Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
производимых стимулов — см. раздел 19.13). Сверхузкая полоса передачи цветораз
ностных сигналов достигнута за счет специальных и весьма изощренных алгоритмов
компрессии (см. раздел 30.10), что также позволяет передавать цветоразностные сиг
налы вне полосы сигнала яркостного и что, в свою очередь, дает возможность уйти от
появления хроматических «паразитов» в паттернах высокой пространственной часто
ты (могут возникать в системах с частотным уплотнением — см. раздел 19.9).
Эталонные спектральные чувствительности ТВЧтелекамер соответствуют трихро
матическим кривым Стандартного наблюдателя по кардинальным стимулам, воспро
изводимым современными люминофорами.
Наконец отметим, что популярность систем телевидения высокой четкости по
большей части зависит от доступности соответствующих телеприемников.
19.17 СИГНАЛЫ СИСТЕМ ВИДЕОКОМПРЕССИИ
Методы компрессии сигналов, применяемые в телевидении высокой четкости (см.
раздел 19.16 и гл. 30), широко используются и в иных сферах, где яркостный и цвето
разностный сигналы чаще всего обозначают как Y, C
b
и C
r
и которые определены, соот
ветственно, как:
()
YE E E E
CEE
:. . .
:.
¢
=
¢
+
¢
+
¢
¢
-
¢
=-
YRGB
b
BY
0299 0587 0112
1772 0
()
...
:..
169 0 331 0 500
1402 0 500
¢
-
¢
+
¢
¢
-
¢
=
¢
-
EEE
CEE E
RG B
rRY R
0419 0081..
¢
-
¢
EE
GB
Отметим, что сигналы эти те же, что используются в системах PAL и SECAM (см.
гл. 22), за исключением коэффициентов 1.772 и 1.402, ограничивающих C
b
и
C
r
сигналы диапазоном ±0.500, тогда как обычно
¢¢ ¢
EE E
RG B
и,
лежат в пределах от 0
до 1.0 (см. табл. 22.3).
19.18 ОРГАНИЗАЦИЯ ВИДЕОКОНФЕРЕНЦИЙ
Бесспорно то, что бизнесконференциям более всего подходит телевидение, неже
ли, к примеру, телефонная связь. Вместе с тем, изза широкой частотной полосы ис
пользование стандартных сигналов вещания оказывается затруднительным. В ре
зультате для бизнес конференций применяются специально разработанные системы
компрессии информации. В одной из таких систем скорость передачи цифровых дан
ных составляет всего 2 Mbps, однако высокое разрешение (в принципе невозможное
при таком битрейте) достигается за счет резервирования информации от кадра к кадру
и передачей лишь отличий между последними (что вполне адекватно типичным
бизнесконференциям) (Nicol и Duffy, 1983).
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
Bartleson, C.J., and Breneman, E.J., Phot. Sci. Eng., 11, 254 (1967).
Birkinshaw, D.C., J. Roy. Television Soc., 16, 32 (1977).
B.R.E.M.A., Radio and Electronic Engineer, 38, 201 (1969).
Bridgewater, T.H., J. Roy. Television Soc., 16, 25 (1977).
Brown, G., B.B.C. Research Report 1971/4 (1971).
471
ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
CampbellSwinton, A.A., Nature, 78, 151 (18 June 1908).
DeMarsh, L.E., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 81, 784 (1972).
DeMarsh, L.E., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 83, 1 (1974).
Fink, D.G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 89, 89 and 153 (1980).
Hawker, P., J. Roy. Television Soc., 20, 273 (1983).
Herbert, R.M., J. Roy. Television Soc., 25, 134 (1987).
Herbert, R.M., J. Roy. Television Soc., 27, 23 (1990).
Herman, S., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 84, 267 (1975).
Hunt, R.W.G., J. Roy. Television Soc. 11, 220 (1967).
Jesty, L.C., Wireless World, 63, 304 (1957).
McGee, J.D., Brit. J. Phot., 123, 81 (1976).
