Giáo trình xử lý ảnh y tế Tập 4 P2 pptx

14.4 Tín hiệu tivi màu Vào năm 1949 RCA đề xuất một hệ truyền hình màu mà tương thích với hệ truyền hình đen trắng.. Tương tự như hệ truyền hình này, hệ thống truyền hình quét lần lượt

398

định chiều rộng nhỏ nhất của băng tần video Để đánh giá chiều rộng băng, chúng ta xem xét một phần của màn ảnh đen trắng như trong hình 14.6 Nếu tần số xuất hiện của các hình vuông theo chiều dọc bằng tần số xuất hiện của các hình vuông theo chiều ngang, và tỷ lệ là 4:3, thì số các hình vuông theo chiều ngang là (4/3)  525 = 700 hình vuông Tổng số các hình vuông trong ảnh là 700  525 = 367,500 hình vuông Nếu mỗi khung ảnh xuất hiện trong 1/60 giây thì số hình vuông xuất hiện trong một giây là 367,500  60 = 22,050,000 Tần số cơ bản của tín hiệu sóng hình vuông xuất hiện là 22,050,000/2 Hz  11 MHz Vì vậy với hệ thống 512 dòng, dải thông tối thiểu (cho tín hiệu đen trắng) là 11 MHz Chiều rộng dải thông được chia cho 2 là

do ta đã áp dụng quét xen kẽ

Hình 14.6 Yêu cầu giải thông

Trong kỹ thuật quét xen kẽ một bức ảnh được chia làm hai tập hợp ảnh, mỗi tập hợp chứa một nửa số dòng quét trong ảnh 512 dòng được chia trong mỗi ảnh 262 dòng Phần dòng quét trong mỗi ảnh được cho trong hình 14.7 Các

dòng quét cho ảnh thứ nhất bắt đầu từ điểm A và kéo dài đến điểm B Nó chuyển động với tốc độ rất nhanh đến điểm C Điểm cuối của ảnh thứ nhất là điểm D Tại điểm kết thúc của ảnh thứ nhất, tia điện tử chuyển động rất nhanh với tốc độ rất cao đến điểm E Ảnh thứ hai bắt đầu từ một nửa dòng và kết

thúc ở một điểm cuối dòng Trong quá trình quét ngược theo chiều dọc các dòng ngang vẫn tiếp tục được gửi đi, nhưng chúng bị loại đi bởi xung đồng bộ mành Thông thường 21 dòng bị loại bỏ ra ở mỗi ảnh Vì vậy số dòng quét thực sự trông thấy trong mỗi ảnh sẽ chỉ còn là 525 - (2  21) = 483 dòng Trong quét xen kẽ, 30 khung hình được chuyển trong một giây và mắt người

sẽ nhận được 60 hình ảnh trong một giây và như vậy ta sẽ không trông thấy một sự rung nào của hình ảnh 30 khung hình/giây cho một tín hiệu có dải thông gần 5 MHz và có dạng như hình 14.6 Thực tế hệ truyền hình Mỹ dùng băng tần có dải thông là 5.25 MHz Trong đó 1.25 MHz là phần băng tần số thấp và 4 MHz là phần băng tần số cao của tín hiệu video điều biên (AM) Vì

T

f  1 T

399

thế thực tế chỉ có 4 MHz được dùng cho video BW Âm thanh được điều tần (FM) ở tần số sóng mang là 4.5 MHz cao hơn tần số sóng mang video (xem hình 14.8)

Hình 14.7 Quét xen kẽ

14.4 Tín hiệu tivi màu

Vào năm 1949 RCA đề xuất một hệ truyền hình màu mà tương thích với hệ truyền hình đen trắng Hệ thống này được phát triển bởi Uỷ ban Truyền thông Liên Bang cho hệ thống truyền hình màu năm 1953, và sau đó nó được chuẩn hoá thành hệ thống truyền hình quốc gia (NTSC) Tương tự như hệ truyền hình này, hệ thống truyền hình quét lần lượt từng màu và có nhớ (SECAM) ở Pháp

và hệ thống truyền hình dòng pha luân phiên (PAL) ở Đức đã xuất hiện để khắc phục các nhược điểm của hệ NTSC

