CAPITOLUL 1Elemente de percepie vizualDefiniia televiziunii

Televiziunea poate fi definita ca un ansamblu de principii, metode si tehnici utilizate pentru transmiterea electrica, pe un canal de comunicatie, a imaginilor in miscare, imagini destinate observatorului uman.

Ca si radioul, televiziunea este o inventie a perioadei interbelice, desi primele principii au inceput sa sa studieze din secolul al XIX-lea. Au trecut multi ani pana sa apara pe un ecran sferic prima imagine a unei prezentatoare si sa treaca o alta perioada de timp pentru a evolua de la faza incercarilor de laborator la un inceput de realitate industriala.

Televiziunea se reduce la existenta a dou traductoare electrono-optice (captare-emisie si receptie-redare) si a unui canal de transmisie a semnalelor radioelectrice. ntreg acest absamblu constituie lantul de televiziune. n receptorul de televiziune, ultima verig a lantului de transmisie, are loc receptia semnalelor radioelectrice, prelucrarea lor si transformarea n imagini si sunet asociat, mentinerea compatibilitii si a sincronismului cu emittorul. Din punct de vedere al canalului de transmisie exist televiziune radiodifuzat, televiziune prin cablu, televiziune prin satelit.

Istoricul televiziunii

in anul 1936 se incepe prima transmisiune BBC in Anglia

in anul 1937 se creeaza in Franta sistemul TV pe 455 linii,iar Germania si Italia pe 441 linii

in anul 1939 se lanseaza prima transmisiune TV pe 340 linii in SUA si in 1941 adopta sistemul TV pe 525 linii care este utilizata si in prezent

in anul 1952 in Germania se lanseaza sistemul Gerber

in anul 1953 in SUA se transmite TV in culori pe sistemul NTSC pe 525 linii

in anul 1958 Franta introduce TV in culori pe sistemul SECAM

in 1962 este adoptata in Anglia si Germania TV in culori pe sistemul PAL

in 1980 incepe transmisia TV analogica prin satelit direct catre telespectator in 1999 se transmite TV digitala prin satelit (Sky TV)

Ideile de principiu ce se folosesc n televiziune au aprut n perioada 1875 1884, fiind chiar brevetate de ctre studentul P. Nipkow. El a propus un sistem de televiziune bazat pe cte un disc opac cu orificii dreptunghiulare distribuite pe o spiral att la emisie ct si la receptie. ntreaga imagine este descompus ntrun numr de linii (dat de numrul de orificii) ce se transmit secvential, totalitatea lor formnd un cadru ce se repet de un numr de ori pe secund (numr egal cu frecventa de rotatie a discului). Prima demonstratie cu acest sistem de televiziune a fost fcut abia n 1925 de ctre J.L. Baird; sistemul a fost ulterior perfectionat prin mrirea numrului de linii (120 la nceput) si prin nlocuirea sistemului de explorare optico mecanic cu sisteme electronice, prin inventarea unor tuburi de captare si explorare a imaginii (tubul disector 1927, iconoscop 1931, vidicon 1950). n 1941, numrul de linii n U.R.S.S. era 441 (actualmente 625 ca si n tara noastr), iar n S.U.A. 525 de linii, ca si n prezent. Primul sistem de televiziune n culori a fost elaborat n S.U.A. n 1940 de ctre C.B.S. (Columbia Broadcasting System), sistem necompatibil cu televiziunea alb negru. Primul sistem compatibil de televiziune color a fost NTSC n 1953, tot n S.U.A.. n 1958 n Franta, Henri De France elaboreaz sistemul SECAM, iar n 1962 n R.F.G. apare sistemul PAL (de Walter Bruch). n tara noastr, prima emisiune de televiziune este realizat n 1937 la Facultatea de Stiinte din Bucuresti, dar abia n 1957 sau construit primele receptoare de televiziune la Uzinele Electronica din Bucuresti si a intrat n functiune statia de televiziune din Bucuresti. n 1982 n Romnia sa adoptat sistemul PAL.

