VIDEOTECHNIKA. Přednášky. Prof. Ing. Václav Říčný, CSc. ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

VIDEOTECHNIKA Přednášky Prof. Ing. Václav Říčný, CSc. ÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

Václav Říčný, 2006 ISBN 80-214-3225-X

Název Autor Vydavatel Vydání VIDEOTECHNIKA Přednášky Prof. Ing. Václav Říčný, CSc. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Purkyňova 118, 612 00 Brno 4.upravené Rok vydání 2006 Náklad Tisk ISBN 80 ks MJ Servis s.r.o., Božetěchova 133, 612 00 Brno 80-214-3225-X Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou

Předmluva Elektronický text Videotechnika je určen studentům Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně studujícím v navazujícím magisterském studijním programu Elektrotechnika, elektronika, komunikační a řídicí technika oboru Elektronika a sdělovací technika, ale také všem zájemcům o tuto zajímavou a nesmírně rychle se vyvíjející oblast moderní techniky. Obsah skripta odpovídá struktuře stejnojmenného volitelného předmětu a byl v tomto vydání inovován s ohledem na prudký rozvoj techniky v oblasti videotechniky a multimediální techniky. Pokrývá plně obsah přednášek. Jsou v něm shrnuty stručnou a doufám i srozumitelnou formou, základní, ale i nejmodernější poznatky o vlastnostech, popisu, způsobech generace, zobrazování a záznamu obrazových signálů), potřebných technických prostředcích a o moderních metodách zpracování těchto signálů v analogové i digitální formě. V závěru každé kapitoly je uvedeno několik kontrolních otázek, kterými si můžete ověřit míru porozumění dané problematiky. Doufám, že vám skriptum pomůže ve studiu a probudí váš trvalý zájem o tuto zajímavou, perspektivní a dynamický se rozvíjející oblast. Ve studiu vám přeje mnoho úspěchů autor V Brně 10.9.2006 1

O B S A H 1 ZÁKLADY TELEVIZNÍ KOLORIMETRIE.4 1.1 Charakteristiky barevného světla základní pojmy... 4 1.2 Mísení barevných světel 5 1.3 Kolorimetrické měřicí metody.. 5 1.4 Trichromatická soustava RGB.. 7 1.5 Trichromatická soustava XYZ.. 7 1.6 Přenosové signály v barevné televizi...10 2 OBRAZOVÝ TOK, OBRAZOVÁ FUNKCE......11 2.1 Časoprostorová interpretace obrazových veličin, transformace do kmitočtové oblasti...11 2.2 Obrazový signál....14 3 ZÁKLADNÍ PRINCIPY ANALOGOVÉHO TV PŘENOSU....17 3.1 Model přenosu obrazové informace...17 3.2 Rozklad obrazu...17 3.3 Mezní rozlišovací schopnost televizní soustavy.....18 3.4 Úplný obrazový signál a jeho skladba....19 4 ZKRESLENÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ A JEJICH KOREKCE..21 4.1 Zkreslení v elektronických obvodech...21 4.2 Aperturové zkreslení.....22 4.3 Gradační zkreslení....24 4.4 Geometrické zkreslení.....25 4.5 Setrvačnost a zbytkové signály..... 25 4.6 Šumy a fluktuační signály....25 5 SNÍMÁNÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ..28 5.1 Neakumulační snímače... 28 5.2 Princip akumulačního vytváření obrazového signálu..29 5.3 Stabilizace potenciálu akumulační elektrody snímacím elektronovým svazkem..29 5.4 Vakuové snímací elektronky.....30 5.5 Monolitické světlocitlivé snímače.....30 5.6 Snímací kamery pro barevnou televizi......36 6 TELEVIZNÍ OBRAZOVKY A ZOBRAZOVAČE.....39 6.1 Vakuové obrazovky pro černobílou televizi s magnetickým vychylováním 39 6.2 Vakuové obrazovky pro barevnou televizi....40 6.3 Ploché zobrazovače...44 6.4 Projekční soustavy barevné televize..47 7 ZÁZNAM OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ......51 7.1 Systémy magnetického záznamu analogových obrazových signálů......52 7.2 Digitální magnetický záznam.. 57 7.3 Systémy digitálních magnetických záznamů na disk.. 60 7.4 Optický záznam do pevného média....61 8 KOMPOZITNÍ ANALOGOVÉ SOUSTAVY BAREVNÉ TELEVIZE...64 8.1 Základní kategorizace a vlastnosti televizních soustav barevné televize....64 8.2 Soustava barevné televize NTSC....65 8.3 Soustava barevné televize PAL...73 8.4 Soustava barevné televize SECAM.....77 8.5 Soustava barevné televize PALplus.....84 8.6 Televizní soustavy MAC.....89 8.7 Televize s vysokým rozlišením HDTV (High Definition Television)...92 2

9 DIGITALIZACE OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ..94 9.1 Základní principy digitalizace analogových signálů.. 94 9.2 Standardizace složkové digitalizace obrazových signálů dle doporučení ITU R 601..98 9.3 Zdrojové a kanálové kódování v digitálním přenosu.....99. 10 METODY KOMPRESE DIGITÁLNÍCH OBRAZOVÝCH DAT....104 10.1 Standard JPEG.....104 10.2 Standard MPEG 1.....108 10.3 Standard MPEG 2.....111 10.4 Standard MPEG 4 Video...113 10.5 Standard MPEG-4 AVC 115 10.6 Standard WM 9..115 LITERATURA......115 PŘÍLOHY....115 ZÁKLADNÍ PARAMETRY NOREM A SOUSTAV TELEVIZNÍHO VYSÍLÁNÍ.. 117 ZJEDNODUŠENÝ NÁVRH OBNOVITELE STEJNOSMĚRNÉ SLOŽKY.......123 3

1 ZÁKLADY TELEVIZNÍ KOLORIMETRIE 1.1 Charakteristiky barevného světla - základní pojmy Barevný vjem (přeneseně barva) má psychofyzikální charakter, protože závisí nejen na fyzikálních veličinách pozorovaného barevného světla, ale i na vlastnostech pozorovatele. Barevné světlo je charakterizováno třemi parametry psychosenzorické parametry (obr.1-1a,b,c) odpovídající fyzikální parametry [jednotka] barevný tón dominantní vlnová délka [m] barevná sytost složení spektrálních složek [ %] jasnost jas [nt] Obr.1-1: a) Znázornění čtyř barevných světel stejného barevného tónu i sytosti ale rozdílných jasností, b) znázornění čtyř barevných světel stejné jasnosti i sytosti, ale různých barevných tónů, c) znázornění čtyř barevných světel stejné jasnosti i barevného tónu, ale rozdílných sytostí Mezní hodnota sytosti 100 % odpovídá spektrálním (monochromatickým) barevným světlům, naopak 0 % sytosti odpovídá tzv. nepestrým světlům (bílé, černé a stupnice šedé dle jasu). Na obr.1-2 jsou vyneseny křivky poměrné světelné účinnosti PSÚ platné pro denní - fotopické (křivka 1 - osvětlení L > 3 cd/m 2 ) a skotopické (křivka 2 pro malá osvětlení) vidění průměrného pozorovatele. Z obrázku je patrný i způsob stanovení spektra viditelného záření S vz (λ) ze spektra obecného záření S z (λ). Tato operace je vyjádřena vztahem S vz (λ) = PSÚ (λ). S z (λ). (1-1) Z hlediska barevného vjemu jsou tzv. primární zdroje záření charakterizovány chromatičností a sekundární zdroje (objekty osvětlené primárním zdrojem) koloritou. Ta je určena chromatičností primárního zdroje a spektrálním koeficientem odrazivosti ρ (λ) osvětleného povrchu. Technické prostředky pro získání barevného vjemu (barviva) se v kolorimetrii nazývají koloranty. 4

