Сколько градаций яркости одного цвета достаточно на телевизионном изображении

Опубликовано: 20.04.2024

Разобьем поле плоского (двумерного) изображения (рис. 2.4) вертикальными и горизонтальными линиями на N элементарных ячеек со стороной б и будем считать, что в пределах каждой ячейки, которую называют элементом разложения или элементом изображения, поток излучения воспринимается только как интегральная величина. Передача изображения, как было показано, осуществляется за счет преобразования пространственного потока энергии излучения во временную последовательность.

Процесс последовательной передачи информации о каждом элементе разложения называется разверткой или сканированием изображения. Изображение, полученное в результате однократного воспроизведения всех элементов разложения, называется кадром. Очередность (порядок) последовательной передачи элементов образует траекторию развертки. Структура поля изображения, образованная в результате развертки, называется растром. В зависимости от траектории развертки различают линейный, точечный, спиральный и другие растры. Для линейной траектории развертки растр представляет собой совокупность строк. При прямоугольном кадре отношение ширины изображения в к его высоте h называют форматом кадра в/h = k . Важным параметром, характеризующим скорость передачи изображений, является число кадров п , передаваемых (или воспроизводимых) в единицу времени.

Отношение яркостей наиболее светлого и наиболее темного участков изображения называется контрастом изображения. С контрастом изображения непосредственно связано число m_L воспроизводимых градаций яркости. Для цветного изображения важным параметром является также число m _ц воспроизводимых градаций цветности.

Разумный выбор параметров разложения изображения в телевидении играет важную роль при разработке телевизионной системы, предназначенной для решения определенных задач. Проанализируем указанные параметры.

Число элементов разложения

Для повышения четкости телевизионного изображения число элементов разложения следует увеличивать, но это приводит к усложнению и удорожанию телевизионной системы. Поэтому при выборе числа элементов разложения для системы телевизионного вещания исходят из того, что оно не должно превышать некоторого максимального значения N_max , за пределами которого возрастание четкости было бы незаметным из-за ограниченной разрешающей способности зрения.

Это условие неоднозначно, так как при изменении расстояния l от экрана до наблюдателя угол α будет принимать различные значения. Число элементов в кадре N = kz 2 . Принимая γ ₀ = 1.5ʹ, k = 4/3, получаем следующие значения для z_max и N_max в зависимости от α:

Оптимальное расстояние наблюдения изображения, согласно рис. 2.5 и (2.1), определяется из условия

В специализированных телевизионных системах необходимое число элементов разложения может существенно отличаться от указанных значений. Когда требуется увидеть возможно больше деталей, например при передаче изображений аэрофотосъемки или космических объектов, необходимое число элементов разложения существенно возрастает, в то время как в системах опознавания простых образов, N = 50÷100 например отдельных букв, достаточно

Кажущаяся четкость изображения G непосредственно связана с числом элементов разложения, однако эта связь нелинейна. Приращение кажущейся четкости dG пропорционально относительному приращению числа элементов разложения:

Постоянные С ₁ и С₂ могут быть определены из граничных условий: при G = 0 N=l и С₂ = 0 при G = G_max N = N_max . Полагая, что значение G_max определяет 100 % четкость, получаем G_max = G ₁lnN_max = 1, откуда C ₁ = 1/lnN_max

Таким образом, из (2.2) и (2.3) следует

Например, при z_max = 1200 и k = 4/3

уменьшение числа строк разложения z с 1200 до 600 приводит к падению визуальной четкости всего лишь на 10 %, а спектр частот телевизионного сигнала, как будет показано ниже, сокращается при этом в четыре раза. В связи с этим стремление к реализаций максимальной четкости экономически не всегда оправдано, поэтому ограничиваются некоторой удовлетворительной кажущейся четкостью (например, 0,9G_max ), по которой определяется визуально-достаточное число элементов разложения N.

Число кадров, передаваемых и воспроизводимых в единицу времени

Требования к числу передаваемых n _п и к числу воспроизводимых n _в кадров в единицу времени в общем разные.

