Формирование цветного телевизионного сигнала

Рассмотренные выше методы и устройства формирования телевизионного сигнала – оптико-электронного преобразования, относились к формированию так называемого яркостного сигнала – телевизионного сигнала черно-белого телевидения, в котором визуальная информация передается только яркостными (но не цветовыми) параметрами изображения. Теперь рассмотрим, как формируется телевизионный сигнал при передаче цветного изображения.

 

В соответствии с теорией трехкомпонентного зрения Ломоносова-Гельмгольца любое цветное изображение может быть синтезировано из трех основных независимых цветов, например – из красного ®, зеленого (G) и синего (B). Именно на этом принципе базируется формирование, передача и отображение цветных изображений – разложить цветное изображение на три независимых цветовых компоненты, передать эти компоненты, и, на приемной стороне синтезировать из трех отдельных компонент цветное изображение.

 

Разложение цветного изображения на основные цвета и его синтез по этим цветам может выполняться разными способами. Первый – последовательный способ – Рис. 3.17

 

Рис. 3.17 Схема последовательного способа передачи и воспроизведения основных цветов.

Этот способ передачи базируется на инерционности зрительной системы человека - способности зрительного аппарата воспринимать чередующиеся во времени цвета как их сумму при достаточно высокой скорости чередования. Система работает следующим образом. Цветное изображение передаваемого объекта при помощи объектива проецируется на светочувствительную мишень телевизионной трубки (иконоскопа, видикона и т.п.) последовательно в трех цветах – красном, зеленом и синем. Для разложения светового потока на основные цвета используется вращающийся диск со светофильтрами, установленный между объективом и передающей трубкой. На приемной стороне зритель также видит изображение на экране приемной электронно-лучевой трубки через вращающиеся светофильтры. При этом оба диска должны вращаться абсолютно синхронно, тогда цветопередача будет правильной. Таким образом, наблюдатель видит телевизионное изображение в трех разных цветах. Но благодаря инерционности зрения возникает впечатление слитного цветного изображения. Для того чтобы не возникало мелькания цветов, за время передачи одного цветного кадра нужно передать фактически три независимых цветовых кадра, в связи с этим в такой системе количество передаваемых элементов изображения фактически возрастает в три раза. Соответственно, нужно в три раза увеличивать пропускную способность канала связи. Кроме этого, применение механических дисков со светофильтрами – не совсем современное решение. Поэтому такой способ передачи цветного изображения использовался только в самых первых цветных телевизорах.

 

Одновременный способ передачи цветов требует в общем случае использования трех передающих и трех приемных электронно-лучевых трубок – Рис. 3.18

 

Рис. 3.18 Одновременный способ передачи цветовых компонент изображения

 

Разложение светового потока на независимые цвета в этой системе может выполняться как непосредственно светофильтрами, устанавливаемыми на каждую передающую трубку, так и с помощью специальных светоделительных (дихротических) зеркал, отражающих и пропускающих только отдельные цвета – Рис. 3.18. Этот способ передачи цветного изображения требует очень точного оптического и электрического совмещения растров передающих и приемных трубок, иначе возникают искажения цветов. В современных системах цветного телевидения передача осуществляется именно параллельным способом, но отображение цветного изображения производится одним электронно-оптическим преобразователем, совмещающим в себе все три одноцветных трубки Рис. 3.18.

При использовании в качестве преобразователя свет-ток ПЗС-матрицы также существует несколько способов формирования цветового телевизионного сигнала. Все они основаны на различных способах разложения полноцветного изображения на несколько изображений основных цветов. Наибольшую популярность получили методы с интерполяцией цвета.

В их основе лежит следующий принцип: каждый элемент светочувствительной матрицы благодаря светофильтру регистрирует яркость только одного из основных цветов (например – R, G и B). А полноцветное изображение получается путем суммирования изображений этих основных цветов.

Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) будут просто поглощаться фильтром - Рис. 3.19.

 

Рис. 3.19. Разложение полноцветного изображения

на три основных цвета

Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера. Эта технология была изобретена в 70-х годах, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными - Рис.3.20.

 

 

 

 

Рис. 3.20 Схема Байера

Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза – он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру (вертикально или горизонтально).

Соответственно, полнокадровая цветная ПЗС-матрица содержит три вертикальных полнокадровых сдвиговых регистра для переноса заряда всех элементарных ячеек R, G и B, а также три горизонтальных сдвиговых регистра для вывода строк цветовых компонент R, G и B.  Точно так же утраивается  число буферных регистров для матриц с буферизацией кадра или столбцов. Таким образом, к примеру, ПЗС-матрица с разрешением 1000х800 пикселей будет содержать на одном кристалле около 2.500.000 активных (светочувствительных) ПЗС-ячеек, и, как минимум, еще столько же ячеек переноса заряда. А если это ПЗС-матрица с буферизацией, то число элементов, еще удвоится.

В результате, на выходе цветной ПЗС-матрицы мы получаем три компоненты – R, G и B, цветноготелевизионноговидеосигнала.