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

VIDEOTECHNIKA Přednášky

Autor

Prof. Ing. Václav Říčný, CSc.

Vydavatel

Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav radioelektroniky Purkyňova 118, 612 00 Brno

Vydání

4.upravené

Rok vydání 2006 Náklad

80 ks

Tisk

MJ Servis s.r.o., Božetěchova 133, 612 00 Brno

ISBN

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

OBSAH 1

ZÁKLADY TELEVIZNÍ KOLORIMETRIE……………………………………………….4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

2

OBRAZOVÝ TOK, OBRAZOVÁ FUNKCE………………………………..…….………...11 2.1 2.2

3

Vakuové obrazovky pro černobílou televizi s magnetickým vychylováním………………………39 Vakuové obrazovky pro barevnou televizi……………………………..…………………………..40 Ploché zobrazovače..……………………………………………………………………………….44 Projekční soustavy barevné televize………………………………………………………………..47

ZÁZNAM OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ …………………………………………...…………....51 7.1 7.2 7.3 7.4

8

Neakumulační snímače.……………………………………………………..………………………28 Princip akumulačního vytváření obrazového signálu ……………………………………………..29 Stabilizace potenciálu akumulační elektrody snímacím elektronovým svazkem…………………..29 Vakuové snímací elektronky..………………………………………………….…………………..30 Monolitické světlocitlivé snímače..…………………………………………….…………………..30 Snímací kamery pro barevnou televizi…..……………………………………..…………………..36

TELEVIZNÍ OBRAZOVKY A ZOBRAZOVAČE...………………………….…………….39 6.1 6.2 6.3 6.4

7

Zkreslení v elektronických obvodech..…………………………………………………………….21 Aperturové zkreslení..………………………………………………………….…………………..22 Gradační zkreslení..………………………………………………………………………………..24 Geometrické zkreslení.. ………………………………………………………..………………….25 Setrvačnost a zbytkové signály..……………………………………………….... ………………25 Šumy a fluktuační signály…..…………………………………………………. ………………….25

SNÍMÁNÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ………………………………………………………..28 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

6

Model přenosu obrazové informace……………………………………….. …………………….17 Rozklad obrazu……………………………………………………………. ……………………..17 Mezní rozlišovací schopnost televizní soustavy.…………………………….. …………………..18 Úplný obrazový signál a jeho skladba……………………………………….. …………………..19

ZKRESLENÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ A JEJICH KOREKCE…………………..21 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

5

Časoprostorová interpretace obrazových veličin, transformace do kmitočtové oblasti……………………………………………………………......11 Obrazový signál……………………………………………………………….…………………...14

ZÁKLADNÍ PRINCIPY ANALOGOVÉHO TV PŘENOSU…………………….. …..17 3.1 3.2 3.3 3.4

4

Charakteristiky barevného světla – základní pojmy….…………………………………………..…4 Mísení barevných světel……………………………………………………… ……………………5 Kolorimetrické měřicí metody……………………………………………….. ……………………5 Trichromatická soustava RGB……………………………………………….. ……………………7 Trichromatická soustava XYZ ……………………………………………….. …………………7 Přenosové signály v barevné televizi.………………………………………… …………………..10

Systémy magnetického záznamu analogových obrazových signálů………..………….…………....52 Digitální magnetický záznam..………………………………………………………………………57 Systémy digitálních magnetických záznamů na disk..………………………………………………60 Optický záznam do pevného média…………………………………………….…………………....61

KOMPOZITNÍ ANALOGOVÉ SOUSTAVY BAREVNÉ TELEVIZE….……………..64 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7

Základní kategorizace a vlastnosti televizních soustav barevné televize…………………..………..64 Soustava barevné televize NTSC.……………………………………………..…………………….65 Soustava barevné televize PAL..…………………………………………………………………….73 Soustava barevné televize SECAM..…………………………………………..…………………….77 Soustava barevné televize PALplus..………………………………………….……………………..84 Televizní soustavy MAC..…………………………………………………………………………....89 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 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

Standard JPEG….……………………………………………………………..…………………. .104 Standard MPEG 1..………………………………………………………………………………...108 Standard MPEG 2..…….…………………………………………………………………………..111 Standard MPEG 4 Video……….…………………………………………………………………..113 Standard MPEG-4 AVC……………………………………………………………………………115 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) barevný tón barevná sytost jasnost

odpovídající fyzikální parametry [jednotka] dominantní vlnová délka [m] složení spektrálních složek [ %] 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/m2 ) a skotopické (křivka 2 pro malá osvětlení) vidění průměrného pozorovatele. Z obrázku je patrný i způsob stanovení spektra viditelného záření Svz (λ) ze spektra obecného záření Sz (λ). Tato operace je vyjádřena vztahem Svz (λ) = PSÚ (λ). Sz (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 = RM (R ) + BM (B) + GM (G).

5

(1-2)

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)

1.3.2

Obr.1-4: Kolorimetrické vyrovnání spektrálních barevných světel v závislosti na jejich výkonu

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 RM pro vyrovnání světla M se známou spektrální zářivostí SM (λ)

chromatických složek R,G, B

Příklad využití spektrálních členitelů při stanovení velikosti složkového světla RM pro vyrovnání barevného světla M se známou spektrální zářivostí SM(λ) je na obr.1-6. Obdobně se postupuje i pro zbývající světla BM a GM. Analytické vyjádření těchto operací je dáno vztahy (1-3) ∞

RM = ∫ S M (λ )⋅r (λ ) dλ, 0

∞

∞

0

0

BM = ∫ S M (λ ) ⋅b (λ ) dλ, G M = ∫ S M (λ ) ⋅g (λ ) d λ .

(1-3a,b,c)

Prakticky se používá přibližných sumačních vztahů, protože funkce SM(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: λR = 700 nm, λG = 546 nm, λB = 435,8 nm, provedena kolorimetrická vyrovnání spektrálních barev a stanovení kolorimetrických jednotek a průběhů trichromatických členitelů r , b , g = 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 Lλ 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.

Lλ = LR ⋅ r (λ ) + LG ⋅ g (λ ) + LB ⋅ b(λ ) .

(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=

R , R+G+B

g =

G , R+G+B

b=

B R+G+B

a

r + g + b = 1.

(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 LX : LY : LZ = 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: rX = 1,2750, rY = -1,7394, rZ = -0,7429,

gX = 0,2778 , bX = 0,0028 , gY = 2,7674 , bY = -0,0280 , gZ = 0,1409 , bZ = 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 , Y = 1,000 R + 4,590 G + 0,006 B , Z = 0,056 G + 5,590 B .

(1-6a) (1-6b) (1-6c)

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.

Obr.1-8: Znázornění barevných světel v ortogonální trichromatické soustavě 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 +Y + Z Y , y= X +Y + Z Z , z= X +Y + Z

x=

(1-7a) (1-7b) (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 xM, yM a z průsečíků spojnice polohy barevného světla M a smluvního bílého světla E také dominantní vlnovou délku λM a vlnovou délku doplňkové barvy λdM. Lze rovněž stanovit tzv. souřadnicovou pM a kolorimetrickou pMk čistotu, případně sytost sM vyšetřované barvy ze vztahů (význam symbolů je patrný z obr. 1-10). Obr.1-9: Diagram barev MKO

pM =

yM − yE x − xE = M , y Ms − y E x Ms − x E

pM = pM

8

y Ms x EM = p M Ms a s M = yM xM EM

(1-8a,b,c) s

1.5.3 Smluvní (referenční) bílá světla Mezinárodní komisí pro osvětlování (MKO) byla definována referenční smluvní bílá světla (A), (B), (C ), (D65), (E). Jsou charakterizována ekvivalentní teplotou Te (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 ( Te = 2854 K, xA= = 0,4476, yA = 0,4075), smluvní bílé světlo (B) - odpovídá slunečnímu světlu (Te = 4800 K, xB = 0,3485, yB = 0,3518), smluvní bílé světlo (C) - odpovídá rozptýlenému dennímu světlu ( Te = 6770 K, xC = 0,3101, yC = 0,3163). Je používáno jako referenční bílé světlo v televizní technice a videotechnice. Nově se začalo používat podobné referenční světlo D65 ( Te = 6500 K, xD = 0,3130, yD = 0,3290), smluvní bílé světlo (E) - umělé světlo odpovídající isoenergetickému záření ( Te = 5700 K, xE = yE = = 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) xR = 0,67, yR = 0,33, zR = 0,00 , (G) xG = 0.21, yG = 0,71, zG = 0,08 , (B) xB = 0,14, yB = 0,08, zB = 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 xC = yC = 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 Xi = xiYi/yi , Yi = yi.Yi/yi

a Zi = ziYi/yi .

9

Následně se tyto složky sečtou X12 = X1 + X2, Y12 = Y1 + Y2, Z12 = Z1 + Z2 a vypočtou trichromatické souřadnice výsledného barevného světla x12, y12, z12.. Výsledný jas je roven součtu jasu složkových barevných světel. Na obr. 1-11 je znázorněna grafická metoda stanovení trichromatických souřadnic výsledného barevného světla M123 vzniklého aditivním mísením složkových barevných světel M1,M2, M3 v diagramu MKO pomocí tzv. pákového pravidla. Je patrné, že se nejprve stanoví poloha dílčího aditivního světla M12, která leží v těžišti dvou rovnoběžných úseček M1M1 a M2M2 opačného smyslu, na spojnici bodů M1 a M2. Délka těchto úseček je nepřímo úměrná podílům Y1/y1 a Y2/y2. V dalším kroku se obdobně stanoví poloha výsledného světla M123 dílčích barevných světel M12 a Obr.1-11: M3. Z konstrukce vyplývá, že aditivním mísením tří Grafická metoda zjišťování trichromatických barevných světel lze získat výsledné barevné světlo, souřadnic součtového světla 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

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) UY. Musí být přenášen s plnou šířkou kmitočtového pásma (viz odst. 2.2.2.) a souvisí se složkovými barevnými signály UR,UG a UB pro smluvní bílé světlo C podle vztahu (jasové součinitele trichromatických složek odpovídají spektrální citlivosti průměrného zraku) UY = 0,299 UR + 0,587 UG + 0,114 UB .

(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 UR - UY a UB - UY , odpovídající. kolorimetrickým rozdílům barevného světla. Pro nepestré barvy platí UR = UB = UG . Z rovnice (1-11) vyplývá, že v tom případě jsou rozdílové signály UR- − UY = UB − UY = UG − UY = 0. Třetí rozdílový signál UG − UY není třeba přenášet, protože jej lze na přijímací straně vytvořit jako lineární kombinaci ze signálů UR − UY a UB − UY pomocí rovnice (1-11). Platí UG − UY = − [ 0,51 (UR − UY) + 0,19 (UB − UY)]. (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 UI a UQ, které jsou zvoleny ve směrech nejmenšího rozlišení kolorimetrických rozdílů a mohou být tudíž přenášeny s šířkou pásma pouze 1,3 MHz pro signál UI a 0,5 MHz pro signál UQ (směry os I, Q i UR - UY a UB - UY jsou vyznačeny v obr.1-9). Nejnižší barevná rozlišovací schopnost je ve směru osy Q (purpurová - zelená). Převod rozdílových signálů UR − UY, UR − UY a UI, UG je vyjádřen vztahy (1-13a,b) a jejich grafická interpretace v pravoúhlých souřadnicích je patrná z obr.1-12.

10

UI = (UR - UY) cos 33° − (UB - UY) sin 33°, UQ = (UR - UY) sin 33° + (UB - UY)cos 33°.

(1-13b)

Způsoby přenosu rozdílových signálů ve společném kanále s jasovým signálem UY (použité modulační metody) budou vysvětleny v kapitole 8. Obr.1-12:

Grafické znázornění rozdílových signálů UR - UY, UB - UY a UI, UQ v pravoúhlém souřadnicovém systému

Kontrolní otázky ke kapitole 1 O1.1 O1.2 O1.3 O1.4 O1.5 O1.6

Jaké jsou základní parametry barevných světel ? Co je to trichromatická soustava XYZ a čím se liší od soustavy RGB ? Co jsou to trichromatické plenitele a k čemu slouží ? Jaká znáte smluvní bílá světla ? Co je to a k čemu lze využít obrazec MKO ? 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 fymax< 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

S (ω x , ω y

a

∞ ∞ ∞

S (ω , ω , ω ) e (2π ) ∫ ∫ ∫ (ω ω , ω )= ∫ ∫ ∫ O ( x, y, t ) e

O ( x, y , t ) =

1

x

3

− ∞− ∞− ∞ ∞ ∞ ∞

(

j ω x x +ω y y +ωt

)

y

-j

x x+

y y +ωt

)

dω x dω y dω

(2-2)

,

(2-3)

dxdydt

− ∞− ∞− ∞

kde S (ωx, ωy, ω) značí trojrozměrné spektrum prostorových kmitočtů, pro které platí

ωx = 2π. p = 2π /λx

a podobně

ωy = 2π . r = 2π /λy .

(2-4a,b)

Význam symbolů λx,λy, p, r pro statický obraz (t = konst.] s dvojrozměrným kmitočtovým spektrem S (ωx, ωy) je patrný z obr.2-2. Pro rychlosti rozkladů vx a vy při neprokládaném řádkování a zanedbání zpětných běhů rozkladů platí

a

vx = H / tř = H . fř

(2-5a)

vy = V / ts = V . fs ,

(2-5b)

kde fř (fs) značí kmitočty řádkového (snímkového) rozkladu a platí mezi nimi vztah fř = n. fs ,

(2-6)

kde n značí počet řádků ve snímku.

Obr.2-2: Obraz pruhové jasové distribuce s různými prostorovými kmitočty fx a fy (p = 1, r = 2)

2.1.3 Souvislost časoprostorového a spektrálního vyjádření obrazové funkce Zjednodušené znázornění vícerozměrného spektra S (fx, fy, ft ) obrazové funkce je na obr. 2-3 a interpretace v rovině fy, ft 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 fx pro fs = 25 snímků/s a n = 625 prokládaných řádků (převzato z literatury [14] )

V těchto obrázcích značí fx, fy....prostorové kmitočty ve směrech x, y [cyklů / šířku H (výšku V) obrazu], angl.: [cpw, cph], ft....…. „časový“ kmitočet změn ve scéně [Hz], fv...….. vertikální vzorkovací kmitočet - fv = n (při neprokládaném řádkování), fs......…kmitočet snímků (vzorkovací kmitočet ve směru temporálním) [ snímků/s], Ts.....….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 fs = 50 Hz v rovině fy, ft 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 fy, ft pro n = 625, fs = 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 fy, ft pro n = 625, fs = 25 Hz, prokládání 2:1) (převzato z literatury [14])

Obr.2-7: Vzorkovací struktura v prostorové oblasti a spektrum v rovině fx, fy 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 Uo(t) odpovídající statické scéně vyjádřit vztahem

U 0 (t ) = K ot ( x, y ) = K kde značí Kot Ap,r , ϕp,r

∞

∞

∑ ∑A

p = −∞ r = −∞

p, r

[

]

cos 2π ( p ⋅ f ř ± r ⋅ f s )t + ϕ p,r ,

(2-7)

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 2fs . 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 vx odstup mezi diskrétními zónami se zvětšuje z hodnoty fř na fř ± Δfř , kde Δfř = fř . vx /vř (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 fod = 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 foh tedy určuje horizontální rozlišovací schopnost ρx (viz odst. 3.3.2) a platí pro něj vztah

f oh

H n 2 ⋅ s (1 + t zř / t ař ) , = ⋅ 2V 1 + t zs / t as

kde značí H,V ....... horizontální a vertikální rozměr obrazu, n..........… počet řádků v úplném snímku, s..........….počet snímků snímaných za 1 s, tař, (tzř)... aktivní (zpětná) doba řádkového rozkladu. Platí: (tř = tař + tzř = 1/fř) tas, (tzs)... aktivní (zpětná) doba snímkového rozkladu. Platí: (ts = tas + tzs = 1/s) 15

(2-8)

Příklad: Pro TV normy CCIR D/K, B/G (viz přílohy) platí: n = 625 řádků, s = 25 snímků/s., H/V = 4/3, tař = 52 μs, tzř = 12 μs, tas = 36,8 ms, tzs = 3,2 ms. Po dosazení do vztahu 2-8 je foh = 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 fy, ft,, b) dílčí a výsledné charakteristiky pro Δ1 = Ts/ 2 - Tř/ 2 = 312 Tř/ 2 a Δ2 = Ts/ 2 + Tř/ 2 = 313Tř. Řádková perioda pro normy CCIR D/K a B/G je Tř = 64μs (převzato z litetury [14])


Co značí pojmy obrazový tok, obrazová funkce a obrazový signál ? Jaké charakteristické vlastnosti má obrazový signál ? Jak vypadá kmitočtové spektrum obrazového signálu odpovídající statickému snímku ? Jak lze prakticky využít periodického charakteru kmitočtového spektra obrazového signálů? Jak se liší spektra obrazových signálů pro spojitý a nespojitý rozklad obrazu v horizontálním směru? 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 Uo, 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 is (t) a řádkového iř (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 Ts /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 ρv je definována počtem viditelných řádků v obraze (spadajících do aktivního běhu rozkladu. Platí pro ni

ρv = n

t as K < n , t as + t zs

(3-1)

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 .

3.3.2

Mezní horizontální rozlišovací schopnost ρ h

je určena dobou snímání t1 jednoho obrazového elementu (pixelu) elementárně členěného obrazu (obr.3-4), aktivní dobou rozkladu tař a je prakticky závislá na horním mezním kmitočtu fh přenosového kanálu. Teoretická horizontální rozlišovací schopnost ρ h∞ (pro fh → ∞) je rovna vertikální (3-1), zvětšené v poměru stran obrazu H/V. Při uvažování pouze 1. harmonické složky obrazového signálu lze pro ni odvodit

ρ h∞ = n

t 2 fh H/V ≥ ρ h = ař = 1 + t zs / t as t1 n.s (1 + t z(r / t a(r )

.

(3-2)

Ze srovnání teoretické a praktické horizontální rozlišovací schopnosti ρ h∞ = ρ h lze vyjádřit požadovaný horní mezní kmitočet fhž přenosového kanálu TV soustavy definované parametry ze vztahu (3-2) 18

fhž =

H n 2 .s (1 + t z(r / t a(r ) . ⋅ 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

2 h

+ ρ v2)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 Nomax reprodukovatelných bodů (detailů) v obraze potom logicky platí Nomax = ρ h . ρ v .

(3-5)

Obr.3-4: a ) Elementárně členěný obraz, b) časový průběh obrazového signálu v řádku

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 tŘSI ≈ 4,8 μs, tSSI ≈ 2,5 tř = 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 2fř 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 fř´ řádkového generátoru na snímací straně je absolutně stabilní. Pokud kmitočet řádkového generátoru na reprodukční straně bude např. fř < fř´ , 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 Δfř/ fř

Δ fř / fř =

ΔH 1 ⋅ H Δt . f ř,

.

(3-6)

Obr.3-7: Reprodukce svislého pruhu při fř < fř,

Po dosazení např.: ΔH/H = 0,05, Δt = 300 s a fř´ = 15625 Hz vychází potřebná kmitočtová stabilita řádkového generátoru monitoru Δfř /fř´ = 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 O3.2 O3.3 O3.4

Jaké typy rozkladu (řádkování) obrazu znáte a čím se liší jejich vlastnosti ? Co ovlivňuje vertikální a horizontální rozlišovací schopnost televizní soustavy ? Co značí pojem úplný obrazový (barevný) signál a k čemu slouží jeho pomocné složky? 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

kde argument

ϕ(ω) = arctg

jϕ (ω)

Im [A(ω )] , Re [A(ω )]

případně skupinové zpoždění τ sk = −

Obr.4-1: Obecné přenosové charakteristiky: a) amplitudově-kmitočtové A(ω) - modul, b) fázově-kmitočtové ϕ(ω) – argument, c) skupinové zpoždění τsk(ω)

,

dϕ (ω ) dω

(4-1) (4-2) (4-3)

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 fh a doba náběžné hrany tn přechodové charakteristiky (obr.4-2) pro dolní propust 1.řádu spolu souvisí vztahem fh = 0,35. tn-1 ,

(4-4)

kde pro výslednou dobu náběžné hrany tnc kaskády přenosových článků typu dolní propust platí tnc = (tn12 + tn22 + tn32 + .......+ tnn2)1/2

21

.

(4-5)

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)

(dU 2 / dU 1 ) min (dU 2 / dU 1 ) max

zkreslení diferenciálním zesílením

σA = 1 -

zkreslení diferenciální fází

σϕ = Δϕ = ϕmax - ϕmin .

,

(4-6) (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 uo(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.4-4: Přechodové charakteristiky neakumulačních soustav pro: a) čtvercovou , b) kruhovou stopu průměru δ, c) kruhovou stopu o průměru δ s lineárně rostoucí průzračností směrem ke středu, d) symetrickou stopu s průzračností rostoucí ke středu dle Gaussova zákona

22

Obr.4-3:

Horizontální aperturové zkreslení v neakumulační soustavě se čtvercovou snímací stopou s konstantní průzračností

Obr.4-5:

Modul a argument ekvivalentní přenosové charakteristiky aperturového zkreslení pro snímací stopu d)

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 < λmin/ 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 Ts ± Tř / 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 ≈ Tř / 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 U1 roste amplituda signálu U4 na výstupu derivačního aperturového korektoru (pro ideální derivační články) s druhou mocninou kmitočtu U4 = U1(1 + ω2), aniž 23

by docházelo k fázovému posuvu. Okamžitá hodnota výstupního signálu u3 kosinového aperturového korektoru je dána, jak je patrné z obr. 4-7, vztahem u3 =

u1b − k(u1a + u1c )

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 ≈ Tř / 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 . xγ 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 Uo = Kz . Us ) vztahy γ

Us = Ks . Ls s ,

a

γ

Lo = Ko . U 0 0 ,

(4-9a,b)

v nichž značí: Ls, Lo .....jas snímané scény , obrazovky, Us , Us´, Uo.....velikosti obrazového signálu, K, Ks,Kk,Kz, Ko,....aproximační konstanty, γ, γs, γk , γz, γo........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 Lo obrazovky platí Lo = K . Lγs , (4-10)

γ

γ .γ z

kde K = Ko . K z 0 . K k 0

γ .γ z .γ k

. K k0

(4-11)

Obecně je výsledná konstanta γ ≠ 1 a jasový přenos je tedy nelineární.

24

a

γ = γs. γk .γz .γo . (4-12)

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 γk musí ze vztahu (4-12) platit: γk = (γs.γz γo)-1. Korekce se provádí na snímací straně pro každý snímač zvlášť. Gradačně korigované obrazové (složkové) signály se obvykle označují UY′, UR′, UB′, UG′ a platí pro něž obecně platí U′ = U1/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

a

kGH = 2

ΔH max − ΔH min ΔH max + ΔH min

(4-13a)

kGV = 2

ΔVmax − ΔVmin . ΔVmax + ΔVmin

(4-13b)

Obr.4-10: Vyhodnocení geometrického zkreslení obrazu pomocí měřicího obrazce mříže

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 okrajiDominantním 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

ΦU = Us/ Uš případně v dB

(4-14a)

nebo

SNR (Signal to Noise Ratio) = S/N = ΦP = Ps/ Pš ,

ΦU [dB] = 20 log ΦU

(4-15a)

a

ΦP [dB] = 10 log ΦP .

Ve vztazích (4-14a) a (4-14b) značí obvykle Us, Uš .......mezivrcholovou hodnotu napětí obrazového signálu, efektivní hodnotu napětí šumu, Ps, Pš........výkon signálu, šumu 25

(4-14b) (4-15b)

Poznámka: Ve vf. kmitočtovém pásmu bývá pro modulovaný signál definován odstup signálu od šumu CNR (Carrier to Noise Ratio) = C/ N = Pc / Pš ,

(4-16)

ve kterém Pc značí výkon signálu nosné vlny.

b) Šumové číslo je definováno pro dvojbran s výkonovým přenosem AP, na jehož přizpůsobeném vstupu je uvažován výkon tepelného šumu Pš1 = kB To Bš (4-17) . Potom pro šumové číslo F platí

F=

(Φ P 1 ) Ps1 / Pš1 = (Φ P 2 ) Ps 2 / P(s 2

=

Pšp Ps 1 / Pš 1 T =1+ =1+ e ≥ 1 Ps 1 ⋅ Ap / Pš 1 + Pšp Pš 1 To

případně pro tzv. míru šumu (v dB)

(

)

FdB = 10 log F.

(4-18a) (4-18b)

Ve vztazích (4-17) až (4-21) a v obr.4-11 značí Ap........................ výkonový přenos (zesílení), Ps1, Ps2, Pš1, Pš2 ... výkony signálu a šumu na vstupu a výstupu uvažovaného dvojbranu [W], kB ........................ Boltzmannovu konstantu [Ws.K-1] - kB = 1,38.10- 23 Ws.K-1, To, Te ................... absolutní teplotu okolí, ekvivalentní teplotu uvažovaného dvojbranu [K], Bš.......................... šumovou šířku kmitočtového pásma uvažovaného dvojbranu [Hz], pro niž platí ∞

B3 = 1 / Apmax ∫ Ap ( f ) . d f .

(4-19)

0

Grafické vyjádření Bš je patrné z obrázku 4-11. Pro šumová čísla pasivních rezistivních dvojbranů (AP < 1) výkonově přizpůsobených na vstupu i výstupu platí F ≅ (AP)-1 .

(4-20)

Pro šumové číslo Fn kaskády n dvojbranů platí -1

Obr.4- 11: Grafická interpretace šumového čísla aktivní pásmové propusti

-1

F1 = F1 + (F2 - 1) . AP1 + (F3 - 1) . (AP1.AP2) +........ + (Fn - 1) .(AP1.AP2.AP3.....APn)-1.

(4-21)

Šumové číslo Fo 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

(

Fstr( = Apmax .B(s

∞

) ∫ F ( f ) . A ( f ) . df −1

p

,

(4-22)

0

kde kmitočtovou závislost F(f) např. bipolárních tranzistorů v oblasti vysokých kmitočtů lze vyjádřit přibližným vztahem (4-23) F(f) = Fo [1+ (f / fšh)2] , ve kterém fšh značí kmitočet, na němž se šumové číslo Fo 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

4.6.2 Citlivost zesilovače (přijímače) omezená šumem Je to nejmenší svorkové napětí Us1 na vstupu zesilovače (přijímače) impedančně přizpůsobeného ke zdroji signálu, které při daném vstupním odporu Rv , šumovém čísle F, šumové šířce kmitočtového pásma Bš zesilovače (přijímače) a teplotě okolí To umožní dosáhnout výstupní poměr signálu k šumu ΦU2 = Us2/Uš2. Platí pro ně Us1 = ΦU2 . F .k B .To .R v .B(s

(4-24a)

a při uvažování vnějších zdrojů šumu (např. atmosfér- rického nebo kosmického šumu, vyjádřených tzv. relativní teplotou tVP volného prostoru) Us1 = ΦU2

(t VP + F − 1).k B .To .Rv .B(s

Obr.4-12: Typická kmitočtová závislost F(f) pro bipolární tranzistory

(4-24b)

Poznámka: Pro TV přijímače se definuje tzv. mezní citlivost omezená šumem, což je nejmenší vstupní napětí pro vytvoření tzv. standardního obrazu definovaného optickými veličinami nebo napětím na katodě obrazovky při zachování požadovaného odstupu signálu od šumu v obraze.

4.6.3 Šumové poměry na vstupu kamerového zesilovače pro vakuové snímací elektronky Tyto snímače se chovají (na rozdíl od polovodičových snímačů CCD) jako zdroje proudu řízeného osvětlením Is(E) ( kapitola 5) a mohou být zatíženy, pro snížení paměťového efektu, zatěžovacím odporem pouze do jisté hodnoty Rzmax = Rvmax. Za předpokladu, že i na nejvyšších kmitočtech fmax obrazového signálu bude platit Rv << 1/(2π.fmax Cvst) , lze odstup signálu od šumu ΦU1 na vstupu zesilovače vyjádřit vztahem (viz obr.4-13)

Obr.4-13: Náhradní schéma vstupu kamerového zesilovače pro snímací elektronky

R v .I s (E )max U s1 = . (4-25) U (s1 4k B .To .B(s .R v Z tohoto vztahu vyplývá, že pro konkrétní snímací elektronku je možno zvětšovat ΦU1 prakticky ΦU1 =

zvětšením odporu Rv až do hodnoty Rvmax. To má za následek pokles vstupní impedance na vyšších kmitočtech vlivem reaktance vstupní kapacity Cv a tím i pokles napětí Us1 s rostoucím kmitočtem f . Aby výstupní napětí Us2 kamerového zesilovače bylo nezávislé na kmitočtu, musí se jeho zesílení naopak směrem k vyšším kmitočtům zvětšovat se stejnou časovou konstantou τk = τv dle závislosti

Ak (ω ) = Ao 1 + ω 2 .τ 2k kde

,

(4-26)

τk = Ck.R1.R2/(R1+ R2) = τv = Rv .Cv.

4.6.4 Videometrický filtr Subjektivní vjem šumu v obraze ovlivňuje jeho spektrální složení (nízkofrekvenční šum působí podstatně rušivěji a naopak vysokofrekvenční složky spektra šumu jsou v obraze méně patrné). Tato skutečnost se při měření šumu v základním kmitočtovém pásmu obrazových signálů respektuje zařazením videometrického filtru, jehož zapojení a průběh relativního modulu přenosu ar je na obr.4-14. Je to dolní propust 2. řádu, která má pro soustavy s 625 řádky časovou konstantu L/R = 0,33 μs.

27

Videometrický filtr zmenšuje naměřenou hodnotu odstupu signálu od šumu pro „bílý“ šum 2,9krát (o 9,3 dB) a pro „trojúhelníkový“ šum 7,7krát (o 17,8 dB) proti širokopásmovému měření.

Obr.4-15: Zapojení a modul přenosu videometrického filtru pro TV soustavy s 625 řádky


Čím je způsobeno a co ovlivňuje aperturové zkreslení ? Jak lze korigovat aperturové zkreslení (požadované vlastnosti aperturových korektorů ? Co je příčinou a kde vzniká gradační zkreslení ? Jak je definováno šumové číslo F pasivních rezistivních dvojbranů ? Jak je definována šumová šířka pásma ? Jak se stanoví výsledné šumové číslo kaskády dvojbranů ?

5 SNÍMÁNÍ OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ Optoelektrická transformace obrazu (snímaní obrazových signálů) se uskutečňuje nejčastěji pomocí snímacích elektronek nebo moderních monolitických světlocitlivých snímačů, pracujících na principu akumulace náboje, odpovídajícího jasové distribuci obrazu, promítaného na akumulační elektrodu snímače přes odpovídající optickou soustavu (objektiv).

5.1 Neakumulační snímače Obrazový signál vytváří neakumulačně fotočidlo, na něž dopadá rastrovaný světelný svazek projekční obrazovky (obr.5-1). Světelný tok Φi a odpovídající obrazový signál Uo je nepřímo úměrný hustotě Di odpovídajícího bodu snímané transparentní předlohy (diapositivu) a intensitě osvětlení E (Uoi ≈ E.Di). Princip neakumulační snímací soustavy s putující stopou (Flying Spot) pro monochromatické transparentní obrazové předlohy je na obr. 5-1. Po doplnění dichroickou barevně dělícící soustavou a dalšími dvěma fotočidly lze takto vytvářet i složkové obrazové signály barevných předloh. Tyto snímací systémy se stále uplatňují ve studiové technice pro snímání diapositivů. Poskytují velmi kvalitní složkové barevné signály, protože odpadá problém zajištění krytí (konvergence) složkových barevných obrazů za barevně dělicí soustavou.

Obr.5-1: Princip snímací soustavy s putující stopou pro snímání monochromatických diapositivů

28

5.2 Princip akumulačního vytváření obrazového signálu Na akumulačním principu pracují prakticky všechny dosud užívané snímací elektronky (superortikon, vidikon, plumbikon aj.) i moderní monolitické snímače. Struktura signální elektrody snímacích elektronek, na niž je přes optickou soustavu a fotokatodu promítán proud fotoelektronů odpovídající snímanému obrazu, obsahuje řádově stovky tisíc elementárních kapacitorů, v nichž se hromadí náboj po dobu trvání ts expozice jednoho snímku (v normě CCIR D je Ts = 40 ms). Ten je snímán rastrovaným stabilizačním elektronovým svazkem v okamžiku, kdy tento dopadne na uvažovaný akumulační obrazový element. Průtokem proudu tohoto svazku přes zatěžovací odpor R se vytváří odpovídající obrazový signál, pro jehož velikost platí Uoi ≈ Ei. Ts . Teoretická citlivost akumulačních snímačů (za předpokladu lineární integrace náboje) je tedy ve srovnání s neakumulačními snímači vyšší tolikrát, kolik elementárních kapacitorů obsahuje celá signální elektroda. Náhradní schéma části signální elektrody a časové průběhy proudů elementárních kapacitorů Cel jsou na obr.5-2. Signální elektroda musí mít ve směru povrch velmi nízkou vodivost, aby nedocházelo k nežádoucímu vyrovnávání náboje elementárních kapacitorů (snížení kontrastu).