Необходимое число передаваемых за секунду кадров определяется из условия допустимой дискретизации изображения во времени. При передаче движущихся изображений таким условием является обеспечение слитности фаз движения, зафиксированных в соседних кадрах. В профессиональном кино считают достаточным показ 24 кадров в секунду, в любительском — 16. При передаче малоподвижных изображений один кадр может передаваться несколько секунд, минут или даже часов. Уменьшение числа n _п кадров, передаваемых в секунду, позволяет сократить количество информации, передаваемой по телевизионному каналу, и, следовательно, является выгодным.

Число кадров, воспроизводимых в единицу времени, при визуальном наблюдении определяется из условия отсутствия мерцаний изображения.

В кино число передаваемых кадров в секунду составляет 24, а воспроизводимых — 48 за счет того, что каждый кинокадр дважды подряд демонстрируется зрителю. Однако условия воспроизведения изображения в кино и на телевизионном экране неодинаковы. В кино все элементы изображения проецируются на экран одновременно, пока открыта заслонка объектива (обтюратор) киноаппарата, т. е. в течение всего времени демонстрации кадра. В телевидении условия воспроизведения изображения тяжелее, так как каждый элемент изображения высвечивается в течение времени, значительно меньшем, чем длительность передачи кадра. Поэтому критическая частота мерцаний f _кр для телевизионного экрана оказывается выше, чем для киноэкрана, поскольку она определяется не только кажущейся яркостью изображения, но и скважностью световых импульсов, создающих это изображение (п. 1.2). В случае безынерционного экрана скважность импульсов велика, поэтому и критическая частота оказывается высокой. При использовании инерционного экрана время высвечивания каждого элемента изображения увеличивается за счет послесвечения экрана, что приводит к понижению f _кр. Для приемлемых в случае телевизионного экрана яркости (30—100 кд/м 2 ) и послесвечения

0,02 с f _кр = 46 ÷ 56 Гц.

Если телевизионные устройства питаются от сети переменного тока, частоту кадров синхронизируют с частотой питающей сети. Это делает наводки от сети менее заметными, так как они проявляются на изображении в виде неподвижных светлых и темных полос. Несоблюдение этого условия при недостаточной фильтрации приводит к образованию перемещающихся полос, создающих более заметные помехи.

Формат кадра

Формат кадра в разных системах может существенно изменяться. Например, во многих прикладных телевизионных устройствах часто выбирают k = 1. В системах видеотелефона, где преобладают изображения, вытянутые по вертикали, обычно k of your page -->

Согласование параметров воспроизводимых телевизионных изображений с характеристиками зрения.При общей оценке качества телевизионных изображений применимы понятия физически, физиологически и психологически точного воспроизведения.

При физически точном воспроизведении яркость и цвет каждой точки рассматриваемого объекта должны быть одинаковыми аналогичным параметрам соответствующих точек телевизионного изображения. .

При физиологически точном воспроизведении зрительный аппарат человека практически не замечает разницы между наблюдаемым объектом и телевизионным изображением, хотя яркость и цвет одноименных элементов могут быть неодинаковыми.

При психологически точном воспроизведении яркость и цвет одноименных элементов объекта и соответствующего телевизионного изображения могут значительно различаться. Однако по общему восприятию изображения в сознании человека создается вполне определенное суждение о наблюдаемом объекте.

Потребностям среднестатистического наблюдателя отвечает физиологически точное воспроизведение, которое обеспечивает экономическую и техническую возможности реализации телевизионной аппаратуры массового применения.

К основным параметрам телевизионных изображений относятся: формат и размеры, номинальное число строк разложения, число воспроизводимых кадров в секунду, яркость и контраст изображения. Оценим номинальные значения основных параметров телевизионных изображений.

Формат и размеры телевизионного изображения.Вещательные телевизионные системы предусматривают наблюдение изображений в пределах угловых размеров поля ясного зрения. Исходя из этого условия выбирается формат кадра k_ф т.е. отношение ширины изображения b к его высоте h (k_ф=b/h). Первоначально в телевидении был принят формат изображения k_ф = 4:3 = 1,33. Из геометрических соотношений оптимальное расстояние рассматривания A в этом случае устанавливается следующим образом:

А = 0,5h/tgα_в, фактически А ≈ 5h.

