Основы телевидения и видеотехники (стр. 2 )

Это оказалось возможным благодаря успехам в области физики в конце XIX – начале ХХ в., в частности:

1873 г. – открытие У. Смитом (США) светочувствительности селена;

1873 г. – изобретение (Россия) электрической лампочки;

1887 г. – открытие Г. Герцем (Германия) внешнего фотоэффекта;

1888–1890 гг. – установление (Россия) основных закономерностей фотоэффекта;

1895 г. – изобретение (Россия) радио;

1897 г. – изобретение К. Грауном (Германия) катодной (электронно-лучевой) трубки;

1906 г. – создание Ли де Форестом (США) трехэлектродной лампы (триод).

Идея создания первой ТВ-системы была предложена в 1875 г. Дж. Керри (США). Мозаика из селеновых фотоэлементов, на которую проецируется передаваемое изображение, при помощи множества проводов соединяется с соответствующими электрическими лампочками на приемном экране. В каждом элементе мозаики и связанном с ним проводе пропорционально освещенности элемента возникает электрический ток. Свечение лампочки пропорционально этому току. Совокупность лампочек дает мозаичное изображение объекта.

Таким образом, основная идея – разложение (разбиение) изображения на элементы и передача средней яркости каждого элемента – это основа всех последующих ТВ-систем.

ТВ-система Керри многоканальная, и это ее недостаток, поскольку, например, для современного телевидения обычной четкости (625 строк с числом элементов в строке 800) число каналов, которые необходимо одновременно использовать, составит 500 000, что нереально.

С 1877 по 1888 г. независимо друг от друга проекты одноканальных ТВ-систем предложили (Россия), М. Санлек (Франция), А. де Пайва (Португалия). Все системы основаны на инерционности зрительного восприятия, благодаря которой становится возможной передача информации о яркости элементов изображения последовательно. Последовательное преобразование яркостей отдельных элементов изображения в электрический сигнал называется разверткой изображения.

Первые развертки были механическими. В «фототелеграфе» Бахметьева развертка осуществлялась за счет движения фотоэлемента по спирали в фокальной плоскости изображения. Наиболее удачно с практической точки зрения проблема механической развертки была решена в 80-х гг. XIX в. польским инженером Паулем Нипковым. Оптико-механическое устройство, известное как диск Нипкова, содержало ряд отверстий, расположенных по спирали Архимеда. Диски располагались на передающей (перед фотоэлементом) и приемной (перед лампочкой) сторонах. При достаточной скорости и синхронном вращении знаков движущаяся светящаяся точка воспринималась как слитное изображение. Яркость свечения лампочки пропорциональна сигналу с выхода фотоэлемента. ТВ-системы с механической разверткой с числом строк, равным 30 (1200 элементов разложения), существовали в конце 20-х – начале 30-х гг. ХХ в. в Англии, США, СССР.

Принципиально новой и весьма плодотворной явилась идея развертки изображения электронным лучом (Россия), который еще в 1907 г. получил патент на способ передачи изображений на расстояние. создал так называемое «безынерционное перо», превратив осциллографическую трубку в приемную телевизионную, способную воспроизводить полутона за счет модуляции электронного луча. В 1911 г. Розинг демонстрировал первое изображение – черные и белые полосы на экране. Так началась и до сих пор продолжается эра «электронного телевидения».

Ученик Розинга , эмигрировавший в США, стал создателем в начале 30-х гг. первой передающей трубки с накоплением – иконоскопа – и вещательной телевизионной системы, которая начала действовать в США.

Передающие трубки продолжали совершенствоваться, и в последующем появились так называемые супериконоскопы, а затем – суперортиконы – высокочувствительные трубки с двусторонней мишенью, на основе которых в конце 40-х гг. начали создаваться телецентры, работающие в стандарте разложения 625 строк.

Параллельно с развитием черно-белых ТВ-систем шла разработка цветных ТВ-систем. Однако цветное телевидение не нашло широкого применения до тех пор, пока не была решена проблема совместимости с уже созданными системами черно-белого телевидения. Несовместимость состояла в том, что предложенные ранее системы не позволяли цветным телевизорам принимать черно-белые сигналы, а черно-белые телевизоры не могли принимать сигналы цветных.

Первая совместимая система NTSC (National Television System Commitee) была принята в 50-х гг. в США и распространилась на ряд стран Америки, Канаду, Японию. Несколько позднее во Франции была предложена система SECAM (Sequence de Couleurs Avec Memoire – поочередность цветов и память). Систему SECAM часто называют советско-французской системой, так как ее совместный вариант был принят в СССР, Франции и других европейских странах. В 60-х гг. в Германии была создана система PAL (Phase Alternation Line – строка с переменной фазой), и с конца 60-х гг. по системе PAL ведутся передачи в Германии, Англии и ряде других стран.

