Глава 11. Цветное телевидение

11.1. Развитие цветного телевидения

Одной из основных задач современной техники телевидения является развитие цветного телевизионного вещания. Существует три основных разновидности вещательных систем цветного телевидения: американская система NTSC (National Television System Committee — Национальный комитет телевизионных систем), система SECAM (Sequence de Couleurs Avec Memoire — последовательная передача цветов с запоминанием), PAL (Phase Alternation Line — изменение фазы от строки к строке).

Наши научные учреждения внесли существенный вклад в теорию и практику цветного телевидения. В течение ряда лет в Москве проводились регулярные испытательные передачи цветного телевидения как по системе поочередного, так и по системе одновременного сложения цветов. Советские ученые и инженеры разработали несколько вариантов систем цветного телевидения, в том числе отечественную систему НИИР, получившую позднее условное наименование SECAM-IV. Эти теоретические и экспериментальные работы выполнялись в творческом содружестве советских и французских специалистов. С 1 октября 1967 г. одновременно в СССР и Франции началось регулярное цветное телевизионное вещание по системе SECAM. Кроме Франции и СССР, эта система сейчас принята для вещания в ГДР, ЧССР, Болгарии, Венгрии, странах Северной Африки.

Система цветного телевидения NTSC (и ее разновидность PAL) находит свое распространение в США, Японии, Канаде, ФРГ, Англии и др. Все три системы цветного телевидения — NTSC, SECAM и PAL — имеют многие совершенно идентичные узлы аппаратуры как на передающем, так и на приемном концах тракта. Способы преобразования светового изображения в электрический сигнал, выходные устройства в цветном телевизоре одинаковы для всех систем.

Существенная «и принципиальная разница в устройстве систем цветного телевидения заключается в способах передачи информации от передающей камеры к приемнику.

11.2. Основные сведения из колориметрии [7]

Техника цветного телевидения значительно сложнее, чем черно-белого. Однако существенные преимущества цветного изображения оправдывают это усложнение. Такими преимуществами является несравненно большие выразительность, естественность, определенность и отчетливость цветного изображения, чем черно-белого. Для многих передач цвет является совершенно необходимым компонентом. К ним относятся, например, рассказы о жизни и творчестве мастеров кисти, путешествия по живописным местам передачи праздничных торжеств, спортивных праздников и т. п. Следует также отметить, что во многих промышленных телевизионных установках, используемых в медицине, металлургии, на транспорте, наличие цвета в изображении совершенно необходимо.

Окружающая нас природа наполнена обширной палитрой цветовых оттенков. Установлено, что нормальное человеческое зрение различает до 180 цветовых тонов. Таким образом, может сложиться мнение, что для передачи всей гаммы цветовых тонов нужно иметь канал связи, обладающий в 180 раз большей пропускной способностью, чем обычный черно-белый канал. Однако это не так. Замечательное свойство глаза — трехцветное зрение — позволяет обходиться только трехкратным увеличением пропускной способности цветного канала по сравнению с черно-белым (применение специальных технических мер, которые рассматриваются дальше, дает возможность еще больше сократить необходимую пропускную способность).

Идея теории трехкомпонентного цветового зрения, лежащей в основе колориметрии современного цветного телевидения впервые была высказана М.В.Ломоносовым еще в 1756г. Затем, спустя 150 лет эту теорию обстоятельно развил Г.Гельмгольц. Согласно этой теории в сетчатой оболочке глаза, кроме палочек, высокочувствительных к свету и совершенно нечувствительных к цвету имеется три типа колбочек, обладающих различной спектральной чувствительностью. Воздействие света на колбочки одного типа дает ощущение красного цвета, возбуждение колбочек другого типа — зеленого и третьего — синего цвета. Красный (R), зеленый (G) и синий (В) называются основными цветами. Все остальные цвета можно получить в результате одновременного воздействия на сетчатку глаза световых колебании трех основных цветов, взятых в определенных пропорциях.

