Формирование изображения в телевизионных системах (стр. 1 из 3)
Кафедра радиоэлектроники
Реферат на тему:
Формирование изображения в телевизионных системах
2010 г.
Оглавление
Телевизионная система
Формирование оптического изображения
Светоделение
Телевизионная система
Основным назначением телевизионных систем является формирование на экране воспроизводящего устройства изображения передаваемых сцен в реальном времени или с использованием видеозаписи, как правило, на значительном от них расстоянии. Вместе с тем телевизионные методы широко используются в системах анализа изображений с целью извлечения полезной информации об изучаемых объектах или процессах.
Наиболее привычным для человека носителем информации об окружающем его мире является видимое излучение (область спектра электромагнитных колебаний с длиной волны X примерно от 380 до 760 нм, непосредственно воспринимаемых глазом). С помощью зрительной системы человек получает наибольший (до 80%) объем информации из внешнего мира. "Соседние" участки оптического спектра: инфракрасный - 780...104 нм, ультрафиолетовый - 5...380 нм, рентгеновский - 0,01...5,00 нм и др., - также несут существенную информацию об окружающих предметах и протекающих процессах, но она не может непосредственно восприниматься глазом (указанные границы участков спектров, естественно, условны). Для восприятия излучений в этих участках спектра используют различного рода преобразования невидимого оптического изображения в видимое - визуализацию невидимых изображений. Такое функциональное назначение ТВ С стало одним из важнейших в настоящее время.
В качестве примера ТВС рассмотрим систему, назначением которой является формирование изображения передаваемой сцены, предназначенного для восприятия человеком. Схема подобной ТВС приведена на рис.1. Источник света освещает передаваемую сцену световым потоком F0. Отраженный световой поток Fоказывается сложной функцией координат х, у, zпространства объектов, длины волны излучения лямбдаи времени t. С помощью оптической системы (объектива) формируется изображение передаваемой сцены Е (х, у, лямбда, t) - распределение освещенности в координатах х, у плоскости изображения. Это изображение является входным сигналом ТВС. С помощью фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) оно преобразуется в электрический сигнал (сигнал изображения). Этот сигнал после усиления и обработки поступает в канал связи (радиоканал, кабельная линия связи и т.п., включающие кодирующие и декодирующие элементы устройств передачи и приема). С выхода канала связи сигнал после дополнительной обработки и усиления поступает на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) - кинескоп. На экране ЭЛТ воспроизводится изображение передаваемой сцены. Для синхронной работы всех узлов системы используется генератор синхронизирующих сигналов - синхрогенератор, а для отклонения электронных пучков ФЭП и ЭЛТ в системе применены генераторы развертки.
В системах, предназначенных для автоматического анализа изображений, сигнал с выхода устройства обработки и усиления подается на анализатор, в качестве которого может использоваться универсальная ЭВМ или специализированный вычислитель.
Такие ТВС часто содержат устройство записи сигнала изображения, регистратор данных об объектах в поле изображения или исполнительное устройство (например, в устройствах управления подвижными объектами).
Таким образом, в рассматриваемых системах, как и в любых других, предназначенных для передачи информации, предусматривается наличие носителя информации, в параметрах которого закодировано сообщение о передаваемой сцене. Телевизионная система является сложной многозвенной системой передачи информации, сигнал которой на различных участках может иметь разную физическую природу (световые кванты, электроны и др.).
Какие параметры сигнала - носителя информации - можно использовать для передачи сообщений в ТВС? Это может быть видимое излучение - белый свет с равномерным или близким к нему распределением мощности по спектру излучения. Как известно, белый свет может быть представлен в виде суммы большого числа монохроматических составляющих со случайными амплитудами, частотами, фазами, направлениями распространения и поляризацией. Хотя использование этого излучения ограничено вследствие случайности его параметров, однако и в этом случае можно проектировать достаточно эффективные ТВС, основанные на модуляции таких параметров, как амплитуда излучения, его спектральный состав и поляризация.
