9.3 Передача цветных изображений
Системы цветного телевидения строят таким образом, чтобы они были совместимы с появившимися ранее системами черно-белого телевидения. Это означает, что передача сигналов цветного телевидения осуществляется на тех же каналах и в той же полосе частот, что и передачи черно-белого телевидения. Основные характеристики черно-белого телевидения соответствуют аналогичным показателям цветного телевидения.
Передача цветных изображений в фотографии, кино, на телевидении основана на теории трехкомпонентного цветового зрения. Согласно этой теории ощущение любого цвета может быть получено при смешивании в определенной пропорции трех сигналов с различными длинами волн (трех разных цветов). В качестве опорных сигналов (цветов) выбирают такие, которые при смешивании двух цветов в любых пропорциях не дают ощущения третьего цвета. Международными соглашениями рекомендуется в качестве опорных сигналов использовать монохроматические оптические сигналы с длинами волн, соответствующими красному (λR = 700 нм), зеленому (λG = 546,1 нм) и синему (λВ = 435,8 нм) цветам. Выбор таких волн определяется как их линейной независимостью, так и доступностью формирования на имеющемся оборудовании.
Для получения сигналов основных цветов в оптико-электронных преобразователях изображения в электрический сигнал световой поток с помощью цветоразделительных зеркал или светофильтров разделяют на три составляющие с определенным спектральным составом. При обратном преобразовании каждого из сигналов получают одно из трех цветоделенных изображений. При пространственном совмещении этих монохроматических изображений восстанавливается цветное изображение объекта.
Совместимость систем черно-белого и цветного телевидения основана на том, что система цветного телевидения должна использовать такой сигнал, который на экране черно-белого телевизора давал бы черно-белое изображение. Это означает, что в системах цветного телевидения в качестве опорного должен быть использован сигнал яркости, а дополнительные сигналы обеспечивали бы передачу цветности.
Сигнал яркости EY (белый цвет) может быть получен смешиванием сигналов трех основных цветов в определенных пропорциях
где ЕR, ЕG и ЕВ — опорные сигналы основных цветов, соответственно, красного, зеленого и синего; a, b, c — коэффициенты, определяемые чувствительностью глаза к соответствующим цветам.
При формировании белого цвета обычно полагают, что источники основных цветов обеспечивают одинаковую интенсивность основных сигналов ЕR = ЕG = ЕВ. В различных стандартах цветного телевидения коэффициенты a, b, c принимают различные значения, например, в отечественном стандарте они приняты равными: a = 0,299, b = 0,587, c = 0,114.
Оптико-электронный преобразователь можно представить в виде трех фотоэлектронных преобразователей, одновременно формирующих сигналы трех основных цветов для каждого элемента разложения. Конструктивно три преобразователя, формирующие сигналы красного, зеленого и синего цветов, объединены в единый узел. В следующий момент времени передаются сигналы основных цветов соседнего элемента разложения и т.д. Схема формирования сигнала яркости из трех цветовых сигналов яркости приведена на рисунке 9.6,а. Выбором сопротивлений резисторов обеспечивается необходимый коэффициент передачи каждого из резистивных делителей в соответствии с выражением (9.1).
Для передачи цветных изображений кроме сигнала яркости передают сигналы цветности. Для получения сигнала о цвете достаточно передать лишь два цветовых сигнала. Сигнал третьего цвета может быть восстановлен в приемнике из сигнала яркости и сигналов двух других основных цветов. Такой способ обладает некоторой избыточностью, так как в сигнале каждого из цветов содержится также и информация о яркости.
В системах цветного телевидения более эффективным оказывается вместо сигналов двух цветов передавать так называемые цветоразностные сигналы, например:
Эти сигналы не несут информации о яркости и при передаче участков белого или серого цветоразностные сигналы равны нулю (при ЕR = ЕG = ЕВ). Формирование цветоразностного сигнала может быть обеспечено матрицей сопротивлений, приведенной на рисунке 9.6,б.
Рис. 9.6 Формирование сигналов цветного телевидения: а) сигнала яркости; б) цветоразностного сигнала
При передаче сигналов яркости ЕY и двух цветоразностных сигналов, к искажениям тонов которых глаз наименее чувствителен: ER-Y и EB-Y, в приемнике могут быть получены сигналы всех основных цветов:
где коэффициенты a, b, c выбраны в соответствии с выражением (9.1).
С учетом свойств зрения спектр цветоразностных сигналов может использовать меньшую полосу частот, чем спектр яркостного сигнала. При уменьшении угловых размеров рассматриваемых деталей менее 10′ зрение от цветового переходит в монохроматическое. Без заметного ухудшения качества цветного изображения полоса спектра цветоразностных сигналов может быть уменьшена до 1,5…2,0 МГц, при этом самые мелкие детали изображения будут воспроизводиться в черно-белых тонах.