Зависимость чувствительности глаза от длины волны световых колебаний для трех типов колбочек, полученная экспериментально советским исследователем Н. Т. Федоровым, показана на рис. 11.1. Площади под кривыми R, G и В равны. Это соответствует допущению, что при одинаковом возбуждении колбочек всех трех типов

в глазу возникает ощущение белого цвета. Основные цвета R, G и B являются также взаимонезависимыми; это означает, что ни один из них не может быть получен путем смешения двух других. Опыты по сложению (смешению) цветов удобно производить с помощью призмы П, имеющей белые матовые грани А и Б (рис. 11.2 а). На одну из граней поступает исследуемый поток Ф, на другую — цветовые компоненты R, G и В. Регулируя величину этих компонент, можно добиться на глаз равенства, как по яркости, так и по цвету обеих граней призмы. В этом случае выполняется как по количеству, так и по качеству основное колориметрическое уравнение:

В этом уравнении R, G и В являются единицами электромагнитной мощности (например, 1 Вт) основных источников света— красного, зеленого и синего. Коэффициенты r^/, g^/ и b^/ показываю­щие, какое количество единиц R, G и В необходимо взять, чтобы в сумме по яркости и цветности получить заданный световой поток Ф, называются компонентами потока Ф. Поток Ф можно также представить в виде произведения единичной мощности F (например, одного ватта) и коэффициента f^/, показывающего количество этих единиц в потоке Ф.

В целях полной определенности за основные цвета для измерительных целей приняты следующие монохроматические излучения:

Такая группа основных цветов определяет общепринятую колори­метрическую систему RGB. В указанной системе RGB для некоторых цветов не удается получить качественное и количественное равенство при любом соотношении величин трех основных цветов. В этом случае может понадобиться перенос одного из компонентов с правой стороны призмы на левую. На рис. 11.2 б показан пример, в котором насыщенный зелено-синий поток неидентичен никаким сочетаниям трех основных цветов. При переносе красного компонента с правой грани на левую можно, не меняя количества и качества потока Ф=f^/F, подбором величин r^/, g^/ и b^/ добиться равенства зрительного ощущения на левой и правой гранях. Это значит, что один из компонентов (в нашем примере красный) войдет в ур-ние (11.1) с отрицательным знаком: f'^/F+r'R=g'G+b'B, или

Для наглядного представления о количественных и качественных соотношениях при оперировании различными цветами в колориметрии используется так называемый цветовой треугольник. Представим себе, что в вершинах равностороннего треугольника RGB (рис. 11.3 а) расположены три основных источника света

равной мощности — красный, зеленый и синий. Если включить только один из источников, то по мере удаления от этого источника интенсивность излучаемого им света будет, естественно, убывать. Для простоты дальнейших рассуждений будем считать, что интенсивность света, исходящего от источника R, в точках G и В практически снижается до нуля (для этого треугольник RGB должен быть достаточно большим). Это условие должно быть справедливо также и для источников G и В, т. е. интенсивность излучаемого ими света в противоположных вершинах также равна нулю.

Для иллюстрации законов сложения цветов воспользуемся пустотелым матовым стеклянным шаром. Этот шар будет служить своеобразным индикатором (И).

Первый опыт. Включим только один из источников света, например R, при этом шар, расположенный вблизи источника R, нальется красным светом. По мере удаления от R по линии RG или RB шар, оставаясь красным, будет темнеть и в точке G (или В) станет черным.

Второй опыт. Включим два источника света — R и G: Вблизи этих источников шар будет либо красным, либо зеленым. В промежуточных же положениях на линии RG цвет шара будет меняться. Эксперимент показывает следующее: при движении шара от источника R к источнику G его цвет будет плавно переходить от красного к оранжевому, от оранжевого к желтому и от желтого к зеленому. Таким образом, оранжевый и желтый цвета можно получить сложением (смесью) двух цветов — красного и зеленого, причем оранжевый цвет отличается, например, от желтого большим количеством красного.

