Средства отображения информации телевизионного типа

Большинство СОИ телевизионного типа в качестве индикатора используют электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Форма элемента отображения в СОИ с электронно-лучевыми индикаторами определяется сечением электронного луча в плос­кости экрана трубки. Это сечение может иметь конфигурацию вы­бранного знака (в знакопечатающих ЭЛТ), в большинстве же случаев оно принимает форму круга малого диаметра (точечный ЭО). Соответственно СОИ на ЭЛТ можно разделить на знакомоделирующие и знакогенерирующие. Основные параметры эле­мента отображения ЭЛТ (геометрические размеры, яркость, цвет) определяются параметрами электронного луча и свойствами лю­минофора.

Адресация ЭО, определяющая положение электронного луча в плоскости экрана ЭЛТ, задается сигналами отклоняющей системы трубки. В каждый момент времени луч занимает определенное по­ложение, фиксируя на информационном поле ЭО. Полное изобра­жение формируется последовательным во времени воспроизведе­нием всех его элементов. Последовательное поэлементное воспро­изведение называется разверткой изображения. Изображение, образованное в процессе развертки совокупностью ЭО, называется кадром.

По принципу организации развертки изображения методы син­теза знаков делятся на растровые и функциональные.

При растровых методах синтеза закон развертки, а следовательно, и траекто­рия перемещения луча по экрану не зависят от формируемой информационной модели. Формирование изображения осуществля­ется модуляцией яркости луча при его прохождении соответствую­щих элементов информационной модели.

При функциональных методах траектория перемещения луча совпада­ет с контурами отображаемых элементов информационной мо­дели ИМ, т. е. закон развертки в этом случае определяется ото­бражаемой информацией. Принятая развертка определяет струк­туру кадра, которую называют растром.

В СОИ применяются два основных типа растра: телевизионный и полиграммный. Телевизионный растр представляет собой совокупность прямых ли­ний, расположенных друг под другом. Средства отображения, ис­пользующие телевизионный растр, называют СОИ телевизион­ного типа или телевизионными СОИ. Полиграммный тип растра представляет совокупность обобщенных фигур-полиграмм, расположен­ных в пределах знакомест информационного поля. В настоящее время полигамные растры используются очень редко. Поэтому здесь мы будем рассматривать в основном принципы построения СОИ телевизионного типа. Такой интерес к телевизионному типу растра обоснован, поскольку он используется не только в устройствах с электронно-лучевыми трубками, но и в некоторых СОИ с газоразрядными и жидкокристаллическими панелями.

3.2. Характеристики телевизионных растров

На рис. 3.1 показан телевизионный растр, образованный ли­нейной прогрессивной разверткой, при которой полный растр обра­зуется за один период кадровой развертки Т_к. Развертка изобра­жения создается в процессе одновременного движения луча по горизонтали вдоль оси X и по вертикали вдоль оси Y. Движение луча по гори­зонтали называют строчной разверткой, а прочерчиваемые при этом линии - телевизионными строками. Перемещение луча по вертикали называют кадровой разверткой, в ре­зультате которой все телевизионные строки располагаются одна под другой. Строчная и кадровая развертки осуществляются с помощью электрических сигналов развертки по X- и Y-осям, подаваемых на катушки строчной и кадровой разверток.

Форма отклоняющих сигналов (тока в катушках развертки) представлена нарис. 3.2. Такие сигналы развертки формируются генераторами строч­ной и кадровой разверток.

Частота кадровой развертки f_к = 1/T_к для ЭЛТ с малым време­нем послесвечения должна быть больше критической частоты мелькания. Обычно частоту f_к выбирают равной частоте сети пере­менного тока, исключая этим эффект перемещения по экрану создаваемой ею помехи.

Частота f_zи период T_z строчной развертки (f_z = 1/T_z) выбирают из условия

f_z = Z× f_к, (3.1)

где Z - число телевизионных строк в кадре, определяющее разре­шающую способность СОИ по вертикали. В телевидении стандар­том принято Z = 625. В высококачественных СОИ распространена так называемая многострочная развертка с Z = 1000 и более.

