Чертеж из привилегии а.А.Полумордвинова

А. А. Полумордвинов запатентовал систему с передачей сигналов трех основных цветов. Он предлагал использовать два диска, вращающихся на параллельных осях с разными скоростями. В дисках прорезались щели: в одном – по радиусам, а в другом – в форме «логарифмической или архимедовой спирали». Число щелей было кратно трем – по числу основных цветов. На пересечении щелей получалось сквозное ромбическое отверстие, которое и служило развертывающим элементом. Для получения сигнала цветоделенного изображения предлагалось закрывать щели в одном из дисков последовательно красным, зеленым и фиолетовым светофильтрами. Прошедший через ромбическое отверстие свет преобразовывался в электрический сигнал с помощью фотоэлемента. Между оптической проекцией передаваемого изображения и фотоэлементом в каждый момент времени находилось только одно отверстие, закрытое светофильтром только одного цвета. Когда это отверстие сдвигалось за рамку изображения, с противоположной стороны набегало следующее отверстие, закрытое светофильтром другого цвета и смещенное на ширину щели, и т.д. Таким образом, ромбическое отверстие как бы обегало все передаваемое изображение, элемент за элементом, строка за строкой. Светораспределитель представлял собой оптико-механическую систему с последовательной передачей цветов по строкам (когда светофильтрами закрывались кривые щели) или по кадрам (когда светофильтры были на радиальных щелях). Электрический сигнал от фотоэлемента предполагалось передавать на приемный пункт и использовать для управления яркостью источника света на аналогичном развертывающем устройстве. Этот принцип цветопередачи используется до сих пор

В 1907 г. российский ученый Ованес Адамян предложил проект системы с одновременной передачей цветовых сигналов (как в современных системах цветного телевидения).

В 1926 г. И. А. Адамиан (СССР) предложил трехцветную последовательную систему на основе трехспирального диска Нипкова.

В 1928 г. Дж. Бэрд (Англия) продемонстрировал передачу цветных изображений при помощи аналогичной системы.

В 1929 г. в лаборатории Бэлла (США) демонстрировалась трехканальная телевизионная система с одновременной передачей цветов.

Система механического телевидения, существовавшая до конца 30-х годов минувшего века, была устроена следующим образом. Объектив фокусировал изображение визируемого сюжета на рамку и на вращающийся за ней диск Нипкова, за которым установлен фотоэлемент. Ток фотоэлемента пропорционален освещенности элемента изображения, открывающегося отверстием диска Нипкова. На выходе фотоэлемента при вращении диска (развертке) получался так называемый видеосигнал, напряжение которого было пропорционально освещенности. Верхняя частота видеосигнала, несущего информацию о 1200 элементах изображения с кадровой частотой до 25 Гц, находится в пределах диапазона звуковых частот. Следовательно, сигнал изображения столь низкой четкости может передаваться радиовещательными станциями и быть записан обычным магнитофоном. В радиоприемнике этот сигнал усиливался и после детектирования поступал на неоновую лампу с плоским катодом, освещающую экран, за которым вращался точно такой же диск Нипкова. Вращение дисков на радиостанции и в приемнике строго синхронизировалось, для чего в паузах между кадрами передавались синхроимпульсы, управляющие вращением диска в приемнике.