Третий опыт. Включим два источника света — В и G. При перемещении шара от В к G его цвет будет плавно изменяться от синего к сине-зеленому, от сине-зеленого к зелено-синему и от зелено-синего к зеленому.

Четвертый опыт. Переместим шар по линии BR, при этом он будет последовательно окрашиваться в синий, фиолетовый, сиреневый, пурпурный, вишневый и красный цвета. Экспериментально установлено, что на сторонах RG, GB, ВR? цветового треугольника RGB расположены все цветовые тона, различаемые человеческим глазом. Цвета, расположенные на линии RG, художники называют «теплыми», на линии BG — «холодными». В самом деле, эти названия отражают сущность соответствующих цветов: яркие; солнечные, жизнерадостные сюжеты изображаются в основном «теплой» палитрой — красного, оранжевого, желтого, изумрудного цветов. Для вечерних сумерек, зимнего холодного пейзажа, морского шторма более подходят «холодные» — сине-зеленые оттенки.

Пятый опыт. Включим все три источника. В этом случае мож­но найти внутри треугольника RGB такую точку, в которой контрольный шар будет белым. Таким образом, белый цвет (или свет) может быть получен сложением в определенных количествах трех основных цветов. Если энергии основных цветов между собой равны, то равноэнергетический белый цвет Е будет находиться в центре треугольника — на пересечении его медиан.

Шестой опыт. Переместим шар по линии RE. В этом случае его красный цвет не будет изменяться. Будет изменяться только насыщенность красного цвета, т. е. разбавленность красного белым. В точке R шар будет насыщенно красным. По мере его приближения к белой точке Е красный цвет будет «выцветать», переходя через оттенки розового. В точке Е насыщенность упадет до нуля, шар станет белым.

Точно так же при перемещении шара, например, по линии ВЕ его цвет не изменится (останется синим). Ослабляется только насыщенность. На этой линии шар от насыщенного синего перейдет через светло-синие оттенки, становясь в точке Е совершенно белым. Такая же картина характерна вообще для всех других отрезков прямой, соединяющих точку Е белого цвета (света) со веемой точками на сторонах цветового треугольника RGB. Например, двигаясь от насыщенно оранжевой точки по линии ОЕ, шар не будет изменять оранжевого цветового тона. Будет меняться только насыщенность. Аналогично подбирают желательную насыщенность художники и маляры, добавляя в краску белила. При этом, очевидно, цвет краски не изменяется, изменяется только насыщенность. Важно отметить, что реальные источники света не имеют 100%-ной насыщенности. Какой бы красный (зеленый, синий) источник мы ни выбрали — фонарь со светофильтром, люминофор кинескопа и пр., — насыщенность этих источников всегда менее 100%. Установлено, что 100%-ная насыщенность теоретически имеется только в случаях, когда источник излучает энергию строго одной длины волны (или частоты). Такой источник света называется монохроматическим.

Цветные люминофоры, используемые в отечественных цветных кинескопах, также не создают 100%-ную насыщенность. Поэтому на рис. 11.36 цветовой треугольник R₁G₁B₁, вершины которого соответствуют цветам этих люминофоров, находится внутри треугольника колориметрической системы RGB (основные цвета этой системы имеют 100%-ную насыщенность, так как они создаются монохроматическими источниками с длинами волн нм, нм и нм).