В системе цветного телевидения, в общем случае, требуются дополнительные меры для передачи сигналов цветности в пределах стандартного телевизионного канала черно-белого изображения. В различных стандартах вещательного телевидения задача уплотнения спектра решается разными способами. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие системы цветного телевидения: NTSC (США), PAL (Германия), SECAM (Франция). В России используется французский стандарт цветного телевизионного вещания. Современные поколения телевизионных приемников позволяют получать цветные передачи различных стандартов.
Приемники цветного телевидения имеют такие же каналы изображения (яркости) и звука, как и у телевизоров черно-белого изображения. Дополнительно для обработки сигналов цветного телевидения в приемнике имеется декодирующее устройство (блок цветности), обеспечивающее декодирование принятых сигналов. Полученные в результате декодирования сигналы используются для получения цветного изображения на экране электронно-оптического преобразователя.
Одним из направлений развития телевидения является совершенствование систем, обеспечивающих высокую четкость изображения. В телевизионных системах высокой четкости изображение формируется увеличенным количеством элементов разложения, выбран более предпочтительный для пользователей формат кадра (отношение ширины экрана к его высоте) 16:9 (стандартное вещательное телевидение использует соотношение 4:3).
Самым перспективным направлением телевизионного вещания, пожалуй, является цифровое телевидение. Цифровые технологии обработки сигналов успешно применяются во всех областях связи. Особенность телевизионных сигналов, до недавнего времени тормозившая внедрение цифровых технологий, заключается в их относительно широком спектре (сигнал яркости занимает полосу 6 МГц, сигналы цветности — 1,5…2,0 МГц). Непосредственное преобразование таких широкополосных сигналов в цифровой формат приводит к существенному расширению спектра. Такой «обмен» улучшения качества сигналов за счет расширения требуемой полосы частот, занимаемой сигналом, характерен для цифровых систем связи.
Расчеты показывают, что для передачи оцифрованного телевизионного сигнала требуется канал с полосой пропускания более 100 МГц. Поэтому важнейшей задачей при разработке систем цифрового телевидения является решение проблемы сжатия информации при обработке видеосигналов. Современные системы сжатия информации позволяют таким образом закодировать видеоизображение, что ширина спектра оцифрованного сигнала становится соизмеримой или даже меньше ширины спектра аналогового телевизионного сигнала.
Кроме того, цифровые методы передачи и распределения сигналов позволяют организовать интерактивный (двухсторонний) обмен информации с пользователем программ телевизионного вещания. В этом случае организуется узкополосный канал обратной связи, позволяющий выбирать и получать дополнительные услуги цифрового телевидения.
Источник
Простейшие способы передачи цветных изображении
В соответствии с трехкомпонентной теорией цвета (п. 1.3) для осуществления цветной телевизионной передачи изображение передаваемого объекта нужно разделить на три цветовые составляющие, передать каждую из них на приемное устройство и там синтезировать цветное изображение. Тривиальное решение задачи сводится к использованию трех параллельно работающих монохромных каналов, по которым передается красная R, зеленая G и синяя В составляющие изображения (рис. 5.1). Формируются цветоделенные изображения с помощью трех телевизионных камер, снабженных соответственно красным, зеленым и синим светофильтрами. В приемнике цветное изображение синтезируется посредством совмещения на экране трех цветоделенных изображений. В рассмотренной системе реализуется принцип одновременной передачи трех цветовых составляющих изображения. Полоса частот, занимаемая такой системой, в три раза превышает полосу элементарного монохромного канала.
Поскольку зрительный аппарат допускает не только одновременное, но и последовательное смешение цветов, то возможна система цветного телевидения и с последовательным смешением цветов (рис. 5.2). Два диска со светофильтрами, согласованно (синхронно и синфазно) вращающиеся перед телекамерой и кинескопом приемника, обеспечивают последовательное разложение передаваемого изображения на цветовые составляющие в передатчике и синтез из этих составляющих цветного изображения в приемнике. Вторая система кажется проще и экономичнее первой благодаря использованию только одного канала связи. Однако полоса пропускания этого канала должна быть такой же, как суммарная полоса в трехканальной системе, поскольку каждый полный кадр изображения в последовательной системе формируется из трех кадров. Время передачи одного полного кадра регламентировано отсутствием мельканий. Поэтому для передачи за это время, трех цветоделенных изображений частоту кадровой развертки нужно увеличить в три раза. Согласно (3.20) это приведет к расширению полосы частот, занимаемой телевизионным сигналом, в три раза по сравнению с элементарной монохромной системой.
Выбор системы цветного телевидения для вещания
Цветное телевидение начало развиваться в то время, когда уже были широко распространены системы монохромного телевидения. Поэтому при разработке цветной телевизионной системы для вещания необходимо было удовлетворить условиям двойной совместимости, согласно которым должна обеспечиваться возможность приема программ цветного телевидения монохромными телевизорами (в черно-белом варианте), а программ монохромного телевидения — цветными телевизорами (также в черно-белом варианте).