Obr.1-2: Křivky poměrné světelné účinnosti PSÚ lidského zraku pro skotopické (křivka 2) a fotopické (křivka 1) vidění 1.2 Mísení barevných světel Požadované barevné světlo může být získáno: a) subtraktivně - požadované barevné světlo se získává z bílého (nepestrého) světla odfiltrováním určitých spektrálních složek (technika používaná např. v barevné fotografii), b) aditivním mísením - požadované barevné světlo se získává mísením různého počtu složkových světel. V televizní technice a videotechnice se používá mísení tří složkových světel: červeného R, modrého B a zeleného G. Toto mísení může být uskutečněno (díky nedokonalosti lidského zraku) jako: lokální (složková světla se mísí na stejném místě) - technicky obtížně realizovatelné, prostorové (složková světla jsou promítána na blízko sebe - využívá se konečné rozlišovací schopnosti lidského zraku), postupné (složková světla jsou promítána na stejné místo nebo blízko sebe v rychlém časovém sledu (využívá se setrvačnosti zrakového vjemu), binokulární (na každé oko je promítáno jiné složkové světlo). Prostorové a postupné aditivní mísení barev se využívá např. v barevných TV obrazovkách. Výsledný barevný vjem je charakterizován tzv. metamerií. Barevná světla, která vyvolávají stejný barevný vjem, přestože mají rozdílné spektrální složení se nazývají metamerní. Barevný vjem předmětu je závislý pouze na poměrném rozložení energie ve spektru a nikoliv na fotometrických veličinách (jas, osvětlení, světelný tok apod.). 1.3 Kolorimetrické měřicí metody V kolorimetrii se užívá: měření barevné teploty, spektrální měření (spektrofotometrie) srovnávací měření (kolorimetry) 1.3.1 Kolorimetrické vyrovnání Kolorimetrické vyrovnání barevného světla M lze uskutečnit na kolorimetru (obr.1-3). Symbolické vyjádření kolorimetrického vyrovnání barevného světla M pomocí tří složkových světel (R),(B),(G) má tvar M = R M (R ) + B M (B) + G M (G). (1-2) 5

S ohledem na různý energetický obsah složkových světel je třeba nejdříve uskutečnit kolorimetrické vyrovnání spektrálních barev, protože jednotky složkových světel (R ),(B) a (G) mají různou velikost (obr.1-4). Vynásobením těchto křivek závislostí PSÚ(λ) získáme křivky tzv. trichromatických členitelů r, b, g (obr.1-5), které lze využít pro stanovení velikosti složkových světel vyrovnávajících kolorimetricky barevné světlo M. Poznámka: Pro některá barevná světla nelze najít metamerní směs dle rovnice (1-2). Formálně by se musela u některých složkových světel změnit znaménka. Obr.1-3: Princip srovnávacího kolorimetru se se třemi složkovými světly (R),(G),(B) Obr.1-4: Kolorimetrické vyrovnání spektrálních barevných světel v závislosti na jejich výkonu 1.3.2 Stanovení velikosti barevných složek barevného světla Obr.1-5: Průběhy trichromatických členitelů Obr.1-6: Grafického stanovení velikosti složkového r ( λ), b( λ), g( λ) pro stanovení tri- světla R M pro vyrovnání světla M se znáchromatických složek R,G, B mou spektrální zářivostí S M (λ) Příklad využití spektrálních členitelů při stanovení velikosti složkového světla R M pro vyrovnání barevného světla M se známou spektrální zářivostí S M (λ) je na obr.1-6. Obdobně se postupuje i pro zbývající světla B M a G M. Analytické vyjádření těchto operací je dáno vztahy (1-3) RM = SM ( λ) r ( λ) dλ, BM = SM ( λ) b ( λ) dλ, GM = SM ( λ) g( λ) dλ. (1-3a,b,c) 0 0 0 Prakticky se používá přibližných sumačních vztahů, protože funkce S M (λ) nelze obvykle vyjádřit jednoduchým matematickým výrazem. 6

1.4 Trichromatická soustava RGB Pro unifikované vyjádření barevného světla byl definován trojrozměrný prostor - tzv tichromatická soustava (1931). Pro ni byla(o) a) vybrána tři složková (měrná) světla R,B,G vlnových délek: λ R = 700 nm, λ G = 546 nm, λ B = 435,8 nm, provedena kolorimetrická vyrovnání spektrálních barev a stanovení kolorimetrických jednotek a průběhů trichromatických členitelů rbg,, = F ( λ ) (viz obr.1-5), b) definováno smluvní (referenční) bílé světlo C (viz odst.1.5.3). 1.4.1 Zobrazení barevných světel v trichromatickém prostoru RGB a jednotkové rovině je patrné z obrázku 1.7. Z něj je patrné, že trichromatická soustava RGB není ortogonální a trichromatické souřadnice (v jednotkové rovině) mohou být pro některá barevná světla záporné, což není výhodné. Celkový jas L λ spektrální barvy je dán součtem dílčích jasových příspěvků složek a graficky délkou vektoru v trichromatickém prostoru. Při projekci do jednotkové roviny se tato informace ztrácí. L ( λ) + L g( λ) + L b( λ) λ = L r G B R. (1-4) Obr.1-7: Trichromatická soustava RGB a zobrazení (křivka) spektrálních barev a) v prostoru, b) v jednotkové rovině (na křivce spektrálních barev jsou vyneseny údaje o jejich vlnových délkách [nm]) 1.4.2 Trichromatické složky a souřadnice Mezi trichromatickými složkami R,G,B vektoru barevného světla v trichromatickém prostoru, vypočtenými pomocí vztahů 1-3a,b,c, a trichromatickými souřadnicemi r,g,b v jednotkové rovině platí = R G B r, g =, b = a r + g + = 1. R + G + B R + G + B R + G + B b (5a,b,c,d) Trichromatická soustava RGB se dnes již prakticky neužívá, protože má řadu nedostatků ( kosoúhlý kolorimetrický prostor, v němž je představa i znázornění aditivního mísení barev příliš složitá, složité stanovení celkového jasu barevného světla, existence záporných trichromatických souřadnic apod.). Byla nahrazena trichromatickou soustavou MKO nazývanou také XYZ. 1.5 Trichromatická soustava XYZ 1.5.1 Vlastnosti trichromatické soustavy XYZ a prostorové znázornění barevných světel trichromatický prostor zvolených a fyzikálně nerealizovatelných měrných barevných světel (X), (Y), (Z) je ortogonální a všechna existující barevná světla lze tudíž znázornit v 1.kvadrantu tohoto prostoru - odpovídající trichromatické souřadnice x,y,z jsou kladné, 7

jas měrných světel (X) a (Z) je nulový a výsledný jas L je tudíž určen pouze jasem složky Y, což lze vyjádřit vztahem L X : L Y : L Z = 0 : 1 : 0. Interpretace barevných světel v kolorimetrickém prostoru XYZ je patrná z obr.1-8 (v jednotkové rovině je zobrazena křivka spektrálních barev i její projekce do roviny X,Y - tzv.obrazec MKO). Trichromatické souřadnice měrných světel (X), (Y), (Z) jsou definovány v soustavě RGB takto: r X = 1,2750, g X = 0,2778, b X = 0,0028, r Y = -1,7394, g Y = 2,7674, b Y = -0,0280, r Z = -0,7429, g Z = 0,1409, b Z = 1,6020. V soustavě XYZ nelze určovat barvu světla měřením složek Z, Y, Z (nejsou fyzikálně realizovatelná), ale lze transponovat trichromatické složky pomocí lineární transformace X = 2,770 R + 1,750 G + 1,130 B, (1-6a) Y = 1,000 R + 4,590 G + 0,006 B, (1-6b) Z = 0,056 G + 5,590 B. (1-6c) Obr.1-8: Znázornění barevných světel v ortogonální trichromatické soustavě XYZ Podle těchto vztahů lze přepočíst hodnoty trichromatických členitelů r (λ), g (λ), b (λ) (obr.1-5) na x (λ), y (λ), z (λ) pro soustavu XYZ. 1.5.2 Diagram barev MKO vznikne kolmým průmětem křivky spektrálních barev z jednotkové roviny kolorimetrického prostoru XYZ do roviny měrných světel (X), (Y). Pro vztah mezi trichromatickými souřadnicemi x,y,z v diagramu MKO a trichromatickými složkami X,Y,Z platí obdobně se vztahy (1-5a,b,c,d) X x = X + Y + Z, (1-7a) Y y = X + Y + Z, (1-7b) Z z = X + Y + Z, (1-7c) x + y + z = 1. (1-7d) V diagramu MKO jsou zakresleny polohy smluvních bílých světel (A),(B),(C), (E) a barevného světla M. Lze z něj odečíst jeho trichromatické souřadnice x M, y M a z průsečíků spojnice polohy barevného světla M a smluvního bílého světla E také dominantní vlnovou délku λ M a vlnovou délku doplňkové barvy λ dm. Lze rovněž stanovit tzv. souřadnicovou p M a kolorimetrickou p Mk čistotu, případně sytost s M vyšetřované barvy ze vztahů (význam symbolů je patrný z obr. 1-10). Obr.1-9: Diagram barev MKO y M y E x M x E y Ms x Ms E M p M = =, p M = p M = p M a s M = (1-8a,b,c) y y x x y x E M Ms E Ms E M M s 8