Точки, лежащие внутри цветового треугольника R₁G₁B₁, соответствуют всем цветам, которые можно получить из смеси основных цветов указанных цветовых люминофоров. Точки, лежащие вне этого треугольника, не могут быть правильно воспроизведены данным цветным кинескопом. Увеличивающаяся по мере продвижения по прямой от точки к любой точке М, находящейся на сторонах треугольника (рис. 11.36), насыщенность (обозначим ее буквой р) не достигает еще 100%-ной величины. 100%-ная насыщенность достигается в точке М, лежащей от точки Е на этой прямой далее, чем точка М. Точка М' (р =100%) соответствует источнику монохроматического цвета. Соединив все точки монохроматического цвета В', M', N', O', R' сплошной кривой, получим так называемый локус на котором расположены все цвета со 100%-ной насыщенностью (рис. 11.36). Обычно на локусе отмечаются точки с цифрами, указывающими соответствующую длину волны монохроматического излучения. Так как кривая видности глаза лежит в пределах от нм до нм, локус является незамкнутой фигурой. Замыкая крайние точки подковообразного локуса (380 нм и 700 нм) прямой B'R', получим линию пурпурных цветов. На этой линии находятся точки насыщенных цветов, получаемые суммированием цветов В' и R' в разных пропорциях.

Локус вместе с линией пурпурных цветов охватывает все цвета, видимые человеческим глазом. Точки, лежащие на колориметрической диаграмме снаружи локуса (например, М " на рис. 11.36), не соответствуют никаким реальным цветам и поэтому физического смысла не имеют. Таким образом, любой цвет, видимый глазом, является трехмерной величиной, определяемой яркостью (Y)[1] цветовым тоном () и насыщенностью (р). Если яркость является количественной характеристикой цвета, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, то цветовой тон и насыщенность — качественные характеристики, вызывающие различные зрительные впечатления. Однако эти качественные параметры удобно для расчетов оценивать количественно: цветовой тон — длиной волны соответствующего монохроматического цвета, насыщенность — в процентах как степень разбавленности насыщенного цвета белым.

Оба качественных параметра — цветовой тон и насыщенность – в совокупности называются цветностью. То есть:

Таким образом, цвет является трехмерной величиной, определяется яркостью (Кд/м²), цветовым тоном (нм), насыщенностью (%) и описывается основным колориметрическим уравнением:

Ф = f ¢ F = r ¢ R + g ¢ G + b ¢ B. (11.1)

Разделив обе части уравнения (1) на цветовой модуль m = r ¢ + b ¢ + g ¢, получим:

. (11.1')

Трехцветные относительные коэффициенты (координаты цветности)

. (11.1'')

определяют относительную (процентную) величину цветов R, G и В в составе единичного потока F:

F = rR + gG + bB. (11.2)

На сторонах RG и BR треугольника Максвелла все цвета имеют практически 100% насыщенность, а цвета на стороне BG имеют меньшую насыщенность. Но для упрощения расчетов будем считать насыщенность цветов на BG близкой к 100%.

Пусть требуется определить цветовой тон и насыщенность цветов точек N и F (рис. 11.4 а и б).

Рис. 11.4 Расчёты с помощью цветового треугольника:

а) определение коэффициентов r, g, и b

б) определение цвета смеси по известным коэффициентам r, g, и b

Насыщенность точки N определяется соотношением:

.

В нашем случае , то есть . Аналогично определяется насыщенность для точки F (рис. 11.4 б).

Определим цветовой тон для точки F. Перенесем точку F на цветовой локус (рис. 11.5 а). Продолжив линию EFF ₃ до пересечения с локусом найдем длину волны . Приближенно насыщенность точки F равна , а истинная , где F ¢₃ – точка пересечения прямой EF с локусом.

Равенство (11.2) дает возможность цветность любого потока изобразить точкой внутри равностороннего цветового треугольника RGB (рисунок 11.4 a), высо­та h которого равна единице. При заданном внутри треугольника положении точки F длина перпендикуляров, опущенных из нее на стороны треугольни­ка, определяет относительные величины (трехцветные коэффициенты) основных цветов – R, G и В - в потоке F. В примере на рисунке 11.4 б F =0,52 R +0,3 G +0,18 B, причем r + g + b = 0,52 + 0,3 + 0,18 = 1.

Пояснение. .

(h =7см, FX =3,7 см, FZ =1,2см).