Mertz, P., and Gray, F., Bell. Syst. Tech. J., 13, 464 (1934).
Mollon, J.D., and Bowmaker, J.K., Nature, 360, 677 (1992).
Nicol, R.C., and Duffy, T.S., Professional Video, 10, 36 (November, I983).
Novick, S.B., Brit. Kinematog. Sound Tel., 51, 342 (1969).
Pitt, I.T., and Winter, L.M., J. Opt. Soc. Amer., 64, 1328 (1974).
Sanders, J.R., J. Roy. Television Soc., 18, 29 (1980).
Shiers, G., J. Roy. Television Soc., 16, 6 (1976).
Sidey, P., Longman, R., Glencross, D., and Pilgrim, A., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 90, 1165
(1981).
Sproson, W.N., private communication (1966).
Wood, D., TV and Video Engineer’s Reference Book, pp 29/1–29/10,
ButterworthHeinemann, Oxford (1991).
Yule, J.A.C., Principles of Color Reproduction, Wiley, New York, p. 176 (1967).
Yule, J.A.C., J. Color and Appearance, 2, 30 (1973).
ЛИТЕРАТУРА
Carnt, P.S., and Townsend, G.B., Colour Television: N.T.S.C. Principles and Practice,
Iliffe, London, (1961), and Colour Television, VOL. 2, P.A.L., S.E.C.A.M. and Other
Systems, Iliffe, London (1969).
Fink, D.G., Color Television Standards, McGrawHill, New York (1955).
Gouriet, G.G., An Introduction to Colour Television, The Television Society, London
(1955).
Jesty, L.C., J. Television Soc., 7, 488 (1954).
Kaufman, M., and Thomas, H., Introduction to Color T.V., John F. Rider, New York (1954).
Loughren, A.V., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 60, 321 and 596 (1953).
Pearson, D.E., Transmission and Display of Pictorial Information, Pentech Press, London
(1975).
Proc. Inst. Radio Engnrs., 39, 1124–1331 (1951).
Proc. Inst. Radio Engnrs., 41, 838–858 (1953).
Proc. Inst. Radio Engnrs., 42, 5–344 (1954).
Proc. Inst. Radio Engnrs., 43, 742–748 (1955).
Sproson, W.N., Colour Science in Television and Display Systems, Adam Hilger, Bristol
(1983).
The Television Society, London, A Bibliography of Colour Television (1954).
The Television Society, London, A Bibliography of Colour Television Supplement (1955).
Zworykin, V.K., and Morton, G.A., The Electronics of Image Transmission in Colour and
Monochrome, Chapman & Hall, London (1954).
ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ
20 ТЕЛЕСЪЕМКА
20.1 ВВЕДЕНИЕ
Т
елевизионные камеры (телекамеры) выполняют конверсию двухмерной визу
альной информации, заключенной в оптическом изображении сцены, в одно
мерный электрический сигнал. После передачи устройствуприемнику сигнал этот
вновь преобразуется в двухмерный, формируя тем самым электронную репродукцию
исходного оптического изображения. Конверсия информации из двух размерностей в
одну выполняется путем построчного сканирования оптического изображения ориги
нальной сцены (образованного объективом телекамеры на поверхности того или иного
светочувствительного элемента), т.е. процесса, выполняемого в определенной времен
но\й последовательности.
Телерепродукция сцены восстанавливается телеприемником путем построчной
сборки изображения из принятого сигнала, выполняемой в той же временно\й последо
вательности.
20.2 ПЕРВЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ
Камеры, применявшиеся на заре телевидения (точнее даже в его эксперименталь
ный период) оптическим (либо даже механическим) путем разбивали первичное (оп
тическое) изображение сцены на серии строк. К примеру, диск, показанный на
рис. 20.1, вращавшийся позади объектива камеры, преобразовывал оптическое (пер
вичное) изображение в набор слегка искривленных линий. Однако оптические и ме
ханические сканирующие устройства могли дать картинку лишь очень низкой чет
кости, подчас едва достигавшей 100 lpp (lpp — lines per picture — строк на изображе
ние ). Телевидение адекватной четкости, задействующее 400 (и более) строк на изо
бражение, стало возможным благодаря появлению т.н. иконоскопа, изобретенного в
1928 г. В.К. Зворыкиным.