1.5.3 Smluvní (referenční) bílá světla Mezinárodní komisí pro osvětlování (MKO) byla definována referenční smluvní bílá světla (A), (B), (C ), (D 65 ), (E). Jsou charakterizována ekvivalentní teplotou T e (udává teplotu absolutně četného tělesa, při níž je spektrální složení shodné se spektrálním složením smluvního světla). smluvní bílé světlo (A) - odpovídá světlu žárovky s wolframovým vláknem ( T e = 2854 K, x A = = 0,4476, y A = 0,4075), smluvní bílé světlo (B) - odpovídá slunečnímu světlu (T e = 4800 K, x B = 0,3485, y B = 0,3518), smluvní bílé světlo (C) - odpovídá rozptýlenému dennímu světlu ( T e = 6770 K, x C = 0,3101, y C = 0,3163). Je používáno jako referenční bílé světlo v televizní technice a videotechnice. Nově se začalo používat podobné referenční světlo D 65 ( T e = 6500 K, x D = 0,3130, y D = 0,3290), smluvní bílé světlo (E) - umělé světlo odpovídající isoenergetickému záření ( T e = 5700 K, x E = y E = = 0,333). Používá se pro stanovení charakteristik barevných světel - viz obr.1-9). 1.5.4 Volba základních barev přijímače Základní barevná světla, kterými budou zářit luminofory obrazovky (zobrazovače) v televizním přijímači musí splňovat tyto požadavky aditivním mísením jejich barev je nutno pokrýt oblast nejčastěji se vyskytujících barev snímaných obrazů (viz vyšrafovanou plochu v obr.1-9), musí být realizovatelná dostupnými a levnými luminofory s dostatečnou zářivostí. Poloha zvolených barevných světel (R).(G),(B) pro TV techniku je také patrná z obr.1-9. Trojúhelníkem, jehož vrcholy určují tato světla, je definována oblast reprodukovatelných barev a v diagramu je šrafovaně vyznačena oblast nejčastěji se vyskytujících barev. Trichromatické souřadnice těchto světel jsou (R) x R = 0,67, y R = 0,33, z R = 0,00, (G) x G = 0.21, y G = 0,71, z G = 0,08, (B) x B = 0,14, y B = 0,08, z B = 0,78. Obr.1-10: Stanovení parametrů barevného světla M v diagramu MKO Pro tato základní barevná světla přijímače se změní konstanty v transformačních vztazích (1-6) pro smluvní bílé světlo (C) takto X = 0,608 R + 0,174 G + 0,200 B (1-9a) Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B (1-9b) Z = 0,066 G + 1,112 B (1-9c) a inverzně R = 1,910 X 0,532 Y 0,288 Z (1-10a) G = 0,982 X + 2,000 Y 0,028 Z (1-10b) B = 0,058 X 0,118 Y + 0,900 Z (1-10c) Poznámka: Pro smluvní bílé světlo (C ) je R = G = B = 1. Po dosazení do vztahů (1-9) dostaneme X = = 0,98, Y = 1,00, Z = 1,18 a tedy dle vztahů (1-7a,b,c) vychází trichromatické souřadnice x C = y C = 0,31, což odpovídá údajům uvedeným odstavci 1.5.3. 1.5.5 Stanovení trichromatických souřadnic aditivní směsi dvou a více barevných světel Ze známých trichromatických souřadnic dvou mísených světel (x,y,z) 1 a (x,y,z) 2 se vypočtou jejich trichromatické složky (X,Y,Z) 1 a (X,Y,Z) 2 pomocí vztahů X i = x i Y i /y i, Y i = y i.y i /y i a Z i = z i Y i /y i. 9

Následně se tyto složky sečtou X 12 = X 1 + X 2, Y 12 = Y 1 + Y 2, Z 12 = Z 1 + Z 2 a vypočtou trichromatické souřadnice výsledného barevného světla x 12, y 12, z 12.. Výsledný jas je roven součtu jasu složkových barevných světel. Na obr. 1-11 je znázorněna grafická metoda stanovení trichromatických souřadnic výsledného barevného světla M 123 vzniklého aditivním mísením složkových barevných světel M 1,M 2, M 3 v diagramu MKO pomocí tzv. pákového pravidla. Je patrné, že se nejprve stanoví poloha dílčího aditivního světla M 12, která leží v těžišti dvou rovnoběžných úseček M 1 M 1 a M 2 M 2 opačného smyslu, na spojnici bodů M 1 a M 2. Délka těchto úseček je nepřímo úměrná podílům Y 1 /y 1 a Y 2 /y 2. V dalším kroku se obdobně stanoví poloha výsledného světla M 123 dílčích barevných světel M 12 a M 3. Z konstrukce vyplývá, že aditivním mísením tří barevných světel lze získat výsledné barevné světlo, ležící uvnitř trojúhelníka, jehož vrcholy představují (složková) barevná světla. Plocha tohoto trojúhelníka by tedy měla zahrnovat oblast nejčastěji se vyskytujících barev. 1.6 Přenosové signály v barevné televizi Obr.1-11: Grafická metoda zjišťování trichromatických souřadnic součtového světla Z předcházejícího textu vyplývá, že barevné světlo je definováno třemi parametry (dva nesou informaci o barvě a třetí má charakter fotometrické veličiny - jasu). Aby soustavy barevné a černobílé televize byly vzájemně kompatibilní (slučitelné), musí být jeden signál jasový (luminanční) U Y. Musí být přenášen s plnou šířkou kmitočtového pásma (viz odst. 2.2.2.) a souvisí se složkovými barevnými signály U R,U G a U B pro smluvní bílé světlo C podle vztahu (jasové součinitele trichromatických složek odpovídají spektrální citlivosti průměrného zraku) U Y = 0,299 U R + 0,587 U G + 0,114 U B. (1-11) Tento poměr zajišťuje nejvhodnější reprodukci obrazu na černobílém přijímači - odpovídá fotografické reprodukci s ortopanchromatickou emulsí. Aby další dva signály nesoucí informaci o barvě při přenosy nepestrých barev vymizely, používají se tzv. rozdílové signály U R - U Y a U B - U Y, odpovídající. kolorimetrickým rozdílům barevného světla. Pro nepestré barvy platí U R = U B = U G. Z rovnice (1-11) vyplývá, že v tom případě jsou rozdílové signály U R - U Y = U B U Y = U G U Y = 0. Třetí rozdílový signál U G U Y není třeba přenášet, protože jej lze na přijímací straně vytvořit jako lineární kombinaci ze signálů U R U Y a U B U Y pomocí rovnice (1-11). Platí U G U Y = [ 0,51 (U R U Y) + 0,19 (U B U Y)]. (1-12) Rozdílové signály lze, vzhledem k menší barevné rozlišovací schopnosti lidského zraku, přenášet s menší šířkou pásma (do 1,6 MHz). Vjem kolorimetrických rozdílů v diagramu MKO je v různých směrech různý. Toho je využito např. v americké soustav barevné televize NTSC (National Television System Committee), disponující malou šířkou přenosového pásma). Pro přenos jsou využity tzv. přirozené rozdílové signály U I a U Q, které jsou zvoleny ve směrech nejmenšího rozlišení kolorimetrických rozdílů a mohou být tudíž přenášeny s šířkou pásma pouze 1,3 MHz pro signál U I a 0,5 MHz pro signál U Q (směry os I, Q i U R - U Y a U B - U Y jsou vyznačeny v obr.1-9). Nejnižší barevná rozlišovací schopnost je ve směru osy Q (purpurová - zelená). Převod rozdílových signálů U R U Y, U R U Y a U I, U G je vyjádřen vztahy (1-13a,b) a jejich grafická interpretace v pravoúhlých souřadnicích je patrná z obr.1-12. 10