Впечатление от первых телевизионных опытов было огромным. Представьте себе большой корпус с экранчиком величиной со спичечную коробку. Включили, начал разгоняться электродвигатель с диском. Вы с волнением прильнули глазом к оранжевому окошечку-экрану. Поначалу ничего не различаете, кроме мелькающих полос. Наконец, двигатель начинает работать синхронно с двигателем в передатчике (в некоторых приемниках синхронности добивались вручную, нажимая пальцем на вращающийся диск через специальное окошко в корпусе). Вот движение полос замедляется, останавливается, и вы различаете какую-то смутную тень. Человек! Вот он шагнул, вытянул руку. И вы все это видите. Просто чудо! Вероятно, так и воспринимались первые телевизионные передачи по немецкому стандарту из Москвы, осуществленные в 1931 году коллективом лаборатории Всесоюзного электротехнического института под руководством П. Шмакова и В. Архангельского. Сигналы московской телестанции передавались на волнах 379 метров (видео, 30 строк, 12,5 кадров/с) и 720 метров (звук) и принимались в Ленинграде, Одессе, Харькове, Нижнем Новгороде, Томске и других городах. Таким образом, в текущем году мы будем отмечать 75 лет отечественного телевидения или «дальновидения», как оно тогда называлось. Всего же в СССР было выпущено более 3000 телевизоров с размерами экрана 4х3 см и дисками Нипкова. В Политехническом музее (Москва) выставлен сохранившийся образец такого телевизора. Это комплекс Б-2 конструкции Антона Брейтбарта. Кроме собственно телевизора, в него входит радиоприемник Э-4С (для приема звукового сопровождения) и упоминавшаяся уже «тарелка» репродуктора.

Когда улеглись первые восторги, выяснилось, что у описанной системы механического телевидения, при всей ее простоте и дешевизне реализации есть много принципиальных недостатков, не позволяющих считать ее перспективной.

В 1929–1930 гг. началось телевещание в ряде стран Европы и США на аппаратуре с механической разверткой. С 1 октября 1931 г. из студии при Московском радиоузле велись телепередачи по немецкому стандарту: 30 строк, 12,5 кадра в секунду, на средних волнах, что позволяло принимать их в других городах и даже за рубежом. Аппаратура была разработана в Москве В.И.Архангельским и другими сотрудниками Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) под руководством П.В.Шмакова. В следующем году к показу собственных программ приступили студии в ряде других городов СССР, в том числе в Ленинграде, на аппаратуре, изготовленной на заводе им. Коминтерна под руководством А.Л.Минца (впоследствии академика). Промышленность освоила производство дисковых телевизоров Б-2 конструкции А.Я.Брейтбарта.

Телевизор Б-2 с диском Нипкова, радиоприемником и репродуктором (Государственный Политехнический музей, Москва)

В 1950 г. в США и в 1953 г. в СССР были приняты для вещания поочередные системы цветного телевидения, от которых пришлось отказаться из-за их несовместимости с системой черно-белого телевидения. Несовместимость выражается в том, что сигналы цветного телевидения не могут быть приняты на черно-белые телевизоры, а цветные телевизоры не могут принимать сигналы черно-белых телецентров.

Первая совместимая система цветного телевидения принята для вещания в США в 1953 г., называется она National Television System Commitee (NTSC). Сейчас эта система принята также в Японии, Канаде и в ряде других стран американского континента.

В 1954 г. Анри де Франс (Франция) предложил систему, которая с 1959 г. называется SECAM (Sequence de Couleurs Avec Memoire — поочередность цветов и память). Последний советско-французский вариант СЕКАМ (SECAM - IIIB) принят для вещания в СССР, Франции и других европейских странах. В СССР и Франции вещание по этой системе со стандартом разложения 625 строк ведется с 1 октября 1967 г.

В 1963 г. в ФРГ под руководством Бруха разработана система PAL (Phase Alternation Lines — строка с переменной фазой). По системе PAL с 1967 г. ведется регулярное вещание в ФРГ и в Англии со стандартом 625 строк.

УСТРОЙСТВО И СВОЙСТВА ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА

Глаз человека представляет собой очень сложный и чувствительный оптический прибор (рис. 1).

Ш арообразное глазное яблоко окружено со всех сторон твердой оболочкой — склерой. Склера прозрачна лишь в передней части глаза и образует здесь выступающую вперед роговую оболочку, или роговицу. За роговицей находится заполненная прозрачной водянистой жидкостью передняя камера. Между передней камерой и прозрачным стекловидным телом расположена радужная оболочка, цвет которой определяет цвет глаза человека. В центре радужной оболочки имеется круглое отверстие — зрачок. Диаметр зрачка уменьшается при увеличении падающего на него светового потока и увеличивается при его уменьшении. Такая приспособляемость глаза к различной освещенности называется адаптацией.

