516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

разом, возникает эффект «присутствия» зрителя, заключающийся в сопричастности телезрителя показываемым на экране событиям, в возрастании эмоционального и смыслового воздействия телевизионных изображений на зрителя.

Поэтому в разрабатываемых телевизионных системах высокой четкости наблюдается тенденция к увеличению угловых размеров телевизионных изображений при условии, что рассматривание изображения будет осуществляться с расстояния, не превышающего 3h. В этом случае будут обеспечены условия максимальной комфортности при наблюдении телевизионных изображений.

Рассматривать телевизионные изображения с более близкого расстояния (А < 2,5h) не рекомендуется. Это объясняется тем, что при малых расстояниях наблюдения зритель не может охватить взглядом весь экран и не успевает прослеживать быстрые движения (со скоростью 20…30 град/сек) объектов в телевизионном кадре. Восприятие телевизионных изображений в таких условиях может привести к сильному утомлению глаз.

Сравнивая телевизионные изображения с различными форматами кадра, с определенным приближением можно считать, что в большинстве случаев достаточно высококачественное (или, по крайней мере удовлетворительное) изображение формата 4:3 относительно легко формируется из оригинала форматам 16:9, но получить удовлетворительное по качеству изображение формата 16:9 из оригинала форматом 4:3 практически не удается.

2.3. Яркость и контраст телевизионных изображений

Яркостными параметрами телевизионного изображения являются его средняя яркость Lср, максимальная яркость Lmax, контраст K и число полутонов – различимых градаций яркости N. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от содержания изображения. Многолетней практикой установлено, что средняя яркость Lср 50 кд/м² вполне достаточна для наблюдения телевизионного изображения и рассматривания его деталей без особого утомления зрения. При этом яркость в белых местах изображения может достигать значений Lmax = 100…300 кд/м². Следует отметить, что повышение яркости телевизионного изображения улучшает комфортность восприятия и оказывает благоприятное влияние на психофизиологическое состояние телезрителей.

Средняя яркость телевизионного изображения должна изменяться при колебаниях средней яркости наблюдаемого объекта. Например, изображение одной и той же сцены будет иметь различную яркость в зависимости от того, в какое время дня она воспроизводится: в солнечный день или в сумерки. Поэтому в телевизионной системе для приемных устройств дополнительно передается специальный сигнал, величина которого пропорциональна средней яркости оригинала.

Диапазон воспроизводимых яркостей большинства рисунков, фотографий и киноизображений не превышают 100 (100:1), при этом они восприни-

Рис. 2.1. Субъективная зависимость оценки качества телевизионного изображения в зависимости от контрастности

маются как изображения очень хорошего качества. Практически, в первом приближении, можно считать, что данная закономерность справедлива и для телевизионных изображений. Для примера на рис. 2.1 изображена субъективная зависимость оценки качества телевизионного изображения при различных значениях контрастности [4].

При восприятии телевизионных изображений динамический диапазон изменения яркости – контраст K и число различимых градаций яркости N ограничиваются:

параметрами воспроизводимых устройств;

условиями наблюдения телевизионных изображений: расстоянием рассматривания, паразитными засветками телевизионных воспроизводящих устройств.

Например, паразитная засветка Lпар снижает воспринимаемый контраст K по сравнению с номинальной контрастностью К, обусловленной диапазоном воспроизводимых яркостей в телевизионном изображении

K Lmax Lпар K1 LпарLmax , то есть K < K.

Перечисленные причины приводят к тому, что в телевизионном изображении уменьшается число воспроизводимых градаций яркости относительно расчетного значения.

2.4. Особенности воспроизведения градаций яркости

Число различимых градаций яркости N влияет на зрительное подобие воспринимаемого телевизионного изображения по сравнению с непосредственным наблюдением физических объектов. Абсолютные значения градаций яркости в данном случае не могут быть равными, так как в значительной степени отличаются воспринимаемые контрасты. Поэтому имеет важное значение распределение воспринимаемых в телевизионном изображении градаций яркости относительно яркостных градаций наблюдаемого объекта. При пропорциональном воспроизведении градации яркости телевизионного изображения распределяются равномерно по шкале полутонов рассматриваемого объекта. Например,

две градации яркости объекта воспроизводятся одной градацией в телевизионном изображении.

