516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

К достоинствам цифрового кино следует отнести резкое сокращение интервала времени между завершением монтажного периода фильма с помощью электронных технологий и его демонстрацией в кинотеатрах за счет исключения печати фильмокопий. Процесс цифровой обработки отснятого материала обладает высокой гибкостью, в ближайшем будущем заменит многие операции, связанные с лабораторной химической обработкой киновидеоматериалов. Для общества в целом переход к цифровому кино будет означать снижение риска загрязнения окружающей среды продуктами химической обработки кинопленки.

Переход на цифровые технологии позволяет осуществить многоязыковое звуковое сопровождение кинофильма, а также субтитрование на разных языках. Например, в одном и том же электронном кинотеатре на отдельных сеансах один и тот же фильм может идти на разных языках.

Выгоден ли экономически переход к цифровому кино? Специалисты считают, что выгоден. Прежде всего, это экономия средств кинопрокатных организаций на тиражировании кинокопий, сокращение временных и финансовых затрат на транспортировке десятков тысяч фильмокопий за счет перехода на оцифровку и передачу цифровых фильмов по линиям связи, а также надежная защита от несанкционированного доступа к кинопродукции. Даже производство и доставка в кинотеатры электронных копий кинокартин в виде кассет с магнитной лентой или видеодисков, которые могут быть изготовлены в любое время, практически в 4…5 раз дешевле, чем копии кинокартин на кинопленке. Операторы систем спутниковой связи и волоконно-оптических линий связи выиграют за счет использования уже существующей телекоммуникационной инфраструктуры для новой сферы бизнеса. Но наибольший интерес цифровое кино представляет для владельцев кинотеатров, которые смогут привлечь больше посетителей за счет демонстрации альтернативного контента, будь то спортивные программы, различные концерты или прямые трансляции важных событий. В последнее время в США было проведено несколько финансово-экономичес- ких исследований цифрового кино. Общее заключение гласит, что объединенные затраты, включающие капитальные вложения и эксплуатационные расходы на систему цифрового кино, будут меньше, чем затраты, связанные с оборудованием, печатью и распределением кинофильмов [2].

Выбор основных параметров систем ТВЧ должен производиться на условиях эргономически обоснованного соответствия особенностям зрительного восприятия человеком окружающего мира.

Поэтому, в монографии, в первую очередь, рассмотрены особенности визуального рассматривания телевизионных изображений и основные требования к параметрам телевизионных изображений высокой четкости, эргономически согласованным со зрительной системой человека.

Значительная часть монографии посвящена изложению и анализу конструктивных особенностей и технических характеристик современных видеосредств ТВЧ.

Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевидения, видеотехники, аудиовизуальной техники.

Часть I. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ТЕЛЕВИДЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

1.1. Устройство зрительной системы человека

Телевизионное изображение воспринимается непосредственно зрительной системой человека, оконечным устройством которой является глаз. Поэтому для рационального построения телевизионных систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемников светового излучения – двух глаз, нервных волокон, преобразующих и передающих визуальную информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головного мозга, в которых происходит расшифровка информации и формирование зрительных образов.

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы диаметром около 24 мм (глазное яблоко) (рис. 1.1), покрытое оболочкой из плотных волокон, то есть склерой 1. Передняя часть склеры 2, называемая роговицей, прозрачна для света и имеет несколько более выпуклую форму. Диаметр роговой оболочки около 12 мм. За роговицей расположена передняя камера 3, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой 4, имеющей в центре отверстие – зрачок 5, играющий роль диафрагмы. Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза в пределах от 2 до 8 мм. За зрачком находится хрусталик 6, представляющий собой прозрачное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью глазных мышц 7, охватывающих хрусталик, кривизна которого может меняться, на задней стенке глаза фокусируется перевернутое изображение предметов, находящихся по отношению к человеку

на расстоянии от 10 см до бесконечно-

глазное яблоко оболочкой 9, которая называется сетчаткой. Между склерой и сетчаткой располагается сосудистая оболочка 10, содержащая капилляры, которые снабжают глаз кровью, обеспечивая обменные процессы в активных тканях глаза. В зависимости от формы нервные окончания подразделяются на палочки и колбочки. Палочки – это длинные тонкие рецепторы, а колбочки – более короткие и толстые. Данные рецепторы функционируют различным способом. Колбочки обладают чувствительностью к свету и цвету, палочки – только к свету. Цветные элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдельному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами, они, обладая большей светочувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение. В целом сетчатка содержит около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек.

