Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

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-