Введение.
Стереотелевидение – телевидение, позволяющее передавать и воспроизводить электрическими средствами трехмерность окружающего нас пространства и, в частности, в красках (стереоцветное телевидение).
Стереотелевидение базируется на стереоскопии – науке о зрительном восприятии трехмерности реального мира – и на колометрии - науке о цвете. При помощи стереоцветного телевидения реализуется новое качество телевидения – воспроизведение рельефности и цвета предметов, что ведет не только к повышению эмоционального воздействия на зрителя, но и к более эффективному использованию каналов связи.
Стереотелевидение может принести большую пользу науке и народному хозяйству там, где требуется наибольшая наглядность и выразительность воспроизводимых объектов и событий и особенно там, где оператор не может присутствовать на месте событий.
В настоящем дипломном проекте разрабатывается цветная стереотелевизионная телекамера, предназначенная для работы в комплексе с бинокулярным микроскопом и различными устройствами видеоконтроля и записи видеоизображений.
1. Особенности построения стереотелевизионных систем.
Первые шаги в области создания и просмотра стереоскопических изображений восходят к 20-м годам, к таким первопроходцам в этой области, как Лоджи Берд (Logie Baird), Хамонд (Hammond) и Зворкин (Zwyorkin).
Начало разработок стереотелевидения в СССР относится: черно-белого – к 1949 году (первое изображение получено в 1950-м году, а в 1952-м году выпущена первая промышленная установка) и цветного – к 1958-му году (первое изображение – 1959-й год). Стереоцветная установка ЛЭИС в 1962-м году демонстрировалась на ВДНХ в Москве и в 1964-м году – на советской выставке в Генуе, Италия.
1.1. Зрительный орган как система связи.
Конечным индикатором при телевизионной передаче является наш глаз, поэтому на каждом этапе развития телевизионной техники учитывалось то или иное свойство зрительного органа. И чем совершеннее становилась телевизионная система, тем глубже и полнее опирались при ее построении на возможности зрения. Наиболее полно это отразилось на стереоцветной системе, которая ближе всего подводит к условиям непосредственного наблюдения и опознания натуры.
Зрительная система, как известно, обладает пространственной и временной разрешающей способностью., а также контрастной чувствительностью. Другими словами, пространство и движение мы воспринимаем дискретно. Телевизионные вещательные системы строятся на основе использования только временной дискретности зрения и пока не обеспечивают передачу привычной для глаза пространственной дискретности.
Техника развития телевидения не имела целью слепое копирование зрительной системы. Но сопоставление на данном этапе процессов, происходящих в телевизионной и зрительной системах, может быть полезным.
Если условно расчленить зрительную систему на функциональные узлы , то можно сопоставить ее с системой стереоцветного телевидения (рис. 1.1).
Схематическое сопоставление систем бионической (зрительной) и кибернетической (телевизионной).
Рисунок 1.1.
Рассмотрим коротко основные функции, присущие отдельным ступеням кибернетической и бионической систем.
1. Преобразование оптического изображения в электрические сигналы. В телевидении, это совершается в передающей камере 1 путем того или иного вида развертки изображения и, по существу, является первичным кодированием изображения соответствующими электрическими сигналами.
В зрительном анализаторе совершается развертка изображения, как и в передающей телевизионной камере, только в более совершенной форме. При рассматривании крупных объектов оба глаза синхронно совершают скачкообразные движения, переводя наше внимание от одной точки к другой. Кроме того, благодаря мелким движениям глаз по горизонтали и вертикали, выявляется основная информация об объекте. Такая дискретная развертка обеспечивает большую четкость деталей, нежели непрерывная, применяемая в телевидении.
2. Кодирование – трансформация первичной информации в сигналы, удобные для передачи. В черно-белом телевидении этот процесс отсутствует. В цветном и стереоцветном телевидении кодирование совершается особо рассчитанными электрическими матрицами. Кодированию подвергается информация каждого элемента изображения, причем кодовый сигнал должен нести информацию не только о яркости данного элемента, но и о его цвете.
В зрительной системе световой поток от цветного объекта, падая на сетчатку, вызывает реакцию в соответствующих элементах колбочкового аппарата, что приводит к возникновению в ганглиозных клетках электрических импульсов определенной частоты. Таким образом, оптическое изображение, образуемое на сетчатке, кодируется частотой электрических импульсов, посылаемых разными порциями в высшие отделы анализатора 4 и 5.