U I = (U R - U Y ) cos 33 (U B - U Y ) sin 33, U Q = (U R - U Y ) sin 33 + (U B - U Y )cos 33. (1-13b) Způsoby přenosu rozdílových signálů ve společném kanále s jasovým signálem U Y (použité modulační metody) budou vysvětleny v kapitole 8. Obr.1-12: Grafické znázornění rozdílových signálů U R - U Y, U B - U Y a U I, U Q v pravoúhlém souřadnicovém systému Kontrolní otázky ke kapitole 1 O1.1 Jaké jsou základní parametry barevných světel? O1.2 Co je to trichromatická soustava XYZ a čím se liší od soustavy RGB? O1.3 Co jsou to trichromatické plenitele a k čemu slouží? O1.4 Jaká znáte smluvní bílá světla? O1.5 Co je to a k čemu lze využít obrazec MKO? O1.6 Jaké přenosové signály se používají v barevné televizi? 2 OBRAZOVÝ TOK, OBRAZOVÁ FUNKCE 2.1 Časoprostorová interpretace obrazových veličin, transformace do kmitočtové oblasti Časoprostorové znázornění obrazového toku O (x,y,t) ve směrech x,y,t, odpovídajícího plošné projekci fotometrické veličiny (např. jasu) rozměrově omezené (šířkou H a výškou V) monochromatické scény je na obr.2-1. Znázorněný rozklad obrazu na omezený počet snímků v čase a omezený počet řádků (případně obrazových bodů v řádku) umožňuje nedokonalost lidského zraku (omezená rozlišovací schopnost a setrvačnost zrakového vjemu). Např. filmová technika prokázala, že pro vjem plynulého pohybu postačuje snímat a reprodukovat pouze 20 až 25 snímků/ s. Obr.2-1: a) Znázornění obrazového toku O (x,y,t), b) znázornění obrazové funkce I (x,y,t) při periodickém rozkladu (spojitém ve směru x), c) znázornění obrazové funkce R (x,y,t) při periodické diskretizaci obrazového toku ve směrech x, y, t (např při snímání snímačem CCD). Parametry rozkladové funkce musí odpovídat vzorkovacímu teorému,aby nedošlo k prostorovému nebo časovému aliasingu (např. pro nejvyšší prostorový kmitočet snímané scény musí platit f ymax < počet řádků n /2). 11

2.1.2 Obrazová funkce vzniká z obrazového toku pomocí rozkladové R (x,y,t) - příp. diskretizační D (x,y,t) funkce dle vztahů I (x,y,t) = O (x,y,t). R (x,y,t) nebo I (x,y,t) = O (x,y,t). D (x,y,t). (2-1a,b) Pro přechod z časoprostorové do kmitočtové oblasti a zpět platí pro v čase proměnný obrazový tok trojitý Fourierův integrál 1 j( ωx x+ ω y y+ ωt ) O ( x, y, t) = S ( ω, ω, ω ) e dω dω dω 3 x y x y (2-2) 2π ( ) - j( ωx x+ ω y y+ ωt ) ω = e dxdydt, (2-3) a S ( x, ω y, ω ) O ( x, y, t) kde S (ω x, ω y, ω) značí trojrozměrné spektrum prostorových kmitočtů, pro které platí ω x = 2π. p = 2π /λ x a podobně ω y = 2π. r = 2π /λ y. (2-4a,b) Význam symbolů λ x,λ y, p, r pro statický obraz (t = konst.] s dvojrozměrným kmitočtovým spektrem S (ω x, ω y ) je patrný z obr.2-2. Pro rychlosti rozkladů v x a v y při neprokládaném řádkování a zanedbání zpětných běhů rozkladů platí v x = H / t ř = H. f ř (2-5a) a v y = V / t s = V. f s, (2-5b) kde f ř (f s ) značí kmitočty řádkového (snímkového) rozkladu a platí mezi nimi vztah f ř = n. f s, (2-6) kde n značí počet řádků ve snímku. Obr.2-2: Obraz pruhové jasové distribuce s různými prostorovými kmitočty f x a f y (p = 1, r = 2) 2.1.3 Souvislost časoprostorového a spektrálního vyjádření obrazové funkce Zjednodušené znázornění vícerozměrného spektra S (f x, f y, f t ) obrazové funkce je na obr. 2-3 a interpretace v rovině f y, f t je na obr.2-4. Obr.2-3: Znázornění základního a opakovaných spekter obrazové funkce, odpovídající v čase proměnné scéně, při spojitém rozkladu ve směru x (neopakují se spektra do směru prostorových kmitočtů f x pro f s = 25 snímků/s a n = 625 prokládaných řádků (převzato z literatury [14] ) V těchto obrázcích značí f x, f y...prostorové kmitočty ve směrech x, y [cyklů / šířku H (výšku V) obrazu], angl.: [cpw, cph], f t.... časový kmitočet změn ve scéně [Hz], f v..... vertikální vzorkovací kmitočet - f v = n (při neprokládaném řádkování), f s... kmitočet snímků (vzorkovací kmitočet ve směru temporálním) [ snímků/s], T s....snímková perioda [ s ], 12

d.....vzdálenost řádků [ m ], δ...poměrná vzdálenost řádků ve směru y δ = d /V [ - ], h....vzdálenost obrazových bodů při diskrétním rozkladu ve směru x [ m ], σ...poměrná vzdálenost obrazových bodů ve směru x σ = h /H [ - ]. Z obrázků 2-5 a 2-6 je patrný vliv typu řádkování (rozkladu) na strukturu dílčích spekter a vzdálenosti jejich středů. Obr.2-7 znázorňuje vliv vzorkovacích struktur v časoprostorové oblasti při vzorkování ve směrech x, y, t. Diagonální vzorkovací struktura (obr.2-7b) umožňuje postihnout až dvojnásobné prostorové kmitočty ve snímané scéně a dosáhnout tak vyšší rozlišení. Obr.2-4: Zjednodušené zobrazení spektra v čase proměnné obrazové funkce pro neprokládané řádkování pro n = 625 řádků a snímkový kmitočet f s = 50 Hz v rovině f y, f t V obr.2-4c nejsou dodrženy vzorkovací podmínky ve vertikálním ani temporálním směru - dochází k aliasingu. (převzato z literatury [14]) Obr.2-5 : a) Vzorkovací struktura v časoprostorové oblasti x, y, t při neprokládaném řádkování, b)odpovídající spektrum obrazové funkce v rovině f y, f t pro n = 625, f s = 50 Hz (převzato z literatury [14]) 13

