ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И ВИДЕОТЕХНИКИ ПРОФЕССОР Н В ЛЫСЕНКО

ОСНОВЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ И ВИДЕОТЕХНИКИ ПРОФЕССОР Н. В. ЛЫСЕНКО (МАТЕРИАЛЫ ЛЕКЦИЙ)

Первичные информационные модели

Тема I Световая информация об объекте и формирование оптического изображения Слайд 3 Световая информация – распределение световой энергии в пространстве (световое поле) Объект – источник световой информации Световое поле объекта F = L (x, y, z, λ, t) Оптическое изображение объекта – совокупность изображений точек поверхности объекта как локальных источников света Световое поле проекции объекта на плоскость F 2 = L (x, y, λ, t)

Тема I Макроскопическая дискретность. Микроскопическая дискретность Слайд 4 ε-область – область, внутри которой невозможно определить точку выхода кванта света, но возможно установить только факт его появления. Если Р{ • } оператор преобразования изображения, то L’ (x, y, λ, t) = P {L(x, y, λ, t)} Р{ • } ≠ 1 искажения var ε областей Энергия светового поля в ε области: Wε = ∫ ∫ L’ (x, y, λ, t) dx dy dλ dt Δxε Δyε Δλε Δtε

Тема I Макроскопическая дискретность. Микроскопическая дискретность Слайд 5 1. В этом случае анализ светового поля объекта заключается в дискретизации пространства на N элементарных объемов с энергией 1. Wjε (j = 1, 2, 3, …, N) x x 2, x 1; y y 2, y 1; λ λ 2, λ 1; t t 2, t 1 N = zxzy υ n, где zx= (x 2 – x 1)/Δxε zy= (y 2 – y 1)/Δyε υ = (λ 2 – λ 1)/Δ λε n = (t 2 – t 1) /Δ tε

Тема I Макроскопическая дискретность. Микроскопическая дискретность Слайд 6 2. Второй способ анализа светового поля объекта: представление светового поля суммой некоторого числа синусоидальных составляющих. Спектральная плотность пространственных (энергетический спектр светового поля объекта): частот где двумерная автокорреляционная функция, x‘, y’ – размеры изображения объекта

Тема I Информационные характеристики объекта Слайд 7 1. Равная вероятность возможных значений энергии в ε области Imax = Hapr = N log 2 (m) = zx zy υ n log 2(m), m – число значений энергии n = 1 – один кадр. 2. Неравновероятные значения энергии в ε областях p(i) – вероятность того, что ε область имеет i тый уровень энергии

Тема I Потери информации в ТВС Источники потерь информации Статистические Апертурные Слайд 8

Тема I Общие особенности телевизионных изображений как первичных информационных моделей Слайд 9 1. Определенная условность информации за счет проективных, масштабных и других преобразований в системе. 2. Загрубленность элементов изображения в зависимости от размера ε областей. 3. Искажения структурного содержания изображения за счет действия шумов. 4. Отсутствие взаимнооднозначного соответствия между элементами изображения и реальных объектов.

Тема I Общие особенности телевизионных изображений как первичных информационных моделей Слайд 10 В основе ТВ передачи лежат следующие физические процессы: § преобразование световой энергии от объекта передачи в электрические сигналы; § передача и прием электрических сигналов; § преобразование электрических сигналов в исходное световое поле объекта. А. Г. Столетов, 1888 – 1890 гг. – внешний фотоэффект А. С. Попов, 1895 г. – беспроволочный телеграф (радио) Б. Л. Розинг, 1907 г. – катодная телескопия

Тема I Общие особенности телевизионных изображений как первичных информационных моделей Слайд 11 П. Нипков, 1895 г. – оптико-механическая ТВС А. А. Полумордвинов, 1899 г. – механическая цветная ТВС с последовательной передачей информации о цвете Я. А. Рыфтин, А. А. Чернышов, 1929 г. – оптико-механическая ТВС на 40 строк 01. 10. 1931 – регулярное ТВ-вещание Я. А. Рыфтин, 1934 – электронная ТВС 1938 – опытный Ленинградский ТВ-центр (240 строк, 25 кадров)

Принципы построения телевизионных систем

Основные принципы построения ТВС Тема I • • Слайд 13 Последовательная передача изображения по элементам (Де-Пайва, 1879 г. , П. И. Бахметьев, 1880 г. ) Точный синхронизм процесса воспроизведения изображения с процессом образования сигналов изображения Принцип алгоритмической избыточности Принцип информационного соответствия Периоды развития ТВС • • Зарождение идей – 1890 – 1920 гг. Механическое ТВ – 1920 1935 гг. Электронное черно белое ТВ – 1936 – 1966 гг. Цветное ТВ – 1967 г. Стереотелевидение 1967 г. Объемное телевидение – 1984 г. Цифровое ТВ – 1990 г. Телевидение высокой четкости (ТВЧ) – 1992 г.

Обобщенная структурная схема ТВС Тема I 1 υ 2 3 4 5 1 – источник визуальной информации 2 – оптическая система 3 – преобразователь свет сигнал 4 – устройство синхронизации 5 – формирование и передача сигнала 6 7 9 Слайд 14 10 8 6 – канал связи 7 – прием и селекция сигналов 8 – развертывающее устройство 9 – преобразователь сигнал свет 10 – приемник визуальной информации

Тема I ТВ-растр – рисунок, образуемый разверткой Слайд 15 При линейно строчной развертке скорости разверток постоянны VГ = const; VВ = const. Основные требования к разверткам: § Одинаковый закон разверток на передающей и приемной сторонах ТВС; § Простой закон формирования развертки; § Постоянство скоростей разверток на прямых ходах; § Синхронность разверток; § Синфазность разверток. Апертура – размер развертывающего элемента

Построчная развертка Тема I Слайд 16 Развертка изображения – перемещение развертывающего элемента в процессе анализа или синтеза изображения по определенному периодическому закону. ε область – элемент ТВИ. Развертка: радиальная, строчная, синусоидальная, линейно строчная, чересстрочная к а д р о в а я h y x Прямой ход Обратный ход b

Тема I Чересстрочная развертка Слайд 17 fкрит ≥ 45 Гц, т. е. fк > 45 Гц fдин ≥ 15 Гц, т. е. fк > 15 Гц Условия формирования чересстрочной развертки: § z = 2 m + 1 – нечетное число строк в кадре; § 2 fz = zfn = (2 m+1)fn § fn = 2 fk Первое поле, нечетные строки Второе поле, четные строки

Тема I Форма апертуры Слайд 18 Форма апертуры определяется распределением чувствительности в пределах элемента разложения. Рис. 1. Различные распределения энергии в пятне: 1 – квадратное; 2; 3 – квадратное; 4 – гауссово; 5 – колокольное. световой Рис. 2. Активная часть пучка.

Форма видеосигнала Тема I Lmin Слайд 19 Lmax Uc Uб t Uч Апертура d ≠ 0 – возникновение апертурных искажений L d ic x = vt

Тема I Спектр видеосигнала Слайд 20 Распределение освещенности в направлении х вдоль произвольной i-той строки: Em(yi) – амплитуда m-й гармоники; m/l – относительная частота; φm – фаза. В направлении y: Em, n – амплитуда m-й гармоники; n/h – относительная частота; φn – фаза. Подставим ( ) в ( )

Тема I Спектр видеосигнала Слайд 21 Двумерное распределение освещенности в изображении: Обозначим: Каждый компонент ряда – пространственно синусоидальная волна

Тема I Спектр видеосигнала Слайд 22 Для линейного преобразования сигнал i (t) = k E (x, y). Т. к. x = vxt, a y = vyt, то сигнал k – коэффициент, определяемый чувствительностью преобразователя; vx/l – частота горизонтальной развертки; vy/h – частота вертикальной развертки; fm, n = mfx + nfy E fx Em, n (0) fy 2 fx 3 fy 3 fx f 0 1 2 3 f

Тема I Спектр видеосигнала Слайд 23 При построчной развертке Δf 0 ~ 0… 2 Гц fmin = fкадров = 1/Tкадр fmax = ½ τуст = ½ tэл. N – число ε областей число элементов изображения. В 1 с передается N 0 = Nfк = kz 2 fк (k – формат растра) fmax = kz 2 fк/2 Для k = 4/3, z = 625, fк = 25 Гц (50 Гц) fmax ≈ 6, 5 МГц (13, 0 МГц)

Тема I Апертурно-импульсная частотная характеристика Слайд 24 m = f(d) m – глубина модуляции сигнала § § § Видеосигнал не является гармоническим колебанием Видеосигнал по своей природе униполярен и содержит постоянную составляющую Видеосигнал можно представить как периодическую функцию с частотами повторения fz = 1/Tz, fк = 1/Tк

Зрительная система человека

Тема II Зрительная система человека Слайд 26

Тема II Строение глаза Поле бинокулярного зрения Слайд 27

Тема II Редуцированный глаз*. Оптическая модель глаза Оптический параметр Слайд 28 Значение Преломляющая сила, диоптрий (дптр) 58, 8 Длина глаза, мм 23, 4 Радиус кривизны преломляющей поверхности, мм 6, 8 Показатель преломления второй среды 1, 4 Радиус кривизны поверхности сетчатой оболочки, мм 10, 2 Переднее фокусное расстояние, мм Заднее фокусное расстояние, мм Положение главных точек относительно роговицы, мм Положение узловых точек, мм 17 23, 8 0 6, 8 * по Вербицкому. См. Мешков В. В. , Матвеев А. Б. Основы светотехники. В 2 х частях. Ч. 2. Физиологическая оптика и колориметрия. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 432 с.