Obr.5-2: a) Náhradní schéma části akumulační elektrody, b) časové průběhy nabíjení a vybíjení elementárního kapacitoru (akumulačního obrazového bodu) signální elektrody.

Z obrázku 5-2b je patrné, že v době stabilizace t1 ( v normě CCIR D je t1 = cca 70 s) musí být vybíjecí časová konstanta τv = R.Cel << t1 , aby se každý elementární kapacitor dostatečně vybil a nedošlo ke vzniku paměťového efektu (setrvačnosti snímacího procesu - viz odstavec 4-5).

5.3 Stabilizace potenciálu akumulační elektrody snímacím elektronovým svazkem Při dopadu elektronového svazku na isolovanou signální elektrodu snímací elektronky, ze které je snímán nábojový reliéf odpovídající obrazu, dochází ke stabilizaci potenciálu Us v místě dopadu. Potenciál uvažovaného bodu odpovídá závislosti činitele sekundární emise KSE (obr.5-3) materiálu signální elektrody a rychlosti vd dopadajících primárních elektronů, která je úměrná napětí Ua urychlovací anody (vd ≈ (Ua)1/2. Podle velikosti napětí Ua se rozlišují 3 typy stabilizace potenciálu a) Ua < UA potom Us ≅ Uk (napětí katody, obvykle Uk = 0). Je to nejčastěji používaná stabilizace tzv. pomalými elektrony, která vyžaduje nízká urychlovací napětí Ua< 1 kV. b) Ua > UB potom Us ≅ UB . Tato stabililizace se projevuje pouze v obrazovkách s metalizovaným luminoforem,

Obr.5-3: Typická závislost činitele sekundární emise KSE = Isek/Iprim = F(Ua) pro polovodičový materiál signální elektrody

29

c) UA< Ua< UB potom Us ≅ Ua (dnes již ve snímacích elektronkách prakticky nepoužívaná stabilizace tzv. rychlými elektrony)

5.4 Vakuové snímací elektronky Vakuové snímací elektronky se v současnosti používají již pouze velmi omezeně ve studiové technice a jsou postupně nahrazovány monolitickými snímači na bázi nábojově vázaných struktur CCD a struktur CMOS. Principiální uspořádání dvou z nich superortikonu a vidikonu jsou na obrázcích 5-4 a 5-5.

5.4.1 Superortikon je snímací elektronka využívající vnější fotoelektrický jev a stabilizaci potenciálu pomalými elektrony. Fotonový průmět obrazu je pomocí fotokatody převeden na elektronový, který je axiálně promítán na homogenní signální elektrodu z polovodičového skla, ze které nábojový relief snímán z opačné strany. Rastr snímacího elektronového svazku je vytvářen magnetickým vychylováním. Superortikon má, díky použití násobiče elektronů ve snímacím svazku, vysokou citlivost a rozlišovací schopnost. Je však složitý, drahý a provozně velmi náročný (teplotní stabilizace signální elektrody apod.).

Obr. 5-4: Principiální uspořádání superortikonu

5.4.2 Vidikon (jiné názvy: kvantikon, resistikon, plumbikon apod.) je snímací elektronka využívající vnitřní fotoefekt (fotokonduktivitu), stabilizaci potenciálu pomalými elektrony a magnetické vychylování snímacího elektronového svazku. Má velmi dobrou citlivost a rozlišovací schopnost. Je provozně nenáročná. Nevýhodou je určitá setrvačnost fotokonduktivní vrstvy (u plumbikonu snížena použitím polovodičových přechodů PIN).

Obr.5-5: a) Principiální uspořádání vidikonu, b) náhradní schéma části signální elektrody.

5.5 Monolitické světlocitlivé snímače tyto polovodičové snímače mají akumulační charakter vytváření obrazového signálu na bázi světelné generace nábojů. Podle technologie se dělí na - snímače CCD případně BCCD (Buried Charge Coupled Devices), - snímače CID (Charge Injection Devices), - snímače CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor).

30

5.5.1 Princip a vlastnosti snímačů CCD (BCCD) Nábojová kvanta se hromadí v tzv. potenciálových jamách elementárních kapacitorů MIS (Metal Insulator Semiconductor - obr.5-6) Akumulované nábojové pakety úměrné světelné exposici (součinu intensity osvětlení E a době akumulace ta ) jsou přesouvány na výstupní převodník Q→Uo přes analogové posuvné registry CCD, BCCD pomocí dvou nebo třífázových řídicích signálů UT (obr.5-7). Proto bývají tyto obvody souhrnně označovány zkratkou CTD (Charge Transfer Devices).

Obr.5-6: Princip elementárního kapacitoru MIS a) rozložení potenciálu při světelné akumulaci náboje v substrátu Si - p (nositeli náboje jsou elektrony), b) rozložení potenciálu při přenosu nábojových paketů, c) časové průběhy řídicích signálů UF , UX

Obr.5-7: Transport nábojových paketů ve dvoufázovém analogovém posuvném registru CCD. V registrech BCCD se přenos nábojových paketů uskutečňuje hlouběji v substrátu - v tzv. ponořeném kanálu s větší účinností (méně se projevují ztráty vlivem rekombinace elektronů na povrchových nečistotách)

Snímače CCD (BCCD) jsou vyráběny jako řádkové struktury obsahující až 12000, obvykle lineárně uspořádaných, světlocitlivých bodů nebo jako plošné (čtvercové nebo obdélníkové) struktury obsahující až několik milionů světlocitlivých bodů. K jejich výhodám patří: malé rozměry, nízký příkon, minimální geometrické zkreslení, velký dynamický rozsah, široký spektrální rozsah, lineární akumulace náboje, velká citlivost, velká úroveň výstupního signálu, malý výstupní odpor a značná odolnost vůči vnějším magnetickým polím. Nevýhodou je teplotní závislost zbytkového signálu v černé, která při vyšších teplotách snižuje dynamický rozsah a malé vertikální rozmazávaní obrazu (smear) u plošných (obrazových) snímačů.

Vlastnosti monolitických snímačů CCD a) Výstupní obrazový signál je v čase vzorkován a pro velikost napětí i-tého vzorku platí λmax

Uoi (λ) = ta

∫ S (λ ) . E (λ ) dλ

+ U r . ta ,

(5-1)

λmin

kde značí ta S(λ) E(λ) Ur

dobu akumulace náboje v potenciálových jamách [m], spektrální citlivost snímače [A.J-1m2, případně V.lx-1.s -1] - obr.5-9f spektrální hustotu záření (intensitu osvětlení) i-tého bodu [W.m-2, příp.lx]. Pro smluvní bílé světlo A platí, že 1 lx ≅ 4,65 10-2 W.m-2 , souhrnný rušivý signál, tvořený především zbytkovým signálem v černé (Dark Signal) UDS a šumovými signály Uš (obr.5-9b,d).

31

b) Pracovní dynamický rozsah Dp CCD snímačů je závislý na teplotě a lze jej vyjádřit vztahem

U osat

Dp =

Θp −Θo

U DSO .2

5

U( + s 2

Θp + 273

,

(5-2)

Θo + 273

kde značí: Uosat .... velikost saturačního obrazového signálu snímače, odpovídající naplnění potenciálových jam [V]. Někdy se udává tzv. saturační exposice (Saturation Exposure) SE = Esat ta , jejíž velikost se pohybuje v rozmezí SE = 0,3 až 1.10-2J.m-2, UDSO zbytkový signál v černé [V], udávaný obvykle při teplotě θo = 25°C.Vzniká tepelnou generací náboje v potenciálových jamách při pracovní teplotě θp (obr.5-9d), Ušmm mezivrcholová hodnota šumu, definovaná obvykle při teplotě θo = 25° C. c) Mezní hodnoty transportních kmitočtů analogových posuvných registrů CCD fTmin , fTmax Platí pro ně

fTmin = (m.tzmax)-1

(5-3a)

a

fTmax = (m.tzmin)-1 ,

(5-3b)

kde značí m ………… počet fází taktovacího signálu UT [-] - (např. v obr.5-7 je m = 2), tzmax , tzmin … maximální a minimální doba zachování náboje v potenciálové jámě [s] d) Účinnost přenosu nábojů ηq v analogových posuvných registrech Účinnost jednoho přenosu nábojového kvanta q v současných snímačích BCCD dosahuje hodnot cca 0,99999. I tato vysoká hodnota však způsobuje u dlouhých posuvných registrů (např. v řádkových snímačích) problémy na výstupu, kde velikost nábojových kvant (obrazového signálu) z počátku registru významně klesá. Pro registr délky n řízený m fázovým taktováním platí qn = q1. ηqn.m

(5-4).

Proto se v těchto snímačích přesouvají střídavě nábojová kvanta z potenciálových jam světlocitlivé vrstvy snímače do dvou analogových posuvných registrů (viz obr. 5-8 ).

Obr. 5-8: Vnitřní struktura řádkového světlocitlivého snímače CCD

Typické parametry monolitických světlocitlivých snímačů CCD (BCCD) jsou patrné z charakteristik na obrázcích 5-9a až 5-9f.

32

Obr.5-9: Typické parametry světlocitlivých snímačů CCD (BCCD) a) závislost 1- ηq = F(fT) , b) převodní charakteristika s vyznačením úrovní signálů UDSO a Ušmm při teplotě θo = 25° C, c) závislost relativní citlivosti Uo/Uosat na době akumulace ta pro úrovně osvětlení, d) závislost zbytkového signálu v černé UDS na době integrace a na teplotě, e) ekvivalentní přenosové charakteristiky MTF (Modulation Transfer Function) pro monochromatická záření různých vlnových délek, f) spektrální charakteristiky pro srovnávací bílá světla A (⎯ ) a C (- - -)

5.5.2

Řádkové světlocitlivé snímače

Uspořádání vnitřní struktury řádkového světlocitlivého snímače CCD (BCCD) je na obr.5-8 a vnější vzhled je na obr. 5-10. Tyto snímače mohou obsahovat v akumulační světlocitlivé vrstvě až 12000 elementů, obvykle čtvercového tvaru o délce stran 7 až 10 μm. Obrazový signál z nich je možno vysouvat taktovacím kmitočtem až 30 MHz. Používají se zejména v měřicí technice (např. bezdotykové měřiče rozměrů), jako snímače ve scanerech apod. Pro barevnou televizi jsou vybaveny trojbarevnými proužkovými filtry.Obsahují tři posuvné registry s výstupy třísložkových barevných signálů a jsou používány zejména ve filmových snímačích a scanerech.

33

Obr.5-10: Řádkový snímač CCD 192 firmy Fairchild s 6000 světlocitlivými elementy

5.5.3 Plošné (obrazové) světlocitlivé snímače CCD (BCCD) jsou v současnosti nejobvyklejšími snímači v televizních kamerách, kde postupně nahrazují vakuové snímací elektronky. Světlocitlivé elementy jsou uspořádány ve čtvercové (o rozměrech až 4000 x4000) nebo obdélníkové matici. Jejich rozlišovací schopnost vyhovuje stávajícím TV standardům. Řídící signály vertikálních (UV) a horizontálních (UH) analogových posuvných registrů umožňují prokládané i neprokládané řádkování snímaného obrazu (obr.5-11) Jsou vyráběny jako struktury se snímkovým přenosem (Frame Transfer) - FT (obr. 5-11). Mají lepší využití plochy světlocitlivé vrstvy (až 70 %, protože světlocitlivá a paměťová sekce jsou odděleny), menší zkreslení typu aliasing, ale větší efekt rozmazání (smear) ve vertikálním směru, s mezisloupcovým přenosem (Inter Line Transfer - IT). Mají využití plochy pouze 30% (většinu plochy zabírají zastíněné vertikální posuvné registry), ale menší efekt rozmazání, kombinované FIT ( kombinace FT a IT) se sníženým efektem rozmazání. Pro zvýšení světelné citlivosti jsou od roku 1990 (fa. Sony) používány nad každým světlocitlivým elementem miniaturní čočky (tzv. Super HAD, EX view Obr. 5-11: Vnitřní struktura plošného snímače se strukturou FT CCD). V televizních kamerách jsou nejčastěji používány struktury FT. Plošné čipy CCD (BCCD) se obvykle vyrábějí v rozměrech 1/3, 1/2 ,2/3 a 1 ″.

Obr.5-12: Plošný snímač CCD 442A firmy Fairchild se strukturou FT (2048x2048 světlocitlivých elementů)

34

V malých neprofesionálních barevných TV kamerách a kamkordérech se často pro vytváření tří složkových barevných signálů jediný plošný snímač s napařenými vertikálními proužkovými filtry a třemi horizontálním posuvnými registry (obr.5-13). Obr.5:13: Princip vytváření tří složkových signálů v plošném snímači BCCD s napařenými vertikálními proužkovými barevnými filtry

Jeden „barevný“ obrazový bod v této architektuře tedy tvoří tři pixely snímače (ve směru vodorovném) a jeho výsledná barva se získává kombinací složkových barevných signálů při signálovém zpracování. Zvětšení barevné rozlišovací schopnosti lze získat interpolací. Používají se i jiné architektury a tvary pixelů – např. v digitální fotografii technologie SuperCCD.

5.5.4 Plošné souřadnicově adresovatelné světlocitlivé snímače s injekcí náboje CID

aplika p

Princip činnosti tohoto typu snímačů je patrný z obr.5.14. Jednotlivé buňky tvoří dvojice kondenzátorů MIS s transparentními elektrodami zapojenými na řádkové a sloupcové sběrnice. Postup přepínání řídicích napětí na sběrnicích je patrný z obr.5-14b. Po ukončení cyklu představují změny potenciálu na sloupcových elektrodách obrazový signál odpovídající světlem akumulovanému náboji v příslušné buňce (vzniká proudem protékajícím společným zatěžovacím odporem při uzemnění odpovídající sběrnice). Obrazový signál lze tedy vysouvat ve speciálních (netelevizních) aplikacích libovolným algoritmem. Tyto snímače se vyznačují velmi dobrou citlivostí, protože maximálně využívají světlocitlivou plochu snímače. Parazitní kapacita sběrnic je však příčinou poněkud horších šumových poměrů.

Obr.14: a) Část struktury adresovatelného snímače CID, b) postup přepínání adresovacích řídicích signálů.

5.5

Světlocitlivé snímače na bázi technologie CMOS

V některých pramenech jsou také nazývané spínané matice fotodiod. Světlem akumulovaný signál z matice křemíkových fotodiod je přepínán přes pole adresovatelně spínaných CMOS tranzistorů na společný obrazový výstup. Plošné snímače tohoto typu tedy umožňují adresovatelné čtení dle libovolného algoritmu (podobně jako snímače CID). Převod naboje na obrazový signál se uskutečňuje v každé buňce snímače. Technologie CMOS umožňuje (na rozdíl od snímačů CCD) implementovat do struktury všechny potřebné elektronické obvody (řídicí obvody programovatelného spínání, generace taktovacího signálů, výstupní obrazový zesilovač a převodník D/A apod). Mají ve srovnání se snímači CCD menší rozměry, menší spotřebu energie, jsou i levnější. Mají však poněkud menší světelnou citlivost. Používají se proto obvykle v levnějších kamkordérech, mobilních telefonech vyšších generací apod. Pro speciální aplikace vyžadující vysokou citlivost byly vyvinuty CMOS snímače označované APS (Active Pixel Sensor) .Každá buňka integrované CMOS struktury obsahuje kromě světlocitlivého elementu s pamětí také aktivní zesilovač. Tyto snímače jsou rovněž řízeny adresovacím systémem sběrnic.

35

5.6 Snímací kamery pro barevnou televizi

-

lze dělit na

kamery se čtyřmi snímači – systémy YRGB, kamery se třemi snímači – systémy RGB nebo RGW, kamery s jedním snímačem (s proužkovými barevnými filtry).

5.6.1 Kamery se čtyřmi snímači - systém YRGB Podstatnou částí, která výrazně ovlivňuje barevnou věrnost snímacího procesu, je tzv. barevně dělicí soustava. tvořená buď soustavou dichroických zrcadel nebo barevně dělicích hranolů s napařenými dichroickými vrstvami (obr. 5-15 ). Spektrální charakteristiky dichroických vrstev jsou na obr. 5-16. Tato soustava dělí barevný obraz, promítaný přes objektiv, do tří dílčích barevných obrazů v základních barvách R,G,B snímaných dílčími snímacími elektronkami SER,G,B přes korekční filtry FR,G,,B (obr.5-17). Jasový signál UY je vytvářen snímačem SEY, na nějž je obraz promítán přes polopropustné zrcadlo PPZ a neutrální zrcadlo NZ1 . Jasový signál je dále zpracováván s plnou šířkou pásma (pro TV normu CCIR D 6 MHz - viz příloha tohoto skripta), zatímco složkové signály UR, UG, UB pouze s odpovídající šířkou pásma 1,6 MHz .

Obr.5-15: Uspořádání soustavy barevně dělicích hranolů s napařenými dichroickými vrstvami

Obr.5-16: Spektrální charakteristiky činitelů odrazu ρ (λ) a transparence τ (λ) dichroických vrstev barevně dělicích hranolů

Obr.5-17: Princip barevné TV kamery se čtyřmi snímacími elektronkami - systém YRGB

5.6.2 Kamery se třemi snímači - systémy RGB a RGW V tomto, rozměrově méně náročném, systému se nesnímá jasový signál UY, ale je vytvářen elektronicky lineární kombinací ze složkových signálů podle rovnice (1-11) ( UY = 0,299 UR + 0,587 UG + + 0,114 UB). Princip barevné kamery tohoto typu s barevně dělící soustavou realizovanou pomocí dichroických a neutrálních zrcadel DZ1,2 a NZ1,2 je na obr.5-18. Složkové signály musí být až do vytvoření lineární kombinace zpracovávány s plnou šířkou kmitočtového pásma jasového signálu. Nevýhodou je nutnost zajištění dokonalého krytí dílčích barevných obrazů vyžadující výběr trojic vychylovacích cívek se shodnými vlastnostmi, jejich buzení ze společných generátorů vychylovacích proudů apod. 36

Obr.5-18: Princip barevné TV kamery se třemi snímacími elektronkami - systém RGB

Obdobu tohoto uspořádání představuje kamera se třemi snímači systému RBW, ve které se vytváří jasový signál UY a složkový signál UG ze snímaných signálů UR , UB , UW elektronicky podle vztahů UY = 0,9UW + 0,1UR

(5-4a)

a

UG = -0,2UR + 1,25UW - 0,05UB ,

(5-4b)

kde spektrální charakteristika snímacího kanálu W je oproti kanálu G širší.

5.6.3 Kamery barevné televize s jednou snímací elektronkou (snímačem) Na obr.5-19 je princip barevné TV kamery s jedinou snímací elektronkou typu plumbikon se systémem subtraktivních optických filtrů (žlutého a modrozeleného) a rozdělováním složkových barevných signálů na principu kmitočtového multiplexu Současné kamery s jednou snímací elektronkou nebo monolitickým snímačem vyžívají buď tzv. třísignálový plumbikon nebo moderněji plošný monolitický snímač BCCD s napařeným vertikálním barevným proužkovým filtrem, jehož princip byl uveden v obr. 5-12.

a

b

Obr.5-19: a) Uspořádání subtraktivního optického filtru, b) blokové schéma obvodů rozdělování barevných složkových signálů na principu kmitočtového multiplexu vytvářeného při snímání obrazu přes subtraktivní optický filtr.

5.6.4 Filmové snímače pro barevnou televizi. Princip snímače pro snímání barevných diapozitivů nebo filmů pracujícího na principu snímací soustavy s putující stopou je na obr. 5-20. Jejich výhodou je dokonalé krytí složkových barev obrazu.

37

Obr.5-20: Princip snímače pro snímání barevných diapozitivů nebo filmů

5.6.5 Televizní kamerový řetěz Blokové schéma obvodů pro zpracování (zesilování, korekce, obnovení stejnosměrné složky, zatemňování) snímaného jasového signálu (tzv. kamerový řetěz) před superposicí synchronizační směsi je na obr.5-21. Stejně jsou zpracovávány i složkové barevné signály.

Obr.5-22: Blokové schéma televizního kamerového řetězu pro zpracování jasového signálu

Kontrolní otázky ke kapitole 5 O5.1 O5.2 O5.3 O5.4 O5.5 O5.6 O5.7

Jaký je rozdíl mezi neakumulačním a akumulačním vytvářením obrazového signálu ? Jaký je princip činnosti obrazových snímačů CCD a jaké znáte typy těchto snímačů? Jak je definován a co ovlivňuje dynamický rozsah snímačů CCD (BCCD) ? Co to jsou a na jakých principech pracují barevně dělicí systémy barevných kamer ? Nakreslete bloková schémata barevných kamer systémů YRGB a RGB. Jak pracují barevné kamery sa jedním snímačem ? Vysvětlete princip a výhody barevného snímače s putující stopou.

38

6 TELEVIZNÍ OBRAZOVKY A ZOBRAZOVAČE 6.1 Vakuové obrazovky pro černobílou televizi s magnetickým vychylováním Vakuové obrazovky CRT (Catode Ray Tube) jsou stále ještě používanými elektrooptickými měniči v televizních přijímačích a monitorech počítačů, přestože vývoj směřuje k monolitickým zobrazovačům. K jejich nevýhodám patří zejména velké rozměry a hmotnost, geometrická zkreslení obrazu vlivem magnetického vychylování, potřeba velkého urychlovacího napětí, omezená životnost apod. Výhodou je naopak relativně nízká cena ve srovnání monolitickými plochými zobrazozovači. Řez fokusačním systémem televizní obrazovky je na obr.6-1 a na obr.6-2 je znázorněno astigmatické zkreslení stopy elektronového svazku na stínítku (ve svislém směru) vlivem různě dlouhé dráhy vychylovaného svazku.

Obr.6-1:

Pentodový fokusační systém TV monochromatické televizní obrazovky

Obr.6-2: Astigmatické zkreslení stopy na stínítku obrazovky

Pro horizontální vychylování se většinou používají vychylovací cívky sedlové, které mají větší vychylovací účinnost (obr.6-4a) nebo toroidní (obr.6-4b), které jsou výrobně méně náročné. Princip

Obr.6-3: Princip elektromagnetického vychylování

elektromagnetického vychylování elektronového svazku je patrný z obr.6-3. Pro výchylku y na stínítku při úhlu vychýlení α platí

⎡ ⎛ ⎞⎤ qe y = b tg a = b tg ⎢arcsin ⎜ a.B ⎟⎥ , ⎜ 2m U ⎟ e a ⎝ ⎠⎦⎥ ⎣⎢

Obr.6-4: Provedení vychylovacích cívek: a) sedlové, b) toroidní

(6-1)

39

kde značí B........ magnet. indukci ve vychylovacím poli [T], qe ...... náboj elektronu (1,6.10-19C), a,b…..rozměry - viz obr.6-3.

Ua .. ...urychlovací napětí [V], me ..... hmotnost elektronu (9,1.10-31kg),

Ze vztahu (6-1) plyne, že při elektromagnetickém vychylování vzniká systémové tangenciální zkreslení, které vzrůstá zejména u plochých obrazovek, u nichž je poloměr zakřivení stínítka mnohem větší než poloměr vychylování r. Při obousměrném vychylování se projevuje poduškovitým tvarem rastru dle obr.6-6 (obr.6-5) Lze je kompenzovat tvarováním vychylovacího proudu tzv.S - korekcí (kondenzátor Ck vřazený do série s indukčností Lvc vychylovacích cívek). V případě horizontálního rozkladu pro jeho velikost platí: Ck = tař/(π2.Lvc). V monochromatických obrazovkách se poduškovité zkreslení kompenzuje rovněž pomocí permanentních korekčních magnetů (obr.6-5). Pro eliminaci stabilizačního efektu vlivem dopadajícího elektronového svazku (viz odst.5.4) je na stínítko napařen hliníkový povlak galvanický spojený s urychlovací anodou - tzv. metalizace.

Obr.6-5: Poduškovité zkreslení rastru a jeho kompenzace polem permanentních korekčních magnetů

Obr. 6-6: Tvarování řádkového vychylovacího proudu pomocí S-korekce.

6.2 Vakluové obrazovky (CRT- Catode Ray Tube)) pro barevnou televizi jsou obvykle třítryskové (tři elektronové trysky) pro základní složkové signály. Dělí se dle provedení na: maskové obrazovky DELTA, maskové obrazovky IN LINE a obrazovky typu TRINITRON.

6.2.1 Maskové obrazovky DELTA Název je odvozen z geometrického uspořádání trysek v rozích rovnostranného trojúhelníka. (obr. 6-7). Tyto obrazovky mají velmi dobrou barevnou rozlišovací schopnost. Vyžadují však složité zabezpečení čistoty barev (elektronové svazky trysek musí, po průletu otvory masky, budit jen odpovídající terčíkové luminofory (obrázek 6-8) a konvergence (obr. 6-10). Tu zajišťuje konvergenční jednotka a obvody korekce poduškovitého zkreslení ve směru V-Z (vodorovně) i S-J (svislé), jak je patrné z obrázků 6-12 až 6-14. Další nevýhodou je relativně malý dosažitelný jas, protože více jak 50 % elektronů dopadá na masku, v níž jsou otvory vyleptány a způsobuje, kromě sekundární emise, její ohřev a tím tepelné dilatace, které je nutno Obr.6-7: Uspořádání maskové obrazovky DELTA složitě kompenzovat materiálem (invar) i uchycením masky ve skleněné baňce obrazovky. Nevýhodou tohoto typu je také zvýšený vliv vnějších magnetických polí na čistotu barev a tím i nutnost jejího magnetického stínění. Proto jsou také vybavovány buď vnější nebo vestavěnou demagnetizační cívkou, která se aktivuje při každém zapnutí televizoru.

40

Obr.6-8: Buzení terčíkových luminoforů maskové obrazovky DELTA při správném úhlu dopadu elektronových svazků

Obr.6-9: Provedení luminoforu obrazovky DELTA: a) původní provedení, b) zlepšená technologie HI- LITE-MATRIX se zvýšeným kontrastem a sníženou sekundární emisí

Obr.6-10: Konvergenční chyba dvou svazků při různém úhlu vychýlení α

0br.6-11: Provedení konvergenční jednotky v maskové obrazovce DELTA

Kromě již zmíněného pojmu čistota barev je třeba objasnit pojem statická a dynamická konvergence barevného zobrazení. Statická konvergence je zajištěna, pokud se všechny tři elektronové svazky kryjí (sbíhají) na stínítku v ose obrazovky (bez účinku vychylování). Tato konvergence se zajišťuje pomocí 2 až 6ti pólového pole permanentních magnetů v konvergenční jednotce (obr.6-11).

Obr.6-12: Lichoběžníkové a poduškovité zkreslení dílčích rastrů v obrazovce DELTA

Obr.6-13: Korekční obvody poduškovitého zkreslení V-Z a S-J s transduktorem

41

Působením astigmatického a lichoběžníkového zkreslení (u obrazovky DELTA neleží žádná tryska v ose obrazovky) se v barevných obrazovkách zhoršuje krytí dílčích rastrů s rostoucím úhlem vychýlení α (obr. 6-10). Zajistit žádoucí krytí dílčích v rastrů v celé ploše obrazu musí obvody dynamické konvergence Čistotu barev lze nastavovat pomocí páru radiálně zmagnetovaných a vzájemně natočitelných plechových kroužků umístěných před konvergenční jednotkou (obr.6-7). Korekce konvergence i čistoty barev se uskutečňují před vstupem elektronových svazků do magnetického pole vychylovacích cívek. Konvergenční zkreslení lze částečně korigovat také vhodným tvarováním magnetického pole vychylovacích cívek. Středění obrazu se provádí v barevných obrazovkách superposicí nastavitelné stejnosměrné složky k vychylovacím proudům. Princip korekce poduškovitého zkreslení ve směrech V-Z (východ – západ) a S-J (sever – jih) tvarováním vychylovacích proudů je patrný z obr. 6-14 a odpovídající korekční obvody jsou na obr.6-13.

Obr.6-14: Princip korekce poduškovitého zkreslení : a) ve směru V-Z , b) ve směru S-J.

Poznámka: S ohledem na vysoký stupeň vakua se vyrábějí vakuové obrazovky s antiimplosním ocelovým rámem okolo čelního skla.

6.2.2

Maskové obrazovky IN LINE

Obr.6-16: Řez maskovou obrazovkou IN LINE

Obr.6-15: Princip maskové obrazovky IN LINE

Princip a uspořádání maskové obrazovky IN LINE jsou na obr.6-15 a 6-16. Proti obrazovce DELTA má zejména tyto přednosti: vyšší dosažitelný jas a nižší ohřev masky (tepelné dilatace) díky výrazně vyšší propustnosti stínící masky pro elektronové svazky,

42

snadnější dosažení statické i dynamické konvergence díky uspořádání trysek v řadě (střední tryska je umístěna v ose obrazovky). U malých obrazovek lze konvergenci provádět samokonvergenčním průběhem vychylovacího pole (poduškovité rozložení pole u horizontálních a soudkovité u vertikální vychylovacích cívek, které jsou výrobcem natmeleny na hrdle obrazovky), snížený vliv vnějších magnetických polí (vzhledem k tvaru luminoforových proužků nemá malý posuv stopy ve vertikálním směru vliv na čistotu barevného podání).

Vyrábějí se jako ostrohranné ploché obrazovky FST (Flat Square Tube) zejména v provedení RIS (Rectangular in Line Systém - fa. Toshiba) nebo PIL (Precision in Line - fy.RCA, Philips aj.) s natmelenými toroidními samokonvergenčními cívkami. Uspořádání a rozměry výřezů v masce a luminoforových proužků maskové obrazovky IN LINE jsou na obr.6-17. Luminoforové proužky jsou odděleny černou vrstvou, kter;á má minimální činitel sekundární emise (technologie HI-LITE-MATRIX, BLACK STRIPE aj.) a pohlcuje zevně dopadající světlo, což zvětšuje barevný kontrast obrazu za vnějšího osvětlení. Z téhož důvodu se užívá čelní sklo obrazovky se sníženou světelnou propustností (až 50%). V obrazovkách IN LINE s dlouhou úhlopříčkou (až 36″) a poměrem stran stínítka 16:9 se pro zostření jasových přechodů používá rychlostní modulace elektronového svazku. Na dělenou fokusační elektrodu se přivádí v protifázi impulsy odvozené ze strmých hran jasového signálu, čímž se mění vychylovací rychlost v době trvání přechodu. Jiné systémy – např. DAF (Dynamic Astigmatismus and Focussing používají parabolicky tvarované napětí z obou Obr.6-17: Uspořádání výřezů v masce a luminoforových rozkladů superponované k stejnosměrnému naproužků v obrazovce IN LINE pětí dělené fokusační elektrody.

6.2.3 Barevná obrazovka TRINITRON Byla vyvinuta a patentována firmou Sony. Je stále nejkvalitnější vakuovou barevnou obrazovkou. Princip TRINITRONU je patrný z obr.6-18. Tři elektronové trysky jsou opět uspořádány v řadě. Stínicí maska byla nahrazena konvergenční mřížkou (plechová vertikální mříž tloušťky 0,1 mm, napnutá v masivním rámu a vyztužená vodorovnými drátky). Rozdílný je i fokusační systém společný pro všechny tři svazky (PAN FOCUS) s elektrostatickými konvergenčními elektrodami (včetně dělené elektrody g4 pro rychlostní modulaci. Rozbíhající se elektronové svazky jsou vychylovány zpět k ose po parabole tak, aby se protnuly na konvergenční mřížce, pomocí elektrostatického pole konvergenčních elektrod g6 (obr.6-18).

Obr.6-18: Princip a vnitřní uspořádání obrazovky typu TRINITRON

43

Díky válcovému tvaru baňky a stínítka (na rozdíl od sférického tvaru u obrazovek IN LINE) je snadnější dosažení dynamické konvergence - u menších obrazovek pouze rozložením pole vychylovacích cívek (u obrazovek s úhlopříčkou nad 27″ se již používá konvergenční jednotka). Pro zlepšení kontrastu se používá rovněž technologie BLACK MATRIX a čelního skla se sníženou propustností (až 50%). Vyrábějí se v ostroúhlém a plochém provedení s úhlopříčkou až 33″ ve formátech 5:4 i 16:9 (SUPERTRINITRON). Díky těmto úpravám se TRINITRONY vyznačují velikým jasem (velká průchodnost konvergenční mřížky), kontrastem i dokonalou čistotou barev i konvergencí. Válcový tvar stínítka omezuje nežádoucí reflexy způsobené vnějším osvětlením.

6.2.4

Barevné obrazovky pro monitory

vyžadují velkou barevnou rozlišovací schopnost. Z hlediska geometrie elektronových trysek jde o obrazovky IN LINE, ale luminofory jsou uspořádány v šestiúhelníkové struktuře (podobně jako u obrazovek DELTA). Rozteč luminoforů je cca 0,28 mm a jejich počet je trojnásobný proti počtu kruhových otvorů v masce. Používají technologie BLACK MATRIX a elektrostatickou optiku DAF.