Таким образом, на практике непосредственные размеры устройств воспроизведения телевизионных изображений определяются условиями наблюдения.

Последующие психофизиологические исследования показали, что телезрители предпочитают формат телевизионного кадра с соотношением сторон 16:9. Причем, при достаточно больших размерах телевизионного экрана воспроизводимое изображение становится более реальным. Главная причина этого заключается в увеличении угла зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема воспринимаемой информации. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают впечатление объемности и относительного пространственного расположения рассматриваемых объектов. Таким образом, 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 перспективных системах телевидения 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

Определение необходимого числа воспроизводимых строк.Число строк разложения z является важнейшим параметром телевизионных изображений, так как оно характеризует степень воспроизведения мелких деталей в вертикальном направлении растра, т.е. четкость по вертикали. При оценке требуемого числа строк обычно исходят из условия слияния строчной структуры телевизионного изображения на заданном расстоянии рассматривания (рис. 4.11). Практически значение z находится из следующего выражения:

При 2α_в = 12°, δ_min ≈ 1', z≈ 720 строк. В приведенном расчете взята номинальная разрешающая способность глаза, равная 1'. Опытным путем было установлено, что разложение телевизионного изображения примерно на 600 строк является достаточным, обеспечивая вполне хорошее качество (субъективная четкость достигает 95% от максимального значения).

Рис. 4.11. Схема определения числа воспроизводимых строк

На практике номинальное число строк разложения в телевизионных системах было взято равным 625 при условии, что А ≈ 5h.

Если А ≈ (2,5. 3)h, то число строк в одном кадре должно быть равным 1200. 1250. По этой причине разрабатываемые перспективные системы воспроизведения изображений получили название «телевидение высокой четкости», т.е. ТВЧ.

Частота кадров воспроизводимых изображений. Наблюдение телевизионного изображения не должно сопровождаться мельканиями яркости при смене кадров. Номинальная частота смены кадров в телевидении выбрана равной 25 Гц, что значительно ниже f_кр. Поэтому в телевизионном вещании применяется так называемая чересстрочная развертка, при которой кадр состоит из двух последовательно передаваемых полей. Номинальная частота полей равна 50 Гц. Время смены полей (0,02 с) полностью согласуется с инерционностью зрительного ощущения (0,1. 0,25 с), следствием чего является незаметность мельканий при наблюдении телевизионного изображения.

Яркость и контраст телевизионного изображения. Яркостными параметрами телевизионного изображения являются его средняя яркость L_из.ср, максимальная яркость L_из._max, контраст и число полутонов - различимых градаций яркости m_из. Средняя яркость, соответствующая наилучшему восприятию, зависит от условий наблюдения, свойств зрения и от содержания изображений. Многолетней практикой установлено, что средняя яркость L_из.ср = 30 кд/м 2 вполне достаточна для наблюдения изображения и рассматривания его деталей без особого утомления зрения. При этом яркость в белых местах изображения может достигать L_из._max = 100.. .300 кд/м 2 .

При восприятии телевизионных изображений динамический диапазон изменения яркости - контраст К_из и число воспроизводимых градаций m_из ограничиваются:

- параметрами воспроизводящих устройств;

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

Например, паразитная засветка L_пар снижает воспринимаемый контраст Кʹ по сравнению с номинальной контрастностью К_из, обусловленной диапазоном воспроизводимых яркостей в телевизионном изображении.

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

Число различимых градаций яркости m_из влияет на зрительное подобие воспринимаемого телевизионного изображения с непосредственным наблюдением объекта. Абсолютные значения градаций яркости в данном случае не могут быть равными, так как не равны воспринимаемые контрастности. Поэтому имеет важное значение, как распределяются воспринимаемые в телевизионном изображении градации 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 m_из и m_об - соответственно числа градаций яркости телевизионного изображения и наблюдаемого объекта; γ - коэффициент пропорциональности, равный числу градаций яркости изображения, воспроизводящих одну градацию яркости объекта (в данном случае γ

4.3. Назовите основные положения теории цветового зрения.

4.4. Объясните принципы построения цветовой системы XYZ.

4.5. Каким образом осуществляется выбор формата и размеров телевизионного изображения?

4.6. Из каких условий определяется число строк разложения телевизионного изображения?