Тема II Световоспринимающая система Слайд 29 Распределение светочувствительных элементов на сетчатке: 1 – палочки (170 млн), 2 – колбочки (34 млн), х расстояние от центра желтого пятна ([3], стр. 42) Динамические диапазоны палочкового и колбочкового зрения Дневное (фотопическое) зрение 104 кд/м 2 ≥ L ≥ 0, 1 кд/м 2 Сумеречное (мезотопическое) зрение 10 кд/м 2 ≥ L ≥ 0, 01 кд/м 2 Ночное (скотопическое) зрение 0, 01 кд/м 2 ≥ L ≥ 10 -6 кд/м 2

Тема II Тип рецепторов Зрительные рецепторы Слайд 30 Пигмент Мах поглощения «Цвет» Палочки Родопсин 510 нм «зеленый» Коротковолновые ( «синие» ) колбочки Иодопсин 430 нм «фиолетовый» Средневолновые ( «зеленые» ) колбочки 530 нм «сине-зеленый» Длинноволновые ( «красные» ) колбочки 560 нм «желто-зеленый» Рецепторы сетчатки образуют мозаику, состоящую из палочек и трех типов колбочек. Какой участок сетчатки могла бы отображать данная схема? Данная схема могла бы отображать участок сетчатки в нескольких градусах от центральной ямки, где колбочек больше, чем палочек.

Тема II Спектральная чувствительность Слайд 31 Относительная спектральная чувствительность глаза определяется отношением энергетических яркостей двух монохроматических излучений (с длиной волны λ = 0, 555 мкм и с длиной волны исследуемого излучения), обеспечивающих одинаковую светлоту ν(λ) = Leλ=0, 555/Le(λ) Измерение спектральной чувствительности колбочкового аппарата проводится при достаточно высокой яркости адаптации наблюдения L ≥ 10 кд/м 2 и размера поля зрения, не превышающего 2 о (кривая 1). Измерение спектральной чувствительности палочкового аппарата проводится в 4 условиях темновой адаптации L ≤ 10 кд/м 2 и большого поля зрения, не менее 30 о (кривая 2). <λL > 380 нм … 760 нм Рис. 1. Кривые относительной видности глаза

Тема II Восприятие яркости Слайд 32 32 ΔL – абсолютное изменение яркости; ΔL/L – относительное изменение яркости; (ΔL/L)min – разностный порог раздражения (Δп )(пороговый контраст); ε – ощущение яркости (светлота); Δε = kΔL/L (для некоторого диапазона яркостей); dε = kd. L/L; ε = k ln L + D. При L = Lп (пороговая яркость) ε = 0 D = – k ln Lп, тогда ε = k ln (L/Lп) – закон Вебера Фехнера Зависимость относительного порога яркости (порогового контраста) от яркости

Тема II Число воспроизводимых градаций Слайд 33 Определим число градаций яркости для ΔL/L = Δп = const. Lф – яркость фона. (L 1 – Lф) / Lф = Δп ; L 1 = Lф(1+ Δп); L 2 = L 1(1+ Δп) = Lф(1+ Δп)2; … LN = Lф(1+ Δп)N ln (LN /Lф ) = N ln (1+ Δп); LN /Lф = K (контраст изображения); N = ln K / ln (1+ Δп) Зависимость числа различных градаций от контраста изображения

Тема II Разрешающая способность глаза Е r 0 = 1, 22 (f/D) = 1, 22 λ/D φmin = r 0/f = 1, 22 λ/D Для λ = 500 нм, D = 5 мм φmin ≈ 0, 03’ Обычно принимают φmin ≈ 1’ Слайд 34 27% Распределение освещенности на сетчатке при наблюдении двух стимулов. Критерий Релея – критерий различимости двух точек изображения – максимум яркости излучения одной точки совпадает (или больше) с первым минимумом в распределении яркости второй точки

Тема II Кажущаяся четкость изображения Слайд 35 Кажущееся приращение четкости ΔG = ρΔn/n – относительное приращение числа элементов; ρ – коэффициент. d. G = ρ dn/n G = ρ ln n + C. При n = 1 G = 0 C = 0. При n = nmax G = 1 C = 1/ln nmax. G = ln n / ln nmax Зависимость кажущейся четкости от числа элементов изображения

Тема II Восприятие мерцающих изображений Слайд 36 Уравнение Айвса-Портера fкр = alg. L + b где L – яркость проблесков; a, b – параметры уравнения, которые зависят от 1) спектрального состава излучения (для сумеречного и ночного зрения); 2) яркости адаптации; 3) порогового контраста; 4) скважности и глубины модуляции яркости Зависимость времени мельканий; 5) углового размера поля зрения. ощущения от яркости Для мелькающего источника белого света при диапазоне яркостей 500 – 1000 кд/м 2 и угловом fкр (Гц) размере поля зрения α ≤ 2 о, уравнение имеет вид 100 fкр = 12 lg. L + 35 Для широкого диапазона условий критическая час 50 тота слияния мельканий изменяется от 5 до 100 Гц. Условие слитного вос приятия проблесков 50 100 150 L (кд/м 2)

Тема II Параметры телевизионного изображения • Формат k = l / h; • Размер (диагональ) D; • Яркость L (обычно Lmax); • Контраст K = Lmax / Lmin; • Четкость n = kz 2 (n = nx ∙ ny); Слайд 37 • Воспроизведение градаций яркости; • Цветовоспроизведение; • Неравномерность воспроизведения; • Геометрические искажения.

Тема II Восприятие пространства Слайд 38 Стереоскопическое восприятие – за счет диспа рантности проекций объекта на сетчатке. Схема стереоскопического зрения: r — удаление объекта; Δr — пороговое расстояние глубины; b — база (стереобаза); О 1, О 2 — узловые точки глаз; θ – угол конвергенции; Δθ 2 – θ 1 – угловой параллакс. Δθmin = δгл – порог глубинного зрения = 7’’ – 30’’ Диапазон изменения порога глубины: При r = 100 м, Δr = 7, 5 м При r = 5 м, Δr = 0, 02 м Радиус стереоскопического зрения r 0 ≈ b 0 / δгл (рад) ≈ 1, 3 км

Тема II Цветовое зрение И. Ньютон: • Разложение света с помощью призмы; • Возможность получения любого цвета путем смешения 7 основных цветов; • Цветовой круг Ньютона М. В. Ломоносов: • Трехкомпонентная теория цветового зрения Т. Юнг, Г. Гельмгольц, Дж. Максвелл. Слайд 39

Тема II Цветовое зрение Слайд 40 Функции относительного спектрального распределения реакций глаза, обусловленных работой колбочек в сетчатке глаза по теории Юнга Гельмгольца.

Тема II Цветовое уравнение F = r. R + g. G + b. B R, G, B – основные цвета; r, g, b – модули цветов. Удобно, если r = g = b = 1/3, тогда LR : LG : LB = 1 : 4, 5907 : 0, 061 Для колориметрической системы R, G, B: λR = 700, 1 нм, λG = 546, 1 нм, λB = 435, 8 нм. Для спектрально чистых цветов r, g, b могут быть <0; разномасштабность коэффициентов система символических цветов X, Y, Z. Слайд 41

Тема II Цветовое уравнение F’ = x’X + y’Y + z’Z Связь с реальными цветами X = 0, 4184 R – 0, 0912 G + 0, 0009 B Y = - 0, 1587 R + 0, 2524 G – 0, 0025 B Z = - 0, 0828 R + 0, 0157 G + 0, 1786 B Lx : Ly : Lz = 0 : 1 : 0 Для определения цветового тона пользуются относительными трехцветными коэффициентами: Слайд 42

Тема II График цветности МКО Основные цвета и треугольники систем цветного телевидения: NTSC (американская колориметрическая система Национального комитета телевизионных систем); ЕС (Европейский стандарт), ЦКП – цветная кинопленка. Слайд 43 Линии цветов постоянного цветового тона и чистоты цвета на цветовой диаграмме XYZ для равноэнергетического белого излучения

Тема II Особенности восприятия цвета Сумеречное восприятие цвета Восприятие цвета мелких деталей Слайд 44

Квантование цветности Тема II Слайд 45 Пороговые эллипсы различения цвета Мак Адама на цветовом графике u, v V 0, 4 0, 3 0, 2 Gλ 550 нм 600 Rλ 770 нм 500 450 0, 1 Bλ 400 нм 0 0, 1 0, 2 0, 3 0, 4 0, 5 0, 6 U Координаты цветности по МКО – x, y, z.