Распределены палочки и колбочки по поверхности сетчатки неравномерно. Для примера на рис. 1.2 представлено распределение палочек (кривая 1) и колбочек (кривая 2) на 1мм2 сетчатки. Колбочки концентрируются в основном в центральной части сетчатки (фовеа), называемой также желтым пятном. Фовеа, обладающее свойством наилучшего видения, имеет овальную форму длиной около 2 мм и шириной примерно 0,8 мм, что соответствует угловым размерам 1…3°. В области желтого пятна фактически располагаются только колбочки с плотностью до 1,5·105 на 1 мм2. Причем средний диаметр колбочки в центре фовеа примерно равен 3 мкм. Плотность расположения колбочек значительно уменьшается к краям желтого пятна, а размер их возрастает. Палочки имеют максимальную концентрацию 1,7·105 на 1 мм2 на расстоянии 10…12° от зрительной (оптической) оси глаза. Плотность палочек уменьшается как к центру глаза, так и к периферии.

Рис. 1.2. Распределение палочек и колбочек на сетчатке глаза

Когда световое излучение возбуждает палочку или колбочку, возникает фотохимический переходной процесс, в результате которого создается нервный импульс, который по нервным волокнам и зрительному нерву 8 передается в зрительные участки коры головного мозга. Следует заметить, что предварительная обработка информации осуществляется непосредственно на сетчатке благодаря наличию разветвленной нейронной структуры. В месте отведения зрительного нерва имеется нечувствительная зона сетчатки – слепое пятно 12.

В процессе зрительного наблюдения оптические оси глаз рефлекторно устанавливаются так, чтобы изображения подвергающихся рассматриванию объектов проецировались на центральную часть сетчатки, обладающую наибольшей разрешающей способностью.

1.2. Световая чувствительность глаза

Светочувствительные элементы сетчатки – колбочки содержат родопсин (зрительный пурпур), который при воздействии света распадается на витамин А и белок (ретинин). Освобождающаяся при этом энергия создает сигнал в нервном волокне.

Способность глаза реагировать на световое раздражение характеризуется чувствительностью. Чувствительность ε глаза к воздействию излучения определяется величиной, обратной яркости поля, вызывающей пороговое раздражение: ε = 1/Lп. Чувствительность может измеряться и в единицах, обратных пороговой освещенности наблюдаемого изображения.

Измерения показывают, что глаз способен реагировать на излучения, соответствующие единицам световых квантов. Наряду с этим зрительная система обеспечивает нормальное восприятие и при очень высоких яркостях. Способность глаза изменять свою чувствительность и приспосабливаться к разным яркостям наблюдаемого изображения называется адаптацией.

Палочковый аппарат обладает бóльшей чувствительностью, чем колбочковый. Палочки начинают реагировать на яркости порядка 10–4…10–5 кд/м², а колбочки на яркости порядка единиц кд/м². При яркостях порядка около 10 кд/м² палочковый аппарат ослепляется. При яркостях 10…104 кд/м² работают только колбочки. Таким образом, световой динамический диапазон глаза составляет около 109. Такой широкий динамический диапазон обусловлен, прежде всего, сложными динамическими процессами разложения зрительного пурпура и в меньшей степени явлениями адаптации, связанными с автоматическим регулированием воздействующего на сетчатку светового потока в результате изменения диаметра зрачка (диафрагмирования).

Электромагнитные колебания, находящиеся в диапазоне длин волн от 380 до 770 нм, человеческим глазом ощущаются как свет. Волны этого диапазона обычно называют световым, или видимым излучением. В данном диапазоне длин волн атмосфера, окружающая нашу планету, обладает наибольшей прозрачностью, что свидетельствует о том, что свойства глаза формировались в результате многовековой эволюции живых организмов.

Таблица 1.1

Соотношение между воспринимаемыми цветами и длинами волн воздействующих электромагнитных колебаний

Воздействие на глаз отдельных частот видимого спектра излучения соответствует ощущению определенного цвета. Примерное соотношение между некоторыми длинами световых волн и создаваемым ими ощущениями цвета приведено в табл. 1.1.

Кроме перечисленных цветов различают еще пурпурный. Он не является монохроматическим, а образован сочетанием красного и синего световых потоков. В зависимости от соотношения долей красного и синего в этой области выделяют следующие оттенки: вишневый, собственно пурпурный и сиреневый.

Чувствительность глаза не только ограничена определенной областью спектра электромагнитных колебаний, но и неравномерна в этой области, то есть глаз, воспринимает свет различных длин волн одинаковой энергии неодинаково. Например, два поля, зеленое и синее, излучающие одинаковую энергию, воспринимаются как имеющие различную яркость (зеленое ярче). Наибольшая чувствительность глаза лежит в области желто-зеленых цветов (λ 550 нм).

Распределение чувствительности глаза сходно с распределением энергии в солнечном свете, отраженном естественной живой средой на земле - зеленью. Это подтверждает приспособление глаза к лучшему восприятию окружающей среды. Кривая, изображающая чувствительность глаза к лучам разной длины волны видимого спектра, называется кривой спектральной видности, или чувствительности.

