di Dr. Ing. GIAN FRANCO RAFFO della RAI - lun 29 agosto 1955
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La nuova immagine campione della RAI

1. Generalità

Per la messa a punto di una catena trasmittente ricevente televisiva è indispensabile disporre di una opportuna immagine fìssa, dotata di un particolare contenuto geometrico: non esiste infatti alcun altro mezzo che consenta di controllare efficacemente la similitudine delle leggi del moto dei pennelli elettronici di analisi e di sintesi. È opportuno inoltre conferire a questa immagine alcune caratteristiche particolari, capaci di consentire anche una valutazione quantitativa sintetica della resa dei toni e del dettaglio da parte del sistema televisivo. Questa valutazione, peraltro formulabile con maggiore esattezza attraverso sistemi di misura puramente elettronici, risulta però assai malagevole e incerta se basata soltanto sull'esame delle immagini in movimento di un normale programma televisivo. Per rispondere a queste molteplici esigenze, è nata l'immagine campione (test pattern), che nel nostro Paese è ormai universalmente nota col termine Monoscopio, termine assai improprio, dato che tale vocabolo, nell'originale americano «Monoscope», designa un particolare tubo di ripresa, capace di produrre il segnale video corrispondente a una determinata immagine campione.

Disegno di controllo dell'Associazione dei Costruttori Radio Televisivi Americani (RTMA).

Fig. I. — Disegno di controllo dell'Associazione dei Costruttori Radio Televisivi Americani (RTMA).

Negli Stati Uniti, l'Associazione dei Costruttori Radio Televisivi (ETMA) ha adottato l'immagine di figura 1. Ogni singola società di diffusione televisiva ha poi scelto una propria immagine campione, derivata da quella della ETMA: le figure 2 e 3 mostrano i disegni adottati rispettivamente dalla National Broadcasting Company e dalla Columbia Broadcasting System. Dal 4 aprile scorso la RAI Radiotelevisione Italiana ha adottato l'immagine di figura 4; di tale immagine, il presente scritto vuol descrivere appunto le caratteristiche e i criteri informatori.

Disegno di controllo della National Broadcasting Company.

Fig. 2. — Disegno di controllo della National Broadcasting Company.

2. Controllo della struttura geometrica.

Come è noto, l'immagine televisiva viene trasmessa per punti successivi nel tempo. Per non alterare le posizioni reciproche dei singoli punti, devono essere soddisfatte alcune relazioni riguardanti il moto dei pennelli elettronici di analisi e di sintesi. In particolare, il sistema di analisi prescritto dalle norme tecniche attualmente in vigore richiede che durante il periodo utile di scansione le « macchie » (spots) dei pennelli di analisi e di sintesi abbiano moto lineare uniforme. Il difetto conseguente alla inosservanza di queste norme si chiama mancanza di linearità orizzontale o verticale a seconda della direzione in cui il moto ha una componente che non è uniforme.

Disegno di controllo della Columbia Broadcasting System.

Fig. 3. — Disegno di controllo della Columbia Broadcasting System.

Occorre inoltre che il rapporto fra larghezza e altezza dell'immagine abbia il valore di 4/3, sia nei tubi di ripresa che in quelli di riproduzione. Se ciò non si verifica, si ha un errore di rapporto dimensionale.

Disegno di controllo della RAI-Radiotelevisione Italiana.

Fig. 4. — Disegno di controllo della RAI-Radiotelevisione Italiana.

Le dimensioni utili dell'immagine sono determinate dalle punte dei triangolini neri (1) nella figura 4 posti sui bordi del disegno. I triangolini bianchi opposti a quelli neri servono a facilitare e rendere più accurata la messa a punto del dispositivo che « riprende » l'immagine campione. Il centro dei lati maggiori è ben individuato dalla corrispondente linea verticale (2) facente parte del reticolo di fondo; il centro dei lati minori è invece individuato dalle due righette bianche (3) sul bordo dei quadroni neri (4). L'esatta individuazione di tali centri può essere utile nelle operazioni di centratura dell'immagine sul tubo di ripresa o di riproduzione. La mancanza di linearità e gli errori di dimensione vengono rilevati essenzialmente dai due grandi cerchi concentrici centrali (5) e (6) e dai quattro piccoli cerchi (7) posti negli angoli. Era le figure geometriche, il cerchio è infatti quella che più di ogni altra è sensibile alle deformazioni. Le dimensioni e le posizioni dei cerchi sono state poi scelte in modo da esaltare al massimo l'effetto delle deformazioni. Il cerchio maggiore è stato pertanto reso tangente ai contorni orizzontali dell'immagine, mentre i quattro cerchi laterali sono tangenti sia ai contorni che al cerchio centrale. In tal modo, si controlla tutta la periferia della immagine, dove è più difficile mantenere una linearità rigorosa. Il cerchio centrale minore ha un diametro metà di quello maggiore, allo scopo di esplorare accuratamente la zona centrale dell'immagine. Il reticolato che occupa il fondo di tutto il disegno può anche servire per controllare il rapporto dimensionale e la linearità: le maglie di tale reticolato devono essere tutte quadrate. L'uso di questo sistema è però piuttosto delicato per il pericolo di commettere errori di parallasse: il metodo migliore per evitare tali errori consiste nel porre a contatto dello schermo del cinescopio da controllare una maschera trasparente, di spessore non inferiore ai 5 mm, sagomata in modo da adattarsi esattamente alla superficie esterna dello schermo. Sulle due facce della lastra è disegnato un reticolo identico a quello dell'immagine sul tubo: nelle varie zone dell'immagine l'osservatore, posto in posizione tale da veder coincidenti i disegni delle due facce della maschera, può regolare i controlli di dimensioni e di linearità del tubo senza incorrere in errori di parallasse. Da ultimo, anche i gruppi di righe nere orizzontali (8) possono controllare la linearità verticale dell'immagine : la distanza fra le righe dei gruppi centrali deve essere uguale alla distanza fra le righe dei gruppi presso i bordi.