Фотоэлектрические преобразователи изображений

Фотоэлектрические преобразователи изображений Основные характеристики ФЭП Способ преобразования Чувствительность Разрешающая способность Световая характеристика Спектральная характеристика Инерционность

Фотоэлектрические преобразователи изображений Основные характеристики ФЭП Способ преобразования ФЭП мгновенного действия (ФЭП без накопления заряда) Световой поток воздействует на площадь элемента разложения в Чувствительность течение времени формирования электрического сигнала, соответствующего рассматриваемому элементу. Разрешающая способность 2 группы ФЭП мгновенного действия: 1. ФЭП с «бегущим световым пучком» (световая энергия Световая характеристика концентрируется на одном элементе); 2. Пространственное диафрагмирование светового поля объекта в Спектральная характеристика оптическом (диск Нипкова) или электронном (диссектор) устройстве. Инерционность ФЭП с накоплением заряда Световой поток накапливается на элементе разложения в течение всего межкоммутационного периода.

Фотоэлектрические преобразователи изображений Чувствительность ФЭП Величина, обратная освещенности фоточувствительной поверхности преобразователя, необходимой для получения ТВсигнала с заданным соотношением сигнал/шум. Разрешающая способность ФЭП Свойство воспроизводить ТВ-сигнал от мелких деталей объекта (апертурная характеристика).

ФЭП мгновенного действия «Бегущий световой пучок» ЭЛТ транспарант ФЭУ конденсор ФЭУ ЭЛТ объект i. S

Фотоэлектрические преобразователи изображений Световая характеристика Зависимость тока сигнала на выходе ФЭП от освещенность его фоточувствительной поверхности ic = f(E). Спектральная характеристика Зависимость тока сигнала на выходе ФЭП от длины волны воздействующего на фоточувствительную поверхность равноинтенсивного излучения. Инерционность Запаздывание изменения ТВ-сигнала на выходе ФЭП относительно изменения освещенности его фоточувствительной поверхности.

Фотоэлектрические преобразователи изображений Диссектор 7 F 8 9 i Диссектор – передающая телевизионная трубка без накопления электрического заряда. При освещении фотокатод (2) испускает с поверхности электроны, плотность которых соответствует распределению освещённости на поверхности. 1 - объектив; 2 - фотокатод; 3 - отклоняющая катушка; 4 - фокусирующая катушка; 5 электронный умножитель (ВЭУ); 6 - коллектор электронного умножителя; 7 – планшайба; 8 – подложка; 9 – полупрозрачный фотослой; ЕФ - источник постоянного напряжения, подаваемого на фокусирующую катушку; Еу - источник постоянного напряжения, подаваемого на электроды электронного умножителя; Rн - резистор в качестве сопротивления нагрузки, на концах которого образуется напряжение сигналов; Ср - конденсатор, разделяющий электрические цепи по постоянному току.

Связь между освещенностями изображения и объекта плоскость объекта ΔS объектив ΔS’ D ΔF плоскость изображения ΔF’

Связь между освещенностями изображения и объекта 1

Связь между освещенностями изображения и объекта 2 3

Световая чувствительность диссектора Отношение сигнал/шум ΨФ на входе ВЭУ определяется дробовым эффектом фотоэлектронной эмиссии (е – заряд электрона, Δf – эффективная полоса частот сигнала изображения). i. Ф = IФ /N (IФ – среднее значение фототока со всей площади SФ). N = k. Z 2 – число элементов разложения. IФ =εEиз. SФ (ε – чувствительность фотокатода) 4 i. Ф = εEиз. SФ /k. Z 2

Световая чувствительность диссектора С учетом связи освещенностей объекта и изображения 5 6 ВЭУ Ψ = ΨФ (σ – 1)/σ (σ – коэффициент вторичной электронной эмиссии динодов).

Принцип накопления заряда 2 3 i. Ф 1 4 + – Rн 1 – катод 2 – фотокатод (обкладка конденсатора) 3 – сигнальная пластина 4 - коллектор iр За время накопления Tк элементарная емкость приобретает заряд Ток разряда: τ – время считывания заряда с одного элемента

Принцип накопления заряда Дробовый эффект фототока – распределение Пуассона. Для этого случая Тогда Без накопления заряда

ВИДИКОН 1 2 10 5 7 6 9 8 3 6 1 8 7 5 4 9 3 4 2 10 5 1 – фокусирующая катушка 2 – отклоняющие катушки 3 – фокусирующий электрод 4 – анод с апертурной диафрагмой 5 – электронный прожектор с термокатодом 6 – планшайба 7 – сигнальная пластина (прозрачный проводник) 8 – фотопроводящий полупроводник (трехсернистая сурьма) 9 – коллектор 10 – выпрямляющая катушка

Эквивалентная схема светочувствительного слоя видикона Rэ Sэ Р З Cэ Rн + UCп Сэ – элементарный конденсатор Rэ – (1/Rэ – проводимость мишени) Сэ = Sэ/(4 d) – диэлектрическая постоянная материала полупроводника; Sэ – площадь элемента; d – толщина фотопроводящего полупроводникового слоя.

Эквивалентная схема светочувствительного слоя видикона Rэ = d/(σэ. Sэ) σэ – проводимость полупроводникового слоя. Т. к. σэ = f(Eэ), то и Rэ = F (Eэ). При проецировании изображения Е (x, y) R (x, y)Ф Заряд Сэ tз = τэ = 77 нс (стандарт РФ) UСэ = UCп Разряд Сэ tр = Rэ. Сэ τр = F (Eэ); tр ≈ Тк R (x, y)Ф Uм (x, y)

Приборы с зарядовой связью МОП-структура Термогенерация время релаксации. (электрод) Q = f(Eэ) Область стопдиффузии (потенциальная яма) > < Перенос зарядовых пакетов

Покадровое считывание в ПЗС-матрицах Секция накоплен ия Секция хранен ия Канал перенос а Обработка US: • построчная фиксация; • γ-коррекция; • апертурная коррекция; • устранение тактовой помехи; • поэлементная фиксация. US Выходное Сдвиговый регистр устройство

Типовая структура телевизионной камеры

ХАРАКТЕРИСТИКИ, классификация и типовая структура телевизионной камеры Характеристики телекамер Оптико-электрические Передача градаций яркости; Разрешающая способность; Цветопередача; Искажения изображения; Паразитные составляющие сигналов (механические, акустические). Эксплуатационные Режим работы; Масса; Размеры; Потребляемая мощность; Чувствительность; Стабильность характристик; Тип управления; Типы и число выходных сигналов; Наличие авторегулирования параметров.

Характеристики, КЛАССИФИКАЦИЯ и типовая структура телевизионной камеры Телекамеры Вещательные • Студийные; • Внестудийного видеопроизводства; • Видеожурналистики; • Видеокамеры; • Телекинотеледиакамеры Прикладные • Визуального наблюдения и контроля; • Систем УТВ и тренажеров; • Систем телевизионной автоматики Бытовые Одноблочные, многоблочные, модульные

Характеристики, классификация и ТИПОВАЯ СТРУКТУРА телевизионной камеры команды 1 3 R, G, B (Y) 2 4 1 SECAM (PAL, NTSC) 1 – система управления 2 – оптическая система 3 – преобразователь «светсигнал» 4 – обработка видеосигналов 5 – система синхронизации 6 – система контроля и индикации 7 – источник питания 8 – система звукового сопровождения и служебной связи 5 ведущие синхроимпульсы 6 Испытательные сигналы Контрольные сигналы 7 Сеть (источник питания) 8 Звук Связь Звуковое сопровождение

Требования к ТВ-камерам • • • Автономность работы; Повышенные требования к надежности, стабильности работы; Высокая чувствительность; Широкие пределы диафрагмирования; Запас по отношению «сигнал/шум» ; Соответствие разрешающей способности ТВ-стандарту; Масса не менее и не более 6 -7 кг; Ресурс питания не менее 1 ч. ; Виброустойчивость; Пыле- и влагозащищенность; Простота и удобство управления; Автоматизация настройки параметров.

Камера видеожурналистики КТ-190 Плюмбикон (глетикон) Отношение С/Ш Разрешающая способность Масса (min) Видоискатель Вариообъектив (с 10 -кратным изменением фокусного расстояния) Мощность потребления Ресурс батареи 18 мм 3 шт; 51 д. Б 600 твл. ; 5, 6 кг; 4 см; «Вариогоир-24» 36 Вт; 1 ч. Автоматическая регулировка токов лучей, диафрагмы, баланса черного и белого, центровки растров;

Camcoders (Betacam SP 2000) PVV-1 P/DXC-537 P PVV-1 P/DXC-527 AP PAL 3 -х слойная ПЗС-матрица 795 х 596 элементов с микрообъективами Разрешающая способность 700 твл. ; Вариообъектив серии F 1. 4 (max 7 -112 мм) Мин. Освещенность 7, 5 Лк; Автоматическая регулировка до 2000 Лк. Настройка на белый 3200 К Отношение сигнал/шум 60 д. Б; Электронный затвор 1/60, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000 c. Ч/б видоискатель 1, 5 “, 550 твл. Масса 8, 2 кг; Потребляемая мощность 20, 5 Вт; Ресурс батареи 70 мин. Время записи 35 мин; Используется компонентная запись Y и R-Y, B-Y

Объективы С постоянным фокусным расстоянием • Широкоугольные • Длиннофокусные С переменным фокусным расстоянием • Вариообъективы • Трансфокаторы Параметры объективов • • • Разрешающая способность; Частотно-контрастная характеристика; Величина относительного отверстия; Геометрические искажения (дисторсия); Светорассеяние; Коэффициент пропускания.