Hệ NTSC được thiết kế có dải băng thông tín hiệu là 6 MHz mang đầy đủ tín hiệu màu, tín hiệu đen trắng cũng như tín hiệu âm thanh Để kết hợp các tín hiệu vào dải thông 6 MHz người ta phải dùng các đặc tính của phổ tần số của tín hiệu quét Từ năm 1929 người ta đã phát hiện ra là tín hiệu đen trắng xuất hiện dưới dạng cụm năng lượng điều hoà tại tần số các dòng quét Tần số dòng quét trong tín hiệu NTSC là 525  30 = 15,750 Hz Một biểu diễn toán học

F

D

B

E

C

A

Bắt đầu của ảnh 1

Bắt đầu của ảnh 2

Kết thúc của ảnh 1

Kết thúc của ảnh 2

400

của các tín hiệu quét được biểu diễn trong tham khảo 1 và tham khảo 2 Nó để lại một khoảng trống cho chuyển tải thông tin về màu sắc (hình 14.9) Chú ý là biên độ các phổ tần số giảm dần Tín hiệu truyền hình đầy đủ bao gồm tín hiệu đen trắng và tín hiệu màu Để đơn giản sự phân chia giữa tín hiệu đen trắng và tín hiệu màu, sóng mang phụ của tín hiệu màu được đặt vào cuối miền phổ tần

số cao-đặc biệt đối với hệ NTSC tần số này xấp xỉ 455 lần rưỡi tần số sóng mang đen trắng, hay 3.58 MHz (thực tế nó được đặt ở tần số 3.579545 MHz)

Hệ NTSC 6 MHz được cho trong hình vẽ 14.10

Hình 14.8 Chuẩn truyền hình của Mỹ

f

253 f

Tín hiệu

độ chói

f

2 f H

f

|Y(f)|

15,750H 31,500H

z

Tín hiệu màu

3.98475MH z.

4.2MH z.

f v f v

f v =30

fv=Tần số quét ngang

f v =Tần số quét dọc

5.5

4

0 1.25

Sóng mang hình

Sóng mang

âm thanh

Bên băng tần cao

Phần của bên

băng tần thấp

401

Hình 14.9 Phân phối phổ của tín hiệu đơn sắc và tín hiệu màu

14.4.1 Tín hiệu đen trắng

Tín hiệu đen trắng được tạo ra từ ba tín hiệu màu theo các biểu thức sau:

Y = 0.59 G + 0.30 R + 0.11 B (14.5) Tín hiệu này còn có tên là tín hiệu chói hay tín hiệu độ sáng Nó chiếm tần

số vào khoảng từ 0 đến 4 MHz

14.4.2 Tín hiệu màu

Tín hiệu màu sắc được ghép với tín hiệu đen trắng trong tín hiệu video Tín

hiệu này gọi là tín hiệu màu hay chrominace Để biết vai trò của thông tin

trong tín hiệu này, chúng ta cần phải hiểu rõ cách con người nhận biết màu sắc Các nghiên cứu về nhận thức về màu sắc của con người cho ta các kết quả chính sau đây:

Mắt con người thấy một khoảng màu rộng khi miền hoặc đối tượng quan sát tương đối rộng

Mắt con người không thể phân biệt các màu sắc khi vật thể quan sát nhỏ Người ta đã chứng minh được rằng ba màu riêng cần phải có đầy đủ cho một vật thể lớn, các vật thể có kích thước trung bình thì hai màu riêng có

thể là tương đối đủ

Ở các miền nhỏ mắt con người trở nên mù màu và chỉ có thể nhận ra sự

khác biệt về độ sáng

Các thuộc tính này được áp dụng trong hệ truyền hình NTSC Tiếp theo, ta

sẽ mô tả cách hệ NTSC truyền tin tức về màu sắc chỉ dùng một sóng mang riêng lẻ cho tín hiệu màu

