книги / Микропроцессоры в телевидении
..pdfВ ТВ передающих камерах на вакуумных трубках применяют, как правило, линзовые объективы. Они позволяют получить хо рошее качество изображения С4 при больших полевых углах объ-
!ектива благодаря коррекции полевых аберраций (комы, астигма тизма, кривизны поля, дисторсии). Коррекция хроматических
аберраций объективов должна соответствовать спектральной ха рактеристике датчика видеосигнала. При этом за основную длину волны Хт электромагнитных колебаний, для которой определя ют показатель преломления оптических сред объектива, прини мают ту, которая соответствует максимуму спектральной харак теристики чувствительности датчика видеосигнала. Граничные длины волн Ai и %2, соответствующие спектральной характеристи ке, определяют граничные показатели преломления для длинно волновой и коротковолновой областей спектра.
В ТВ передающих камерах, предназначенных для индикации малоразмерных объектов, в которых в качестве датчика видео сигнала используют ПЗС датчики, целесообразно использовать зеркально-линзовые и зеркальные объективы [150]. Это обуслов лено жесткими требованиями к величине кружка рассеяния опти ческой системы, которая должна равняться размеру элемента ПЗС или быть меньше его. Это требование легче выполнять, при меняя зеркально-линзовые и зеркальные объективы, так как в них практически отсутствуют хроматические аберрации. Если в таких объективах применить асферические поверхности, то мож но добиться почти полной корректировки аберраций. Однако из готовить объективы с асферическими поверхностями чрезвычай
но сложно и дорого [150].
Для объективов, которые применяют в цветном телевидении, хроматические аберрации исправляются для трех цветов с дли нами волн, соответствующими максимуму спектральной чувстви тельности датчиков видеосигналов. Причем из-за необходимости одновременно проецировать цветоделенные изображения С4 на несколько датчиков видеосигналов приходится применять доста точно сложные оптические системы с применением светоделительных дихроичных элементов, избирательно разделяющих белый световой поток на красную R, зеленую G и синюю В составляю щие [145]. Для правильной цветопередачи суммарная яркость
изображения С4 должна удовлетворять соотношению |
|
L = 0,299L* + 0,587LC + 0,114L*. |
(7.1) |
где LR, Lg, LB— яркости элементов изображения, полученные в различных цветах.
В процессах цветоделения, цветопередачи и цветового синте за необходимо учитывать спектральные характеристики датчиков видеосигналов и правильно задавать уровни светового потока в каждом цвете, которые формируют с помощью светофильтров. Светофильтры — одни из важнейших элементов в оптических системах цветных ТВ передающих камер. Они могут быть выпол нены в виде плоскопараллельных пластинок с нанесенными (на-
16 1
\ |
1 |
Рис. 7.1. Схема |
оптической системы |
камер* |
|||
|
------------ |
с одновременной |
сменой съемочных |
объек |
|||
|
|
тивов в каналах R, G, В: |
|
|
|||
|
|
1 — свето ф иль тр , 2 — объ ектив |
|
|
|||
|
|
пыленными) на их преломляющие- |
|||||
|
|
поверхности |
покрытиями. |
|
Изби |
||
|
|
рательность |
светофильтра |
обеспе |
|||
|
|
чивается |
также |
подбором |
|
мате |
|
|
|
риала, из которого он изготовлен. |
|||||
|
|
Можно |
использовать сочетания |
||||
|
|
абсорбционных |
фильтров, |
выпол |
|||
ненных, например, из цветного стекла и узкополосных интерфе ренционных фильтров, представляющих собой многослойные по крытия, нанесенные на плоскопараллельную пластинку — подлож ку. Интерференционные фильтры могут работать на отражение и служить светоделительными элементами [151].
Типичные схемы оптических систем цветных ТВ передающих камер приведены в [3]. Схема оптической системы камеры с од новременной сменой съемочных объективов в каналах R, G, В- (рис. 7.1) является наиболее простой. Она состоит из трех объ ективов, укрепленных на жесткой плите. Каждый из них прое цирует изображение на свой датчик видеосигнала.
Схемы оптических систем с переносом изображения, разли чающихся по характеру работы отдельных компонентов и по ме сту расположения светоделительных поверхностей, приведены на рис. 7.2 и 7.3. В малогабаритных цветных ТВ передающих каме рах находят применение оптические системы без переноса изоб ражения, использующие светоделение в заднем удлиненном от резке вариообъектива. Схемы таких оптических систем приведе ны на рис. 7.4. и 7.5.