При пропорциональном воспроизведении полутонов

где N и Nоб – соответственно числа градаций яркости телевизионного изображения и наблюдаемого объекта; – коэффициент пропорциональности, равный числу градаций яркости изображений, воспроизводящих одну градацию яркости объекта (в данном случае < 1).

Подставив выражение (1.5) в соотношение (2.1), имеем

lgK lgKоб, то есть K Kоб ,

где K и Kоб – соответственно значение контраста телевизионного изображения и наблюдаемого объекта.

Таким образом, пропорциональной зависимости яркости соответствует степенная зависимость контрастов, коэффициент пропорциональности равен показателю степени .

Обычно градации яркости воспроизводимого телевизионного изображения пропорционально распределяются по градациям яркости рассматриваемого объекта (шкале полутонов). Например, в темных местах несколько градаций яркости объекта воспроизводятся одной градацией яркости изображения, а одна градация яркости в светлых местах воспроизводится интервалом яркости, равным нескольким градациям. В этом случае полутона в темных местах объекта на воспроизводимом телевизионном изображении будут одинаковой яркости (сольются), а в светлых местах будут иметь повышенную контрастность.

В телевидении задача пропорционального воспроизведения полутонов решается использованием специальных электронных корректоров, имеющих необходимую амплитудную характеристику. Подобные устройства получили названия гамма-корректоров.

Практикой телевидения установлено, что наилучшее качество изображений в большинстве случаев наблюдается, когда значение результирующего коэффициента рез всей телевизионной системы, определяющего форму амплитудной характеристики, больше единицы, то есть рез = 1,2…1,3. Этот случай наиболее приемлем при воспроизведении цветных телевизионных изображений, несмотря на некоторые искажения цветности объектов, так как сюжетно важные детали, как правило, находятся в области бóльшей освещенности.

2.5. Определение разрешающей способности телевизионных изображений высокой четкости

Число строк разложения z является важнейшим параметром телевизионных изображений, так как оно характеризует степень воспроизведения мелких деталей в вертикальном направлении растра, то есть разрешающую способ-

Рис. 2.2. Схема определения числа воспроизводимых строк

ность по вертикали. При оценке требуемого числа строк (количество воспроизводимых элементов по вертикали изображения) обычно исходят из условия слияния строчной структуры телевизионного изображения на заданном расстоянии рассматривания (рис. 2.2).

Практически значение z находится из следующего выражения:

Условие (2.2) неоднозначно, так как углы в и min могут принимать различные значения, зависящие от условий наблюдения. Для примера на рис. 2.3 представлены зависимости необходимого числа строк разложения z от относительного расстояния наблюдения A/h и угловой разрешающей способности глаза min . При относительных расстояниях А/h = 4…6 и угле min = 1…3 требуемое число строк разложения изменяется в пределах 400 < z < 1700 и существенно возрастает в случае дальнейшего уменьшения отношения А/h.

Однако число строк, определяемое соотношением (2.2), является номинальным и характеризует номинальную четкость, то есть максимально возможное число мелких деталей, различаемых в телевизионных изображениях.

Экспериментально установлено, что кажущаяся, то есть субъективная четкость G, непосредственно оцениваемая зрительной системой человека, не растет пропорционально числу строк разложения, а подчиняется закону ВебераФехнера. Согласно этому закону кажущаяся четкость пропорциональна логарифму от числа строк разложения, то есть G = alnz, где а – коэффициент про-

Рис. 2.3. Зависимость требуемого числа строк разложения при различных условиях наблюдения

Рис. 2.4. Зависимость кажущейся четкости от числа строк разложения при различных условиях наблюдения

порциональности. Фактически кажущаяся четкость G изменяется в значительно более узких пределах по сравнению с номинальной четкостью при изменении параметра z. Экспериментально полученные зависимости кажущейся четкости от числа строк разложения при различных значениях отношения А/h и min 1 представлены на рис. 2.4.