Период строчной развертки T_z включает в себя время прямого хода луча по строке T_z.пи время обратного хода T_z.o. Изображение формируется за время прямого хода. Отношение T_z..o/T_z = a_z на­зывается коэффициентом обратного хода строчной развертки. Соответственно при известных значениях T_z и a_z можно определить T_z.п = T_z(1 - a_z). Для стандарта телевидения a_z = 0,18.

Период кадровой развертки Т_к = Т_к.о + Т_к.п,где Т_к.п и Т_к.о - время прямого и обратного ходов кадровой развертки. Отношение Т_к.о/Т_к= a_кназывается коэффициентом об­ратного хода кадровой развертки. Число телевизион­ных строк, формируемых за время прямого хода луча, Z_п = (l - a_к)Z. Для стандарта телевидения a_к= 0,08.

На рис. 3.3. показан телевизионный растр, образованный черес­строчной разверткой, которая предусматривает формирование од­ного кадра изображения из двух полей, передаваемых последова­тельно.

В первом поле прочерчиваются нечетные, а во втором - чет­ные строки растра (последние на рисунке показаны штрихпунктирными линиями). Дискретное смещение изображения на одну строку в каждом поле не фиксируется глазом из-за инерционности к восприятию перемещения объектов в поле зрения, если частота смены изображений не менее 15-16 Гц. Поэтому при выборе час­тоты кадров f_к = 25 Гц обеспечивается слитность восприятия изо­бражения двух полей. В то же время воспроизведение изображения в каждом поле с частотой f_п = 2f_к = 50 Гц исключает мерцания яркости, так как выполняется условие f_п ³ f_кчм. Уменьшение частоты кадров в два раза по сравнению с прогрессивной разверткой при том же числе теле­визионных строк в кадре приводит к двукратному уменьшению частоты строчной развертки и требуемой поло­сы пропускания видеоусилителя. Для формирования чересстрочной развертки необходимо обеспечить следую­щие условия: 1) число строк в кадре дол­жно быть нечетным, т. е. Z = 2m + 1, где m - целое число; 2) частоты строчной развертки и полей должны быть жестко связаны между собой условием 2f_z = Z× f_п = (2m+ 1)f_п. В результате выполнения этих условий второе поле начинается с половины строки и все строки оказываются сдвинутыми по вертикали относительно строк первого поля.

Чересстрочная развертка используется в телевизионном веща­нии и в большинстве промышленных телевизионных установок. В СОИ рекомендуется применять прогрессивную развертку, при которой отсутствуют чересстрочные мелькания, приводящие к утом­лению зрения оператора.

К преимуществам СОИ телевизионного типа относятся: 1) универсальность, позволяющая отображать все виды ИМ; 2) возмож­ность совмещения информационных моделей, формируемых мето­дом электронного синтеза (знакогенерации), с полутоновыми теле­визионными изображениями, получаемыми с помощью телевизион­ных камер; 3) возможность использования стандартных телевизион­ных приемников и видеоконтрольных устройств промышленных те­левизионных установок в качестве видеомониторов.

3.3. Принципы формирования знаков в СОИ телевизионного типа

Для формирования знаков растр разбивается (дискретизируется) на отдельные участки - знакоместа, в пределах которых услов­но располагаются матрицы знаков (рис. 3.4). Размер элемента матрицы по вертикали Н_э определяется шириной телевизионной строки и может изменяться дискретно кратно числу телевизионных строк l, выделяемых для формирования одного элемента матрицы. Таким образом, элемент матрицы является укрупненным ЭО, если считать последним точечный элемент, определяемый сечением элек­тронного луча.

Особенность синтеза знаковой информационной модели СОИ с полным телевизионным растром заключается в том, что каждый символ формируется по частям разрывно во времени. В процессе формирования одновременно находятся все знаки, составляющие од­ну текстовую строку. Действительно, двигаясь по телевизионной строке, электронный луч последовательно обходит все элементы одного ряда матрицы знакомест, входящих в одну текстовую стро­ку (рис. 3.4).