6.2.5

Obrazovky pro projekční televizi

Tyto jednotryskové obrazovky musí mít velký jas při malém průměru kruhového stínítka (7 až 15″). Elektronový svazek musí být na stínítku dokonale zaostřen, což usnadňují malé vychylovací úhly (do 55°). Fokusace bývá obvykle kombinovaná (elektrostatická a elektromagnetická) umožňuje dosažení stopy o průměru 0,2 mm. Velký požadovaný jas (až 500 cd/m2) vyžaduje velké katodové proudy a urychlovací napětí (cca 30 kV). Stínítko s luminofory se proto zahřívá a teplo je třeba odvádět chladicí kapalinou a vyzařovat je pomocí chladicích žeber (obr.6-19).

Obr.6-19: Jednotrysková obrazovka pro projekční televizi

6.3 Ploché zobrazovače Původní snahy o konstrukci plochých vakuových obrazovek s hloubkou do 10 cm (např. reflexní obrazovka, obrazovka s lomeným hrdlem nebo obrazovka s maticovaným paprskem fy. Matsushita) nedoznaly praktického uplatnění a vývoj plochých zobrazovačů se zaměřil zejména na:

zobrazovače s kapalnými krystaly (LCD- Liquid Crystal Display), elektroluminiscenční zobrazovače, plasmové zobrazovače, zobrazovače s maticemi diod LED (Light Emitting Diode) - používají se pouze pro velké panely, zobrazovače OLED (Organic LED) – používají se zatím pouze pro malé zobrazovače, zobrazovače SED (Surface Conduction Electron Emitter Display).

Společné pro všechny typy je zanedbatelné geometrické zkreslení. Jednotlivé buňky obrazu jsou uspořádány do řádkových a sloupcových struktur se systémem adresovatelného buzení. Na rozdíl od vakuových obrazovek se celý řádek zobrazuje najednou, což vyžaduje řádkovou paměť na uchování vzorkovaného obrazového signálu (současné zobrazovače s aktivním buzením užívají kapacitorů MIS jako analogové paměťové buňky).

44

6.3.1 Ploché zobrazovače s kapalnými krystaly představují tzv. pasivní zobrazovače - jednotlivé zobrazovací buňky nejsou zdrojem záření a) Zobrazovače s kapalnými krystaly s pasivním buzením Řez plochým zobrazovačem s nematickými kapalnými krystaly je na obr.6-20. Na vodorovně a svisle orientované průhledné páskové elektrody se postupně přivádí superpozice fixního aktivačního a proměnného obrazového signálu, která v místě křížení budí jednotlivé buňky.

Obr.6-20: Pasivní buzení buněk kapalných krystalů páskovou strukturou elektrod

Obr.6-21: Systém aktivního buzení buněk LCD zobrazovače

Tento systém buzení se používal dříve v zobrazovačích s malým počtem buněk. Dosažitelný jas i kontrast byl malý vzhledem na krátkou dobu aktivace buňky. b) Zobrazovače s kapalnými krystaly s aktivním buzením Struktura obrazových buněk je patrná z obr.6-21 a 6-22. Princip aktivního buzení je na obr.6-23. Analogový obrazový signál celého řádku je vzorkován kmitočtem fvz = tař/M je ukládán do paměťových kapacitorů CCD (řádková paměť) a je pomocí spínacích tranzistorů T1 , jejichž počet odpovídá počtu M sloupců a které se otevírají v době tzř, převeden na kolektory spínacích tranzistorů T2 . Ty jsou otevírány postupně (všechny odpovídající danému řádku) v době tař signály z řádkového registru řízeného snímkovým syn-chronizačním impulsem. Doba připojení a tím i aktivace buněk kapalných krystalů, závisí na počtu řádků N zobrazovače a celý řádek se zobrazuje najednou. Kapacitor CLC každé buňky podrží po uzavření tranzistoru T2 náboj, odpovídající obrazovému signálu, po celou dobu snímku. Tato struktura tedy představuje snímkovou paměť (v případě neprokládaného řádkování obrazu). Pro prokládané řádkování musí struktura obsahovat dvě soustavy proložených vedení Yi a tranzistorů T2 pro sudé a liché řádky.

Obr.6-22: Plochý barevný zobrazovač s kapalnými krystaly s aktivním buzením pomocí ¨ tenkovrstvých spínacích tranzistorů TFT

Obr.6-23: Princip elektronického řízení zobrazovače LCD s aktivním buzením (převzato z literatury [20])

Současné technologie tenkých vrstev TFT (Thin Film Transistor) umožňují vytvářet plošné tranzistory CMOS tloušťky pod 1μm. Na čelní straně barevného plochého zobrazovače je napařena soustava barevných filtrů. Je to dnes v TV a PC technice nejrozšířenější zobrazovač pro úhlopříčky do100cm. Vyrábí se 45

v rúzných technologiích –TNF Twisted Nematic Film), MVA (Multi-Domain Vertical Alignment), PVA (Patterned Vertical Alignment), IPS (In Plane Switching) aj. Moderní LCD zobrazovače používají místo výbojkového osvětlení zadní části matice diod LED (až 1000), jejich řízením v závislosti na jasové distribuci zobrazované scény lye dosáhnout větší kontrast (dokonalá „černá“). -

Vlastnosti zobrazovačů LCD s aktivním buzením dobrá rozlišovací schopnost – až 106 buněk v obraze s roztečí 0,1mm, dobré barevné podání, vyhovující jas (až 600 cd/m2) a kontrast (až 1000:1), dostatečný pozorovací úhel – cca 170°, krátka doba odezvy (změny stavu pixelu černá-bílá-černá) dle technologie menší jak 8 ms.

6.3.2 Elektroluminiscenční zobrazovače (obr.6-24) využívají elektroluminiscenční jev (různé látky vydávají v silném elektrickém poli záření různých barev). Mezi průhlednou čelní elektrodu (rozdělenou na jednotlivé buňky) a zadní elektrodu, na které se přivádí budicí napětí (cca 200V), je v elektrickém poli vložen tenkovrstvý film z materiálu vykazujícího elektroluminiscenční jev (např. ZnS dotovaný manganem září žlutooranžově). K budícímu napětí je superponován obrazový signál. Vytváření rastru je obdobné jako u zobrazovačů s kapalnými krystaly (buzení přes tenkovrstvé tranzistory soustavou páskových elektrod). Buňka je uzavřena v evakuovaném pouzdře.V barevných zobrazovačích Obr.6-24: Řez plochým elektroluminiscenčním jsou látky zářící v základních barvách umístěny jednobarevným zobrazovačem v tenkých proužcích (trojice buněk) těsně vedle sebe. Nevýhodou je potřeba velkého budicího napětí (lze je snížit u tzv. vodivých buněk buzených proudem). Jsou vhodné pro velkoplošné zobrazování v aplikacích, kde není na závadu vyšší napětí (příkon) a velká hmotnost vlive silného skla (nutnost evakuování). Vlastnosti elektroluminiscenčních zobrazovačů - velký jas (až 500 cd/m2) a dobrý kontrast (až 800 : 1), - velký pozorovací úhel (až 160 o), - problematické barevné podání – zejména v modré barvě. -

6.3.3 Plasmové zobrazovače - využívají výbojů v plynech. Princip jejich činnosti je patrný z obr.6-25. Přivedením napětí mezi katodu a budicí anodu (zatavenou v zadní skleněné desce) dochází v kanálcích jednotlivých buněk zobrazovače plněných plynem, např. směsí helia a xenonu, k výboji. Vznikající ultrafialové záření do-

Obr.6.25: Princip plochého plasmového zob razovače – řez jednou buňkou 46

padá na fosfory nanesené na stěnách, které vyzařují v základních barvách (směs Y, Gd-BO3 aktivovaná Eu září červeně, kysličník Zn2SiO4 aktivovaný Mn zeleně a BaMg aktivovaný Eu modře). Velikost jasu závisí na napětí na urychlovací anodě, vestavěné do přední průhledné desky. Anody buněk stejné barvy, propojené vertikálně, vytvářejí sloupce a horizontálně propojené katody (společné vždy pro trojici buněk) tvoří řádky rastru. Systém buzení buněk je obdobný jako u předcházejících typů zobrazovačů. Modulační obrazové napětí na anodě (do 200V) zůstává po dobu trváni řádku a celý řádek se zobrazuje najednou. Výbojové napětí na budicí anodě je impulsní o kmitočtu cca 100 kHz. Plasmový zobrazovač je evakuo- vaný a proto jeho stěny musí být ze silného skla (značná hmotnost). Hodí se proto zejména pro velkoploš-né zobrazování za vnějšího osvětlení, kde je požadován vysoký jas, kontrast a kde vyšší hmotnost, příkon a poněkud menší věrnost barevného podání nejsou kritické. -

Vlastnosti plazmových zobrazovačů vysoký jas (až 800 cd/m2) a vysoký kontrast (až 10000 : 1), rychlá odezva buněk (pod 7 ms), velký pozorovací úhel (až 175 o), nevýhodou je nemožnost zmenšování buněk pod jistou hranici (vhodné pro velkoplošné zobrazovače), poměrně vysoký příkon a zatím ještě poměrně vysoká cena.

6.3.4

Ploché zobrazovače typu SED (Surface Conduction Electron Emitter Display)

Nová perspektivní technologie fy. Canon (prototyp představila fa. Toshiba na veletrhu IFA v roce 2005). Obrazovým signálem modulované elektronové svazky emitované elektronovými emitory a urychlené urychlovacím napětím cca 10 kV dopadají na fosforové luminiscenční stínítko rozsvěcují odpovídající obrazové body. Počet emitorů odpovídá počtu obrazových bodů. Konstrukčně je zobrazovač SED plochý evakuovaný skleněný panel (cca 30 mm) obsahující desku emitorů s odpovídající strukturou adresovacích elektrod, urychlovací anodu a desku luminoforu. Elektronové emitory jsou extrémně úzké štěrbiny (několik nm), v nichž se přivedením poměrně malého napětí (cca 10V) uvolňují vlivem tunelového jevu volné elektrony. Zobrazovač má vysoký kontrast (až 10000 : 1), rychlou odezvu (pod 1 ms), malou spotřebu (cca 1/3 spotřeby plasmových zobrazovačů stejné velikosti) a je zřejmě velikým příslibem do budoucnosti. 6.4 Projekční soustavy barevné televize používají se pro velkoplošné zobrazování. Podle provedení je lze dělit do tří základních skupin projektory CRT (Cathode Ray Tube) projektory s LCD a LCOS modulátory projektory na bázi DLP (Digital Light Processing)

a) Projektory CRT Princip projektoru CRT s jedním objektivem je na obr. 6-26, princip projektoru se třemi objektivy na obr.6-27. Jejich základními díly jsou, kromě dichroické barevně dělicí soustavy, případně barevných filtrů FR,G,B v případě projektoru se třemi objektivy, projekční obrazovky (viz odst. 6.2.5), jejichž světelný tok limituje dosažitelný jas na projekční stěně o rozměrech až 2 m2 (maximální světelný tok cca 1000 lm pro bílou). Projektor se třemi objektivy vyžaduje individuální seřízení optiky podle vzdálenosti projekční stěny, aby se dosáhlo kvalitního krytí dílčích barevných obrazů. které je komplikováno lichoběžníkovým zkreslením vlivem šikmého dopadu světelných paprsků krajních obrazovek. Pokusy s nahrazením projekčních obrazovek výkonnějšími mechanicky rozmítanými laserovými zdroji nedoznaly zatím širšího použití (velké rozměry, cena, nízká účinnost modrého laseru apod.).

47

Obr..6-26: Princip projektoru CRT s jedním objektivem

Obr.6-27: Princip projektoru CRT se třemi objektivy

Obr.6-28: Uspořádání projektoru s modulátory LCD a jedním objektivem

Obr.6-29: Vzhled projektoru s modulátory LCD SHARP XV 30

b) Projektory s LCD modulátory dosahují větší jas projekce, protože využívají výkonný světelný zdroj (např. metalhalidovou výbojku o výkonu několik set W), který nahrazuje i zvýšené světelné ztráty v polarizátorech modulátorů LCD. Jejich vnitřní uspořádání a vzhled je na obrázcích 6-28 a 6-29. Světelný tok světelného zdroje SZ se pomocí neutrálních NZ a dichroických zrcadel DZ dělí na tři dílčí toky ve složkových barvách. Ty jsou modulovány pomocí LCD modulátorů M složkovými signály UR, UG, UB. (vestavěný dekodér umožňuje také buzení kompositními barevnými signály různých TV norem). Modulované jasové toky jsou promítány kondenzorovou optikou KO na stínítko. Tyto, dnes nejrozšířenější, projektory umožňují také zadní projekci stranově obrácených obrazů, řízení jasu, kontrastu, barevné sytosti apod. Mají však malou světelnou účinnost (do 15 %) a relativně malé plošné využití. Stejný princip je využit i při projekci pomocí výkonných zpětných projektorů jako zdroje bílého světla a barevného LCD projekčního panelu. Rozlišovací schopnost těchto panelů umožňuje zobrazovat VGA texty i grafiku počítačů. Pro účely monitorování obrazových signálů mohou být řízeny také analogovými složkovými nebo kompositními signály TV norem CCIR D, B, M aj. c) Projektory s LCOS modulátory (Liguid Crystal on Silikon) Technologie LCOS představuje významné technologické zlepšení a používá se především v projekčních systémech. Tyto čipy obsahují pouze jediný vstupní polarizátor, jímž světlo prochází dvakrát po odrazu od lesklých hliníkových elektrod. Každá elektroda ovládá potenciál a tedy i polarizaci jednoho obrazového bodu. Řídící elektronika je umístěna v křemíkovém čipu LCOS za odraznou plochou a k projekci lze tudíž využít téměř celou jeho plochu. Princip čipu LCOS je na obr.6.30. Struktura barevného projektoru

48

Obr. 6.30: Princip čipu LCOS

s jedním čipem LCOS je na obr. 6.31. Dílčí barevné světlené toky jsou získány z osvětlovacího zdroje bílého světla pomocí dichroických zrcadel. Kvalitnější, ale výrazně dražší, variantu představují projektory se třemi čipy LCOS (odpadají dichroická zrcadla i rotující hranoly).

Obr. 6.31: Struktura barevného projektoru s jedním čipem LCOS

d) Projektory na bázi DLP využívající matic DMD (Digital, případně Deformable, Micromirror Device) představují zatím nejmodernější přístup k problematice plochých zobrazovačů (projekt fy. TI). Matici DMD na čipu CMOS (15 x 10 mm) tvoří i více jak milion čtvercových zrcadlových plošek, velikosti 16x16μm, zavěšených na torsních závěsech (obr.6-32). Úhel natočení zrcadel se řídí nespojitě (dvoustupňově) v rozsahu cca ±10° elektrostatickým působením kombinace řídicích signálů ze dvou elektrod umístěných pod každým zrcadlem. Princip dvoustupňového řízení jasu naklápěcího zrcátka jedné buňky DMD je na obr. 6-34.

Obr.6-32: Struktura jedné rozložené buňky DMD (převzato z lit. [20])

49

Matice je osvětlena výkonným primárním zdrojem a odráží světelný tok na optický výstup projektoru.s vysokou účinností (až 60 %). Aby bylo možno dosáhnout dostatečného počtu úrovní jasu, je třeba poměrně složitý systém řízení, jehož princip je zjednodušeně vysvětlen na obr. 6-33 pouze pro 16 jasových

Obr.6-33: Princip vytváření 16 úrovní jasu matice DMD pomocí časové sekvence čtyř devíti buňkových segmentů s dobou zobrazení klesající podle geometrické řady (převzato z literat [20])

úrovní a blok devíti buněk. Doba trvání snímku (v obr.6-33 je 15 ms) je rozdělena na 4 dílčí intervaly s dobou trvání klesající s geometrickou řadou (8,4,2,1 ms). Oko integruje jednotlivé světelné impulsy do výsledného vjemu jasu dané buňky (v tomto případě 16 úrovní). Ve skutečnosti se televizní (půl)snímek rozkládá na 8 dílčích snímků, z nichž nejkratší má dobu trvání 20 ms/255 = 78μs, což umožňuje reprodukovat 255 jasových úrovní. Díky extrémně malé hmotnosti zrcátka je mechanická odezva na řídicí impuls cca 12 μs, což bohatě dostačuje. Podobný princip je použit i u plasmových obrazovek. 50

Obr.6-34: Princip řízení odrazu světla primárního zdroje pro různá vychýlení zrcátka buňky DMD (převzato z literatury [20] )

Vlastnosti matic DMD: - velký jas a kontrast obrazu, - v případě aplikace v projektorech velká světelná účinnost (až 60 %), - dobré využití aktivní plochy matice (až 90 %), - dobrá rozlišovací schopnost (až 106 buněk v obraze), - složité získávání lineární stupnice šedé s dostatečným počtem jasových úrovní. Tento princip v současné době využívá řada výrobců video a dataprojektorů.

Kontrolní otázky ke kapitole 6 O6.1 O6.2 O6.3 O6.4 O6.5 O6.6 O6.7 O6.8

Jaké typy barevných vakuových obrazovek znáte a čím se liší ? Jaké typy plochých monolitických zobrazovačů znáte a čím se liší ? Vysvětlete rozdíl mezi aktivním a pasivním buzením zobrazovačů LCD. Jak pracují řídicí obvody zobrazovače LCD a jaké výhody přináší pro kvalitu obrazu ve srovnání s klasickými vakuovými obrazovkami ? Vysvětlete princip činnosti plasmového zobrazovače. Jaké typy TV projektorů znáte ? Jaký je princip čipu LCOS ? Jak se vytváří stupnice šedé v zobrazovačích s prvky DMD ?

7 ZÁZNAM OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ Přestože existuje řada forem záznamu obrazových signálů (případně obrazu - např. filmový záznam, holografický záznam apod.), převažují dnes dvě základní formy záznamu analogových nebo digitálních obrazových signálů a to jak v profesionální, tak i neprofesionální sféře domácí elektroniky (tzv. Home Electronics) magnetický záznam (analogový, digitální), optický záznam do pevného media (analogový, digitální) 51

Čistě mechanické záznamy obrazových signálů (např. systém TELDEC fy. AEG Telefunken) nenašly praktické uplatnění.

7.1 Systémy magnetického záznamu analogových obrazových signálů

7.1.1 Úvod do problematiky magnetického záznamu obrazových signálů Při velké šířce pásma obrazových signálů je nutná vysoká relativní záznamové rychlost vrel (rychlost pohybu štěrbiny záznamové (reprodukční) hlavy vůči magnetickému nosiči), která téměř vylučuje podélný záznam. Pro její velikost platí

vrel = λomin. fomax. . Ve vztazích značí

(7-1)

kde

d ≤ 0,2 .λomin

(7-2)

a

dmg << d.

(7-3)

d ...... šířku štěrbiny záznamové/reprodukční hlavy - d ≈ 1.10-6m, λomin ... nejmenší délka vlny magnetického pole v nosiči [m], dmg ..... velikost magnetických zrn v nosiči (dmg ≤ 0,2 μm).

Není možno zaznamenávat obrazový signál v základním pásmu. Vzhledem k velkému poměru jeho mezních kmitočtů fomax / fomin = cca 6.106/50 ≈ 17 oktáv a omezenému dynamickému rozsahu rychlostního magnetického záznamu (cca 90 dB ) není možno zaznamenávat obrazový signál v základním pásmu. Proto je nutno zaznamenávaný signál nejdříve kmitočtově modulovat! Nositelem obrazové informace je tedy pouze kmitočtový zdvih a rychlost změny zaznamenávaného obrazového signálu Modulační charakteristiky kmitočtových modulátorů, které jsou součástí signálových obvodů magnetoskopu, jsou na obr.7-1. Útlum bdB zaznamenávaného (reprodukovaného) signálu při oddálení nosiče od štěrbiny o délku Δd (např. vlivem nečistot) je značný a závisí na kmitočtu. Platí

bdB = 20 log e -2π.d / λ .

(7-4)

Při magnetickém záznamu dochází ke vzniku chyb časové základny, způsobených kolísáním rychlosti posuvu pásu, které se projevují v obraze malými změnami začátků řádků a v případě kvadraturně modulovaných kompozitních signálů (soustavy NTSC, PAL) i chybami barevného tónu reprodukovaného obrazu. Tyto chyby je nutno korigovat korektory časových nestabilit.

Před záznamem úplných (kompositních) barevných signálů různých soustav barevné televize (NTSC, PAL, SECAM) je nutno nejdříve rozdělit luminanční a chrominanční složky, kmitočtově je transponovat dle obr.7-2, přičemž luminanční (jasová) složka je namodulována na pomocnou nosnou vlnu úzkopásmovou kmitočtovou modulací a chrominanční složka CH je kmitočtově transponována např. pomocí směšování.

Obr.7-1: Modulační charakteristiky kmitočtového modulátory magnetoskopu. Nejvyšší pásmo (c ) je užíváno pro profesionální barevný záznam.

Obr.7-2: Transpozice spektra luminanční (L) a chrominanční (CH) složky kompozitního barevného signálu před magnetickým záznamem

52

7.1.2 Příčný magnetický záznam (firma Ampex - USA) Je to nejstarší profesionální studiový záznam s velkou relativní záznamovou rychlostí. Princip nejstarší verse segmentového záznamu (na jedné stopě byl v soustavě NTSC zaznamenán obsah cca 18 řádků) a uspořádání záznamových stop jsou na obr. 7-3. Základní parametry systému Ampex: • počet hlav na rotačním disku ........ 4 postupně přepínané universální (pro záznam i reprodukci), • šířka magnetického pásu ............... 50.8 mm (2”), • počet otáček disku s hlavami ........ 15000 min-1,. • rychlost posuvu pásu .................... 39,7 m.s-1.

Obr.7-3: a) uspořádání stop , b) princip záznamu (reprodukce) v systému Ampex

V obr. 7-3 značí: 1 3 5 7 9 11 13

-

magnetický pás (nosič) rotační disk se 4 universálními hlavami příčná obrazová stopa podélná pomocná zvuková stopa universální hlava řídicí stopy universální hlava pomocné zvukové stopy mazací hlava hlavní zvukové stopy

2 4 6 8 10 12 14

-

vodící lišta s průduchy tlakového vzduchu universální hlava pro záznam i reprodukci řídicí stopa posuvu pásu hlavní zvuková stopa universální hlava hlavní zvukové stopy (mono) mazací hlava obrazových stop mazací hlava pomocné zvukové stopy

K hlavním nevýhodám, které způsobily, že příčný záznam byl nahrazen záznamem v šikmých stopách (zkráceně šikmým záznamem), patří vysoký počet otáček disku, nutnost přepínání hlav a jejich shodných vlastností a zejména nemožnost jednoduchého střihu obrazu a reprodukce obrazu při zastaveném posuvu (zobrazuje se pouze 18 řádků).

7.1.3

Šikmý záznam s jednou a dvěma hlavami na rotačním disku (firma Toshiba a další)

Odstraňuje prakticky všechny nevýhody příčného záznamu. Na šikmé stopě je zaznamenán obsah jednoho půlsnímku. Je tedy možná reprodukcestatického obrazu i při zastaveném posuvu pásu. Vedení magnetického pásu při šikmém záznamu (systém ovinu Ω) je znázorněn na obr.7-4. Je patrné, že v případě jediné hlavy ńa rotačním disku existuje krátký časový úsek půlsnímku, který nelze zaznamenat, protože hlava není ve styku s pásem. Tato nevýhoda se původně řešila další hlavou posunutou na disku vůči hlavní o 30° (obr.7-5), kterou se nahrávala chybějící část záznamu (půlnímkový zatemňovací interval) na tzv.synchronizační stopu ve standardu C (obr.7-6). Uspořádání dalších pomocných hlav na rotačním disku při záznamu s jednou hlavní hlavou je na obr.7-5. Reprodukční video hlava umožňuje okamžitou reprodukci nahrávaného signálu i během záznamu. Problém neúplného ovinu byl definitivně vyřešen šikmým záznamem se dvěma hlavami pootoče-

53

Obr. 7-4: Vedení magnetického pásu a jeho ovin tvaru Ω při šikmém záznamu

nými na rotačním disku o 180°. Jedna zaznamenává / reprodukuje obrazový signál lichého a druhá sudého půlsnímku (v televizních normách 625/50 Ts /2 = 20 ms). V tomto případě stačí úhel ovinu jen o málo větší jak 180°. Pro počet otáček nD disku se dvěma hlavami platí nD = s = 25 s-1 =1500 ot/min. (pro disk s jednou hlavou nD = 3000 ot/min).

Obr.7-5: Uspořádání hlav na disku při šikmém záznamu s jednou hlavní hlavou

Obr.7-6:

Umístění stop na magnetickém pásu ve standardu C

Změna úhlu ϕ šikmých obrazových stop při nominální rychlosti vpos posuvu pásu a při zastavení (ϕo) je patrná z obr. 7-7. Pro základní geometrické parametry šikmého záznamu lze odvodit tyto vztahy: šikmá délka stopy:

ls = vrel .Ts/2 ,

kolmá vzdálenost sousedních stop

(7-5)

dsp = vpos. Ts/2 ,

dsk = dsp.sinϕ = dsp. h/ ls = h. vpos/ vrel

a průměr rotačního disku se dvěma hlavami

Obr.7-7:

podélný rozestup stop: D = 2ls /π = vrel. Ts / π .

(7-6) (7-7) (7-8)

Geometrie obrazových stop při šikmém záznamu (na jedné stopě je zaznamenán obsah celého půlsnímku za dobu Ts/2)

Problém rozdílného úhlu stop při nominální rychlosti a při zastavení posuvu pásu (případně zpomalené reprodukci) a s ním související rušivé pruhy v obraze (štěrbina hlavy nesleduje optimálně stopu se řeší použitím dalších, vhodně natočených, hlav na disku případně systémem DTF (Dynamic Track Following - např. ve standardech VIDEO 8, Hi 8). V tomto systému jsou hlavy na disku umístěny v piezokeramickém závěsu. Jsou nakláněny pomocí řídících signálů vytvářených snímáním a vyhodnocováním čtyř nízkofrekvenčních pilotních signálů různých kmitočtů, střídavě nahrávaných do sousedních šikmých stop současně s obrazovým signálem tak, aby štěrbiny hlav optimálně sledovaly stopy při libovolné rychlosti posuvu pásu (změně úhlu φ).

7.1.4 Současné standardy šikmého magnetického záznamu analogových obrazových signálů V současné době se užívá v profesionálních (studiová technika) i neprofesionálních aplikacích několik standardů, jejichž základní parametry jsou uvedeny v tabulce 7-1. Jsou to standardy kazetového záznamu s různou šířkou (8 až 25,4 mm), kvalitou a technologií magnetického nosiče - plátované pásky s mikropráškem Fe nebo pásky s aktivní vrstvou Fe2O3 , Cr2O3 aj. nebo napařované na základní bázi nosiče o tloušťkách 9 až 15 μm se zadní ochrannou vrstvou (cca 1μm). Na obrázcích 7-8 až 7-9 jsou uvedena základní uspořádání dosud velmi rozšířených neprofesionálních poloprofesionálních standardů VHS (Video Home System fy.JVC) a S-VHS (Super-VHS) pro analogo54

55

Obr.7-8: a) Rozložení záznamových stop standardu VHS, b) princip zlepšeného zvukového záznamu do šikmých stop standardu VHS Hi-Fi (podélné zvukové stopu jsou zachovány)

vý magnetický záznam obrazových signálů s rozlišením cca 240 bodů na řádek (VHS) a téměř 480 bodů na řádek (S-VHS). Varianty pro camcordery (kombinace přenosné kamery a magnetoskopu) jsou plně kompatibilní standardy VHS-C a S-VHS-C (Compact). Liší se pouze miniaturní kazetou. Další velmi frekventovaný standard, vyvinutý firmou Sony výhradně pro camcordery, je standard VIDEO 8 a jeho poloprofesionál. ní verse Hi-Band VIDEO 8 (zkráceně Hi 8) se složkovým záznamem(luminančnía chrominanční složky se zaznamenávají do dvou sousedních stop) a kovovým plátovaným páskem). Princip standardu VIDEO 8 a základní parametry jsou na obr.7-10 a v tabulce 7-1. Má jednoduchý servosystém pohonů, protože využívá systém dynamického sledování stop DTF. K jeho výhodám patří i dlouhá doba záznamu, možnost pro SP (Standard Play) a LP (Long Play - až 120 Obr.7-9: Kmitočtové rozdělení zaznamenávaných složek minut záznamu), menší kazeta a možnost standardů: a) VHS, b) S-VHS velmi kvalitního stereofonního digitálního (PCM) záznamu zvukového doprovodu do šikmých stop (obr.7-10b).

Obr.7-10:a)´ Kmitočtové rozdělení zaznamenávaných složek standardu VIDEO 8, b) rozložení záznamových stop standardu VIDEO 8.

56

Obr.7-12: Průběhy luminančního (Y) a čas.komObr.7-11: Rozložení stop složkového analogového záznamového standardu BETACAM SP

primovaného chrominančního (CR) signálu ve standardu BETACAM SP

7.1.5 Automatická regulace pohonů (posuvu pásku a polohy rotačního disku s hlavami)

Obr. 7-13: a) Funkční schéma automatické regulace otáček rotačního disku s hlavami, b) funkční schéma automatické regulace posunu magnetického pásu v magnetoskopu

Automatická regulace pohonných jednotek magnetoskopu vyžaduje náročné servosystémy s analogovým nebo (v modernějších přístrojích) digitálním řízením. Zjednodušená funkční schémata analogových řídicích obvodů obou pohonů (motoru rotačního disku a motoru posunu pásku jsou obr. 7-13. Lze použít jen jeden způsob řízení (v levných magnetoskopech, případně v magnetoskopech standardů, které užívají systémy DTF – např. VIDEO 8, Hi 8 aj.). Lepší výsledky dává kombinace obou servosystémů zejména v případech, kdy je žádána plynulá změna rychlosti posunu pásku.

7.1.6

Korektory časových nestabilit (polohových chyb) při magnetickém záznamu obrazových signálů

Absence korektorů časových nestabilit (řízených analogových zpožďovacích vedení) způsobila, že magnetický záznam v šikmých stopách dlouho nenacházel uplatnění v profesionální studiové technice (na jedné stopě je zaznamenán obsah celého půlsnímku a vliv časových nestabilit i s nimi souvisejících polohových chyb rastru je zvlášť výrazný). Vývoj a nasazení těchto korektorů umožnilo až technologické zvládnutí řiditelných analogových zpožďovacích vedení (např. posuvných registrů CCD) a digitálního zpracování obrazových signálů. a) Studiové korektory časových nestabilit pracují na principu proměnného časového posuvu obrazového signálu. Ten se mění v závislosti na odchylkách polohy náběžných hran snímkových a řádkových synchronizačních impulsů i synchronizačního impulsu barvy reprodukovaného obrazového signálu vůči těmto signálům generovaným studiovým synchronizátorem. Nejsou tedy autonomní a lze je použít pouze při studiové korekci. Princip funkce je 57

patrný z obr 7-14. Ve třech stupních korektoru se postupně pomocí řízených zpožďovacích vedení zmenšuje velikost časových chyb pod hodnotu 3 ns, což vyhovuje i pro nezkreslenou reprodukci magnetického záznamu kompositních signálů (BOZS) soustav barevné televize s kvadraturní modulací barvonosných složek (NTSC, PAL).

Obr.7-14: Princip činnosti studiového korektoru časových nestabilit signálu z magnetoskopu

b) Autonomní korektory časových nestabilit jsou používány v kvalitních profesionálních a poloprofesionálních magnetoskopech. Využívají digitální zpracování obrazových signálů a nevyžadují studiový synchronizátor. Jejich podstatnou část tvoří dvě řádkové paměti (jedna slouží k pro zápis digitalizovaného obrazového signálu aktuálního řádku, zatímco ze druhé se současně čte signál řádku předchozího). Do paměti se postupně ukládá časově nestabilní obrazový signál jednotlivých řádků, reprodukovaný z magnetoskopu. Uložený signál je následně vysouván na výstup korektoru taktovacím signálem konstantního kmitočtu z místního, krystalem řízeného, oscilátoru, z něhož jsou odvozeny rovněž potřebné synchronizační impulsy.