Анализ данных графических зависимостей показывает, что при неизменных условиях наблюдения увеличение числа строк в растре сопровождается существенным улучшением кажущейся четкости, лишь при относительно небольших значениях z. Поэтому на практике было введено понятие оптимального числа строк zopt, соответствующего 95% максимальной кажущейся четкости. Следовательно, фактическое число строк разложения в телевизионных изображениях должно выбираться равным zopt. Таким образом, на основании анализа рисунка 2.4 можно считать, что при A/h = 3 число строк в одном кадре телевизионного изображения высокой четкости должно быть равным примерно

1200…1250.

2.6. Выбор частоты кадров воспроизводимых изображений

Воспроизведение движущихся изображений – характерная особенность любой телевизионной или кинематографической системы. В эксплуатируемых телевизионных (кинематографических) системах для воспроизведения движущихся изображений осуществляется их дискретизация по времени t. Вследствие этого при просмотре телепередач или кинофильмов на сетчатки глаз проецируется последовательность статических изображений объектов. Причем совокупность статических кадров отличается от изображения, образующегося на сетчатке глаза при наблюдении действительно движущегося объекта. Поэтому в современных телевизионных и кинематографических системах можно воспроизвести лишь физиологически точные движущиеся изображения.

Качество воспринимаемого телевизионного изображения с точки зрения воспроизведения движения объекта, в первую очередь, зависит от числа воспроизводимых кадров в одну секунду.

Из многолетнего опыта кинематографа установлено, что для восприятия плавного (естественного) движения объектов в большинстве случаев достаточно воспроизводить 16…20 отдельных фаз движений в одну секунду.

Частота кинопроекции 24 кадра в одну секунду стала использоваться с начала тридцатых годов прошлого века в связи с переходом к звуковому кинематографу. Эта частота не была научно обоснована, а была установлена в основном исходя из требуемой скорости движения киноплёнки для воспроизведения звука с приемлемым качеством. Чтобы кинозрители не замечали мелькание яркости, в кинопроекционных аппаратах установлено специальное устройство, называемое обтюратором, которое перекрывает световой поток при проекции каждого кинокадра. Таким образом, искусственно в два раза увеличивается частота кинопроекции.

Наблюдение телевизионного изображения также не должно сопровождаться мельканиями яркости при смене кадров. При разработке первых вещательных стандартов номинальная частота смены кадров в телевидении выбрана равной 50 Гц в европейских странах и 60 Гц в США, Японии и Канаде. Данные значения частоты кадров несколько превышают критическую частоту мельканий при наблюдении телевизионных изображений, имеющих среднюю яркость в пределах 50кд/м². Из рис. 1.13 следует, что в этом случае fкр 47…48 Гц. При превышении выбранной частоты смены кадров, значения критической частоты fкр для телезрителей становятся незаметными мелькания яркости, дробления контуров в воспроизводимых изображениях (колебания кадров движущихся объектов), прерывистость движения.

В вещательных телевизионных системах применяется чересстрочная развертка, при которой каждый кадр состоит из двух последовательно передаваемых полей. В этом случае частота смены кадров выбирается равной 25 или 30 Гц. Соответственно номинальная частота полей равна 50 или 60 Гц. Время смены полей (0,02 с) полностью согласуется с инерционностью зрительного ощущения (0,1…0,25 с), следствием чего является незаметность мельканий яркости при наблюдении телевизионного изображения.

Яркость белых деталей в изображениях, воспроизводимых современными телевизионными устройствами, может в несколько раз превышать среднее значение яркости, то есть Lmax (2…6)Lср. Это приводит к тому, что телезрители начинают ощущать мелькания яркости крупных белых деталей телевизионного изображения. Для устранения этого неприятного эффекта необходимо увеличение частоты смены кадров по сравнению с принятой fкадр в стандартных системах цветного телевизионного вещания NTSC, PAL, SECAM. Повышение кадровой частоты позволяет устранить и другой вид искажений, вызванных дискретизаций изображения, – стробоскопические явления, например, восприятие вращения колес экипажей с неправильной скоростью или в обратном направлении.

2.7.Требуемое отношение сигнал/помеха в телевидении высокой четкости

Увеличение числа строк, изменение формата кадра (расширение горизонтальных размеров) и уменьшение расстояния наблюдения в системах ТВЧ приводит к изменению восприятия помех на изображении и, следовательно, к пересмотру требований на допустимое отношение сигнал/помеха.