Obr.2-6 : a) vzorkovací struktur v časoprostorové oblasti x,y,t při prokládaném řádkování, b) odpovídající spektrum obrazové funkce v rovině f y, f t pro n = 625, f s = 25 Hz, prokládání 2:1) (převzato z literatury [14]) Obr.2-7: Vzorkovací struktura v prostorové oblasti a spektrum v rovině f x, f y trojrozměrně vzorkovaného obrazového toku (diskretizovaného i ve směru x) při: a) ortogonálním vzorkování, b) diagonálním vzorkování (převzato z literatury [14]) 2.2 Obrazový signál je charakterizován velkou šířkou kmitočtového pásma odpovídající vysokému informačnímu obsahu, tím, že jasový signál může nabývat jenom kladných hodnot (neexistuje záporný jas), tím, že informaci nese i stejnosměrná složka (informaci o středním jasu obrazu), diskrétním kmitočtovým spektrem, velkou mírou korelace v prostorové i časové oblasti. 14

2.2.1 Jednorozměrné vyjádření obrazového signálu čase a jeho kmitočtové spektrum Po optoelektrické transformaci a rozkladu periodickou rozkladovou funkcí ve směrech x, y lze obrazový signál U o (t) odpovídající statické scéně vyjádřit vztahem U 0 ot p,r 2 p= r= [ t + ] () t = K ( x y) = K A cos π( p f ± r f ), ϕ, (2-7) ř s p, r kde značí K ot A p,r, ϕ p,r koeficient optoelektrické transformace, amplitudy a fáze spektrálních čar odpovídajícího diskrétního kmitočtového spektra.obrazového signálu (viz obr.2-8). V případě tzv. prokládaného řádkování jeden snímek tvoří dva půlsnímky s proloženými řádky a kmitočet rozkladu ve směru y je 2f s. Kmitočtová vzdálenost spektrálních čar je tedy dvojnásobná. Z obr.2-8 je patrné, že spektrum obrazového signálu obsahuje energeticky bohaté a chudé oblasti, které se pravidelně střídají. Této skutečnosti se využívá např. při tzv. ofsetovém provozu TV vysílačů, při prokládaní jasových a barvonosných složek v analogových soustavách barevné televize pro zajištění slučitelnosti, při tzv. sub-nyquistově vzorkování apod., jak bude zmíněno v dalším textu. Obr. 2-8: Modul kmitočtového spektra obrazového signálu odpovídajícího statickému obrazu při periodickém rozkladu a prokládaném řádkování V případě dynamicky proměnného obrazu se mění velikost amplitud spektrálních čar, ale i jejich poloha na kmitočtové ose. Tyto odchylky jsou však malé. Pokud ve scéně dochází např. k pohybu ve směru x rychlostí v x odstup mezi diskrétními zónami se zvětšuje z hodnoty f ř na f ř ± Δf ř, kde Δf ř = f ř. v x /v ř (tento kmitočtový posun dosahuje pro postřehnutelné pohyby v obraze ve směru x jednotky Hz). 2.2.2 Šířka pásma obrazového signálu Dolní mezní kmitočet obrazového signálu f od = 0 (nese informaci o středním jasu obrazu). V reálných podmínkách však není třeba stejnosměrnou složku přenášet, protože ji lze obnovit v důležitých bodech přenosové soustavy pomocí tzv. obnovitelů stejnosměrné složky. Vysokofrekvenční složky spektra obrazového signálu nesou informaci o jasu malých plošek (detailů) obrazu. Horní mezní kmitočet f oh tedy určuje horizontální rozlišovací schopnost ρ x (viz odst. 3.3.2) a platí pro něj vztah 2 H n s ( 1+ tzř / tař ) foh =, 2 V 1+ tzs / tas (2-8) kde značí H,V... horizontální a vertikální rozměr obrazu, n... počet řádků v úplném snímku, s....počet snímků snímaných za 1 s, t ař, (t zř )... aktivní (zpětná) doba řádkového rozkladu. Platí: (t ř = t ař + t zř = 1/f ř ) t as, (t zs )... aktivní (zpětná) doba snímkového rozkladu. Platí: (t s = t as + t zs = 1/s) 15

Příklad: Pro TV normy CCIR D/K, B/G (viz přílohy) platí: n = 625 řádků, s = 25 snímků/s., H/V = 4/3, t ař = 52 μs, t zř = 12 μs, t as = 36,8 ms, t zs = 3,2 ms. Po dosazení do vztahu 2-8 je f oh = 7,36 MHz. 2.2.3 Principy časoprostorové filtrace obrazových signálů Časoprostorovou filtrací lze po snímání a rozkladu obrazu, jehož jasová distribuce nevyhovuje vzorkovacímu teorému, odfiltrovat z obrazového signálu v příslušné rovině aliasingové kmitočtové složky. Obvykle se pro ni používají číslicové nerekursivní filtry KIO (FIR) (filtry s konečnou impulsní odezvou). Základní blokové schéma takového filtru a jeho amplitudové kmitočtové charakteristiky je na obr. 2-9. Obr.2-9: a) Blokové schéma nerekursivního filtru KIO (FIR) s lineární fázovou charakteristikou, b) jeho amplitudově kmitočtová charakteristika Obr.2-10: a) Příklad zapojení číslicového filtru KIO pro vertikálně časovou filtraci obrazového signálu v rovině f y, f t,, b) dílčí a výsledné charakteristiky pro Δ 1 = T s / 2 - T ř / 2 = 312 T ř / 2 a Δ 2 = T s / 2 + T ř / 2 = 313T ř. Řádková perioda pro normy CCIR D/K a B/G je T ř = 64μs (převzato z litetury [14]) Kontrolní otázky ke kapitole 2 O2.1 Co značí pojmy obrazový tok, obrazová funkce a obrazový signál? O2.2 Jaké charakteristické vlastnosti má obrazový signál? O2.3 Jak vypadá kmitočtové spektrum obrazového signálu odpovídající statickému snímku? O2.4 Jak lze prakticky využít periodického charakteru kmitočtového spektra obrazového signálů? O2.5 Jak se liší spektra obrazových signálů pro spojitý a nespojitý rozklad obrazu v horizontálním směru? O2.6 Na čem závisí šířka kmitočtového pásma obrazového signálu? 16

3 ZÁKLADNÍ PRINCIPY ANALOGOVÉHO TV PŘENOSU 3.1 Model přenosu obrazové informace je na obr.3-1. V něm blok zdrojového kódování zahrnuje operace v základním kmitočtovém pásmu: snímání a rozklad obrazového toku O(x,y,t), korekce obrazového signálu U o, superposici pomocných složek (zatemňovací a synchronizační směsi) úplného obrazového signálu, studiové zpracování a komposici úplného barevného signálu dle použité soustavy barevné televize (v případě digitální televize i A/D převodník a obvody komprese digitálních obrazových dat). Blok kanálového kódování obsahuje modulátor a směšovač uskutečňující konversi do vysokofrekvenčního kmitočtového pásma pro přenos (v případě digitální televize také obvody ochranného kódování, skramblování, případně enkrypce digitálních obrazových dat pro příjem s podmíněným přístupem). Obr.3-1: Model tvorby a přenosu obrazového signálu v obecné TV přenosové soustavě 3.2 Rozklad obrazu Pro rozklad obrazu se používá neprokládané (tzv. progresívní) nebo prokládané řádkování. Při prokládaném řádkování 2:1 se úplný snímek skládá ze dvou půlsnímků. Opakovací kmitočet jasového blikání obrazovky je dvojnásobný (50 Hz pro evropské TV normy), leží při obvyklých hodnotách jasu nad tzv. kritickým kmitočtem blikání zraku a blikání jasu je méně patrné. Přitom je zachována původní šířka pásma obrazového signálů (viz rovnice 2-8). Pro dokonalé proložení řádků je třeba,aby počet řádků n ve snímku byl lichý (např. 625 v evropských, 525 v zámořských TV normách). Obr.3-2: Sled řádků při: a) neprokládaném řádkování obrazu, b) prokládaném řádkování obrazu ( aktivní běh rozkladu (snímku) 1. půlsnímku, 2.půlsnímku, zpětný běh) Z obr.3-2b je patrné, že rozklad v 1. půlsnímku začíná uprostřed horní strany a končí na konci dolního okraje obrazu a naopak rozklad ve 2. půlsnímku začíná na levém okraji horní hrany a končí uprostřed dolní hrany obrazu. Činnost rozkladových generátorů je třeba odpovídajícím způsobem synchronizovat. Časové průběhy vychylovacích proudů snímkového (půlsnímkového) a řádkového generátoru jsou na obr.3-3. 17