За зрачком находится хрусталик — прозрачное хрящевидное тело, имеющее форму двояковыпуклой линзы. С помощью глазных мышц хрусталик меняет свою кривизну. Это свойство хрусталика Называется аккомодацией.

За стекловидным телом находится сетчатка. Она представляет собой окончание зрительного нерва и состоит из нервных элементов двух видов — колбочек и палочек. Число колбочек достигает 7 млн.

Они чувствительны к свету и цвету. Палочек в глазу до 130 млн. Они чувствительны только к свету.

Напротив хрусталика, на сетчатке, находится область, называемая желтым пятном. В желтом пятне имеются только колбочки. Особенно много их в так называемом центральном углублении, куда хрусталик проецирует уменьшенное изображение рассматриваемого предмета. Каждая колбочка в центральном углублении присоединена к отдельному волокну зрительного нерва, передающему воспринимаемые световые ощущения в головной мозг. Чем Дальше от центрального углубления, тем большее количество колбочек «обслуживается» одним волокном зрительного нерва. Поэтому наиболее мелкие детали рассматриваемого предмета различаются с помощью колбочек, находящихся в центральном углублении. При рассмотрении деталей предмета мы инстинктивно поворачиваем глаз так, чтобы изображение детали попало в центральное углубление.

Палочки расположены главным образом на окраинах сетчатки. К одному волокну зрительного нерва присоединяется около 100 палочек. Палочки обладают большой чувствительностью к свету и обеспечивают так называемое «ночное зрение», но не дают возможности различать мелкие детали.

Свойство глаза различать мелкие детали изображения характеризуется его разрешающей способностью. При рассмотрении расположенных сравнительно далеко друг от друга точек их изображения на сетчатке находятся на разных колбочках и воспринимаются раздельно. При сближении точек или при удалении рассматриваемого предмета от глаза изображения точек на сетчатке сближаются и наступает момент, когда эти изображения проецируются на одну колбочку. Тогда глаз воспринимает их как одну точку. Чтобы две светящиеся точки рассматривались раздельно, между колбочками, на которые проецируются изображения точек, должна быть хотя бы одна колбочка, не получающая светового раздражения.

Минимальный угол, под которым глаз различает две точки раздельно, называется разрешаемым углом. Величина, обратная разрешаемому углу, называется разрешающей способностью глаза.

При расчетах разрешаемый угол считают равным одной угловой минуте. Разрешающая способность, соответствующая такому разрешающему углу, равна единице.

Под действием света в палочках и колбочках происходят фотохимические реакции, результатом которых является раздражение волокон зрительного нерва, передающееся в головной мозг. Эти реакции не могут происходить мгновенно. Поэтому ощущение света появляется не сразу после воздействия светового потока на глаз и исчезает спустя некоторое время после прекращения действия света. Это свойство зрения называется инерцией зрительного ощущения. Глаз способен сохранять зрительное ощущение примерно 1/8—1/25 сек после того, как действие света прекратилось.

Способность глаза к инерции используется в кино и телевидении. Во время демонстрации фильма лента движется прерывисто со скоростью 24 кадра в секунду, а моменты смены кадров искусственно затемняются специальным устройством — обтюратором. Глаз, обладая инерцией, затемнения не видит (оно длится очень короткое время), а видит новый кадр с изменением в Положении объекта. В результате создается впечатление непрерывности движения. Однако если затемнять экран только 24 раза в секунду, то будет весьма заметно мелькание, что утомляет зрение и портит общее впечатление. Избежать этого можно лишь в том случае, если увеличить количество затемнений экрана в секунду до 48. Одно затемнение производится, когда кадр сменяется, а другое — когда кадр стоит перед объективом. Такую частоту затемнений глаз уловить не в состоянии, и мы видим слитное изображение.