4.7. Чему равняется частота смены кадров в телевизионной системе?

4.8. Дайте количественную оценку яркости и контраста телевизионных изображений.

4.9. Почему в телевизионной системе обеспечивают пропорциональность между воспроизведением полутонов и распределением яркостей в наблюдаемых объектах?

4.10. Как называются электронные устройства, корректирующие амплитудную характеристику телевизионной системы?

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

ЬЕ = кЬЫЬ, (1.1)

где к - 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 = kdLIL. Интегрируя это уравнение, нетрудно определить

Постоянную интегрирования D определим из условия Е = 0 при L = L_n, то есть D = -klnLn. Тогда соотношение (1.2) примет вид:

из которого следует, что ощущение Е пропорционально логарифму яркости L. Данное правило называется законом Вебера-Фехнера в честь выдающихся немецких психофизиков Э.Г. Вебера (1795-1878) и Г.Т. Фехнера (1801-1887), впервые установивших данную закономерность.

Говоря проще, мерой чувственно воспринимаемых различий является не минимальная величина разности двух раздражений (ДР) при данном уровне раздражения Е, а относительная величина, которая остается неизменной при изменении раздражения, то есть (ДР/Р) = const.

Экспериментальные исследования позволили установить, что этот закон справедлив в диапазоне яркостей от десятых долей до 10 3 кд/м 2 (рис. 1.6). Из анализа графических зависимостей рис. 1.6 следует, что в широких пределах изменения яркости наблюдаемых объектов относительный разностный порог, называемый также пороговым контрастом, фактически постоянен, то есть (ДЕ/Е)_пор = Д_п = const. Практически в пределах средних величин яркости (1,0. 1000 кд/м 2 ) глаз ощущает относительное изменение яркости, примерно равное 2. 5%. Допустимый диапазон изменения яркости при соблюдении закона Вебера-Фехнера на рис. 1.6 обозначен символом а. Причем заштрихованная область относительных значений яркости соответствует различным длинам волн воздействующего излучения.

Рис. 1.6. Результаты экспериментальных исследований относительных пороговых значений яркости

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 L_max к минимальный ?_П1Ш, то есть диапазон воспроизводимых яркостей

В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 10 5 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 [2]. Первая градация такого клина отличима от фона, если ее яркость Ц превышает яркость фонового раздражения на величину ?фД_п:

Вторая градация отличима от первой, если:

Ьг = L, + = L,(l + Д„) = Ц(1 + Д_п) 2 .

Аналогично для третьей градации:

Следовательно, для N-Й градации

Рис. 1.7. Зависимость числа различимых градаций от контраста изображения

Из соотношения (1.4) нетрудно определить число различимых градаций N, если известен относительный разностный порог Д_п

Учитывая, что L_nIL§ = К - контраст изображения ступенчатого клина, имеем:

Таким образом, число различимых градаций N определяется не только относительным разностным порогом раздражения Д_п, но и контрастом К наблюдаемого изображения. Эта зависимость для различных Д_п приведена на рис. 1.7.

Расчет по соотношению (1.5) показывает, что при К = 100 (черный бархат с коэффициентом отражения 0,009, снег с коэффициентом отражения 0,9) и Д_п= 0,02 число различимых градаций N = 232.

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

2015-03-22

3893

Обычно изображение, передаваемое по ТВ, является полутеневым. Это означает, что, кроме ярких и темных мест, соответствующих В_макс и В_мин, в изображении еще имеется много промежуточных градаций яркости, так называемых полутеней. Наличие большого количества этих полутеней делает изображение более художественным, живым и сочным и увеличивает разборчивость очертаний. Поэтому правильная передача градаций яркости является важным фактором в создании высококачественного ТВ изображения. Бывают случаи, когда нет необходимости в передаваемом изображении иметь полный набор градаций яркости, когда можно обойтись только двумя крайними значениями яркости: В_макс и В_мин. К таким случаям можно отнести, например, передачу надписей (черные буквы на светлом фоне), технических чертежей и пр. Но передачи из студии, передачи художественных фильмов и т. п. обязательно требуют хорошего воспроизведения полутеней.