3. Передача электрических сигналов. Зрительную систему можно рассматривать как идеальную систему связи, то есть передающую сообщения без ошибок со скоростью, определяемой пропускной способностью канала. Последнее, по Шеннону, определяется как
C = DF log2 Pc+Pп / Pп = DF log2 ( 1 + Pc / Pп ), дв.ед. / сек., (1)
где DF – полоса частот пропускания; Рс и Рп – соответственно, средние мощности полезного сигнала и помехи в виде «белого шума».
Воспользуемся уравнением (1) для определения пропускной способности стандартного телевизионного канала при полосе частот D F=6 МГц и отношении сигнала к помехе y=25, требуемом для хорошего качества воспроизводимого изображения. Под величиной y здесь понимается отношение полного размаха видеосигнала (от уровня черного до уровня белого) к среднеквадратичному значению помех. В итоге:
Сmax= 56 ´ 106 дв. ед. / сек.
В цветном телевидении с уплотнением спектра частот яркостного сигнала и при квадратурной модуляции цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами для систем NTSC и PAL:
С = 19 ´ 106 дв. ед. / сек.
Для цветной системы SECAM (модуляция цветовой поднесу щей цветоразностными сигналами через строку):
С = 16 ´ 106 дв. ед. / сек.
Для стереоцветной системы с квадратурной модуляцией, когда один кадр цветной стереопары передается в черно-белом виде с полосой 6 МГц, а другой в красках с полосой 1,5 МГц:
Пропускная способность зрительного анализатора на уровне сетчатки тоже составляет десятки миллионов двоичных единиц в секунду. Но по мере перехода к высшим отделам зрительного органа производится отбор полезной информации из всего потока сообщений, что приводит к весьма экономной форме их кодирования.
Обращает на себя внимание тот факт, что пропускная способность зрительной системы ниже телевизионной, а канал передачи импульсов в миллионы раз сложнее. Видимо, последний используется более широко для обратных связей, то есть подачи разных команд от коры головного мозга.
4. Декодирование – преобразование кодовых сигналов в сигналы первичной информации. В телевидении для этого служат электрические матрицы, на выходе которых получаем первичные сигналы основных цветов R, G и B для левого и правого изображений. Как будет видно ниже, допустимо ограничиться сигналами R, G и B только для одного изображения стереопары, а для другого иметь только яркостный сигнал Y.
В бионической системе кодовые сигналы преобразуются в энергию биологических процессов, создающих визуальное ощущение. Совершается это в одном из высших разделов зрительного органа.
5. Синтез изображения – превращение первичной информации в модель передаваемого объекта. Этот завершающий этап воспроизведения изображений в телевидении осуществляется приемным устройством. В бионической системе зрительные образы возникают в коре головного мозга и автоматически, в большей или меньшей степени, сохраняются в памяти. В телевидении же для сохранения изображения в необходимых случаях применяется дополнительный процесс – запись изображения.
1.2. Стереоэффект и некоторые свойства бинокулярного зрения.
Глубинное зрение, то есть способность воспринимать объемность предметов и их пространственное расположение, не является врожденным свойством человека. Оно достигается ранним жизненным опытом путем сочетания реакции осязания, зрительного восприятия и подсознательного глазомышечного двигательного акта.
Объемность предметов и их пространственное расположение непосредственно могут восприниматься как при монокулярном зрении (одним глазом), так и при бинокулярном (двумя глазами). В первом случае главную роль играют физиологические факторы (зрительная память, ощущение различия в напряжении мышц при аккомодации и т.п.). Опираться на эти факторы при построении телевизионной системы, где глаз заменяется передающей трубкой, нельзя – необходимо прибегнуть к использованию свойств бинокулярного зрения, где основную роль играет глазной базис – расстояние между зрительными осями при рассмотрении удаленных предметов (рис. 1.2). Для разных людей он немного отличается, но в среднем составляет 65 мм. Угол a при пересечении зрительных осей называется углом конвергенции (сведения в одну точку). Каждому положению объекта соответствует определенный угол конвергенции, что сопровождается некоторой мускульной работой поворота глаз вокруг центров вращения. Сравнение в сознании мускульных напряжений, связанных с изменением угла конвергенции, дает представление о том, ближе или дальше расположен предмет.