В телевидении изображение, разложенное на элементы, передается в течение 1/25 сек, т. е. за 1 сек передается 25 кадров. Повышение частоты мельканий (для получения восприятия слитного изображения) достигается применением чересстрочной развертки. Сущность такой развертки состоит в том, что полный кадр телевизионного изображения создается поочередной передачей двух - полей. Частота смены кадров или полей, при которой мелькания становятся незаметными, называется критической. Критическая частота зависит от яркости изображения и увеличивается с ростом последней. На рис. 2 приведена зависимость критической частоты смены кадров от яркости изображения, при которой отсутствуют мелькания. При яркостях изображений, передаваемых в кино и по телевидению, критическая частота составляет 40—50 кадров в секунду.

Рассмотрим особенности и свойства цветного зрения человека, которые используются и учитываются при построении различных систем цветного телевидения.

Известно, что солнечный (белый) свет, прошедший через стеклянную призму, разлагается и дает непрерывный спектр цветов от фиолетового до красного. Это означает, что белый свет является сложным и состоит из множества цветовых составляющих.

Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения, высказанной еще в XVIII в. М. В. Ломоносовым, цветоощущающий (колбочковый) аппарат глаза содержит нервные окончания (рецепторы) трех родов. Каждый род рецепторов чувствителен к излучению определенного цвета, а именно, к красному, зеленому или синему.

Ощущение остальных видимых цветов, в том числе и белого, можно получить, смешивая определенным образом эти три основных цвета.

Смешение цветов можно наблюдать, если освещать белый экран одновременно красным, синим и зеленым цветом (см. рис. 3 в конце книги). Смешение будет и в том случае, если экран освещать красным, синим и зеленым цветом последовательно с достаточно большой частотой повторения. При этом получается такое же впечатление цветности, как и при одновременном освещении экрана трех основных цветов.

Впечатление цветности возникает и в случае пространственного смешения цветов. Близко расположенные разноцветные точки с некоторого расстояния не различаются раздельно; получается ощущение однородности цветных участков как при одновременном, так и при последовательном освещении экрана светом трех основных цветов.

К огда на глаз действует сложный цвет, состоящий из трех основных, взятых в различных количествах, возбуждаются все три вида рецепторов. Сила возбуждения рецепторов каждого вида зависит от количества основных цветов в смеси. Возбуждение от рецепторов по зрительному нерву передается в головной мозг, и в зависимости от соотношения возбуждений рецепторов разных видов получается восприятие того или иного цвета. Если рецепторы всех видов возбуждены одинаково, возникает ощущение белого цвета.

Такой взгляд на природу зрения позволяет объяснить также последовательное и пространственное сложение цветов. При последовательном сложении впечатление цветности получается благодаря инерции зрительного ощущения. Пространственное сложение объясняется тем, что при малых углах зрения окрашенные элементы не различаются раздельно, глаз суммирует световые потоки от мелких элементов изображения и в сознании наблюдателя создается впечатление определенного суммарного цвета.

Когда уменьшается угол зрения, под которым наблюдается окрашенный предмет, уменьшается способность глаза различать цвета, и сами цвета кажутся изменившимися. При некотором малом угле впечатление цветности исчезает и все мелкие окрашенные детали изображения кажутся серыми.

Следующей особенностью глаза человека является неодинаковая чувствительность его рецепторов к соответствующим цветам. Глаз наиболее чувствителен к желто-зеленым цветам и менее чувствителен к красным и синим.

Результаты экспериментов позволили построить усредненную характеристику спектральной чувствительности глаза или кривую видности. Кривая показывает зависимость относительной чувствительности глаза от длины волны λ при неизмененной мощности источника (рис. 4). По кривой видности можно определить, какими должны быть мощности источников света основных цветов, чтобы ощущение яркости от них было одинаковым. Так, например, если имеются три источника света основных цветов одинаковой мощности, то ощущение яркости от красного источника составит 0,11, от зеленого 0,86 и синего 0,05 яркости источника желто-зеленого цвета.