3. Controllo della risoluzione.

La risoluzione di un sistema televisivo è l'attitudine a riprodurre accuratamente i dettagli minuti e i bruschi passaggi dal nero al bianco. Dato il sistema di analisi per righe orizzontali, la risoluzione nel senso delle righe è generalmente diversa da quella nel senso ad esse normale: si definisce allora la risoluzione verticale, come numero di linee bianche e nere orizzontali distinguibili entro l'altezza dell'immagine e la risoluzione orizzontale come numero di linee verticali bianche e nere distinguibili in una lunghezza orizzontale sempre pari all'altezza dell'immagine. Essendo difficile mantenere uniformemente a fuoco il pennello elettronico su tutta la superficie dell'immagine, la risoluzione nella zona centrale può essere diversa di quella alla periferia; in generale è maggiore. Per valutare la risoluzione orizzontale nella zona centrale, il disegno campione dispone di due «cunei» (9)e (10) costituiti da fasci di iperboli equilatere. Rispetto ai cunei costituiti da fasci di rette, questa configurazione ha il vantaggio di rendere lineare la scala dei numeri di linee (nonché quella delle frequenze) consentendo una uniforme accuratezza di lettura e di interpolazione per tutta la lunghezza di ogni cuneo.A sinistra di ogni cuneo vi è la calibrazione in linee,a destra la calibrazione in MHz. La calibrazione infrequenza indica, per ogni livello del cuneo, la frequenza fondamentale dell'onda quadrata che riproduce il cuneo a quel livello. Pertanto la relazione fra linee L e frequenza è data da:

f = 2 L Ha/3

dove Ha è il tempo attivo di riga. La taratura dell'immagine campione è stata fatta per un tempo utile di 52,5 µs, corrispondente a una cancellazione orizzontale di 11,5 µs. In tali condizioni, 1 MHz corrisponde a 78,85 linee. Il cuneo inferiore (9) va salendo da 2a 5 MHz; quello superiore (10) scende da 4,5 a 9 MHz.Si noti che le scale sui due cunei sono diverse: ogni divisione corrisponde infatti a 0,5 MHz sul cuneo inferiore e a 1 MHz sul cuneo superiore. La lettura delle scale sul cuneo si effettua — come è noto —in corrispondenza del livello per cui le linee si confondono fra di loro: nella lettura entra quindi un fattore soggettivo. Un metodo per diminuire l'influenza di questo fattore consiste nel coprire il cuneo con un foglio opaco; scoprendolo lentamente a partire dalla zona risolta, si legge il livello a cui le linee si confondono; scoprendolo invece a partire dalla zona decisamente non risolta, si legge il livello a cui le linee si separano. Si prende poi la media aritmetica delle due letture, che in generale sono diverse a causa dell'inerzia dell'osservatore, che tarda a percepire il passaggio da linee confuse a linee risolte e viceversa. Se il pennello del tubo di riproduzione è ben focalizzato (e se il rapporto segnale/disturbo non è inferiore a 20 dB), le linee del cuneo appaiono ancora

