4 основы построения систем цветного телевидения

4.1 Краткие сведения об основных характеристиках цвета

Как уже говорилось в 3.1, воспроизводимое на приемной стороне изображение должно быть подобно оригиналу. Физическая точность – полная идентичность физических параметров оригинала и репродукции; физиологическая точность – визуальная неразличимость их по яркости и цвету, хотя оригинал и изображение могут быть физически неодинаковыми, психологическая точность – высокая субъективная оценка качества воспроизводимого изображения, когда достигается наибольшее художественное восприятие.

Физически точное воспроизведение в подавляющем большинстве случаев получить сложно из-за ограниченных возможностей технических средств. Часто в этом нет необходимости, так как зрительная система не позволяет все видеть: ее характеристики ограничены как в пространстве, так и во времени. Поэтому в вещательном ТВ и большинстве прикладных ТВ систем добиваются обеспечения только физиологической и (или) психологической точности. Физическая точность подразумевает объективные методы контроля (например, измерение абсолютного значения яркости изображения, координат цвета объекта и воспроизводимого изображения), физиологическая – субъективные методы (экспертные оценки качества воспроизведения). При этом если для физической точности требуется равенство как спектральных составов излучений, так и их яркостей, то для физиологической – цвета изображения и объекта могут визуально не отличаться даже при разном спектральном составе излучений.

Объективные и субъективные характеристики цвета:

1 Восприятие света глазом характерно только при воздействии электромагнитных колебаний определённого диапазона (l=0,38-0,78 мкм).

2 Выделяют две группы излучений (электромагнитных колебаний): монохроматические (одноцветные, спектральные) и сложные; спектр G(l) у первых - узкий, у вторых - широкий. Каждое монохроматическое излучение соответствует своему цвету. Примерная зависимость приведена на рисунке 4.1, а: К - красный цвет, О - оранжевый, Ж - желтый, З - зелёный, Г - голубой, С - синий, Ф - фиолетовый. Удобно запоминать: каждый охотник желает знать где сидит фазан.

3 Любое излучение спектром G(l), близким к спектру солнечного излучения, воспринимается как белый цвет. Впервые доказательство того, что белый цвет есть сложный цвет, состоящий из суммы цветов, приведенных на рисунке 4.1, а, было сделано И.Ньютоном в опытах с призмой (рисунок 4.1, б). Призма П расщепляла узкий луч солнечного света, который падающего на одну грань призмы, на большое число компонент, которые, в свою очередь, по-разному преломлялись второй гранью призмы и попадали на разные участки экрана. По существу здесь использовано явление двойного интегрирования в призме и зависимость угла преломления от частоты (длины волны).

4 Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любой цвет в определённых пропорциях с дополнительным (который также всегда имеется), например: К+Г = Ж+С = З+Пурпурн = белый (эти смеси указаны на рисунке 4.1, а). Отметим, что пурпурный цвет = К+С и не является спектральным, он всегда сложный, отсюда следует: З+(К+С) = белый.

Рекомендуемые материалы

5 Ощущение любого цвета (также, как и белого) может быть получено при разных спектрах G(l) сложного излучения. Если спектры двух цветов неодинаковы G₁(l)¹G₂(l), но ощущение цвета при этом одинаково (визуально неразличимо), то такие цвета называются метамерными (метамерия - цветовой обман). Для ТВ это важно, так как на приеме можно получить нужный цвет, применяя любой “удобный” метамер (источник излучения с соответствующим спектром).

6 Доказана (сначала эвристически - М.В.Ломоносов, 1756г., затем экспериментально) трёхкомпонентная (трёхцветная) теория цветовосприятия человеком. Глаз человека содержит три вида колбочек, чувствительных к красной, жёлтой и голубой частям видимого спектра (рисунок 4.1, в). Возбуждение этих видов колбочек в определённых пропорциях создаёт ощущение любого видимого цвета.

7 Доказано экспериментально, что почти все цвета видимого спектра можно получить на основе суммирования основных R, G, B цветов в разных пропорциях. По согласованию были выбраны основные цвета с преобладающей длиной волны: l_R = 700 нм, l_G = 546 нм, l_В = 436 нм, которые легко получить экспериментально. Возможны и другие комбинации . Важно, чтобы выполнялось условие линейной независимости: ни один из выбранных основных цветов нельзя получить в результате сложения двух оставшихся.