7.2 Digitální magnetický záznam představuje novou kvalitu v technice magnetického záznamu. Původní verse magnetického záznamu obrazových signálů, digitalizovaných dle doporučení CCIR ITU- R 601 (viz kapitola 9) vyžadovaly vysoké relativní záznamové rychlosti, protože nebyly známy účinné a rychlé kompresní algoritmy pro snížení potřebné bitové rychlosti datového toku (pro kompositní signál až 216 Mbitů/s při uvažování lineární PCM). Zvýšení relativní záznamové rychlosti je možné v podstatě čtyřmi způsoby zvýšením rychlosti posuvu pásu (neekonomické - zvyšuje se spotřeba záznamového materiálu), zvětšením počtu otáček disku s hlavami (nevýhodné, protože na stopě již není zaznamenán obsah celého půlsnímku, čímž se ztrácí největší výhoda šikmého záznamu), zvětšením průměrů disku s hlavami (zvětšení rozměrů a hmotnosti disku), vícestopým záznamem (bitový tok je dělen na sekce a je zaznamenán více paralelními hlavami). Je to nejčastější způsob řešení . Snížení přeslechů mezi hlavami se dosahuje pomocí tzv. azimutového záznamu (štěrbiny jednotlivých paralelních hlav jsou vůči sobě pootočených o azimutový úhel α (obr.7-15). Tato technika se užívá i u složkového analogového magnetického záznamu. Problém potřebné vysoké relativní záznamové rychlosti se v moderních standardech digitálního kompresí digitálních obrazozáznamu řeší vých dat před záznamem pomocí rychlých kompresních algoritmů (MPEG 2 aj. - viz kapitola.10). Přehled základních parametrů Obr.7-15: Geometrie stop u vícestopého digitálního záznamu: existujících standardů (formátů) digitálních a) s kolmými přesazenými hlavami, magnetických záznamů je v tabulce 7-2. b) azimutový záznam

58

Tabulka 7-2: Přehled standardů SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers) řady D magnetického záznamu nekomprimovaných digitálních obrazových dat Formát

Rok

Šířka pásku

TV standard

Kvantizace

Zákl. tok dat [Mbit/s]

Komp. Tok dat [Mbit/s]

Max. čas záznamu [min]

D1 D2 D3 D5 D6

1986 1988 1991 1993 1994

¾“ ¾“ ½“ ½“ ¾“

525/625 komp. 525/625 komp. 525/625 komp. 525/625 komp. HDTV

8 bitů 8 bitů 8 bitů 8/10 bitů 8 bitů

216 115/142 115/142 360 1200

– – – – –

94 208 245 123 60

Základní výhodou digitálního magnetického záznamu je podstatně vyšší kvalita, nezávislost na počtu kopií a zejména větší odstup obrazových i zvukových (jsou rovněž nahrávány do šikmých stop) signálů od šumu (ve srovnání s analogovým záznamem je nejméně o 10 dB vyšší). V současné době je sice digitální magnetický záznam vytlačován záznamem optickým, ale stále jsou na ještě užívány různé a vzájemně nekompatibilní digitální standardy kazetového magnetického záznamu s kompresí obrazových dat pomocí různých kompresních algoritmů (např. DCT, VLC, MPEG aj.). K nim patří:

7.2.1 Standard DV (Digital video) – někdy také označovaný mini DV je digitální složkový azimutální záznam určený původně pro neprofesionální aplikace. Používá pásek šířky 0,25″ (6,35 mm). Na standardní kazetu rozměrů 125x75x14,6mm lze nahrát až 4 hodiny záznamu (na menší kazetu 66x48x12,2mm 2 hodiny). Obrazová data, digitalizovaná dle doporučení ITU CCIR R 601, jsou komprimována v poměru cca 1: 10 pomocí algoritmů Intra Frame DCT a VLC (25 Mbitů/s). Každý snímek je nahrán na 12 (PAL) nebo 10 (NTSC) šikmých stopách o šířce 10 μm (segmentovaný záznam). Každá stopa má čtyři sekvence (obr.7-16). První ITI (Insert Track Information) se využívá při následném inzertním střihu nebo přepisu záznamu, druhá obsahuje komprimovaná digitální audiodata (pro dva kanály je vzorkovací kmitočet 48 kHz při 16ti bitovém kvantování), třetí obsahuje komprimovaná digitální videodata a na čtvrté (Subcode) je informace o celkovém nastavení kamery a časový kód (VITC). Při rychlosti posuvu pásu 19 mm/s. a 9000 ot/min disku průměru 21,7 mm) je relativní záznamová rychlost vrel ≈ 10 m/s. To umožňuje rozlišení až 500 bodů na řádek. Odstup signálu od šumu audio S/N ≥ 85 dB a odstup video S/N ≥ 54 dB. V režimu Photos lze na menší kazetu zaznamenat až 500 statických obrazů. Dvoukanálová zvuková data jsou zaznaObr.7-16: Rozdělení a struktura šikmých stop u digitálního menána do šikmých stop. záznamového standardu DV

7.2.2 Standard DVCPRO a DVCPRO50 (fa. Panasonic 1995) je odvozen ze standardu DV (používá stejné kazety) a je určen pro profesionální aplikace. Používá širší stopy (18 μm) odpovídající vyšší rychlosti posuvu pásu - 33,8 mm/s (u standardu DVCPRO50 67,6 mm/s.) Obrazová data, digitalizovaná dle doporučení ITU R 601, jsou komprimována v poměru 5:1 (25 Mbitů/s) a u standardu DVCPRO50 3,3:1 (50 Mbitů/s). Ostatní parametry jsou totožné se standardem DV. Na standardní kazetu se vejde 123 minut a na menší 63 minut záznamu (u standardu DVCPRO50 90/40 minut). Standard DVCAM (fa. Sony 1995) je prakticky totožný.

7.2.3

Standard Digital BETACAM (fa. Sony 1993)

je špičkový profesionální záznamový standard využívající digitální složkový azimutální záznam. Může zaznamenat komprimovaná obrazová data (digitalizovaná dle doporučení ITU R 601 ve formátu 4:2:2) při činiteli komprese 1,6 : 1 až do rychlosti 125,6 Mbitů/s. Používá pás šířky 12,7 mm s kovovou vrstvou,

59

který se posouvá rychlostí 96,7 mm/s. Při 10800 ot/min. disku o průměru 74,4 mm je relativní záznamová rychlost cca 16,6 m/s. Na jeden půlsnímek připadá 6 stop audio/video šířky 26 μm. Dosažitelný odstup signálu od šumu S/N ≥ 52 dB. Na standardní kazetu se vejde záznam 124 minut (na kazetu mini 40 minut). Magnetoskopy tohoto standardu jsou schopny přehrávat i analogové záznamy standardů Betacam a Betacam SP. Vyrábí se jako přenosné camcordery i jako studiové střihové stroje.

7.2.4 Standard BETACAM SX (fa. Sony 1995) je opět složkový segmentovaný azimutální kazetový záznam komprimovaných obrazových a zvukových dat (komprese 10:1) pro rychlost až 18 Mbitů/s. Je určen pro levnější poloprofesionální stroje. Pás šířky 12,7 mm se posouvá rychlostí 59,57 mm/s. Při 4500 ot/min disku o průměru 74,4 mm je relativní záznamová rychlost 17,5 m/s. Na standardní kazetu se vejde záznam 184 minut, na kazetu mini 60 minut.

7.2.5 Standard Digital S (fa JVC 1993) je opět profesionální kazetový složkový segmentovaný záznam s poněkud nižší kvalitou, která však přesto předčí všechny dosavadní analogové záznamové standardy. Může zaznamenat komprimovaná (komprese DCT) digitální obrazová a zvuková data do rychlosti 99 Mbitů/s (kompresní poměr cca 3,3:1). Používá pás šířky 12,7 mm s kovovou vrstvou, který se posouvá rychlostí 57,8 mm/s. Při 4500 otáčkách disku (průměru 62 mm) za minutu je relativní záznamová rychlost 13,7 m/s. Na jeden půlsnímek připadá 10 audio/video stop o šířce 20 μm. Na kazetu se vejde záznam 105 minut. Vyrábí se jako přenosné camcordery i jako studiové střihové stroje.

7.2.6 Standard D-VHS (fa JVC 1995) je digitální kazetový (standardní kazeta VHS) složkový segmentovaný magnetický záznam. Umožňuje záznam komprimovaného (komprese MPEG-2) datového toku 2 až 28 Mbitů/s (podle proměnného činitele komprese 10:1 až 50:1 a kvality obrazu). Používá pás šířky 12,7 mm. Šířka audio/video stop je proměnná podle hustoty záznamu - 2 až 5,8 μm. Disk s hlavami o průměru 62 mm se otáčí 1800 otáčkami za minutu. Doba záznamu je proměnná dle hustoty záznamu a komprese datového toku - 2 až 47 hodin.

7.2.7 Standard D 8 (fa. Sony 1998) je nový digitální kazetový složkový komprimovaný záznam standard pro neprofesionální aplikace. Je digitální obdobou analogových záznamových standardů Video 8 a Hi 8 a používá stejný formát kazety (pás o šířce 8 mm). Magnetoskopy tohoto typu mohou přehrávat analogové záznamy Video 8 nebo Hi 8 a jsou určeny především pro kamkordéry.

7.2.8 Standard Micro MV (fa Sony 2001) je nový komprimovaný (MPEG 2) kazetový záznam (rozměry miniaturní kazety 46x30,8x8,5 mm) na magnetický pás šířky pouhých 3,8 mm s rychlostí posuvu 5,66 mm/s., který umožňuje videozáznam až 60 minut. Vzhledem k malé šířce stopy (5 μm) je hustota záznamu cca 3x větší ve srovnání se standardem DV a pro záznam i reprodukci bylo nutno užít zcela novou technologii. Každý snímek se ukládá pouze do 4 stop (segmentovaný záznam). Do každé stopy se postupně zapisují nejprve hlavní video a audio data, potom data pro vyhledávání začátků záběrů a pro zrychlené vyhledávání a následně data pro opravu chyb. Na rozdíl od všech předcházejících digitálních standardů se však při reprodukci obsah každé stopy čte dvakrát (Double Scanning), data obou čtení se ukládají do paměti, porovnává se jejich obsah, špatná data se opravují, případně doplňují a teprve potom odesílají k reprodukci.. Rotační buben o průměru 21,7 mm se otáčí 6000 ot/min. a je na něm kromě páru universálních videohlav ještě druhý pár čtecích hlav. Standard umožňuje záznamovou rychlost videodat 15 Mbitů/s. a rozlišovací schopnost až 480 řádků.

7.3 Systémy digitálních magnetických záznamů na disk Tyto systémy jsou typické především pro záznam digitálních dat v počítačích a umožňují také záznam digitálních obrazových nebo zvukových signálů. Jsou konstruovány jako tzv. pružné disky (Floppy Discs) s kapacitou jednotek Mbitů (v moderních systémech až stovek Mbitů) nebo pevné disky – (Hard Discs)

60

s kapacitou až stovek GBytů. Princip záznamové jednotky pružného disku je na obr. 7-17.

Obr.7-17: Princip záznamové jednotky pružného disku

7.4 Optický záznam do pevného media I v této oblasti vznikla řada analogových i digitálních záznamových systémů a standardů s různým praktickým využitím. K nejstarším patří analogový optický (laserový) záznam LV (Laser Videodisc), někdy také s firemními označeními LASERDISC, LASERVISION apod. Dnes již není perspektivní.

7.4.1 Systém analogového optického záznamu LV Princip optického snímání v systému LV je na obr. 7-18. Jde o jednostranný záznam kmitočtově modu-

Obr.7-18: Princip optického snímání v systému LV pomocí laserového paprsku Obr.7-19: Princip optického záznamu LV

lovaného kompositního obrazového signálu ve formě prohlubní různé délky (obr. 7-19) v plastové desce o průměru 300 mm a tloušťce 2,4 mm, která se otáčí 600 až 1800 ot/min (matriční záznam se uskutečňuje také laserovým paprskem). Prohlubně jsou potaženy reflexní kovovou vrstvou. Na jedné drážce je záznam jednoho půlsnímku, což umožňuje reprodukci zastavené obrazu. Odražený paprsek Ne-He snímacího laseru (λ = 632,8 nm) je modulován záznamenaným obrazovým signálem a po průchodu polopropustným zrcadlem je snímán fotodiodou. Doba záznamu na desce je až 1 hodina. Obr.7-20: Kmitočtové spektrum zaznamenávaných Bl Blokové schéma obvodů přehrávače LV, z něsignálů v systému LV hož je patrný princip stabilizace kmitočtu barvonosné vlny pomocí pilotního signálu (nezávislý na kolísání otáček desky), je na obr.7-21.

61

Obr.7-21: Blokové schéma přehrávače systému LV

Poznámka: Firmy JVC a RCA vyvinuly systém kapacitního záznamu CED - Capacitance Electronic Disc s kapacitním snímáním. Záznam se uskutečňoval na vinylové desce ve formě příčných stop s proměnnou hloubkou a s hustotou 400 drážek/mm. Na desce o průměru 300 mm, která rotovala 450 ot/min. bylo 60 minut záznamu. Tento systém se v Evropě neprosadil. 7.4.2

Standardy digitálního optického záznamu CD (Compact Disc)

Toto medium (obr. 7-22) s kapacitou cca 700 MBytů bylo původně určeno pro záznam počítačových dat a digitálních zvukových (audio) signálů - např. standardy CD - ROM, CD ± R, CD ± RW, CD - DA (Digital Audio). Dnes se používá i pro záznam komprimovaných digitálních obrazových (video)

dat. K záznamu a snímání se užívá „červený“ laserový paprsek (λ = cca 780 nm). Pro digitalizaci, počítačové zpracování a komprimovaný záznam digitálních obrazových signálů (dat), odpovídajících dynamický proměnným obrazovým sekvencím, na pevné (HD) nebo kompaktní (CD) disky jsou určeny tyto digitální formáty (protokoly): AVI (Audio Video Interleaved) – nejstarší platforma PC pro počítačové zpracování a záznam komprimovaných digitálních obrazových signálů bezeztrátovou kompresí (komprese dat je cca 3:1). Nevýhodou je tudíž značná velikost obrazových souborů. WMV (Windows Media Video ) – uvolněn v roce 2000. Používá ztrátovou psychovizuální kompresi na bázi MPEG-4 s rychlostí toku dat cca 1,5 Mbitů/s. Umožňuje značné zmenšení velikosti datových obrazových souborů (ve srovnání s formátem AVI) při nepodstatném snížení kvality obrazu. VCD (Video CD) – využívá kompresi digitálních obrazových signálů ztrátovým kompresním algoritmem MPEG-1 s rychlostí datového toku až Mbitů/s. (až 75 minut obrazového záznamu nižší kvality ze standardního disku CD. Tento formát umí přehrát většina standardních přehrávačů DVD. SVCD (Super Video CD) - využívá kompresi digitálních obrazových signálů ztrátovým kompresním algoritmem MPEG-2 s rychlostí datového toku do 2,5 Mbitů/s, což umožňuje velmi kvalitní záznamtéměř srovnatelný s formátem DVD. Ač tento formát je určen pro záznam na CD, umí jej přehrát i většina standardních přehrávačů DVD. Real Video, Quick Time – dva formáty vyžadující odpovídající softwarové přehrávače. Využívají kompresní algoritmus MPEG-4 Video určený pro výraznou kompresi a přenosové rychlosti od 64 kbitů/s. Div X, XviD (3,4,5) jsou formáty, využívající opět kompresní algoritmus MPEG- 4 Video (viz 10.4), které

umožňují výrazné snížení velikosti datových obrazových souborů při zachování velmi dobré kvality obrazu a které umí přehrávat většina standardních přehrávačů DVD. Poznámka: Zmíněné kompresní algoritmy MPEG-1, 2 a 4 lze rovněž zařadit mezi digitální formáty. Zejména algoritmus MPEG-2 je určen pro záznam s přenosovou rychlostí obvykle 4 až 10 Mbitů/s. a vyniká kvalitou obrazu. Využívá se zejména v přehrávačích a rekordérech DVD a digitálních kamerách. 62

Typy souborů pro záznam digitálních dat statických obrazů JPEG (Joint Picture Experts Group - přípona .jpg) – je využíván zejména v digitálních fotoaparátech pro pro zpracování a záznam digitálních obrazových dat barevných obrazů. Používá ztrátovou kompresi a 24 bitovou reprezentaci barev (8 bitů pro každý vzorek základních barev). Většina programů pro úpravu videa podporuje import souborů JPEG. BMP (formát souboru bitová mapa – přípona .bmp). Nepoužívá žádnou kompresi (velké soubory) a je proto vhodný pro opakované ukládání dat. Obsahuje 24 bitovou reprezentaci barev. GIF (Graphics Format Interchange – přípona .gif). Není vhodný pro kvalitní barevné fotografie (používá pouze na 256 barev). TIFF (Tagged Image File Forma – přípona .tif). Používá bezeztrátovou kompresi a 24 bitovou reprezentaci barev (relativně velké soubory). Pro vynikající kvalitu obrázků je užíván např. v tiskařském průmyslu. V programech pro úpravu digitálního videa není obvyklý. PNG (Portable Network Graphics – přípona .png) jevelmi kvalitní, ale nepříliš často používaný formát. Používá bezeztrátovou kompresi obrazových dat a 24 bitovou reprezentaci barev.

7.4.3

Standard digitálního optického záznamu DVD (Digital Versatile Disc)

Zatím nejmodernější standard díky vysoké hustotě záznamu (cca 7x větší než standardy pro CD). Vyznačuje se velkou záznamovou kapacitou a rychlostí čtení obrazových dat. Používá disk standardních rozměrů CD (120 mm – obr. 7-22, příp. 80 mm), do něhož jsou data zapisována (vypalována) a čtena „červeným“ paprskem laseru (l = cca 650 nm) rychlostí až 9,8 Mbitů/s. Středy stop jsou vzdáleny pouze 0,74mm a mamaximální délka záznamové plošky je 0,4 mm.

Obr.7-23:Srovnání hustoty záznamu: a) CD, b) DVD (zvětšeno cca 10000x) Obr.7-22: Princip záznamu dat na kompaktní disk (CD)

Při záznamu obrazových signálů se používá kompresní algoritmus MPEG-2 s proměnným činitelem komprese dle žádané kvality obrazu. Kapacita jedné vrstvy záznamu DVD je 4,7 GBytů. Konečná verse standardu předpokládá záznam ve dvou vrstvách a to na obou stranách disku, což představuje celkovou kapacitu cca 17 Gbytů. Princip čtení z obou vrstev pomocí změny ostření laserového paprsku je na obr.7-24 a postup výroby disku DVD je patrný z ob r.7-25. Poznámka: Skutečná kapacita disku je pouze 4,37 GB, protože v počítačové terminologii 1 GByt představuje 1024 a nikoliv 1000 Mbitů. Formáty DVD DVD±R (Recordable) - jsou vzájemně nekompatibilní formáty určené pouze pro záznam. Formát DVD-R podporují především japonské firmy, formát DVD+R např. fa. Philips. Některé přehrávače a rekordéry DVD (Sony) podporují oba formáty. DVD±RW (Rewritable) – přepisovatelné verse formátů DVD.

63

DVD–RAM – umožňuje využívat DVD jako pevný disk, tj. pro záznam dat do paměti. Přehrávače DVD obvykle tento formát nepodporují.

Obr.7-24: Princip čtení laserovým svazkem ze dvou záznamových vrstev DVD

Obr.7-25: Postup výroby DVD

- Modifikací záznamu DVD je standard HD DVD. Používá modrý laserový prsek (λ = 405 nm) a kompresi MPEG 4 se záznamovou kapacitou až 15 GB na jednovrstvý disk s bitovou rychlostí až 36Mbitů/s. - Čínský optický záznamový standard EVD s kapacitou 9 GB vznikl ze snahy vyhnout se placení licenčpoplatků. - Zvláštní kategorii představuje magneto-optický záznam. Využívá skutečnosti, že při dosažení teploty tzv. Curieova bodu magnetické vlastnosti materiálu mizí. Pomocí laserového paprsku při současném působení magnetického pole lze změnit orientaci původní magnetizace. Tak mohou být původní záznamy smazány a nahrazeny novým záznamem. Touto technologií vznikl nový standard standard Blu Ray, který používá rovněž modrý laserový umožňující podstatné zvýšení hustoty záznamu – až 27 GB u jednovrstvého disku s rychlostí bitového toku až 36 Mbitů/s. Podporují fy. Sony, Panasonic, Philips aj.


V jaké formě se nahrává obrazový signál při analogovém magnetickém záznamu a proč ? Jak se vypočítá délka stopy při šikmém magnetickém záznamu vbe standardu C a co je na n i zaznamenáno ? K čemu slouží a jak pracuje servosystém v magnetoskopu ? Co je to systém DTF a jak pracuje ? Co jsou to časové nestability při magnetickém záznamu a jak se korigují (princip korektorů časových nestabilit) ? Jaké znáte systémy digitálního optického záznamu ?

8 KOMPOZITNÍ ANALOGOVÉ SOUSTAVY BAREVNÉ TELEVIZE 8.1 Základní kategorizace a vlastnosti televizních soustav barevné televize Soustavy barevné televize (analogové i digitální) představují souhrn pravidel, podle kterých se složkové barevné signály včlení do úplného obrazového signálu (BOZS). Tyto soustavy je možno dělit do následujících kategorií, jejichž řazení prakticky odpovídá i chronologii jejich vývoje ve světě. - SDTV (Standard Definition Television). Původní analogové TV soustavy -např. NTSC, PAL, SECAM. - ACTV (Advanced CompatibleTelevision). Zlepšené TV soustavy jsou plně slučitelné s SDTV. Použí-

vají nové algoritmy především v terminálové části (přijímači) – např. hřebenovou filtraci, CTI, číslicové zpracování BOZS, přechod od prokládaného k postupnému rozkladu - tzv. progresivní řádkování, 100 Hz rozklad, PIP, PAP aj.). - ECTV (Extended Spectral Compatible Television). Tyto zdokonalené TV soustavy jsou pouze spektrálně slučitelné s SDTV - např. PAL I, PALplus. Kompatibilní je kanálový rastr pozemní distribuční sítě, nekompatibilní jsou struktury kodéru a dekodéru. - EDTV (Extended Definition Television). Rozšířené TV soustavy - např. soustavy MAC. Jsou nesluči64

telné s SDTV. Charakteristické pro ně jsou zvýšená rozlišovací schopnost, potlačení typických zkreslení systémů SDTV (cross-colour, cross-luminance, zlepšená synchronizace, zvukového doprovodu aj.) -

HDTV (High Definition Television). Jsou to soustavy s vysokou rozlišovací schopností a rozšířeným formátem obrazu (16:9). Jsou zcela neslučitelné s SDTV.

Současné analogové soustavy SDTV neztratí význam ani s nástupem digitální televize, protože až do nástupu televize s vysokým rozlišením (HDTV) budou představovat zdrojový formát ve studiu. Pro kompozici analogových složkových (komponentních) signálů UR,UG,UB a luminančního (jasového) signálu UY do výsledného úplného barevného signálu BOZS (v základním kmitočtovém pásmu) jsou používány tři základní analogové soustavy. Liší se způsoby modulace barvonosné vlny a modulačními rozdílovými barevnými signály (viz odstavec 1.6). Jde o tyto soustavy: soustava NTSC s kvadraturní modulací jedné barvonosné vlny (užívaná pro vysílání barevné televize v Severní a Jižní Americe, Japonsku aj.). Využívána v USA od roku 1954 dosud. soustava PAL s kvadraturní modulací jedné barvonosné vlny a přepínáním fáze v rytmu řádků (užívaná dnes ve většině evropských států). Jsou od ní odvozené soustavy PAL-I, PAL-Q , PAL plus. Je odvozena ze soustavy NTSC a vyvinuta výzkumnými laboratořemi firmy Telefunken. Je využívána v Evropě od počátku 60.let. soustava SECAM s kmitočtovou modulací dvou, postupně přepínaných, barvonosných vln Byla vyvinuta ve Francii v roce 1957. Byla do roku 1990 užívána pro vysílání i v ČSSR. Počet zemí, které ji používají, se stále zmenšuje (např.země bývalého Sovětského svazu, Bulharsko, Rumunsko, Egypt aj.).

Všechny analogové soustavy barevné televize kategorie SDTV musely v době svého vzniku splňovat principy oboustranné slučitelnosti černobílého a barevného televizního příjmu: a) princip sdílení kmitočtového pásma. Luminanční i chrominanční složky spektra BOZS musí sdílet kmitočtové pásmo kanálu luminančního signálu příslušné normy černobílé televize (obr 8-2) a musí být na dekódovací straně vzájemně oddělitelné s minimálními přeslechy, b) princip smíšených výšek. V horní části spektra jsou přenášeny společně luminanční i chrominanční složky. V dolní a střední části spektra jsou přenášeny pouze luminanční složky, c) princip konstantního jasu. Jas reprodukovaného obrazu závisí pouze na velikosti luminanční složky BOZS a musí být stejný při reprodukci na černobílém i barevném televizoru. Jas reprodukovaného obrazu musí určovat pouze luminanční signál. Pro splnění tohoto principu musí být v kódovacích i dekódovacích obvodech luminanční a barvonosný signál zpracovávány v nezávislých cestách a pro modulaci barvonosného signálu musí být použity rozdílové barevné signály. Tento princip platí pouze v lineární přenosové soustavě a je tudíž porušen nelineární gradační korekcí.

8.2 Soustava barevné televize NTSC (National Television System Committee) je nejstarší dosud užívanou soustavou barevné televize. 8.2.1 Kvadraturní modulace barvonosného signálu Úplný barevný (kompozitní) signál BOZS je tvořen superposicí luminančního signálu (včetně zatemňovací a synchronizační směsi OZS) a barvonosné vlny kvadraturně modulované UI a UQ (zámořská verse NTSC dle obr.8-2a), příp. UR−UY a UB−UY (v evropské variantě TSC - dle obr.8-2b). Princip kvadraturní modulace s potlačenými složkami barvonosné vlny je patrný z vektorového diagramu na obr.8-1 ´

Obr.8-1:Vektorový diagram kvadraturně modulovaného barvonosného signálu NTSC

´

Výsledkem je barvonosný ( chrominanční) signál UBNS. Jeho modul UBNS nese informaci o barevné sytosti a argument (fáze ϕBNS) nese informaci o barevném tónu snímaného obrazového detailu.

65

Obr.8-2: Skladba spektra kompozitního signálu NTSC: a) zámořská varianta, b) evropská varianta

8.2.2 Kmitočet fnb barvonosné vlny v soustavě NTSC musí: • ležet uvnitř přenosového kanálu příslušné televizní normy, • být co nejvyšší, aby nebyla v obraze patrná jím způsobená rušivá bodová struktura, • být dostatečně vzdálen od horního okraje přenosového kanálu, aby nebyla příliš omezena postranní pásma modulovaného chrominančního signálu (obr.8-2), V přenosovém kanále jsou, kromě vložené kvadraturně modulované barvonosné vlny o kmitočtu fnb , ještě nosný signál obrazu (fo) modulovaný luminančním signálem a audiosignálem modulovaný nosný signál zvuku (fzv). Pro snížení vzájemného rušení a usnadnění separovatelnosti jednotlivých signálů v přijímači, je třeba, aby jejich kmitočty vzájemně odpovídaly ofsetovým podmínkám. Pro správné proložení luminančních a chrominančních složek BOZS (obr.8-4) je třeba, aby kmitočet barvonosné vlny byl lichým násobkem polovičního řádkového kmitočtu fř /2. Tedy pro americkou variantu soustavy NTSC (při uvažování americké TV normy CCIR M uvedené v příloze) fnb = 455. 0,999 . fř /2 = 455 .0,999 . 15750/2 = 3,57954 MHz .

(8-1)

Korekce řádkového kmitočtu o -0,1% byla provedena proto, aby ofsetové podmínky platily i mezi kmitočty fnb a fzv. To vyžaduje, aby rozdíl mezi kmitočty nosných zvuku a obrazu fzv - fo = 4,5 MHz byl celistvým násobkem řádkového kmitočtu, což bez korekce nebylo v normě CCIR M splněno.

Obr.8-3: Proložení luminančních a chrominančních složek v soustavě NTSC (tzv. půlřádkový ofset)

V evropské TV normě CCIR D by varianta soustavy NTSC (prakticky nepoužívaná) tuto korekce nepotřebovala, protože rozdíl kmitočtů nosných zvuku a obrazu (6,5 MHz) je celistvým násobkem řádko-

66

vého kmitočtu (15625 Hz). Kmitočet barvonosné vlny může být v tomto případě vyšší, což je výhodné, protože nedochází k omezení postranních pásem chrominančních signálů (obr.8-2b). fnb = 567. fř /2 = 567. 15625 = 4,429687 MHz .

(8-2)

8.2.3 Modulační součinitele v soustavě NTSC Aby velikost superposice luminančního a kvadraturně modulovaného barvonosného signálu v BOZS přesáhla pro některé barvy úroveň bílé (černé) nejvýše o 33%, jak je patrné z obr.8-5l, je třeba modulační rozdílové signály před modulací zmenšit pomocí tzv. modulačních součinitelů m1 a m2 (< 1). V přijímači je dekódované rozdílové signály nutno opět zvětšit na původní hodnoty vynásobením součiniteli (m1)-1 a (m2)-1. Hodnoty těchto součinitelů lze pro syté barvy žlutou (RG) a modrozelenou (BG) stanovit následující úvahou (pro lepší pochopení jsou uvažovány rozdílové signály evropské varianty NTSC). Pro sytou žlutou barvu platí UR = UG = 1V a UB = 0. Odpovídající luminanční signál, po dosazení do vztahu (1-11), má velikost UY = 0,886 V. Potom rozdílové signály: UR - UY = 1 - 0 ,886 = 0,114 V a UB - UY = = 0 - 0,886 = - 0,886 V. Pro mezivrcholovou hodnotu úplného barevného signálu zvětšenou o 33% tedy platí

U NTSCmax = U Y + m12 (U R − U Y ) = 0,886 + m12 .0,114 2 + m 22 .0,886 2 = 1,33 2

a odtud po úpravě

m12 + 60,30 m22 - 15,45 = 0 .

(8-3) (8-4)

Podobně lze pro sytou zelenomodrou barvu platí UG = UB = 1 V a UR = 0. Potom luminanční signál má velikost UY = 0,701 V. Rozdílové signály UR - UY = 0-0,701 = - 0,701V a UB - UY = 1-0,701 =0,299 V. Po dosazení do vztahu (8-3) a úpravě vznikne druhá kvadratická rovnice m12 + 0,18 m22 - 0,81 = 0

(8-5)

Společným řešením rovnic (8-4) a (8-5) lze získat potřebné hodnoty modulačních součinitelů m1 = 0,877 a m2 = 0,493.

8.2.4

Analytické vyjádření úplného barevného signálu (BOZS) v soustavě NTSC

Matematicky lze vyjádřit kompozitní signál (BOZS) americké soustavy NTSC vztahem UNTSC = UY + USS + USIB + UBNS = UY + USS + USIB + m1UI .cosωnbt + m2 UQ sinωnbt = = UY + USS + USIB +

m12 U12 + m22 U 2 sin (ω nbt +ϕ BNS ) , Q

(8-6)

kde značí: USS............synchronizační směs USIB...........tzv. synchronizační impuls barvy (burst) (odst.8.2.6) ϕBNS......... okamžitou fázi barvonosného signálu, pro niž platí

ϕBNS (t) = arctg [(m1 .UI ) / (m2 .UQ)] .

(8-7)

Vztahy (8-6) a (8-7) jsou platné i pro evropskou variantu soustavy NTSC, pokud se v nich nahradí přirozené rozdílové signály UI a UQ rozdílovými signály UR - UY a UB - UY. V dalším textu bude pr větší názornost a s ohledem na to, že prakticky jediná evropská soustava analogové barevné televize PAL vychází z principů soustavy NTSC interpretována evropská varianta soustavy NTSC.

