Стереотелевизионные системы (стр. 1 из 14)
Введение.
Стереотелевидение – телевидение, позволяющее передавать и воспроизводить электрическими средствами трехмерность окружающего нас пространства и, в частности, в красках (стереоцветное телевидение).
Стереотелевидение базируется на стереоскопии – науке о зрительном восприятии трехмерности реального мира – и на колометрии - науке о цвете. При помощи стереоцветного телевидения реализуется новое качество телевидения – воспроизведение рельефности и цвета предметов, что ведет не только к повышению эмоционального воздействия на зрителя, но и к более эффективному использованию каналов связи.
Стереотелевидение может принести большую пользу науке и народному хозяйству там, где требуется наибольшая наглядность и выразительность воспроизводимых объектов и событий и особенно там, где оператор не может присутствовать на месте событий.
В настоящем дипломном проекте разрабатывается цветная стереотелевизионная телекамера, предназначенная для работы в комплексе с бинокулярным микроскопом и различными устройствами видеоконтроля и записи видеоизображений.
1. Особенности построения стереотелевизионных систем.
Первые шаги в области создания и просмотра стереоскопических изображений восходят к 20-м годам, к таким первопроходцам в этой области, как Лоджи Берд (Logie Baird), Хамонд (Hammond) и Зворкин (Zwyorkin).
Начало разработок стереотелевидения в СССР относится: черно-белого – к 1949 году (первое изображение получено в 1950-м году, а в 1952-м году выпущена первая промышленная установка) и цветного – к 1958-му году (первое изображение – 1959-й год). Стереоцветная установка ЛЭИС в 1962-м году демонстрировалась на ВДНХ в Москве и в 1964-м году – на советской выставке в Генуе, Италия.
1.1. Зрительный орган как система связи.
Конечным индикатором при телевизионной передаче является наш глаз, поэтому на каждом этапе развития телевизионной техники учитывалось то или иное свойство зрительного органа. И чем совершеннее становилась телевизионная система, тем глубже и полнее опирались при ее построении на возможности зрения. Наиболее полно это отразилось на стереоцветной системе, которая ближе всего подводит к условиям непосредственного наблюдения и опознания натуры.
Зрительная система, как известно, обладает пространственной и временной разрешающей способностью., а также контрастной чувствительностью. Другими словами, пространство и движение мы воспринимаем дискретно. Телевизионные вещательные системы строятся на основе использования только временной дискретности зрения и пока не обеспечивают передачу привычной для глаза пространственной дискретности.
Техника развития телевидения не имела целью слепое копирование зрительной системы. Но сопоставление на данном этапе процессов, происходящих в телевизионной и зрительной системах, может быть полезным.
Если условно расчленить зрительную систему на функциональные узлы , то можно сопоставить ее с системой стереоцветного телевидения (рис. 1.1).
Схематическое сопоставление систем бионической (зрительной) и кибернетической (телевизионной).
Рисунок 1.1.
Рассмотрим коротко основные функции, присущие отдельным ступеням кибернетической и бионической систем.
1. Преобразование оптического изображения в электрические сигналы. В телевидении, это совершается в передающей камере 1 путем того или иного вида развертки изображения и, по существу, является первичным кодированием изображения соответствующими электрическими сигналами.
В зрительном анализаторе совершается развертка изображения, как и в передающей телевизионной камере, только в более совершенной форме. При рассматривании крупных объектов оба глаза синхронно совершают скачкообразные движения, переводя наше внимание от одной точки к другой. Кроме того, благодаря мелким движениям глаз по горизонтали и вертикали, выявляется основная информация об объекте. Такая дискретная развертка обеспечивает большую четкость деталей, нежели непрерывная, применяемая в телевидении.
2. Кодирование – трансформация первичной информации в сигналы, удобные для передачи. В черно-белом телевидении этот процесс отсутствует. В цветном и стереоцветном телевидении кодирование совершается особо рассчитанными электрическими матрицами. Кодированию подвергается информация каждого элемента изображения, причем кодовый сигнал должен нести информацию не только о яркости данного элемента, но и о его цвете.
В зрительной системе световой поток от цветного объекта, падая на сетчатку, вызывает реакцию в соответствующих элементах колбочкового аппарата, что приводит к возникновению в ганглиозных клетках электрических импульсов определенной частоты. Таким образом, оптическое изображение, образуемое на сетчатке, кодируется частотой электрических импульсов, посылаемых разными порциями в высшие отделы анализатора 4 и 5.