Спектральная чувствительность глаза у людей несколько различна, а также зависит от условий наблюдения. Поэтому на основании исследования большого числа лиц Международной комиссией по освещению (МКО) была принята стандартная кривая относительной спектральной видности Кλ, изображенная на рис. 1.3 для равноэнергетического спектра.

При малых яркостях кривая смещается в сторону более коротковолнового излучения, что приводит к увеличению чувствительности глаза к синим лучам и резкому ее снижению к красным. Данное явление получило название эффекта Пуркинье.

Суммарное воздействие на глаз всего видимого спектра, имеющего распределение энергии по спектру такое же, как и в солнечном свете, ощущается как белый цвет. Любое другое распределение энергии в спектре света ощущается как цвет. Поэтому восприятие цвета и яркости деталей наблюдаемого объекта (изображения) зависит не только от характера самого объекта, но также и от спектрального состава света, освещающего объект, и распределения в нем энергии.

Рис. 1.3. Стандартная кривая относительной спектральной видности глаза

Спектральный состав и распределение энергии теплового источника света зависит от температуры излучающего тела. В связи с этим вместо того, чтобы каждый раз указывать спектральный и энергетический составы света, указывают только температуру, при которой обеспечивается данное излучение. Эта температура называется «цветовой температурой».

В 1931 г. МКО ввела в практику четыре стандартных источника белого цвета, названных источниками A, B, C, E, которым соответствуют цветовые температуры следующих значений: 2854, 4800, 6500, 5700 К. Например, источник белого цвета типа С (европейское обозначение D6500) обеспечивает излучение, близкое к спектру солнечного света.

В практической жизни человеку сравнительно часто приходится наблюдать различные объекты в условиях нестационарного освещения. Особенности рассматривания подобных изображений объясняет модель темновой и световой адаптации, разработанная русским ученым П.П. Лазаревым. Теория адаптации описывает изменение чувствительности глаза при переходе от стационарного освещенного состояния к большей или меньшей освещенности. Графически эти зависимости для разных исходных освещенностей приведены на рис. 1.4. Как подтверждают измерения, время темновой адаптации составляет десятки секунд (30…50 сек), а световой – единицы секунд (8…10 сек.). Явления темновой и световой адаптации следует учитывать при проектировании телевизионных систем и наблюдении изображений человеком в условиях нестационарного освещения.

Рис. 1.4. Кривые темновой а) и световой б) адаптации глаза

1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых градаций яркости

Если на глаз воздействует изображение с яркостью участков L, то, как показывают эксперименты, наблюдатель реагирует не на абсолютное изменение яркости L, а на ее относительное значение L/L.Минимальное относительное изменение яркости L/L, воспринимаемое наблюдателем, называется относительным разностным порогом раздражения. Разностный порог в определенных пределах изменения интенсивности остается постоянной величиной. Таким образом, минимально заметное приращение ощущения Е в установленных пределах интенсивностей пропорционально относительному разностному порогу:

где k – коэффициент пропорциональности.

Если сделать допущение о том, что эта закономерность, установленная экспериментально для конечных приращений интенсивностей, справедлива для бесконечно малых значений, то соотношение (1.1) приведет к выражению dE = = kdL/L. Интегрируя это уравнение, нетрудно определить

Постоянную интегрирования D определим из условия Е = 0 при L = Lп, то есть D = –klnLп. Тогда соотношение (1.2) примет вид:

Соотношение (1.3), называемое законом Вебера-Фехнера, устанавливает, что ощущение Е пропорционально логарифму яркости L. Экспериментальные исследования позволили установить, что этот закон справедлив в диапазоне яркостей от десятых долей до 103 кд/м2 (рис. 1.5). Из анализа графических зависимостей рис. 1.5 следует, что в широких пределах изменения яркости наблюдаемых объектов относительный разностный порог, называемый также пороговым контрастом, фактически постоянен, то есть (ΔL/L)пор = п = const. Практически в пределах средних величин яркости (1,0…1000 кд/м2) глаз ощущает относительное изменение яркости, примерно равное 2...5%. Допустимый диапазон изменения яркости при соблюдении закона Вебера-Фехнера на рис. 1.5 обозначен символом a. Причем заштрихованная область относительных значений яркости соответствует различным длинам волн воздействующего излучения.

На основании анализа выражения (1.3) можно фактически сказать, что физиологическое ощущение возрастает в арифметической прогрессии, если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии.

С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие параметры зрительного восприятия, как наблюдаемый контраст и число различимых градаций яркости (полутонов).

