Механизм восприятия света и звуков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики зрительного анализатора человека. Острота зрения (разрешающая способность)

Разрешающая способность зрительного анализатора - это характеристика, определяемая минимальным расстоянием между двумя соседними светочувствительными элементами сетчатки глаза и размерами самих светочувствительных элементов.

Очевидно, что минимальный замечаемый промежуток между двумя объектами (разрешающая способность зрительного анализатора) определяется угловыми размерами одной колбочки, составляющими около 30 (угловых секунд). Однако множество экспериментальных данных свидетельствует о том, что в некоторых случаях разрешающая способность зрительного анализатора может отличаться от величины 30 как в большую, так и в меньшую сторону.

Считая чувствительным элементом колбочку сетчатки, имеющую размер приблизительно 0,005мм, нетрудно определить, что ее угловой размер в пространстве объектов составит около 1 (угловой минуты).

Величина разрешающей способности 1 принята в медицине в качестве нормы остроты зрения.

Принимая во внимание снижение нормальной остроты зрения в условиях наблюдения киноизображения с яркостью порядка 40 - 60 Кд/м² установлено, что в этом случае разрешающая способность зрительного анализатора составит около 2(угловых минут).

Различительная чувствительность (восприятие градаций яркости)

Различительной чувствительностью зрительного анализатора (контрастной чувствительностью) называется способность различать яркости объектов. Зрительный анализатор человека способен различать объекты в чрезвычайно широком диапазоне яркостей, составляющем до 9 порядков.

Зависимость различительной чувствительности от интенсивности светового раздражители определяется законом Вебера - Фехнера:

E = К lnI + C

Где Е - видимая яркость

I - интенсивность светового раздражителя

К и С - постоянные коэффициенты

Величина разностного порога (едва заметного прироста видимой яркости) по данным различных исследователей составляет от 1: 64 до 1: 164.

Восприятие цвета

Восприятие цвета зрительным анализатором происходит за счет наличия в сетчатке глаза рецепторов - колбочек, имеющих разные спектральные чувствительности.

Для инженерных расчетов важно знать пороги цветоразличения, т.е. минимальные изменения цветности, различимые зрительным анализатором. На рис.1. представлены эллипсы цветовых порогов, полученные Мак-Адамом в равноконтрастной системе U,V,W.

Рис.1.

Эллипсы представляют собой область изменения цветности, еще не ощущаемой наблюдателем.

Вдоль линии спектральных цветов равноконтрастной диаграммы укладывается около 300 порогов Мак-Адама, вдоль линии пурпурных цветов - 130. Всего на площади, ограниченной равноконтрастной диаграммой укладывается около 12 000 порогов Мак-Адама.

Все приведенные выше численные значения в силу зависимости порогов цветоразличения от яркости и цветности фона, содержания изображения и условий наблюдения могут рассматриваться как ориентировочные, но, тем не менее, представляют большой интерес для инженерных расчетов.

Исследования восприятия цвета зрительным анализатором, проведенные С.В.Кравковым, а также специалистами CBS и RCA при разработке систем цветного телевидения позволили установить следующие закономерности, имеющие большое значение при создании кинематографических систем :

1. Теория трехцветного зрения справедлива только для случаев, когда наблюдаемый объект имеет относительно большие размеры - более 30(угловых минут).

2. Для объектов, имеющих угловые размеры в пределах 10 -30 зрительный анализатор воспринимает только два цвета - красный и зеленый. Синий цвет становится ахроматическим и неотличимым от серого цвета.

3. Объекты, имеющие угловые размеры менее 10 воспринимаются зрительным анализатором как полностью ахроматические. В этом случае зрительный анализатор различает только градации яркости таких объектов.

зрительный глаз звук сигнал

Особенности восприятия зрительным анализатором мелькающих изображений

Восприятие зрительным анализатором мелькающих изображений является важнейшей характеристикой для любых систем отображения динамичной визуальной информации. Это объясняется тем, что все такие системы используют принцип формирования движения объектов на экране при помощи быстрой смены отдельных фиксированных фаз движения. Таким образом, движение объектов на экране является иллюзией, возникающей в зрительном анализаторе и соответствующих отделах головного мозга. В природных условиях человек не встречается с таким способом наблюдения, поэтому весьма важно понимание взаимодействия зрительного анализатора с мелькающими изображениями для оптимизации этого взаимодействия и обеспечения минимальной утомляемости зрительного анализатора. В этой связи важным фактором является т.н. «критическая частота слияния мельканий », т.е. такая частота мельканий изображения на экране, при которой обеспечивается передача необходимой динамики объекта наблюдения при отсутствии заметности мельканий и минимальной утомляемости зрительного анализатора.

Аналитическое выражение зависимости определено для :

1. Интенсивности светового раздражителя

Fк = а lgI +b

Где I - интенсивность раздражающего света,

-a и b - постоянные коэффициенты

Указанная зависимость называется законом Ферри-Портера.

2. Размеров поля зрения

Fk = alg + b

Где - телесный угол поля зрения

a и b постоянные коэффициенты.

Видимая яркость мелькающих изображений

Важной характеристикой мелькающих изображений является видимая яркость . Это объясняется тем, что формирование информации о яркости мелькающего изображения связано с весьма сложными преобразованиями в зрительном анализаторе.

Для формы и длительности световых импульсов определены аналитические зависимости, связывающие эти параметры с видимой яркостью мелькающих изображений:

1. Форма световых импульсов В(t) связана с видимой яркостью зависимостью

В_вид= 1/Т

Эта зависимость известна как закон Тальбота.

2. Длительность светового импульса t связана с видимой яркостью В_вид зависимостью, определенной Лазаревым:

В_вид = а + ве^-t

Где t - длительность светового импульса,

а и в - постоянные коэффициенты, - коэффициент пропорциональности

Сканирование глазом объектов наблюдения

Глаз почти никогда не бывает совсем неподвижным: небольшие непроизвольные движения совершаются даже при попытке фиксировать взор на одной точке. На рис.1.7 показана типичная картина движения глаза при попытке фиксировать взор на одной точке /29/.

Рис.1.7.