8 Возможность получения любых цветов из совокупности основных R, G, B цветов иллюстрирует “цветовой куб”, приведенный на рисунке 4.1, г. В углах куба лежат цвета, являющиеся смесями определённых двух или трёх основных цветов. Так смесь красного (К) и зелёного (З) даёт жёлтый (Ж) цвет, смесь зелёного и синего (С) - голубой (Г), смесь красного и синего - пурпурный. Отметим, что спектр жёлтого цвета также находится между спектрами К и З, соответственно спектр голубого - между спектрами З и С. Угловая точка, отмеченная как белый цвет, не принадлежит никакой из трёх плоскостей, образованных парами основных цветов, поэтому её цвет равен смеси трёх основных цветов. Дополнительные цвета, дающие в сумме белый цвет, расположены на противоположных концах диагоналей куба: D1 (К+Г), D2 (Ж+С), D3 (З+Пурпурн).

9 Если каждую цветную точку оригинала можно представить в виде взвешенной суммы трех одноцветных точек, имеющих цвета R, G, и B, то соответственно при анализе цветного оригинала достаточно с помощью цветоизбирательных фильтров выделить три цветоделённых (одноцветных) оригинала О_R, О_G, и О_B, а затем получить соответствующие им электрические сигналы U_R, U_G, и U_B, которые передаются по электрическому каналу связи.

10 Известно много способов получения разных цветов на приемной стороне (синтез). Среди них основным является аддитивный синтез, который основан на сложении цветов. Большинство цветов спектра образуются путем суммирования основных R, G, B цветов в различных пропорциях.

В ЦТВ используется аддитивный метод образования цветов, который подразделяется на оптический, пространственный и бинокулярный. При этом смешиваемые цвета R, G, B цвета могут предъявляться как одновременно, так и последовательно.

Рисунок 4.1 - Основные характеристики цвета: а) зависимость цвета

от длины волны для спектральных цветов; б) схема опыта И.Ньютона

по расщеплению белого цвета; в) спектральные характеристики чувствительности

трёх видов колбочек; г) «цветовой куб»

Метод оптического сложения используется в проекционных устройствах воспроизведения ТВ изображения (в проекционных телевизорах). Для этого необходимо на три черно-белых кинескопа, перед экранами которых установлены соответственно красный (К), зеленый (З) и синий (С) цветофильтры, подать сигналы U_R, U_G, U_B, несущие информацию о содержании красного, зеленого, синего в изображении объекта. С помощью дихроических фильтров и зеркал световые потоки объединяются и, попадая на экран, образуют цветное изображение. Здесь три цветоделенных изображения одновременно накладываются друг на друга.

Оптическое сложение можно производить и последовательно во времени путем смены R, G, B цветов с частотой, при которой мелькания цветов не видно.

При пространственном сложении цветов происходит слитное восприятие разноцветных штрихов, точек, полосок или других цветных элементов, угловые размеры которых меньше угла, разрешаемого глазом. Могут быть два варианта пространственного сложения. Первый вариант, когда цвет смеси определяется соотношением площадей, занятых элементами каждого цвета постоянной интенсивности. Он, в частности, используется в полиграфии и на различного рода физкультурных мероприятиях, когда участники по команде поднимают один из трёх имеющихся у них флажков с соответствующим цветом R, G или В. Механизм такого сложения цветов объясняется ограниченной разрешающей способностью зрения в пространстве. Второй вариант, когда число и площадь разноцветных элементов одинаково, а результирующий цвет определяется интенсивностью (яркостью) элементов каждого цвета. Этот вариант используется при построении цветного кинескопа. Экран цветного кинескопа имеет мозаичную структуру, состоящую из маленьких точек – люминофоров разного химического состава и группирующихся тройками (триадами). При возбуждении люминофорных точек электронными лучами они светятся соответствующим красным, зеленым и синим цветом различной интенсивности. На практике получили распространение два типа кинескопов, отличающихся расположением разноцветных люминофоров: дельта-кинескоп (рисунок 4.2, а) и компланарный (рисунок 4.2, б).

а - дельтавидное расположение люминофоров;

б - компланарное расположение люминофоров;

Рисунок 4.2 - Структура люминофора

Синтез цветных иллюстраций в полиграфии основан на субтрактивном методе. Субтрактивный метод основан на вычитании из белого цвета спектральных составляющих при прохождении через избирательную поглощающую среду или несколько сред, расположенных последовательно на пути света. Поэтому цвет предмета определяется разностью между исходным белым и поглощенным цветом. Для получения широкой гаммы цветов применяют три основных субтрактивных светофильтра: голубой, желтый и пурпурный. Каждый фильтр поглощает цвет, дополнительный к пропускаемому, т.е. красный, синий и зеленый соответственно. Если на пути белого светового потока расположить два светофильтра с суммарными характеристиками спектрального пропускания, они выделяют основные R, G, B цвета из белого. Выделение отдельного цвета из белого можно осуществить с помощью субтрактивных фильтров, как показано на рисунке 4.3. Для получения цветной иллюстрации последовательно (слой за слоем) наносят соответствующее изображение (оригинал) голубой, желтой и пурпурной красками.

