти не может, то причиной потери информации является лишь фильтрующее действие фильмсканера и фильмпринтера. Рассмотрим данный вопрос на двух конкретных примерах получения промежуточного позитива (или фильмокопии): 1) традиционным методом путем печати с оригинального негатива;

2) вводом оригинального негатива в компьютер с записью промежуточного позитива на выходе компьютера.

П р и м е р 6.24. ПЧХ системы записи оригинального 35-мм негатива описывает ф ункция K З (f)=exp[-(f/60) 2 ], полученная перемножением ПЧХ киносъемочного объектива, киносъемочного аппарата и негативной кинопленки. ПЧХ контратипной кинопленки определяет функция K к п (f)=exp[ (f/120) 2 ], а кинокопировального аппарата - K к а (f)=exp[-(f/300) 2 ]. Найти требуемое количество строк z разложения изображения;

ПЧХ системы получения промежуточного позитива традиционным методом;

ПЧХ системы получения промежуточного позитива после компьютерной обработки оригинального негатива, если размер считывающего и воспроизводящего элементов равен: 1)d=10 мкм;

2) d=2 мкм, а ПЧХ фильмсканера и фильмпринтера описывает ф ункция K ф с (f)= K ф п (f)=exp[-(fd/2) 2 ].

Поскольку разрешающая способность негатива N н =60 мм - 1, то в соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации должна быть равна f д =2N н =120 мм -1. Следовательно, количество строк на высоте кадра z=120h к =12016=1920, а шаг растра Y*=1/f д =1/120=0,0083 мм=8,3 мкм.

1) При диаметре считывающего и воспроизводящего элементов d=10мкм ПЧХ фильмсканера и фильмпринтера K ф с (f)=K ф п (f)=exp[-(f/200) 2 ].

Итоговая ПЧХ системы получения промежуточного позитива K п ц (f)= K З (f)K ф с (f)K ф п (f)K к п (f)= =exp[-(f/60) 2 ]exp[-(f/200) 2 ]exp[-(f/200) 2 ]exp[-(f/120) 2 ].

Произведя вычисления, находим K п ц (f)=exp[-(f/50) 2 ].

2) Аналогичным путем определяем ПЧХ для d=2 мкм:

K п ц (f)=exp[-(f/54) 2 ].

Если промежуточный позитив получен печатью с оригинального негатива, то ПЧХ равна K п (f)= K З (f)K к а (f)K к п (f)= =exp[-(f/60) 2 ]exp[-(f/300) 2 ]exp[-(f/120) 2 ]=exp(-(f/53) 2 ].

П р и м е р 6.25. Для систем, имеющих параметры примера 6.24, найти информационную плотность промежуточного позитива, полученного традиционным методом и после цифровой обработки.

Согласно формуле (4.31) для промежуточного позитива, полученного тра диционным методом, имеем H р =453 2 3,14[1-2(2+2) - 1 ]=17640 нат.ед./мм 2.

Для промежуточного позитива, полученного после цифровой обработки, H р ц =450 2 3,14[1-2(2+2) -1 ]=15700 нат.ед /мм 2 ;

d=10 мкм H р ц =454 2 3,14[1-2(2+2) -1 ]=18312 нат.ед./мм 2.


d=2 мкм Из анализа результатов примеров 6.24 и 6.25 следует, что при получении промежуточного позитива после цифровой обработки негатива имеет место потеря информации при больших диаметрах (10 мкм) считывающего и воспроизводящего элементов. При малых же диаметрах (2 мкм) четкость получаемого изображения даже несколько повышается. Таким образом, в системах ввода-вывода изображений следует стремиться обеспечить минимально возможные диаметры считывающего и воспроизводящего элементов. Следует иметь в виду то, что не зависимо от диаметра считывающего элемента появление искажений первого рода исключено, поскольку частота дискретизации принята в два раза большей максимальной пространственной частоты, содержащейся в спектре оригинального негатива. Искажения же второго рода будут полностью устранены, если частоты, большие половины частоты дискретизации, будут подавлены воспроизводящим элементом, всеми последующими звеньями кинематографической системы и зрительным анализатором наблюдателя.