Здесь можно видеть движение трех типов:

1. Дрейф - относительно медленное (около 0,2с) практически прямолинейное движение с протяженностью 5 - 15 угловых минут.

2. Тремор - (мелкое дрожание) колебательное синусоидальное движение с частотой 48 - 50Гц с размахом, близким к расстоянию между светочувствительными рецепторами.

3. Саккада - скачкообразное перемещение взора с размахом несколько угловых минут и угловой скоростью перемещения порядка сотен градусов в секунду с периодичностью 1 - 2 скачка в секунду.

Во время саккады, длящейся около 20мс происходит частичная потеря зрительной функции (минимальная яркость стимула, необходимого для его восприятия, возрастает).

Экспериментально установлен феномен потери зрения при искусственной стабилизации изображения, когда даже во время движения глаза изображение на сетчатке остается в одном и том же месте. В этом случае восприятие формы и цвета объекта блекнет и в течение нескольких секунд видно только расплывчатое однородное поле.

Зрение может быть восстановлено только при перемещении изображения на сетчатке, а также при изменении яркости или цвета раздражителя.

Это говорит о том, что непроизвольные движения глаза составляют важный компонент зрительного процесса и, возможно, играют существенную роль в ограничении утомляемости на определенном этапе.

При движении глаза световой раздражитель последовательно воздействует на соседние рецепторы, при этом каждый рецептор получает световой импульс в течение единиц мс. Реакцией на такое воздействие является электрический импульс с амплитудой около 20мВ и длительностью 1мс.

Экспериментально установлено, что изменение яркости объекта наблюдения сопровождается изменением частоты следования импульсов, при максимальной яркости частота достигает 120 Гц.

Таким образом, в сетчатке глаза происходит преобразование изменений яркости наблюдаемого объекта в изменение частоты следования электрических импульсов, генерируемых светочувствительными рецепторами глаза.

Попеременное световое раздражение соседних рецепторов при наличии тремора обеспечивает получение целостного зрительного образа при выраженной дискретной структуре зрительных анализаторов сетчатки.

Благодаря тремору формируется информация о цветовых и яркостных границах объекта.

Установлено, что явление снижения цветового восприятия объектов при уменьшении их угловых размеров до 10 угловых минут и менее может быть объяснено сочетанием тремора и дискретной структуры зрительного анализатора. Для формирования информации о цветности объекта необходимо получить сигналы от трех рецепторов (триады), имеющих различную спектральную чувствительность. Для определения цветовых границ объекта необходимо сравнение сигналов, формируемых, по крайней мере, двумя соседними триадами рецепторов. Ввиду того, что расстояние между такими триадами в несколько раз больше расстояния между соседними рецепторами, цветовое восприятие объектов становится возможным при их угловых размерах, в несколько раз превышающих расстояние между соседними рецепторами,

Особую важность непроизвольные движения глаза имеют для анализа утомляемости зрительного анализатора при наблюдении изображений, формируемых при классической (пленочной) и электронной проекции.

Ввиду того, что при пленочной проекции движение формируется как результат быстрой смены неподвижных изображений различных фаз движения, можно предположить, что последовательное перемещение объекта наблюдения по сетчатке в определенной степени аналогично дрейфу в сканирующих движениях глаза.

В пленочной проекции частота появления изображений на экране составляет 48Гц, что практически совпадает с частотой тремора. Таким образом, количественные характеристики технологии формирования экранного изображения не противоречат аналогичным характеристикам непроизвольных движений глаза, что может способствовать снижению утомляемости зрительного анализатора при условии соблюдения требований, рассмотренных в главе 2.

В электронной проекции изображение кадра формируется разверткой светового луча по горизонтали и вертикали. При этом цикл развертки определяется суммой прямого хода (информационной части, в которой формируется фрагмент изображения) и обратным ходом, при котором развертывающий луч быстро перемещается в начало следующего фрагмента изображения. Такая система формирования кадра близка к сочетанию дрейфа и саккады.

Быстрое перемещение развертывающего луча при окончании активной части строки к началу следующей строки (обратный ход развертки) при отсутствии во время обратного хода полезной информации об изображении весьма напоминает саккаду в непроизвольном движении глаза.

Установлено, что формирование изображения зрительным анализатором человека весьма близко по своей структуре к аналогичному параметру при электронной проекции. Такое сходство может обеспечить снижение утомляемости при наблюдении изображений в электронном кинематографе.

Таким образом, в результате исследования зрительного анализатора человека в условиях наблюдения киноизображений установлено следующее:

1. Разрешающая способность зрительного анализатора человека в условиях наблюдения кинематографических изображений составляет в среднем около 2 (угловых минут).

2.Первичная обработка зрительной информации в сетчатке предполагает формирование из трех сигналов основных цветов ахроматического сигнала, несущего информацию о распределении яркостей по полю сетчатки и двух цветоразностных сигналов, в которых содержится информация только о контурах объектов соответствующего цвета. При этом происходит уплотнение «компрессия» первичной зрительной информации в 1,5 - 2 раза

4. В зрительном анализаторе информация об изменении яркости кодируется изменением частоты электрических импульсов, поступающих в кору головного мозга. Длительность импульса составляет около 1 мс при амплитуде около 20 мВ. При увеличении яркости частота следования импульсов увеличивается и достигает 120 Гц при максимальной яркости.

Источники сигналов для видеопоказа кинофильмов

1.Форматы видеосигналов, HD,SD.

2.Форматы видеозаписи магнитной и оптической.

3.Особенности телевизионной оптики. Размер ПЗС-матрицы.

4.Пересчет фокусных расстояний и глубины резкости.

5.Основные фирмы-изготовители телевизионной оптики.

6.Основные особенности телевизионной оптики - студийные и внестудийные объективы.

Характеристики источника сигнала во многом определяют качество изображения, формируемого видеопроекционной системой, поэтому выбор оптимального источника сигнала для каждого конкретного просмотрового зала чрезвычайно важен.

Источники сигналов для видеопроекционных систем можно разделить на две группы:

-формирующие сигнал в стандарте разложения 625 строк 50 полей/с

-формирующие сигнал более высоких стандартов разложения

Рассмотрим источники сигналов со стандартом разложения 625строк 50 полей/с.