20.2.1 Иконоскоп
В иконоскопе электронное изображение сцены формировалось за счет того, что
свет, отраженный от ее объектов, падал на тонкий слой слюды, содержащий мозаику
активированных зернышек серебра, покрытых цезием или оксидом цезия. Каждое
зернышко было отделено от других и работало как микрофотоэлемент. Когда свет воз
действовал на этот фотоэлемент, возникала эмиссия электронов, представляющая со
бой функцию от количества упавшего света и, следовательно, получалось изображе
ние, состоящее из электрических зарядов (т.н. потенциальный рельеф).
Слой слюды с зернами серебра, который в данном контексте суть т.н. фотокатод,
сканировался затем пучком электронов высокой скорости (разогнанных потенциалом
в 10000 В), что, в свою очередь, вызывало вторичную электронную эмиссию и полный
переход электронов с серебряной мозаики на т.н. коллектор (сигнальную пластину),
выдававший электрический (выходной) сигнал. Однако чем выше уровень экспози
ции той или иной области фотокатода, тем ниже уровень вторичной эмиссии электро
473
нов (поскольку большее их количество ушло при эмиссии первичной) и тем ниже ре
зультирующий ток коллектора. То есть, мы говорим, что катодный ток представляет
собой функцию от разности уровней световой экспозиции соседних участков электрон
ного изображения, т.е. функцию от разности потенциалов соседних участков потенци
ального рельефа.
В грубом приближении, изменение силы тока пропорционально корню квадратно
му изменения фотометрической яркости, и, хотя нелинейное соотношение, на первый
взгляд, нежелательно, мы знаем, что светоотдача телеприемников, выполненных на
базе ЭЛТ, примерно пропорциональна квадрату (или кубу) приложенного сигнала.
Сказанное означает, что гамма тонопередачи связки двух устройств (камеры и прием
ника) будет либо линейной, либо степенной с коэффициентом 1.5 (последнее необходи
мо для телепросмотра в темном окружении, что уже обсуждалось в гл. 6).
Наконец отметим, что у передающих трубок всех телекамер различные компонен
ты иконоскопа помещены в вакуумную колбу.
20.2.2 Супериконоскоп
Светочувствительность т.н. супериконоскопа, пришедшего на смену иконоскопу,
выше чем светочувствительность последнего, чего удалось добиться за счет формирова
ния оптического изображения на полупрозрачном фотокатоде и следующей за этим бом
бардировкой пучком разогнанных электронов т.н. мишени передающей трубки. Понят
но, что интенсивность бомбардировки мишени согласуется с фотометрическими ярко
стями элементов передаваемого изображения.
В результате бомбардировки возникает т.н. вторичная эмиссия электронов (то есть,
474
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.1 Диск механического сканирования, применявшийся на заре телевидения.
эмиссия уже из мишени), и поэтому, когда начинается процесс сканирования мишени
потоком быстрых электронов, ток коллектора представляет собой функцию от измене
ния фотометрической яркости соседних элементов оптического изображения, то есть
также, как в иконоскопе.
20.2.3 Иконоскоп и супериконоскоп в цветном телевидении
Важно отметить, что иконоскоп и супериконоскоп не подходят цветному телевиде
нию, поскольку неуправляемые вторичные электроны искажают краевые контрасты
(которые должны представлять собой функцию от фотометрических яркостей сосед
них областей изображения). Коль скоро распределение яркостей в трех кардинальных
изображениях различно, искажения эти также будут различны, вследствие чего на
воспроизводимом изображении возникнут различные хроматические «паразиты».