Для каждого конкретного момента времени реакция ФЭП на воздействующее излучение описывается зависимостью его выходного сигнала sот функции распределения мощности излучения Р (Х) с учетом спектральной чувствительности ФЭП:
Выходной сигнал большинства ФЭП, как и реакция зрительной системы человека (ощущение), может быть определен соотношением (1) при соответствующих спектральной чувствительности е (Х) и нормировке ощущения. Для глаза - это спектральная чувствительность или кривая относительной видности v (A). Ощущение оказывается пропорциональным воздействующему световому потоку
Формирование оптического изображения
Входным сигналом ТВС является плоское оптическое изображение (изображения) - Е (х, у, ƴ, t). Проектирование любой ТВС включает анализ вопросов формирования оптического изображения на входе системы. Качество сформированного телевизионного изображения в значительной степени определяется качеством входного оптического изображения. Без учета механизмов его построения невозможна правильная интерпретация данных об исследуемой сцене в системах автоматического анализа изображений и системах технического зрения.
Для понимания механизмов формирования входного изображения будем опираться на основные закономерности геометрической оптики. Объект, например излучающий (светящийся) или отражающий, может бытьописан функцией яркости L (х, у, z,ƴ, t), где х, у, z - пространственные координаты; ƴ - длина волны излучения; t - время. Аналогично может быть описано плоское изображение этого объекта L (x, у, ƴ, t), в частности как функция освещенности Е (х, у, ƴ, t), построенное той или иной изображающей системой в координатах х, у пространства изображений.
Из оптики известно, что изображением точечного объекта, создаваемым идеальной оптической системой, является точка, в которую сходятся лучи, исходящие от рассматриваемого точечного объекта. Если принять каждую точку поверхности объекта, отражающую свет от постороннего источника, за локальный источник света, то совокупность изображений этих точек дает оптическое изображение объекта. Совокупность точек, изображение которых можно получить с помощью отображающей системы, образует пространство объектов, а совокупность точечных изображений этих объектов - пространство изображений.
В этом случае световые лучи слабо преломляются и поглощаются средой. Это дает возможность формировать изображения, адекватно отображающие свойства передаваемой (наблюдаемой) сцены. В тех же случаях, когда эти условия не выполняются, возникают определенные яркостные, цветовые и геометрические искажения. Например, при наблюдении удаленных горных ландшафтов или поверхности Земли с летательных аппаратов возникают цветовые и контрастные искажения, вызванные избирательным поглощением и рассеянием света в атмосфере (густозеленые массивы приобретают голубоватый оттенок, контрасты объектов разной яркости снижаются). В связи с эффектами, вызванными преломлением света в атмосфере, на изображении, в том числе и при наблюдении глазом, возникают геометрические искажения. В необходимых случаях указанные закономерности формирования изображений учитываются особо.
Геометрическая оптика основывается не только на постулате об однородности среды, но и о прямолинейности и взаимной независимости распространения в ней световых пучков, обратимости хода световых лучей, известных законах отражения и преломления света, принципе Ферма и законе сохранения энергии.
В результате расчетов определяются характеристики механической конструкции устройства и требуемые значения их вариаций в процессе фокусировки, изменения яркости, спектрального состава и других параметров; производится выбор оптических элементов.
Расчет оптического узла базируется на свойствах кардинальных точек, данных о главной и фокальных плоскостях, а также фокусных расстояниях. Луч 1 (рис.2), параллельный оптической оси объектива, в пространстве изображений 1'пересечет оптическую ось в точке F'. Эта точка называется задним фокусом объектива и является изображением бесконечно удаленного точечного объекта. В этой точке собираются все лучи, распространяющиеся параллельно оптической оси, в том числе и луч, совпадающий с оптической осью, который проходит через точку фокуса без изменения направления своего распространения в оптической системе.
Параллельные лучи при распространении в обратном направлении (2 и 2') собираются в точку переднего фокуса F. Лучи 1 и 1' называют сопряженными, их продолжение образует точку N', лежащую в задней главной плоскости объектива (N' Н'). Аналогично образуется точка N, лежащая в передней главной плоскости (NH).
Важнейшей рабочей характеристикой объектива является его фокусное расстояние f: переднее - от передней главной плоскости до точки переднего фокуса (f), заднее - от задней главной плоскости до точки заднего фокуса f). Плоскости, проходящие через точки фокусов Fи F' перпендикулярно оптической оси, называют передней и задней фокальными плоскостями. Фокальные плоскости являются геометрическим местом точек, в которых собираются пучки параллельных между собой лучей пространства предметов произвольного угла наклона к оптической оси системы, например пучок лучей Lсобирается в точке L', лежащей в задней фокальной плоскости.