Рис. 7.2. Схема оптической системы цветной ТВ камеры с переносом изобра жения (камера RGB):
/ — съем очны й о б ъ екти в ; 2 — ко л л е к ти в ; |
3 — кор р екто р а с ти гм а ти з м а ; |
4 — о б ъ е к ти в пере |
н о са; 5 — свето д ел ительн ы е з е р ка л а ; |
6 — ахр о м ати ч ески е з е р к а л а ; |
7 — ко р р екц и о н н ы е |
ф и л ь тр ы ; а — ли н зы С м я та |
|
|
162
Разработка оптических систем ТВ передающей камеры и дру. тих приборов состоит из ряда этапов.
Для расчета оптической системы: определения таких значе ний конструктивных параметров ее элементов, при которых она будет удовлетворять заданному набору требований,—этапы раз работки, их последовательность и взаимосвязь должны удовлет ворять структуре, показанной на рис. 7.6 [152].
Н а п е р в о м э т а п е в зависимости от назначения ТВ пере дающей камеры выбирают принципиальную оптическую схему, устанавливают взаимное расположение компонентов оптической
Рис. 7.3. Схема оптической системы с переносом изображения п делением све тового потока в параллельном ходе лучей в объективе переноса изображения:
' — съем очны й объ ектив; |
2 — ко ллекти в; |
3 — о бъектив переноса; 4 — светоделнтельные зер* |
|
-кал а; |
$ —-коррекционные |
свето ф ильтр ы ; |
б — линза С м ита; 7 — стекло передающей трубки |
(д а тч |
и к ви деосигн ала) |
|
|
Рис. 7.4. Схема оптической системы трехтрубчатой камеры с призменным светоделнтельным блоком:
/ — ва р н о о б ъ ектл в ы ; |
2 — н ейтр альн ы й с в ето ф и ль тр ; |
3 — п ризм ы ; 4 — коррекционные |
свето |
|
ф и л ь т р ы ; |
б — л и н зы |
С м и та ; R , G , В — передаю щ ие |
телевизионны е тр у б к и (д атч и ки |
видео |
с и гн а л о в ) |
|
|
|
|
163
Рис. 7.5. Схема оптической системы четырехтрубочной камеры с призменнымсветоделительиым блоком:
/ — вариообъектлпы ; |
2 — нейтральный |
свето ф ильтр ; |
3 — п р и зм ы ; 4 — коррекционны е |
све |
|
то ф и л ь тр ы : |
5 — линзы |
С м и та ; R , G , В , |
Y — передаю щ ие тр уб ки |
|
|
системы |
(линз, светофильтров, зеркал, |
призм). Одновременно |
де |
||
лают габаритный расчет, показывающий возможность установки оптических элементов от соотношения между его продольными и поперечными размерами, от расстояний между элементами и т. п. На этом этапе определяют фокусные расстояния, относительныеотверстия и диаметры, а также устанавливают поля компонен тов оптической схемы. На первом этапе разумно выбрать или разработать несколько исходных оптических схем, из которых в- дальнейшем выбирают одну, наиболее полно удовлетворяющую заданным требованиям. Здесь объем вычислений невелик, и они могут иметь низкую относительную точность. Основной объем работы на этом этапе приходится на эвристические операции, осуществляемые разработчиком на основе своего опыта. Удель ный вес первого этапа в общем объеме проектирования довольно значительный. Устройства для ввода — вывода графической ин формации в ЭВМ позволяют решать задачу в диалоговом режи ме: разработчик ОПС — ЭВМ.
Н а в т о р о м э т а п е разработки выбирают принципиаль ные конструкции отдельных узлов и проводят коррекционный рас чет. Конструкции отдельных узлов выбирают на основе характе
ристик компонентов и оптической системы |
в целом, полученных, |
в результате габаритного расчета: углов |
полей зрения, относи- |
164
Рис. 7.6. Э тапы разработки оптической системы
тельныхотверстий, диаметров линз, положений зрачков и т. д. Конструкция компонентов зависит и от требований к качеству изображения С2, создаваемого оптической системой. Выбранные конструкции отдельных узлов должны позволять корректировать исходные характеристики оптической системы. Это необходимо, так как существующие программы автоматического расчета в ос новном воспроизводят классический итерационный процесс кор рекции. Для них нужна исходная система, которая может быть улучшена до требуемых характеристик. Автоматические програм мы не позволят получить заключение о необходимости введения дополнительного элемента или ввести необходимый элемент без вмешательства со стороны разработчика.