Система магнитной видеозаписи VHS.

Система магнитной видеозаписи VHS (Video Home System) получила широкое распространение во всем мире, как основной источник видеосигнала в системах домашнего видеопоказа.

Основные характеристики системы VHS приведены ниже:

1. Разрешающая способность, твл не более 250

2. Полоса частот, МГц:

-сигнала яркости (на уровне -ЗдБ) 3,2

-сигналов цветности 0,5

3. Отношение сигнал/шум, дБ

-канал изображения 40

-канал звука 50 4. Полоса частот звукового сопровождения, Гц 50-15 000 5. Возможность записи стереозвука есть

Система VHS, созданная для домашнего видеопоказа, может использоваться для проекции только на небольшие экраны с размером не более 2-3 метров по диагонали и совершенно непригодна для проекции на большие кинотеатральные экраны из-за ограниченной разрешающей способности и неудовлетворительного соотношения сигнал/шум в изображении.

Дальнейшим развитием системы VHS явилась усовершенствованная система S-VHS, в которой благодаря раздельной записи информации о яркости и цветности видеоизображения и применению улучшенных магнитных лент удалось добиться более широкой полосы частот записываемых видеосигналов и, как следствие этого, повышения разрешающей способности изображения.

Характеристики системы S-VHS приведены ниже:

1. Разрешающая способность, ТВЛ 400

2. Полоса частот, МГц

-сигнала яркости 5,0

-сигналов цветности 1,0

3. Отношение сигнал/шум, дБ -канал изображения 45

-канал звука 40

4. Полоса частот звукового сопровождениями, режим Hi-Fi 20-20 000

5. Полоса частот звукового сопровождения, Гц, нормаль 50-10 000

6. Возможность записи стереозвука есть

Характерной особенностью систем VHS и S-VHS, как впрочем и всех аналоговых систем магнитной видеозаписи является существенное ухудшение всех характеристик при копировании записи. Это ухудшение настолько велико, что уже в 3-ей -4-ой копии качество изображения находится на грани допустимого.

Стоимость видеомагнитофонов формата S-VHS составляет $1 100-1 500 в зависимости от типа и фирмы -изготовителя.

Следующей рассмотренной системой аналоговой магнитной видеозаписи является разработанная фирмой SONY система студийной видеозаписи формата ВЕТАСАМ и BETACAM-SP.

ВЕТАСАМ - это формат компонентной аналоговой видеозаписи с раздельной записью цветовых составляющих видеосигнала на '/2 " оксидную магнитную ленту

BETACAM-SP отличается использованием в качестве носителя информации металлопорошковой магнитной ленты.

Основные параметры систем ВЕТАСАМ и BETACAM-SP приведены ниже:

Параметр Система

Betacam Betacam - SP

Полоса частот, МГц

-сигнала яркости 4,1 4,1

-сигнала цветности 1,5 1,5

Отношение сигнал/шум,

канала яркости дБ 48 51

Звуковые сигналы:

-динамический диапазон, дБ 50 72

-полоса частот, Гц 50-15 000 50-15 000

Время записи на одну кассету,

мин 30/90 90

Цены на видеоплееры формата BETACAM-SP колеблются в пределах $4 500- $6500.

Носители информации

Цифровые магнитные носители.

Цифровая магнитная видеозапись благодаря усилиям фирм SONY, PANASONIC, AMPEX, JVC и др. развивается довольно быстро.

В настоящее время известно более десяти форматов цифровой магнитной записи:

D1- разработан в 1986г, первый видеомагнитофон выпущен в 1987г.

02-разработан в 1987Г.

D3-разработан в 1990г.

05-разработан в 1993г.

В 1996г. было предложено сразу три новых формата- ВЕТАСАМ SX, DIGITAL S, DVCAM.

Фирмой PANASONIC в 1996г. предложен формат DVC-PRO-25, в 1998г. разработана новая разновидность этого формата DVC-PRO-50 с улучшенными параметрами записанного сигнала, а в 1999г. разработан формат DVC-PRO-100 для записи и воспроизведения видеосигналов высокой четкости HDTV.

Быстрое развитие цифровой видеозаписи обусловлено общим прогрессом теории информации и кодирования, достижениями микроэлектроники, компьютерной техники, а также стремлением фирм-производителей улучшить технические и эксплуатационные характеристики цифровых видеомагнитофонов, расширить сферу их применения и снизить стоимость.

Аппаратура рассмотренных выше форматов обеспечивает высокие качественные показатели и широкий спектр функциональных возможностей, однако она в настоящее время имеет высокую стоимость и для многих категорий потребителей недоступна.

В связи с этим в последние годы усилия многих фирм-производителей видеооборудования были направлены на снижение стоимости аппаратуры при сохранении высокого качества записи.

Эти усилия привели к созданию принципиально новой системы цифровой магнитной видеозаписи формата DV, базирующейся на эффективном методе сжатия видеоинформации, новых видеолентах и технологии компонентной видеозаписи.

Важнейшим параметром является длительность записи на одной кассете - в системе DV она составляет более 4 часов при размерах кассеты практически аналогичных обычной аудиокассете.

Аппараты формата DV выпускаются фирмой PANASONIC для записи компонентных цифровых сигналов стандарта 4:1:1 или 4:2:0 с внутрикадровой компрессией с коэффициентом 5:1.

На базе формата DV фирма PANASONIC разработала формат DVC PRO профессионального и вещательного назначения. В этом формате, как и в DV, применено внутрикадровое сжатие видеоинформации, не зависящее от межкадрового предсказания, что позволяет избежать появления искажений (артефактов) в движущихся объектах.

В системе DV и DVC PRO применяется металлизированная магнитная лента шириной 6,35мм при скорости движения 18 мм/с.

На 11 исследовательской комиссии по телевидению Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) был принят единый стандарт производства телевизионных программ, который одновременно учитывает интересы киноиндустрии и компьютерной промышленности - рекомендация ITU-R ВТ. 709-3.

Эта рекомендация определяет значения параметров в стандарте ТВЧ для производства и международного обмена программами.

Все предлагаемые стандарты (1080/24/1:1, 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1 и 1080/60/2:1) основаны на «едином формате изображения» (HD-CiF) предусматривающем 1080 активных строк в кадре с 1920 отчетами в активной части строки.