Principiul transmiterii informatiei de imagine

Patrunderea televiziunii n cele mai diverse domenii de activitate(radiodifuziune, economie, industrie, medicina, etc.) a dus la crearea unei game foarte largi de aparate si dispozitive de televiziune. Pentru a reduce cheltuielile de elaborare si dezvoltare a sistemelor de televiziune, s-a impus ideea unificarii (standardizarii) elementelor structurale, a parametrilor de performanta si chiar a unor principii de prelucrare a semnalelor purtatoare de informatii video si audio.

Fig.1.1 Din punct de vedere al captarii, prelucrarii, transmisiei si reproducerii imaginilor sistemele de televiziune actuale pot fi mpartite n trei categorii:

- sisteme de televiziune analogica;

- sisteme de televiziune analog-digitala;

- sisteme de televiziune digitala.

In sistemele de televiziune analogica, traductorul de la emisie (TOE=Traductor Opto-Electronic) genereaza un semnal electric (semnal video sau semnal de imagine) ale carui valori variaza n mod continuu ntre doua limite determinate de luminanta minima si luminanta maxima a imaginii obiectului captat. Din acest semnal prelucrat si transmis pe canalul de televiziune cu codare si modulatie in functie de specificul canalului, se formeaza la receptie, cu ajutorul traductoarelor semnal-imagine TV (TEO=Traductor Electron-Optic), imaginea de televiziune a obiectului.

n sistemele de televiziune analog-digitala sunt prezente ambele semnale: analogic si digital. De exemplu, semnalul analogic de la iesirea traductorului de emisie este trecut n forma digitala prin intermediul conversiei analog-digitale n scopul prelucrarii, conservarii si transmisiei prin canale de comunicatie de banda foarte mare, pentru ca apoi sa fie convertit n forma analogica prin intermediul procesului de conversie digital-analogice, pentru a fi transmis prin statiile actuale catre receptoarele de televiziune n care semnalul poate suferi, din nou, prelucrari analog digital analog.

Imaginea reprezint o distributie n spatiu a unei mrimi ce caracterizeaz propriettile optice ale obiectelor. Aceast marime este strlucirea (sau luminanta) notat B(x,y,t), un vector dependent de dou dimensiuni spatiale (x,y) imagine plan si una temporal (t) imagine n miscare. n consecint, problema specific a televiziunii este transformarea functiei vectoriale B(x,y,t) ntrun semnal s(t), transmiterea acestuia pe canalul de transmitere si reconstituirea unei imagini Br(x,y,t) ntrun mod ct mai fidel posibil (schema bloc din figura 1.1).

Sensul cuvintelor ct mai fidel este greu de explicitat deoarece nu este cunoscut un criteriu de fidelitate care s poat fi aplicat imaginilor. Criteriul erorii ptratice medii, frecvent utilizate n teoria transmiterii informatiei, nu este adecvat imaginii. Imaginile optice care reprezint sursa de informatii, sunt transformate cu ajutorul traductorului optoelectronic (TOE) n semnale electrice, capabile s fie transmise la distant. Semnalele pot fi transmise ca atare, sau se pot prelucra prin codare (C) si modulare (M), pentru a mri distanta si eficienta transmisiei. Canalul de transmisie cuprinde totalitatea instalatiilor tehnice precum si mediul de propagare. n receptor se realizeaza demodularea si decodarea, dup care un traductor electronooptic reproduce imaginea Br(x,y,t). n schema lantului de transmisie sa tinut cont de degradarea (distorsionarea) informatiei transmise, ceea ce nu permite o redare perfect a imaginii. Distorsionarea imaginii este provocat att de deficientele aparaturii utilizate, ct si de suprapunerea perturbatiilor peste semnalul util n canalul de transmisie. Se impun anumite limite pentru distorsiuni si perturbatii, limite care depind de calittile vizuale ale ochiului si de posibilittile sale de adaptare.

Notiuni de fotometrie

Fluxul luminos este puterea unei radiatii vizibile ce se apreciaz dup senzatia de lumin ce o produce. Unitatea de msur: lumenul (lm).

Intensitatea luminoas I reprezint fluxul radiant pe o directie n limitele unui unghi solid;Unitatea de masura este candela

Iluminarea E = densitatea fluxului luminos pe o suprafat iluminat. Unitatea de masura este lux (lx); E este caracteristic surselor secundare, adic cele care primesc lumin de la o surs primar.

Luminana B = . Unitatea de masura candela pe metru patrat.