Характеристики объективов • • Разрешающая способность N ≤ 50; Геометрические искажения Δ ≤ 2%, Δ ≤ 0, 5%; Светорассеяние δ ≤ 3%; Коэффициент пропускания объектива ρ ≈ 0, 8 4 -х компонентный вариообъектив 1 3 2 4 30 o min f 1 6 o 2 3 4 max f

Вариообъективы, трансфокаторы Требования: • Большой диапазон изменения фокусных расстояний; • Стабильность положения плоскости резкого изображения; • Фокусировка на объекты различного удаления; • Постоянство относительного отверстия при изменении фокусного расстояния; • Минимальные механические перемещения оптических компонентов; • Небольшие габариты и вес; • Соответствующая частотно-контрастная характеристика

Характеристики некоторых объективов J 14 a * 8, 5 BI-B J 18 * 8, 5 BI-B VCL – 818 BX f 8, 5 ÷ 119 мм 8, 5 ÷ 153 мм 8 ÷ 80 мм Ő 1, 7 1, 4 min расст. 0, 8 мм 0, 9 мм длина 192, 6 мм 214 мм 127 мм вес 1, 28 кг 1, 57 кг 920 г

Цветоделительные блоки ρ Фо φ φ' Фρ10 O O 2 O 1 Фρ21 n 0 n 1 n 2 1, 0 ρB ρR h 1 0, 5 ρ – коэффициент отражения n – показатель преломления 400 500 600 Спектральные характеристики дихроичных зеркал λ (нм)

Функции системы обработки сигналов изображения в ТВ-камерах ü Коррекция изменений сигналов • коррекция резкости • коррекция контраста • цветокоррекция ü Регулирование параметров ü Переформирование сигналов

Коррекция резкости (апертурная коррекция)

Дифференциальный апертурный корректор и его переходная характеристика Uвх (f) ЛЗ ∑ 1 ЛЗ U 1 (f 2) D 1 ∑ 2 ЛЗ U 2 (f 4) Uвых (f) ∑ 3 U 3 (f 6) D 2 D 3 h(t) 1, 0 Uвых(f) Uвх(f) 0, 5 U 1(f 2) t

Разностная апертурная коррекция Элемент потенциального рельефа мишени Апертура i-1 i i+1

Горизонтальный апертурный корректор с трансверсальным фильтром Uвх τ τ Ui+1 Ui-1 Ui + — — ∑ Uкор Особенности: линейность ФЧХ; критичность в настройке Uкор = Ui – 0, 5 Ui-1 – 0, 5 Ui+1 Uвых = Uвх + a. Uкор ∑ Uвых

Uвх Ui -0, 5 Ui-1 -0, 5 Ui+1 Uкор Uвых

Нелинейный горизонтальный апертурный корректор Uвх UНЧ τ ≈ Uкор ∑ Uвых Особенности: • отсутствие шумов на ровных участках изображения; • падение четкости малоконтрастных деталей

Коррекция контраста (гамма-коррекция)

Регулятор серого 1 Uвх напр. упр. + ∑ — 2 3 + + ∑ Uвых 1, 0 0, 5 напр. упр. 0, 5 1, 0 Uвх Uвых

Регулирование параметров сигналов

Регулирование параметров сигналов Три группы параметров: • Стабилизированные; • Нуждающиеся в регулярной настройке; • Нуждающиеся в оперативном управлении Режимы автоматической настройки: • Программируемая автоматическая настройка; • полуавтоматическая настройка с последующим ручным регулированием и визуальным контролем Объекты систем управления и регулировки: • диафрагма, трансфокатор, фокус, светофильтры; • размах и линейность отклоняющих напряжений; • управление механизмом лентопротяжки; • регулировка усилителей для уровня черного, сигналов RGB, общего уровня черного, общее усиление видеотракта, размахи сигналов коррекции, баланс белого; • Стабилизация изображения при вибрациях.

Типы анализаторов погрешностей Вырабатывается информация только о знаке и величине погрешности Вырабатывается информация только о знаке погрешности Вырабатывается информация о значении положительной критериальной функции Критерий оптимальности – критерий верности воспроизведения изображения

Графическое представление векторов изображений в пространстве RN И 1 ИN ИЭ β ИЭ – эталонное q И И 2 И 3 (исходное) изображение И – переданное изображение q = И – ИЭ

Графическое представление векторов изображений в пространстве RN И 1 q 1 ИN ИЭ β 1 q 2 И 2 β 2 И 3 β 1 ≠ β 2

Для отдельных отсчетов: q 1 (р=1) – суммарное значение модулей разности отсчетов векторов изображений; q 2 (р=2) – среднеквадратическая оценка; q. N (р=N) – модуль максимального отклонения в одном из отсчетов.

Методы аппроксимации корректирующих сигналов Полиноминальный

Методы аппроксимации корректирующих сигналов Ортогонализация базиса с помощью процедуры Грама - Шмидта φ0 ρ0 ρ1 η 10φ0 φ1

Автоматическая регулировка диафрагмы 1 2 1 – оптическая система 2 – преобразователь свет-сигнал 3 – блок обработки видеосигнала 4 – измеритель уровня белого в строке 5 – генератор выделяющего сигнала 6 – сумматор 7 – пиковый детектор с ФНЧ 8 – компаратор 9 – нелинейный ФНЧ 3 R, G, B 5 YNAM 6 4 7 – 8 + Опорн. напр. YNAM = max (R, G, B) NAM – Non Additive Mixing 9

Автоматическая регулировка контраста 1 2 3 R, G, B 4 5 Опорн. напр. 1 – оптическая система 2 – преобразователь свет-сигнал 3 – блок обработки видеосигнала 4 – измеритель уровня черного в строке 5 – сумматор 6 – компаратор 7 – ФНЧ – 6 + 7

Синхронизация в телевидении

Форма сигналов синхронизации Построчное разложение Uвх Uд. ц. U’вх U’д. ц. Uи. ц. Уровень срабатывания схемы развертки Uвх и U’вх – входное напряжение схемы выделения синхроимпульсов без врезок и с врезками соответственно. Uд. ц – напряжение на дифференцирующей цепи; Uи. ц – напряжение на интегрирующей цепи; Н – время строки.

Форма сигналов синхронизации Чересстрочное разложение Uне Н ч Uчет Uне ч Uчет Н/ 2 Начало нечетного поля Начало четного поля Врезки 2 fz

Полный сигнал синхронизации Uне ч Uчет fz Δtгасящий Δtz = 2Δtуравн. Δtполей = 2, 5Δtн ≈ 160 мкс

Полный сигнал синхронизации При построчной развертке ЗГ fz : на z fк fz 2 fz При чересстрочной развертке ЗГ 2 fz : на 2 ФАПЧ Импульсный фазовый синхр. детектор Интегрирующий элемент Перестраиваемый автогенератор fп fz

Обобщенная структурная схема синхрогенератора Стабильный генератор Перестраиваемый генератор Формирователь опорных частот ФАПЧ Формирователь синхросигналов ИСС ИКС ПСС ИГК ИГС ИСС – импульсы строчной синхронизации ИКС – импульсы кадровой синхронизации ПСС – полный сигнал синхронизации ИГС – импульс гашения строчный ИГК – импульс гашения кадровый

Запись и воспроизведение сигналов изображений

История видеозаписи 1956 г. AMPEX (США) – первая видеозапись (Александр Михайлович Понятов Exellence (Его Превосходительство) 1956 г. Институт звукозаписи (Москва). Видеозапись на параллельно-продольных дорожках – не удачно. 1960 г. ВМ «Кадр» с лентой 2 дюйма; сегментная запись, 1 (20. 02) головка – 16 строк; головки из отечественного сендаста. 1970 г. ВМ «Электроника Л 1 -03» бабинный, бытовой, цветной. 1978 г. ВМ «Электроника ВМ-12» кассетный, цветной, VHS.