До принятия единого стандарта в видеопроизводстве допускались только два значения частоты полей 50 и 60 Гц, хотя значительная часть телепрограмм обязана своим происхождением 35-мм и 16-мм кинофильмам, снятым с частотой 24 кадра/с.

Теперь задача преобразования стандартного фильма в электронный эквивалент существенно упрощается.

Операции монтажа программы, включая видеоэффекты, могут выполняться с использованием полученного видеосигнала без искажений изображения. Это очень важно, поскольку примерно половина всех новых фильмов содержит фрагменты, созданные с помощью компьютера. Более того, полностью электронное производство фильмов предоставит кинорежиссерам недоступную до сих пор свободу творчества.

В области кинопроката влияние нового международного стандарта киновидеопроизводства будет поистине революционным.

Кинопрокатные организации мира, еще использующие кинопленку, будут получать по каналам связи электронные «фильмы» и при необходимости изготавливать копии высочайшего технического качества.

Перспективной возможностью следует считать организацию киновидеопроката в мировом масштабе с показом HD изображений на больших кинотеатральных экранах.

Стандартом 1080р/24 уже заинтересовались кинопродюсеры-новаторы, планирующие снимать картины электронными методами. Они хотели бы не только монтировать киноматериал, преобразованный в видеосигнал стандарта 1080р/24, но и смешивать кино- и видеоматериалы этого единого стандарта для получения либо смонтированного фильма, либо видеооригинала. Именно такая принципиально возможная технология производства визуальной продукции дает основание назвать стандарт 1080р/24 стандартом киновидеопроизводства

Следует отметить, что фирмы SONY и PANASONIC уже разработали линейки аппаратуры для киновидеопроизводства в стандарте 1080р/24.

Фирма PANASONIC BROADCAST & TELEVISION SYSTEM COMPANY (США) продемонстрировала на международной выставке NAB 99 образец специализированного студийного видеомагнитофона AG-HD3000 для киновидеопроизводства. Этот аппарат универсален, он способен записывать и воспроизводить не только сигналы стандарта 1080р/24, но и сигналы стандартов 601, 50i, 25i и 30i.

Фирма JVC PROFESSIONAL PRODUCTS COMPANY экспонировала образец студийного видеомагнитофона D9-HD, предназначенного для записи .сигналов ТВЧ (10801/60) или ТПЧ (720р/60) с потоком 100 Мбит/с. В этой модели предусмотрена возможность воспроизведения цифровых видеофонограмм стандарта D9(DIGITAL-S), записанных с потоком 50 Мбит/с.

В 90-х годах наметился определенный интерес потребителя к системам видеозаписи, имеющим качественные характеристики, значительно более высокие, чем у существующих систем магнитной видеозаписи,

Это привело к появлению на рынке 12-дюймовых лазерных видеодисков LD.

Несмотря на значительные размеры этих дисков, они достаточно прижились на рынках, так как давали потребителю некоторый выигрыш в качестве видеоизображения.

Фильм, записанный на диске LD, воспроизводился с разрешением 400-425 телевизионных линий.

Однако диск LD не мог дать существенного скачка в качестве воспроизводимого с него видеосигнала, так как в нем использовалась технология записи аналоговой видеоинформации.

Дальнейшим развитием технологий оптической дисковой видеозаписи стал формат DVD.

DVD- оптический цифровой дисковый носитель информации.

DVD формат, рассчитанный на широкое применение в новом тысячелетие, начал создаваться в 1992г. Для завершения его разработки и внедрения потребовалось около пяти лет. Внедрение DVD-дисков в США произошло в марте 1997г. и в настоящее время они почти полностью захватили потребительский рынок, быстро вытеснив диски LD.

Основные общие требования к дискам DVD.

Ввиду того, что диск DVD разрабатывался как универсальный способ хранения как видео- и аудио, а также и компьютерной информации, совместные требования к этому носителю информации, выработанные медиа и компьютерными фирмами выглядят следующим образом:

1 .Совместимость по старшинству с существующими CD дисками. Единый интерактивный стандарт для компьютерной и видеоинформации.

3.Совместимость с будущими записываемыми DVD дисками.

4.Единая файловая система для всех приложений.

5.Невысокая цена.

6. Отсутствие необходимости в жестком корпусе или футляре.

7. Надежность хранения данных и их последующего считывания

8.Большая информационная емкость

9.Высокая скорость записи/считывания, как при последовательном доступе (медиа - данные), так и при произвольном (компьютерные данные).

8 декабря 1995г. десять гигантских компаний-разработчиков пришли к взаимному соглашению и объявили о создании единого унифицированного стандарта - DVD, что в окончательной версии означает DIGITAL VERSATILE DISC- цифровой многофункциональный диск.

Как носитель информации для видеозаписей этот стандарт полностью отвечает требованиям SAC (STUDIO ADVISORY СОММ1ТЕЕ)-Союза кино промышленников, а в качестве устройства хранения данных для компьютерной индустрии требованиям TWG (TEHNICAL WORKING GROUP).

Конструктивные особенности диска DVD.

Внешне DVD-диск выглядит так же, как обыкновенный компакт-диск:

диаметр 120 мм (4,75 дюйма), толщина-1,2 мм.

DVD - диск может быть как односторонним, так и двухсторонним. Рабочих слоев на каждой стороне может быть один или два. Различают следующие типы DVD-дисков:

1. DVD-5 -односторонний однослойный диск 4,7 Гбайт

2. DVD-9-односторонний двухслойный диск 8,5 Гбайт.

3. DVD-10-двухсторонний однослойный диск 8,5 Гбайт

4. DVD-18-двухсторонний двухслойный диск 17,0 Гбайт. Конструктивно двухсторонний DVD - диск выглядит как два CD -диска, склеенные между собой.

Полное отсутствие механического контакта элементов воспроизводящего устройства с поверхностью диска исключают его износ в процессе эксплуатации.

Система кодирования MPEG-2 работает с потоком информации 3-5 Мбайт/с, что обеспечивает получение высококачественного изображения (применяемая в видеодисках CD система кодирования MPEG-1 может обеспечить поток информации только 300 Кбайт/с.)