separate quando il segnale che le rappresenta è ridotto a 1/10 del pieno livello bianco-nero. Solo per attenuazioni maggiori le linee si confondono. Come è noto,le norme tecniche europee in vigore anche nel nostro Paese prescrivono che le componenti del segnale video a frequenza di 5 MHz vengano trasmesse con un'attenuazione non superiore a 6 dB rispetto alle componenti a 0,1 MHz: in tali condizioni, il cuneo inferiore del disegno campione deve apparire completamente risolto sullo schermo di un televisore ben progettato e ben tarato. Analogamente deve apparire risolta la zona del cuneo superiore compresa fra 4,5 e 5 MHz.Solo ricevitori di prestazioni assolutamente eccezionali possono mostrare risolto il cuneo superiore anche oltre i 5 MHz: non è comunque possibile in ricezione risolvere il cuneo superiore fino a 5,5 MHz, data la presenza a questa frequenza della portante del suono.La porzione del cuneo superiore che si estende oltre i 5 MHz serve quindi solo negli impianti di ripresa o lungo i collegamenti direttivi, ove non esistono limiti stringenti per la larghezza di banda. La risoluzione verticale è controllata nella zona centrale dell'immagine da due cunei orizzontali uguali (11), tarati in numero di linee fino a circa 400.Questo valore rappresenta la capacità media di risoluzione verticale del sistema europeo a 625 linee,tenuto conto del fatto che 45 linee sono perdute durante i due ritorni verticali del pennello e che solo il 70% circa delle linee utili viene in media sfruttato in pieno. Se il tubo è correttamente a fuoco, i cunei (11)devono dunque apparire completamente risolti. La risoluzione ai bordi è controllata dai cunei posti nei cerchi laterali: ogni coppia di cunei orizzontale o verticale comprende un cuneo più esterno (12) o (14),che va da 150 a 300 linee, e un cuneo più interno (13)o (15), che va da 250 a 400 linee. Le linee nere centrali dei cunei che controllano la risoluzione orizzontale sono interrotte da tacche bianche che, per i cunei centrali, ripetono la taratura in MHz: tali tacche forniscono un preciso riferimento quando il segnale elettrico dell'immagine di prova viene osservato su un oscillografo a selezione di linea,capace cioè di presentare all'osservatore una sola, a scelta, delle 625 linee costituenti l'immagine. Con questo sistema si può ad esempio ricavare sperimentalmente l'andamento della ammettenza di macchia(spot admittance) di un tubo di ripresa o di riproduzione. Sui cunei laterali, mancando la taratura in MHz,le tacche corrispondono alla taratura in numero di linee.In complesso, i cunei controllano la risoluzione periodica di un sistema televisivo, dato che la loro riproduzione è condizionata (fra l'altro) alla risposta a regime permanente dei circuiti. La risposta al transitorio è controllata invece dalle colonne di rettangolini (16) e (17) che richiedono la riproduzione di segnali elettrici a forma di impulso singolo. Essenzialmente, la presenza (e anche la frequenza) di « sovraoscillazione » (Overshoot) nella riproduzione dei segnali a impulsi, può essere individuata osservando se i rettangolini sono seguiti da bordature bianche o nere (fig. 5). L'altezza dei rettangolini è di 1/50 dell'altezza dell'immagine; la loro distanza è invece di 1/100 di tale altezza. La calibrazione indica, per ogni rettangolino, la frequenza il cui semiperiodo corrisponde alla durata del rettangolino stesso.La differenza di frequenza fra due rettangolini successivi è di 0,25 MHz. La colonna di destra va da 0,5ka 3,00 MHz; quella di sinistra va da 3,25 a 5,75 MHz.

Bordatura bianca a destra delle aree nere, causata dasovraoscillazione (overshoot).

Fig. 5. — Bordatura bianca a destra delle aree nere, causata dasovraoscillazione (overshoot).

La lettura della frequenza di sovraoscillazione si compie in corrispondenza del rettangolino la cui larghezzaè approssimativamente pari alla distanza del primobordo nero provocato dalla sovraoscillazione. Se unodei rettangolini dà luogo a una bordatura più abbondante degù altri, a quella frequenza la curva di rispostaavrà una marcata esaltazione. Anche i bordi dellascritta BAI e dei quadroni neri (4) possono dareun'indicazione qualitativa della risposta ai transitori.

4. Risposta alle basse frequenze.

Mentre la risposta del sistema televisivo alle altefrequenze è legata alla riproduzione del dettaglioorizzontale periodico o transitorio, la risposta allebasse frequenze influenza la riproduzione delle figureestese in senso orizzontale. Sull'immagine campionesono state perciò disegnate le strisce (18) corrispondenti a una risoluzione verticale di 100 linee. La lunghezza della riga superiore corrisponde al semiperiododella frequenza di 19 kHz: le successive corrispondono a frequenze che stanno fra loro in progressionegeometrica, con ragione (2), e precisamente, in kHz:19 27 38 53 76 107 152 215 304.

Code nere denotanti ia presenza di distorsione alle bassefrequenze.

Fig. 6. — Code nere denotanti ia presenza di distorsione alle bassefrequenze.