Рис. 2.5. Графическое представление универсальной весовой функции помех:

а) грубая структура; б) средняя структура; в) тонкая структура

Как известно, объективные характеристики помех (частотный спектр) и их субъективное воздействие связаны посредством весовых функций, которые учитывают ослабление видности составляющих помех с ростом их частоты. Однако используемые до сих пор весовые функции помех пригодны только для телевизионных систем стандартной четкости [27].

Для систем ТВЧ, в принципе, можно использовать универсальную весовую функцию помех, определяемую свойствами зрения (его пространственно – временнóй частотной характеристикой) и параметрами развертки наблюдаемого изображения (частотами дискретизации по вертикали и по времени). Универсальная весовая функция помех была получена на основании теоретических исследований, выполненных проф. Н.К. Игнатьевым [28]. Ее структура (рис. 2.5) подобна структуре энергетического спектра телевизионного сигнала.

Кривая a (см. рис. 2.5) выражает грубую структуру весовой функции, которая обусловлена общим падением чувствительности зрения с ростом пространственной (горизонтальной) частоты. Кривая б на рис. 2.5 характеризует среднюю структуру весовой функции, определяемую падением чувствительности зрения с ростом вертикальной частоты, и имеет максимумы на гармониках строчной частоты nfz. Кривая в (см. рис. 2.5) иллюстрирует тонкую структуру весовой функции, определяемую падением чувствительности зрения с ростом временных частот, и имеет максимумы на частотах nfz ± mfn, где fn – частота полей.

Структура весовой функции помех для ТВЧ, хорошо совпадающая с теоретическим анализом, была получена и экспериментальным путем. При этом были определены коэффициенты взвешивания флуктуационных помех в виде белого шума и треугольного шума для ТВЧ [29]. Например, при z = 1125, L = 3,3h

эти коэффициенты составляют соответственно –9,1 и –16 дБ. Эти данные позволяют рассчитать необходимые значения отношения сигнал/шум для различных звеньев системы ТВЧ. В частности, если исходить из взвешенного значения порога обнаружения флуктуационной помехи –53 дБ, то для белого шума невзвешенное значение составит –44 дБ, а для треугольного шума –37 дБ.

2.8. Оценка влияния телевизионной развертки на качество воспроизводимых изображений

На основании многочисленных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в разных странах, установлено, что применение чересстрочной развертки в телевизионных системах приводит к появлению дополнительных артефактов, снижающих качество воспроизводимых изображений. Самый известный из них – строчный фликкер-эффект (дрожание строк), наиболее заметно проявляющийся в том случае, когда соседние строки в кадре существенно отличаются друг от друга. Например, когда одна строка – черная, а другая – белая. Фликкер-эффект чаще заметен при максимальном вертикальном разрешении.

Для оценки возможности повышения качественных показателей телевизионных изображений рассмотрим структуру чересстрочного растра. Условно чересстрочный растр показан на рис. 2.6, а, на котором x и y – горизонтальная и вертикальные координаты изображения, а сплошными штриховыми линиями показаны четные и нечетные строки телевизионного изображения. А на рис. 2.6, б, представлено вертикально-временнóе сечение телевизионного изображения плоскостью (y, t), на котором используются следующие обозначения: t – время, Y – шаг строк, Т – период полей, причем сечения строк показаны черными кружками.

Вертикально-временнóе сечение можно рассматривать как результат двумерной дискретизации исходного вертикально-временнóго изображения F(y, t) в виде F*(y, t)=F(y, t)D(y, t), причем при чересстрочной развертке дискретизирующая функция D(y, t) выражается как произведение сумм дельта-функций

Рис. 2.6. Структура чересстрочного растра и его вертикально-временнóго представления:

а) чересстрочный растр; б) вертикально-временнóе представление чересстрочного растра

Рис. 2.7. Вертикально-временнóй спектр чересстрочного изображения

D y,t 2YT y Ytk1T t k2T .

В результате двумерного преобразования Фурье от F*(y, t) получаем вертикально – временнóй спектр изображения

F*( , ) F , D , 2 2 ,

где ν и ω – круговые частоты, соответствующие координатам y и t, * – операция свертки, а

D , 4 2 T Y 2 m1Y 2 m22T –

спектральная дискретизирующая функция. Таким образом, спектр F*(ν, ω) образуется периодическим повторением исходного спектра F(ν, ω) в точках, определяемых D(ν, ω), как показано на рис. 2.7.