3. Передача электрических сигналов. Зрительную систему можно рассматривать как идеальную систему связи, то есть передающую сообщения без ошибок со скоростью, определяемой пропускной способностью канала. Последнее, по Шеннону, определяется как
C = DF log2 Pc+Pп / Pп = DF log2 ( 1 + Pc / Pп ), дв.ед. / сек., (1)
где DF – полоса частот пропускания; Рс и Рп – соответственно, средние мощности полезного сигнала и помехи в виде «белого шума».
Воспользуемся уравнением (1) для определения пропускной способности стандартного телевизионного канала при полосе частот D F=6 МГц и отношении сигнала к помехе y=25, требуемом для хорошего качества воспроизводимого изображения. Под величиной y здесь понимается отношение полного размаха видеосигнала (от уровня черного до уровня белого) к среднеквадратичному значению помех. В итоге:
Сmax= 56 ´ 106 дв. ед. / сек.
В цветном телевидении с уплотнением спектра частот яркостного сигнала и при квадратурной модуляции цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами для систем NTSC и PAL:
С = 19 ´ 106 дв. ед. / сек.
Для цветной системы SECAM (модуляция цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами через строку):
С = 16 ´ 106 дв. ед. / сек.
Для стереоцветной системы с квадратурной модуляцией, когда один кадр цветной стереопары передается в черно-белом виде с полосой 6 МГц, а другой в красках с полосой 1,5 МГц:
С = 19 ´ 106 дв. ед. / сек.
Пропускная способность зрительного анализатора на уровне сетчатки тоже составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду. Но по мере перехода к высшим отделам зрительного органа производится отбор полезной информации из всего потока сообщений, что приводит к весьма экономной форме их кодирования.
Обращает на себя внимание тот факт, что пропускная способность зрительной системы ниже телевизионной, а канал передачи импульсов в миллионы раз сложнее. Видимо, последний используется более широко для обратных связей, то есть подачи разных команд от коры головного мозга.
4. Декодирование – преобразование кодовых сигналов в сигналы первичной информации. В телевидении для этого служат электрические матрицы, на выходе которых получаем первичные сигналы основных цветов R, G и B для левого и правого изображений. Как будет видно ниже, допустимо ограничиться сигналами R, G и B только для одного изображения стереопары, а для другого иметь только яркостный сигнал Y.
В бионической системе кодовые сигналы преобразуются в энергию биологических процессов, создающих визуальное ощущение. Совершается это в одном из высших разделов зрительного органа.
5. Синтез изображения – превращение первичной информации в модель передаваемого объекта. Этот завершающий этап воспроизведения изображений в телевидении осуществляется приемным устройством. В бионической системе зрительные образы возникают в коре головного мозга и автоматически, в большей или меньшей степени, сохраняются в памяти. В телевидении же для сохранения изображения в необходимых случаях применяется дополнительный процесс – запись изображения.
1.2. Стереоэффект и некоторые свойства бинокулярного зрения.
Глубинное зрение, то есть способность воспринимать объемность предметов и их пространственное расположение, не является врожденным свойством человека. Оно достигается ранним жизненным опытом путем сочетания реакции осязания, зрительного восприятия и подсознательного глазомышечного двигательного акта.
Объемность предметов и их пространственное расположение непосредственно могут восприниматься как при монокулярном зрении (одним глазом), так и при бинокулярном (двумя глазами). В первом случае главную роль играют физиологические факторы (зрительная память, ощущение различия в напряжении мышц при аккомодации и т.п.). Опираться на эти факторы при построении телевизионной системы, где глаз заменяется передающей трубкой, нельзя – необходимо прибегнуть к использованию свойств бинокулярного зрения, где основную роль играет глазной базис – расстояние между зрительными осями при рассмотрении удаленных предметов (рис. 1.2). Для разных людей он немного отличается, но в среднем составляет 65 мм. Угол a при пересечении зрительных осей называется углом конвергенции (сведения в одну точку). Каждому положению объекта соответствует определенный угол конвергенции, что сопровождается некоторой мускульной работой поворота глаз вокруг центров вращения. Сравнение в сознании мускульных напряжений, связанных с изменением угла конвергенции, дает представление о том, ближе или дальше расположен предмет.
Бинокулярное наблюдение одиночных предметов.
Рисунок 1.2.
При смещении рассматриваемого объекта происходит не только конвергенция глаза, но и аккомодация, то есть изменение кривизны глазного хрусталика. Последнее обеспечивает резкость изображения предметов на сетчатке при различных расстояниях их от глаза.