Как было показано выше, наименьший диаметр (до 5 мкм) воспроизводящего элемента обеспечивает система записи электронным лучом в вакууме. В оптических фильмсканерах и фильмпринтерах минимальный размер считывающего и воспроизводящего элементов ограничивают аберрации оптических систем, которые работают при достаточно больших углах поля зрения. Предельно малые размеры как считывающих, так и воспроизводящих элементов может обеспечить лазерное устройство, схема которого показана на рис.6.39. При считывании изображения с негатива 5 лазер 1 совместно с расширителем 2 образуют широкий параллельный пучок света, который направляется к четырехгранной зеркальной пирамиде 3. С пирамидой жестко соединены четыре объектива 4, один из которых (на рисунке нижний) образует считывающее световое пятно на поверхности негатива 5. Последний находится в желобчатом фильмовом канале 6. Под негативом расположен светопровод 7, направляющий весь свет, прошедший через негатив, к фотоприемнику 8. Во время считывания пирамида вместе с объективами вращается с постоянной скоростью в направлении стрелки А, осуществляя горизонтальную строчную развертку считывающего элемента вдоль оси х негатива. Негатив перемещается с постоянной скоростью в направлении стрелки Б, производя кадровую развертку изображения. Вырабатываемый фотоприемником 8 электрический сигнал поступает в аналогово цифровой преобразователь компьютера.

Рис.6.39. Схема устройства ввода-вывода изображения вкомпьютер При выводе изображения из компьютера используется устройство, аналогичное изображенному на рис.6.39. В данном случае на пути светового потока, исходящего из лазера 1, устанавливают модулятор света, показанный на рис.6.39 штриховыми линиями. Вместо негатива 5 в устройство заряжается светочувствительная (обычно контратипная) кинопленка. Запись осуществляется аналогично считыванию изображения.

В подобных системах, благодаря тому, что изображения считывающего и воспроизводящего элементов образуются на оптической оси объектива (следовательно, его угол поля зрения равен нулю), а излучение лазера монохроматично, не представляет труда создать объективы дифракционно ограниченными при очень больших относительных отверстиях. В данном случае (см.раздел 3) диаметр элементов равен d=2,44/.

Если принять =0,5 мкм, а =1/1, то d=1,22 мкм.

Подобные устройства сводят потери информации в системе цифрового кинематографа до допустимых пределов. При получении же на выходе компьютера промежуточного позитива, а особенно контратипа, достигается даже некоторое улучшение четкости изображения на фильмокопии по сравнению с фильмокопией, полученной традиционным методом.

Таким образом, метод цифрового кинематографа позволяет производить цифровую обработку изображений и в то же время может повысить качество изображения на киноэкране.

6.6.ЭЛЕКТРОННАЯ ФОТОГРАФИЯ Электронная фотография предназначена для получения электронными (телевизионными) методами отдельных снимков, которые воспроизводятся на экране телевизора, на экране дисплея персональной ЭВМ или в виде отпечатков на бумаге, называемых “жесткими копиями”.

Условно электронную фотографию можно разделить на видеофотографию и цифровую фотографию.

Видеофотоаппарат содержит фотографический объектив, который образует изображение объекта на поверхности матрицы ПЗС, и устройство записи видеосигнала на магнитном диске.

Воспроизведение записанного видеосигнала производится в специальном проигрывателе, приводящем во вращение магнитный диск относительно воспроизводящей магнитной головки.

Видеосигнал подается на стандартный телевизионный приемник, на экране которого воспроизводится изображение снятого объекта. При необходимости с помощью специального принтера изображение записывается на “жесткой копии”. Естественно, параметры подобных систем должны быть согласованы с телевизионным стандартом.

В одном из видеофотоаппаратов запись видеосигнала производится на миниатюрном гибком магнитном диске диаметром 47 мм, помещенном в пластмассовую кассету размером 60543, мм. Развертка сигнала производится по концентрическим кольцевым дорожкам. Диаметр внутренней дорожки равен D mi n =35, а наружной D ma x =45 мм. Всего на диске записывается 50 дорожек, причем на каждой дорожке записывается одно поле кадра. Следовательно, для записи кадра диск должен сделать два оборота. В течение первого оборота запись ведется на одной дорожке, а в течение второго - на соседней. В результате на одном диске осуществляется запись кадров. Для воспроизведения на экране телевизора одного неподвижного изображения видеодиск в проигрывателе должен вращаться с частотой полей, т.е. делать 50 оборотов в секунду. При каждых двух оборотах диска поочередно воспроизводятся первое и второе поле кадра.

Определим четкость изображения, воспроизводимого данной системой видеофотографии. Примем диаметр кольцевой дорожки записи равным его среднему значению, т.е.