Coeficientul de reflexie ; Obiectele sunt n general iluminate de la surse primare si apoi vizibile datorit iluminrii realizate cu un flux de la care se reflect un flux de reflexie r .

1.1 Perceptia luminanei i a contrastului

Perceptia luminantei

Sistemul vizual uman este capabil s perceap n vedere diurn luminante cuprinse ntre 10-1 si 107 cd/m2 (niti). Acest domeniu, extrem de mare, nu impune aceeasi gam dinamic pentru sistemele de transmisiune a imaginilor, deoarece intervin si fenomene de adaptare a ochiului la iluminarea medie. Pentru afisarea unei imagini de televiziune, considernd existenta unei iluminri externe, se apreciaz necesitatea unei luminante medii de 30-40 cd/m2, cu variatii cuprinse ntre 1 si 100 cd/m2.

Perceptia variaiilor de luminan i a contrastului

Perceptia variaiilor de luminant respect legea lui Weber, care arat c raportul B/B este o constant; B reprezint variatia abia perceptibil a luminantei unei suprafete n raport cu fondul. Graficul variatiei B/B cu luminanta fondului (dat n figura 1.2), arat domeniul de valabilitate a legii lui Weber, domeniu care cuprinde si luminanta medie a imaginii de televiziune. Pentru domeniul ce ne intereseaz n televiziune rezult B/B = a = 0,02 (a fiind o constant)

Fig.1.2Contrastul unei imagini este definit ca raportul ntre valorile maxim si minim ale luminantei sale:

Pentru imagini de foarte bun calitate contrastul trebuie sa fie peste 100.

1.2 Perceptia temporal - durat, fuziune, micare

Variatia n timp a unui stimul luminos reprezint un factor important n perceptia imaginilor si este determinant n alegerea unor parametri ai sistemului de televiziune. Senzatia provocat de un stimul luminos intermitent sub form de impulsuri, depinde n mare msur de frecventa acestei variatii. La valori foarte mici, sau peste o valoare critic a frecventei, variatia nu mai poate fi perceput, n sensul c o imagine stationar n raport cu retina se sterge, iar o variatie foarte rapid se percepe ca o iluminare constant (fuziune). Dac prima situatie nu se ntlneste n mod normal din cauza miscrilor permanente si involuntare ale ochiului ce modific imaginea proiectat pe retin, cea de-a doua este folosit n toate sistemele cinematografice si de televiziune.

Fenomenul de fuziune se datoreaz fenomenelor fotochimice care variaz dup o lege exponential. Se defineste o frecvent critic fcf = 1/Tcf ca valoare minim a frecventei unui stimul intermitent la care apare fenomenul de perceptie a unei intensitti continue; fcf este denumit si frecvent critic de fuziune si depinde de mai multi factori, cum ar fi luminanta medie a suprafetei, factorul de umplere, lungimea de und a luminii (culoarea), aria suprafetei respective, etc.Pentru televiziune, cea mai important este dependenta de luminanta medie Br exprimat prin relatia empiric fcf = a log B + b, unde a si b sunt parametri dependenti de ceilalti factori mentionati.

Pentru B = 500...1000 cd/m2 lumin alb si pentru un factor de umplere de 0,5 rezult a < 10, b < 10 si fcf = 46Hz. fcf scade pentru lumin colorat. Cu ct aria suprafetei de lumin variabil este mai mic, fcf scade, fenomen folosit n televiziune la explorarea ntretesut.

Pentru obtinerea unei luminante medii a imaginii de 30...40 cd/m2, este necesar ca luminanta punctelor luminoase s fie de circa 3 ori mai mare, adic Bm = 120 cd/m2.

Fenomenele legate de perceptia miscrilor sunt si mai complexe. Ex: un stimul luminos care dispare, este perceput ca un stimul mic n miscare prin asocierea cu alt stimul nvecinat si care apare ntr-un timp suficient de apropiat de la disparitia primului stimul. Sau: dup ce privim o form luminoas n miscare continu ntr-o anumit directie, o alt form stationar ne apare miscndu-se n sens contrar primei deplasri. 1.3 Percepia detaliilor spaiale. Acuitate i contur.

n stadiul actual al televiziunii, sistemului vizual i se prezint imagini bidimensionale. Se constat o scdere a sensibilittii att la frecvente joase, ct si la frecvente nalte. Capacitatea ochiului de a percepe detalii spatiale fine se numeste acuitate si se masoar prin unghiul vizual minim pe care trebuie s-l formeze dou puncte luminoase pentru ca un observator s le disting. n cazul unui sistem de televiziune color, acuitatea de culoare nseamn posibilitatea de discernere a dou detalii ca avnd culori diferite.

