Технология обработки изобразительной информации (2 часть)

ГЛАВА V. Пространственная дискретизация, квантование и кодирование

5.1 Основные типы и параметры разверток

Развертывающие устройства различают по виду траектории, описываемой сканирующим пятном, и по способу относительного перемещения считывающего пятна, оригинала и фотоприемника. Развертки бывают электромеханические и целиком или отчасти электронные (без механических перемещений), с плоским или цилиндрическим оригиналодержателем.
В эпоху «механического» телевидения (до 40-х гг. XX в.) развертка осуществлялась по способу, предложенному немецким инженером Паулем Нип-ковым [5.1]: путем вращения диска с отверстиями, расположенными на нем по спирали. Эти отверстия поочередно, строка за строкой, как показано на Рис. 5.1 (а), обходили на диске кадр - проекцию передаваемой сцены. Свет, проходивший через отверстия, создавал ток видеосигнала в ФЭП, расположенном с обратной стороны диска. В такой развертке целиком отсутствовал обратный ход сканирующего пятна как по строке, так и по кадру, а сами строки в кадре являлись дугами окружностей, описываемых отверстиями диска.
Радиальную траекторию с обратным ходом луча по строке используют в радиолокационных индикаторах кругового обзора (см. Рис. 5.1, б).
В развертках многих полиграфических ЭЦК и фотофаксимильных аппаратов сканирующее пятно описывает винтовую линию (см. Рис. 5.1, в). Оригинал крепится поверх цилиндра, а экспонируемая пленка внутри него. В последнем случае быстрая или арочная развертка обеспечивается вращением зеркала или объектива внутри неподвижной цилиндрической камеры, что существенно облегчает автоматизацию установки и съема объектов сканирования. В развертке такого типа отсутствует обратный ход по строке, но есть обратный ход по кадру, за время которого оптическая головка возвращается в исходное положение перед считыванием (записью) следующего комплекта изображений.

Рис. 5.1 Траектории элемента разложения в развертках диском Нипкова (а),радиальной (б), на цилиндре (в) и телевизионной (г)

В вещательном телевидении и репродукционных устройствах с плоскостным расположением объекта сканирования траектория развертки представляет собою систему параллельных строк с возвратом светового пятна или такта коммутации (в матричном считывателе) из конца предыдущей строки в начало следующей и отконца первой строки кадрав начало первой, как показано на рис, 5.1 (г), В ЭЛТ такую траекторию обеспечивают периодические токи или напряжения пилообразной формы (см. Рис. 5.2), создающие электромагнитное или электростатическое поле отклоняющих катушек или ппастин. От линейности нарастания этих сигналов зависит, как показывает Рис. 5.2, геометрическая точность получаемого изображения. Равномерному нарастанию тока во время прямого хода развертки, как показано в левой части Рис. 5.2, соответствует одинаковая ширина квадратов на экране ЭЛТ. Если же скорость этого нарастания в начале строки выше (средняя часть Рис. 5.2), то первый квадрат растягивается по горизонтали, а второй из-за уменьшения скорости (градиента нарастания отклоняющего тока) в конце строки сжимается, поскольку закон изменения самого видеосигнала, управляющего током электронного пучка остается неизменным. При вогнутой форме зубца «пилообразного» отклоняющего тока имеет место обратная картина. Из-за относительно низкой разрешающей способности применение ЭЛТ в допечатной технологии ограничивается лишь выводом текстовой информации (фотонаборные машины Digiset, CRTronic и т. п.) и системами видеопробы.

Рис. 5.2 Влияние линейности пилообразного сигнала (а) строчной развертки на геометрию изображения на экране (б)

В общем случае сигнал, получаемый в результате построчного сканирования, характеризуется тремя «служебными» частотами и соответствующими им временными периодами. Для телевизионного растра это:

  • время элемента изображения, определяемое длительностью перемещения считывающего пятна на расстояние равное его размеру, и величина, обратная этому времени - частота видеосигнала (6,5 МГц в широковещательном телевизионном стандарте);
  • период строки, равный времени перемещения пятна от начала данной до начала последующей строки, и обратная этому периоду величина - частота строчной развертки (16 кГц);
  • время кадра (поля) и частота полей (50 Гц).

Если в одновременной системе все цветоделенные сигналы передаются параллельно, то в последовательных системах соответственно этим временам различают, в частности, способы передачи сигналов и способы формирования цветных и цветоделенных изображений. Цветоделенные сигналы могут передаваться одновременно или последовательно: по элементам, по строкам и по кадрам.

5.2 Считывание мгновенного действия и считывание с накоплением света

Как уже упоминалось выше, в экспериментальных, а затем и в вещательных ТВ системах развертка изображений обеспечивалась поначалу механическим способом с использованием диска Нипкова. Сигнал на выходе ФЭП формировался лишь за счет световой энергии, которая успевала поступать на чувствительный слой ФЭП за время перемещения отверстия в диске (элемента разложения) на расстояние равное его размеру, т. е. за минимальный из рассмотренных выше временных промежутков. Слабый и незначительно отличавшийся от уровня помех сигнал не позволял вести передачу без мощного искусственного освещения, улучшить четкость изображения, т. к. для этого необходимо было увеличить число строк в кадре при соответствующем росте скорости развертки. Системами мгновенного действия в указанном смысле являются рассмотренные нами выше (см. Рис. 4.4 и Рис. 4.9) и считывающие устройства полиграфических ЭЦК.
Революционным в развитии ТВ техники явился переход в 30-е гг. к передающим системам с накоплением световой энергии. Примером такой системы может служить условно представленная на Рис. 5.3 телевизионная камера с ЭЛТ(1), использующей внутренний фотоэффект. Изображение объекта 2 проецируется объективом 3 на мишень 4. Она представляет собой слой фотопроводника, нанесенный на внутреннюю поверхность торцевого стекла трубки поверх прозрачного проводящего слоя окисла свинца 5. Световой поток создает на ней резистивный или (при подаче внешнего напряжения) потенциальный рельеф, который соответствует распределению яркостей передаваемого объекта. Электронный пучок б, отклоняемый магнитным полем катушек 7, построчно и поэлементно, как показано на Рис. 5.1 (в) обегает мишень 4. В каждый момент времени электрическая цепь оказывается замкнутой через элемент мишени 4, на котором находится сканирующее пятно (апертура электронного пучка) и нагрузочное сопротивление Rн. Поэтому мгновенное значение uc напряжения видеосигнала, создаваемое на нем, оказывается напрямую связанным с сопротивлением соответствующего (коммутируемого) элемента мишени.

Рис. 5.3 Передающая ЭЛТ с накоплением световой энергии

После каждой коммутации электронный пучок возвращается к данному элементу мишени только после того, как обойдет весь экран, т. е. через время кадра. В течение всего этого времени элемент аккумулирует световую энергию, поступающую к нему от соответствующего участка объекта 2. В результате чувствительность системы с накоплением оказывается большей, чем у рассмотренной выше системы мгновенного действия, в число раз равное количеству элементов разложения изображения, т. е. в миллионы раз.
В устройствах ввода, использующих сканирующие фотоприемники, например линейки ПЗС и фотодиодов, накопление используется не во времени всего кадра, а частично, за время строки. Как система с полным (за все время кадра) накоплением может рассматриваться современный электронный цифровой фотоаппарат с матрицей ПЗС.
В отличие от телевизионных приложений, вопросы организации сканирования с накоплением световой энергии весьма актуальны в светоэнергети-ческом отношении и для системрегистрации изображений в допечатном процессе и будут рассмотрены ниже.