Продолжительность воспроизведения самого дешевого, одностороннего диска DVD-133 минуты позволяет поместить на него почти любой фильм (лишь 5% фильмов архива Голливуда имеют большую продолжительность), причем это могут быть и новые фильмы, в которых применяется система DOLBY со стереофоническим звучанием.

Источники сигналов для видеопоказа кинофильмов

Характеристики источника сигнала во многом определяют качество изображения, формируемого видеопроекционной системой, поэтому выбор оптимального источника сигнала для каждого конкретного просмотрового зала чрезвычайно важен.

Источники сигналов для видеопроекционных систем можно разделить на две группы:

-формирующие сигнал в стандарте разложения 625 строк 50 полей/с

-формирующие сигнал более высоких стандартов разложения

Рассмотрим источники сигналов со стандартом разложения 625строк 50 полей/с.

Система магнитной видеозаписи VHS

Система магнитной видеозаписи VHS (Video Home System) получила широкое распространение во всем мире, как основной источник видеосигнала в системах домашнего видеопоказа.

Основные характеристики системы VHS приведены ниже:

Разрешающая способность, твл не более 250

Полоса частот, МГц:

-сигнала яркости (на уровне -ЗдБ) 3,2

-сигналов цветности 0,5

3. Отношение сигнал/шум, дБ

-канал изображения 40

-канал звука 50

4. Полоса частот звукового сопровождения, Гц 50-15 000

5. Возможность записи стереозвука: есть

Система VHS, созданная для домашнего видеопоказа, может использоваться для проекции только на небольшие экраны с размером не более 2-3 метров по диагонали и совершенно непригодна для проекции на большие кинотеатральные экраны из-за ограниченной разрешающей способности и неудовлетворительного соотношения сигнал/шум в изображении.

1.2. Дальнейшим развитием системы VHS явилась усовершенствованная система S-VHS, в которой благодаря раздельной записи информации о яркости и цветности видеоизображения и применению улучшенных магнитных лент удалось добиться более широкой полосы частот записываемых видеосигналов и, как следствие этого, повышения разрешающей способности изображения.

Характеристики системы S-VHS приведены ниже:

Г. Разрешающая способность, ТВ Л 400

2. Полоса частот, МГц

-сигнала яркости 5,0

-сигналов цветности 1,0

3.Отношение сигнал/шум, дБ

-канал изображения - 45

-канал звука - 40

Полоса частот звукового сопровождениями, режим Hi-Fi 20-20 000

Полоса частот звукового сопровождения, Гц, нормаль 50-10 000

Возможность записи стереозвука - есть

Характерной особенностью систем VHS и S-VHS, как впрочем и всех аналоговых систем магнитной видеозаписи является существенное ухудшение всех характеристик при копировании записи. Это ухудшение настолько велико, что уже в 3-ей -4-ой копии качество изображения находится на грани допустимого.

Стоимость видеомагнитофонов формата S-VHS составляет $ 1 100-1 500 в зависимости от типа и фирмы - изготовителя.

Следующей рассмотренной системой аналоговой магнитной видеозаписи является разработанная фирмой SONY система студийной видеозаписи формата BET AC AM и BETACAM-SP.

ВЕТАСАМ - это формат компонентной аналоговой видеозаписи с раздельной записью цветовых составляющих видеосигнала на 1/2 " оксидную магнитную ленту

BETACAM-SP отличается использованием в качестве носителя информации металлопорошковой магнитной ленты.

Основные параметры систем ВЕТАСАМ и ВЕТАСАМ-SP приведены ниже:

Параметр Система

Betacam Betacam - SP

Полоса частот, МГц

-сигнала яркости 4,1 4,1

-сигнала цветности 1,5 1,5

Отношение сигнал/шум,

канала яркости дБ 48 51

Звуковые сигналы:

-динамический диапазон, дБ 50 72

-полоса частот, Гц 50-15 000 50-15 000

Время записи на одну кассету, мин 30/90 90

Цены на видеоплееры формата BETACAM-SP колеблются в пределах $4 500- $6500.

Цифровая магнитная видеозапись

Цифровая магнитная видеозапись благодаря усилиям фирм SONY, PANASONIC, AMPEX, JVC и др. развивается довольно быстро.

В настоящее время известно более десяти форматов цифровой магнитной записи:

D1- разработан в 1986г, первый видеомагнитофон выпущен в 1987г. 02-разработан в 1987Г.

D3-разработан в 1990г.

D5-разработан в 1993г.

В 1996г. было предложено сразу три новых формата- ВЕТАСАМ SX, DIGITAL S, DVCAM.

фирмой PANASONIC в 1996г. предложен формат DVC-PRO-25, в 1998г. разработана новая разновидность этого формата DVC-PRO-50 с улучшенными параметрами записанного сигнала, а в 1999г. разработан формат DVC-PRO-100 для записи и воспроизведения видеосигналов высокой четкости HDTV.

Быстрое развитие цифровой видеозаписи обусловлено общим прогрессом теории информации и кодирования, достижениями микроэлектроники, компьютерной техники, а также стремлением фирм-производителей улучшить технические и эксплуатационные характеристики цифровых видеомагнитофонов, расширить сферу их применения и снизить стоимость.

Аппаратура рассмотренных выше форматов обеспечивает высокие качественные показатели и широкий спектр функциональных возможностей, однако она в настоящее время имеет высокую стоимость и для многих категорий потребителей недоступна.

В связи с этим в последние годы усилия многих фирм-производителей видеооборудования были направлены на снижение стоимости аппаратуры при сохранении высокого качества записи.

Эти усилия привели к созданию принципиально новой системы цифровой магнитной видеозаписи формата DV , базирующейся на эффективном методе сжатия видеоинформации, новых видеолентах и технологии компонентной видеозаписи.

Важнейшим параметром является длительность записи на одной кассете - в системе DV она составляет более 4 часов при размерах кассеты практически аналогичных обычной аудиокассете.

Аппараты формата DV выпускаются фирмой PANASONIC для записи компонентных цифровых сигналов стандарта 4:1:1 или 4:2:0 с внутрикадровой компрессией с коэффициентом 5:1.