Рисунок 4.3 - Субтрактивный способ выделения основных цветов

11 Поскольку анализ цветного оригинала и синтез цветного изображения производится, как правило, с помощью разных основных цветов (например, R, G, B – цветофильтров на передаче и R, G, B – люминофоров на приеме), то требуется определенная коррекция (обычно в электрическом тракте, с цветоделёнными сигналами ,  и , см. далее подраздел 4.3). Она осуществляется на основе колориметрии - области науки о цвете и цветовых измерениях. В свою очередь, колориметрия базируется на экспериментах, в первую очередь на опытах по зрительному уравновешиванию измеряемого цвета с цветом, полученных сложением основных цветов. Суть опыта следует из рисунка 4.4, где на левую грань призмы, сделанной из непрозрачного белого материала, подаётся измеряемый цвет, а на правую грань - синтезированный цвет, полученный сложением в определённых пропорциях трёх основных цветов R, G и В.

Рисунок 4.4. - Схема опыта по уравновешиванию цветов

Из этих экспериментов следует:

1 Любой цвет  можно выразить в виде:

;                                      (4.1)

где  - единица (например, ватт) измеряемого и основного цвета;  - количество единиц (модулей) измеряемого и основного цветов.

Коэффициенты  называют координатами цвета  (в системе основных цветов).

2 Из уравнения 4.1 получим:

, а разделив на :

,                                                                (4.2)

где , , .

Коэффициенты  называют координатами цветности, так как они не зависят от количества (яркости) цвета.

Из уравнения 4.2 следует, что цветность, характеризуемая координатами , - величина двумерная, а не трехмерная, так как достаточно знать две координаты, чтобы определить третью из уравнения (4.2).

3 Если цвет  образован сложением (смешением) двух цветов  и , то его цветовые координаты равны сумме соответствующих координат смешиваемых цветов:

             (4.3)

4 Если проводить опыты для единичных  спектральных цветов , то можно получить зависимости , которые имеют вид, приведенный на рисунке 4.5, и соответствуют уравнению:

.

Рисунок 4.5. - Зависимости координат цветности от спектральных цветов.

По этим графикам можно найти координаты цветности любого спектрального цвета. Отрицательные значения r,g и b говорят о том, что измеряемый цвет можно уравнять только по схеме, приведенной на рисунке 4.4, б.

5 Цветовая разрешающая способность оценивается максимальным числом N различимых по цвету чередующихся серых и цветных полос, приходящихся на единицу длины. Оказалось, что для цвета G  оно примерно такое же, как для чёрно-белых полос (неокрашенных), для R - примерно в 4 раза, а для B - в 10 раз меньше. При дальнейшем уменьшении размера полос (увеличении их числа) глаз не отличает их по цвету, а только по яркости. Следовательно, в цвете есть смысл показывать только крупные элементы изображения (оригинала), а мелкие элементы показывать неокрашенными (учитывать только их яркость).

4.2 Совместимость систем черно-белого и цветного телевидения

Системы вещательного цветного телевидения (ЦТВ) должны обладать свойством совместимости с системами черно-белого ТВ. Суть его состоит в том, что:

– сигналы ЦТВ должны приниматься черно-белыми телевизорами, естественно, в черно-белом виде;

– цветные телевизоры должны без искажений принимать сигналы черно-белого ТВ тоже в черно-белом виде;

– возможно использовать существующую сеть передачи сигналов черно-белого ТВ (передатчики, аппаратуру кабельных, радиорелейных и спутниковых каналов связи) и для передачи сигналов ЦТВ.

Очевидно, что совместимость обеспечивается в том случае, если полный сигнал ЦТВ () содержит в себе сигнал черно-белого ТВ (так называемый сигнал яркости (), занимает такую же полосу частот , как и сигнал черно-белого ТВ, т. е. , а также содержит дополнительный сигнал цветности для создания цветного изображения на цветных телевизорах. Следовательно, . Очевидно, сигнал  должен передаваться в пределах полосы частот сигнала яркости , так как .