История видеозаписи 1980 г. Видеодисковая система, Philips 1981 г. Видеокамера, Sony 1981 г. Накопители видеоинформации в цифровой форме (1, 5 с) 1983 г. Цифровой ВМ. Франция, ФРГ, Япония 1995 г. Cam. Cutter фирмы Avid. 20 мин, 2, 4 Гбайт, кодирование 4: 2: 2 (8 бит)

Характеристики первых бытовых ВМ Характеристика Назначение Масса, кг Габариты ТВ-сигнал Лента Электроника Л 1 -08 Орбита-50, видео Настольный Переносной 10 10 410 х 282 х 135 300 х 125 ч/б Цветной Катушка Кассета Скорость ленты, см/c 7, 8 14, 29 Время записи, мин Скорость головка-лента, м/c Число строк Отношение C/Ш, дб Питание 170 30 8, 1 220 40 сеть 220 38 батарея

Сравнительная плотность записи видеоинформации на различных носителях Для записи 1 ТВ-кадра Носитель Плотность, мм 2 ВМ «Кадр» 645 16 -мм кинопленка 98, 1 ВМ «U-matic» 59, 7 ВМ «Betacam» 8, 8 Видеодиск Laser Vision 0, 52 Жесткий магнитный диск (со сжатием 1: 5) 44, 3

Физические принципы магнитной записи и воспроизведения сигналов Основные требования к каналу магнитной записи-воспроизведения сигналов: • высокая fв; • широкий частотный диапазон; • сохранность временных соотношений; • необходимое превышение сигнала над шумами. Запись: • Способность ферромагнитных материалов намагничиваться под действием изменяющегося магнитного поля; • Сохранение остаточной намагниченности Распределение магнитного потока по оси ленты (по оси Х) Фr = Фro sin (ωх/Vз), Фro – амплитуда магнитного потока; ω – круговая частота записываемого сигнала; Vз – скорость перемещения ленты относительно головки

Физические принципы магнитной записи и воспроизведения сигналов Воспроизведение: • Создание внешнего магнитного поля вследствие остаточной намагниченности ферромагнитного слоя; • Индуцирование переменной ЭДС в обмотке головки E = wd. Фr/dt E – ЭДС; w – число витков обмотки. Т. к. х = Vвt, где Vв – относительная скорость головка-лента при воспроизведении, то при Vз= Vв: Е = Фro wω cos ωt

Магнитная головка а – рабочий зазор основа ленты рабочий слой обмотка сердечник Сердечник – сендаст (железо, алюминий, кремний, легирующие добавки); феррит Lобм ≈ 0, 25 мк. Г – для бесконтактных токосъемников Lобм ≈ 14 мк. Г – для контактных токосъемников

Частотная характеристика ленты-головки 2 Е 1 6 д. Б (2 раза) f 1 2 f 1 – магнитный поток сигналограммы не замыкается полностью через сердечник головки; 2 – соизмеримость ширины щели головки и длины волны записи

Транспонирование спектра сигнала при магнитной записи Ограничение λmin шириной рабочего зазора головки; Частотные характеристики ферромагнитных материалов; Широкий динамический диапазон частот Относительное сжатие частотного диапазона АМ или ЧМ? АМ: невозможность устранения паразитной АМ (непостоянство контакта лента-головка, неоднородность магнитного слоя, продольные колебания ленты, неточность САР)

Спектры ТВ и ЧМ сигналов U Fв U fo – F в – f. Д f fo – f. Д f o fo + f. Д fo + F в + f. Д f U fo fo + 2 f. Д f

Спектры ТВ и ЧМ сигналов Граничные частоты спектра fгр = (fo ± f. Д) ± Fв, Fв - верхняя полоса частот сигнала Для повышения помехоустойчивости fo >> f. Д >> Fв В магнитной видеозаписи fo ~ Fв В ≈ 0, 1 ÷ 0, 2 > Для Fв ≈ 6 МГц, fo = 8, 5 МГц и f. Д = 0, 75 МГц, fгр. н = 1, 75 МГц и fгр. в = 15, 25 МГц Малые В приводят к компактности спектра, такой же как при АМ

Общие требования к магнитным лентам Достоинства Недостатки малогабаритность; легкость управления; невысокая стоимость; многократность использования; • постоянство характеристик лент; • длительный срок службы и хранения • длительное время доступа к информации; • чувствительность к пыли и неоднородностям основы; • абразивный износ ферролакового рабочего слоя лент; • ухудшение характеристик при повышенных температурах; • чувствительность к внешним магнитным полям и механическим воздействиям • •

Требования к видеолентам Высокая разрешающая способность; Большое отношение сигнал/шум; Срок службы – не менее 104 ч. (5000 проходов ленты); Высокая износостойкость рабочего слоя; Абсолютная стабильность размеров, отсутствие продольных деформаций; • Отсутствие инородных включений на рабочем слое размером более 1 мкм • • •

Общие характеристики современных видеолент Защитный слой (1 мкм) Ферролаковый рабочий слой (4 … 13 мкм) Основа (16 … 25 мкм) – полиэтилентерефталат (ПЭТФ) Год выпуска 1956 1966 1971 1976 1981 Материал γ–Fe 2 O 3 Cr. O 2 Co-γ-Fe 2 O 3 (Avilyn) Co-γ-Fe 2 O 3 (Super Avilyn) Fe Нс, к. А/м 21, 0 36, 0 40, 0 55, 0 165, 0 Вr, Тл 0, 08 0, 11 0, 14 0, 19 0, 4 Материал – материал запоминающей среды рабочего слоя Нс – коэрцитивная сила Вr – остаточная магнитная индукция λmin – минимальная длина волны записи λmin, мкм 4, 5 2, 0 1, 0 0, 6 0, 4

Общие характеристики современных видеолент Выпадение сигнала – падение уровня сигнала на 20 д. Б за 0, 2 ÷ 15 мкс Ni Ni 40 40 20 20 1, 5 2, 0 2, 5 hо (отн. ед. ) Зависимость числа выпадений Ni в минуту от глубины проникновения ho магнитной головки в рабочий слой ленты при видеозаписи 0 30 60 90 n Зависимость среднего числа выпадений Ni в минуту от числа прогонов n видеоленты

Общие характеристики современных видеолент U [м. В] 300 1– 2– 3– 4– 1 200 5– 2 100 2 4 6 f [МГц] Частотная характеристика видеолент на металлическом порошке (1) и Co-γ-Fe 2 O 3 (2) Структура современных видеолент 1 – защитный слой; 2 – рабочий слой; 3 – адгезивный подслой; 4 – основа; 5 – антистатический слой

Магнитные диски с ферролаковым рабочим слоем Ферропорошки Ширина рабочего зазора головки Расстояние от головки до рабочего слоя Продольная плотность записи Общая информационная емкость γ–Fe 2 O 3 Со–γ–Fe 2 O 3 0, 2 мкм; 0, 1 мкм; 1200 бит/мм 2; 3 Гбайт бит/мм 2 Динамика увеличения поверхностной плотности записи информации на магнитных дисках 104 102 1960 1970 1980 1990 t

Форматы аналоговой и цифровой записи сигналов изображения Формат записи – совокупность всех параметров, характеризующих способ записи сигнала на магнитный носитель. Сигналограмма – совокупность параметров, определяющих положение дорожки записи на магнитном носителе. Дорожка записи – магнитный след сигнала на носителе. – 1 а – 2 – 3 – 4 Θ б – 1 – 2 – 3 – 4 Сегментная запись: (а) поперечно-строчное расположение дорожек записи; (б) наклонно-строчное расположение дорожек записи. 1 – звуковое сопровождение; 2 – дорожки записи сигнала изображения; 3 – режиссерские сигналы; 4 – сигналы управления.

Компонентная запись Y DR Y DB Две головки без временного уплотнения сигналов Y Y Две головки с временным уплотнением DR и DB (Betacam) Y Y Y 1 Y 3 Y Y Y 2 Y 4 Одна головка с временным уплотнением Y, DR, DB Две головки с временным преобразованием Y, DR, DB (Lineplex)

Особенности магнитной записи цифровых сигналов • Поэлементная дискретизация. Рекомендация МККР 11/601 стандартизировала частоту 13, 5 МГц. • Квантование (n). По рекомендации МККР 11/601 – 256 = 28. • Информационный поток. Рекомендация МККР 11/601: на каждые 4 отсчета яркости по 2 отсчета цветоразностных сигналов – 4: 2: 2. N = 27 МГц – частота отсчетов; Q = N ln n = 216 Мбит/с. Плотность упаковки: 1, 5 бита на 1 период колебаний ЭМ-поля. Δf ≈ 140 МГц • Компрессия изображений.