Бинокулярное наблюдение одиночных предметов.
Рисунок 1.2.
При смещении рассматриваемого объекта происходит не только конвергенция глаза, но и аккомодация, то есть изменение кривизны глазного хрусталика. Последнее обеспечивает резкость изображения предметов на сетчатке при различных расстояниях их от глаза.
Достаточно малейшего смещения одной из проекций изображений с идентичных точек сетчатки, как в сознании возникает пространственное представление о рассматриваемых объектах. Принято, что невооруженным глазом рельефность предметов можно наблюдать на расстояниях, не превышающих одного километра. Для увеличения стереоскопической дальности или повышения стереоэффекта требуется, прежде всего, при прочих равных условиях, увеличение базиса наблюдения, что легко осуществить в телевидении путем разноса передающих трубок.
1.3. Способы передачи стереопары.
Из рассмотрения простейших стереоприборов вытекает, что для искусственного воспроизведения стереоизображений необходимо иметь полученные с разных позиций два изображения и рассматривать одно левым глазом, другое – правым.
В зависимости от поставленной задачи можно передать или одновременно оба кадра стереопары, или последовательно.
Одновременная передача. При одновременной передаче могут наблюдаться два случая, в зависимости от требуемого базиса. Если поставленная задача требует большого базиса, необходимо иметь две передающие камеры, разнесенные на требуемое расстояние. Передача должна происходить или через два самостоятельных передатчика, или через один при наличии соединительных каналов. Обычно используют одну камеру с двумя передающими трубками.
Последовательная передача. Последовательный способ передачи стереопары применяется в случае использования временного параллакса (при относительном движении камеры и объектива) или при проектировании левого и правого изображений на мишень одной передающей трубки. В последнем случае кадры стереопары можно расположить на мишени трубки, или рядом по горизонтали (последовательная передача по строкам), или рядом по вертикали (последовательная передача по полям или кадрам). При вертикальном расположении кадров площадь мишени используется более полно, но это требует специальной призменной приставки к горизонтально расположенным объективам [1, глава 4]. Последовательная передача стереопары требует удвоенной полосы частот по сравнению с обычным двухмерным телевидением. Принципы воспроизведения стереопары на приемной стороне освещены в книге под ред. П.В.Шмакова “Стереотелевидение” (М: Связь, 1968). Художественную передачу объемных изображений целесообразно обогащать стереофоническим изображением.
1.4. Методы деления изображений [2].
В зависимости от назначения системы стереоскопического телевидения методы деления изображений для правого и левого глаза могут быть двух видов: индивидуальные и групповые. Первый способ допускает наблюдение объемного телевизионного изображения только одним человеком, а второй позволяет одновременно наблюдать объемное изображение большому числу зрителей. Естественно, что для стереотелевизионного вещания применим только метод группового деления стереопары. В промышленных системах могут использоваться как индивидуальные, так и групповые методы деления.
При групповом методе наблюдения используется поляризационный или цветовой способ разделения стереопары. Первый способ основан на явлении поляризации света. Лучи плоско поляризованного света обладают свойством свободно проходить через поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого параллельна плоскости поляризации луча. Но такие лучи не проходят через поляризационный фильтр, если плоскости поляризации перпендикулярны. Таким образом, если перед экранами приемных трубок (рис. 1.3) 1 и 2 поставить поляризационные фильтры 3 и 4, плоскости поляризации которых ориентированы взаимно перпендикулярно, то разделение смешанной параллаксограммы (смешанная параллаксограмма представляет собой наложение одного изображения стереопары на другое) можно осуществить, если смотреть через очки с фильтрами 5 соответствующей поляризации. Смешанная параллаксограмма получается на полупрозрачном недеполяризующем зеркале 6. Поляризационный метод разделения стереопары для правого и левого глаза позволяет наблюдать не только черно-белые стереоскопические телевизионные изображения, но и стереоцветные.
Очковый метод деления.
Рисунок 1.3. Поляризационные или цветные фильтры: 1 и 2 – приемные трубки, 3 и 4 – поляризационные фильтры, 5 – очки с поляризационными фильтрами, 6 – полупрозрачное зеркало.