Сигнал цветности для черно-белых телевизоров является помехой. Поэтому при формировании  нужно применять методы, обеспечивающие минимальное его влияние на воспроизводимое черно-белое изображение. Частично это выполняется, если спектр сигнала цветности располагается в высокочастотной (ВЧ) области спектра сигнала яркости, так как ВЧ помехи менее заметны. Одним из признаков оптимальности формирования сигнала  является также равенство нулю сигнала цветности при передаче сюжетов, не содержащих цветных деталей.

4.3 Структурная схема кодирующего устройства совместимой системы ЦТВ, назначение и характеристики элементов схемы

Кодирующее устройство совместимой системы ЦТВ с трехтрубочной камерой типа R, G,B упрощенно имеет вид, представленный на рисунке 4.6.

Кодирующие устройства в системах ЦТВ содержат следующие блоки:

- цветоделительная оптика, создающая три изображения (O_R, O_B , O_G) одного итого же объекта в основных цветах передачи R, G, B;

- передающие трубки (ПТ), создающие электрические сигналы, соответствующие цветоделенным изображениям ();

- цветокорректирующая матрица (ЦКМ), которая создает новые корректированные сигналы (); эти сигналы будут воздействовать на люминофоры приемной трубки и возбуждать соответствующие им основные цвета приёмника;

- гамма корректоры (ГМК), которые корректируют нелинейность цветного кинескопа по каждому сигналу возбуждения  и  (см. раздел 3.3 и рисунок 3.5);

- кодирующая матрица – КМ, осуществляющая преобразование электрических сигналов из пространства координат R, G, B в пространство Y, U и V (V=R-Y, U=B-Y). Сигнал яркости равен:

;                                        (4.4)

Сумма коэффициентов при U_R, U_B  и U_G  равна 1 ( в соответствии с 4.2).

Здесь и далее для упрощения записи под сигналами ,  и  понимаются соответствующие цвето- и гамма-корректированные сигналы.

Цветоразностные сигналы равны:

;               (4.5)

;              (4.6)

По аналогии с (4.4 – 4.6) легко определить:

;                 (4.7)

;                              (4.8)

На основании (4.8) следует, что цветоразностный “зелёный” сигнал можно однозначно определить линейной комбинацией “красного” и “синего” цветоразностных сигналов. Отсюда следует общий вывод: любой цветоразностный сигнал можно получить линейной комбинацией двух других цветоразностных сигналов. Следовательно, нет необходимости в составе сигнала цветности  предавать все три цветоразностных сигнала, достаточно только два.

Переход к пространству Y,U и V хорош тем, что:

- обеспечивается совместимость с ЧБ ТВ (так как передается Y);

- не создаёт помех ЧБ изображению (для него автоматически U=V=0).

Действительно, при передаче неокрашенного изображения (белого, серого, чёрного) всегда . Но из уравнения 4.4 следует, что при этом , следовательно ; аналогично .

- при помощи линейных аналитических преобразований всегда можно вернуться от  к исходным цветам .

Комбинации R-Y и B-Y выбраны потому, что эти сигналы имеют гораздо меньшую полосу частот, чем G-Y (смотри материал по цветовой разрешающей способности). Следовательно, эти сигналы можно передавать в существенно более узкой полосе, чем яркостный сигнал. Соответственно сокращается полоса частот и сигнала цветности.

Как следует из рисунка 4.6, сигнал цветности  получают в результате процедуры модуляции некоторого высокочастотного сигнала двумя узкополосными (до 1,5 МГц) цветоразностными сигналами  и . Конкретное построение модулятора М (а на приёмной стороне - демодулятора ДМ) различно для разных систем ЦТВ.

Линия задержки (ЛЗ) на рисунке 4.6 введена, чтобы обеспечить совмещение во времени сигнала яркости и сигнала цветности (последний значительно запаздывает из-за фильтров нижних частот ФНЧ).

На практике обнаружено, что получение широкополосного сигнала  из трёх широкополосных сигналов  (такое построение называют камерный канал типа RGB) требует очень высокой точности совмещения трёх растров цветоделённых изображений. Для упрощения было предложено ограничить спектр сигналов R и B до 1,5МГц (то есть несколько размыть соответствующие им цветоделённые изображения), а сигнал яркости (он называется псевдояркостный) формировать так:

; (4.9)

где К - поправочный коэффициент (К≈2). Здесь использовано свойство высокой цветовой разрешающей способности зрения в зелёном цвете. Такое решение показано пунктирными линиями на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Структурная схема кодирующего устройства совместимой системы ЦТВ

4.4 Декодирующее устройство совместимой системы ЦТВ; способы разделения СЯ и СЦ

Существуют разные способы разделения сигнала яркости (СЯ) и сигнала цветности (СЦ), передаваемых в общей полосе частот, которые зависят от конкретной системы ЦТВ. На рисунке 4.7 разделение (частичное) осуществляется с помощью полосового (ПФ) и режекторного (РФ) фильтров. Этот способ в общем случае подходит для декодирующего устройства любой системы ЦТВ.

