11.3. Основные принципы построения систем цветного телевидения

Система цветного телевидения (ЦТ) намного сложнее обычной черно-белой, так как для получения цветного изображения необходимо '' передать информацию не только о распределении яркости на объекте, но и информацию о его цвете. Получение цветного ТВ изображения основано на смешении цветов. Вопросами смешения и измерения цветов занимается наука колориметрия. Основной задачей колориметрии является определение количественных соотношений между смешиваемыми цветами и сложным цветом, полученным в результате смешения.

Важнейшей задачей колориметрии является возможность получения любого цвета посредством смешения всего лишь трех спектральных цве­тов. Для этого необходимо отобрать такие три цвета, чтобы при смешении любых двух из них не получался третий. Эти три цвета называ­ются взаимонезависимыми. К ним относится красный ( R ), зеленый ( G ) и синий (В) цвета, называемые основными. Смешивая их в различ­ных пропорциях можно получить любой цвет, в том числе и белый.

В основе построения систем ЦТ лежат следующие физические процессы :

• оптическое разложение многоцветного изображения на три одноцветных изображения в основных цветах: красном (R), зеленом (G) и синем (В);

• преобразование трех одноцветных изображений в три электрических сигнала ( );

• передача трех электрических сигналов изображения по линиям связи;

• обратное преобразование электрических сигналов в три одноцветных оптических изображения - красного, зеленого и синего цветов;

• оптическое сложение трех одноцветных изображений в одного многоцветное.

При разработке систем ЦТ необходимо предусмотреть возможность приема сигналов цветного изображения существующими черно-белыми телевизорами без каких-либо их переделок, и, наоборот, возможность приема сигналов черно-белого изображения цветными телевизорами в черно-белом изображении. Другими словами необходимо обеспечить сов­местимость системы ЦТ с системой черно-белого телевидения (ЧБТ).

Учитывая сказанное, сформулируем следующие три условия совмес­тимости.

1. Параметры системы ЦТ (число строк, частота кадровой развертки, полоса частот видеосигнала, разное между несущими изображение и звука и др.) должны быть аналогичны параметрам системы ЧБТ.

2. Полный ТВ сигнал системы ЦТ должен содержать все элементы полного ТВ сигнала системы ЧБТ.

3. Элементы полного цветового ТВ сигнала не должны создавать заметных помех на экране ЧБ телевизоров при приеме цветных передач.

Рассмотрим пути выполнения условий совместимости в процессе формирования сигнала системы ЦТ и передачи его в стандартной полосе частот, выделяемой для системы ЧБТ.

Рис. 11.6. Кривая спектральной чувствительности глаза.

Рис. 11.6.1 Расположение цветов внутри локуса.

11.4. Формирование сигнала цт

Для обеспечения принципа совместимости необходимо, чтобы передатчик системы ЦТ, кроме сигналов, передающих информацию о цвете, излучал также сигнал, соответствующий черно-белому изображению. Этот сигнал назвали сигналом яркости. Сигнал яркости может быть получен сложением всех трех сигналов основных цветов R , G и B . Однако вследствие неодинаковой чувствительности глаза к различным цветам три напряжения ( ), входящие в сигнал яркости не должны быть равны между собой. Кривая спектральной чувствительности человеческого зрения (рис. 11.6) показывает, что глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, менее к красному и еще менее к синему.

Это означает, что при одинаковых мощностях цветовых потоков, попадающих в глаз, зеленый поток будет казаться наиболее ярким по сравнению с красным и синим. Для верной передачи яркости объекта нужно учитывать свойства человеческого зрения. Хотя картина и не будет цветной на черно-белом телевизоре яркость зеленых мест должна быть больше яркости красных и синих мест, в противном случае на экране черно-белого приемника цветные полосы по яркости нельзя будет различить. Экспериментально установлено, что при выбранных трех основных цветах относительное содержание красной, зеленой и синей составляющих в яркостном сигнале должно быть

, (11.7)

т.е. яркостный сигнал белых частей изображения содержит 30% красного, 59% зеленого и 11% синего сигналов.

Таким образом, для передачи информации о любом цвете необходи­мо передать три сигнала: яркостный сигнал , соответствующий сигналу ЧБТ, и два других сигнала, например, и , так как сигнал может быть получен из при известных и .

В процессе разработки системы ЦТ были проведены многочисленные исследования с целью определения минимальных размеров окрашенных деталей, цвет которых различается нормальным человеческим глазом. В результате этих исследований установлено:

• трехкомпонентная теория цветового зрения справедлива лишь в тех случаях, когда на телевизионном экране наблюдаются объекты больших размеров, воспроизводимых видеочастотами в пределах от 0 до 0,5 МГц;

• для объектов средних размеров, воспроизводящих видеочастотами от 0,5 до 1,5 МГц, необходимы только три цвета – зелёный, жёлтый и голубой. Детали синего цвета в этом диапазоне частот теряют свою окраску и не отличаются от серого цвета;

• при наблюдении мелких деталей, воспроизводимых видеочастотами от 1,5 до 6,5 МГц, все наблюдатели различали их только по яркости.

