Параметры воспроизводимых телевизионных изображений

Согласование параметров воспроизводимых телевизион­ных изображений с характеристиками зрения.При общей оценке качества телевизионных изображений применимы понятия физиче­ски, физиологически и психологически точного воспроизведения.

При физически точном воспроизведении яркость и цвет каждой точки рассматриваемого объекта должны быть одинаковыми анало­гичным параметрам соответствующих точек телевизионного изобра­жения. .

При физиологически точном воспроизведении зрительный аппа­рат человека практически не замечает разницы между наблюдае­мым объектом и телевизионным изображением, хотя яркость и цвет одноименных элементов могут быть неодинаковыми.

При психологически точном воспроизведении яркость и цвет од­ноименных элементов объекта и соответствующего телеви­зионного изображения могут значительно различаться. Однако по общему восприятию изображения в сознании человека создается вполне определенное суждение о наблюдаемом объекте.

Потребностям среднестатистического наблюдателя отвечает физиологически точное воспроизведение, которое обеспечивает экономическую и техническую возможности реализации телевизи­онной аппаратуры массового применения.

К основным параметрам телевизионных изображений относятся: формат и размеры, номинальное число строк разложения, число воспроизводимых кадров в секунду, яркость и контраст изображе­ния. Оценим номинальные значения основных параметров телеви­зионных изображений.

Формат и размеры телевизионного изображения.Вещатель­ные телевизионные системы предусматривают наблюдение изо­бражений в пределах угловых размеров поля ясного зрения. Исходя из этого условия выбирается формат кадра k_ф т.е. отношение ши­рины изображения b к его высоте h (k_ф=b/h). Первоначально в те­левидении был принят формат изображения k_ф = 4:3 = 1,33. Из гео­метрических соотношений оптимальное расстояние рассматрива­ния A в этом случае устанавливается следующим образом:

А = 0,5h/tgα_в, фактически А ≈ 5h.

Таким образом, на практике непосредственные размеры уст­ройств воспроизведения телевизионных изображений определяют­ся условиями наблюдения.

Последующие психофизиологические исследования показали, что телезрители предпочитают формат телевизионного кадра с со­отношением сторон 16:9. Причем, при достаточно больших разме­рах телевизионного экрана воспроизводимое изображение стано­вится более реальным. Главная причина этого заключается в уве­личении угла зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема воспринимаемой информации. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают впечатление объемно­сти и относительного пространственного расположения рассматри­ваемых объектов. Таким образом, возникает эффект «присутствия» зрителя, заключающийся в сопричастности телезрителя показы­ваемым на экране событиям, в возрастании эмоционального и смы­слового воздействия телевизионных изображений на зрителя.

Поэтому в разрабатываемых перспективных системах телевиде­ния наблюдается тенденция к увеличению угловых размеров теле­визионных изображений при условии, что рассматривание изобра­жения будет осуществляться с расстояния, не превышающего 3h. В этом случае будут обеспечены условия максимальной комфорт­ности при наблюдении телевизионных изображений.

Рассматривать телевизионные изображения с более близкого расстояния (А< 2,5h) не рекомендуется. Это объясняется тем, что при малых расстояниях наблюдения зритель не может охватить взглядом весь экран и не успевает прослеживать быстрые движе­ния (со скоростью 20...30 град/с) объектов в телевизионном кадре. Восприятие телевизионных изображений в таких условиях может привести к сильному утомлению глаз.

Определение необходимого числа воспроизводимых строк.Число строк разложения z является важнейшим параметром теле­визионных изображений, так как оно характеризует степень воспро­изведения мелких деталей в вертикальном направлении растра, т.е. четкость по вертикали. При оценке требуемого числа строк обычно исходят из условия слияния строчной структуры телевизионного изображения на заданном расстоянии рассматривания (рис. 4.11). Практически значение z находится из следующего выражения:

z ⁼ 2α_в/δ_min.

При 2α_в = 12°, δ_min ≈ 1', z≈ 720 строк. В приведенном расчете взята номинальная разрешающая способность глаза, равная 1'. Опытным путем было установлено, что разложение телевизионного изображения примерно на 600 строк является достаточным, обеспечивая вполне хорошее качество (субъективная четкость достигает 95% от максимального значения).

Рис. 4.11. Схема определения числа воспроизводимых строк

На практике номинальное число строк разложения в телевизионных системах было взято равным 625 при условии, что А ≈ 5h.

Если А ≈ (2,5...3)h, то число строк в одном кадре должно быть равным 1200... 1250. По этой причине разрабатываемые перспективные системы воспроизведения изображений получили название «телевидение высокой четкости», т.е. ТВЧ.