20.2.4 Ортикон
Первое общественное телевидение адекватной четкости, начавшее в 1936 г. веща
ние из лондонской студии BBC, строилось на передающих трубках различных типов,
представлявших собой независимую разработку команды Дж. Д. МакГи (EMI) под об
щим названием «Эмитрон» («Emitron»). Усовершенствованный вариант Эмитрона,
известный как CPSEmitron (cathodepotentialstabilized) или «Ортикон» появился
лишь 10 лет спустя.
На рис. 20.2 показаны основные узлы ортикона: изображение сцены формируется
на тонком листке слюды, имеющем на своей передней поверхности прозрачный прово
дящий слой, а на задней — слой светочувствительный. Фотоэлектроны, испущенные
задней поверхностью, собираются на аноде, формируя потенциальный рельеф (т.е.
изображение из электрических зарядов). Рельеф сканируется пучком слабо разогнан
ных электронов, энергии которых хватает лишь на то, чтобы заполнить светочувстви
тельный слой в тенях регистрируемой сцены. Света сцены при этом остаются положи
тельно заряженными (что вызвано недостатком фотоэлектронов), позволяя тем самым
сканирующему лучу восполнить этот недостаток. В результате токи, идущие от элек
тронных пушек к светочувствительному слою, становятся функцией от фотометриче
ской яркости элементов оптического изображения сцены. Колебания силы этих токов
475
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.2 Типичный ортикон (CPSEmitron). Сплошные лини — свет; пунктирные — электроны.
вызывают колебания потенциала на прозрачном проводящем слое, что и представляет
собой сигнал передаваемого изображения.
Отметим, что в трубках данного типа не возникает локальных тоноискажений,
свойственных иконоскопу, однако чувствительность ортиконов слишком мала для их
эффективного использования в цветных телекамерах.
Отметим также, что взаимоотношения между фотометрической яркостью элемен
тов оптического изображения сцены и сигналом ортикона полностью линейные и это
означает, что перед отправкой на приемник сигнал этот должен быть подвергнут
гаммапредыскажению (Benson, 1981).
20.3 ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
20.3.1 Суперортикон
На рис. 20.3 показаны основные узлы т.н. суперортикона, в котором действуют как
супериконоскоп, дающий низкоэнергетичный сканирующий луч (т.е., реализующий
этап электронного изображения), так и т.н. фотоэлектронный умножитель, необхо
димый для повышения чувствительности устройства.
Оптическое изображение сцены у суперортикона формируется на светочувстви
тельном слое (фотокатоде) и поток электронов, им испущенных, фокусируется сооб
разно изображению на специальной «мишени», представляющей собой сверхтонкую
стеклянную мембрану со сверхмелкоячеистой металлической сеткой. Последняя рас
положена параллельно мембране и очень плотно прилегает к ней со стороны хода элек
тронов.
Фотоэлектроны вызывают вторичную электронную эмиссию с поверхности мем
браны, а испущенные электроны собираются на проволочной сетке. При этом заме
тим, что стекло настолько тонкое, что результирующий зарядовый паттерн возникает
по обе стороны этого стекла. Когда стеклянная мембрана сканируется электронным
лучом низкой энергии, наполнение мишени электронами будет представлять собой
функцию от фотометрической яркости элементов изображения сцены, то есть, как в
обычном ортиконе. Следовательно, изменения фотометрической яркости изображе
ния сцены вызывают изменения электроннолучевого тока, который, возвращаясь от
мишени, запускает первый этап работы пятистадийной трубки фотоэлектронного ум
ножителя.
476
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.3 Суперортикон. Сплошные лини — свет; пунктирные — электроны.
20.3.1.1 Светочувствительность
Чувствительность трубки суперортикона очень высока и позволяет получать высо
кокачественные чернобелые изображения сцен с освещенностью вплоть до 20 лк.
Подобно ортикону суперортикон дает полностью линейный отклик, но на достаточ
но высоких уровнях фотометрической яркости возникает момент насыщения: прово
лочная сетка перестает принимать вторичные электроны и отклик устройства вырав
нивается (Neuhauser, 1956). Вторичные электроны, не задержанные сеткой, летят на
зад к мишени и создают области с отрицательным зарядом (что в свою очередь приво
дит к появлению на изображении черных ореолов вокруг очень ярких объектов сцены,
таких как, к примеру, источники света).