На базе формата DV фирма PANASONIC разработала формат DVC PRO профессионального и вещательного назначения. В этом формате, как и в DV, применено внутрикадровое сжатие видеоинформации.

В системе DV и DVC PRO применяется металлизированная магнитная лента шириной 6,35мм при скорости движения 18 мм/с.

На 11 исследовательской комиссии по телевидению Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) был принят единый стандарт производства телевизионных программ, который одновременно учитывает интересы киноиндустрии и компьютерной промышленности - рекомендация ITU-R ВТ. 709-3.

Эта рекомендация определяет значения параметров в стандарте ТВЧ для производства и международного обмена программами.

Все предлагаемые стандарты (1080/24/1:1, 1080/25/1:1, 1080/30/1:1, 1080/50/1:1, 1080/60/1:1, 1080/50/2:1 и 1080/60/2:1) основаны на «едином формате изображения» (HD-CiF) предусматривающем 1080 активных строк в кадре с 1920 отчетами в активной части строки.

До принятия единого стандарта в видеопроизводстве допускались только два значения частоты полей 50 и 60 Гц, хотя значительная часть телепрограмм обязана своим происхождением 35-мм и 16-мм кинофильмам, снятым с частотой 24 кадра/с.

Теперь задача преобразования стандартного фильма в электронный эквивалент существенно упрощается.

Операции монтажа программы, включая видеоэффекты, могут выполняться с использованием полученного видеосигнала без искажений изображения. Это очень важно, поскольку примерно половина всех новых фильмов содержит фрагменты, созданные с помощью компьютера. Более того, полностью электронное производство фильмов предоставит кинорежиссерам недоступную до сих пор свободу творчества.

В области кинопроката влияние нового международного стандарта киновидеопроизводства будет поистине революционным.

Кинопрокатные организации мира, еще использующие кинопленку, будут получать по каналам связи электронные «фильмы» и при необходимости изготавливать копии высочайшего технического качества.

Перспективной возможностью следует считать организацию киновидеопроката в мировом масштабе с показом HD изображений на больших кинотеатральных экранах. Преимуществом HD стандарта 1080/24р является возможность не только демонстрировать изображения этого стандарта, но и смешивать кино- и видеоматериалы этого единого стандарта для получения либо смонтированного фильма, либо видеооригинала. Именно такая принципиально возможная технология производства визуальной продукции дает основание назвать стандарт 1080р/24 стандартом киновидеопроизводства

Следует отметить, что фирмы SONY и PANASONIC уже разработали линейки аппаратуры для киновидеопроизводства в стандарте 1080р/24.

Фирма PANASONIC BROADCAST & TELEVISION SYSTEM COMPANY (США) продемонстрировала на международной выставке NAB 99 образец специализированного студийного видеомагнитофона AG-HD3000 для киновидеопроизводства. Этот аппарат универсален, он способен записывать и воспроизводить не только сигналы стандарта 1080р/24, но и сигналы стандартов 601, 50i, 25i и 301.

Фирма JVC PROFESSIONAL PRODUCTS COMPANY экспонировала образец студийного видеомагнитофона D9-HD, предназначенного для записи .сигналов ТВЧ (10801/60) или ТПЧ (720р/60) с потоком 100 Мбит/с. В этой модели предусмотрена возможность воспроизведения цифровых видеофонограмм стандарта D9(DIGITAL-S), записанных с потоком 50 Мбит/с.

В 90-х годах наметился определенный интерес потребителя к системам видеозаписи, имеющим качественные характеристики, значительно более высокие, чем у существующих систем магнитной видеозаписи,

Это привело к появлению на рынке 12-дюймовых лазерных видеодисков LD.

Несмотря на значительные размеры этих дисков, они достаточно

прижились на рынках, так как давали потребителю некоторый выигрыш в качестве видеоизображения.

Фильм, записанный на диске LD, воспроизводился с разрешением 400-425 телевизионных линий.

Однако диск LD не мог дать существенного скачка в качестве воспроизводимого с него видеосигнала, так как в нем использовалась технология записи аналоговой видеоинформации.

DVD- оптический цифровой дисковый носитель информации

DVD формат, рассчитанный на широкое применение в новом тысячелетие, начал создаваться в 1992г. Для завершения его разработки и внедрения потребовалось около пяти лет. Внедрение DVD-дисков в США произошло в марте 1997г. и в настоящее время они почти полностью захватили потребительский рынок, быстро вытеснив диски LD.

Основные общие требования к дискам DVD.

Ввиду того, что диск DVD разрабатывался как универсальный способ хранения как видео- и аудио, а также и компьютерной информации, совместные требования к этому носителю информации, выработанные медиа и компьютерными фирмами выглядят следующим образом:

1 .Совместимость по старшинству с существующими CD дисками. Единый интерактивный стандарт для компьютерной и видеоинформации.

3.Совместимость с будущими записываемыми DVD дисками.

4.Единая файловая система для всех приложений.

5.Невысокая цена.

Отсутствие необходимости в жестком корпусе или футляре.

Надежность хранения данных и их последующего считывания

Большая информационная емкость

9.Высокая скорость записи/считывания, как при последовательном доступе (медиа - данные), так и при произвольном (компьютерные данные).

8 декабря 1995г. десять гигантских компаний-разработчиков пришли к взаимному соглашению и объявили о создании единого унифицированного стандарта - DVD, что в окончательной версии означает DIGITAL VERSATILE DISC- цифровой многофункциональный диск.

Как носитель информации для видеозаписей этот стандарт полностью отвечает требованиям SAC (STUDIO ADVISORY СОММ1ТЕЕ) - Союза кино промышленников, а в качестве устройства хранения данных для компьютерной индустрии требованиям TWG (TEHNICAL WORKING GROUP).

Конструктивные особенности диска DVD

DVD - диск может быть как односторонним, так и двухсторонним. Рабочих слоев на каждой стороне может быть один или два. Различают следующие типы QVD-дисков:

DVD-5 -односторонний однослойный диск 4,7 Гбайт

DVD-9-односторонний двухслойный диск 8,5 Гбайт.