Режекторный фильтр РФ в канале СЯ осуществляет частичное подавление (рисунок 4.8, а) спектральных составляющих СЦ в области поднесущей частоты (при этом, однако, ослабляются и ВЧ составляющие СЯ), а полосовой фильтр ПФ выделяет спектр СЦ и ВЧ составляющие СЯ. В результате спектральные составляющие СЦ частично проходят в канал СЯ и, наоборот, ВЧ составляющие СЯ – в канал СЦ, т. е. возникают взаимные перекрестные помехи. Такое решение является наиболее простым и в то же время обоснованным ввиду сравнительно малых перекрестных помех яркость – цветность, так как уровень ВЧ составляющих в спектре СЯ во много раз меньше уровня НЧ составляющих, а именно в ВЧ области спектра СЯ передается СЦ. Уменьшению же перекрестных помех цветность – яркость способствует свойство самокомпенсации СЦ.

При приеме сигналов ЧБТВ режекторный фильтр в канале СЯ должен автоматически отключаться, чтобы не ухудшать четкость изображения, а канал цветности – закрываться.

Назначение линии задержки (ЛЗ) в канале СЯ то же, что и в кодирующем устройстве. Канал СЯ в цветном телевизоре содержит несколько каскадов, необходимых для согласования ЛЗ, усиления и матрицирования сигналов. Поэтому он строится на усилителях переменного тока, а в выходных усилителях осуществляется восстановление постоянной составляющей (ВПС), необходимое для правильной передачи градаций яркости цветного изображения.

Выделенный СЦ подается на демодулятор. На выходе демодулятора образуются сигналы – U_R-Y, и – U_B-Y, которые усиливаются и подаются на матрицу (М1) для формирования сигнала U_G-Y в соответствии с (4.8). Полученные сигнал яркости и три цветоразностных сигнала можно подавать на кинескоп или непосредственно, или после преобразования в сигналы основных цветов.

В современных цветных телевизорах, выполненных на интегральных схемах и транзисторах, модуляция лучей кинескопа осуществляется сигналами основных цветов, которые образуются во второй матрице (М2) путем сложения сигналов яркости и цветоразностных. Выражение для одного из сигналов основных цветов, предназначенного, например, для модуляции луча «красной» пушки кинескопа, будет иметь вид:

;  (4.10)

В первых скобках записано выражение для цветоразностного сигнала; индексы НЧ означают, что это низкочастотные составляющие, полоса которых 0-1,5 МГц; во вторых скобках – сигнал яркости, представленный в виде суммы НЧ и ВЧ составляющих (0-1,5 МГц и 1,5-6 МГц). Аналогично записываются выражения для сигналов U_G.КИН и U_В.КИН. Как уже говорилось ранее (см. рисунок 4.6) сигналы основных цветов (4.10) являются цвето- и гамма-корректированными.

Ещё посмотрите лекцию "3 Метод Монте-Карло и имитационное моделирование" по этой теме.

Рисунок 4.7 – Структурная схема декодирующего устройства совместимой системы ЦТВ

Полученные таким образом сигналы усиливаются широкополосными усилителями до необходимого уровня и в негативной полярности подаются на катоды цветного кинескопа (если в позитивной, то на модуляторы). Поэтому три луча кинескопа модулируются сигналами основных цветов, которые полностью передают всю информацию (яркость и цветность) о цветном изображении, но в узкой полосе частот (крупные детали), т. е. так, как это и было заложено в кодирующем устройстве, с учетом свойств зрения. Мелкие же детали, цвет которых в обычных условиях не различается, воспроизводятся сигналом яркости ЧБ: из выражения (4.10) видно, что, кроме узкополосных сигналов основных цветов, каждый луч модулируется и ВЧ составляющими канала яркости. На рисунке 4.8, в показаны спектры S компонентов выражения (4.10).

Рисунок 4.8 – Спектры сигналов в сечениях Г и Е структурной схемы,

приведенной на рисунке 4.2