В цветном телевидении характер описанных дефектов у каждого из кардинальных
трихроматических изображений различен, что ведет к появлению неприемлемых хро
матических «паразитов», и в результате чего трубки вынуждены работать только на
участке ниже сгиба («излома») их характеристической кривой.
20.3.1.2 Динамический диапазон
Диапазон фотометрических яркостей объектов сцены (динамический диапазон), в
котором суперортикон отвечает линейно, составляет примерно 90:1 и выражается как
отношение максимального уровня сигнала к среднеквадратичному шуму. В логариф
мических единицах данная величина будет составлять 1.95 или же 39 дБ.
1
На практи
ке, однако, необходимость гамма коррекции и т.н. апертурной коррекции (повышаю
щих амплитуду высокочастотных сигналов для компенсации снижения контраста ме
жду мелкими деталями изображения — эффекта зависящего от диаметра сечения
или, как говорят, «апертуры» электронного пучка — см. раздел 20.12) обычно приво
дит к снижению отношения «максимальный уровень сигнала/шум» на малых уров
нях сигнала.
20.3.2 Видикон
На рис. 20.4 показаны основные узлы видикона. Оптическое изображение сцены
формируется на тонком слое фотопроводника, плотно прилегающего со стороны паде
ния света к прозрачному проводящему слою, который несет на себе заряд, положи
тельный по отношению к электронной пушке, расположенной с противоположной
стороны этого слоя. В результате, при отсутствии световой энергии фотопроводник ра
ботает как диэлектрик, не давая идти току от пушки к прозрачному проводящему
слою. Но под воздействием света, фотопроводящий слой начинает пропускать элек
трический ток, в результате чего электроны начинают движение в сторону прозрачно
го проводящего слоя и, следовательно, потенциал поверхности фотопроводника растет
как функция от фотометрической яркости падающего света. Затем сканирующий
477
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
1
В электротехнике энергия пропорциональна квадрату напряжения (или тока), поэтому из
менение на одну логарифмическую единицу (десятичный логарифм) напряжения (или тока)
равно двенадцати (не десяти) децибел. В телевидении, если выходное напряжение (или ток)
преобразователя рассматривать как прямо пропорциональное количеству света, для получения
соответствующего изменения количества света в логарифмических единицах данное измене
ние в напряжении (или силе тока), выраженное в децибелах, должно быть разделено на 12. И
наоборот: для получения соответствующего изменения напряжения (или тока) в децибелах ло
гарифмическое изменение количества света должно быть умножено на 12.
электронный пучок выбивает электроны, тем самым еще раз снижая заряд согласно
уровню фотометрических яркостей элементов оптического изображения сцены, и,
следовательно, токи, идущие в направлении прозрачного проводящего слоя, образуют
тем самым требуемый сигнал.
20.3.2.1 Светочувствительность
Мы видим, что конструкция видикона несколько проще, чем суперортикона, но при
этом видикон и менее чувствителен: для получения высококачественных чернобелых
изображений сцен с помощью последнего необходима освещенность этих сцен порядка
500 люкс.
20.3.2.2 Динамический диапазон
В отличие от ортикона, динамический диапазон видикона полностью адекватен ре
гистрируемым сценам и составляет 300:1 (50 дБ), хотя неизбежная апертурная кор
рекция часто снижает его до 100:1 (40 дБ).
20.3.2.3 Функция отклика
Характеристики отклика видикона примерно те же, что и у иконоскопов: выход
ной сигнал примерно пропорционален корню квадратному из фотометрической ярко
сти падающего света (следовательно, когда видикон работает в связке с приемником,
построенном на электроннолучевой трубке, требуется некоторая гамма коррекция).