В это же время продолжилось совершенствование трубок в направлении уменьшения их габаритов и повышения чувствительности, а в начале 70-х годов появились первые, еще далеко не совершенные твердотельные преобразователи «свет – сигнал» на матрицах приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые постепенно практически вытеснили вакуумные трубки. Сейчас говорят об эре электронного твердотельного телевидения.

Одновременно с развитием вещательного телевидения начало развиваться прикладное телевидение, которое в зависимости от области применения имеет свою специфику.

Под прикладным телевидением понимают замкнутые телевизионные системы, в которых сигнал от камеры на видеопросмотровое (видеоконтрольное) устройство передается по кабелю. Основное назначение – наблюдение и управление на производстве, транспорте и др., в том числе в местах, где присутствие человека невозможно, нежелательно или небезопасно.

1.2. Телевизионная система как система связи

Телевизионные системы следует отнести к системам связи, осуществляющим передачу визуальной информации пользователю. Классическая модель системы связи К. Шеннонам содержит три основные части источник информации, канал с шумом, искажающим сигнал, передаваемый источником, и приемник. Таким образом, по Шеннону модель любой телевизионной системы можно представить в виде структурной схемы, показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема телевизионной системы как системы связи

Более детализированной является модель, в которой выделены кодеры источника и канала, а также соответствующие им декодеры:

Рис. 1.2. Детализированная модель (схема) Шеннона

Кодер источника преобразует информацию в электрический сигнал, имеющий определенную форму представления (например, аналоговую или цифровую). Кодер канала преобразует сигнал в форму, необходимую для передачи по каналу связи (например путем модуляции несущей частоты для передачи по эфиру или в световое излучение для передачи по волокну). Декодеры канала и источника выполняют функции, обратные кодерам.

Современная концепция информационной теории связи, предложенная и развитая дополнительно предусматривает выделение источника внешнего шума, действующего до канала непосредственно на источник сигнала, например, случайный шум фотонов. В общем случае на входе канала связи может действовать как фотонный шум, так и детерминированные помехи, проникающие в источник, например, в виде фоновых составляющих. Учет такого внешнего шума весьма важен, поскольку в случае превышения им сигнала источника передача информации по каналу связи становится бесполезной. При этом в системе существуют пороговые условия, при превышении которых дальнейшее усиление сигнала перед каналом связи (в частности повышение чувствительности телевизионной камеры) не имеет смысла, поскольку полезный сигнал полностью маскируется внешним шумом.

Соотношение между полезным (целевым, доминантным) и шумовым (фоновым) сигналом определяет качество информации, создаваемой системой. Причем критерием для оценки качества может выступать информационный критерий избирательности системы (информационного риска), определяющий соотношение потери информации о полезном сигнале и торможения шумовой информации.

1.3. Информационная оценка телевизионной системы

По К. Шеннону – основоположнику теории информации, количество информации Ji, содержащееся в сообщении, имеющем вероятность Pi, выступает как некоторая абстрактная характеристика, лишенная смыслового (семантического) содержания: Ji = –logaPi. Знак «–» ставится из-за того, что Pi £ 1 и, следовательно, log < 0, а информация должна быть со знаком «+», т. е. Ji > 0. Это выражение следует из предположения о том, что сигналы, несущие информацию, носят случайный характер, независимы друг от друга и заранее неизвестны получателю. Передача известной информации несет нулевое ее количество. При появлении нового случайного события информация добавляется.

За единицу информации принят бит (двоичная единица), когда основание логарифма а = 2. Если сообщение состоит из М – равновероятных событий, то передается количество информации J = –(log21/M) = log2M (бит).

Количество информации в элементе кадра, если все градации равновероятны: Jm = –log21/m = log2m. Тогда, рассматривая кадр как совокупность независимых градационных отсчетов, имеем количество информации в кадре J = NJm = Nlog2m. Величины Jm и J называют информационной емкостью элемента изображения и кадра соответственно.

Пусть кадр состоит из N = 5 × 105 элементов (625 строк по 800 элементов в строке), а число передаваемых градаций яркости m = 256 (8-разрядное кодирование амплитуды сигнала, при котором глаз уже не различает перепадов яркости между уровнями квантования). Допуская равную вероятность всех градаций яркости (хотя это заведомо не так), информационная емкость кадра изображения составляет J = Nlog2m = 5 × 105log2256 = 4 × 106 (бит/кадр).