D с р =(D ma x +D mi n )/2=(45+35)/2=40 мм. Тогда длина дорожки записи одного поля будет равна S=3,1440=125,5 мм, а линейная скорость записи - V=125,550=6280 мм/с. Если минимальная длина волны записи равна mi n, то система сможет записать и воспроизвести полосу временных частот до ma x = V/ mi n. Положим, что - mi n = 10 мм = 1 мкм, тогда ma x =6280000Гц=6,28МГц. Казалось бы, что такая частота позволяет записать и воспроизвести полный телевизионный сигнал (см.раздел 6.5). Однако это не так. Дело в том, что минимальная частота в телевизионном сигнале равна частоте полей, т.е. 50 Гц, а максимальная - 6 МГц. Такой широкополосный сигнал, как было показано в разделе 2, записать на магнитном носителе без предварительной модуляции сигнала невозможно. Поэтому в данном случае приходится прибегать к частотной модуляции сигнала, которая требует расширения полосы пропускания системы записи. При максимальной частоте, пропускаемой видеоканалом, равной 6,28 МГц, и частотной модуляции частота полезного телевизионного сигнала не может превышать 3-3,5 МГц. Следовательно, четкость изображения в рассматриваемой системе вдоль оси х будет значительно ниже, чем вдоль оси у.

В этой же системе предусмотрена возможность получения не 25, а 50 кадров путем записи только одного поля на одной кольцевой дорожке. При воспроизведении одна магнитная головка считывает за период смены кадра дважды одну и ту же дорожку. В результате на экране кинескопа на соседних строках образуются идентичные изображения. Следовательно, четкость изображения снизится и вдоль оси у. Анизотропия изображения будет уменьшена, но и общая четкость изображения станет также ниже. Но за счет этого будет увеличено количество получаемых снимков.

Конечно, четкость изображения, получаемого в рассмотренной системе видеофотографии, значительно ниже обеспечиваемой телевидением существующего стандарта, а тем более обычной фотографической системой. Однако возможность оперативного просмотра полученных изображений и получения нужного количества отпечатков (“жестких копий”) во многих случаях окупает недостаточно высокое качество изображений. Многие фирмы изыскивают пути повышения четкости изображений, получаемых в подобных системах, главным образом путем совершенствования носителей записи. Известны системы с использованием стандартных гибких магнитных дисков ГМД-89 с диаметром диска 89 мм (3, дюйма).

Цифровая фотография получила применение первоначально в условиях фотостудий. Она основана на записи видеосигнала в цифровой форме. Подобные системы не привязаны к существующему телевизионному стандарту и могут иметь параметры, обеспечивающие заданное качество изображения. Особым достоинством данных систем является возможность цифровой обработки, а в необходимых случаях и исправления изображений. В одной из первых реализованных систем было принято разложение изображения на 700 телевизионных строк с форматом кадра k=1,33.

В соответствии с этим количество элементов матрицы ПЗС, на которой объектив образует входное изображение, составляет 1,33700 2 =651700. Количество разрядов кодирования принято равным n=8бит. Считая, что n=m находим максимальную информационную емкость кадра H ma x =6517008=5,210 6 бит=5,2 Мбит=0,65 Мбайт.

Как было показано в разделе 6.5, информационная емкость кадра на выходе системы будет значительно снижена вследствие неизбежной фильтрации пространственных частот на входе и выходе системы, наличия шумов и ограниченного контраста изображения на выходе системы. Однако требуемая информационная емкость системы записи цифрового сигнала не может быть меньше данного максимального значения. Она должна быть даже несколько увеличена (примерно до 0,75 Мбайт) для записи служебной информации. (При записи цветного изображения требуемая информационная емкость удваивается или даже утраивается).

Стандартные гибкие магнитные диски 3,5 дюйма имеют информационную емкость до 4,5 Мбайт, поэтому на один диск может быть записано лишь 6 цифровых черно-белых фотографий. Это, естественно, создает существенные неудобства в эксплуатации.

Вследствие сказанного цифровая фотография изначально использовалась только в условиях фотоателье, причем видеосигнал от цифрового фотоаппарата вводился непосредственно в компьютер, где записывался на жестком магнитном диске. После цифровой обработки изображения, на принтере, входящем в комплект компьютера, производилась перезапись изображения на “жесткую копию”. В случае необходимости видеосигнал перезаписывался на гибкий магнитный диск или переправлялся адресату по электронной почте.