Метод последовательной передачи цветов (рис. 5.2), несмотря на кажущуюся простоту, не удовлетворяет условиям совместимости, поскольку частоты строчной и кадровой разверток должны быть в три раза выше, чем в системе монохромного телевидения. Это исключает возможность использования существующего парка монохромных телевизоров для приема цветных программ. Система с одновременным сложением цветов (рис. см. 5.1) также малопригодна, хотя каждый из каналов этой системы по параметрам идентичен каналу монохромной системы. На какой канал настраивать монохромный телевизор? Ведь ни в красном, ни в зеленом ни в синем каналах не передается информация об истинном распределении яркостей в изображении. Следовательно, в совместной системе должна передаваться информация о яркостной составляющей изображения.
В системах цветного телевидения в качестве опорного равносигнального цвета в камере выбран стандартный источник белого С , так как он больше соответствует условиям реального освещения. Следовательно, для цветности С должно удовлетворять условие
Яркостное уравнение для источника С (см. пример 5 на с. 33) имеет вид
Из четырех величин, входящих в (5.2), необходимо передать только три — яркостный сигнал EY и два сигнала основных цветов, например ER и EB , В приемнике сигнал EG восстанавливается. Функциональная схема, реализующая этот способ (рис. 5.3), отличается от схемы рис. 5.1 наличием двух матричных преобразователей Ml и М 2 .
В исходной схеме (рис. 5.1) полоса частот, занимается цветной программой, в три раза превышала полосу частот монохромной системы. В преобразованной схеме хотя и сохранились три канала, но каналы стали неравнозначными. Как известно (п. 1.2), в мелких деталях глаз цвета не различает; они как бы выцветают и различаются только по яркости. С учетом этой особенности зрения полную полосу частот целесообразно сохранить только для яркостного канала, а сигналы основных цветов передавать в сокращенной (примерно в 4 раза) полосе частот. Тогда система, построенная по схеме рис. 5.3, позволит сократить спектр частот телевизионного сигнала по сравнению с исходной схемой в 2 раза за счет уменьшения психовизуальной избыточности телевизионного сообщения.
В системе монохромного телевидения имеется и статистическая избыточность, что проявляется, например, в дискретности частотного спектра телевизионного сигнала (рис. 3.4), имеющего глубокие провалы в области частот, кратных нечетному числу полупериодов строчной частоты. Рациональное кодирование телевизионного сигнала позволяет уплотнить спектр и передавать цветовую информацию вместе с яркостным сигналом в одном канале, отведенном для монохромного телевидения. Сущность этого кодирования сводится к образованию перемежающихся спектров яркостного и цветовых сигналов. Для этого цветовые сигналы передаются на цветовой поднесущей, частота которой f ц.п выбирается из условия
т. е. кратной нечетному числу полупериодов строчной частоты fc . При этом спектр модулированной цветовой поднесущей оказывается вложенным в спектр яркостного сигнала (рис. 5.4). Итак, перемежение спектров осуществить сравнительно легко, сложнее разделить сигналы в приемнике. Конечно, можно воспользоваться двумя гребенчатыми фильтрами, один из которых настраивается на спектр яркостного сигнала, а другой — на спектр цветовых сигналов. Однако для широковещательных приемников это дорого. В связи с этим операция фильтрации возлагается на зрительный аппарат человека.
Если цветовая поднесущая выбрана в соответствии с критерием (5.3), то на интервале одной, например первой, строки укладывается целое число периодов цветовой поднесущей и еще половина периода (рис. 5.5). Поэтому в следующей нечетной строке, фаза сигнала изменится на противоположную (красные кривые) и так далее от строки к строке. В результате яркостной модуляции под действием цветовой поднесущей на экране телевизора возникает сетка темных и светлых штрихов, расположенных в шахматном порядке.
Поскольку в кадре содержится нечетное число строк, при передаче следующего кадра полярность сигнала в соответствующих строках изменится на противоположную (синие кривые). Глаз вследствие инерционности зрительного аппарата будет усреднять эту картину. Таким образом, за счет компенсации от строки к строке и от кадра к кадру сигнал цветовой поднесущей на экране телевизора будет мало заметен, причем тем меньше, чем мельче структура сетки. Следовательно, удовлетворяя условию (5.3), необходимо цветовую поднесущую выбирать возможно выше (больше к). Поэтому спектр сигнала цветовой поднесущей располагают так, чтобы он примыкал к верхней границе спектра яркостного сигнала.
Возможен и другой путь выбора частоты сигнала цветовой поднесущей. Чтобы добиться компенсации цветовой поднесущей на экране телевизора, не обязательно выполнять условие (5.3). Такой же эффект можно получить, если осуществить фиксацию фазы произвольно выбранной цветовой поднесущей в начале строки и от строки к строке поворачивать ее на 180°. Все совместимые системы цветного телевидения (НТСЦ, СЕКАМ, ПАЛ) используют принцип частотного перемежения, но различаются по способу передачи в яркостном канале двух цветовых сигналов.
Источник