Передача и воспроизведение большого числа градаций связаны с повышением требований к ТВ аппаратуре. Поэтому существенно выяснить предельное число различимых градаций, превышение которого приводит только к усложнению аппаратуры без улучшения качества изображения. Как и во многих других случаях, прибором, определяющим разумную границу максимального числа градаций яркости, является человеческий глаз.

Для того чтобы определить максимальное число градаций, надо найти тот порог, при котором человек замечает разницу в двух соседних значениях яркости. Представим себе два смежных светящихся поля (рис. 2.18.а). Перед этими полями находится группа зрителей. В начале опыта В₁=В₂. Затем при постоянной, например, яркости В₁ будем медленно изменять яркость В₂. Зрители независимо друг от друга, не сговариваясь, должны сообщить момент, когда каждый из них заметил, что В₂ стала отличаться от В₁.

Таким образом, определяется минимальная величина, при которой зритель замечает разницу в этих двух яркостях (здесь DВ_n – индивидуальные показания зрителей, а n – число зрителей).

Подобные опыты проводились неоднократно, и они установили с очевидностью следующий для практики факт: минимальная величина приращения яркости DВ зависит от величины начальной яркости В₁. Чем больше В₁, тем больше оказывается DВ = çВ₂ – В₁ê. Поясним это обстоятельство примером. ТВ экран имеет яркость 40 кд /м 2 (на белом). Для того чтобы было хотя бы чуть-чуть заметно увеличение (или уменьшение) этой яркости, ее нужно будет изменить на 0,8кд/м 2 , т. е. яркость в 40,8 кд/м 2 или 39,2 кд/м 2 будет на глаз едва заметно отличаться от яркости в 40 кд/м 2 . Яркость лампы накаливания составляет 5×10 6 кд /м 2 . Изменение этой яркости на 0,8 кд/м 2 никак не будет заметно на глаз. Чтобы получить ощущение хотя бы небольшого изменения яркости, в этом случае DВ должно составлять 2,5×10 5 кд /м 2 .

Экспериментами установлен следующий закон (закон Фехнера):

∆В/В= δ ≈ const , (2.21)

где DВ – приращение яркости, едва заметное на глаз; В – начальная яркость; d - контрастная чувствительность глаза.

Контрастная чувствительность глаза мало меняется в широком диапазоне яркостей. На рис. 2.18,б представлен график зависимости контрастной чувствительности глаза от яркости наблюдаемого источника. Для яркостей, наблюдающихся на экране телевизора (примерно от 40 до 1 кд/м 2 ), - контрастная чувствительность меняется от 0,05 до 0,02, т. е. в среднем d_ср»0,03.

Чтобы подсчитать максимальное число различимых градаций яркости на экране кинескопа, представим себе изображение в виде полос с постепенно увеличивающейся яркостью (рис. 2.19), причем яркость каждой полосы отличается от соседней на минимальную величину DВ, определяемую контрастной чувствительностью глаза d.

Будем считать контрастность изображения b = В_макс /В_мин заданной. Яркость первой полосы В₁ = В_мин, второй полосы В₂ = В₁ + DВ₁ =В₁+dВ₁=В₁(1+d),

третьей полосы В₃ = В₂ + DВ₂ = В₂ + dВ₂ =В₂(1 + d) = В₁(1 + d) 2 ,

m-й полосы В_m = В_m(1 + d) m-1 .

Имея в виду, что В₁ = В_мин, а В_m = В_макс, то получим: β=В_макс/В_мин=(1+δ) m -1 ,

При d 2 . Слепящая яркость, которую еще можно с трудом терпеть (нить лампы накаливания), В_макс=10 7 кд/м 2 . Таким образом, полный динамический диапазон видимых яркостей составит В_макс/В_мин=10 7 /10 -1 =10 8 . Было бы немыслимо такой диапазон яркостей (сто миллионов раз) уложить в сознании человека в случае прямой пропорциональности между ощущением и соответствующей ему яркостью. Особенность зрения, подчиняющаяся логарифмическому закону Вебера – Фехнера, как бы сжимает этот гигантский диапазон в сознании человека. По формуле (2.24) ощущение меняется только в 18 раз: ln10 7 /10 -1 = 18,4.