Формирование текстовой строки заканчивается после того, как луч проходит телевизионных строк ( = h_з/h_э — относительный размер матрицы по вертикали, выражен­ный числом ее элементов). Затем через ( = h_п/h_э)телевизи­онных строк, образующих интервал между текстовыми строками, начинается формирование знаков следующей текстовой строки.

Для прогрессивной развертки число l может быть любым. Для чересстрочной развертки чаще всего используют размер элемента матрицы по вертикали, равный двум строкам (l = 2) или кратный двум. Это позволяет дублировать знак в каждом поле. Обычно на краях телевизионного растра наблюда­ются наибольшие нелинейные искажения, а кроме того, нестабиль­ность амплитуды сигналов развертки может вывести края растра за пределы экрана. В связи с этим краевые зоны растра не вклю­чают в информационное поле и размеры информационного поля определяют как H = H_рβ_в и B = B_pβ_г, где H_р и В_р-высота и ширина растра и ИП, а β_в и β_г - ко­эффициенты использования телевизионного растра по вертикали и по горизонтали, имеющие обычно значение 0,9-0,7.

Число элементов матрицы, которое можно расположить по вер­тикали в ИП, ограничивается условием

N_эв ≤ Z(1 - α_к)β_в/l. (3.2)

Число текстовых строк N_тс определяется значением N_эви относи­тельными размерами матрицы по вертикали и интервала меж­ду текстовыми строками :

N_тс = N_эв/( + ), (3.3)

или с учетом (3.3)

N_тс ≤ Z(1 - α_к)β_в/ [l( + )]. (3.4)

Элементы, входящие в контур синтезируемого знака, высвечи­ваются путем модуляции интенсивности электронного луча видео­импульсами в момент его прохождения через расположение дан­ного элемента на информационном поле. Если телевизионная строка условно дискретизирована на N_зсэлементов, то время развертки одного элемента

Т_э = T_z (1 - α_z)β_г /N_зс = β_г (1 - α_z)/(N_зсf_z). (3.5)

Минимальный размер элемента матрицы по горизонтали огра­ничивается разрешающей способностью ЭЛТ и граничной частотой тракта видеоусилителя f_в.

Для определения верхней границы час­тотного спектра видеосигнала рассмотрим случай формирования чередующихся темных и светлых полос шириной b_э(рис. 3.5, а). Как видно из рис. 3.5, б, первая гармоника видеосигнала U_вс при этом имеет период Т_вс = 2Т_э.Следовательно, верхняя граница по­лосы пропускания видеоусилителя f_в должна отвечать условию

f_в ≥ 1/2 T_э. (3.6)

При заданной полосе пропускания видеоусилителя выражения (3.3) и (3.4) позволяют определить возможное число элементов отображения, формируемых в телевизионной строке:

N_эс ≤ 2(1 - α_z)β_гf_в / f_z. (3.7)

С учетом формата телевизионного экрана k_ф условие обеспече­ния квадратной формы элемента матрицы может выполняться, если между числом элементов по вертикали и по горизонтали со­блюдается соотношение

N_эс = N_эвk_фβ_г /β_в. (3.8)

Иногда в буквенно-цифровых дисплеях нарушают условие квадратной формы элемента матрицы (h_э ≠ b_э), соответственно изменяя относительный формат матрицы знака ( : ).

При выполнении условия (3.8) верхняя граница полосы про­пускания видеоусилителя в соответствии с выражениями (3.2)-(3.7) определится так:

f_в ≥ f_zZ(1 - a_z)k_ф /[2l(1- α_z)]. (3.9)

Число знаков в текстовой строке N_з.тс определяется чис­лом элементов в строке N_эс, относительными размерами матрицы по горизонтали = b₃/b_эи межзнакового про­бела = b_п/b_Э:

N_з.тс = N_эс / ( + )]. (3.10)

Учитывая (3.7), получим

N_з.тс ≤ 2(1 - α_z)β_г f_в/[f_z( + )]. (3.11)

Общее число знаков, формируемых в кадре

. (3.12)

Таким образом, увеличение числа отображаемых знаков в кадре требует увеличения полосы пропускания видеоусилителя и повышения разрешающей способности электронно-лучевой трубки.