Thông tin đơn sắc có tải thêm băng tần màu

4.5 MHz 4.2 MHz

3.58 Bên

băng tần thấp

6

5

4

3

2

402

Hình 14.10 Giải thông giành cho tín hiệu đơn sắc, màu và âm thanh

Tín hiệu (B-Y) và (R-Y) Thông tin về màu sắc chứa các thành phần R, G,

B Tín hiệu đen trắng hay tín hiệu chói được biểu diễn bằng tín hiệu Y Nếu tín

hiệu Y chứa giá trị của ba thành phần màu thì chỉ cần truyền đi hai tín hiệu

màu Từ nhận xét là mắt con người chỉ phân biệt màu sắc trên một miền rộng

chúng ta truyền tín hiệu (R-Y) và (B-Y), ở đây tín hiệu Y đã được lọc qua một

bộ lọc thông thấp với tần số cắt là 1.5 MHz (xem hình 14.11) Tín hiệu Y

nguyên vẹn có dải thông từ 0 đến 4 MHz Kỹ thuật này được phát triển từ thực

tế là các chi tiết trên vật thể rộng thì nằm ở phần tần số thấp, và mắt người chỉ

có thể phân biệt các màu sắc trên vật thể rộng

Để chuyển hai tín hiệu này trên một tín hiệu màu sắc, phương pháp điều chế

vuông góc được dùng Hai tín hiệu, B-Y và R-Y, được điều chế dùng hai bộ

điều chế riêng biệt, với mỗi bộ điều chế dùng cùng một tần số sóng mang, 3.58 MHz cho hệ NTSC, nhưng góc pha bị lệch đi 900, (xem hình 14.11)

Các đặc tính nhận biết màu sắc của mắt con người cũng được đề cập đến ở đây Thông tin của các vật thể rộng được tìm thấy ở các miền tần số dưới 0.5 MHz, và thông tin về các vật thể có kích thước trung bình tìm thấy ở miền tần

số giữa 0.5 và 1.5 MHz Nếu các vật thể rộng cần có đủ ba màu riêng, thì các

vật thể có kích thước trung bình chỉ cần hai màu riêng, tín hiệu (R-Y) cho phép tần số từ 0 đến 0.5 MHz, và tín hiệu (B-Y) cho phép trong khoảng từ 0 đến 1.5

MHz

BLUE

GREEN

RED

Bộ cộng trọng

lượng Bộ lọc thông

cộng

Bộ cộng

Bộ cộng

Bộ cộng

Bộ điều chế

Bộ điều chế

900

Bộ tạo dao động.

Y=0.59G+0.30R+0.11B Tín hiệu độ chói Y

Tín hiệu màu

-Y

B-Y

3.58MHz

R-Y

Tín hiệu hiệu màu

403

Hình 14.11 Trộn tín hiệu màu

Tín hiệu I và Q Các nhà thiết kế cho hệ thống NTSC nhận thấy rằng sẽ

được một kết quả tốt hơn nếu chúng ta dùng hai loại tín hiệu khác là I và Q

Các tín hiệu này được định nghĩa dưới đây Tín hiệu I là tín hiệu pha, và Q là

tín hiệu vuông góc

I = 0.60 R - 0.28 G - 0.32 B (14.6)