Характеристики форматов наклонно-строчной видеозаписи Параметр VHS V-2000 Betamax 8 -mm video Скорость ленты, мм/c 23, 39 24, 42 18, 73 20, 05 Скорость зап. , м/с 4, 85 5, 08 5, 83 3, 14 Диаметр БВГ, мм 62 65 74, 487 40 Ширина строчки 49 22, 6 32, 8 записи, мкм Ширина поля 10, 6 2 x 4, 85 10, 6 видеозаписи, мм Плотность записи, 4 х104 8, 4 х104 5, 4 х104 2 бит/мм Расход магнитной 1, 07 0, 56 0, 85 ленты, м 2/ч Размер кассеты, мм 188 х104 х25 183 х110, 5 х26 155 x 94 x 25 Θ, град 5 о 56’ 7, 4” 2 о 38’ 0, 5” 5 о 34, 4 5, 6 9 х104 0, 58 95 x 62, 5 x 14 4 о 53’ 7, 6”

Характеристики форматов наклонно-строчной видеозаписи Параметр Формат D 1 Формат D 2 Скорость ленты, мм/c 286, 9 131, 7 Скорость записи, м/с 36 22, 5 Диаметр БВГ, мм 77 96 Θ, град 6, 1326 о Ширина строчки записи, мкм 40 35 Плотность записи, бит/мм 2 4, 9 х104 7, 2 х104 Число головок 4 4 Скорость потока, Мбит/с 225 154 Ширина ленты, мм 19 19

Основные параметры цифровых форматов видеозаписи Формат D 3 Композитный формат; Ширина ленты – 12, 7 мм; Частота дискретизации (4 FS) для PAL – 17, 73 МГц; Число разрядов квантования – 8; Частота дискретизации звука – 48 к. Гц; Ширина строчки записи – 18 мкм; Θ = 4, 9 о; Защита от ошибок – код Рида-Соломона; Канальный код – модифицированный код 8/14 со скремблированием; • Угол разворота ВГ α = ± 20 о. • • •

Основные параметры цифровых форматов видеозаписи Формат D 5 Digital Betacam • Компонентный формат; • Сигналограмма практически идентична D 3; • Скорость ленты увеличена в 2 раза по сравнению с D 3; • Частота дискретизации 13, 5 МГц (или 18 МГц); • Цифровой поток 270 Мбит/c (360 Мбит/c); • Систем сжатия информации нет. • Совместим с Betacam SP; • Дискретизация 4: 2: 2; • λmin = 0, 59 мкм; • Ширина строчки записи 26 мкм; • Азимутальный угол α = ± 15 о; • Сжатие информации в 2 раза (дискретно-косинусное преобразование) • Цифровой поток 125, 6 Мбит/c;

Магнитная запись на диски 1956 г. Скорость вращения дисков – 3000 об/мин (50 Гц); • Диаметр диска – 400 мм, tΣ≈ 36 c, 1800 полей; • 1 оборот – 1 поле; 3000 об/мин • Полоса частот сигнала 15 МГц; • Частотная модуляция; ВГ 1 • Перемещение от кадра к кадру – • пошаговый двигатель; • Возможность замедленного воспроизведения. ВГ 2 1981 г. Запись ТВ-изображения на жесткий компьютерный диск • Емкость – 80 Мбайт (14 дисков, 100 кадров (компонентный цифровой формат 4: 2: 2, 1 кадр ≈ 830 кбайт; • Время записи и воспроизведения 1 изображения – 1, 5 с; • Только неподвижные изображения.

Магнитная запись на диски 1985 г. Скорость передачи данных 27 Мбайт/с; • 2000 кадров, ввод и вывод в реальном времени. 1994 г. Dylan – дисковый накопитель • 20 дисков, работающих параллельно; • Длительность записи – 15 минут. 1995 г. Camcutter • 20 минут записи (2, 4 Гбайта); • Блокировка отснятого материала; • 4 дорожки звука; • Режим циклической записи; • Адресно-временной код; • Автоматическая нумерация • Цифровой сигнал 4: 2: 2; • Уровневое кодирование – 8 бит; фрагментов; • Покадровая запись.

Функциональная схема видеомагнитофона Г 1 ВГ 2 Г 3 Г 4 ЭВВ ЭБВГ К 1 САТ САР CD ЭМ КВИ К 2 БУ САР СЛ САР НЛ

Функциональная схема видеомагнитофона БУ – блок управления Г 1 – стирающая головка Г 2 – головка звуковых сигналов Г 3 – головка режиссерских сигналов Г 4 – головка управляющих сигналов ВГ 1, ВГ 2 – вращающиеся головки ЭБВГ – электропривод блока видеоголовок ЭВВ – электродвигатель ведущего вала К 1 – канал записи-воспроизведения изображения К 2 – канал звука и режиссерских сигналов САР CD – система автоматической регулировки скорости диска САР СЛ – система автоматической регулировки скорости ленты КВИ – корректор временных искажений ЭМ – блок электронного монтажа САР НЛ – система автоматической регулировки натяжения ленты

Канал записи сигналов изображения 17 18 19 14 DR , D B 1 6 7 8 2 15 9 10 11 3 FH 1 – АРУ 2 – селектор строчных синхроимпульсов 3 – формирователь импульсов 4, 14 – сумматоры 5 – детектор АРУ 8 – формирователь нелинейных предыскажений 12 13 4 16 Σ 5 Σ 9 – ключевой фиксатор 10 – каскад линейных предыскажений 11 – ограничитель 12 – частотный модулятор 19 – заградительный фильтр

Амплитудно-частотные характеристики разделения сигналов яркости и цветности 3 д. Б K [д. Б] 3 д. Б EY Eцв f 1 f 2 f 3 f Распределение характеристик частот для формата VHS Частоты, МГц FS FSR FSB f 1 f 2 f 3 PAL/SECAM 4, 43 4, 40 4, 25 3, 0 3, 9 4, 9 SECAM 4, 40 4, 25 3, 0 3, 5 5, 1 NTSC 3, 58 2, 8 3, 1 4, 1

Стандартные нелинейные предыскажения K [д. Б] -20 д. Б -10 д. Б 5 1 2 f [МГц] Стандартные нелинейные предыскажения K [д. Б] 15 10 5 1 2 f [МГц]

Гетеродинный частотный модулятор Uвх Г 1 Огр1 СМ Г 2 ФНЧ Uвых Огр2 f. Г 1 = 100 МГц; f. Г 2 = 108 МГц; Uвх = 0, f. Uвых = f. Г 2 - f. Г 1 = 8 МГц. ü Крутизна модуляционной характеристики – 1 МГц/В Uвх = +0, 5 В f. Uвых = f. Г 2 - f. Г 1 = 108, 5 – 99, 5 = 9 МГц Uвх = - 0, 5 В f. Uвых = f. Г 2 - f. Г 1 = 107, 5 – 100, 5 = 7 МГц fΔ = ± 1 МГц при Uвх = 1 В ü Линейность модуляционной характеристики ü Компенсация нелинейных искажений

АЧХ фильтров 13 и 18 K [д. Б] 3 д. Б E’Y E’цв f 4 Частоты, МГц f 4 f 5 f 6 f PAL/SECAM 0 1, 56 2, 3 SECAM 0, 39 1, 48 2, 3 NTSC 0 1, 2 2, 3 Jзап [д. Б] 9 6 3 1 2 3 4 f [МГц]

Канал воспроизведения сигналов изображения 2 1 16 8 DR , D B 3 25 Гц 1 2 4 φ 5 9 6 7 1 – видеоголовки 2 – предусилитель-выравниватель 3 – коммутатор предусилителей 4 – выравниватель фазы 5, 8 – фильтры 6 – компенсатор выпадений 7 – корректор переходных искажений 17 14 ГФ 10 11 18 15 Σ 12 13 9 – частотный демодулятор 11 – корректор предыскажений 13 – подавитель высокочастотных помех 15 – фиксатор уровня 16 – полосовой фильтр 17 – гребенчатый фильтр

Компенсатор выпадений 1 2 3 Δtн 4 Σ 1 – детектор выпадений 2 – ключ 3 – ЛЗ на 1 строку 4 - сумматор

Корректор переходных искажений 2 1 3 φ Σ 4 5 1 Сигнал на входе ЧДМ потеря несущей 2 3 4 5

Демодулятор с удвоением частоты Принцип действия: 1 выделение нулевых пересечений ЧМсигнала и определение частоты повторения этих пересечений 1 2 3 4 5 τd τ 2 3 4 5

Подавитель высокочастотных помех 2 1 3 1 2 3 4 5 НФ 4 Σ 5

Канал записи сигналов цветности PAL, NTSC 1 EЦВ EY FS 2 FH 3 f 40 f φ 0 o 6 40 FH 8 90 o 180 o 25 Гц – PAL 29, 97 Гц - NTSC F о+ F S Fо=FS+40 FН 5 4 F о- F S 270 o 1, 6 – преобразователи частоты 2 – селектор ССИ 3 – умножитель частоты 9 7 FГ K 4 – фазовращатель 5 – коммутатор 7 – гетеродин 8, 9 - фильтры F о- F S

Канал воспроизведения сигналов цветности (PAL, NTSC) 14 13 18 EY 15 F’C 25 Гц 4 8 Fo 7 180 o 270 o 25 Гц f 3 17 9 FГ Г K 12 Σ Σ 20 2 H Г 90 o 40 f 6 16 FS=F 0 - FC 1 0 o φ 40 F’H 5 19 EY+EЦВ 11 2 Г FS φ 10 FS FГ = FS+1/8 F’H+Δf; F’C = 40 F’H+1/8 F’H+Δf; F 0 = FS+ 40 F’H+1/8 F’H+Δf FH F’H

Канал воспроизведения сигналов цветности (PAL, NTSC) 1, 6 – преобразователи частоты 2 – селектор ССИ 3 – умножитель частоты 4 – фазовращатель 5 – коммутатор 7 – гетеродин 8, 15, 20 – фильтры 9 – опорный генератор поднесущей цветности 10 – генератор строб. импульсов 11 – ключ 12 – фазовый дискриминатор 13 – видеоголовки 14 – предусилительвыравниватель 16 – полосовой фильтр 17 – ЛЗ на 2 строки 19 – фиксатор уровня

Системы автоматического регулирования (САР) в видеомагнитофоне САР разомкнутого цикла 1 – источник управляющего воздействия 2 – исполнительный элемент 3 – устройство контроля регулируемой величины 1 САР замкнутого цикла 1 – устр-во, вырабатывающее 1 задающее воздействие g(t) 2 – исполнительный элемент 3 – объект регулирования 4 – датчик рассогласования 2 3 Выход 2 3 y(t) ε(t) 4 ε(t) = g(t) – y(t)

САР в видеомагнитофоне САР НЛ – система автоматического регулирования натяжения ленты • Стабилизация натяжения магнитной ленты. САТ – система автотрекинга • Обеспечение точного следования видеоголовок по строчке записи при воспроизведении видеограммы. САР СЛ – система автоматического регулирования скорости ленты • Стабилизация скорости; • Регулирование скорости при воспроизведении по опорным импульсам; • Обеспечение совмещения строчек записи с траекторией движения видеоголовок; • Обеспечение неизменности расстояния между строчками записи. САР СД – система автоматического регулирования скорости (частоты вращения) диска видеоголовок • Обеспечение требуемого фазового соотношения между опорными импульсами датчика оборотов скоростного двигателя.