8.2.5

Vektorigram barvonosného signálu NTSC

Barvonosný signál NTSC lze s výhodou zobrazit vektorově v rovině rozdílových signálů zmenšených modulačními součiniteli ve formě tzv. vektorigramu (obr.8-4) standardní stupnice šesti svislých barev-

67

ných pruhů (obr.8-5). Modul každého vektoru je vyjádřen vztahem (pro evropskou variantu soustavy NTSC)

UBNS = m12 (U R − U Y ) + m 22 (U B − U Y ) 2

2

(8-8)

a fáze ϕBNS = arctg [(m1(UR - UY)/m2(UB - U Y)]. (8-9)

Obr.8-4: Vektorové znázornění (vektorigram) barvonosných složek BOZS stupnice sedmi svislých barevných pruhů

Fázový úhel barvonosného signálu ϕBNS se odečítá od kladného vodorovné osy proti směru hodinových ručiček. Referenční nulu fáze barvonosné vlny ϕnb představuje naopak záporný směr vodorovné osy vektorigramu (viz obr.8.4). K zobrazení vektorigramu barvonosných složek normovaného úplného barevného signálu (BOZS) sedmi svislých barevných pruhů slouží vektorskop (vektorimetr). Na obrazovce souřadnicově zobrazuje výstupní rozdílové signály dekodéru NTSC. Ze změny polohy vektorů lze kvantifikovat amplitudová i fázová zkreslení, ke kterým došlo v přenosovém řetězu.

a),b),c) Časové průběhy složkových signálů UR, UG, UB, odpovídajících sedmistupňové stupnici svislých barevných pruhů, v jednom řádku

d)

Časový průběh luminančního (jasového) signálu v jednom řádku

e), f) Časové průběhy rozdílových signálů (s uvažováním modulačních součinitelů) v jednom řádku

g), h) Časové průběhy složek kvadraturně modulovaného signálu v jednom řádku

68

i) Časový průběh kvadraturně modulovaného barvonosného signálu j)

Řádkový synchronizační impuls

k) Synchronizční impuls barvy SIB (vzorek barvonosné vlny NTSC) l)

Časový průběh úplného barevného signálu evropské varianty soustavy NTSC v jednom řádku

Obr.8-5 Skladba úplného barevného signálu evropské varianty soustavy NTSC odpovídajícího normovanému signálu sedmistupňové stupnici svislých barevných pruhů 8.2.6

Synchronizační impuls barvy (burst) v soustavě NTSC

Kvadraturně modulované složky barvonosného signálu NTSC je nutno v přijímači dekódovat pomocí synchronních demodulátorů. Pro jejich činnost je nutná barvonosná vlna stejná jako v kvadraturním modulátoru kodéru. V dekodéru je nutno ze synchronizačního impulsu barvy (SIB) obnovit kontinuální barvonosnou vlnu s vysokou kmitočtovou a fázovou přesností pomocí rekombinačních obvodů . Synchronizační impuls barvy je umístěn za řádkovým synchronizačním impulsem (v době řádkového zatemnění) ve formě vzorku 9 až 12 harmonických kmitů barvonosné vlny. Amplitudové i časové relace synchronizačního impulsu barvy NTSC jsou patrné z obr.8-6. Přenos SIB se přerušuje pouze v časovém intervalu půlsnímkových vyrovnávacích a udržovacích impulsů. Fázová chyba obnovené barvonosné vlny nesmí přesáhnout ± 5°. Větší chyba by již způsoObr.8-6: Synchronizační impuls barvy NTSC a jeho bila viditelné zkreslení barevného tónu. umístění v úplném barevném signále

8.2.7 Kódovací obvody soustavy NTSC Struktura a funkce kódovacích obvodů evropské varianty soustavy NTSC vyplývá z obr.8-7. Kvadraturní modulace se uskutečňuje spojením výstupních signálů dvou vyvážených amplitudových modulátorů, jejichž nosné vlny o kmitočtu fnb jsou fázově posunuty o 90°. Luminanční signál, zpracovávaný v souladu s principy slučitelnosti v nezávislém kanále, musí být zpožďovacím vedením zpožděn o dobu odpovídající rozdílu zpoždění modulačních rozdílových signálů v luminančním a chrominančním kanále (asi 300 - 400 ns dle technologického provedení). Rozdílové signály jsou kmitočtově omezeny dolními propustmi. V evropské variantě kodéru NTSC jsou jejich horní mezní kmitočty shodné (fhDP = 1,6 MHz). V americké variantě se mezní kmitočty přirozených rozdílových signálů UI , UQ liší (1,3 MHz pro signál UI, 0,5 MHz pro signál UQ). Proto jsou i zpoždění v obou dolních propustech různá a musí být nejprve vyrovnána pomocným zpožďovacím vedením za dolní propustí pro signál UI.

69

Obr.8-7: Blokové schéma kodéru evropské varianty soustavy barevné televize NTSC

8.2.8

Dekódovací obvody soustavy NTSC

Struktura a funkce dekódovacích obvodů eropské varianty sosutavy NTSC je patrná z obr.8-8. Kvalitu dekódovacího procesu výrazně ovlivňuje způsob rozdělení luminančních a chrominančních složek úplného barevného signálu. V levnějších přijímačích se k tomuto účelu používá pásmová zádrž (tzv. vroubkový filtr) v luminančním kanále, kterým se odfiltrují spektrální složky barvonosného signálu a pásmová pro-

Obr.8-8: Blokové schéma dekodéru evropské varianty soustavy barevné televize NTSC

pust v chrominančním kanále, která naopak tyto složky propouští. Toto separace není příliš kvalitní, protože potlačuje vysokofrekvenční složky luminančního signálu a nezabraňuje pronikání luminančních složek do barvonosného signálu. Velmi kvalitní seperace luminančních a chrominančních složek se uskutečňuje pomocí analogových nebo digitálních hřebenových filtrů (obr.8-9). Z přenosových charakteristik je patrné, že při době zpoždění zpožďovacího vedení rovném řádkové periodě (τ = tř = 64 μs) jsou, díky půlřádkovému ofsetu spektrálních složek barvonosného signálu na jednom výstupu pouze luminanční a na druhém chrominanční složky. Analogová zpožďovací vedení se realizují pomocí nábojově vázaných struktur nebo struktur se spínanými kapacitory. 70

Obr.8-9: a) Zjednodušené blokové schéma analogového hřebenového filtru se zpožďěním τ = 64 μs, b) idealizovaný průběh modulu přenosu bezeztrátového hřebenového filtru

Velmi důležitým funkčním blokem dekodéru NTSC je rekombinátor barvonosné vlny, který pracuje obvykle na principu nespojitého kmitočtově-fázového závěsu (obr.8-10). K jeho základním parametrům patří: • statická a dynamická fázová odchylka (způsobená šumem) v ustáleném stavu, • doba ustálení, • pásmo pasivní synchronizace (kmitočtové pásmo, ve kterém se závěs udrží v synchronizaci při pomalých změnách kmitočtu synchronizujícího signálu), • pásmo aktivní synchronizace (kmitočtové pásmo, ve kterém je závěs schopen zachycení do stabilního synchronizovaného stavu).

Obr.8-10: Blokové schéma aktivního rekombinátoru barvonosné vlny v dekodéru NTSC

Postatnou částí dekodéru NTSC jsou dva shodné synchronní demodulátory pro demodulaci kvadraturně modulovaného barvonosného signálu pracující na principu součinové detekce. Jeden demodulátor dostává barvonosnou vlnu fázově posunutou o 90° vůči druhému. Princip součinového demodulátoru je na obr.8-11.Vstupními signály jsou: kvadraturně modulovaný barvonosný signál u1(t) = UBNS(t).sin [ωnbt +ϕBNS (t)]

Obr.8-11: Princip součinnové detekce pro jeden synchronní demodulátor

Obr.8-12: Blokové schéma synchronních demodulátorů se shodnou fází barvonosné vlny

a harmonický signál barvonosné vlny u2(t) = Unb sin ωnbt (u druhého demodulátoru u2 = Unb cos ωnbt). Pro výstupní signál platí uvýst (t) = u1(t) . u2(t) a po dosazení a úpravě uvýst (t) = K Unb .UBNS (t).[cos ϕBNS (t) + cos 2ωnb t.cosϕBNS (t) - sin 2ωnb t .sin ϕBNS (t)].

71

(8-10)

Po filtraci dolní propusti, která odfiltruje vysokofrekvenční složky tohoto signálu, je výstupní signál uvýst(t) = K.Unb UBNS(t). cos ϕBNS(t) = K.Unb.m2(UB - UY)

(8-11)

Druhý rozdílový signál je na výstupu druhého demodulátoru s barvonosnou vlnou Unb cosϕnb t. Na obr. 8-12 je alternativní blokové schéma demodulátoru kvadraturně modulovaného barvonosného signálu se shodnou barvonosnou vlnou a zpožďovacím obvodem v kanálu synchronního demodulátoru B-Y. Současné mikroelektronické technologie umožňují vyrábět integrované dekodéry i pro více soustav (tzv. multinormové dekodéry).

8.2.9 Vlastnosti soustavy barevné televize NTSC Tato nejstarší analogová soustava barevné televize používá čisté přenosové principy, je dobře slučitelná s černobílou televizí a poskytuje velmi dobrou kvalitu barevného obrazu za předpokladu ideálního přenosového kanálu. Lineární a nelineární zkreslení amplitudová i fázová a další zkreslení, typická pro reálný kanál (např. odrazy a vícenásobný příjem při terestrickém vysílání aj.), však kvalitu barevného obrazu výrazně zhoršují. Obecně platí, že amplitudová zkreslení se projevují změnou sytosti a fázová zkreslení změnou tónu barev. Obvykle je však vliv těchto zkreslení kombinovaný. Na změnu barevného tónu je lidský zrak podstatně citlivější a proto vliv fázových zkreslení je závažnější. Vliv amplitudových a fázových lineárních zkreslení je ilustrován na obr.8-13a,b. Z obr. 8-13a je patrné,.že potlačení modulu přenosu v horním kmitočtovém pásmu kvadraturně modulovaného barvonosného signálu U´BNS (UB - UY = 0, ϕBNS = 90°) vede ke zmenšení jeho modulu a zvětšení fáze (ke vzniku přeslechové složky do kanálu UB - UY). To se projeví zmenšením sytosti barvy a změnou tónu směrem ke žlutozelené barvě. Lineární fázové zkreslení ve stejném kmitočtovém pásmu (obr.8-13b) vede naopak ke zvýšení sytosti, ale k podobné změně barevného tónu. Obvykle se amplitudová a fázová zkreslení uplatňují společně.

Obr .8-13: Vliv lineárního zkreslení vlivem nerovnoměrného průběhu: a) amplitudově-kmitočtové charakteristiky , b) fázově-kmitočtové charakteristiky přenosového kanálu

Nelineární zkreslení diferenciálního zesílení a diferenciální fáze se v soustavě NTSC projevují zejména v kmitočtové oblasti barvonosných složek, protože úroveň barvonosného signálu závisí na okamžité velikosti luminančního signálu. K nesporným výhodám úplného barevného signálu NTSC, vzhledem k lineárnímu charakteru použitých modulačních metod, patří jednoduché režijní zpracování v kompozitním tvaru. K nevýhodám naopak patří přísnější požadavky na parametry magnetického záznamu vyplývající z nutnosti zachování fázové věrnosti synchronizačního impulsu barvy po reprodukci (nutnost korekce časových nestabilit). Poznámka: V případě barevných obrazů reprodukovaných úplnými obrazovými signály libovolné soustavy barevné televize se projevuje další systémové zkreslení související se způsobem vytváření jasového signálu. Projevuje se snížením sytosti spektrálních barev vlivem gradační korekce. Toto zkreslení vzniká, jestliže se luminanční signál vytváří maticováním jako lineární kombinace gradačně korigovaných složkových signálů dle vztahu (1-11). Na druhé straně dochází při vytváření luminančního signálu maticováním ke zvýšení jeho odstupu signálu od šumu, protože nekorelované šumové příspěvky složkových signálů

72

se sečítají vektorově, kdežto luminanční signál vzniká váhovaným aritmetickým součtem jednotlivých složkových signálů. V případě nepestré bílé barvy (UR = UG = UB = 1 V) je teoretické zvýšení 1,5 krát (tedy o + 3,5 dB), protože k=

0,299 + 0,587 + 0,114 1/ 2

≅ 1,5 .

⎛⎜ 0,299 2 + 0,587 2 + 0,114 2 ⎞⎟ ⎝ ⎠

8.3 Soustava barevné televize PAL (Phase Alternating Line) patří rovněž do kategorie SDTV. Vznikla v laboratořích fy. Telefunken a je nejrozšířenějším soustavou barevné televize v Evropě. Vychází ze soustavy NTSC a využívá všechny její principy (kvadraturní modulaci barvonosného signálu rozdílovými signály UR - UY, UB - UY, ofsetové proložení luminančních a chrominančních složek, stejné velikosti modulačních součinitelů apod.).

8.3.1 Periodické přepínání fáze barvonosné složky UR - UY Periodické přepínání fáze barvonosné složky UR - UY o 180° v následujících řádcích na kódovací straně a její zpětná komutace (obr.8-14) na dekódovací straně je nejvýraznější změnou soustavy PAL proti soustavě NTSC. Slouží ke kompenzaci vlivu fázových zkreslení přenosového kanálu na fázi dekódovaného barvonosného signálu a tedy i na barevný tón obrazu. Kompenzuje stálá nebo pomalu časově proměnná fázová zkreslení. V základních variantách soustavy PAL (PALS,PALDL) je převádí na nepodstatná amplitudová zkreslení (zmenšení amplitudy) barvonosného signálu a tedy malé snížení sytosti barev reprodukovaného obrazu. Na obr. 8-15 je znázorněno skládání přímých a přepínaných vektorů barvonosného signálu v kodéru a skládáObr.8-14: Vektorové znázornění periodického a) přepínání fáze ní komutovaných i nekomutovaných složky UR - UY v kodéru PAL, b) zpětná mutace této vektorů v dekodéru. Je patrné, že po složky v dekodéru PAL (pro případ přenosového kazpětné komutaci a vektorovém součtu je nálu bez fázového zkreslení) zachován původní fázový úhel ϕ barvonosného signálu, přestože byl vysílaný signál v přenosovém kanále fázově posunut o úhel α.. Zmenšila se poněkud amplituda dekódovaného barvonosného signálu (z původní hodnoty Uϕ na hodnotu Uϕk). Je tedy zachována věrná reprodukce barevného tónu za cenu malého snížení barevné sytosti. Dekodéry PAL se liší formou realizace vektorového součtu barvonosných signálů ve dvou po sobě následujících řádcích (v nejjednodušší soustavě PALS se uskutečňuje vizuálně na obrazovce a využívá setrvačnosti zrakového vjemu pozorovatele). Velikost výsledného vektoru barvonosného signálu po kompenzaci lze vyjádřit vztahem

Uϕk = 1/2 (Uϕ+α + U∗ϕ+α) = 1/2(Uϕ .e j(ϕ+α) + e j/ϕ−α) = 1/2 Uϕ e jϕ (e jα + e -jα) = Uϕ .cos α .

(8-12)

Ze vztahu (8-12) vyplývá, že zmenšení amplitudy kompenzovaného barvonosného signálu PAL je závislé na fázovém posunutí α. Pro malá fázová zkreslení je odpovídající snížení barevné sytosti zanedbatelné.

73

V obr.8-15 značí: Uϕ = UBNS ...vektor barvonosného signálu v řádku n (kodér) Uϕk.............. dekódovaný vektor barvonosného signálu v n + 1 řádku po kompenzaci Uϕ∗...............vektor komplexně sdruženého barvonosného signálu v řádku n + 1 (kodér) Uϕ+α.............vektor barvonosného signálu v řádku n fázově posunutý o úhel α (dekodér) U∗ϕ+α.............vektor komplexně sdruženého barvonosného signálu v řádku n + 1 fázově posunutý o úhel α (dekodér) U*φ+α............ zpětně komutovaný vektor komplexně sdruženého barvonosného signálu fázově posunutý o úhel α v řádku n + 1 (dekodér). Obr.8-15:

Princip kompenzace fázových zkreslení barvonosného signálu soustavy PAL

V dekodéru PALN lze navíc i toto systémové zkreslení kompenzovat. Kompenzace se uskutečňuje pomocí dodatečného fázového natočení rekombinované barvonosné vlny o úhel α . Protože tento fázový úhel se může v čase měnit, je třeba obnovovat barvonosnou vlnu přímo z barvonosného signálu. Dekodér soustavy PALN je složitější z důvodu komplikované struktury rekombinátoru.

8.3.2 Kmitočet fnb barvonosné vlny soustavy PAL Kmitočtové spektrum barvonosného signálu je, z důvodu periodického přepínání fáze složky UR UY, bohatší a obsahuje dvojnásobný počet spektrálních čar, jak je patrné z obr.8-16. Tato skutečnost komplikuje volbu kmitočtu fnb barvonosné vlny pro dosažení ofsetových podmínek proložení luminančních a chrominančních složek barvonosného signálu PAL. Použití půlřádkového ofsetu NTSC by vedlo k tomu, že při proložení spektrálních čár jedné složky (např. UR - UY), spektrum druhé složky (UB - UY) splyne se spektrem luminančního signálu a způsobí barevné rušení obrazu zejména v barvách, které neobsahují složku UB - UY. Proto je nutno volit kmitočet barvonosné vlny v tzv. čtvrtřádkovém ofsetu, pro nějž platí

fnb = (k - 0,25) fř + fs ,

Obr .8-16: Struktura výseku kmitočtového spektra BOZS při čtvrtřádkovém ofsetu - jsou zakresleny pouze dominantní složky spekter: a) signálu UY, b) signálu UR - UY, c) signálu UB - UY, d) úplného barevného (kompozitního) signálu PAL

fs = 25 Hz, fř = 15625 Hz a k = 284.

kde značí k...........libovolné celé číslo fř, fs...... řádkový, snímkový kmitočet Pro televizní normy CCIR D,B je

Potom vychází fnb = 4,43 361875 MHz. 74

(8-13)

8.3.3 Analytické vyjádření úplného barevného signálu (BOZS) PAL Formální zápis BOZS PAL, který užívá také kvadraturní modulaci barvonosného signálu, je téměř shodný se soustavou NTSC (soustava PAL používá stejné hodnoty modulačních součinitelů m1, m2). Liší se pouze formálním vyznačením periodického přepínání fáze složky UR - UY

UPAL = UY + USS + USIB + UBNS = UY + USS + USIB ± m1(UR - UY) cosωnb t + m2 (UB - UY) sinωnb t = = UY + USS + USIB +

8.3.4

m12 (U R − U Y ) + m 22 (U B − U Y ) 2

2

sin (ωnb t ± ϕBNS) .

(8-14)

Vektorigram soustavy PAL

Vektorigram barvonosného signálu soustavy PAL, odpovídající normovanému měřicímu signálu sedmistupňové stupnice svislých barevných pruhů v řádku, je na obr. 8-17. Obsahuje dvojnásobný počet vektorů, protože se v něm zobrazují také komplexně sdružené vektory komutovaného barvonosného signálu.

8.3.5 Synchronizační impuls barvy v soustavě PAL a jeho funkce plní dvě funkce. Slouží jako referenční signál pro obnovování kontinuální barvonosné vlny v rekombinátoru pro synchronní demodulátory dekodéru PAL - stejně jako v soustavě NTSC. Kromě toho musí umožnit přenos řídicího signálu pro synchronní přepínání obvodu zpětné komutace signálu UR - UY v dekodéru. Obě informace jsou neseny jediným signálem SIB (obr. 8-18). V soustavě NTSC měl SIB v každém řádku nulou počáteční fázi. U synchronizačního impulsu soustavy PAL se fáze mění v každém řádku o ± 45° vůči referenční nulové fázi SIB, jak je patrno z obrázků 8-17 a 8-18b. V rekombinátoru PAL

Obr.8-18: a) Synchronizační impuls barvy PAL(SIB), b) vektorové znázornění fáze SIB ve třech po sobě následujících řádcích, c) časový průběh řídicího signálu pro komutační obvod

Obr.8-17: Vektorigram soustavy PAL měřicího signálu sedmistupňové stupnice svislých barevných pruhů s vyznačením polohy vektoru synchronizačního impulsu barvy

(obr.8-19) jsou za kmitočtově-fázovým diskriminátorem zapojeny v kaskádě dvě dolní propusti s rozdílnými časovými konstantami - τ1 = R1.C1 a τ2 = R2.C2 , přičemž τ1 << τ2. Vlivem periodického střídání fáze SIB se za první dolní propustí vytvoří řídící signál Uk s periodou 2tř (obr.8-18c), který po zesílení synchronizuje komutační obvod barvonosné složky UR - UY v dekodéru PAL. Vzhledem k tomu, že periodické změny fáze se uskutečňují symetrický kolem nulové referenční fáze SIB, není narušeno přesné obnovování kontinuální barvonosné vlny z oscilátoru řízeného střední hodnotou signálu Uř, které je na výstupu druhé dolní propusti s větší časovou konstantou τ2.

75

Obr.8-19: Blokové schéma rekombinátoru barvonosné vlny v dekodéru soustavy PAL

8.3.6 Kódovací obvody soustavy PAL jsou společné pro všechny způsoby dekódování (PALS PALDL , PALN) a jsou prakticky totožné s dekódovacími obvody soustavy NTSC. Liší se pouze přídavnými obvody pro periodické přepínání fáze barvonosné vlny pro modulátor složky m1(UR - UY). Složitější je i vnitřní struktura zdroje SIB, který musí být řízen řádkovými synchronizačními impulsy ŘSI a generovat vzorky 9 až 12 kmitů barvonosné vlny s periodicky se střídající fází o ± 45° (obr.8-18). Schéma kodéru PAL je na obr.8-20.

Obr.8-20: Blokové schéma kodéru soustavy PAL

8.3.7 Dekódovací obvody soustavy PAL Nejjednodušší způsob dekódování BOZS PAL se používá v dekodéru PALS (Simple), jehož blokové schéma je na obr.8-21. V tomto případě se na obrazovce v sousedních řádcích zobrazují barvy odpovídající přímému a sdruženému (nekomutovanému) vektoru barvonosného signálu. Jejich průměrování se uskutečňuje vizuálně (jako aditivní mísení dvou místně i časově posunutých barevných světel) zrakovým vjemem pozorovatele. Tento proces funguje spolehlivě při korekci malých fázových zkreslení (α < 25°). Nad touto hranicí jsou již barvy v sousedních řádcích příliš odlišné a v obraze se projevuje rušivá proužková struktura (tzv. žaluziový jev nebo také Hanoverské proužky). Pro libovolná fázová zkreslení je nutno uskutečnit elektronickou komutaci sdruženého vektoru barvonosného signálu aktuálního řádku a jeho vektorový součet s vektorem nekomutovaného barvonosného signálu předchozího řádku. Potom je barvonosný signál a odpovídající reprodukovaná barva sousedních řádků stejná. Tyto signálové operace uskutečňuje nejobvyklejší verse dekodéru PALDL (Delay Line), jehož blokové schéma je na obr.8-22. Princip natáčení modulovaných složek U a V barvonosného signálu ve sledu tří řádků (n - 1 až n + 1) demodulátorem se zpožďovacím vedením je na obr.8-23. Tyto demodulátory přenosovými vlastnostmi a obvodovým uspořádáním odpovídají strukturou hřebenovým filtrům (viz obr.8-9).

76

Obr-8-21: Blokové schéma nejjednoduššího dekodéru PALS

Obr.8-22: Blokové schéma dekodéru PALDL

Na výstupech součtových členů se vytváří kvadraturně modulované složky U a V . Ty jsou následně demodulovány synchronními demodulátory, na které se přivádí barvonosná vlna s požadovanou fází. Analogová zpožďovací linka bývá v současných integrovaných dekodérů realizována strukturami CCD nebo spínaných kapacitorů. Její zpoždění τDL musí být dlouhodobě velmi stabilní. Aby došlo k fázově přesnému sečítání přímého a zpožděného signálu, musí být blízké řádkového intervalu tř a rovno celému

77

Obr.8-23: Vektorové znázornění natáčení složek U a V barvonosného signálu v dekodéru PALDL (v obrázku značí symboly: V = m1(UR - UY) cosωnb t a U = m2 (UB - UY) sinωnb t)

násobku poloviční délky nebo celé délky barvonosné vlny. Pro jeho přesnou hodnotu platí

τDL =

k−m , f nb

(8-15)

a po dosazení pro m = 0,5

kde v evropské variantě soustavy PAL je k = 284 a m = 0,5 nebo 1

τDL =

284 − 0,5 4,43361875 ⋅ 10 6

= 63,943 μs .

Nejsložitější dekodér PALN (New) umožňuje navíc také kompenzaci systémového zmenšení amplitudy barvonosného signálu PAL dle vztahu (8-12). Barvonosná vlna pro synchronní demodulátory se obnovuje přímo z barvonosného signálu aktivního řádku a je tedy vždy posunuta o časově proměnný fázový úhel α. Pouze malé zvýšení kvality barevného obrazu však neodpovídá složitosti a ceně tohoto dekodéru, který nedoznal velkého uplatnění.

8.3.8

Vlastnosti soustavy barevné televize PAL

ovlivňuje způsob dekódování. Významné zlepšení, ve srovnání se soustavou NTSC, představuje systémová korekce fázových zkreslení, která vznikají v reálném přenosovém kanále. Tato korekce se příznivě uplatňuje i na zmenšení zkreslení způsobených odrazy (např. nepřízpůsobené vedení) nebo vícenásobným příjmem (např. při terestrickém vysílání). Při použití dekodéru PALDL, případně PALN se rovněž snižuje možnost vzniku přeslechových složek vlivem lineárních zkreslení (nevhodný průběh přenosových charakteristik kanálu). Zůstává zachována citlivost BOZS PAL na nelineární zkreslení diferenciálním zesílením. Ke kladům soustavy PAL patří snadné režijní zpracování, kontrola a měření úplného obrazového signálu PAL. Nevýhodou je poněkud složitější a dražší dekodér a zvýšené nároky na přesnost a stabilitu zpožďovacího vedení.. V reálných přenosových podmínkách je soustava PAL nejkvalitnější ze tří stávajících analogových soustav barevné televize kategorie CDTV.

8.4 Soustava barevné televize SECAM (Sequences de Couleurs a Memoire).

8.4.1 Základní principy a vlastnosti soustavy barevné televize SECAM Tato soustava patří rovněž do kategorie CDTV. Protože její význam klesá, bude zmíněna pouze její základní struktura a vlastnosti. Současně, v některých zemích používaná, soustava SECAM IIIb (někdy také SECAM IIIopt) je již třetí vylepšenou versí původní soustavy SECAM. Používá kmitočtovou modulaci dvou postupně v řádkovém intervalu přepínaných barvonosných vln (kmitočtová modulace neumožňuje modulovat jednu nosnou vlnu dvěma modulačními signály) modulovaných modifikovanými rozdílovými signály DR = -1,9 (UR - UY) a DB = 1,5 (UB - UY). Použití kmitočtové modulace barvonosné vlny mělo eliminovat vliv amplitudových a do jisté míry i fázových zkreslení (konstantních nebo pomalu

78

se měnících fázových posuvů) na kvalitu barevného obrazu. Přineslo však problém při reprodukci nepestrých nebo málo sytých barev (zejména ve velkých plochách se projevovala rušivá struktura zbytkového barvonosného signálu, protože u kmitočtové modulace nosná vlna nevymizí při nulovém modulačním signálu). Opatření, která bylo nutno pro snížení tohoto rušení provést (zavedení vysokofrekvenční preemfáze, různých kmitočtů a cyklického přepínání fáze barvonosných vln), značně zkomplikovala struktury kodéru i dekodéru a do jisté míry redukovala výhody použité kmitočtové modulace. K dalším závažným nevýhodám soustavy SECAM patří zejména: ♦ nemožnost ofsetového proložení luminančních a chrominančních složek spektra barvonosného signálu a tím i podstatné zhoršení možnosti separace těchto složek v dekodéru (v případě kmitočtové modulace se složky spektra významně posouvají), ♦ při postupném přenosu barevných informací nejsou na dekódovací straně oba aktuální rozdílové signály k dispozici současně. Chybějící rozdílový signál, přenášený v předcházejícím řádkovém intervalu, je nutno uložit v paměti (zpozdit) a využít pro maticování složkových signálů v aktuálním řádku. Tato metoda má plné opodstatnění ve velkých plochách obrazu (barevný obsah sousedních řádků je stejný), ale na vodorovných barevných rozhraních selhává, ♦ úplný barevný signál SECAM IIIb nelze režijně zpracovávat v kompozitním tvaru. Je nutno jej dekódovat na luminanční a rozdílové složky, v komponentní formě režijně zpracovat a znovu zakódovat, což značně komplikuje režijní zařízení. Kmitočtová modulace je totiž nelineární proces a superpozice dvou kmitočtově modulovaných signálů není po demodulaci totožná se superpozicí modulačních signálů. ♦

8.4.2 Analytické výjádření úplného barevného signálu (BOZS) SECAM IIIb BOZS soustavy SECAM IIIb lze vyjádřit vztahem

USECAN = UY + USS + USSB + UBNS cosϕ (t),

(8-16)

kde okamžitá fáze barvonosnosného signálu

ϕ (t) = ∫ [fnbR,B ± ΔfR,B .DR,B (t)]dt .

(8-17)

V těchto vztazích značí fnbR, fnbB ... kmitočty barvonosných vln: fnbR = 4,40625 MHz fnbB = 4,25000 MHz ΔfR, ΔfB.... kmitočtové zdvihy jednotkových rozdílových signálů ΔfR = 280 kHz ΔfB = 230 kHz.

8.4.3 Kódovací obvody SECAM IIIb Blokové schéma kodéru SECAM IIIb je na obr. 8-24. Vjem rušivé bodové struktury v obraze, způsobený zbytkovou barvonosnou vlnou kmitočtově modulovaného barvonosného signálu při přenosu nepestrých nebo málo sytých barev, se v kodéru snižuje pomocí vysokofrekvenční preemfáze, jejíž komplexní přenosová funkce je vyjádřena vztahem (normovaný průběh modulu je na obr.8-25b) Obr.8-24: Blokové schéma kodéru soustavy SECAM IIIb

79

Avf ( f ) =

1 + j 16α , 1 + j 1,26α

α = f / fo - fo / f ,

(8-18) kde fo = 4,286 MHz .

(8-19)

Ke snížení subjektivního vjemu této rušivé struktury používá soustava SECAM IIIb také přepínání kmitočtů (v každém následujícím řádku) a fáze (o 180° v každém třetím řádku) barvonosných vln. Vlivem vysokofrekvenční preemfáze vzniká přídavná amplitudová modulace barvonosného signálu, kterou je nutno na vstupu dekódovacích obvodů eliminovat obvodem vysokofrekvenční deemfáze s inverzním průběhem přenosové charakteristiky, připomínající tvarem zvon (francouzsky cloche) – obr.8.25b.

Obr.8-25: Amplitudově-kmitočtové charakteristiky a) nízkofrekvenční preemfáze, b) vysokofrekvenční preemfáze soustavy SECAM IIIb (čárkovaně je zakreslena charakteristika vf. deemfáze)

Postup vytváření úplného barevného signálu SECAM IIIb je patrný z obr.8-26. V řádkovém rytmu postupně přepínané modifikovaní rozdílové signály DR a DB po kmitočtovém omezení v dolní propusti (1,6 MHz) jsou před kmitočtovou modulací podrobeny obvyklé nízkofrekvenční preemfázi, pro jejíž komplexní přenosovou funkci platí (průběh amplitudově-kmitočtové charakteristiky je na obr. 8-25a). Anf (f) =

1 + j f / f1 , 1 + j f / 3 f1

kde f1 = 85 kHz

(8-20)

Časové průběhy modifikovaných rozdílových signálů po nízkofrekvenční preemfázi jsou na obr.8-26f. V následujícím amplitudovém omezovači jsou ořezány výrazné překmity rozdílových signálů (odpovídající strmým barevným přechodům), které by po kmitočtové modulaci způsobily nepřípustný kmitočtový zdvih (obr.8-26g). Luminanční signál je, v souladu s principy slučitelnosti s černobílou televizí, přenášen ve zvláštním kanále a musí být pro dosažení časové koincidence s kmitočtově modulovaným barvonosným signálem UBNS zpožděn o rozdíl časových zpoždění signálů v luminančním a chrominančním kanále (asi 300 - 400 ns v závislosti na rozdílu šířek pásma obou kanálů a na technologického provedení aktivních součástek). K luminančnímu signálu je v synchronizačním zesilovači superponován synchronizační směs USS .

8.4.4 Synchronizace barev v soustavě SECAM IIIb Poslední složkou BOZS SECAM IIIb je tzv. synchronizační signál barvy USSB . Ten slouží pro tvorbu řídicího signálu UP elektronického přepínače (obr.8-27) postupně přenášených rozdílových signálů v dekodéru. Ten musí přepínat synchronně a ve fázové shodě s přepínačem kodéru. Původně se signál USSB přenášel v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu (v řádcích 7 až 15 a 320 až 328) ve formě devíti, barvonosnou vlnou modulovaných, identifikačních pulsů lichoběžníkového tvaru. Z nich se po demodulaci vytvářel řídicí signál. Tento způsob barevné synchronizace byl složitý a zabíral v půlsnímkovém intervalu prostor 9 řádků, který by jinak bylo možno využít pro přenos jiných informací. Dnes se pro stejný

80

účel využívá podstatně přesnější jednodušší řádková barevná synchronizace. Jak je patrné z obr.8-26j, je k řádkovému zatemňovacímu impulsu (za řádkovým synchronizačním impulsem) superponován vzorek nemodulované barvonosné vlny, jejíž kmitočty fnbR a fnbB se s řádkovou periodou střídají. Tuto skutečnost lze využít pro identifikaci soustavy barevné televize (případně černobílého vysílání, pří kterém USSB = 0) v přijímači, ale také ke generaci přepínacího signálu. Vyklíčovaný vzorek barvonosné vlny z tohoto intervalu je, po průchodu pásmovou propustí naladěnou např.na kmitočet fnbB, detekován. Tak se

Obr.8-26: Skladba a časové průběhy složek úplného barevného signálu soustavy SECAM IIIb, odpovídajícího měrnému signálu sedmistupňové stupnice svislých barevných pruhů, v intervalu dvou sousedních řádků (v průbězích a) až c) jsou vyznačeny relativní velikosti signálů)

81

vytváří impuls řídicího signálu UP (obr.8-28), který odpovídá začátku řádku, ve kterém je přenášen modifikovaný rozdílový signál DB. Kmitočet tohoto řídicího signálu je fř / 2.

8.4.5 Dekódovací obvody soustavy SECAM IIIb Blokové schéma dekodéru SECAM IIIb je na obr.8-27. K separacii luminančních a chrominančních složek spektra BOZS SECAM IIIb se užívá pouze vroubkový filtr a charakteristickým zkreslením této soustavy patří zkreslení typu colour-cross (někdy také diaphotie) - vzájemné pronikání luminančních a chrominančních složek. Kvalitní separaci pomocí hřebenových filtrů nelze z důvodů, uvedených v odstavci 8.4.1, u této soustavy použít.