Знание этих особенностей человеческого зрения позволяет правильно выбирать люминофоры для телевизионных экранов, чтобы добиться высокого качества изображения на экономичном, надежном и недорогом кинескопе.

Устройство глаза. Глаз человека (рис. 1.5) представляет собой стекловидное тело 1, заключенное в непрозрачную оболочку — склеру 2,

которая в передней части переходит в прозрачную роговицу 3. За роговицей расположена радужная оболочка 4 с отверстием в центре — зрачком, а за ней — хрусталик 5. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено жидкостью. Все это вместе образует оптическую систему глаза, при помощи которой изображение проецируется на внутреннюю поверхность склеры, покрытую светочувствительной оболочкой 6, называемой сетчаткой или ретиной. Сетчатка содержит два вида светочувствительных рецепторов колбочки и палочки, а также несколько слоев нервных клеток, с ними связанных. Колбочки образуют аппарат дневного зрения и работают при освещенностях больше 0,01 лк. Палочки образуют аппарат сумеречного зрения, обладают значительно более высокой чувствительностью и способны отличить белую поверхность от черной при освещенности около 0,000001 лк. Зато аппарат дневного зрения обладает более высокой разрешающей способностью и умеет различать цвета.

Под влиянием мышечного воздействия на хрусталик, в результате которого изменяется его кривизна, осуществляется наводка на резкость — аккомодация. При максимальном расслаблении аккомодационных мышц преломляющая сила хрусталика минимальна — глаз сфокусирован на бесконечность. Адаптация, т. е. приспособление к различным освещенностям, производится благодаря изменению диаметра зрачка, выполняющего роль диафрагмы в оптической системе глаза, и переключению аппаратов дневного и сумеречного зрения.

Характерно, что светочувствительные элементы на сетчатке распределены неравномерно. Наибольшая плотность распределения колбочек наблюдается в области желтого пятна 7 и в его центральном углублении — фовеа 8. Угловой размер фовеа около одного градуса, число колбочек в нем — примерно 4000, а плотность их распределения — 180 тыс. на мм². Желтое пятно определяет область ясного видения. Оно имеет овальную форму, удлиненную в горизонтальном направлении. Его угловые размеры примерно 6° на 8°. При рассматривании изображений глаз автоматически совмещает наиболее интересный (информативный) для наблюдателя участок изображения с фовеа. Поэтому зрительная ось 9 глаза, проходящая от фовеа через центр хрусталика к объекту наблюдения, отклонена примерно на 5° от оптической оси 10, совпадающей с осью симметрии оптической системы глаза.

Функция сетчатки заключается не только в восприятии изображения, но и в предварительной обработке зрительных сигналов перед их поступлением в зрительный нерв 11. Эта обработка происходит в результате передачи сигнала от одного слоя нервных клеток к другому. Последний слой, непосредственно связанный со зрительным нервом, состоит из так называемых ганглиозных клеток. Каждая ганглиозная клетка соединена с волокном зрительного нерва. В области фовеа на одну колбочку приходится одна ганглиозная клетка, а в области периферийного зрения одна ганглиозная клетка обслуживает рецептивное поле, состоящее из большого числа светочувствительных элементов.

О механизме обработки сигналов в сетчатке, в результате которого происходят, как полагают, осмысливание видимого и узнавание знакомых предметов, известно еще очень мало. Интенсивное изучение этого механизма и других физиологических особенностей зрения и обработки информации в организме человека и животных, возможно, откроет новые пути в решении задач телевидения.

1¹ За передачу телеграммы полного размера 100х130 мм отправитель платил 16 руб. (двухнедельное жалование мелкого чиновника).

28