Obr.3-3: Časové průběhy vychylovacích proudů snímkového i s (t) a řádkového i ř (t) rozkladu pro neprokládané řádkování obrazu s n řádky Prokládané řádkování má kromě výhod (menší jasové blikání při zachování šířky kmitočtového pásma obrazového signálu), také nevýhody (stupňovitá reprodukce šikmých hran statických, ale zejména dynamických obrazů, protože dva sousední reprodukované řádky jsou posunuty o časový interval T s /2). Proto se jej používá především pro přenos, ale na terminálové straně se často přechází pomocí digitálního zpracování a půlsnímkových pamětí na neprokládané (progresivní) řádkování. 3.3 Mezní rozlišovací schopnost televizní soustavy udává maximální počet rozlišitelných detailů v obraze. Je určena především počtem řádků n ve snímku, počtem s přenášených snímků za 1 s a formátem obrazu H/V. Je definována ve dvou směrech. 3.3.1 Mezní vertikální rozlišovací schopnost ρ v je definována počtem viditelných řádků v obraze (spadajících do aktivního běhu rozkladu. Platí pro ni tas ρ v = n K < n, (3-1) t + t as kde K je tzv Kellův faktor respektující náhodnou vertikální distribuci detailů obrazu vůči rastru řádků; K 0,5 1, obvykle se uvažuje K 0,75. zs 3.3.2 Mezní horizontální rozlišovací schopnost ρ h je určena dobou snímání t 1 jednoho obrazového elementu (pixelu) elementárně členěného obrazu (obr.3-4), aktivní dobou rozkladu t ař a je prakticky závislá na horním mezním kmitočtu f h přenosového kanálu. Teoretická horizontální rozlišovací schopnost ρ h (pro f h ) je rovna vertikální (3-1), zvětšené v poměru stran obrazu H/V. Při uvažování pouze 1. harmonické složky obrazového signálu lze pro ni odvodit H/V tař 2 f h ρ h = n ρ h = =. (3-2) 1+ t / t t n.s 1+ t ( / t ( zs as 1 ( ) Ze srovnání teoretické a praktické horizontální rozlišovací schopnosti ρ h = ρ h lze vyjádřit požadovaný horní mezní kmitočet f hž přenosového kanálu TV soustavy definované parametry ze vztahu (3-2) zr ar 18

2 H n.s ( 1+ t ( zr / t ( ar ) f hž = 2V 1+ t zs / t as. (3-3) Souhrnnou rozlišovací schopnost ρ h-v odpovídající celkovému vjemu ostrosti obrazu lze vyjádřit jako ρ h-v = (ρ h 2 + ρ v 2 ) 1/2. (3-4) Ze vztahu (3-3) je patrné, že největší vliv na požadovanou šířku pásma kanálu má počet řádků n. Pro maximální počet N omax reprodukovatelných bodů (detailů) v obraze potom logicky platí Obr.3-4: a ) Elementárně členěný obraz, b) časový průběh obrazového signálu v řádku N omax = ρ h. ρ v. (3-5) 3.4 Úplný obrazový signál a jeho skladba obrazový signál (zkratka OS) - nese informaci o jasové distribuci (luminanci) obrazu, zatemněný obrazový signál - superposice obrazového signálu a směsi zatemňovacích impulsů, pomocné složky obrazového signálu: a) zatemňovací impulsy řádkové a (půl)snímkové, které definují signálovou úroveň odpovídající nulovému jasu, b) synchronizační impulsy řádkové a (půl)snímkové pro řízení rozkladových generátorů - jejich součástí jsou vyrovnávací a udržovací impulsy (viz obr.3-6), úplný obrazový signál (zkratka OZS) - superpozice monochromatického obrazového signálu a směsi zatemňovacích a synchronizačních impulsů (řádkových i (půl)snímkových), úplný barevný signál (zkratka BOZS) - superpozice úplného obrazového signálu, chrominančního ho signálu (rozdílové barevné signály modulované na barvonosnou vlnu) a tzv. synchronizačního impulsu barvy (vzorek barvonosné vlny sloužící k rekombinaci barvonosné vlny v přijímači). Časové průběhy úplného obrazového signálu ve dvou řádkových intervalech a ve dvou půlsnímkových intervalech pro TV normu CCIR D/K jsou na obrázcích 3-5 a 3-6. Pojem polarita obrazového signálu neodpovídá běžnému významu. Obrazový signál pozitivní polarity odpovídá pravidlu: větší jas větší signál, u obrazového signálu negativní polarity je tomu naopak. Obr.3-5: Časové průběhy úplného obrazového signálu a) negativní, b) positivní polarity dvou řádků Řádkové (ŘSI) a (půl)snímkové (SSI) synchronizační impulsy se výrazně liší délkou trvání, aby je bylo možno v TV přijímači (monitoru) po oddělení synchronizační směsi rozdělit. V TV normě CCIR D/K je t ŘSI 4,8 μs, t SSI 2,5 t ř = 2,5. 64.10-6 = 160 μs (viz přílohy). S ohledem na půlřádkové posunutí po sobě 19

následujících půlsnímků při prokládaném řádkování (obr. 3-2), je třeba normalizovat počáteční podmínky nabíjení integračního kondenzátoru v rozdělovacího obvodu. K tomu slouží pětice vyrovnávacích impulsů s opakovacím kmitočtem 2f ř před a po půlsnímkovém synchronizačním impulsu. Půlsnímkový synchronizační impuls je přerušován pěticí tzv. udržovacích impulsů, aby nebyla během jeho trvání přerušena řádková synchronizace. Obr.3-6: Časový průběh úplného obrazového signálu ve dvou po sobě následujících půlsnímcích pro TV normu CCIR D/K. Zatemněné řádkové intervaly (6 až 22 a 318 až 335) jsou využívány pro přenos alfanumerických a datových signálů informačních systémů (např. TELETEXT - WST), signálů měřicích a zkušebních řádků, signálů kmitočtových normálů apod. Poznámka: Rozkladové generátory na snímací (produkční) a terminálové (reprodukční) straně musí být synchronizovány, protože na stabilitu jejich kmitočtu, v případě nesynchronizovaného provozu, jsou kladeny technicky nesplnitelné požadavky. Uvažujme, že snímaným obraz je svislý černý pruh (obr.3-7) a že kmitočet f ř řádkového generátoru na snímací straně je absolutně stabilní. Pokud kmitočet řádkového generátoru na reprodukční straně bude např. f ř < f ř, dojde k sešikmení polohy pruhu dle obr.3-7. Jestliže povolíme posunutí ΔH pruhu na dolním okraji obrazu za dobu Δt, bude to vyžadovat kmitočtovou stabilitu řádkového generátoru Δf ř / f ř ΔH 1 Δ f ř / f ř =. (3-6) H Δt. f, ř Obr.3-7: Reprodukce svislého pruhu při f ř < f ř, Po dosazení např.: ΔH/H = 0,05, Δt = 300 s a f ř = 15625 Hz vychází potřebná kmitočtová stabilita řádkového generátoru monitoru Δf ř /f ř = 1,1.10-8, což je v této kmitočtové oblasti jen velmi obtížně 20