Obr.8-27: Blokové schéma dekodéru soustavy SECAM IIIb

Podstatným funkčním blokem dekodéru je elektronický přepínač kmitočtově modulovaných a postupně přenášených modifikovaných rozdílových signálů KM[DR] a KM[DB] Ten pomocí zpožďovacího vede s dobou zpoždění τz = tř nahrazuje na výstupu přepínače chybějící a v aktuálním řádku nepřenášený rozdílový signál signáPrincip lem z předcházejícího řádku. činnosti tohoto přepínače s paměťovým členem je patrný z obr.8-28.Na výstupech přepínače jsou v každém řádku k dispozici oba kmitočtově modulované rozdílosignály.Ty jsou následně podrobeny kmitočtové demodulaci. V dekódovacím maticovém obvodu jsou z nich a z luminančsignálu UY lineární kombinací vytvořeny složkové barevné signály UR, UG a UB

Obr.8-28: Princip činnosti elektronického přepínače dekodéru SECAM IIIb se zpožďovacím vedením

. V současných přijímačích a monitorech se užívají integrované multinormové dekodéry (obr.8-29), řízené sdruženým synchronizačním impulsem SIS (obr.8-30).

82

Obr. 8-29: Zjednodušené zapojení multinormového integrovaného dekodéru (SECAM, PAL, NTSC) s obvodem TDA 4550

Obr.8-30:Tvar sdruženého synchroniz. impulsu SIS

8.4.6 Obvody pro zlepšení reprodukce svislých barevných přechodů CTI Součástí dekodérů všech soustav jsou obvykle obvody CTI (Color Transient Improvement) pro zlepšení reprodukce svislých barevných přechodů. Vzhledem k menší šířce kmitočtového pásma rozdílo-vých signálů (v TV normách CCIR D,B - 1,6 MHz) je jejich doba náběžné hrany podstatně delší než doba náběžné hrany luminančního signálu a dochází tak k rozmazání svislých barevných přechodů. Princip obvodu CTI je patrný z obr. 8-31. Pokud detektory hran identifikují velkou změnu rozdílových signálů (barevné rozhraní), vygenerují v okamžiku t1 řídicí signál, který po dobu trvání přechodu přeruší elektro-

Obr.8-31:

a) náhradní schéma obvodu CTI, b) časové průběhy vstupního (U01) a výstupního (U02) napětí obrazového signálu

nický spínač S průchod obrazového signálu. Kondenzátor C (obr.8-31a) je v té době nabit na napětí U01 . Spínač se opět sepne v okamžiku t2 (po ukončení přechodu). Na novou ustálenou úroveň U02 přejde obrazový signál z původní úrovně U01 exponenciálním nabitím kondenzátoru C přes sériový rezistor R (nabíjecí časová konstanta τn = Rs C << R C). Tím se původní doba přechodu výrazně zkrátí , jak je patrno z obr. 8-31b. Nabíjecí konstanta τn je nastavena tak, aby korigované doby přechodu rozdílových signálů na novou úroveň byly totožné s dobou přechodu luminančního signálu (cca 150 ns Vzniklé časové posunutí přechodu se koriguje příslušným zpožděním luminančního signálu. Obvody CTI jsou vyráběny rovněž v integrované podobě - např. obvod TDA 4560 v obr. 8-29.

Poznámka: Pro snížení pronikání vysokofrekvenčních složek luminančního signálu do chrominančního kanálu a naopak a zlepšení separace těchto signálů se v luminančním kanále kódovacích obvodů používá tzv. absorpční filtr (viz obr. 8-32) s přenosovou charakteristikou závislou na úrovni luminačních složek (naladěný na střední kmitočet barvonosných vln - 4,286 MHz). Úroveň luminančních složek, spadajících do kmitočtového pásma, se sníží, pokud přesahuje nastavenou hladinu omezovače. Pokud je úroveň luminančních složek nízká, omezovač nepůsobí a

83

Obr.8-32: Blokové schéma absorpčního filtru

výsledná přenosová funkce vzájemně komplementární pásmové zádrže a propusti, jejichž výstupní signály se sečítají, jejich velikost neovlivňuje.

8.4.7 Vlastnosti soustavy barevné televize SECAM IIIb K výhodám této soustavy patří zejména •

snížení citlivost úplného barevného signálu SECAM IIIb na nelineární zkreslení diferenciálním zesílením a diferenciální fází (fázová zkreslení se projevují jen hodnotami jejich časových derivací), vyloučení možnosti vzniku přeslechových složek mezi rozdílovými signály, protože nejsou přenášeny současně, jednodušší dekodér a snadnější magnetický záznam (nižší požadavky na kvalitu magnetoskopu).

• • • • • • •

K nevýhodám naopak patří nižší informační obsah barvonosného signálu plynoucí z podstaty postupného přenosu rozdílových signálů, který se projevuje zejména na vodorovných barevných rozhraních, zhoršení slučitelnosti s černobílou televizi vlivem zbytkových kmitočtově modulovaných barvonosných vln při přenosu nepestrých barev, nemožnost kvalitní separace luminančních a chrominančních složek a jejich vzájemné pronikání, komplikované režijní zpracování - úplný barevný signál SECAM IIIb nelze zpracovávat v kompozitní formě vlivem použité kmitočtové modulace, složitější kontrolní a měřicí technika pro vyhodnocování úplného barevného signálu.

8.5 Soustava barevné televize PALplus patří do kategorie ECTV. Vznikla v Institutu pro sdělovací techniku (IRT) v Braunschweigu ve Spolkové republice Německo.

8.5.1

Základní principy soustavy PAL plus

Tato soustava umožňuje: ♦ přenášet TV obraz ve formátu 16:9 s možností zobrazovat jej i na klasických obrazovkách formátu 4:3 (ve formátu tzv. letterbox), ♦ snížit zkreslení typu cross-colour a cross-luminance soustavy PAL a zlepšení rozlišení detailů v horiizońtálním směru (metoda Colour plus a MACP - Motion) , ♦ snížení vlivu odrazů při TV příjmu metodou GCS ( Ghost Cancellation Systém), která užívá dlouhé adaptivní transversální filtry (systém zatím nebyl nasazen), ♦ zkvalitnit zvukový doprovod použitím digitální soustavy NICAM (nesouvisí s principem kódování PAL plus). Obr.8-33: Zobrazení signálu PALplus při různých formátech snímání a reprodukce. Formát snímání: a) 16:9, b) 4:3, c) snímání širokoúhlého filmu

84

Postup vytvoření formátu letterbox pro luminanční signál je na obr.8-34. Signál UY (625/ 50/ 2:1 formátu 16:9) je nejprve filtrován ve vertikálním směru a rozdělen na dva signály, z nichž jeden obsahuje nf. a druhý vf. prostorové kmitočtové složky tak, aby po následném převzorkování v poměru 3: 4 (DP) a 1:4 (HP) nedošlo k porušení vzorkovacího teorému. Signál filtrovaný dolní propustí DP nese informaci pouze o prostorových kmitočtech do 432/2 = 216 c/ph a signál filtrovaný horní propustí obsahuje pouze informace o prostorových kmitočtech v pásmu 216 - 288 c/ph. Po převzorkování tak vzniká hlavní signál tzv.letterbox signál s 432 řádky a pomocný signál - tzv. vertical helper (144 řádků). Pro rozdílové signály s omezeným kmitočtovým pásmem se vytváří pouze signál letterbox. Ten je kódován dle soustavy PAL a výsledná superpozice tvoří signál PALplus (obr. 8-36). Identifikační signál WSS (Wide Screen Signalling) pro aktivaci dekodéru PAL plus je vysílán ve 23. řádku (viz obr.8-40) a obsahuje informaci o aktuálním přenášeném formátu, použité technice kódování (MACP), zdroji signálu (kamera, film) a přenosu titulků. Pro zachování stejné horizontální rozlišovací schopnosti vyžaduje signál PALplus širší kmitočtové pásmo luminančního signálu a vyžaduje kvalitní rozdělení luminančních a chrominančních složek (metoda Colour plus, užívající hřebenovou filtraci a průměrování obsahu sousedních půlsnímků v kodéru pro usnadnění rozdělení složek v dekodéru PALplus ).

Obr.8-34: Postup vytvoření formátu letterbox ze vstupního obrazu snímaného ve formátu 16 : 9 (625/50/2 : 1 ) pro luminanční signál UY

Obr.8-35: Rozdělení dílčích složek signáluPALplus do jednotlivých řádků TV rastru (zobrazuje se pouze 430 řádků - 23. a 623. řádek slouží pro přenos identifikačních a referenčních signálů (viz odst. 8.6.5)

Pro zdroje signálu s půlsnímkovým prokládáním, pracující v tzv. kamerovém módu, se konverse rastru uskutečňuje v rámci jednotlivých půlsnímků, aby se zabránilo vzniku pohybových artefaktů. Pro zdroje s neprokládaným řádkováním v tzv. filmovém módu (např. filmové snímače s 25 Hz členěním) se uskutečňuje vnitrosnímková konverse. Základní vlastnosti signálu PAL plus jsou definovány ve zprávě CCIR XI č. 24-4. Veškeré signálové operace v kodéru se uskutečňují digitálním zpracováním úplného obrazového signálu digitalizovaného podle doporučení CCIR ITU R 601 (viz kapitola 9).

85

8.5.2

Konverse formátu

Konverse formátu sestává z vertikální filtrace, převzorkování (interpolace) a komprese. Vertikální filtrace se provádí pro luminanční signál UY i pro rozdílové signály UR- UY a UB - UY. Vysokofrekvenční složky UYH prostorových kmitočtů luminančního (jasového) signálu přenáší pomocný signál vertical helper v každém půlsnímku ve 2 x 36 řádcích nad a pod hlavním signálem letterbox, který zabírá v každém půlsnímku 216 řádků (obr.8-35). Aby signál vertical helper nerušil při reprodukci na standardních přijímačích, je zeslaben na úroveň cca 150 mV. Tento signál je amplitudově modulován (AM VSB) na barvonosnou vlnu PAL s takovou fází, aby byl pro další snížení viditelnosti reprodukován v oblasti modré barvy. Jeví se tak jako dva černé pruhy nad a pod hlavním obrazem (viz obr. 8-35).

8.5.3 Kódovací obvody soustavy PALplus Blokové schéma kodéru PAL plus je na obr.8-36. Zpracování signálu se uskutečňuje pomocí digitálních operací po převodu vstupních UY, UR - UY, UB - UY do digitální formy v převodnících A/D. Konverse rastru formátu letterbox se provádí těchto signálech v obvodech zvaných letterbox filtr. Na obr.8-37 je blokové schéma letterbox filtru pracujícího v kamerovém módu a zpracovávajícího luminanční signál UY.V tomto obvodu se provádí všechny operace nutné pro konversi formátu (filtrace, interpolace, decimace a komprese). Prostorový vertikální filtr typu dolní propust a inversní horní propust

Obr. 8-36: Blokové schéma kodéru PALplus

(kvadraturní zrcadlový filtr QMF (Quadrature Mirror Filter)) rozděluje vysokofrekvenční (UYH) a nízkofrekvenční (UYD) složky prostorových kmitočtů digitalizovaného luminančního signálu při zachování původního počtu aktivních řádků v úplném snímku (576). Pomocí následující interpolace 1: 3 a decimace 4:3 se vytvoří signál letterbox pro 432 řádků a decimací v poměru 4:1 vznikne signál helper, který je přenášen ve 2 x 72 řádcích. Ukládáním takto převzorkovaných signálů do půlsnímkových pamětí M1 a M2 a jejich řízeným čtením se uskutečňuje komprese a uspořádání řádků v následujících půlsnímcích dle obr. 8-37. Na obr.8-38 je znázorněn princip konverse rastru vstupního signálu na signál letterbox (432 řádků nf. složek prostorových kmitočtů) a vytvoření signálu helper (2 x 72 řádků vf. složek prostorových kmitočtů) v časové oblasti, včetně matematické interpretace interpolačních algoritmů. Vstupní obraz dvou pruhových funkcí různých vertikálních prostorových kmitočtů je v obr.8-38 pootočen o 90° a jsou vyznačeny pouze polohy jednotlivých vzorků (řádků) ve vertikálním směru bez vyznačení jejich velikosti v časové oblasti včetně matematické interpretace interpolačních algoritmů. 86

Obr.8-37: Blokové schéma letterbox filtru pracujícího v kamerovém módu pro luminanční signál UY

Obr.8-38: Princip vytváření signálů letterbox (v 432 řádcích) a helper (v 2 x 144 řádcích)

87

8.5.4

Kódování MACP

S ohledem na potřebné rozšíření kmitočtového pásma luminančního signálu PALplus a zmenšení crossefektů při kódování a dekódování, se používá při kódování rozdílových signálů metoda Colour-plus. Kodeky MACP (Motion Adaptive Colour Plus) využívají pohybově adaptabilní půlsnímkové hřebenové filtrace. V blokovém schéma na obr. 8-36 je kodér MACP znázorněn pomocí tří bloků vnitrosnímkového průměrování IFA Intra Frame Averaging), mixážních obodů a detektoru „pohybu“ v chrominančním kanále. Detektor pohybu detekuje pohyb (změnu obsahu) mezi jednotlivými půlsnímky a řídí mixážní obvody všech složek. Pokud jeho výstupní signál přesáhne nastavenou prahovou hodnotu, přepnou se mixážní obvody do tzv. Fall-Back módu a kodér pracuje ve standardním PAL režimu. Princip kódování luminančního signálu metodou MACP je patrný z obr.8-39. Po těchto operacích následuje kvadraturní modulace rozdílových signálů, včetně přepínání fáze složky UR - UY v modulátoru PAL. Na konci jsou všechny signálové složky sloučeny a převedeny zpět do analogové formy. Na přijímací straně se využívá skutečnosti, že sousední řádek následujícího půlsnímku - tedy (n+1). řádek má v místě stejného vzorku fázi barvonosné vlny posunutou o 180° oproti řádku n. V dekodéru přijímače je možno přesně rozdělit luminanční a chrominanční signály a to tak, že sečtením obsahu obou řádků se vyruší chrominanční a zůstává pouze luminanční signál a odečtením se naopak vyruší luminanční složky stejné fáze a zůstává pouze chrominanční signál.

Obr.8-39: Princip průměrování vzorků luminančního signálu n. a (n+1). řádku v kodéru MACP

8.5.5 Informační (signalizační) a referenční signály WSS (Wide Screen Signalling) v soustavě PAL plus Tyto signály se vysílají v 23. řádku (v 623. řádku se vysílají pouze referenční signály úrovní černé a bílé). Časový průběh signálu v 623 řádku je na obr. 8-42. Datové bity jsou vzorkovány kmitočtem 5 MHz, přičemž na jeden bit připadá 6 vzorků. Identifikační signály jsou rozděleny do 4 skupin . Význam 1. a 2. skupiny je patrný z tabulek 8-1. a 8-2. Ve třetí datové skupině jsou 3 bity (b8, b9, b10) pro rozlišení přenosu titulků ( b8 = 1 / 0 značí přenos s/bez teletextových titulků). Kombinace b9, b10 = 0 značí vysílaní bez titulků, které jsou součástí obrazu. Při kombinaci b9 = 1 a b10= 0 se titulky vysílají uvnitř aktivní části obrazu a při stavu b9 = 0 a b10 = 1 jsou titulky vně aktivní části obrazu. Bity b11 až b13 ve čtvrté datové skupině jsou reservní. Referenční signál slouží pro dekodér signálu helper (obdoba signálu „burst“ v soustavě PAL - obsahuje 47 až 48 kmitů barvonosné vlny s fází -1800. V 623. řádku jsou vysílány referenční úrovně černé a bílé.

88

Obr.8-40: Časový průběh signálu WSS a reference pro dekódování signálu helper (vložen do 23. řádku)

Tab.8-1: Význam datových bitů v 1.skupině signálu WSS

Hodnota b3

Hodnota b2 b1 b0

Tab.8-2. Význam datových bitů ve 2. supině signálu WSS

Označení poměru stran

Plný formát nebo letterbox

Poloha na stínítku

Počet aktivních TV řádků

Hodnota bitu

Význam bitu

b4

I

0

0

0

4:3

plný formát

–

576

0

0

0

I

14:9

letterbox

střed

504

0

0

I

0

14:9

letterbox

nahoře

504

b5

I

0

I

I

16:9

letterbox

střed

432

0

standardní PAL

0

I

0

0

16:9

letterbox

nahoře

432

I

Colour Plus

I

I

0

I

16:9

letterbox

střed

nedefinován

b6

I

I

I

0

14:9

plný formát

střed

576

0

bez signálu helper

0

I

I

I

16:9

plný formát

–

576

I

se signálem helper

b7

rezerva

0

kamerový mód

I

filmový mód

8.6 Televizní soustavy MAC (Multiplex Analogue Components) Tyto soustavy již patří do kategorie EDTV Jsou komponovány jako časový multiplex (TDM) digitálních (zvuk, synchronizace, data) a časově komprimovaných analogových chrominanančních a luminančních složek. Jednotlivé standardy kompozitních signálů MAC mají téměř shodný formát (obr. 8-41). Patří k nim: C-MAC (Anglie 1983), D-MAC, D2-MAC (SRN a Francie 1984) využívaný především v RDS a CATV), B-MAC (pro TV normy s 525 řádky - USA, Japonsko). S ohledem na nástup systémů digitální televize DVB ztrácejí i tyto soustavy v současnosti na významu. K jejich základním výhodám patří: • • • • • • •

zvětšení dynamického rozsahu obrazového signálů o 25% (digitální synchronizace), podstatné zvětšení informační kapacity a kvality zvukového doprovodu, teoretická možnost zvětšení kmitočtového pásma chrominančních signálů (na 2,5 MHz), zvýšení účinnosti využití přenosového kanálu, snadná možnost scramblování signálu (např. pro Pay TV). zlepšení synchronizace - synchronizace rozkladů je funkční i při C/N = 3 dB, vzloučení efektů cross-colour, cross-luminance.

89

Skladba signálů všech formátů MAC, úrovně jednotlivých složek i jejich časové intervaly jsou patrné z obr.8-41, k němuž se pojí tabulka 8-3.

Obr.8-41: Skladba formátů MAC Tab.8-3: Časové relace složek jednotlivých formátů MAC (vzorkovacímu kmitočtu digitální složky fn = 20,25 MHz odpovídá doba trvání vzorku tn = 49,38 ns) Časový interval

Signál

t1

UDIG

t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 tř

přechod klíčovací úroveň přechod (UR – UY)• , (UB – UY)• přechod UY• přechod přechod (náběh) Σ ti

C – MAC

D – MAC

D2 – MAC

206 tn = 10,17 μs 206 bitů 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs

209 tn = 10,32 209 bitů 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs

209 tn = 10,32 105 bitů 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs 4 tn = 0,2 μs

8.6.1 Formát C-AC Časový průběh signálu C-MAC ve dvou po sobě následujících řádcích je na obr.8-42. Rozdílové signály UR - UY a UB - UY jsou přenášeny v analogové podobě postupně (podobně jako v soustavě SECAM) a jsou komprimovány v poměru 3:1. Analogový luminanční signál je časově komprimován v poměru 1,5 : 1. Základní parametry signálu C-MAC: taktovací kmitočet digitální složky fn. = 20,25 MHz, kapacita digitální složky......209 bitů 001011.... začátek lichého řádku, 110100.....začátek sudého řádku, digitální řádková synchronizace modulace složek: FM f = ±13,5 MHz pro analogové složky, 2-4 PSK pro digitální složky, potřebná šířka pásma kanálu: B = cca 20 MHz (je tedy nekompatibilní s rozvody CATV), bitová rychlost digitální složky: R = 3Mb/s (odpovídá kapacitě 8 monofonních kanálů).

90

Obr.8-42 Časový průběh signálu C-MAC ve dvou po sobě následujících řádcích

8.6.2 Formáty D-MAC a D2-MAC Tyto formáty se tvoří v základním kmitočtovém pásmu. Sledují zúžení kmitočtového pásma přenosového kanálu pomocí duobinárního kódování (obr.8-43b) a případě formátu D2-MAC ještě snížením informačního obsahu (počtu bitů) digitální složky na polovinu (105 bitů). Šířka pásma přenosového kanálu pro signál D-MAC je cca 10 MHz, pro D2-MAC cca 7 MHz. Zmenšená bitová rychlost digitální složky formátu D2-MAC (R = 1,5 Mbit/s) umožňuje přenos až 4 monofonních kanálů. Tento formát je tedy použitelný i v kanálových rastrech kabelové televize (CATV). Přechod z binární formy digitálního signálu na tříúrovňový duobinární signál je patrný z obr. 8-43. Platí při něm: logické 0 je odpovídá signálová 0 a logické 1 odpovídá signálová 1 nebo -1 podle počtu předcházejících logických nul (polarita signálové jedničky se mění, předchází-li jí lichý počet logických nul). Duobinární kódování umožňuje snížení kmitočtové šířky pásma přenosového kanálu, jak je patrné z odpovídajících kmitočtových spekter na obr.8-43c.

Obr.8-43: a), b) Binární a duobinární forma kódování digitálního signálu, c) moduly kmitočtového spektra binárně a duobinárně kódovaného digitálního signálu

Vnitřní struktura formátu D2-MAC je patrná z obr.8-44. V prvním až 623. řádku se přenášejí zvukové digitální signály v 82 paketech po 751 bitech. Složení paketu D2-MC: 23 bitů návěští (10 bitů adresa, 2 přechodové bity a 11 bitů ochranného kódu), 8 bitů pro určení paketu (zvuk mono, stereo, duo, počítačová data apod.) , 720 bitů informačních.

91

Obr.8-44: Struktura formátu D2-MAC v jednom snímku (tn = 49,38 ns)

Přenos 82. (posledního) paketu končí v 623. řádku +95 bitů reserva. V 625. řádku se vysílá bitová a snímková synchronizace a 564 bitů je vyhrazeno pro identifikaci - např. klíče pro enkrypting v systémech Pay TV, Pay per View (VIDEOCRYPT, EUROCRYPT apod.). Blokové schéma kodérů D-MAC a D2MAC je na obr.8-45. Jeho struktura a způsob časové komprese signálových složek je obdobná jako v kodéru C-MAC. Kompozitní signál se však tvoří již v základním kmitočtovém pásmu fázovou modulací (FM) analogových složek a fázovým klíčování (FSK) digitálních složek výsledného časového multiplexu (TDM) D-MAC nebo D2-MAC.

8.7 Televize s vysokým rozlišením HDTV (High Definition Television) Současný evropský analogový TV standard nabízí při převodu do digitální formy podle doporučení ITU R 601 a vzorkovacím formátu 4 : 2 : 2 jasové rozlišení cca 414000 viditelných obrazových prvků v obraze (575 řádků na výšku obrazu x 720 bodů v řádku). Televize s vysokým rozlišením přináší -

podstatné zvětšení počtu obrazových bodů v obraze (až 2 000 000 ) a s tím související zvýšení rozlišovací schopnosti v horizontálním i vertikálním směru (ostrý obraz i při transfokaci) – přináší významné zlepšení kvality obrazu, možnost pozorování obrazu z menší vzdálenosti (bez vjemu řádkové struktury) a tím i výraznější vjem výraznější vjem děje – vjem neruší okolí, možnost výrazného zvětšování velikosti zobrazovačů bez patrného vjemu rozkladové struktury, změnu formátu obrazu 4:3 a 16:9, eliminaci chvění v obraze vlivem řádkového prokládání (progresivní rozklad), eliminaci klasických zkreslení analogových standardů barevné televize (cross-color, cross-luminance), kvalitní zvukový doprovod (až 8mi kanálová reprodukce typu surround) aj.

V minulosti byly definovány analogové standardy HDTV (dnes již ztratily prakticky význam) Standard NHK Hi-Vision (1125 řádků 60 půlsnímků/s., formát 5:3) s přenosovou soustavou MUSE (Japonsko 1988 – přenosy z olympijských her v Tokiu). Evropský projekt EUREKA 95 (1250 řádků – 50 půlsnímků/s. formát 16:9) s přenosovou soustavou HD-MAC (Barcelona 1992). 92

8.7.1 Digitální standardy HDTV Americký projekt „Digital HDTV Grand Aliance“ (1993) využívá kompresi digitálního videosignálu kompresní algoritmus MPEG-2, vícekanálový zvukový doprovod Dolby Digital AC-3, kanálovou modulaci VSB. V evropském standardu HDTV se předpokládají tyto formáty rozkladu obrazu (poměry stran všech formátů jsou 16 : 9) s vícekanálovým zvukovým doprovodem kódovaným algoritmy MPEG Layer II nebo Dolby Digital a kanálovou modulací dle typu distribuce (satelitní, kabelové, pozemní) 720p – progressive (neprokládaný) 720 řádků x 1080 bodů v řádku progresivního rozkladu - 25(50) snímků/s 1080 i – interlacing (prokládaný) 1080 řádků x 1920 bodů v řádku prokládaného rozkladu - 50 půlsnímků/s 1080p – progressive (neprokládaný) 1080 řádků x 1920 bodů v řádku progresivního rozkladu – 25 snímků/s .

S odpovídajícím rozlišením i se již vyrábějí velkoplošné LCD (tzv. HD Ready). Také set-top-boxy pro satelitní příjem HDTV jsou již na trhu, protože v roce 2006 bylo již satelitně vysíláno cca 11 HDTV programů. Pro signál formátu 720p digitalizovaný ITU R 601 je rychlost nekomprimovaných obrazových dat cca 311 Mbit/s a pro formát 1080p dokonce 830 Mbit/s (standardní digitalizovaný signál SDTV PAL má rychlost bitového toku 216 Mbit/s. Proto se pro pro kompresi digitálního obrazového signálu HDTV předpokládá podstatně účinnější kompresní algoritmus MPEG- 4 AVC (kap. 10.5). Při terestriální distribuci DVB-T digitálního signálu HDTV lze do jednoho kanálu (8 MHz) umístit pouze jeden TV program HDTV komprimovaný dle standardu MPEG-4 AVC (v případě digitální SDTV 4 – 5 TV programů).

8.7.2 Problémy dalšího rozvoje HDTV v Evropě Z hlediska technického rozvoji HDTV v podstatě nic nebrání. Problematické se zatím jeví: - zajištění dostatečného počtu programů nahrávaných ve formátu HDTV (potřeba nové studiové technologie), - ze stejného důvodu se dosud nenaplnila představa o masivním nástupu HDTV do záznamové technologie DVD (vyhoví ač budoucí standardy Blu-Ray, HD DVD), - zatímní omezení na satelitní distribuci HDTV (velká potřebná šířka kanálu HDTV), - pomalá penetrace přijímačů a set-top-boxů HDTV mezi obyvatelstvem evropských států zaviněná především vyšší cenou technických prostředků pro příjem HDTV (zejména velkoplošných zobrazovačů, protože pro menší rozměry obrazu HDTV ztrácí význam), ale zejména zatím malou nabídkou vysílaných programů.

Kontrolní otázky ke kapitole 8 Co je to kvadraturní modulace a proč se v soustavách barevné televize používá ? Co musí splňovat kmitočet barvonosné vlny v soustavě barevné televize NTSC ? K čemu slouží synchronizační impuls barvy v soustavách barevné televize NTSC a PAL a čím se liší ? O8.4 Co jsou to modulační součinitele m1 a m2 a k čemu slouží ? O8.5 Jak se v přijímači barevné televize separují jasové a chrominanční složky ? O8.6 Jaké jsou základní signálové operace při vytváření signálu letterbox (komversi formátu) v soustavě PALplus ? O8.7 Co umožňuje soustava PALplus ve srovnání se soustavou PAL ? O8.8 Jaké jsou základní výhody soustav MAC ve srovnání se standardními analogovými soustavami barevné televize ? O8.9 Jak se přenáší složkové signály, signál zvukového doprovodu a synchronizační signály v soustavách MAC ? O8.10 Jaký je rozdíl mezi soustavami C-MAC, D-MAC a D2-MAC ? O8.11 Jaká bodová rozlišení a prokládání předpokládá evropský standard HDTV ? O8.12 Jaké jsou potřebné přenosové rychlosti nekomprimovaných obrazových dat ve standardu HDTV ? O8.1 O8.2 O8.3

93

9 DIGITALIZACE OBRAZOVÝCH SIGNÁLŮ Pravidla pro digitalizaci obrazových signálů (vytvářených prakticky vždy obrazovými snímači v analogové formě) jsou celosvětově standardizována doporučeními Mezinárodní telekomunikační unie ITU (International Telecommunication Union) R 601 (629, 656, 657, 962 a dalšími). Standardizace procesu digitalizace obrazových signálů byla nutným předpokladem pro současně zaváděné digitální televizní vysílání a přenos DVB (Digital Television Broadcasting) ve všech formách - DVB-S (Satellite), DVB-C (Cable) a DVB-T (Terrestrial). S tím to problémem úzce souvisí i standardizace metod a algoritmů pro kompresi digitálních obrazových dat a přenosových rychlostí, které budou popsány v 10. kapitole.

9.1 Základní principy digitalizace analogových signálů

9.1.1 Vzorkování Obecné blokové schéma digitizéru je na obr.9-1. Proces vzorkování následuje po omezení spektra spojitého vstupního signálu us(t) dolní propustí do rozsahu 0 až fmax. Možné způsoby vzorkování jsou znázorněny na obr.9-2 Nejužívanější je tzv. vzorkování 2. typu, případně prodloužené vzorkování 2.typu, (nazývané také vzorkování „sample and hold“ - vzorkuj a podrž), u kterého doba trvání vzorku τ je totožná s dobou periody Tvz vzorkování. Proces vzorkování je popsán vztahem

uvz (t) = us (t) . g(t) ,

(9-1)

kde g(t) je tzv. vzorkovací funkce, pro kterou v případě vzorkování 2. typu platí

g (t ) =

n =∞

⎡ ⎛

∑ ⎢h ⎜⎝ t − nT

n = −∞

⎣

vz

τ⎞ ⎛ τ ⎞⎤ + ⎟ − h ⎜ t − nTvz − ⎟⎥ . 2⎠ 2 ⎠⎦ ⎝

(9-2)

Aby bylo možno ze vzorkovaného signálu zpětně rekonstruovat původní spojitý signál, musí kmitočet vzorkovací funk dochází k překrývání dílčích opakovaných spekter vzorkovaného signálu, které se nazývá aliasing. Spektrální funkci Svz(ω) periodicky vzorkovaného signálu (vzorkováním 2.typu) lze vyjádřit pomocí Fourierovy transformace jako konvoluci spektrální funkce Ss(ω) původního spojitého signálu a spektrální funkce G(ω) vzorkovací funkce. Platí tedy

S vz ( jω ) = F {u s (t ) ⋅ g (t )} =

=

(9-3)

1 S s (ω ) ∗ G (ω ) , 2π

kde S s (ω ) =

∞

∫ u (t ) ⋅ e

- jωt

s

dt

(9-4)

−∞

a

G (ω ) =

Obr.9-1: Obecné blokové schéma obvodu pro digitalizaci spojitého (analogového) signálu s omezeným kmitočtovým spektrem

sin (ωτ / 2 ) ∞ - jωnTvz ⋅ e . (ωτ / 2) n∑ = −1

(9-5)

Obr.9-2:Vzorkování spojitého signálu a) ideální vzorkování (τ → 0), b) ,c) reálné vzorkování 1.a 2. typu, d) prodloužené vzorkování 2.typu

Po dosazení vztahů (9-4) a (9-5) do (9- 3)úpravách

S vz (ω ) =

sin (nω vzτ / 2 ) ⋅ S s ( jω - nω vz ) . 2 n = −∞ vzτ / 2 )

ωz

⋅

∞

∑ (nω

(9-6)

Průběhy modulu spektrální funkce vzorkovaného signálu pro vzorkování 2.typu, ideální vzorkování a prodloužené vzorkování jsou na obr. 9-3. Je patrné, že ze signálu vzorkovaného reálným vzorkováním 2. typu nelze ani ideální dolnofrekvenční filtrací obnovit původní spojitý signál bez zkreslení ani při splnění Shannon-Kotelnikova teorému, protože spektrální funkce klesá již v základním pásmu (zkreslení typu sin α /α).

94

Obr.9-3: Časové průběhy a moduly spektrální funkce a) spojitého signálu us před vzorkováním, b) vzorkovací funkce g(t) pro vzorkování 2. typu, c) signálu uvz vzorkovaného reálným vzorkováním 2.typu, d) signálu uvz vzorkovaného ideálním vzorkováním, e) signálu uvz vzorkovaného prodlouženým vzorkováním 2. typu

9.1.2

Vliv vzorkovací struktury

Vzorkovací struktura se v reprodukovaném obraze projevuje rušivým moire. Na obr. 9-4 jsou znázorněny různé struktury vzorkování obrazu. Experimenty prokázaly, že při malém počtu vzorků je nejméně rušivá půlsnímková ortogonální struktura, jejíž vytváření je ale relativně složité. Vzorkovací kmitočet musí být celistvým násobkem řádkového kmitočtu (neumožňuje tudíž sub-Nyquistovo vzorkování) a jeho fáze se musí mění o 180° na začátku každého sudého půlsnímku. Při počtu vzorků přesahujícím 600 vzorků na řádek je již struktura vzorkování nerozhodující a proto se dnes nejčastěji užívá nejjednodušší plně ortogonální struktura vzorkování (obr.9-4a).