Здесь исходный спектр F(ν,ω) и его смещенные копии представлены в виде эллипсов, выражающих условные границы этих спектров. Глаз наблюдателя и апертура кинескопа или любого другого воспроизводящего устройства выполняют роль двумерного (вертикально-временнóго) фильтра низких частот, который при правильном расстоянии наблюдения выделяет основную составляющую спектра, расположенную в начале координат, то есть восстанавливает дискретизированное изображение в непрерывное. На рис. 2.7 условная граница зоны пропускания этого фильтра показана в виде эллиптической линии, проходящей через точки 1 и 2. Не полностью подавленные побочные составляющие создают помехи на изображении. В частности, видность строчной структуры обусловливается компонентами 1, мерцание частоты полей – компонентами 2 и межстрочные мерцания – компонентами 3. Для устранения этих искажений нужно уменьшать шаг строк и увеличивать частоту полей.

При оценке влияния телевизионной развертки на качественные показатели воспроизводимых изображений необходимо также учитывать снижение разрешения мелких деталей по вертикали из-за дискретности растра.

Потери вертикальной четкости при построчном разложении учитываются коэффициентом Келла (Kкел 0,75…0,85). Телевизионное изображение при че-

ресстрочной развертке по качеству уступает изображению с построчной разверткой. В частности, это обусловлено временными характеристиками зрительной системы человека. Временнóе интегрирование яркости светящихся точек воспроизводящего устройства на периоде поля не дает желаемого эффекта. Вследствие этого при наблюдении чересстрочного телевизионного растра зритель воспринимает межстрочные мерцания яркости с частотой кадров, дрейф строк и частично замечает строчную структуру изображения. Экспериментально установлено, что при переходе от стандарта с прогрессивной разверткой, частотой fk = 50 Гц к стандарту с чересстрочной разверткой ( fk = 25 Гц) коэффициент потери четкости Кпч имеет следующее значение: Кпч 0,63 [30]. При частоте смены полей 75 Гц и выше дополнительная потеря четкости, обусловленная чересстрочной разверткой, отсутствует. Таким образом, при чересстрочной развертке с частотой кадров fk = 25 Гц для достижения качества телевизионного изображения, соответствующего построчному разложению с той же частотой смены кадров, число строк в растре должно быть увеличено примерно в 1,4 раза. Причем данное соотношение справедливо при изменении яркости телевизионного изображения от 50 до 250 кд/м².

Таким образом, с учетом потерь вертикальной четкости из-за дискретности растра за счет чересстрочной развертки число строк разложения в телевизионном изображении должно определяться в соответствии с выражением:

z вKкелКпч min .

Преобразование чересстрочного разложения телевизионного растра в построчный позволяет уменьшить число строк в растре примерно в 1,4 раза при одновременном повышении качества воспринимаемого изображения. Поэтому при разработке систем ТВЧ иногда ставится вопрос об использовании только построчного разложения.

Дополнительными достаточно убедительными доводами в пользу применения построчной развертки является следующее. Механизмы воспроизведения изображения в современных жидкокристаллических и плазменных дисплеях высокой четкости с большим экраном и в телевизионных приемниках на базе кинескопов принципиально отличаются. Новые дисплеи не воспроизводят изображения в чересстрочной форме. Если стандарт доставки телевизионных программ на построчной развертке, то исчезает необходимость в преобразовании чересстрочного изображения в построчное перед его воспроизведением с помощью новых и перспективных дисплеев. Такое преобразование – достаточно сложная операция, и если ее делать в том случае, когда формат производства основан на чересстрочной развертке, то лучше применять эффективные, но сложные алгоритмы, использующие адаптацию к движению, на студии или на телецентре, чем простые, но не слишком эффективные в миллионах телевизионных приемников. При построчном разложении изображения улучшается воспроизведение движущихся объектов. Это особенно важно для спортивных программ, высокое качество которых – одна из первопричин перехода к ТВЧ. Нельзя не отметить и то, что цифровая видеокомпрессия построчных изображений более эффективна, чем компрессия чересстрочных. Чересстрочная раз-