Частота кадров воспроизводимых изображений. Наблюдение телевизионного изображения не должно сопровождаться мельканиями яркости при смене кадров. Номинальная частота смены кадров в телевидении выбрана равной 25 Гц, что значительно ниже f_кр. Поэтому в телевизионном вещании применяется так называемая чересстрочная развертка, при которой кадр состоит из двух последовательно передаваемых полей. Номинальная частота полей равна 50 Гц. Время смены полей (0,02 с) полностью согласуется с инерционностью зрительного ощущения (0,1...0,25 с), следствием чего является незаметность мельканий при наблюдении телевизионного изображения.

Яркость и контраст телевизионного изображения. Яркостными параметрами телевизионного изображения являются его средняя яркость L_из.ср, максимальная яркость L_из.max, контраст и число полутонов - различимых градаций яркости m_из. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от содержания изображений. Многолетней практикой установлено, что средняя яркость L_из.ср = 30 кд/м² вполне достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его деталей без особого утомления зрения. При этом яркость в белых местах изображения может достигать L_из.max = 100.. .300 кд/м².

При восприятии телевизионных изображений динамический диапазон изменения яркости - контраст К_из и число воспроизводимых градаций m_из ограничиваются:

- параметрами воспроизводящих устройств;

- условиями наблюдения телевизионных изображений: расстоянием рассматривания, паразитными засветками телевизионных воспроизводящих устройств.

Например, паразитная засветка L_пар снижает воспринимаемый контраст Кʹ по сравнению с номинальной контрастностью К_из, обусловленной диапазоном воспроизводимых яркостей в телевизионном изображении.

Перечисленные причины приводят к тому, что в телевизионном изображении уменьшается число воспринимаемых градаций ярко­сти относительно расчетного значения.

Число различимых градаций яркости m_из влияет на зрительное подобие воспринимаемого телевизионного изображения с непо­средственным наблюдением объекта. Абсолютные значения града­ций яркости в данном случае не могут быть равными, так как не равны воспринимаемые контрастности. Поэтому имеет важное значение, как распределяются воспринимаемые в телевизионном изображении градации яркости относительно яркостных градаций наблюдаемого объекта. При пропорциональном воспроизведении градации яркости телевизионного изображения распределяются равномерно по шкале полутонов рассматриваемого объекта. На­пример, две градации яркости объекта воспроизводятся одной градацией в телевизионном изображении.

При пропорциональном воспроизведении полутонов

m_из = γ m_об (4.6)

где m_из и m_об - соответственно числа градаций яркости телевизион­ного изображения и наблюдаемого объекта; γ - коэффициент про­порциональности, равный числу градаций яркости изображения, воспроизводящих одну градацию яркости объекта (в данном случае γ<1).

Подставив выражение (4.3) в соотношение (4.6), имеем

lg K_из = γ lg K_об, т.е K_из = ,

где K_из и К_об - соответственно значения контраста телевизионного изображения и наблюдаемого объекта.

Таким образом, пропорциональной зависимости градаций ярко­сти соответствует степенная зависимость контрастов, а коэффици­ент пропорциональности равен показателю степени γ.

Обычно градации яркости воспроизводимого телевизионного изображения непропорционально распределяются по градациям рассматриваемого объекта (шкале полутонов). Например, в темных местах несколько градаций яркости объекта воспроизводятся одной градацией яркости изображения, а одна градация яркости в светлых местах воспроизводится интервалом яркости, равным нескольким градациям. В этом случае полутона в темных местах объекта на воспроизводимом телевизионном изображении будут одинаковой яркости (сольются), а в светлых местах будут иметь повышенную контрастность.

В телевидении задача пропорционального воспроизведения полутонов решается использованием специальных электронных корректоров, имеющих необходимую амплитудную характеристику. Подобные устройства получили название гамма-корректоров.

Практикой телевидения установлено, что наилучшее качество изображения в большинстве случаев наблюдается, когда значение результирующего коэффициента γ_рез всей телевизионной системы, определяющего форму амплитудной характеристики, больше единицы, т.е. γ_рез = 1,2... 1,3. Этот случай наиболее приемлем не только для черно-белых, но и для цветных телевизионных систем, несмотря на некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетно важные детали, как правило, находятся в области большей освещенности.

Контрольные вопросы:

4.1. Поясните принципы работы зрительной системы человека.

4.2. Перечислите основные характеристики зрительного анализатора.

4.3. Назовите основные положения теории цветового зрения.

4.4. Объясните принципы построения цветовой системы XYZ.

4.5. Каким образом осуществляется выбор формата и размеров телевизионного изображения?

4.6. Из каких условий определяется число строк разложения телевизионного изображения?

4.7. Чему равняется частота смены кадров в телевизионной системе?

4.8. Дайте количественную оценку яркости и контраста телевизионных изображений.

4.9. Почему в телевизионной системе обеспечивают пропорциональность между воспроизведением полутонов и распределением яркостей в наблюдаемых объектах?

4.10. Как называются электронные устройства, корректирующие амплитудную характеристику телевизионной системы?