Действительно, многочисленные опыты показали, что с уменьшением размеров наблюдаемых цветных деталей их видимая цветовая насыщенность становится меньше. Это явление иллюстрируется графиком примерной зависимости видимой насыщенности от условных размеров деталей и их цвета (рис. 11.6.2).

Рис. 11.6.2 График зависимости видимой насыщенности от размеров деталей и их цветов

Из этого графика видно следующее. При уменьшении размеров насыщенных синих деталей (с черными промежутками) их видимая насыщенность быстро падает и при практически становится равной нулю. Это значит, что при этих частотах мелкие синие детали кажутся светло-серыми на темном фоне. Красные детали дольше сохраняют цветность и только при размерах, соответствующих , также кажутся бесцветными. Зеленые мелкие детали сохраняют видимую цветность практически до верхней границы телевизионного спектра. Подобное явление потери цветного зрения на мелких деталях связано с различной спектральной чувствительностью глаза (см. рис. 11.6) наибольшей в зеленом цвете, средней в красном и малой в синем. Следует отметить также, что, кроме потери видимой насыщенности, мелкие цветные детали теряют свою различимость. Так, синие детали с условными размерами выше 0,6—0,8 МГц сливаются в сплошной серый фон. Красные детали видны как отдельные (в бесцветном виде) до 1,6—1,8 МГц. И только для зеленых деталей разрешающая способность глаза максимальна.

Из сказанного следует, что для передачи информации о цвете полоса видеочастот шириной 6,5 МГц вовсе не является необходимой. Достаточно, чтобы полоса частот сигналов цветности составляла всего 1,5 МГц. При этом полоса частот яркостного сигнала должна составлять не менее 6,5 МГц, что позволит путем некоторых преобразований сигналы цветности передавать в пределах частотного спектра яркостного сигнала.

Каким же образом можно передать информацию о цвете в общем спектре частот яркостного сигнала, чтобы выполнялись условия совместимости.

Возможность такой передачи обусловлены самой природой телевизионного сигнала, Еще в 1934 году американские ученые П. Мерц и Ф. Грей обнаружили, что энергия яркостного сигнала в основном сосредоточена в его низкочастотной области и группируется вокруг гармонии строчной частоты (рис. 11.7). Фактически часть спектра между гармониками строчной частоты не заполнена энергией и остается свободной и может быть использована для передачи сигналов цветности.

Размещение составляющих спектра одного видеосигнала в незаполненных участках другого называется частотным перемежением спектров. Такой принцип уплотнения спектра осуществляется с помощью модулированной поднесущей частота которой должна быть нечетной гармоникой половины строчной частоты, то есть

, (11.8)

где n - целое число.

Рис. 11.7. Принцип частотного перемежения спектров

Рис. 11.8. График, поясняющий способ снижения заметности помех от цветовой поднесущей.

При таком выборе частоты она окажется точно посередине между соседними гармониками . Следовательно, можно сказать, что оба сигнала занимают одну и ту же полосу частот, причем модулированная поднесущая для ослабления ее заметности на экране черно-белого телевизора помещается в высокочастотный участок спектра яркостного сигнала.

Рассмотрим, почему колебания частоты и ее гармоники не создают заметных помех на экране черно-белого телевизора при приеме цветных передач. Действительно цветовая поднесущая вызовет на черно-белом изображении появление помех в виде мелкой структурной сетки. Поскольку f является нечетной гармоникой половины строчной частоты, то вдоль строки укладывается нечетное число полуволн поднесущей (рис. 11.8). При развертке следующей строки произойдет изменение фазы колебания на 180°. Кроме того, полярность поднесущей в каждой строке будет дополнительно к этому изменяться на 180° от кадра к кадру. Следовательно положительные полуволны этого колебания, соответствующие белому цвету в первом кадре, заменяются отрицательными, соответствующими черному во втором кадре. Глаз наблюдателя будет усреднять во времени эти противофазные изменения яркости в каждой строке, в результате чего помеха на экране кинескопа становится малозаметной.

В системах ЦТ практически передаются не сами сигналы и , а так называемые цветоразностные сигналы и . Они формируются в специальных матричных схемах путем вычитания из сигналов и сигнала .

(11.9)

Цветоразностные сигналы несут информацию только о цветности (цветовом тоне и насыщенности). Применение цветоразностных сигналов (ЦРС) вместо сигналов и позволяет уменьшить заметность создаваемых ими помех на изображении. Так при передаче белых и серых участков изображения ЦРС равны нулю. При передаче цветов слабой насыщенности эти сигналы практически очень незначительны и их мешающее действие проявляется на экране кинескопа менее заметно. Благодаря передаче ЦРС существен­но сокращается объем информации, требуемый для передачи сигналов цветного телевизионного изображения, соответственно упрощается и сама аппаратура, улучшается совместимость систем.