Testele subiective au artat c rezoluia ochiului este maxim i la fel de bun i pe orizontal i pe direcie vertical, iar pe direcie diagonal este mai slab.

Pentru detalii alb-negru rezoluia este de 1 minut de grad. Asta inseamn c unghiul minim sub care trebuie s ajung la ochi razele de lumin de la un detaliu spaial trebuie s fie de 1 minut de grad pentru ca ochiul s disting acel detaliu. Pentru a distinge i culoarea acestuia unghiul trebuie s fie de 3-4 minute de grad, deoarece rezoluia ochiului pentru detalii color este de 3 sau 4 ori mai mic dect pentru detalii alb-negru.

Perceptia contururilor. La tranzitii bruste cu contrast mare apare fenomenul MACH, adic accentuarea contururilor. Ex: la o tranzitie alb-negru, percepem att albul, ct si negrul, mai accentuate.

1.4 Percepia zgomotelor.

Prin zgomote se nteleg orice erori existente n imaginea afisat n raport cu imaginea original ideal, indiferent de natura acestora. Zgomotele cele mai importante pot fi mprtite n urmtoarele categorii:

1) zgomote de fluctuatii;

2) zgomote de interferent;

3) zgomote de cuantizare.

1) Zgomotele de fluctuatii sunt fenomene aleatoare corelate sau necorelate cu semnalul si apar n special n camera de luat vederi si n primele etaje ale receptorului de televiziune, deci acolo unde nivelul de semnal este mic. Din aceast categorie fac parte: zgomotul termic si de alice al traductorului imagine - semnal, zgomotul termic al etajului de intrare din receptor, zgomotul tranzistoarelor sau al altor dispozitive sau componente pasive, etc. Fig. 1.3

Specific acestui tip de zgomot este distributia sa, fie Gaussian, fie Poisson (la nivele mici de iluminare). Densitatea spectral a acestor zgomote se consider n general uniform pe spectrul semnalului de televiziune. Efectul produs este de nruttire a calittii imaginii prin micsorarea contrastului si a vizibilittii detaliilor fine. Determinrile experimentale au artat c vizibilitatea relativ a zgomotului de fluctuatii vr functie de nivelul de luminant B raportat la luminanta maxim Bmax, are forma din figura 1.3, maximul este pentru nuante de gri nchis .

Pe imaginea deschis (alb), zgomotul se observ mai putin. Acest fapt are consecint n stabilirea standardului de modulatie. Modificrile asupra calittii imaginii pot fi apreciate si prin micsorarea numrului de gradatii de gri ce pot fi observate distinct n functie de raportul semnal/zgomot (s/z). n camerele de luat vederi se face o corectie de zgomot.

2) Zgomotele de interferente - sunt variatii spatiale ale luminantei imaginii (forma MOIR) stationare sau n miscare si sunt datorate unor perturbatii produse de semnale periodice care se suprapun semnalului de imagine pe canalul de transmisiune sau n receptor. Fig.1.4

Zgomotele de frecvent foarte joas, apropiat de frecventa cmpurilor, (cum ar fi frecventa de retea f = 50 Hz), sau un multiplu mare de frecvent a liniilor vor produce perturbatii putin vizibile. De asemenea, perturbatiile avnd ca frecvente multipli de frecvent a cmpurilor sau/si de frecvent a liniilor, produc forme stationare pe imaginea afisat. S-a constatat c perturbatiile stationare cu 8 dB mai mari dect cele n miscare produc aceeasi nruttire a imaginii.

3) Zgomotul de cuantizare este o categorie particular de zgomot, corelat cu imaginea, rezultat n urma procesului de digitizare a imaginii. Efectul pe imagine este apariia unor contururi false.