technicky a ekonomicky splnitelné. Obdobnou úvahu je možno uskutečnit i pro požadovanou kmitočtovou stabilitu generátoru snímkového rozkladu. Synchronizovaný provoz rozkladových generátorů na snímací a reprodukční straně je tedy nutný! Kontrolní otázky ke kapitole 3 O3.1 Jaké typy rozkladu (řádkování) obrazu znáte a čím se liší jejich vlastnosti? O3.2 Co ovlivňuje vertikální a horizontální rozlišovací schopnost televizní soustavy? O3.3 Co značí pojem úplný obrazový (barevný) signál a k čemu slouží jeho pomocné složky? O3.4 Nakreslete strukturu úplného obrazového signálu v intervalu půlsnímkového zatemňovacího pulsu a vysvětlete význam jednotlivých složek. 4 ZKRESLENÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ A JEJICH KOREKCE typickým zkreslením obrazových signálů patří 4.1 Zkreslení v elektronických obvodech 4.1.1 Lineární zkreslení dochází k němu vlivem nevhodného průběhu přenosové charakteristiky A(ω), definované vztahem modul přenosu A(ω) = A(ω).e jϕ (ω), (4-1) Im[ A( ω) ] kde argument ϕ(ω) = arctg, (4-2) Re[ A( ω )] dϕω ( ) případně skupinové zpožděníτ sk = (4-3) dω Obr.4-1: Obecné přenosové charakteristiky: a) amplitudově-kmitočtové A(ω) - modul, b) fázově-kmitočtové ϕ(ω) argument, c) skupinové zpoždění τ sk (ω) Obr.4-2: Typický průběh přechodové charakteristiky h( t ) pro obvod vyššího řádu Přenosové charakteristiky popisující chování obvodu v kmitočtové oblasti, jsou na obr. 4-1. Jejich ideální průběhy jsou označeny symboly A a B, reálné průběhy symbolem C. Na obr.4-2 je typický průběh přechodové charakteristiky, která charakterizuje přenosové vlastnosti obvodu v časové oblasti. Základní parametry popisu v kmitočtové a časové oblasti - horní mezní kmitočet f h a doba náběžné hrany t n přechodové charakteristiky (obr.4-2) pro dolní propust 1.řádu spolu souvisí vztahem f h = 0,35. t n -1, (4-4) kde pro výslednou dobu náběžné hrany t nc kaskády přenosových článků typu dolní propust platí t nc = (t n1 2 + t n2 2 + t n3 2 +...+ t nn 2 ) 1/2. (4-5) 21

4.1.2 Nelineární zkreslení je způsobeno nelineárním průběhem převodních charakteristik. Obvykle se týká aktivních obvodů a má za následek obohacení kmitočtového spektra vstupního signálu (vznik harmonických a kombinačních složek, intermodulace) a odpovídající tvarové zkreslení výstupního signálu. V případě komplexních signálů má dvě složky (amplitudovou a fázovou) zkreslení diferenciálním zesílením ( du ) 2 / du1 min σ A = 1 - ( du2 / du1) max, (4-6) zkreslení diferenciální fází σ ϕ = Δϕ = ϕ max - ϕ min. (4-7) 4.2 Aperturové zkreslení vzniká vlivem konečné velikosti snímací nebo reprodukční stopy. 4.2.1 Aperturové zkreslení ve snímací soustavě (snímací apertura) Projevuje se prodloužením odezvy obrazového signálu u o (t) na skokovou změnu jasu L(t) (obr.4-3). Je závislé na tvaru a plošném rozložení průzračnosti (snímací účinnosti) stopy. Přechodové charakteristiky pro různé tvary stop neakumulačních snímacích soustav a jejich ekvivalentní přenosové charakteristiky jsou na obrázcích 4-4 a 4-5. Je patrné, že nejvýhodnější je symetrická stopa s průzračností rostoucí směrem ke středu dle Gaussova zákona (d). Pro neakumulační snímací soustavy klesá modul přenosu směrem se vzrůstajícím kmitočtem, ale při konstantní fázi. Tato skutečnost musí být respektována při realizaci tzv. aperturových korektorů. V akumulačních snímacích soustavách (viz kap.5) dochází k jistému, ale prakticky zanedbatelnému, fázovému posuvu signálové odezvy. Obr.4-3: Horizontální aperturové zkreslení v neakumulační soustavě se čtvercovou snímací stopou s konstantní průzračností Obr.4-4: Přechodové charakteristiky neakumulačních Obr.4-5: Modul a argument ekvivalentní přenosové soustav pro: a) čtvercovou, b) kruhovou stopu charakteristiky aperturového zkreslení pro průměru δ, c) kruhovou stopu o průměru δ s snímací stopu d) lineárně rostoucí průzračností směrem ke středu, d) symetrickou stopu s průzračností rostoucí ke středu dle Gaussova zákona 22

Aperturové zkreslení vzniká i v monolitických snímačích (CCD, CMOS) s pevně rozloženými snímacími obrazovými elementy (pixely) konečné velikosti. Zde však vzniká proto, že snímač nemůže vytvořit obrazový signál detailu jasové distribuce, který je menší než rozestup jednotlivých bodů snímače. Pokud dopadá světlo pouze na část obrazového bodu, obrazový signál se zmenšuje. Podobný mechanizmus se uplatňuje i v monolitických zobrazovačích s pevnou strukturou obrazových bodů. 4.2.2 Aperturové zkreslení v reprodukčních soustavách (reprodukční apertura) je dáno počtem a konečnou šířkou jednotlivých řádků rastru (velikostí reprodukční stopy elektronového svazku, případně luminoforů barevné obrazovky). Má za následek snížení vertikální rozlišovací schopnosti. 4.2.3 Aperturové korektory snižují vliv aperturového zkreslení. Jejich přenosové charakteristiky mají reciproké průběhy vůči ekvivalentním přenosovým charakteristikám aperturového zkreslení (obr.4-5). S ohledem na to, že nesmí posouvat fázi, nelze je realizovat klasickými RC (LC) filtry s minimální fází. Příklady zapojení derivačního a kosinového aperturového korektoru s časovými průběhy korigovaných obrazových signálů jsou na obrázcích 4-6 a 4-7. Kosinová korekce byla dříve uskutečňována pomocí přenosové funkce úseku umělého vedení délky l < λ min / 4 s výstupem naprázdno. Derivační korektor se užívá pouze pro aperturovou korekci v horizontálním směru. Korekce ve vertikálním směru je složitější, protože vyžaduje eliminaci rušivých signálů sousedních řádků, které jsou vůči aktuálnímu řádku při prokládaném řádkování posunuty o dobu T s ± T ř / 2 (v normě CCIR D/K tedy o 20 ± 0,032 ms). Vzhledem k silné korelaci obsahu sousedních půlsnímků, lze využít pro tuto korekci obdobu kosinového aperturového korektoru (obr.4-7) s časovou konstantou zpožďovacích členů τ T ř / 2. Obr.4-6: a) Blokové schéma derivačního aperturového vého korektoru, b) časové průběhy korigovaných obrazových signálů Obr.4-7: a) Blokové schéma kosinového aperturového korektoru, b) časové průběhy korigovaných obrazových signálů Pro harmonický vstupní signál s amplitudou U 1 roste amplituda signálu U 4 na výstupu derivačního aperturového korektoru (pro ideální derivační články) s druhou mocninou kmitočtu U 4 = U 1 (1 + ω 2 ), aniž 23