Введение дополнительных элементов иногда может привести к необходимости сделать новый габаритный расчет. Поэтому при проведении работ по этапу 2 придется возвращаться к этапу 1
и пересматривать принципиальную исходную схему оптической системы ТВ передающей камеры.
На этом этапе выполняют коррекционный расчет отдельных элементов на основе вспомогательных критериев качества изоб ражения С2 (С4) геометрических и волновых аберраций с уче том требований к качеству изображения оптической системы в целом, которое определяется по разрешающей способности или функции передачи модуляции [152]. Критерии качества изобра жения связаны с аберрациями на основе приближенных формул.
165
В результате аберрационного расчета можно обнаружить, что выбранные конструкции отдельных элементов не могут обеспе чить заданное качество изображения. В этом случае выбирают другую конструкцию и вновь проводят коррекционный расчет оп тической системы на ЭВМ. Основной метод расчета заключается в поиске постепенно улучшаемых конструкций с помощью проб ных малых изменений конструкций элементов оптической схемы. Когда этот процесс оказывается успешным, дальнейшие пробные изменения вызывают ухудшение качества изображения. Однако факт достижения такого состояния является гарантией оптнмального решения только для конкретной оптической схемы. Поэтому с самого начала целесообразно глубоко исследовать потенциаль ные возможности исходной схемы оптической системы.
Коррекционный расчет является этапом, который наиболее полно можно автоматизировать и проводить с помощью МПС. Уже созданы и эффективно используются программы автомати ческого изменения определенных параметров исходной оптичес кой системы для получения заданных значений аббераций или их минимизации.
Большое значение для получения положительного результата, с точки зрения обеспечения требуемого качества изображения С4, на этом этапе имеет удачный выбор марок стекол. Успех выбора требует анализа многочисленных вариантов и исследования целе сообразности применения тех или иных оптических материалов. Использование ЭВМ позволит решить эту задачу. Имеются прог раммы автоматического выбора марок стекол [153], которые ос нованы на минимизации хроматических аберраций и могут быть использованы для ОПС как с постоянными, так и с переменными оптическими характеристиками.
Н а т р е т ь е м э т а п е определяют следующие показатели качества изображения С2: разрешающую способность, функцию передачи модуляции, распределение освещенности в изображе нии точки и т. д. Здесь может быть получено несоответствие вы числительных и заданных значений показателей качества из-за неточности выбора вспомогательных оценок, используемых на этапе 2, которые в этом случае необходимо уточнить. Затем вновь производится коррекционный расчет оптической системы. Этот
этап полностью автоматизирован и проводится |
исключительно |
с помощью ЭВМ [152] и МПС. |
погрешностей |
Н а ч е т в е р т о м э т а п е оценивают влияние |
изготовления на значение аберраций и параксиальные характе ристики оптической системы путем малых изменений конструктив ных параметров элементов (радиусов кривизны, толщины, воз душных промежутков и т. п.) и вычисления при этом аберраций. Этот этап, так же как и предыдущий, полностью автоматизирован.
П я т ы й |
э тап. На основе анализа результатов этапа 4 на |
|
этапе 5 определяют допуски на изготовление оптических |
деталей |
|
и узлов, требования к оптическому стеклу. Возможны |
случаи, |
|
когда из-за |
недопустимо жестких допусков на оптические детали |
|
166
и узлы на этом этапе может выясниться непригодность разрабо танных на предыдущих этапах элементов оптической системы. Тогда приходится заменять нетехнологичные элементы и возвра титься к этапу 2.
Этот этап автоматизирован частично. Здесь можно моделиро вать воздействие погрешностей изготовления на качество изобра жения С2, создаваемое оптическими системами. Прежде всего ав томатизируют расчет допусков на радиусы кривизны оптических поверхностей, толщины линз и воздушных промежутков, показа телей преломления и дисперсии оптических материалов, а также на децентрировку. Однако автоматизировать расчет допусков на призмы и выдачу требований к стеклу достаточно трудно. Непро сто автоматизировать и определение таких требований к оптиче ским материалам, как однородность, бессвильность и т. п. [153].
Н а ш е с т о м э т а п е определяют техническую документа цию па расчет оптической системы. Этот этап автоматизируют постепенно [152].