Недостатком поляризационного метода является необходимость соблюдать параллельность плоскостей поляризации поляроидов зрителя и приемных трубок. При наклоне головы зрителя более 4° значительно ухудшается стереоэффект из-за проникновения другого изображения. Однако специальной конструкцией очков можно избавиться и от этого недостатка. Если на рис. 3 поляризационные фильтры заменить цветными фильтрами, имеющими определенные спектральные характеристики, то каждый глаз зрителя будет видеть изображение, предназначенное только для него. Принцип разделения цветными фильтрами заключается в следующем: каждое черно-белое телевизионное изображение стереопары Кл и Кп окрашивается в один из спектральных цветов. Например, левое изображение в красный цвет, а правое – в зеленый. Перед глазами зрителей помещаются цветные светофильтры так, что правый глаз зрителя смотрит через зеленый фильтр и видит градации яркости только зеленого изображения, а левый глаз смотрит через красный фильтр и видит градации яркости только красного изображения. За счет бинокулярного смешения цветов зрители видят стереоскопическое телевизионное изображение, окрашенное в третий цвет. При использовании одноцветных приемных трубок (в дальнейшем – ПЗС-матриц) надобность в установке цветных фильтров перед экранами трубок отпадает. Недостатком данного метода разделения стереопары является невозможность наблюдать многоцветное стереоскопическое изображение.
В разрабатываемой системе используется групповой метод деления стереопары, но принцип деления отличается от вышеописанных. В процессе формирования стереопары образуется видеосигнал, содержащий последовательность четных и нечетных полей двух кадров стереопары. Одна ПЗС матрица формирует сигналы первого и второго поля первого кадра стереопары, а вторая, соответственно, поля для второго кадра стереопары. Применяя при воспроизведении очки с жидкокристаллическими индикаторами (ЖКИ) и коммутируя ЖКИ с частотой полей, мы разделяем кадры стереопары для правого и для левого глаза соответственно. Данные системы воспроизведения являются стандартными и в данном проекте не рассматриваются.
1.5. Системы объемного телевидения.
Многочисленные работы, проведенные проф. П.В.Шмаковым и его сотрудниками по изучению стереоэффектов в телевидении, показали:
1. Стереоэффект наблюдается не только при одинаковой четкости обоих изображений, но и при понижении четкости одного из кадров стереопары, причем воспринимаемая зрителем четкость определяется более качественным изображением.
2. Возможна передача одного кадра стереопары черно-белым, а другого – цветным. При этом эффект восприятия объема и цвета практически не ухудшается.
3. Полоса частот сигналов одного кадра, в том числе и яркостного, может быть значительно сокращена без заметного ухудшения изображения при условии, что яркостный сигнал другого кадра передается с полной полосой частот.
Эти особенности зрения позволили предложить несколько систем объемного телевидения, использующих стандартный телевизионный канал [3], которые мы рассмотрим далее.
Мелькание. При проектировании систем объемного телевидения возникает проблема рационального использования полосы частот канала передачи. В обычном телевидении требование отсутствия мельканий при необходимых яркостях изображения приводит к передаче 50 полей в секунду. В стереотелевидении предполагалось использовать возможность понижения частоты мельканий каждого изображения вдвое за счет попеременной смены полей левого и правого кадров. Такая возможность позволила бы сократить полосу частот вдвое, то есть привести к стандартной полосе частот двухмерного телевидения. Но исследования показали, что критическая частота мельканий остается неизменной как при монокулярном, так и при бинокулярном зрении при переменной смене полей. На основании этих опытов сделали вывод, что число кадров в системах объемного телевидения для отсутствия мельканий должно быть тем же самым, что и в системах обычных.
Если, в идеальном случае, для передачи и воспроизведения цветного объемного изображения требуется шесть сигналов (три сигнала цветоделенных изображений для левого кадра стереопары и три – для правого), то в практике из шести сигналов необходимо и достаточно передавать только четыре: сигнал, несущий информации о яркости одного кадра стереопары, и три сигнала, несущих информацию о яркости и цветности другого кадра. При этом полоса частот для передачи цветного кадра может быть сокращена до 1,5 МГц, если черно-белый кадр передается со стандартной полосой частот. Исходя из этого, исследовательской лабораторией кафедры телевидения Ленинградского электротехнического института инженеров связи им. проф. М.А.Бонч-Бруевича под руководством проф. П.В.Шмакова разработана совместимая система цветного стереотелевидения, соответствующая системе NTSC (рис. 1.4).
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