Синхронный бесконтактный двигатель постоянного тока 1 8 9 10 1 – подшипник 2 – подвижная часть блока 3 – видеоголовка 4, 5 – обмотки бесконтактного токосъемника 2 3 4 5 6 7 6 – неподвижная часть блока 7 – магнит ротора с намагниченным торцом 8 – датчик Холла 9 – магнитопровод статора 10 – обмотка статора

САР СД 4 КСИ 7 Зап. f f/2 Восп. fоп 50 Гц 5 Uφ Δφ 8 UφГ Г Uд 6 9 ЭД – UТР UГ UТ 1 Δφ UY – 2 3 Тах Грубый канал – устраняет ошибку по скорости: Частотный дискриминатор 1; тахометр 3; усилитель мощности 2. Точный канал: Фазовый дискриминатор 5; генератор стробирующих импульсов 4; формирователь сигнала трапецеидальной формы 8; перестраиваемый генератор 6.

Грубый канал САР СД 10 мс VT VГ V 1 V 2 Vy Скорость ДВ Vy

Точный (фазовый) канал САР СД Vд V 1 V 2 V 3 Vφ VТР VφГ Δt 1 Δt 2

Системы автотрекинга САТ с сигналами идентификации поисковые непрерывные шаговые вычислительные Uчмmax a – зазор головки l – ширина строки записи Uчм = F(x) max 2 l х a

Системы автотрекинга с сигналами идентификации f 3 f 1 f 2 f 4 f 3 К ВГ 2 1 2 f 1 = 102 к. Гц f 2 = 117 к. Гц 1 2 f 3 = 149 к. Гц f 4 = 164 к. Гц f 2 – f 4 – f 3 – f 1 – f 2 1 2 3 f [МГц] Сигналы идентификации 15 к. Гц ВГ 1+ ВГ 2_ 47 к. Гц ВГ 1_ ВГ 2+ Δх = ± 22 мкм

Конструкция актуатора Видеоголовка 0, 4 мкм/В

Поисковые, непрерывные САТ Г Σ ИЭ F(x) Синх. дет. Uупр d. UЧМ Условие регулирования для одномерной САТ: dx 0 f. Г (x) = Asinωt Для поисковых, шаговых САТ f. Г (x)

САР натяжения ленты 1. Разомкнутый цикл Т – натяжение RЛ 0, 6 Н <Т<2 Н М – момент ДВВ Т = М/RЛ ≈ Const ΔT ≤ 10 ÷ 15% 2. Замкнутый цикл Up= UО-UНЛ 0 4. . . 7 ДВВ 1 2 Up UНЛ Σ UО 3 1 – усилитель мощности 2 – блок коррекции 3 – формирователь опорного напряжения 4… 7 – датчики расхода ленты, температуры, влажности и т. д.

Видеопроигрыватели Запись сигналов на видеодиски. Формирование питов UY t 1 кадр: U-matic 59, 7 мм 2 β 8, 8 мм 2 Опт. Диск 0, 52 мм 2 Uзв t В видеодисках UΣ t U 4 t Uцв t λmin = 0, 5 мкм σ = 1, 35 мкм Æ пита ≈ 0, 5 мкм ωR = const ω – частота вращения диска R – радиус дорожки записи

Видеопроигрыватели CLV – Constant Linear Velocity ω – const CAV – Constant Angular Velocity Запись электронным лучом. Фоторезистивный слой – акриловая смола, пленка SO 2. Диаметр пита ~ 0, 25 мкм. Механическая запись. Поливинилхлорид 0, 12 мм. Алмазная игла с пьезоэлектрическим элементом. Запись на диски с кристаллическим аморфным слоем. Запись на диски с термомагнитным эффектом.

Структурная схема оптического устройства записи изображения на видеодиск 5 1 2 3 7 8 9 12 4 6 10 13 1 – лазер 2 – оптический модулятор 3 – оптическая система 4 – головка записи 5 – привод фокусирующей системы 6 – механизм линейного перемещения головки записи 11 7 – источник звука 8 – кодирующее устройство 9 – генератор нумерации кадров 10 – двигатель диска 11 – САР головки записи 12 – источник изображения 13 - синхронизатор

Воспроизведение информации с видеодиска Оптические способы Отраженный световой поток LOR – Laser Optical Reflective С применением одного фотоприемника СК ФП Объектив Диск U x пит СК – светоделительный кубик

Воспроизведение информации с видеодиска Оптические способы Проходящий световой поток LOT – Laser Optical Transmissive С применением двух фотоприемников СК U ФП 1 + – ФП 2 U x Объектив Диск СК – светоделительный кубик

Воспроизведение информации с видеодиска Емкостные способы CED – Capacitance Electronic Disk (направляющие канавки для видеоснимателя) VHD – Video High Density (запись пилот сигналов f 1 и f 2)

Системы автоматического регулирования в видеопроигрывателях САР РС – радиального слежения САР ТС – тангенциального слежения САР nд – частоты вращения диска САР Ф – вертикального слежения (фокусировки)

САР радиального слежения ФП СД Σ ЗО ДР Г (30 ÷ 40 к. Гц) питы ΔR≈ 0, 1 мкм ДР – детектор рассовмещения ФП – фотоприемник ЗО – зеркальный отражатель СД – синхронный детектор Г – генератор

Система автоматической фокусировки ДОФ БУ ИЭ ДОФ – датчик ошибки фокусировки БУ – блок выработки аналогового сигнала управления ИЭ – исполнительный элемент (электродинамический линейный двигатель) позиционер

Лазеры Полупроводниковые Ga. Al. As 660 ÷ 685 нм; 5 м. Вт; 10000 и. 800 нм; 3 ÷ 5 м. Вт; 5000 и. Δλ < 0, 1 нм Длина когерентности ≈ 4 ÷ 6 см Микролинзы Параметр f [мм] Диаметр поля зрения Диаметр [мм] Длина [мм] Масса с оправой [г] Обычный объектив 8 С асферической поверхностью Бол. поле зр. Мал. поле зрения 8 3, 7 1, 0 2, 0 0, 2 7, 5 11 2 7, 5 8, 5 2 4, 1 3, 2 0, 25

Системы объемного телевидения

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ ЦИФРОВОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ США: 2006 г. Европа: 2010 г. Россия: 2015 г. ТЕЛЕВИДЕНИЕ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ США: ведется вещание Европа: отдельные страны ведут опытные передачи Россия: проводятся отдельные опытные передачи; общее количество проданных в России HD/HD Ready телевизоров оценивается в 400 000 штук ОБЪЕМНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ Виртуальное телевещание: Япония: 2020 г. (с передачей запаха и тактильных ощущений) Интерактивное объемное Разработаны стереоскопические дисплеи телевидение по мобильному для мобильных телефонов и 3 D игры телефону:

СИСТЕМА ВЕЩАНИЯ ОБЪЕМНОГО ТВ ТВ система 3 D камера Канал связи Образование Контент 3 D съемка новых материалов 3 D дисплей Преобразование 2 D/3 D ранее подготовленных материалов Подготовка технических и творческих специалистов Разработка образовательных инновационных технологий

ЕВРОПЕЙСКИЙ ПРОЕКТ ATTEST 3 D камера с ИК лазерным радаром без механического сканирования 3 D однопользовательский автостереоскопический дисплей с линзово растровым экраном и бесконтактным ИК треккером, отслеживающим положение головы 3 D многопользовательский дисплей с расширенной зоной наблюдения

3 D КАМЕРЫ Методы записи 3 D изображений С использованием триангуляции Несколько стереокамер На основе фокусировки/ дефокусировки Структурированный свет Требуют сложной обработки сигнала Трудно обеспечить измерение глубины для каждого пикселя с частотой кадров и достаточно высоким разрешением для телевидения Сканеры Скорость считывания для ТВ разрешения составляет несколько секунд Дальномерный Телевизионные Трудно обеспечить необходимую точность определения глубины

ЗАПИСЬ 3 D МЕТОДОМ ТРИАНГУЛЯЦИИ Размещение групп передающих камер (ПК) в азимутальной плоскости по две ПК в каждой. r – угол конвергенции между группами ПК; Сигнал основной ПК используется для формирования базового кадра; сигналы дополнительной ПК для формирования карты дальности 1. A Scalable System for Real Time Acquisition, Transmission, and. Autostereoscopic Display of Dynamic Scenes. Wojciech Matusik, Hanspeter Pfister. Mitsubishi Electric Research Laboratories, Cambridge, MA. 2. Интерактивное объемное телевидение. Проект. А. Логутко.