El poate fi fcut suficient de mic pentru a nu afecta calitatea imaginii dac se iau un numr suficient de mare de nivele de cuantizare astfel nct distana dintre dou nivele alturate s fie mai mic dect cea mai mic variaie de luminan pe care o poate percepe ochiul. 1.5 Noiuni de colorimetrie

Colorimetria este tehnica de msurare cantitativ a culorii.

Mrimi subiective si obiective ce caracterizeaz culoarea O culoare se caracterizeaz din punct de vedere al senzatiei provocate prin: luminozitate, nuant si saturatie.

Luminozitatea este atributul unei culori care permite s fie clasificat ca echivalent cu una dintre perceptiile acromatice n domeniul de la negru la alb; ea poate fi pus n corespondent cu mrimea obiectiv luminan (B).

Nuana sau tonul culorii, este legat de lungimea de und dominant (ld) a unei radiatii monocromatice, care este cea mai apropiat ca ton de culoarea respectiv.

Saturaia exprim diferenta relativ dintre o culoare pur (o radiatie monocromatic) si culoarea alb. Mrimea obiectiv corespunztoare este puritatea , p=0 corespunde la alb, p=1 la culoarea cu maxim de saturaie .

Amestecul culorilor

Amestecul a mai multor culori creeaz senzatia unei alte culori. Exist dou moduri de amestec al culorilor: substractiv; aditiv.

n amestecul substractiv, din lumina alb se extrag cu ajutorul unor filtre radiatiile corespunztoare unor anumite culori, obtinndu-se o lumin colorat.

Amestecul aditiv presupune suprapunerea mai multor radiatii pentru a produce o senzatie de culoare care nu este legat fizic de culorile componente. Ex: proiectnd pe un mediu difuzant o radiatie rosie si una verde vom percepe o radiatie galben, cu toate c n radiatia reflectat nu exist nici o component avnd lungimea de und corespunztoare unei radiatii monocromatice galbene.

Suprapunerea poate fi obtinut ntr-unul din modurile urmtoare:

a)optic - adic radiatiile componente se nsumeaz pe aceeasi zon spatial si exist n acelasi timp (exemplu: afisarea imaginilor prin proiectie).

b)spatial - cnd zonele pe care se proiecteaz radiatiile sunt diferite, dar suficient de apropiate (sub limita de rezolutie). (Ex: cinescoapele tricrome).

c)temporal - pe aceeasi zon spatial radiatiile sunt succesive n timp, viteza de succesiune fiind suficient de mare pentru fuzionarea senzatiilor (frecventa de succesiune este mai mare dect frecventa critic). (Ex: sistemele secventiale de televiziune color).

Sensibilitatea spectral relativ a ochiului

Ochiul uman normal nu este un organ liniar n ceea ce priveste percepia lungimii de und si a intensittii luminoase. Pentru iluminri relativ mari (pentru televiziune) sensibilitatea maxim se manifest pentru culori cu lungimea de und de 556 nm (n zona verde-galben) (curba continu din figura 1.4) (curba punctat). Se observ c ochiul este mult mai sensibil la culorile din regiunea mijlocie a spectrului vizibil (verde - galben), dect la cele care se situeaz la margini (rosu si n special albastru).Fig. 1.4 Colorimetria tricromatic. Axiomele lui GRASSMAN

Se constat c prin amestecul a trei culori fundamentale (numite si culori primare), se obtin un numr mare de culori diferite. Se pot utiliza o infinitate de culori primare, dar s-au preferat rosu (RED), verde (GREEN) si albastru (BLUE).

n colorimetria tricromatic actioneaz trei axiome, atribuite lui Grassman, enuntate nc din 1850:

1) Orice culoare C se poate obtine prin amestecul aditiv al celor trei culori primare P1, P2, P3. Aceast lege se poate reprezenta prin ecuatia colorimetric: C =1P1 + 2P2 + 3P3 n care este cantitatea luat din culoarea Pi .

2) Amestecul culorilor are proprietatea de liniaritate, adic:

a) KC = K1P1 + K2P2 + K3P3, K fiind un factor de multiplicare sau de divizare a luminantelor culorilor primare. Aceast lege exprim independenta luminantei.

b) Dac C1 = C2 si C3 = C4, atunci C1 + C3 = C2 + C4.

3) Luminanta amestecului de culori este egal cu suma luminantelor componentelor: Bc = BP1 +BP2 + BP3.