Q = 0.21 R - 0.52 G + 0.31B

Tín hiệu Q có tần số từ 0 đến 0.5 MHz Nếu sóng tải màu có tần số 3.58

MHz, dải trên Q sẽ chiếm băng con từ 3.58 MHz đến (3.58 + 0.5) = 4.08 MHz

Dải dưới của Q sẽ chiếm băng con từ (3.58 - 0.5) = 3.08 MHz đến 3.58 MHz

Tín hiệu I có tần số từ 0 đến 1.5 MHz Dải dưới của tín hiệu I kéo dài từ

(3.58 - 1.5) = 2.08 đến 3.58 MHz Nếu toàn bộ phần trên của băng được

truyền đi, nó chiếm tần số từ 3.58 MHz đến (3.58 + 1.5) = 5.08 MHz Nếu

phần trên của băng được giới hạn tại 4.2 MHz (xem hình 14.10), với chiều

rộng của kênh là 6 MHz, phần trên của I chỉ cho phép 0.6 MHz Điều này làm

phần trên của I có tần số từ 3.58 đến 3.58 + 0.6 = 4.18 MHz Phần tín hiệu sau

4.5 MHz dùng cho sóng mang âm thanh

Tín hiệu đồng bộ màu Trong hệ thống NTSC các sóng mang phụ tải màu

được nén lại trước khi truyền Nguyên nhân của việc này là địng dạng cho tin

tức nằm trong khoảng giữa sóng tải màu (3.58 MHz) và sóng mang âm thanh

(4.5 MHz) Có một sự trội hơn hẳn một khoảng tần số  0.9MHz xuất hiện khi

ta quét xen kẽ Một lý do khác cho việc nén tín hiệu này là cho phép loại bỏ

một cách tự động các tín hiệu màu khi cảnh là đen trắng Cho một ảnh đen

trắng, I và Q là bằng không, và nếu sóng mang màu được nén lại thì không có

sự xuất hiện của tín hiệu màu nào tại phía thu Dù có như vậy đi chăng nữa, thì

vẫn cần thiết phải tạo ra sóng mang phụ tải màu ở nơi nhận cho các chức năng

giải điều chế Việc tạo ra các sóng mang phụ tải màu này phải chính xác về tần

số và pha với sóng mang phụ tại nơi phát Để đảm bảo việc này, một sóng

ngắn gọi là color burst được cộng vào để chuyển tín hiệu Các xung burst theo

sau các xung dòng và được xác định vào vị trí phía sau của mỗi xung đồng bộ

404

dòng (xem hình 14.2) Các tín hiệu burst màu chứa ít nhất là 8 chu kỳ của sóng

mang phụ tải màu được chuyển đi Tại nơi nhận, tín hiệu này được dùng để

đồng bộ tần số và pha của dao động 3.58 MHz Tín hiệu burst có độ khuyếch

đại thấp hơn độ khuyếch đại của sóng mang tải màu và vì vậy không gây nhiễu cho các tín hiệu được đề cập trước đây

Hình 14.12 Tín hiệu video tổng hợp

Lựa chọn tần số sóng mang phụ Người ta đã tìm ra rằng sự ảnh hưởng

giữa các tín hiệu xảy ra ít nếu tần số quét dòng và một bội số của tần số sóng

mang âm thanh, cụ thể K  f H = 4.5 MHz Cho K = 286 chúng ta rút ra tần số

quét dòng là

f H 15,734.26Hz

286

5 4



Để tín hiệu màu sắc không ảnh hưởng tới tín hiệu đơn sắc, sóng mang phụ tải màu được lựa chọn như là một bội số lẻ của một nửa tần số quét dòng Hệ

số 455 được lựa chọn để tính ra sóng mang phụ tải màu có tần số gần 3.6 MHz, chẳng hạn,

MHz

f color 3 579545

2

26 734 , 15



Vì có 525 dòng và tỷ lệ quét xen kẽ là 2:1, nên tần số quét mành sẽ là

Hz

1

26 734 , 15 525

2







14.5 Bộ lọc răng lược

Quét xen kẽ các tín hiệu màu và các tín hiệu đen trắng là một cách để tối thiểu hoá dải rộng băng và tương thích với các tivi đen trắng Tại phía thu, tín hiệu này được chia thành hai tín hiệu quét xen kẽ Trong hệ thống thu TV màu, một bộ lọc thông dải được dùng cho chức năng này Nếu tín hiệu Y được giới hạn là 3.2 MHz thay thế cho tín hiệu 4.2 MHz, chiều rộng băng có dạng gốc như đã được phát đi (xem hình 14.10) Một phương pháp nội suy là dùng bộ lọc răng lược Một sơ đồ đơn giản cho loại bộ lọc này và đáp ứng tần số của nó cho trong hình 14.13 Đây là kiểu bộ lọc răng lược trễ 1H Bộ lọc răng lược cho phép khôi phục lại đầy đủ băng thông 4.2 MHz của tín hiệu chói, điều này làm cho tăng độ phân giải dòng lên 25 phần trăm (chi tiết nét hơn)

Từ hình 14.13 chúng ta có thể viết:

1 1 ) (

)



z V

z V in

Ở đây z1 ej  H