Obr.9-4: Vzorkovací struktury: a) plně ortogonální, b) řádkově sdružená, c) půlsnímkově ortogonální v lichém (----------) a sudém (- - - - - ) půlsnímku

9.1.3 Kvantování Tímto procesem se nekonečné množině hodnot spojitého signálu přiřazuje konečná množina čísel (obvykle v dvojkové soustavě), čímž se vytváří digitální reprezentace D(nTvz) původního spojitého signálu Kvantování bývá nejčastěji rovnoměrné (také ekvidistantní, lineární) se shodnými kvantizačními intervaly q. Pro zvláštní aplikace se užívá kvantování nerovnoměrné (nelineární). Při kvantizaci dochází ke vzniku kvantizační chyby, protože stejnou číselnou hodnotu mají všechny signálové vzorky spadající do stejného kvantizačního intervalu. Jestliže lze předpokládat rovnoměrné rozložení kvantizačních chyb a jejich statisstickou nezávislost, projevují se jako tzv. kvantizační šum, což je systémové zkreslení, které vzniká i když v původním spojitém signálu nebyl šum žádný. Při uvažování m-bitové reprezentace vzorků, počtu N

95

kvantizačních intervalů a při kvantizaci harmonického signálu s mezivrcholovou hodnotou Umkv, zasahující celý rozsah kvantizace, platí

Umkv = q .N = q . 2m

(9-7)

a pro efektivní hodnotu

U kv = q

2 m −1 2

(9-8)

Pro efektivní hodnotu kvantizačního šumu (nemá charakter energeticky vyváženého šumu spojitých signálů) lze v takovém případe odvodit

U škv =

U kv U škv

q

12 3 m = 2 2

(9-9)

a pro odstup kvantizačního šumu od kvantizovaného signálu potom platí

(9-10a) nebo v logaritmické míře (v dB)

⎛ U kv ⎜⎜ ⎝ U škv

⎞ ⎟⎟ = 20 log ⎠ dB

3 2

2 m = 6,02 m + 1,76

[dB]

.

(9-10b)

Poznámka: Při digitalizaci spojitých signálů vznikají, kromě kvantovacího šumu, další systémová zkreslení, ke kterým, kromě zmíněného kvantizačního šumu, patří přídavný brum způsobený šumem superponovaným k původnímu spojitému signálu. Pokud je ten• to šum srovnatelný s velikostí kvantizačního intervalu, přechází kvantovaný signál různých vzorků náhodně mezi kvantizačními intervaly a vytváří brumovou složku obdélníkového charakteru s náhodnou střídou a s bohatým obsahem vyšších harmonických složek, lineární zkreslení- zmenšování horních kmitočtových složek v základním pásmu definované souči• nitelem K(ω) - závisí na poměru τ / Tvz (největší je tedy při prodlouženém vzorkování „sample and hold“) dle vztahu 9-11. Lze je tedy eliminovat korekční filtrací typu horní propust.

K (ω ) = • •

τ Tvz

⋅

sin (ωτ / 2) (ωτ / 2)

pro 0< ω < ωmax ,

(9-11)

stroboskopické zkreslení vzniká jako důsledek nedodržení Shannon-Kotelnikova teorému při procesu vzorkování. Vlivem aliasingu se objevují ve spektru obnoveného signálu nové kmitočtové složky a v nelineárním kanále také interference se složkami původního spektra, přetížení kvantizéru, které se projevují, pokud dynamické vlastnosti kvantovacího obvodu neodpovídají rychlosti změny digitalizovaného signálu nebo přesahuje-li jeho velikost rozsah kvantizace.

9.1.4 Přenosová rychlost digitálního signálu Při uvažování kódování ve formě lineární PCM, platí pro přenosovou (bitovou) rychlost R digitálního signálu vztah R = fvz . m . (9-12) V případě digitalizace obrazových signálů je tato rychlost značná a vyžaduje velkou šiřku kmitočtového pásma, která přesahuje možnosti současných přenosových kanálů. Je možno ji redukovat různými metodami a to jak v časové, tak i kmitočtové oblasti.

9.1.5 Metody redukce přenosové rychlosti digitálního obrazového signálu Mezi hlavní metody redukce přenosové rychlosti digitálních obrazových signálů patří použití sub-Nyquistova vzorkování (vzorkování kmitočtem fvz < 2fmax), který neodpovídá Shannon Kotelnikovu teorému. Je uskutečnitelné díky charakteru spektra obrazového signálu - obr.9-5. Kmitočet fvz vzorkovací funkce musí splňovat ofsetové podmínky. Vzniká sice aliasing, ale kmitočtové složky základního a násobných spekter jsou proloženy a lze je při restituci spojitého signálu oddělit pomocí hřebenové filtrace, použití DPCM, případně adaptabilní DPCM (diferenční pulsní kódové modulace), pro zmenšení • bitové reprezentace m na jeden vzorek. Princip přenosu pomocí DPCM je na obr.9-6. Z něj je patrné, že při obnově n-tého vzorku na dekódovací straně se neuplatňuje kvantizační hluk z předcházejících vzorků,

•

96

Obr.9-5:

Kmitočtové spektrum obrazového signálu při sub-Nyquistově vzorkování - pro vzorkovací kmitočet platí: fvz = (2k + 1). fř / 2 , kde k je libovolné celé kladné číslo

Obr.9-6: Princip DPCM s vyznačením posloupností signálových vzorků x (n), signálových diferencí d (n) a hlukových příspěvků kvantizéru h (n).

• • •

použití nerovnoměrného (nelineárního) kvantování, postupný přenos rozdílových signálů (podobně jako v soustavách SECAM nebo MAC), použití některé z metod transformačního kódování. Tyto nejúčinnější metody jsou založeny na kombinovaném účinku redukce irelevantních a redundantních informací v obraze na základě lineární ortogonální transformace obrazového signálu z časové do kmitočtové oblasti (a naopak). K nejznámějším transformacím patří Hadamardova (HT), Wals-Hadamardova (WHT) Haarova (HaT), Karhunen-Loeveova KHT), diskrétní Fourierova transformace (DFT), transformace S (ST) a diskrétní kosinová transformace (DCT). Tyto transformace se liší složitostí transformačního jádra (a tím i výpočetní dobou) a dosažitelným faktorem redukce obrazových dat při zachování požadované kvality obrazu Přestože nejlepší výsledky poskytuje zřejmě KHT, používá se v současnosti nejčastěji jednoduchá, rychlá a účinná diskrétní kosinová transformace. Ta je v současnosti součástí kompresních standardů JPEG a MPEG, jejichž principy budou vysvětleny 10. kapitole.

9.1.6 Analogově-digitální (A/D) převodníky pro obrazové signály Pro digitalizaci obrazových signálů se používají obvykle rychlé paralelní převodníky (obr.9-7), vyjímečně dvoustupňové paralelně-seriové převodníky v integrovaném provedení. Renomované firmy (např. Anolog Devices aj.) dnes vyrábějí rychlé integrované převodníky pro digitalizaci obrazových signálů v reálném čase se vzorkovacím kmitočtem fvz ≥ 80 MHz, s dobou převodu jednoho vzorku kratší jak 20 ns a počtem kvantovacích hladin až 1024 (10 bitů na vzorek).

97

Obr. 9-7: Zjednodušené blokové schéma 8 bitového paralelního převodníku A/D

9.2 Standardizace složkové digitalizace obrazových signálů – doporučení ITU R601 Základní parametry digitalizace složkových signálů dle doporučení ITU R 601

fY = 13,5 MHz Vzorkovací kmitočet pro luminanční signál UY (Y): fCR = fCB = 6,75 MHz (formát 4 : 2 : 2) Vzorkovací kmitočet pro chrominanční složky CR ,CB: Pro TV normy 625/50 je na řádku 864 vzorků, na aktivním řádku 720 vzorků luminančního signálu, pro TVnormy 525/60 je na řádku 858 vzorků, na aktivním řádku také 720 vzorků luminančního signálu. Vzorky luminančních a chrominančních signálů se lineárně kvantují na 256 úrovní (8 bitů) a přiřazení jednotlivých úrovní je patrné z obr. 9-8 Ve formátu 4 : 2 : 2 se poloha vzorků chrominančních složek kryje s lichými vzorky luminančního signálu. Digitální signál je možno přenášet paralelně (časový multiplex bitů stejné váhy přenášený 8 paralelními kanály v sekvenci Y - CR - Y – CB - Y -CR atd.) nebo sériově (jediným kanálem) dle obr. 9-9 se vzorkovacím kmitočtem 27 MHz. Při přenosu ve studiu se někdy užívá formát vzorkování 4 : 4 : 4 (stejný počet vzorků pro složky Y, CR, CB ). Při komprimovaném zpracování digitálních signálů se někdy také užívá formát vzorkování 4 : 2 : 0 (vynechávají se obřádek vzorky chrominančních složek). V úsporném formátu SIF (Source Input Signal) je počet vzorků v obou směrech obrazu ještě snížen na polovinu (např. pro kompresní standard MPEG 1). Pro evropský standard HDTV se předpokládal vzorkovací kmitočet luminančního signálu 54 MHz, kterému by odpovídala při lineární PCM bitová rychlost 864 Mbitů / s.

Obr.9-8: Přiřazení kvantovacích hladin úrovním obrazového signálu a) pro luminanční signál, b) pro chrominanční signál

98

Obr. 9-9: Princip seriového přenosu digitálního úplného barevného signálu Tab.9-1. Bitové rychlosti [Mbit/s] různých formátů vzorkování pro lineární PCM 4:4:4

4:2:2

4:2:0

SIF

Signál CB Signál CR

108 108 108

108 54 54

108 27 27

27 6,75 6,75

Celkem

324

216

162

40,5

Signál Y

Tab.9-2: Hierarchie přenosových tras v současných PCM komunikačních systémech

Oblast Evropa USA Japonsko

Přenosová rychlost 1.řádu 2.048 Mbit/s 1.054 Mbit/s 1.054 Mbit/s



Přenosová Přenosová rychlost rychlost 4.řádu 5.řádu 139.294 Mbit/s 568.148 Mbit/s 274.176 Mbit/s 97.728 Mbit/s

Z porovnání tabulek 9-1 a 9-2 je patrné, že žádný formát vzorkování (kromě SIF) při uvažování nekomprimované lineární PCM neodpovídá ani 4. řádu hierarchie přenosových tras. Potřebná redukce bitové rychlosti se uskutečňuje v časové oblasti metodami uvedenými v odstavci 9.1.5 a zejména kompresí dat a přenosové rychlosti použitím transformačního kódování, kvantizace dat respektující vlastnosti lidského zraku a následného entropického kódování s proměnnou délkou symbolů. Tyto metody a jim odpovídající standardy budou popsány v 10.kapitole.

9.3 Zdrojové a kanálové kódování v digitálním přenosu Na obr. 9-10 je obecné blokové schéma zdrojového a kanálového kódování při digitálním přenosu úplných barevných signálů a signálů zvukového doprovodu. Cílem tohoto kódování je komprese objemu digitálních dat a redukce přenosové rychlosti, • • vytvoření časového multiplexu obrazových i zvukových, případně počítačových, dat jednoho, nebo i více kanálů, 99

• • • •

zabezpečení digitálních dat proti vlivu rušení v přenosovém kanále, skramblování digitálního signálu pro zrovnoměrnění jeho spektra, enkrypce dat pro výběrový TV příjem, zavedení kanálové modulace pro vysokofrekvenční přenos. V systémech digitální televize (DVB) se předpokládá zdrojové kódování ve standardu MPEG 2 a kanálové modulace dle aplikace: QPSK (Quaternary Phase Shift Keying - čtyřstavové fázové klíčování) pro DVB–S, 16 až 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) pro DVB–C, COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) pro DVB-T.

Obr.9-10: Obecné schéma zdrojového a kanálového kódování při digitálním přenosu úplných barevných a zvukových signálů , příp. počítačových dat ( vstupními signály jsou PCMdigitální signály obrazu a zvuku)

9.3.1

Zpracování digitálních dat při kanálovém kódování

Digitální data jsou v základním pásmu chráněna je proti rušení v bloku kanálového kódování pomocí ochranných kódů. Součástí kanálového kódování může být rovněž skramblování (angl. scrambling) dat pro rovnoměrné rozložení energie ve spektru a enkrypce (angl. encrypting) dat pro TV systémy s podmíněným přístupem (Pay TV, Pay per View) . a) Skramblování bitového toku v soustavách DVB Skramblování (změna sledu bitového toku) digitálních signálů se uskutečňuje obvykla pomocí pseudonáhodné posloupnosti binárních čísel PRBS (Pseudorandom Binary Sequency), pomocí níž se vhodnou logickou operací (např.EX OR) přeskupí původní bitový tok tak, aby rozložení energie v jeho spektru bylo rovnoměrné. Na přijímací straně musí být datový tok deskramblován inversní operací. Princip skramblování dat je patrný z obr.9-11.

Obr.9-11: a) Princip skramblování dat, b) struktura generátoru pseudonáhodné posloupnosti binárních čísel PRBS

100

b) Kanálové kódování obecně zahrnuje také vhodnou digitální modulační metodu. Slouží k zabezpečení dat proti rušení. Zavedení ochranných kódů však představuje přídavnou redundanci a zvýšení potřebné rychlosti bitového toku. Dále budeme uvažovat strukturu datového toku dle standardu MPEG 2 (viz kap.10). Transportní tok sestavený z paketů po 188 bytech je zabezpečen dvěma typy ochranných kódů FEC (Forward Error Correction) - viz obr.9-12. ♦ vnější kód FEC 1 je blokový kód pro opravu symbolů. Používá se nejčastěji Reed-Solomonův kód RS (204,188). Tvoří se přidáním 16 opravných bytů k transportnímu paketu a opraví 8 chybných bytů,

Obr.9-12: Princip ochranného kódování a prokládání digitálních dat proti vlivu shlukových chyb

Mezi kodéry (dekodéry) se vkládá tzv. prokládací stupeň ( interleaver ). Slouží k promíchání pořadí symbolů tak, aby se sousední symboly rozmístily co nejdále od sebe, což snižuje možnost vytáření shlukových chyb. Pro kód RS(204,188) se používá hloubka prokládání I = 12 a provádí se změna orientace zápisu a čtení zápisu a čtení do pomocných pamětí o kapacitě 12 x 12 symbolů na kódovací a dekódovací straně. Princip je patrný z obr. 9-12, na kterém je znázorněna pro zjednodušení hloubka prokládání pouze I = 6. ♦ vnitřní kód FEC 2 bývá binární konvoluční a slouží k opravě jednotlivých bitů. Vstupní bitový tok (obr.9-13) se rozděluje a vytváří se pro každý rámec podle definovaných polynomů na odbočkách posuvného registru logické součty a takto konvertované a rozšířené bitové toky se opět slučují do společného toku. Kodér je popsán generujícím polynomem stupně S s nulovými koeficienty v místech kde nejsou a jednotkovými koeficienty v místech, kde jsou odbočky registru. Tzv. kódový poměr R(m/n) udává poměr rámce (počtu) m vstupních a n výstupních bitů. Příklad konvolučního kódování s kódovým poměrem R(m/n) = R(1/2) je na obr.9-13.

101

Obr. 9-13: Princip konvolučního kódování a) blokové schéma, b) stavový, c) síťový diagram funkce

c) Enkrypce v soustavách DVB Digitální forma signálu poskytuje možnosti operativní enkrypce - šifrování (algoritmus PRBS se v čase mění) a tím i zajištění podmíněného přístupu k vysílanému programu v systémech televize s podmíněným přístupem (Pay TV, příp. Pay per View - platba za čas sledování). Princip podmíněného přístupu je patrný z obr. 9-14. Enkrypční posloupnost PRBS vytváří generátor pseudonáhodných čísel podle řídicího slova CW (Control Word), které se mění v čase i s druhem programu. Enkrypce se uplatňuje jen na obrazová data - nesmí zasahovat do záhlaví a skupin řídicích informací bitového toku. Řídicí slovo (případně slova, pokud je scrambling složitější - např. promíchání bytů a posléze i jednotlivých bitů) se v čase mění. Přenáší se v transportním toku enkryptováno (zašifrováno) pomocí tzv. autorizačního klíče jako zpráva ECM (Entitelment Checking Message - opravňující servisní zpráva) pro dekryptor v přijímači. Ten z ní odvodí původní řídicí slovo(a) pouze divákovi s oprávněním sledování a inversním způsobem se následně,

Obr.9-14: Blokové schéma kodéru a dekodéru systému placené televize (Pay TV)

pomocí synchronně pracujícího generátoru PRBS, obnoví původní programový bitový tok.Aby bylo možno ze zprávy ECM zašifrované řídicí slovo získat, je třeba ověřit divákovo oprávnění k příjmu daného programu. Proto řídicí centrum vysílá v datovém toku další zprávu EMM Entitelment Management Messa-

102

ge - opravňující řídicí zpráva). Tato zpráva obsahuje autorizační klíč, který je zašifrován tzv. distribučním klíčem. Ten odpovídá obvykle číselnému kódu karty vložené do dekryptéru autorizačního klíče. Zpráva EMM se vysílá cyklicky, aby postupně (podobně jako v případě TELETEXTU) zasáhla podle distribučního klíče každého diváka, který má oprávnění program přijímat (zaplatil odpovídající poplatky). Zpráva EMM se přenáší jako servisní informace v transportním toku ve formě tabulky CAT (Conditional Acces Table) identifikačním paketu. Pro soustavy DVB se používá dvoustupňová enkrypce (obr.9-15). Nejprve jsou promíchány byty posloupností PRBS 1 pomocí řídicího slova 1 a potom bity pomocí řídicího slova 2. Enkrypce se uskutečňuje na dlouhých paketech PES nebo krátkých paketech transportního toku.

Obr.9.15: Dvoustupňová enkrypce datového toku DVB

Složitější je zabezpečení podmíněného přístupu s placením jen za dobu sledování - Pay per View (viz obr. 9-16). Zde je třeba v transportním toku přenést ještě informaci o výši úvěru diváka (zaplaceného času sledování příslušného programu). Ta se po dekódování ukládá do paměti a porovnává se skutečnou dobou sledování. Po dosažení shody úvěru s poplatky za sledovaný čas se přeruší kanál základního autorizačního klíče dekodéru zprávy ECM a až do zaplacení nového úvěru nelze obnovit řídicí slovo CW

Obr. 9.16: Blokové schéma enkrypce Pay per View

103

a dekryptovat programový tok. Ve správním centru se proto, kromě základního autorizačního klíče Bts, vkládá ještě zpráva M zašifrovaná distribučním klíčem Di. Zpráva P, přenášená v kanále ECM společně s řídicím slovem CW (zašifrovaná pomocí základního autorizačního klíče Bis) nese informaci o době vysílání programu.

Kontrolní otázky ke kapitole 9 O9.1 O9.2 O9.3 O9.4 O9.5 O9.6 O9.7 O9.8 O9.9 O9.10 O9.11

Jaké typy vzorkování znáte a jaké mají vlastnosti ? Jak vypadá kmitočtové spektrum vzorkovaného signálu ? Co je to sub-Nyquistovo vzorkování a proč ho lze použít pro obrazové signály ? Jak se vypočítá přenosová rychlost nekomprimovaného digitálního signálu a jak souvisí s fotmátem vzorkování ? Jaké znáte formáty vzorkování v barevné televizi ? Jaké jsou základní principy digitalizace obrazových signálů podle doporučení ITU R 601 ? Co je to zdrojové a kanálové kódování ? Jaké ochranné kódy se užívají v digitální televizi (FEC1, FEC2) ? Co je to a k čemu slouží skramblování bitového toku ? Jak se přenáší složkové signály, signál zvukového doprovodu a synchronizační signály v soustavách MAC ? Co je to enkrypce digitálních signálů a k čemu se užívá ?

10 METODY KOMPRESE DIGITÁLNÍCH OBRAZOVÝCH DAT vycházejí z principů transformačního kódování, zmíněného v odstavci 9.1.5. V roce 1991 vydala skupina JPEG (Joint Photographic Experts Group) při mezinárodní standardizační organizaci ISO doporučení ISO č. 10918 JPEG, představující evropský standard pro kompresi dat statických obrazů. V roce 1988 vznikla v rámci ISO další skupina MPEG (Motion Picture Experts Group). Ta v roce 1992 vydala ISO 11172 MPEG 1, dnes využívanou na PC. Platí pro neprokládané řádkování a bitovou rychlost do 1,5 Mbit/s. V roce 1992 započaly práce na standardu MPEG 2, který může úplný barevný signál s prokládaným řádkováním, digitalizovaný dle doporučení ITU R 601 (odst. 9.2), komprimovat na bitovou rychlost 2 až 12 Mbit/s. V roce 1992 bylo tento standard rozšířen o kompresi signálů HDTV (původně zamýšlený standard MPEG 3) pro aktivní rastr 1920x1080 vzorků ve snímku se zvýšenou bitovou rychlostí 15 až 30 Mbit/s. V roce 1993 byly zahájeny práce na standardu MPEG 4 s cílem vytvořit kompresní kódování pro bitové toky do 64 kbit/s (rastr 176 x 140 vzorků, 10 snímků/s).

10.1

Standard JPEG

je určen pro kompresi dat statických obrazů (fotografie, rentgenové snímky v lékařství, meteorologie aj.). Umožňuje komprimaci dat s kompresním faktorem 8 až 15. Základní operace při kódování dle standardu JPEG jsou patrné z blokového schématu kodéru a dekodéru JPEG na obrázku 10-1.

10.1.1 Základní charakteristiky standardu JPEG Ve standardu JPEG se užívají tyto operace • formát vzorkování 4 : 2 : 0 a digitalizaci dle doporučení ITU R 601, • používá postupné (tzv. progresivní) řádkování, • komprese se uskutečňuje po částech obrazu - tzv. blocích. S velikostí bloku roste stupeň komprese. Obvykle se obraz člení na bloky 8 x 8 obrazových bodů (pixelů z angl. Picture Element), ke kompresi se užívá ortogonální transformační kódování pro přechod z prostorové oblasti matice vzorků do oblasti prostorových kmitočtů. Při této transformaci se potlačují korelační vazby mezi vzorky v prostorové oblasti, což umožňuje redukovat počet spektrálních koeficientů v kmitočtové oblasti, jak je patrno z obr. 10-2.

104

Obr.10-1: Blokové schéma kodéru a dekodéru JPEG

Obr.10-2: Redukce počtu spektrálních koeficientů vlivem DCT na bloku 8 x 8 vzorků

• Standard JPEG užívá dvojrozměrnou diskretní kosinovou transformaci (DCT), pro kterou lze odvodit následující definiční vztahy pro přímou (FDCT) a inversní (IDCT) (platné pro bloky 8 x 8 vzorků) pro přímou transformaci (FDCT)

G (u, v) =

1 7 C ( u ). C ( v ).∑ x = 0 4

∑ y = 0 g (x , y ).cos 7

( 2 x + 1). u.π ( 2 y + 1). v.π .cos , 16 16

(10-1)

a pro zpětnou transformaci (IDCT)

g (x, y) =

( 2 x + 1). u.π ( 2 y + 1). v.π 1 7 7 , C ( u ). C ( v ). G ( u , v ).cos .cos ∑ ∑ u = 0 v = 0 4 16 16

´ kde

x,y jsou souřadnice v prostorové oblasti a u,v z kmitočtové (spektrální) oblasti, g(x,y) je diskrétní funkce (matice bloku) v prostorové oblasti, G(u,v) je diskrétní funkce v kmitočtové oblasti, C(u) = C(v) = 0,707 pro u = v = 0 a C(u) = C(v) = 1 pro u > 0 a v > 0, C(0,0) odpovídá stejnosměrné složce (střednímu jasu v uvažovaném bloku vzorků.

105

(10-2)

• • •

Hodnoty spektrálních koeficientů se zaokrouhlují na celá čísla a koeficienty <1 se zanedbávají, pro přenos spektrálních koeficientů se užívá 11 bitová reprezentace (mohou mít i záporné hodnoty), kvantování koeficientů je ztrátový proces určený kvantizační maticí respektující vlastnosti lidského zraku.Jejími prvky se dělí velikost spektrálních koeficientů v matici komprimovaného bloku (viz obr.10-3). Volí se dle stupně komprimace a její identifikace je uvedena v záhlaví každého snímku,

Obr.10-3: Přímá a inversní DCT na bloku 8 x 8 vzorků s kvantováním spektrálních koeficientů

•

redundance se dále zmenšuje entropickým kódováním s proměnnou délkou symbolů VLC (Variable Lenght Coding) pomocí modifikovaného Huffmanova kódu.

10.1.2 Entropické kódování s proměnnou délkou slova - Huffmanův kód • • • •

umožňuje maximální využití přenosového knálu, kódové slovo má proměnnou délku (VLC), kratší slova odpovídají prvkům s větší pravděpodobností výskytu a naopak, žádné slovo není začátkem jiného slova - kódování je jednoznačné.

Příklad tvorby Huffmanova kódu je patrný z tabulky 10-1 pro 5 prvků s pravděpodobnostmi výskytu: p1 = 0,50 p2 = 0,20 p3 = 0,15 p4 = 0,10 a p5 = 0,05 V prvním kroku se rozdělí prvky na dvě skupiny a prvku s největší pravděpodobností (0,50) je přiřazena 0, ostatním I. Ve druhém kroku je ze zbývajících prvků přiřazena 0 dalšímu prvku s největší pravděpodobností (0,20) a ostatním I. V dalších krocích se postup opakuje.

Tab.10-1: Příklad tvorby Huffmanova kódu Pravděpodobnost 1.krok výskytu 0,50 0 0,20 I 0,15 I 0,10 I 0,05 I

106

2.krok

3.krok

4.krok

0 I0 II II II

0 I0 II0 III III

0 I0 II0 III0 IIII

Tento postup není použitelný pro entropické kódování ve standardu JPEG, protože by byl velmi náročný na výpočetní čas (v každém bloku by bylo nutno nejdříve vypočítat pravděpodobnosti výskytu jednotlivých vzorků). Proto se přenos dat uskutečňuje pomocí modifikovaného Huffmanova kódu, ve kterém se hodnota každého spektrálního koeficientu přenáší dvojsymbolovou skupinou bitů. První symbol obsahuje údaj o počtu předcházejících nul při úhlopříčném („cik - cak“) čtení matice koeficientů (obr.10-4) a o počtu bitů nutných pro binární vyjádření odpovídajícího koeficientu (viz tab.10-2). Druhý symbol odpovídá jeho binární hodnotě. Tab. 10-2: Tvorba 1.symbolu modifikovaného Huffmanova kódu pro spektrální koeficienty Délka běhu/ /počet bitů 0/0 (EOB) 0/1 0/2 0/3 0/4 0/5 0/6 0/7 0/8 0/9 0/10 1/1 ½

Kódové slovo

I0I0 00 0I I00 IOII II0I0 IIII000 IIIII000 IIIIII0II0 IIIIIIIII00000I0 IIIIIIIII00000II II00 II0II

Délka běhu/ /počet bitů 1/3

Kódové slovo

2/1 2/2 2/3

III00 IIIII00I IIIIII0III

3/1 3/2 3/3

III0I0 IIIII0III IIIIIIII0I0I

11/1 11/2

IIIIIII00I IIIIIIIIII0I0000

IIII00I

Obr.10-4: Diagonální („cik - cak“) čtení matice spektrálních koeficientů

Vytváření bitového toku pomocí entropického kódování ve standardu JPEG je na obr.10-5. V sekvenčním módu se takto přenáší pouze informace o koeficientech prvního. a vyšších řádů. Stejnosměrné koeficienty se přenášejí jako diference mezi velikostí koeficientů aktuálního a předcházejícího bloku. Pro zkrácení doby přenosu se v režimu předběžného prohlížení obrazů se používá mód, při němž se nejprve přenášejí pouze stejnosměrné koeficienty umožňující hrubé zobrazení a dále např. nejvýznamnější bity koeficientů vyšších řádů (tzv. hierarchické kódování). Standard JPEG lze použít i pro pohyblivé obrazy s malým stupněm komprimace (cca 2) bez jakýchkoliv doplňků.

Obr.10-5: Vytváření bitového toku při entropickém kódování

107

10.2 Standard MPEG 1

10.2.1 Základní charakteristiky kompresního standardu MPEG 1 Tento standard je určen pro komprimaci datového toku pohyblivých obrazů na bitovou rychlost do 1,5 Mbit/s s dosažitelným kompresním poměrem až 150. Je užíván pro digitální záznamy CD-video, CD-I, DCC (Digital Compact Casette), videotelefon, videokonference aj. Pro vysoké stupně komprese užívá formát SIF. Způsob přeměny formátu 4 : 2 : 2 na formát SIF 4 : 2 : 0 pro luminanční (Y) a chrominanční (CR, CB) složky je patrný z obr.10-6.

Obr.10-6. Přeměna formátu 4: 2: 2 na formát SIF 4:2:0 pro a) luminanční, b) chrominanční signál

Standard MPEG 1 přebírá většinu principů ze standardu JPEG (DCT, kvantování, entropické kódování VLC). Navíc však •

pro snížení redundance v časové oblasti užívá DPCM (vyjádření tzy. vektoru pohybu),

•

pro DPCM je signál zpracováván v makroblocích (obr.10-7). Jeden makroblok tvoří čtyři bloky luminančního signálu (celkem 16x 6 vzorků) a patří k němu po jednom bloku obou chrominančních signálů (dvakrát 8 x 8 vzorků),

•

Obr.10-7: Struktura makrobloku MPEG 1

definuje tři typy snímků s různým zpracování a) b) c)

snímky I (Intraframe Coded Frames) se opakují obvykle po 12 snímcích. Jsou zpracovány pomocí DCT (bez DPCM) a je k nim tudíž přímý přístup, snímky P (Predicated Frames ). Přenáší se jen diference aktuálního snímku Pn proti předchozímu snímku I nebo P. Tato dopředná jednosměrná predikce snižuje bitovou rychlost dvakrát, snímky B (Bidirectionally Coded Frames). Přenáší se diference aktuálního snímku Bn interpolací (průměru předcházejícíhoa následujícího snímku I nebo P). Touto obousměrnou predikcí se snižuje bitová rychlost až osmkrát. Pro predikci musí být v paměti uloženy snímky, z nichž se předpovídá a proto je nutno změnit jejich sled proti sledu snímání, jak je patrné z obr. 10-9.

108

10.2.2 Kódovací obvody standardu MPEG 1. jsou společné i pro standard MPEG 2 a jejich struktura je patrná z obr. 10-8.

Obr.10-8. Blokové schéma kodérů MPEG 1 (2)

10.2.3 Vektor pohybu Výraznou komprimaci bitového toku umožňuje redukce redundance obrazové informace v časové oblasti pomocí přenosu tzv. vektoru pohybu ve snímcích typu P a B. Snímky I nepodléhají časové komprimaci (kódují se pouze DCT a entropicky). Porovnání makrobloků v časově sousedních snímcích P,B se uskutečňuje úsporným způsobem (bez nutnosti srovnávání sobě odpovídajících pixelů). Podstata spočívá ve vyhledání stejného nebo velmi podobného makrobloku v předcházejícím snímku podle sumy hodnot všech koeficientů v bloku. Pro jeho polohu lze určit vektor pohybu obsahující souřadnice x,y (rozdíl polohy obou makrobloků). Odpovídající makroblok se vyhledává pouze v omezeném prostoru v rozmezí ± 15,5 vzorků v horizontálním a ± 7,5 vzorků ve vertikálním směru. Pokud se v předcházejícím snímku nenajde žádný makroblok, který by odpovídal povolené toleranci součtu úrovní všech 16 x 16 vzorků, upouští se od přenosu pomocí vektoru pohybu a makroblok se kóduje jako makroblok snímku I. V případě snímků typu B je prohledáván nejen předchozí, ale i následný snímek typu I nebo P a vektor pohybu je udán dvakrát dvěma souřadnicemi (x,y)n-1 a (x,y)n+1 .

10.2.4 Vyrovnávací paměť Z převodníku A/D vychází zdrojový signál PCM s konstantní bitovou rychlostí a přenos komprimovaného digitálního signálu se musí uskutečňovat rovněž konstantní rychlostí. Na výstupu kodérů MPEG však bitová rychlost kolísá vlivem různého obsahu obrazové informace (mění se počet spektrálních koeficientů DCT) nebo v důsledku toho, že obvod časové predikce nenachází téměř shodné makrobloky a je tudíž třeba kódovat více makrobloků jako snímky typu I v jedné skupině GOP. Konstantní rychlosti výstupního bitového toku se dosahuje pomocí vyrovnávací paměti na 1 snímek, jejíž rovnoměrné plnění zajišťuje řízené kvantování. Velikost koeficientů kvantizační matice se mění vlivem přídavných redukčních koeficientů ovládaných z obvodu řízení bitové rychlosti (viz obr. 10-8.). Ten může obsah dat

109

do vyrovnávací paměti měnit limitně až v poměru 1:961. Podle míry plnění této paměti se mění hloubka kvantizace a tím i počet zanedbaných koeficientů. Vyrovnávací paměť je potom čtena konstantní rychlostí odpovídající vlastnostem přenosového kanálu.