Culorile primare sunt liniar independente. Ex: nu putem obtine culoarea P3, oricum am combina P1 si P2. Culorile primare au fiecare cte o culoare complementar, cu care prin combinatie rezult culoarea alb. Ex: Rosu + Turcoaz (B+G, Cyan); Verde + Magenta (R+B, Mov); Albastru + Galben.

Triunghiul culorilor

Folosirea sistemului tridimensional creeaz o serie de dificultti n calculul cromaticittii unei culori si de aceea se prefer reprezentarea cromaticittii ntr-un plan. Se alege un plan care s treac prin cele trei axe de coordonate ale unui triedru, egal deprtate de centrul O, distanta fiind egal cu unitatea. Sectiunea de plan cuprins ntre cele trei axe formeaz triunghiul culorilor, ale crui vrfuri corespund culorilor primare alese (n particular RGB). Coordonatele punctelor, unde vectorul corespunztor unei culori particulare C intersecteaz acest plan, vor respecta caracteristicile cromatice ale culorii respective. Dac aceste coordonate le notm cu X, Y, Z, se poate demonstra c X + Y + Z = 1. Se mai pot demonstra urmtoarele relatii ntre X, Y, Z si tristimulii cromatici 1, 2, 3: unde X, Y, Z se numesc coeficienti tricromatici.

Orice culoare din interiorul triunghiului se poate scrie n functie de culorile primare, astfel: dac 1= 2,=3, adic cele trei culori se amestec cu cantitti egale, rezult: X = Y = Z = 1/3, ceea ce nseamn c punctul reprezentativ al culorii obtinute este centrul de greutate obisnuit al oricrui triunghi plan, adic locul de intersectie al medianelor triunghiului. Acest punct corespunde culorii albe.

Sisteme colorimetrice

Prin conventii internationale au fost alese mai multe seturi de culori primare standard:

1) Sistemul de culori primare spectrale (RGB), Comisia International de Iluminare (CIE) a stabilit urmtoarele culori primare spectrale: rosu = 700 nm; verde = 541,6 nm; albastru = 435,8 nm.

Din pcate, sistemul RGB are dezavantajul major de a prezenta coeficienti tricromatici negativi pentru un domeniu apreciabil de culori, ceea ce ngreuneaz calculele fcute n colorimetrie i nu este fizic realizabil, ntruct dispozitivele de afiare a imaginilor pot s afieze doar culori cu coeficieni pozitivi (de ex. La tubul cinescop lumina radiat de luminoforii de rou, verde sau albastru poate s aib o intensitate ntre zero i o valoare maxim) . De aceea, CIE a ales alt sistem:

2) Sistemul XYZ - care are trei culori primare artificiale, care au acelasi ca la RGB, care au o saturatie mai mare dect a valorilor spectrale. Toti coeficientii tricromatici au numai valori pozitive, adic toate culorile reale se gsesc n interiorul triunghiului XYZ. Dou dintre culori (X si Z) au o strlucire fotometric nul, deci luminanta culorii va fi reprezentat de Y.

n televiziune nu se pot alege culorile RGB propuse de CIE, deoarece ochiul are o sensibilitate mai redus pentru rosu - 700nm, iar obtinerea unor luminofori corespunztori pentru a fi depusi pe ecranul tuburilor cinescop, este dificil. Dup un sir de experiente s-a ales sistemul:

3) Sistemul RGB - TV - R = 610 nm, G = 535 nm, B = 470 nm. Domeniul culorilor reproductibile este mai mic dect n sistemul RGB, dar este suficient pentru o imagine de calitate superioar celei din tipografia color si este comparabil cu cea din cinematografia color, ceea ce nseamn c se pot reda corect (fr distorsiuni) culorile din fotografia color i cinematografia color.

Albul de referint se alege un alb cunoscut sub numele de alb C avnd coordonatele X = 0,31, Y = 0,316, Z = 0,374. n raport cu albul de egal energie, albul C are o nuant albstruie.

EMBED Paintbrush Picture EMBED Paintbrush Picture

EMBED Paintbrush Picture

EMBED Paintbrush Picture

Vizibilitate relativ

1

0

0.9

0.46

0.17

470

535

610

albastru

verde

rosu

culori primare n TVC sisteme RGB-TV