Под контрастом (контрастностью) объекта или изображения К понимается отношение максимальной его яркости Lmax к минимальный Lmin, то есть диапазон воспроизводимых яркостей

К = Lmax/Lmin .

Рис. 1.5. Результаты экспериментальных исследований относительных пороговых значений яркости

В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 105 и более раз. Зрительная система человека неспособна одновременно воспринимать весь этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптации – приспособлению к различным яркостям.

При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное количество ступеней изменения яркости N, называемых градациями яркости.

Возможное число регистрируемых глазом градаций яркости определим на примере рассматривания ступенчатого клина яркостей с пороговым значением различия по яркости на каждой ступени [3]. Первая градация такого клина отличима от фона, если ее яркость L1 превышает яркость фонового раздражения Lф на величину Lф п:

L1 = Lф + LФ п = Lф (1 + п ).

Вторая градация отличима от первой, если:

L2 = L1 + L1 п = L1(1 + п) = Lф(1 + п)2 .

даемого изображения. Эта зависимость для различных п приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Зависимость числа различимых градаций от контраста изображения

Расчет показывает, что при К = 100 (черный бархат с коэффициентом отражения 0,009 на снегу с коэффициентом отражения 0,9) и п = 0,02 число различимых градаций N = 232.

Рассмотренные закономерности лежат в основе выбора динамического диапазона яркостей и контрастности изображений, воспроизводимых телевизионными устройствами.

1.4. Разрешающая способность глаза

Предельная способность человека видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью зрительной системы (остротой зрения). К числу принципиальных физических факторов, влияющих на разрешающую способность глаза, прежде всего, следует отнести: дифракцию света, дискретность структуры сетчатки и аберрации в оптической системе глаза. Однако определить остроту зрения по характеристикам оптической системы глаза и структуры сетчатки в полной мере нельзя, так как глаз представляет собой динамическую систему. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока – тремором. Кроме того, зрительная ось глаза обегает контуры отдельных деталей изображения, как бы анализируя наиболее информативные участки. Указанные движения глаза увеличивает остроту зрения по сравнению со статической (расчетной).

Статическая разрешающая способность глаза определяется минимальным углом наблюдения δmin , при котором две тонкие черные линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью Р (Р = 0,95). На рис. 1.7 толщина черных линий равна промежутку между ними. Разрешающая способность зрительного аппарата человека зависит также от яркости и цвета фона, контрастности деталей рассматриваемых объектов относительно фона, времени наблюдения. В некоторых случаях разрешающую способность характеризуют величиной, обратной углу разрешения, – остротой зрения Sзр = (δmin )–1.

С целью количественной оценки разрешающей способности глаза рассмотрим более подробно влияние дифракции света [3]. Световой поток, попадающий в глаз, ограничивается радужной оболочкой, которая является своеобразной диафрагмой. Из оптики известно, что если световой поток проходит через узкую щель (рис. 1.8), то согласно принципу Гюйгенса, каждую точку пространства можно рассматривать как источник сферической волны.

Рис. 1.7. К определению разрешающей способности зрения

Рис. 1.8. К определению влияния дифракции на разрешающую способность глаза

Рассмотрим лучи 1 и 3 от верхней и нижней точек щели, которые пересекутся в точке плоскости изображения. Если фазовый сдвиг лучей 1 и 2 составляет λ/2, то это имеет место и для каждой пары лучей, распространяющихся в конусах, образуемых лучами 1 и 2, 2 и 3, то есть яркость в точке а0 равна нулю. Нетрудно определить положение точки а0 в плоскости изображения. Выразим его через расстояние r от оптической оси. Из рис. 1.8 видно, что sinδ = r/f = λ/D, откуда

где f – расстояние от щели до точки а0 изображения; D – ширина щели; λ – длина волны излучения.

Если проанализировать аналогичные явления не для щели, а для отверстия диаметром D, то соотношение (1.6) примет вид: r0 = 1,22( f /D)λ.

Распределение яркости излучения в плоскости изображения при прохождении плоской волны от удаленного источника света через круглую диафрагму приведено на рис. 1.9 (кривая 1). Диаметр 2r0 кружка рассеяния тем больше, чем меньше D и больше длина волны λ. Если в поле изображения находятся две точки, то картина распределения дополнится кривой 2. Глаз различает две точки лишь в том случае, когда спад интенсивности результирующей кривой превышает пороговое раздражение соответствующих рецепторов.

При оценке разрешающей способности оптических приборов в аналогичной ситуации принято различать две точки в плоскости изображения в том случае, когда максимум яркости излучения одной точки совпадает с первым минимумом в распределении яркости второй точки (или максимумы лежат на большем расстоянии). В этом случае расстояние между точками в плоскости изображения равно r0 . В результирующей кривой образуется провал (27%).