10.2.5 Úrovně bitového toku standardů MPEG Bitový tok standardů MPEG se člení do šesti úrovní (vrstev) a je multiplexován způsobem, který je patrný z obr.10-9. Každá vrstva v datovém multiplexu (kromě nejnižší 6.) je vybavena záhlavím, které nese údaje nutné pro demultiplexování na přijímací straně (tab.10-3.).

Obr. 10-9: a) Znázornění hirerarchie členění obrazové informace ve standardech MPEG, b) tvorba odpovídajícího datového toku 110

Tab.10-3: Obsah řídicích informací v záhlaví jednotlivých vrstev bitového toku MPEG

Záhlaví

vrstva 1 dlouhá řada snímků (sekvence)

vrstva 2 skupina snímků

vrstva 3 snímek

vrstva 4 proužek

vrstva 5 makroblok (proměnná délka slova)

10.3

Přenášené informace poměr vodorovného a svislého rozměru obrazu (16:9, 4:3) snímková frekvence (25 HZ, 30 Hz) bitová rychlost požadovaná minimální velikost vyrovnávací paměti v dekodéru údaje o kvantování údaje o kvalitě přenosu formát vzorkování televizního signálu (4:2:0, 4:2:2) údaje pro entropické dekódování signálu s proměnnou délkou slova VLC maximální velikost koeficientů DCT data pro uživatele údaje o velikosti a složení skupiny snímků údaje o celistvosti skupiny s ohledem na nevybočení vektorů pohybu z této skupiny typ snímku podle predikce (I, P, B) doba naplnění vyrovnávací paměti od prázdného do naplněného stavu (zpoždění VBV – Video Buffer Verifier – údaj pro dekodér) přesnost stanovení vektoru pohybu (na půl nebo celou vzdálenost mezi obrazovými body) údaj, zda jde o celý nebo dva půlsnímky označení referenčního snímku pro predikci přesnost výpočtu koeficientů DC kosinové transformace snímku I údaj pro polohu proužku ve snímku, číslo proužku počet makrobloků v proužku doplňovací bity pro vyrovnávací paměť při malém počtu bitů v kódovaném signálu adresa makrobloku typ makrobloku (I, P, B) řízení kvantování hodnoty vektorů pohybu čísla kódovaných bloků údaje o typu DCT (konstanty C(u), C(v) u MPEG-2 údaj, ze kterého půlsnímku se volí referenční makroblok

Standard MPEG 2 (dle ITU H.262)

10.3.1 Základní charakteristiky kompresního standardu MPEG 2 Tento standard je určen ke komprimaci digitálních obrazových dat programové televize s prokládaným řádkováním dle doporučení ITU R 601 a formát vzorkování 4 : 2 : 2 a je definován standardem ISO /IEC CD 13818-1-2-3.. Umožňuje komprimaci na rychlost bitového toku 2 až 80 Mbit/s (horní hranice pro HDTV). Používá shodné metody komprimace jako standard MPEG 1. Na rozdíl od něj používá navíc • zvětšené makrobloky dle obr.10-10, • nelineární kvantování spektrálních koeficientů ve čtyřech úsecích (0-255, 256-511, 512-1023, 1024 -2048), • časovou predikci je možno uskutečňovat v celosnímkovém nebo půlsnímkovém módu: - celosnímkový mód - oba půlsnímky jsou stejného typu I, P nebo B, - půlsnímkový mód - oba půlsnímky jsou považovány za samostatné snímky. Používá se pro dynamicky proměnné obrazy, • kombinace kódování pro různé aplikace.

111

10.3.2 Typy profilů standardu MPEG 2 Přínosem standardu MPEG 2 je složení bitového toku ze dvou nebo tří částí.. Lze jej demultiplexovat na části odpovídající nižší a vyšší kvalitě obrazu. Dekodér přijímače vybírá signál odpovídající možnostem terminálu - např. pro méně kvalitní přenosné nebo naopak pro kvalitní stolní TV přijímače. Možné kódovací postupy a seskupení dat v multiplexu se nazývají úrovně a profily (parametry jsou uvedeny v tabulce 10-4.) Dekodér pro určitý profil a úroveň umí dekódovat profily a úrovně nižší (včetně MPEG 1). Obr.10-10: Makroblok standardu MPEG 2 pro formát 4:2:2

Typy profilů standardu MPEG 2 • • •

• •

jednoduchý profil, hlavní profil, profil odstupňovaný dle poměru S/N (dva multiplexované a paketované datové toky 2 x 3 Mbitů/s). Lze z nich získat dva obrazové signály s různým odstupem S/N. Základní signál se vytváří po DCT hrubým kvantováním spektrálních koeficientů. Přídavný tok představuje rozdíl mezi nimi a původními koeficienty DCT, profil odstupňovaný dle rozlišovací schopnosti (Spatial Scalable), vysoký profil. Tab.10-4: Profily a úrovně standardu MPEG 2 1920x1152 bodů (960x576) 100 (80,25) Mbitů/s 1440x1152 bodů (720x576) 80 (60,20) Mbitů/s

–

1920x1152 bodů 80 Mbitů/s

–

–

–


–

1440x1152 bodů (720x576)

Hlavní úroveň Nízká úroveň



720x576 bodů 15 (10) Mbitů/s

–

720x576 bodů (352x288) 20 (15,4) Mbitů/s

–

352x288 bodů 4 Mbity/s

352x288 bodů 4 (3) Mbity/s

–

–

Úrovně/ profily

Jednoduchý Profil

hlavní profil

odstupňovaný profil podle S/R

Popis profilu

jako hlavní profil bez predikce

formát 4:2:0 bez odstupňování

jako hlavní profil + odstupňování S/N

Vysoká Úroveň vysoká úroveň 1440

prostorově odstupňovaný profil jako S/N profil + prostorové odstupňování

vysoký profil jako prostorový profil s formátem 4:2:2

10.3.3 Systémová specifikace standardu MPEG 2 Vytváření paketovaných bitových toků standardu MPEG 2 je na obr.10-11. Bitové toky vycházející z vyrovnávacích pamětí kodérů (obraz, zvuk, data) jsou rozděleny na elementární pakety PES (Packetized Elementary Stream) s informační záhlavím, což usnadňuje další zpracování.. Po vytvoření paktů PES se signály multiplexují do výsledného programového nebo transportního toku. 112

Obr.10-11: Vytváření programového a transportního toku ve standardu MPEG 2

•

paketový elementární tok PES (Packetized Elementary Stream). Obsahuje max. 62656 bytů. Za záhlavím (6 bytů) následují nejméně 3 informační byty a zbytek tvoří data. První tři byty záhlaví udávají startovací kód , další byt udává druh informace (až 16 videoprogramů, 32 zvukových doprovodů) a poslední 2 byty udávají délku paketu. V prvních dvou informačních bytech se přenáší 12 návěští o vlastnostech paketu, • programový tok se používá pro přenos v TV studiu (studiích). Nevyžaduje zvláštní zabezpečení, protože se nepředpokládá vliv poruch (kvalitní přenosový kanál ), • transportní tok se používá pro pozemní a družicové vysílání i pro systémy kabelové televize.

Pro přenos jsou vhodné krátké pakety stejné délky 188 bytů (včetně 4 bytů záhlaví ). Jejich tvorba a skladba v rámci paketu PES je patrná z obr.10-12.

Obr.10-12: Tvorba a časová souvislost krátkých paketů transportního toku s pakety PES

10.4 Standard MPEG-4 Video (dle ITU H.263) Je multimediálním standard ISO/IEC 14496 vyvinutý pro široký rozsah aplikací, bitových rychlostí, rozlišení a kvality. Standard je interaktivní, s vysokým stupněm komprese, podporuje jak reálné, tak syntetické objekty, je určený pro přenosy po linkách s rychlostí přenosu 4,8 – 64 kbit/s a pro filmové aplikace do 4 Mbit/s. MPEG-4 definuje audiovizuální scénu jako soubor audiovizuálních objektů různé-

113

ho tvaru, které mezi sebou mají časovou a prostorovou vazbu. To je největší rozdíl od standardů MPEG-1 a MPEG-2, kde je audiovizuální scéna rozdělena na videosekvenci obrázků s přidruženým zvukem.Vysoká komprese je založena na analýze obrazové a zvukové informace. MPEG-4 obsahuje mnoho algoritmů kódování, které jsou založeny na rozdělení scény na tzv. obrazové objekty. Oddělené kódování obrazových objektů umožňuje snadnou manipulaci s vybranou obrazovou informací. Obraz i zvuk se kóduje odděleně, což přináší výhodu při dekódování. Vybraný objekt se může dekódovat v nezměněném tvaru nebo se změněnými vstupními parametry jako jsou posun, přiblížení, vynechání nebo vložení jiného objektu.

10.4.1 Kódování objektů Hlavním pojmem ve standardu MPEG-4 Video je obrazový objekt a ten je charakterizován svým tvarem, texturou a pohybem. Scéna je pak složena z několika obrazových objektů. Na rozdíl od MPEG-1 a MPEG-2, kdy se snímek kóduje rozdělením na pravoúhlé oblasti, se u standardu MPEG-4 snímek rozdělí na jednotlivé obrazové objekty libovolného tvaru. Důležité je, že každý objekt je kódován samostatně, nezávisle na jeho okolí nebo pozadí. Související objekty jsou sdružovány do skupin. Stupně hierarchie objektů se dělí podle typu obrazových objektů např. na: nepohyblivé pozadí, pohybující se objekty bez pozadí (např. pohybující člověk), audio informace (např. hlas pohybujícího se člověka) atd. Obecně MPEG4 Video poskytuje standardizovaný způsob popisu scény, který je založen na rychlém a efektivním přístupu k objektům a jejich manipulací ve scéně: • • • •

umístění objektu kdekoliv v x, y, z souřadnicovém systému, aplikace transformace, která změní geometrickou nebo akustickou podobu objektu, sdružování objektů do větších celků, změny vlastností objektů (odstranění, nahrazení, posun, rotace atd.).

10.4.2 Kódování obrazových objektových vrstev Časovou souvislost objektu vyskytujícího se v několika po sobě následujících snímcích vytváří obrazová objektová rovina VOP (Video Object Plane). Každá VOP specifikuje obsah každé obrazové sekvence a je zakódována do několika oddělených obrazových objektových vrstev VOL (Video Objec Layer). Dekódováním všech vrstev se obnoví celá původní video-sekvence. Standard MPEG-4 Video používá jednotný algoritmus ke kódování tvaru, pohybu a struktury ve všech vrstvách. Kompresní algoritmus MPEG-4 Video používá pro kódování každé VOP sekvence blokově založenou hybridní DPCM, známou již z předchozích standardů MPEG. Typy obrazových objektových rovin: • • •

I-VOP (Intra-Frame) – je kódovaná nezávisle na dalších rovinách, P-VOP (Predicted) – rovina predikovaná z nejbližší předešlé kódované roviny, B-VOP (Bidirectionally) – rovina predikovaná z předešlé i následující roviny.

Každá VOP je rozdělena do makrobloků formátu 4 : 2 : 0, makrobloky podléhají kódování 2D DCT transformací a koeficienty DCT jsou kvantovány, následuje „cik-cak“ čtení koeficientů a entropické kódování, použití vyrovnávací paměti, vše známé z předchozích standardů MPEG.

10.4.3 Kódování tvaru, textury, odhad a kompenzace pohybu Standard MPEG-4 Video podporuje dvě metody kódováni tvaru – binární kódování a šedotónové kódování. Obsahuje-li tvarová informace šedotónové hodnoty je kódovaná ve dvou částech – vytváří se binární maska a přidružené hodnoty intenzity. Obraz se dále dělí na binární alfa bloky BAB o velikosti 16 x 16 pixelů, které jsou pak samostatně kódovány, hodnoty intenzity mohou být kódovány jako textura nebo průměrem hodnot intenzity pixelů náležících objektu, dále pak lineárně nebo filtrováním. Další informace na http://mpeg.telecomitalialab.com/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm. Standard MPEG-4 Video je určen převážně pro kompresi obrazových dat v počítačích a pro digitální televizi se prakticky nevyužívá.

114

10.5 Standard MPEG-4 AVC - Advanced Video Coding (dle ITU H.264) Je svými principy zcela odlišný od standardu MPEG-4 Video. Je určen především pro televizní aplikace (komprese dat pro televizní standardy HDTV, DVB-H, mobilní DMB aj.). Vychází z principů komprese MPEG 2, ale je výrazně účinnější díky těmto zlepšením - místo kosinové transformace užívá celočíselnou transformaci redukující vliv zaokrouhlovacích chyb, - používá 52 kvantizačních úrovní (MPEG-2 pouze 31), - kompenzace pohybu může využívat až 5 snímků a uskutečňuje se s přesností na ¼ pixelu (proti dvěma snímkům a přesnosti ½ pixelu v MPEG-2),

- používá složitější techniky kódování s proměnnou délkou slova CLVLC (Context-Adaptive VLC) a CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coding) místo statického kódování VLC v MPEG-2, - používá adaptivní deblokovací filtr, který potlačuje viditelnost makrobloků plochách obrazu a další zlepšení . Dekodéry a zejména kodéry AVC jsou však obvodově výrazně složitější než v případě standardu MPEG-2.

10.6 Standard WM 9 (Windows Media Serie 9) byl vyvinut spoluprací firem Microsoft a Tandberg – standardizován SMPTE pod označením VC 1. Je nekompatibilní se předcházejícími standardy (formáty) a jeho účinnost je srovnatelná s MPEG-4 AVC.

Kontrolní otázky ke kapitole 10 O10.1 O10.2 O10.3 O10.4 O10.5 O10.6 O10.7 O10.8 O10.9 O10.10

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

Jaké jsou základní principy a operace kompresního standardu JPEG ? Jaká je podstata entropického kódování s proměnnou délkou slova (Huffmanůvu kód) ? Jaké jsou základní charakteristiky a operace kompresního standardu MPEG1 ? Které operace nejvíce snižují rychlost bitového toku ve standardech MPEG 1 a MPEG 2 ? Jak vypadá makroblok ve standardu MPEG 2 ? Co jsou to snímky I, P a B a jaké informace se v nich přenáší ? Coje to vektor pohybu a jak je definován ? K čemu slouží vyrovnávací paměť v kodérech MPEG1 a MPEG2 ? Čím se liší kompresní standardy MPEG1 a MPEG2 ? Čím se liší kompresní standardy MPEG4 Video a MPEG4 AVC ?

WEZEL,R.: Video Handbook. Heinemann, Londýn, 1982 RZESZEWSKI,T.S.: Television Technology Today. IEEE Press New York, 1985 VÍT,V.: Základy televizní techniky. SNTL Prah, 1987 WHITE,G.: Video Techniques. Heinemann Londýn, 1988 NOLL,A.M.: Television Technology. Artech House Norwood, 1988 WENDLAND,B.: Fernsehtechnik - Band I. Hűthig Verlag Heidelberg, 1988 WENDLAND,B.-SCHROEDER,H.: Fernsehtechnik - Band II. Hűthig Verlag Heidelberg, 1991 PTÁČEK,M.: Systémové problémy digitální televize. NADAS Praha, 1991 ŘÍČNÝ,V.: Systémy zpracování obrazových signálů. Skriptum FEI VT Brno, 1991

115

[10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]

KOŠŤÁL,E.: Obrazová a televizní technika I. Skriptum FEL ČVUT Praha, 1992 KOŠŤÁL,E.: Obrazová a televizní technika II. Skriptum FEL ČUT Praha, 1993 VÍT,V.:Televizní technika - I. Nakladatelství AZ servis Praha, 1993 VÍT,V.:Televizní technika - II Nakladatelství AZ servis Praha, 1994 VÍT,V.:Televizní technika - III Nakladatelství BEN Praha, 1997 LUTHER,A.C.:Principles of Digital Audio and Video Artech House, Londýn, 1997 ŘÍČNÝ,V.: Televizní technika a videotechnika. Skriptum UREL FRI VUT Brno, 1998 LUTHER,A.C.: Video Camera Technology. Artech House Boston, 1998 LUTHER,A.C.: Video Recording Technology. Artech House Boston,1999 ZAPLETAL,P.: Videotechnika (2.vydání). Rubico Olomouc, 1999 VÍT,V.: Televizní technika – projekční a velkoplošné zobrazování. BEN Praha, 2000 FISCHER,W.: Digital Television. Springer Verlag Betrlin, 2003

P Ř Í L O H Y

1.ZÁKLADNÍ PARAMETRY TELEVIZNÍCH NOREM A SOUSTAV 2. NÁVRH OBNOVITELE STEJNOSMĚRNÉ SLOŽKY

116

1

ZÁKLADNÍ PARAMETRY NOREM A SOUSTAV TELEVIZNÍHO VYSÍLÁNÍ

Základní technické parametry jednotlivých norem a soustav pozemního televizního signálu jsou uvedeny v následujících tabulkách. Údaje byly vybrány ze Zelené knihy CCIR svazek XI-I „Televizní vysílání – report 624-2“, Genf 1982 a dalších navazujících předpisů CCIR. Tabulka 1-1: Normy a soustavy pozemního televizního vysílání používané v evropských a některých mimoevropských státech Norma pro pásmo Stát

VHF

UHF

Norma pro pásmo

Soustava Stát

barevné

VHF

UHF

televize

Soustava barevné televize

Belgie

B

H

PAL

Alžír

B

H

PAL

Bulharsko

D

K

SECAM

Austrálie

B

H

PAL

ČR

D

K

PAL

Bolivie

M

N

NTSC

Dánsko

B

G

PAL

Brazílie

M

M

PAL

Finsko

B

G

PAL

Čína

D

K

PAL

Francie

E

L

SECAM

Egypt

B

G,H

Holandsko

B

G

PAL

Ghana

B

G

PAL

Irsko-Vel. Brit.

I

I

PAL

Indie

B

-

PAL

Island

B

G

PAL

Indonésie

B

-

PAL

Itálie

B

G

PAL

Irák

B

-

SECAM

SFR

B

G

PAL

Irán

B

G

SECAM

Luxemburg

C

L

SECAM

Japonsko

M

M

NTSC

Maďarsko

D

K

SECAM

Jihoafrická rep.

I

I

PAL

Monako

E

L

SECAM

Kuba

M

M

NTSC

NSR

B

G

PAL

Nicaragua

M

M

NTSC

Portugalsko

B

G

PAL

Nigerie

B

F

PAL

Rakousko

B

G

PAL

Peru

M

M

NTSC

Rumunsko

D

K

PAL

Súdán

B

-

PAL

Rusko

D

K

SECAM

Sýrie

B

H

SECAM

Španělsko

B

G

PAL

Uganda

B

G

PAL

Švédsko

B

G

PAL

Uruquay

N

-

PAL

Švýcarsko

B

G

PAL

USA - Kanada

M

N

NTSC

Turecko

B

G

PAL

Venezuela

M

-

NTSC

Polsko

D

K

SECAM

Zimbabwe

B

G

PAL

117

SECAM

Tabulka 1-2: Základní údaje používaných analogových soustav barevné televize

118

Charakteristické hodnoty řádkových synchronizačních a zatemňovacích impulsů, které tvoří pomocné složky úplného obrazového signálu OZS jsou obecně vyznačeny v obrázku 1-1 a odpovídající číselné hodnoty pro různé televizní normy jsou uvedeny v tabulce 1-3. Průběh pomocných složek OZS v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu je s vyznačením charakteristických hodnot na obr. 1-2, k němuž se pojí tabulka 1-4.

Obr.1-1: Časový průběh pomocných složek OZS v době řádkového zatemňovacího intervalu s vyznačením charakteristických hodnot Tabulka 1-3:

Znak H A

Charakteristiky řádkových synchronizačních a zatemňovacích impulsů různých norem analogové televize Označení normy CCIR

Charakteristika Řádková perioda Trvání zatemňovacího řádkového impulsu

[μs ]

M

N

B,G,H

C

I

D,K,K1

L

E

63,5

64

64

64

64

64

64

48,84

10,2÷ 10,4

10,2÷ 10,5

11,8÷ 12,2

11,8 12,05÷ 12,3 ±0,25

11,8 ±0,3

12,0

9,2÷ 9,8

B

Interval mezi začátkem řádkového synchronizačního impulsu a koncem zatemňovacího řádkového impulsu [μs ]

8,9÷ 10,2

8,9÷ 10,2

10,3÷ 11,3

10,2÷ 11,0

10,3 ±0,25

10,3÷ 11,3

10,5

8,9

C

Interval mezi začátkem zatemňovacího impulsu a začátkem řád- 1,27÷ kového synchronizačního impul- 2,54 su [μs ]

1,28÷ 2,56

1,3÷ 1,8

1,2÷ 1,6

1,55 ±0,25

1,3÷ 1,8

1,5 ±0,3

0,5÷ 0,7

D

Trvání řádkového synchronizač[μs ] ního impulsu

4,2÷ 5,7

4,2÷ 5,8

4,5÷ 4,9

4,8÷ 5,2

4,7 ±0,2

4,5÷ 4,9

4,7 ±0,3

2,4÷ 2,6

0,64

0,64

0,4

0,4

0,4

0,4

0,4

0,25

0,25

0,25

0,4

0,4

0,4

0,3

0,2

0,14

E

F

Maximální doba náběžných hran řádkového zatemňovacího impul-su [μs ] Maximální doba náběžných hran řádkového synchronizačního impulsu [μs ]

119

Obr.1-2: Časový průběh pomocných složek OZS v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu

Tabulka 1- 4: Charakteristické údaje pomocných složek OZS v půlsnímkovém zatemňovacím intervalu Znak

Označení normy CCIR

Charakteristika

M

N

B,G,H

C

I

D,K,K1

L

E

[ms ]

16,66

20

20

20

20

20

20

20

[μs ]

63,5

64

64

64

64

64

64

48,84

Zatemňovací půlsnímková perioda Trvání prvního sledu vyrovnávacích impulsů Trvání sledu synchronizačních impulsů

19÷ 21 tř

19÷ 25 tř

18÷ 22 tř

20÷ 21 tř

25 tř

25 tř

25 tř

41 tř

3 tř

3 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

3 tř

3 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

n

Trvání druhého sledu vyrovnávacích impulsů

3 tř

3 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

2,5 tř

p

Trvání vyrovnávacího impulsu

[μs ]

2,3÷ 2,5

2,3÷ 2,5

2,2÷ 2,4

2,3÷ 2,5

2,3 ±0,1

2,25÷ 2,45

2,35 ±0,1

Trvání udržovacího impulsu

[μs ]

3,8÷ 5,6

3,8÷ 5,6

4,5÷ 4,9

4,8÷ 5,2

4,7 ±0,2

4,5÷ 4,9

4,7 ±0,2

Trvání půlsnímkového synchronizačního impulsu [μs ]

26,4÷ 28

26,5÷ 28,1

27,1÷ 27,5

26,8÷ 27,2

27,3 ±0,2

27,1÷ 27,5

27,3 ±0,2

ts

Půlsnímková perioda

tř

Řádková perioda

j l m

r

q

120

19,0÷ 21,0

Tabulka 1- 5: Rozdělení televizních kanálů CCIR D/K (speciální kanály pro CATV- USB, OSB,

ESB a kmitočty kanálů pro IV. a V. pásmo jsou stejné jako v normě CCIR B/G)

pásmo

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

C1

49,75

C2

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

332,75

C38

607,25

613,75

335,25

340,75

C39

615,25

621,75

S26

343,25

348,75

C40

623,25

629,75

91,75

S27

351,25

356,75

C41

631,25

637,75

93,25

99,75

S28

359,25

364,75

C42

639,25

645,75

S1

105,25

110,75

S29

367,25

372,75

C43

647,25

653,75

S2

112,25

117,75

S30

375,25

380,75

C44

655,25

661,75

S3

119,25

124,75

S31

383,25

388,75

C45

663,25

669,75

S4

126,25

131,75

S32

391,25

396,75

C46

671,25

677,75

S5

133,25

138,75

S33

399,25

404,75

C47

679,25

685,75

S6

140,25

145,75

S34

407,25

412,75

C48

687,25

693,75

S7

147,25

152,75

S35

415,25

420,75

C49

695,25

701,75

S8

154,25

159,75

S36

423,25

428,75

C50

703,25

709,75

S9

161,25

166,75

S37

431,25

436,75

C51

711,25

717,75

S10

168,25

173,75

S38

439,25

444,75

C52

719,25

725,75

C6

175,25

181,75

S39

447,25

452,75

C53

727,25

733,75

C7

183,25

189,75

S40

455,25

460,75

C54

735,25

741,75

C8

191,25

197,75

S41

463,25

468,75

C55

743,25

749,75

C9

199,25

205,75

C21

471,25

477,75

C56

751,25

757,75

C10

207,25

213,75

C22

479,25

485,75

C57

759,25

765,75

C11

215,25

221,75

C23

487,25

493,75

C58

767,25

773,75

C12

223,25

229,75

C24

495,25

501,75

C59

775,25

781,75

S11

231,25

236,75

C25

503,25

509,75

C60

783,25

789,75

S12

238,25

243,75

C26

511,25

517,75

C61

791,25

797,75

S13

245,25

250,75

C27

519,25

525,75

C62

799,25

805,75

S14

252,25

257,75

C28

527,25

533,75

C63

807,25

813,75

OSB S15 S16

259,25

264,75

C29

535,25

541,75

C64

815,25

821,75

266,25

271,75

C30

543,25

549,75

C65

823,25

829,75

S17

273,25

278,75

C31

551,25

557,75

C66

831,25

837,75

S18

280,25

285,75

C32

559,25

565,75

C67

839,25

845,75

S19

287,25

292,75

C33

567,25

573,75

C68

847,25

853,75

S20

294,25

299,75

C34

575,25

581,75

C69

855,25

861,75

S21

303,25

308,75

C35

583,25

589,75

:

S22

311,25

316,75

C36

591,25

597,75

:

S23

319,25

324,75

C37

599,25

605,75

C81

I.

II.

USB

III.

ESB

pásmo

kanál

fn0 [MHz]

fnz [MHz]

56,25

S24

327,25

59,25

65,75

S25

C3

77,25

83,75

C4

85,25

C5

ESB

IV.

121

pásmo

V.

v ČR nevyužíváno

Tabulka 1-6: Základní parametry užívaných soustav barevné televize

122

2 NÁVRH OBNOVITELE STEJNOSMĚRNÉ SLOŽKY 2.1 Úvod Obnovitel stejnosměrné složky je typický obvod pro úpravu analogových obrazových signálů, jejichž stejnosměrná složka, nesoucí informaci o středním jasu obrazu, byla ztracena vlivem střídavé vazby. Stejnosměrnou složku obrazového signálu lze tímto obvodem obnovit díky tomu, že se v něm periodicky opakují úseky (synchronizační impulsy) s konstantní, na obsahu obrazu nezávislou, úrovní.

2.2 Jednoduchý obnovitel stejnosměrné složky je nelineární upínací obvod (špičkový detektor), jak je patrno z náhradního schéma na obr.2-1. Časové průběhy výstupního úplného obrazového signálu uo2 , odpovídajícího úplně bílému a úplně černému řádku, pro případ, že se neuplatňuje derivační zkreslení vlivem nedostatečné nabíjecí časové konstanty τn = (R + Ri).C >> tř jsou na obr.2-2.

Obr.2-1: Náhradní schéma jednoduchého obnovitele stejnosměrné složky

V obr.2-1 značí Ri ……...vnitřní odpor zdroje obraz. signálu uo1, Obr.2-2: Časové průběhy úplného obrazového signálu bíléRdp,Rdn...dynamické odpory diody D v propusta černého řádku na výstupu jednoduchého obnovitele stejnosměrné složky (zanedbáno tvarové zkreslení ném a nepropustném směru pro lineárvlivem konečné nabíjecí časové konstanty τn . ní aproximaci A -V charakteristiky použité diody, R............odpor zátěže (např. vstupní odpor následujícího zesilovače). Z obr.2-2 je patrné, že na výstupu obnovitele je zachováno mezivrcholové napětí U0 obrazového signálu a jeho stejnosměrná složka se pro tyto mezní signály posouvá pouze o malou hodnotu ΔU0. Při dokonalém upnutí maximální úrovně signálu (temene řádkového synchronizačního impulsu) platí v obou řádcích ΔUb = ΔUč = 0 a tedy i stejnosměrná složka je obnovena dokonale (ΔU0 = 0). V reálném obnoviteli, za zjednodušujících předpokladů Ri → 0 a C→ ∞ platí pro pro ustálený stav (význam symbolů je patrný z obr.2-1 a 2-2) t řs

∫i

n

dt +

0

kde R p = R i +

R dp ⋅ R R dp + R

t ř − t řs

∫

t řs

U 0p

t řs

U iv d t = d t − 0n ∫ Rp 0 Rn

, ( 2 − 2) R n = R i +

t ř − t řs

∫ dt = 0 ,

(2 - 1)

t řs

R dn ⋅ R R dn + R

(2 − 3) a U 0 = U 0p + U 0n

( 2 − 4)

Po provedení integrace rovnice (2-1)a úpravě s použitím vztahů (2-2) až (2-4) lze relativní přesnost upínání a tedy obnovování stejnosměrné složky vyjádřit vztahem

123

U 0p U0

=

1 t řs R 1+ n ⋅ R p (t ř − t řs )

.

(2-5)

Z něj je patrné, pro konkrétní řádkový interval tř a dobu trvání řádkového synchronizačního impulsu třs je upnutí tím dokonalejší, čím je větší poměr Rn / Rp a tedy i poměr dynamických odporů Rdn / Rdp použité diody. Výstupní odpor Ri zdroje signálu před obnovitelem musí být co nejmenší, aby se nezvětšovala hodnota Rp. Pro hodnoty nabíjecí a vybíjecí časové konstanty musí platit τv = C. Rn >> τn = C. Rp (2-6). Aby úroveň stejnosměrné složky neklesala během řádku musí být současně splněna podmínka τv >> tř (2-7). Protichůdná podmínka τn << třs (2-8) , která zajišťuje obnovení stejno-směrné složky v každém řádkovém intervalu, není kritická s ohledem na setrvačnost lidského zraku (kolísáni středního jasu kratší než 50 ms není postřehnutelné). Z podmínek (2-6) a (2-7) lze vypočítat potřebnou velikost kondenzátoru C. Jeho příliš malá hodnota způsobuje exponenciální pokles stejnosměrné složky v řádkovém intervalu (nedodržením podmínky (2-6)), případně i pokles temene synchronizačních impulsů. K nevýhodám jednoduchého obnovitele stejnosměrné složky patří • • •

malá odolnost vůči impulsním poruchám superponovaným k obrazovému signálu (upnutí se uskutečňuje na ně), malá přesnost upínání pro malou úroveň obrazových signálů, protože dioda se otevírá do propustného stavu pouze tímto signálem, úplný obrazový signál negativní polarity se upoutává pouze k nulové úrovni.

Díky těmto nevýhodám se neklíčovaný obnovitel v praxi nepoužívá. Všechny nevýhody však odstraňuje klíčovaný obnovitel stejnosměrné složky

3.3 Klíčovaný obnovitel stejnosměrné složky Funkce klíčovaného obnovitele stejnosměrné složky je patrná z obr.2-3. Z něj je patrné, že upínání se děje pomocí spínacího tranzistoru T1, který je do saturace otevírán klíčovacím impulsem Uk délky tk (obr.2-4) v době trvání řádkového synchronizačního impulsu, z něhož je také odvozen. Tím je zajištěno dokonalé a na velikosti obrazového signálu nezávislé upínání vrcholu synchronizačního impulsu

Obr.2-4: Umístění klíčovacího impulsu v řádkovém synchronizačním impulsu.

Obr.2-3: Zapojení klíčovaného obnovitele stejnosměrné složky

124

k potenciometrem P nastavitelné úrovni napětí Uss. Její maximální velikost závisí na velikosti klíčovacích impulsů přiváděných na bázi spínacího tranzistoru (Uk ≥ Uss + 0,7 V). Unipolární tranzistor T2 a volba dostatečně velké hodnoty odporu R zabezpečuje velkou hodnotu vybíjecí časové konstanty dle vztahu (2-7). Klíčovaný obnovitel stejnosměrné složky umožňuje rovněž potlačení nízkofrekvenčních rušivých signálů Uruš1 superponovaných k úplnému obrazovému signálu (např. síťový brum). Potlačení těchto signálů na výstupu je rovné poměru kmitočtu klíčovacího (fk ) a rušivého (fruš ) signálu - tedy

Uruš2 / Uruš1 = fruš / fk

.

(2-9)

Tak např. pro síťový brum fruš = 50 Hz a fk = fř = 15625 Hz je míra potlačení 50 / 15625 = 0,0032. Pokud by ani tato hodnota nevyhovala, je možné zapojit dva obnovitele za sebou v kaskádě. Pro své vynikající vlastnosti jsou obnovitele stejnosměrné složky ve videotechnice velmi často užívány.

125

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

Recommend Documents