by docházelo k fázovému posuvu. Okamžitá hodnota výstupního signálu u 3 kosinového aperturového korektoru je dána, jak je patrné z obr. 4-7, vztahem u 3 = ( ) u k u + u 1b 1a 1c 1 2k, (4-8) kde koeficient k určuje účinnost korekce - v obr.4-7 je k = 0,33. Volbou velikosti časových zpoždění τ lze zvolit přenosové charakteristiky kosinového korektoru pro korekci ve vertikálním (τ T ř / 2) nebo horizontálním (τ < 150 ns) směru. Aperturové zkreslení pomocí popsaných korektorů nelze úplně odstranit, protože přenosovou funkci aperturového korektoru, která by byla přesně reciproká k přenosové funkci aperturového zkreslení, nelze jednoduše realizovat. Navíc charakter tohoto zkreslení silně závisí na vlastnostech snímacího (zobrazovacího) zařízení. Pří silné korekci vznikají na přechodové charakteristice korektoru překmity. 4.3 Gradační zkreslení 4.3.1 Vznik, charakter a vyjádření gradačního zkreslení Jde o nelineární zkreslení, které vzniká především vlivem nelineární převodní charakteristiky optoelektrické a elektrooptické transformace ve snímacích a zobrazovacích systémech. Typické průběhy převodních charakteristik vidikonu, snímače CCD a vakuové obrazovky jsou na obr. 4-8. Pro jejich analytické vyjádření se obvykle používá obecná parabolická funkce typu y = K. x γ a pro účely vyjádření gradačního zkreslení je přenosová soustava rozdělena do čtyř bloků dle obr.4-9. Dílčí převodní charakteristiky jsou vyjádřeny (za předpokladu lineární závislosti U o = K z. U s ) vztahy γ s U s = K s. L s γ 0, a L o = K o.u 0, (4-9a,b) v nichž značí: L s, L o...jas snímané scény, obrazovky, U s, U s, U o...velikosti obrazového signálu, K, K s,k k,k z, K o,...aproximační konstanty, γ, γ s, γ k, γ z, γ o...aproximační konstanty. Obr.4-8: Typické průběhy převodních charakteristik: vidikonu, ---- snímače CCD,... vakuové obrazovky Obr. 4-9: Blokové schéma přenosu obrazového signálu s gradační korekcí Pro celkový nelineární přenos jasu L o obrazovky platí L o = K. L s γ γ γ γ 0. γ. γ γ, (4-10) kde K = Ko. K 0 0 z z. K. z k k. K k (4-11) a γ = γ s. γ k.γ z.γ o. (4-12) Obecně je výsledná konstanta γ 1 a jasový přenos je tedy nelineární. 24

4.3.2 Gradační korekce Pro splnění podmínky γ = 1 je třeba do cesty zpracování obrazového signálu vložit gradační korektor (tzv. γ-korektor). Bývá realizován pomocí aktivního nelineárního obvodu s nastavitelným průběhem převodní charakteristiky, pro jejíž konstantu γ k musí ze vztahu (4-12) platit: γ k = (γ s.γ z γ o ) -1. Korekce se provádí na snímací straně pro každý snímač zvlášť. Gradačně korigované obrazové (složkové) signály se obvykle označují U Y, U R, U B, U G a platí pro něž obecně platí U = U 1/γ. Poznámka: S nástupem monolitických snímačů a zobrazovačů význam gradačního zkreslení a gradační korekce klesá, protože jejich převodní charakteristiky jsou téměř lineární!! 4.4 Geometrické zkreslení vzniká v klasických snímacích elektronkách a obrazovkách s magnetickým vychylováním elektronového svazku vlivem nehomogenity magnetického pole - tedy v produkční a terminálové části televizní přenosové soustavy. Je zanedbatelné v monolitických snímačích CCD a CMOS zobrazovačích vzhledem k přesnosti masek při výrobě těchto součástí. Geometrické zkreslení se obvykle vyhodnocuje na měřicím obrazci mříže (viz obr.4-10) a geometrické zkreslení se definuje pro horizontální a vertikální směr pomocí koeficientů k GH = 2 ΔH ΔH max max ΔH + ΔH min min (4-13a) Obr.4-10: Vyhodnocení geometrického zkreslení obrazu pomocí měřicího obrazce mříže a k GV = 2 ΔV ΔV max max ΔV + ΔV min min. (4-13b) 4.5 Setrvačnost a zbytkové signály Zdrojem těchto degradací obrazového signálu jsou snímací elektronky i monolitické snímače pracující na akumulačním principu (nedostatečná rychlost vybíjení elementárních kapacitorů akumulační elektrody, případně vyprazdňování potenciálových jam při transportu nábojových kvant ). Zbytkové rušivé signály ve snímacích elektronkách jsou způsobovány nerovnoměrnou stabilizací potenciálu akumulační elektrody elektronovým svazkem - zejména na jejím pravém a dolním okraji- Dominantním zbytkovým signálem v monolitických snímačích CCD je zbytkový signál černé, způsobený teplotní generací náboje v potenciálových jamách i při nulové osvětlení. Je závislý na teplotě a na době integrace náboje - viz kapitola 5. 4.6 Šumy a fluktuační signály se projevují velmi rušivě vzhledem ke velké šířce kmitočtového spektra zpracovávaných obrazových signálů 4.6.1 Vyjádření šumových poměrů a) Odstup signálu od šumu ( základním kmitočtovém pásmu obrazového signálu) vyjadřuje poměr napětí nebo výkonů signálu a šumu Φ U = U s / U š (4-14a) nebo SNR (Signal to Noise Ratio) = S/N = Φ P = P s / P š, (4-14b) případně v db Φ U [db] = 20 log Φ U (4-15a) a Φ P [db] = 10 log Φ P. (4-15b) Ve vztazích (4-14a) a (4-14b) značí obvykle U s, U š...mezivrcholovou hodnotu napětí obrazového signálu, efektivní hodnotu napětí šumu, P s, P š...výkon signálu, šumu 25

Poznámka: Ve vf. kmitočtovém pásmu bývá pro modulovaný signál definován odstup signálu od šumu CNR (Carrier to Noise Ratio) = C/ N = P c / P š, (4-16) ve kterém P c značí výkon signálu nosné vlny. b) Šumové číslo je definováno pro dvojbran s výkonovým přenosem A P, na jehož přizpůsobeném vstupu je uvažován výkon tepelného šumu P š1 = k B T o B š (4-17). Potom pro šumové číslo F platí ( Φ ) P / P / P P1 s1 š1 s1 š1 šp F = = = 1 + = 1 + = P ( Φ P 2 ) Ps 2 / P( s 2 Ps1 Ap / ( Pš1 + Pšp ) Pš1 To P T e 1 (4-18a) případně pro tzv. míru šumu (v db) F db = 10 log F. (4-18b) Ve vztazích (4-17) až (4-21) a v obr.4-11 značí A p... výkonový přenos (zesílení), P s1, P s2, P š1, P š2... výkony signálu a šumu na vstupu a výstupu uvažovaného dvojbranu [W], k B... Boltzmannovu konstantu [Ws.K -1 ] - k B = 1,38.10-23 Ws.K -1, T o, T e... absolutní teplotu okolí, ekvivalentní teplotu uvažovaného dvojbranu [K], B š... šumovou šířku kmitočtového pásma uvažovaného dvojbranu [Hz], pro niž platí ( ) B3 = 1/ Apmax Ap f. d f. (4-19) 0 Grafické vyjádření B š je patrné z obrázku 4-11. Pro šumová čísla pasivních rezistivních dvojbranů (A P < 1) výkonově přizpůsobených na vstupu i výstupu platí F (A P ) -1. (4-20) Pro šumové číslo F n kaskády n dvojbranů platí F 1 = F 1 + (F 2-1). A -1 P1 + (F 3-1). (A P1.A P2 ) -1 +... + (F n - 1).(A P1.A P2.A P3...A Pn ) -1. (4-21) Obr.4-11: Grafická interpretace šumového čísla aktivní pásmové propusti Šumové číslo F o je definováno obvykle pro oblast tepelného šumu s konstantní spektrální hustotou šumového výkonu. Pokud kmitočtová oblast zesilovaných signálů tuto oblast přesahuje, je třeba při analýze šumových poměrů uvažovat střední šumové číslo, respektující kmitočtovou distribuci šumu F(f) (zejména v aktivních prvcích), pro něž platí 1 ( ) ( ) ( ) str pmax s p d 0 F ( = A. B( F f. A f. f, (4-22) kde kmitočtovou závislost F(f) např. bipolárních tranzistorů v oblasti vysokých kmitočtů lze vyjádřit přibližným vztahem F(f) = F o [1+ (f / f šh ) 2 ], (4-23) ve kterém f šh značí kmitočet, na němž se šumové číslo F o zdvojnásobí. V logaritmickém vyjádření tedy tedy vzrůstá závislost F(f) se sklonem +40dB/dekádu, zatímco v oblasti nízkých kmitočtů klesá se sklonem -20 db/dekádu - viz obr.4-12. 26