Le distorsioni di fase o di frequenza alle bassefrequenze vengono rivelate da « code » nere più o meno estese che seguono le strisce (fìg. 6). Le strisce(18), insieme alle colonne di rettangolini (16) e (17),servono anche, in presenza di una immagine spuria(«spettro») causata da una riflessione (fìg. 7), a determinare rapidamente la differenza di percorso delsegnale spurio riflesso. A tale scopo si cerca il rettangolino o la striscia la cui lunghezza è pari allo spostamento dell'immagine spuria rispetto all'immagineprincipale: il semireciproco della frequenza corrispondente (in MHz) fornisce la differenza di tempo dipropagazione in fxs. La più corta delle strisce (18) corrisponde a unadifferenza di percorso di circa 500 m in aria liberae di 300-400 m nei cavi normali; pertanto si puòaffermare senz'altro che, se la distanza dello « spettro » su un ricevitore è dell'ordine della lunghezza diuna delle strisce, lo spettro è dovuto a riflessione dipropagazione, presumendosi che la discesa di antennasia sempre inferiore a 300 m.

Doppia immagine causata da riflessione.

Fig. 7. — Doppia immagine causata da riflessione.

5. Focalizzazione. Intercalamento.

L'osservazione delle righe di analisi consente un controllo accurato della focalizzazione , anche senza ricorrere all'immagine campione. L'osservazione simultanea delle righe d'analisi e della risoluzione sui cunei (9) o (10) consente di accertare la presenza di astigmatismo: infatti, se la regolazione del fuoco per il miglior dettaglio verticale non coincide con la regolazione per il miglior dettaglio orizzontale, ciò significa che lo « spot » è ellittico. L'intercalamento delle righe del quadro pari con quelle del quadro dispari viene controllato dai cunei(11): quando esiste un appaiamento più o meno pronunciato, sui cunei compare una caratteristica figura a croce. Anche le diagonali (19) rivelano la mancanza di intercalamento, frantumandosi in una serie di segmentini orizzontali: questo fenomeno però scompare se l'appaiamento diventa totale. In questo caso però,le linee (8) rivelano bene il difetto. Esse infatti corrispondono a una risoluzione di 200 linee: pertanto ogni linea nera o bianca è costituita da 2 linee di analisi, e l'appaiamento totale dimezza o raddoppialo spessore delle righe. Un semplice sistema per controllare l'intercalamento, anche in assenza di immagine (beninteso, purché siano presenti i segnali di sincronizzazione) sfrutta il fenomeno dell'appaiamentovirtuale: se lo sguardo dell'osservatore si muove sullo schermo dall'alto in basso, con velocità tale da effettuare lo spostamento di una riga nel tempo di un quadro (1/50 di sec.), sulla retina le immagini delle righe dei due quadri si formeranno sempre sugli stessi elementi fotosensibili, onde risulteranno appaiate totalmente. Per controllare l'intercalamento si segue allora con lo sguardo il moto di un dito che scorra dall'alto in basso lungo lo schermo, con velocità opportuna. Se le righe appaiono più distinte e più stabili che all'osservazione normale vuol dire chel'intercalamento è buono; se invece non si nota alcun miglioramento nella nitidezza delle righe, l'intercalamento è cattivo.

6. Resa dei toni di grigio.

Si noti anzitutto che la zona racchiusa dal cerchio (6) e quella esterna al cerchio (5) hanno il fondo uniformemente grigio: ciò allo scopo di portare il valore medio del segnale a un livello prossimo alla metà del valore di picco. In tal modo, un sistema televisivo regolato sull'immagine campione potrà funzionare soddisfacentemente sulle immagini del programma normale. La resa dei grigi è controllata dalla scala (20),che porta nove gradazioni di grigio sul fondo bianco.Nell'ipotesi che il sistema televisivo abbia una caratteristica complessiva di trasduzione lineare, la scala (20)presenta all'osservatore una successione di sensazioni crescenti linearmente. Dato che la curva di sensibilità dell'occhio è logaritmica con lo stimolo, l'illuminanza dello schermo è in progressione esponenziale:pertanto è costante il rapporto della illuminanza di due elementi adiacenti della scala. Il segnale elettrico applicato a un cinescopio deve però essere predistorto per tener conto della curva di trasduzione del cinescopio stesso. Tale curva varia secondo i tipi di tubi,ma può ritenersi in generale rappresentabile con una parabola di ordine 2,5. Il segnale corrispondente all'immagine campione è quindi corretto (prima della trasmissione) in un amplificatore avente una curva di trasduzione parabolica con ordine 0,4. Il rapporto fra l'illuminanza del massimo bianco e quella del massimo nero è di circa 16. Questo valore di dinamica tonale è raggiungibile, nei cinescopi, anche per contrasto su piccola area.

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