ЗАПИСЬ 3 D ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНЫМ ТВ МЕТОДОМ В настоящее время наиболее перспективный метод 1. Masahiro Kawakita. NHK Engineering Service. 2005 г. 2. Разработано во ВНИИТ в 1981 г. П. С. Варгин. А. с. № 174175 от 06. 04. 1981.

ЗАПИСЬ 3 D ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНЫМ ТВ МЕТОДОМ На левом рисунке показаны цветное изображение и соответствующее ему изображение глубины, полученные камерой NHK; На правом рисунке показано устройство для получения изображения глубины и изображение глубины по А. с. № 174175.

ТИПЫ 3 D ДИСПЛЕЕВ 3 D дисплеи Стереоскопические Мультивидовые Голографические Волюметрические Ø Стереоскопические воспроизводят два ракурса объемной сцены, один из которых предназначен для левого, а другой для правого глаза. Ø Мультивидовые воспроизводят несколько последовательных ракурсов объемной сцены, любые два из которых составляют стереопару. Ø Голографические воспроизводят непрерывное световое поле, соответствующее световому полю реальной 3 D сцены. Ø Волюметрические воспроизводят изображение в виде набора точек (вокселей) или векторов, физически разнесенных в ограниченном рабочем пространстве дисплея (объеме воспроизведения).

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ ПРИНЦИП ПЛЮСЫ Относительная простота изготовления, есть серийно выпускаемые модели; невысокая себестоимость, возможность снижения цены в недалеком будущем. Реально достижимая скорость потока данных (двукратное увеличение от моно). Наличие контента, драйверов, программ МИНУСЫ Невозможность «оглядывания» и динамического параллакса. Ограниченная зона стереоэффекта. Вдвое меньшее горизонтальное разрешение в стереорежиме

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ Smartr. ON Производитель Нейр. ОК Оптика Технические характеристики Размеры экрана – 15 дюйм Разрешение – 1024 x 768 Глубина цвета – 24 бита Угол обзора (гор. /верт) – 40/120 Переключение 2 D/3 D есть Отслеживание положения пользователя – нет Особенности Использование нейросетевых алгоритмов для моделирования светового потока, эквивалентного реальному световому потоку от трехмерного объекта. Представляет собой несколько ЖК панелей, которые расположены одна за другой (все кроме последней – прозрачные). На каждую выводится свое специальным образом рассчитанное изображение. Разрешение для 2 D и 3 D одинаково и равно предельному разрешению панелей.

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ TOSHIBA Технические характеристики Размеры экрана – 24 дюйма Разрешение – 1920 x 1200 Глубина цвета – 24 бита Угол зрения для просмотра объемных картинок – 30 градусов Переключение 2 D/3 D есть Особенности Отслеживает положение глаз пользователя и подстраивает картинку так, чтобы каждый глаз видел всегда только свое , левое или правое, изображение. Дисплей располагается горизонтально, это позволяет обеспечить реалистическое ощущение глубины.

МУЛЬТИВИДОВЫЕ ДИСПЛЕИ ПРИНЦИП ПЛЮСЫ Широкая зона стереоэффекта. Большая глубина объема воспроизведения. Возможность «оглядывания» и динамического параллакса. Наличие контента (потенциально). Возможность отображения непрозрачных объектов, т. е. , потенциально, реалистичная. МИНУСЫ Техническая сложность и себестоимость быстро возрастают с увеличением числа воспроизводимых ракурсов. Небольшой угол обзора (от 24 до 50 градусов против 160 и более у обычных мониторов). Требуется большая скорость потока данных (кратное числу ракурсов увеличение от моно) или существенный объем вычислений для кодирования и декодирования данных. Отсутствует программное обеспечение

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ ПРИНЦИП Традиционная голография с использованием зеркал и линз Генерируемая компьютером голография ПЛЮСЫ Самое реалистичное 3 D изображение, обладающее всеми оптическими свойствами отображаемого реального объекта МИНУСЫ Техническая сложность на пределе современных возможностей аппаратуры, вычислительных мощностей не хватает для воспроизведения быстроменяющихся изображений

ТИПЫ ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИХ ДИСПЛЕЕВ Подвижность В конструкции есть подвижные элементы Изображение формирует В объеме воспроизведения находится Вращающийся экран Колеблющийся экран Электронный прожектор CRT Электролюминесцентный вращающийся экран внутри CRT Матрица светодиодов Вращающаяся светодиодная панель Подвижный монитор Все элементы конструкции неподвижны Стационарный проектор Колеблющаяся CRT Стационарный проектор Пакет жидкокристаллических просветных экранов Инфракрасные лазеры с пересекающимися лучами Флуоресцирующее стекло на редкоземельных элементах Пары рубидия Стационарный проектор с выходом на оптоволокно «Вокселы» , засвечиваемые через оптоволокно Матрица светодиодов Трехмерная матрица светодиодов

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ ПРИНЦИП ПЛЮСЫ Истинно объемное изображение, обеспечивающее естественную связь между конвергенцией и аккомодацией, динамический параллакс и другие пространственные эффекты. Большой угол обзора, вплоть до 360 градусов по горизонтали и 270 градусов по вертикали. МИНУСЫ Объем воспроизведения закрыт физически, невозможно совмещение с реальными объектами. Требуется очень большая скорость потока данных. Очень высокая стоимость, десятки…сотни тысяч долларов

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ Z 20|20 Производитель VIZTA 3 D Технические характеристики Размеры экрана – 21 дюйм Разрешение – 1024 x 748 x 20 Изображение – 15, 3 млн. вокселей Глубина цвета – 15 бит Угол обзора (гор. /верт) – нет данных Среда функционирования – Windows NT/2000 Особенности В основе функционирования – технология Depth. Cube (множество ЖК экранов). В данной модели 20 экранов. Возможность обрабатывать трехмерные изображения с интерактивностью реального времени посредством использования стандартных графических аппаратных средств.

ВОЛЮМЕТРИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ PERSPECTA Производитель Actually Systems Технические характеристики Размеры экрана – 20 дюйм (диаметр купола) Разрешение – 768 x 198 Изображение – ~ 100 млн. вокселей Глубина цвета – 3 бита ( в макс. разрешении) Угол обзора (гор. /верт) – 360/270 Среда функционирования – Windows 2000, Linux Особенности Высокоскоростной проектор, построенный по технологии Digital Mirror Device компании Texas Instruments, создает однобитные кадры с частотой 5 КГц. Проекционный механизм системы состоит из трех пространственных световых модуляторов (Spatial Ligth Modulators), которые используют особый вид призмы для комбинации компонентов изображения по цвету – красному, зеленому и синему с глубиной 1 бит. Наличие проекционного экрана, который способен наполовину отражать, наполовину пропускать образ.

ПРИЛОЖЕНИЯ Интерактивное объемное телевидение по мобильному телефону: Потенциальный объем мобильного телевидения стандарта DVB H оценивается в 30– 50% от общего числа абонентов сотовой связи Проблемы: длительность работы телефона без подзарядки, стоимость услуг Телемедицина, медицина: Передача и воспроизведение 3 D цветных изображений (эффект присутствия), 3 D изображений, полученных в результате ультразвуковых и рентгеноскопических исследований; эндоскопическая хирургия; обучение хирургии Электронный магазин: Возможность в условиях близких к реальным оценить товары, особенно в условиях передачи запахов и тактильных ощущений Моделирование систем: Ускорение и удешевление проектирования сооружений и систем в архитектуре, машиностроении и т. д.

ПРИЛОЖЕНИЯ (продолжение) Военные приложения: 3 D навигация, контроль воздушного трафика, гидролокация Реклама, пропаганда, архитектурный дизайн городов: Большим спросом пользуются системы объемного отображения на воздухе Виртуальный музей и экскурсии: Объемное представление архитектурных памятников, скульптур, памятных мест, ландшафтов и т. д. высокой точностью Новационные образовательные технологии: Обучающие системы и тренажеры, повышающие наглядность и эффективность усвоения материала Развлечения: Видеоигры, реалити шоу Научные исследования

СИСТЕМА ВЕЩАНИЯ ОБЪЕМНОГО ТВ Вещательная ТВ система Контент 3 D съемка новых материалов Образование Преобразование 2 D в 3 D Подготовка технических и творческих специалистов Разработка образовательных инновационных технологий