Совершенствование систем цифровой фотографии шло в двух направлениях - по пути сжатия (компрессии) видеосигнала и по пути изыскания новых носителей записи Выше уже указывалось на то, что информационная емкость аналоговых систем записи изображений значительно превышает количество информации, содержащейся практически в любом конкретном изображении. Цифровая обработка сигнала позволяет сократить эту избыточность перед записью, но восстановить изображение при его воспроизведении с малозаметными зрителю искажениями. Путем подобной цифровой обработки видеосигнала удается сократить требуемую информационную емкость носителя в несколько раз.

Дальнейшее развитие цифровой фотографии шло в направлении разработки оперативных запоминающих устройств, так называемых твердотельных карт памяти. Они имеют небольшие габариты (например, 43363,3 мм) и информационную емкость до 15 Мбайт.

Данные оперативные запоминающие устройства устанавливаются в цифровой фотоаппарат и позволяют записать несколько десятков снимков. После заполнения всей информационной емкости запоминающего устройства цифровой сигнал вводится в компьютер, а твердотельная карта вновь может быть использована для фотографирования. Изображение в случае необходимости подвергается цифровой обработке в компьютере, а затем видеосигнал пересылается адресату по электронной почте, выводится на гибкий магнитный диск или вводится в принтер, входящий в комплект персонального компьютера, где осуществляется печать “жесткой копии”.

Вполне понятно, что методика анализа преобразования изображения в электронной фотографии принципиально не отличается от методики анализа преобразования изображения в телефаксимильных и телевизионных системах.

В настоящее время цифровая фотография с записью сигнала на твердотельных картах памяти получает все более широкое распространение.

Кроме цифровой записи видеосигнала, используется также цифровая обработка изображений, полученных в обычных фотоаппаратах. Для этого, так же как и в цифровом кинематографе, изображение сканируется и оцифровывается, затем вводится в компьютер, где происходит его обработка или исправление. После этого сигнал выводится на принтер и записывается на фотобумагу или на обычную бумагу (например, методом электрофотографии). К системам ввода и вывода сигнала изображения предъявляются такие же требования, как и к подобным системам в цифровом кинематографе (см.раздел 6.5).

Таким образом, в разделе 6 рассмотрены системы записи черно белого изображения, которые относятся ко всем пяти классам систем записи двумерных сигналов (см.рис.1.4). В табл.6.3 приведена классификация данных систем.

Таблица 6. Классификация систем записи черно-белого изображения F(x,y) Класс Система 1. С 2 Н 1 Р 0 Цифровая фотография 2. С 2 Н 1 Р 1 Видеофотография 3. С 2 Н 2 Р 0 Факсимильная система с жг утом волоконной оптики 4. С 2 Н 2 Р 1 Фототелеграф и телефаксимильные системы 5. С 2 Н 2 Р 2 Фотография и электрофотография 7. ЦВЕТНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ 7.1. ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА ЗРИТЕЛЬНЫМ АНАЛИЗАТОРОМ Известно, что детали объекта наблюдения, которые излучают или отражают свет, характеризуются не только яркостью, но и оптическим спектром излучения, т.е. распределением по длинам световых волн интенсивности излучения. С помощью специального прибора - спектрографа можно получить и одновременно зарегистрировать оптический спектр излучения. Аналогично, если объектив или оптическая система глаза человека строит изображение объекта, то его участки также характеризуются вполне определенным оптическим спектром, который может быть объективно измерен.

Зрительный анализатор воспринимает световые излучения с длинами волн в пределах от 400 до 700 нм. В результате сложных физиологических процессов зрительный анализатор преобразует объективно существующий оптический спектр в изображении, образованном на сетчатке, в субъективно воспринимаемый цвет объекта. Восприятие цвета существенно увеличивает количество информации, получаемой зрительным анализатором при наблюдении действительности. Оно облегчает ориентацию в пространстве и, главное, распознавание объектов окружающего человека мира, что имеет важное значение в борьбе за существование. Вследствие этого цветным зрением природа снабдила не только человека, но и многих животных.

В то же время передача цвета в изображении объекта, предназначенного для зрительного восприятия, не несет в себе значительного увеличения информации об объекте, поскольку недостающую в черно-белом изображении информацию дополняет зрительная память наблюдателя. Мы отлично знаем, что небо голубого цвета, трава - зеленого, а лицо - телесного. Только в отдельных случаях важно передать информацию о том, какого цвета развевающийся флаг, костюм актера или его глаза. Сказанное объясняет причину того, что фотография, кинематография и телевидение, долгое время оставаясь черно-белыми, не вызывали особого неудовлетворения зрителей. Черно-белое изображение и до сих пор успешно сосуществует с цветным.