Однако, в отличие от иконоскопов отклик видикона не зависим от локальных колеба
ний фотометрической яркости.
На рис. 20.5 в логарифмических осях даны кривые отклика типичного видикона
(Neuhauser, 1956): наклон прямой, аппроксимирующей эти кривые, соответствует ко
эффициенту контрастности (гамма) примерно 0.5. Коэффициент контрастности ти
пичного видикона, как правило, лежит в диапазоне 0.50.6.
Отметим, что линии рис. 20.5 получены простым изменением разности потенциа
лов между прозрачным проводящим слоем и электронной пушкой, что, кстати говоря,
представляет собой очень удобный и высокочувствительный механизм управления
видиконом (к примеру, в камерах цветного телевидения такой механизм может ис
пользоваться для выравнивания трех сигналов по белому стимулу сцены).
478
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.4 Видикон. Сплошные лини — свет; пунктирные — электроны.
Стоит сказать, что у видикона очень низкий и стабильный темновой ток (что край
не важно для камер цветного телевидения), но, вместе с тем, теневые и черные объек
ты иногда передаются с паразитной хроматической подцветкой. Фактически все тоно
передающие характеристики видикона очень стабильны и линейны (в логарифмиче
ских осях) и свободны от какихлибо «изломов», свойственных суперортиконам.
20.3.2.4 Таймлаг
Вдобавок к ограниченной чувствительности, у видикона есть еще один существен
ный недостаток: трубка дает ощутимый таймлаг (время запаздывания), приводящий к
легкому смазыванию изображения. При этом время запаздывания зависит от уровня ос
вещенности сцены и при 1000 лк (и выше) это смазывание практически незаметно.
20.3.2.4 Область применения
Наконец отметим, что видикон с его широким и стабильным динамическим диапа
зоном весьма хорош для получения телесигналов с изображений, выполненных на
фото и кинопленках (кинотелепроекция). Плюс к тому, видиконовые трубки ком
пактнее ортиконов и, следовательно, позволяют конструировать весьма компактные
камеры.
20.3.3 Плюмбикон
Плюмбиконовая трубка (плюмбикон) работает строго по тем же принципам, что и
видикон (De Haan и Van Doorn, 1964), однако фотопроводник в плюмбиконе изготав
ливается не из сульфида сурьмы (Sb
2
S
3
) или селена (Se), а из моноксида свинца (PbO).
479
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.5 Кривые откликов видикона при четырех вариантах величины разности потенциалов
(E, 0.8E, 0.5E и 0.4E, где E — максимально возможное значение) между прозрачным проводя
щим слоем и электронной пушкой.
20.3.3.1 Светочувствительность
Светочувствительность плюмбикона лежит примерно по середине между чувстви
тельностями суперортикона и видикона: высококачественные чернобелые изображе
ния сцен можно получить при уровнях их освещенности ниже 100 лк.
20.3.3.2 Функция отклика
Гамма кривой отклика плюмбикона (см. рис. 20.6) примерно равна 1.0, поэтому
обычно требуется гамма коррекция. Тонопередающая характеристика, линейна и не
зависит от уровня освещенности сцены, локальных яркостных отличий, рабочего на
пряжения и внешней температуры. Темновой ток очень низкий.
20.3.3.3 Динамический диапазон
Динамический диапазон составляет 80:1 (38 дБ) при освещенности сцены в 1500 лк
и 65:1 (36 дБ) при 250 лк.
20.3.3.4 Рабочая область изображения
Рабочая область изображения очень мала — 12´16 мм (или даже меньше), благода
ря чему могут использоваться объективы с очень большой относительной апертурой
(малыми значениями диафрагм — Прим. пер.) без какихлибо серьезных потерь глуби
ны резкости (см. раздел 18.11) и благодаря чему камеры могут изготавливаться очень
компактными.
20.3.3.5 Таймлаг
Таймлаг плюмбикона практически равен нулю (за исключением очень низких ос
вещенностей).
480
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Рис. 20.6 Характеристическая кривая отклика плюмбикона.