DVD-10-двухсторонний однослойный диск 8,5 Гбайт

DVD-18-двухсторонний двухслойный диск 17,0 Гбайт. Конструктивно двухсторонний DVD - диск выглядит как два CD -диска, склеенные между собой.

Полное отсутствие механического контакта элементов воспроизводящего устройства с поверхностью диска исключают его износ в процессе эксплуатации.

Система кодирования MPEG-2 работает с потоком информации 3-5 Мбайт/с, что обеспечивает получение высококачественного изображения (применяемая в видеодисках CD система кодирования MPEG-1 может обеспечить поток информации только 300 Кбайт/с.) Продолжительность воспроизведения самого дешевого, одностороннего диска DVD-133 минуты позволяет поместить на него почти любой фильм (лишь 5% фильмов архива Голливуда имеют большую продолжительность), причем это могут быть и новые фильмы, в которых применяется система DOLBY со стереофоническим звучанием.

Анализ требований к системам электронной проекции на экран при воспроизведении оцифрованных кинодокументов. Анализ характеристик различных систем преобразования сигнал-свет

Основным элементом систем электронной проекции является преобразователь сигнал - свет.

Световой поток от осветителя, пройдя формирующую оптику попадает на пространственный модулятор светового потока (ПМСП). ПМСП представляет собой устройство, содержащее N оптических элементов (пикселов), каждый из которых управляется электрическим сигналом и формирует элементарный световой поток, пропорциональный управляющему сигналу. Таким образом, каждый пиксел ПМСП формирует соответствующий элемент оптического изображения кадра с яркостью, определяемой управляющим сигналом.

За время развертки одного кадра вся совокупность пикселов ПМСП формирует полное оптическое изображение этого кадра.

Оптическое изображение кадра переносится проекционным объективом на экран с необходимым увеличением.

В настоящее время в электронной проекции используются следующие технологии ПМСП:

1. LCD технология (Liquid Crystal Digital) - жидкокристаллическая цифровая матрица, работающая на просвет.

2.D-ILA технология (Direct Drive Image Light Amplifier) - прямое управление усилителем светового потока - жидкокристаллическая матрица, работающая на отражение светового потока.

3.DMD технология (Digital Micro Mirror Device) - микрозеркальная матрица с цифровой обработкой светового потока - (Digital Light Processing).

Основные характеристики преобразователей сигнал-свет на основе этих технологий приведены в таблице.1.

Таблица 1.

Параметр	Пленка 35мм	Пленка 70мм	LCD	DLP-DMD	D-ILA
Световой поток, лм	До 12000	До 20000	До 5000	Свыше 12000	До 12000
Контрастность изображения	100:1	100:1	До 100:1	1000:1	1000:1
Разрешающая способность	1120x612	2624x1120	1280x1024	1280x1024	2048x1556

Как видно из таблицы 1. каждая из рассмотренных технологий обеспечивает создание преобразователей сигнал-свет с весьма высокими характеристиками.

Для технологии LCD следует отметить принципиальное ограничение максимальных световых потоков, связанное с допустимым нагревом светомодулирующих матриц.

Для технологий D-ILA и DMD-DLP максимальные световые потоки практически достигают значений, характерных для высококлассной кинопроекционной аппаратуры пленочного кинематографа.

Анализ влияния технологий преобразования сигнал - свет на утомление зрительного анализатора

Кроме отмеченных в таблице 1. технических характеристик преобразователей сигнал-свет различных технологий, для использования в электронном кинематографе весьма важным является степень утомляемости зрителя при просмотре изображений, формируемых этими преобразователями.

Указанная характеристика является наименее изученной в связи с тем, что небольшое время, прошедшее с момента начала массового применения электронного кинематографа (около 5 лет) не позволило накопить достаточное количество данных для статистического анализа.

В связи с этим фактор утомляемости зрителя при просмотре программ электронного кинематографа может оцениваться преимущественно на основе общих закономерностей воздействия импульсных световых потоков на зрительный анализатор, характерных для телевизионных и компьютерных систем отображения визуальной информации.

При этом, как следует из опыта эксплуатации телевизионных систем большое влияние на утомляемость зрительного анализатора оказывает отношение «мгновенной» яркости элемента изображения к средней яркости кадра.

Для дальнейшего анализа примем некоторые произвольные допущения, которые позволяют упростить понимание вопроса утомляемости, не оказывая при этом принципиального влияния на результаты анализа.

Допустим, что каждый элемент изображения «разгорается» и «затухает» за произвольно малый промежуток времени. Тогда, в соответствии с законом Тальбота, визуально воспринимаемая яркость изображения будет пропорциональна произведению «мгновенной» яркости элементов изображения на длительность их свечения.

Очевидно, что необходимая визуальная яркость изображения может быть получена при малой длительности свечения элемента и большой «мгновенной» яркости и, наоборот, при большой длительности и малой «мгновенной» яркости.

В телевизионных и компьютерных системах при наблюдении изображения на экране кинескопа «мгновенная» яркость элемента превышает среднюю яркость в несколько раз при длительности свечения элемента изображения в десятки миллисекунд, при этом обеспечивается достаточно низкая утомляемость зрителя.

Известны эксперименты по формированию телевизионного изображения при помощи системы сканирующих лучей газовых лазеров, которые проводились автором в начале 70-х годов в Московском научно-исследовательском телевизионном институте. Длительность свечения элемента изображения при этом определялась только временем нахождения лазерного луча в геометрическом месте этого элемента и составляла около 50 не. При такой длительности свечения мгновенная яркость элемента изображения превышала среднее значение в 50.000 - 100.000 раз.

Наблюдение такого изображения в условиях, приближенных к типичным условиям просмотра телевизионных программ показало повышенную утомляемость зрителя после нескольких минут просмотра, часто сопровождающееся головной болью и ухудшением общего состояния.

Исходя из результатов описанных экспериментов можно сделать следующий вывод:

Увеличение «мгновенной» яркости элемента изображения при одновременном снижении длительности его свечения может приводить к повышенной утомляемости зрительного анализатора в процессе внутрикадрового синтеза изображения.

Рассмотрим соотношение «мгновенной» и средней яркости элемента изображения в различных преобразователях сигнал-свет.