Расчет оптической системы является типовым, если ОПС об ладает следующими свойствами [144]:
все элементы оптической системы симметричны относительно оптической оси;
объект и изображение С2 лежат в фиксированных плоскостях, перпендикулярных оптической оси;
все поверхности сферические и преломляющие; ни один из элементов оптической системы не перемещается; имеется только один канал или режим работы;
изображение С2 находится на конечном расстоянии от опти
ческой системы.
Оптические системы ТВ передающих камер могут не обладать этим свойством, они могут быть несимметричны относительно оп тической оси, иметь несколько каналов (см. рис. 7.1—7.5) и быть панкратическими. Поэтому для их расчета необходима специаль ная (нередко дорогостоящая) разработка программы автомати ческой оптимизации.
Впанкратических системах ТВ передающих камер (системах
сплавным изменением фокусного расстояния) воздушные проме жутки между некоторыми компонентами меняются в заданных пределах по определенному закону. Диапазон изменения фокус ного расстояния у объективов ТВ передающих камер может до стигать 20—40. Коррекционный расчет таких оптических систем проводят для пяти-шести положений компонентов.
Одной из важнейших коррегируемых характеристик панкра
тических систем является расстояние от последней поверхности до плоскости изображения С2. На этапе коррекционного расчета фокусные расстояния компонентов могут измениться, что в свою очередь может нарушить условие постоянства плоскости изобра жения С2 при промежуточных положениях компонентов, для ко торых коррекционный расчет не проводился. В этих случаях це лесообразно применять программы расчета, обеспечивающие со
167
хранение фокусных расстояний компонентов и расстояний между их главными плоскостями, т. е. сохранение габаритных соотно шений при коррекционном расчете. В этих программах фокусные расстояния f' и расстояния между главными плоскостями компо нентов задают на основе габаритного расчета. Каждый компо нент задают не через радиус кривизны поверхностей, а через уг лы первого параксиального луча с осью аи которые вычислены
для Si=oo при условии hi=f', т. е. при |
а/Р= 1 , где Si — рассто |
|
яние от первой поверхности до предмета; |
hi — высота первого па |
|
раксиального луча на первой поверхности; р — число |
поверхно |
|
стей; а'р — угол первого параксиального |
луча с осью |
после пос |
ледней поверхности. В качестве коррекционных параметров в этих программах используют углы а*, а не кривизну поверхностен [152].
При коррекции панкратических оптических систем для каж дого положения компонентов задают разные значения диаметра входного зрачка и поля зрения в пространстве предметов. Это делать необходимо, так как для различных положений элемен тов величины входного зрачка и поля зрения различны. Автома тизированная коррекция панкратических систем — процесс бо лее трудоемкий, чем коррекция систем с постоянными характери стиками.
Основа автоматизации расчета оптических систем передающих ТВ камер — необходимость обеспечить требуемое качество выход
ного изображения С2. Введение функции качества, |
пригодной |
для автоматической оптимизации, — одна из наиболее |
сложных |
задач в современных оптических расчетах [144]. Это обусловле но тем, что качество изображения С2 должно аппроксимировать ся с учетом экономичности расчетов, а также тем, что полная функция качества должна обеспечивать балансировку качества изображения С2 для различных точек поля зрения с учетом обя зательных и дополнительных ограничений. Функцию качества мо жно построить на основе взвешенной суммы квадратов аберра ций отдельных видов. Можно применять и другие критерии, та кие как минимум наибольшей аберрации или суммы их абсолют ных значений.
Требования к качеству изображения С2 оптических систем сильно изменяются в зависимости от назначения ТВ передающих камер, применяемых датчиков видеосигнала. В результате невоз можно определить такую функцию качества, которую было бы удобно использовать в качестве критерия оптимизации и которая одновременно была бы средством сравнительной оценки качест ва изображения. Однако между некоторыми практическими кри териями качества (волновой аберрацией, среднеквадратическим размером пятна, функцией передачи модуляции) существуют те оретические соотношения.
В заключение еще раз следует отметить, что расчет оптичес ких систем — весьма сложный процесс, состоящий из многих эта пов. Для некоторых задач желаемый результат может быть полу чен сразу же, для некоторых могут потребоваться многократные
изменения исходных систем, критериев рабочих характеристик, варьируемых параметров и программ оптимизации. В будущем можно ожидать дальнейшего усовершенствования методов опти мизации, определения функции качества, возможностей вычисли тельных средств, построенных на базе МП.