Однако стремление к наиболее реалистичному воспроизведению окружающего нас мира вынуждало ученых и инженеров изыскивать технические решения систем, позволяющих записывать и воспроизводить цветное изображение. На сегодняшний день эта проблема в фотографии, кинематографе и телевидении достаточно полно решена.

Излучения, воспринимаемые зрительным анализатором, делятся на три группы: монохроматические, хроматические и ахроматические.

Монохроматические излучения (поток создается излучением одной длины волны или узким участком спектра) образуют чистые спектральные цвета. Они состоят из цветов непрерывного спектра, полученного в результате разложения (например, дисперсионной призмой) белого света. Спектральные цвета с увеличением длины волны света от 400 до 700 нм постепенно переходят от фиолетового к синему, затем голубому, зеленому, желтому, оранжевому, красному.

Зрительный анализатор различает спектральные цвета, отличающиеся друг от друга по длине волны в среднем на 2 нм. В соответствии с этим можно различить примерно 150 чистых спектральных цветов.

Кроме чистых спектральных цветов существуют также чистые пурпурные цвета. Они в спектре белого света отсутствуют, но могут быть получены сложением красного и фиолетового монохроматических излучений. К 150 монохроматическим спектральным цветам добавляются еще 30 чистых пурпурных цветов.

В природе монохроматические излучения встречаются редко. В основном излучения являются хроматическими, состоящими из совокупности монохроматических излучений. Такие сложные излучения оцениваются распределением интенсивности (мощности) или распределением спектральной плотности потока излучения по длинам волн. Последнее мы и называем оптическим спектром излучения (в отличие от обычного спектра, являющегося функцией частоты). Хроматические излучения характеризуются цветовым тоном, который определяется монохроматической составляющей, преобладающей в оптическом спектре излучения. Цветовой тон оценивается длиной волны того монохроматического излучения, смесь которого с белым дает данный цвет. Два излучения, имеющие одинаковый цветовой тон, могут различаться друг от друга насыщенностью цвета. Последняя оценивается чистотой цвета, определяемой формулой р=L /(L +L б е л ), где L - яркость монохроматической составляющей, L б ел - яркость белой составляющей смеси, образующей излучение, равноценное по насыщенности оцениваемому. Спектральные цвета (L б е л =0) имеют чистоту цвета равную единице. Для белого цвета L =0 и р=0. Для всех остальных промежуточных цветов чистота цвета изменяется от нуля до единицы.

Ахроматические цвета имеют чистоту цвета равную нулю. К ним относятся белые, серые и черные цвета.

Зрительный анализатор различает несколько десятков тысяч цветов, отличающихся цветовым тоном, чистотой и яркостью.

Таким образом, цвет характеризуется яркостью, цветовым тоном и насыщенностью. Совокупность цветового тона и насыщенности называется цветностью цвета. Если яркость дает количественную, то цветность - качественную оценку цвета. Она в основном и определяет воспринимаемый зрительным анализатором цвет объекта.

Оптический спектр излучения содержит в себе информацию, как о цветовом тоне, так и о насыщенности.

Если два объекта имеют один и тот же оптический спектр излучения, то они воспринимаются наблюдателем как объекты одного и того же цвета. Следовательно, если записать на носителе оптический спектр излучения объекта, то в воспроизводимом изображении будет правильно передан цвет объекта. В данном случае можно говорить о воспроизведении физически точного цветного изображения. Подобные системы записи цветного изображения существуют и будут рассмотрены нами ниже. Однако их реализация встречает известные технические трудности. Поэтому запись физически точного цветного изображения пока используется только для специальных целей. В фотографии, кинематографии и телевидении задача решается записью и воспроизведением не физически, а физиологически точного цветного изображения, осуществляемыми с учетом особенностей восприятия цвета зрительным анализатором.

Со времен М.В.Ломоносова предполагалось, а в середине века экспериментально подтверждено, что светочувствительные приемники сетчатки глаза - колбочки не одинаковы по оптическим спектральным свойствам. Разница в распределении оптической спектральной чувствительности позволяет разделить их на три группы.



Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 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.