LCD матрицы современного технологического уровня характеризуются временем «послесвечения» каждого элемента порядка 10 мс, которое определяется инерционностью движения молекул нематика.

Такое относительно большое время послесвечения может привести к появлению ложных изображений (артефактов) при наличии быстрой динамики в сюжете, что является принципиальным недостатком технологии LCD при ее использовании в электронном кинематографе.

С другой стороны, соотношение «мгновенной» и средней яркости элемента изображения в LCD преобразователях близко к единице, что является оптимальным с точки зрения снижения утомляемости зрителя.

D-ILA технологии обеспечивают несколько меньшее время послесвечения (около 5 мс), что немного увеличивает соотношение «мгновенной» и средней яркости, сохраняя впрочем достаточно малую утомляемость зрителя при возможности неискаженного воспроизведения сюжетов с высокой динамикой.

В DMD технологии модуляция яркости элемента изображения осуществляется изменением количества световых импульсов, посылаемых отклоняющимся микрозеркалом в объектив. Длительность таких импульсов составляет единицы микросекунд, при этом «мгновенная» яркость элемента превышает среднюю несколько сотен раз. Очевидно, что столь малая инерционность преобразователей DMD может обеспечить полное отсутствие ложных контуров и смазывания изображения в сюжетах с высокой динамикой, однако утомляемость зрителя при наблюдении изображений, формируемых DMD преобразователями, будет выше, чем у преобразователей LCD и D-ILA технологий.

Таким образом, для всех известных в настоящее время технологий преобразования сигнал-свет автором предложена классификация по степени увеличения нагрузок на зрительный анализатор человека:

LCD и D-ILA технологии -малые нагрузки

DMD технология- увеличенные нагрузки

Лазерная сканирующая технология - высокие нагрузки

Влияние технологий формирования цветного изображения на его восприятие зрительным анализатором

Технология формирования цветного изображения в преобразователях сигнал-свет оказывает существенное влияние на восприятие цветности изображения в системах электронного кинематографа. В настоящее время в указанных преобразователях используются в основном две технологии:

Технология одновременной передачи всех трех цветовых компонентов каждого элемента изображения

Эта технология состоит в том, что цветность каждого элемента изображения на экране формируется в один и тот же момент времени и сохраняется неизменной в течение развертки полного кадра изображения. Реализация этой технологии происходит при сложении одновременно формируемых в соответствующих матрицах трех цветоделенных изображений в одно цветное. Такое сложение осуществляется в специальном оптическом элементе - цветоскладывающем кубе.

Куб состоит из четырех склеенных прямоугольных призм, на внутренние грани которых нанесены дихроичные покрытия, имеющие определенные спектральные характеристики пропускания и отражения света. Три цветоделенных световых потока - красный, зеленый и синий пройдя через такой куб складываются в единый поток с минимальными световыми потерями. Таким образом каждый элемент изображения получает свои цветовые характеристики, сохраняющиеся в течение длительности одного кадра изображения.

Технология последовательной цветопередачи каждого элемента изображения

Такая технология используется исключительно в одноматричных DMD преобразователях сигнал-свет. При последовательной цветопередаче каждый элемент изображения в течение длительности одного кадра последовательно освещается красным, зеленым и синим световыми потоками. Для реализации такого освещения используется вращающийся диск с тремя светофильтрами - красным, зеленым и синим.

Каждый элемент изображения на экране при этом последовательно изменяет свой цвет в течение развертки одного кадра. Синтез цветного изображения в этом случае происходит в зрительном анализаторе человека.

Очевидно, что система последовательной цветопередачи может создавать артефакты в виде тянущихся цветовых окантовок движущихся объектов. Кроме этого цветовая палитра в технологии последовательной цветопередачи в значительной степени определяется субъективными свойствами каждого зрителя (по аналогии с цветоощущеньями в круге Бенхэма) и создает повышенную нагрузку на зрительный анализатор, заставляя его работать в несвойственном для него режиме синтеза цветного изображения из трех следующих друг за другом цветоделенных изображений

Учитывая изложенное можно заключить, что технология последовательной цветопередачи и использующие ее одноматричные DMD преобразователи сигнал-свет не могут быть рекомендованы для применения в электронной проекции кинодокументов.

Контрастность изображения на экране в системах электронной проекции определяется следующими факторами:

1. Технологической контрастностью изображения, формируемого
преобразователем сигнал-свет.

Рассеянием света в проекционном объективе.

Переотражением рассеянного света в зале от потолка, стен и зрителей на экран.

Влияние двух последних факторов в системах электронного и пленочного кинематографа аналогично и подробно рассмотрено в главе 2. Рассмотрим зависимость контрастности изображения от используемой технологии преобразователей сигнал-свет.

LCD-технология

Основой LCD технологии является использование в качестве светомодулирующей среды жидких кристаллов, способных поворачивать плоскость поляризации проходящего света в зависимости от напряженности приложенного электрического поля. Обязательными элементами в LCD матрице являются два поляроидных фильтра, один из которых служит для линейной поляризации падающего на матрицу светового потока (поляризатор), а другой - для преобразования фазовой модуляции светового потока в амплитудную (анализатор). Плоскости поляризации поляризатора и анализатора устанавливаются таким образом, чтобы при отсутствии управляющего электрического сигнала выходящий из матрицы световой поток имел минимальное значение.

Теоретически можно подобрать такие материалы поляроидных фильтров, для которых выходной световой поток будет сколь угодно мал, однако при этом полезный световой поток при максимальном управляющем сигнале также будет очень малым. Таким образом, в LCD преобразователях приходится искать компромисс между остаточным световым потоком при отсутствии управляющего сигнала и максимальным световым потоком при наибольшем управляющем сигнале (сигнал «белого поля»).

Как показали многочисленные исследования, в современной «просветной» LCD технологии наибольшая величина отношения максимального и минимального световых потоков не превышает 100:1-150:1. Очевидно, что максимальная контрастность изображения для этих технологий не может превышать 100:1-150:1. При этом воспроизведение темных сюжетов происходит на фоне остаточных световых потоков, которые по своей величине сравнимы с полезными световыми потоками, формирующими изображение на экране, что приводит к снижению контрастности в таких сюжетах.

...