И хотя в настоящее время расчет оптических систем все еще в большой степени остается искусством, в будущем все больший груз их конструирования будут брать на себя ЭВМ.
7.2. АЛГОРИТМ ВЫБОРА ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
Функция передачи модуляции (ФПМ), одна из основных ха рактеристик телевизионной системы, представляет собой реак цию системы на синусоидальную волну. Преобразование Фурье импульсной реакции системы на синусоидальную волну называ ется оптической передаточной функцией (ОПФ). Модуль этой функции называют функцией передачи модуляции. Значение этой функции на частоте, близкой к нулевой, условно принято за еди ницу. Аргумент ОПФ называют функцией передачи фазы (ФПФ):
ОПФ = ФПМ exp ( - iФПФ). |
(7.2) |
На практике качество систем характеризуют с помощью ФПМ [156]. Если каждое звено системы линейно и не зависит от дру гих звеньев, то ФПМ можно представить в виде произведения ФПМ отдельных звеньев. Для телевизионной системы такими звеньями являются объектив, приемник излучения, электронный тракт передачи и обработки сигналов, видеопросмотровое устрой ство. Для ТВ системы ФПМ
Гс (N) = Г„ (N) Г„.„ (ДО Г, (N) ГВСУ (АО. |
(7.3) |
где Го(N), Tn.n(N), T,(N), Гвсу (<Vj — ФПМ оптики, приемника излучения, электронного тракта, видеопросмотрового устройства
соответственно.
Если ТВ систему применяют для передачи изображений ланд шафта, то оптический сигнал при прохождении через атмосферу претерпевает искажения. К их числу относятся следующие: энер гетическое ослабление, обусловленное поглощением атмосфер ными газами, а также молекулярными и аэрозольными рассея ниями; флуктуации амплитуды и фазы волны, вызванные слу чайными неоднородностями показателя преломления воздуха; рефракция, вызванная вертикальной и горизонтальной неоднород ностями атмосферы.
Из-за влияния атмосферы изменяется яркостный контраст уда ленных объектов в зависимости от их формы и размеров. Как правило, упомянутые явления могут рассматриваться независимо, что позволяет решать задачу распространения оптического сигна ла в атмосфере по частям, т. е. функцию передачи модуляции можно рассматривать как произведение отдельных звеньев моде
ли атмосферы, отражающих влияние различных видов искажений оптического сигнала, а атмосферу — как звено пути прохождения сигнала. Расчет ФПМ атмосферы подробно описан в [151, 157, 159].
Работу зрительного анализатора человека молено описывать, используя аппарат линейной фильтрации [18, 32, 160], что поз воляет ввести его в общий канал передачи сигнала через его ФПМ.
Рассмотрим, от каких характеристик ТВ системы зависит ее общая ФПМ. Первым звеном ТВ системы является объектив. Для идеального объектива с круглым входным зрачком и плоской монохроматической световой волны ФПМ [160]
|
|
N |
|
1; |
|
. |
0 <'' Мт |
< |
|
|
|
|
' |
(7.4) |
lo, |
|
е д » > 1 , |
|
|
где ЛГт =ДДо — предельная |
пространственная частота, передава |
|||
емая оптической системой; |
D — диаметр входного |
зрачка |
объек |
|
тива. |
|
|
|
|
Для реального объектива уровень ФПМ будет меньше уров ня ФПМ идеального объектива из-за наличия аберраций. Функ ции снижения ФПМ для различных аберраций приведены в [144]. Часто при инженерных расчетах ТВ объективов снижением уров ня ФПМ из-за аберраций можно пренебречь.
Следующим звеном ТВ системы является приемник излуче ния. Все более широкое применение находят матричные прием ники излучения, так как при них удобно использовать цифровую обработку изображения С4 с использованием микропроцессорных устройств. Для матричных приемников излучения, состоящих из набора чувствительных элементов, ФПМ определяется преобра
зованием Фурье функции чувствительности S(x) (рис. |
7.7). |
|
|
Полоса пространственных частот, воспроизводимых дискрет |
|||
ным приемником излучения, ограничивается |
(сверху) |
шагом |
L„ |
на который отстоят чувствительные элементы. |
Это следует из |
те- |
|
Рис. 7.7. Аппроксимирующие функции:
в —в — д в у хм е р н ая п р ям о уго льн ая; к р уго в а я , д вум ер н ая Г а у с а
170