Если же, наоборот, заданы трехцветные коэффициенты, то положение точки внутри цветового треугольника находится по правилам механики, оп­ределяющим центр тяжести. Например, задано: r =0,15; g =0,25; b =0,6. Требу­ется определить положение точки F, соответствующей цветности суммарно­го потока. В соответствующие вершины цветового треугольника помещаем в качестве весов векторы r =0,15; g =0,25; b =0,6 (рисунок 11.4 б). Сначала определим центр тяжести F1 двух весов (например, r и g) по формуле:

.

Рисунок 11.5 Цветовой треугольник и локус в системе XYZ

а) расчеты в системе XYZ;

б) координаты источников белого цвета и цветовой треугольник для люминофоров цветного свечения

При высоте h = 1 длина стороны l_g + l_r = 1,16. Отсюда l_g =0,375∙1,16=0,435; l_r = l_g + l_r - l_g =1,16-0,435=0,725. Суммарный вес в точке F1: r + g =0,15+0,25=0,4.

Для определения места нахождения точки F повторим процедуру нахо­ждения центра тяжести F1 двух весов для b и g по вышеприведенной форму­ле: l′_g /(l′_g + l′_b)= b /(b + g)=0,6/(0,6+0,25)=0,706.

Учитывая, что длина сторон равностороннего треугольника при его вы­соте h =1 равна 1,16. Отсюда l′_g =0,706∙1,16=0,819,

l′_b =(l'_g + l'_b)- l ′ _g =1,16-0,819=0,341.

Проверим сумму: l'_g + l'_b =0,819+0,341=1,16.

Суммарный вес в точке F2: b + g =0,6+0,25=0,85. Иcкoмaя точка F находится на пересечении двух прямых: BF1 и RF2.

Пояснение

Цвет характеризуется яркостью и цветностью, а цветность – цветовым тоном – l [мкм] и насыщенностью – процент цвета в белом [ % ]. Цвета в вершинах треугольника R, G и B имеют 100% насыщенность, а белый цвет (центр треугольника) – нулевую насыщенность (0%). Местоположение цвета в треугольнике Максвелла определяется координатами цветности r, g и b, то есть колориметрическим уравнением:

F = rR + gG + bB.

В 1931 году международная комиссия по освещению приняла новую колориметрическую систему XYZ, в которой используется цветовой график в виде равностороннего прямоугольного треугольника (рис. 11.5). В вершинах этого треугольника расположены условные (нереальные) цвета XYZ, суммированием которых в соответствующих пропорциях можно получить все реальные цвета с любой насыщенностью и любым цветовым тоном.

На рис. 11.5 и 11.6.1 показан спектральный локус и цветовой треугольник RGB колориметрической системы с λ_R = 700 нм, λ_G = 546,1 нм, λ_В = 435,8 нм, находящиеся внутри треугольника системы XYZ.

Связь между единицами XYZ и RGB определяется следующими уравнениями:

X = 0,4184 R – 0,4185 G + 0,0001 B;

Y = -0,1587 R + 1,1589 G – 0,0002 B; (11.3)

Z = 0,0828 R + 0,0721 G + 0,0107 B.

Трехцветные коэффициенты системы XYZ, определяющие цветность потока F, находятся из соотношений:

(11.4)

где цветовой модуль (11.5)

Таким образом, для определения цветности потока достаточно знать только два коэффициента – обычно x и y, третий z определяется из уравнения (11.5). В системе XYZ трехцветные коэффициенты точки равноэнергетического белого цвета Е равны между собой: .

Равноэнергетический белый цвет является условным, не существующим в природе. В телевизионной практике используется в качестве белых три цвета, обозначаемых буквами: А, В и С. Источник А воспроизводит условия искусственного освещения, а два других – В и С – условия дневного освещения. Цвет потока этих излучателей близок к излучению нити накала лампы накаливания. Так, обычная лампа накаливания имеет координаты цветности х = 0,448; у = 0,407, а насыщенность – 65% (цвет А). Два других белых цвета В и С имеют координаты х = 0,348; у = 0,352, насыщенность - 15% (облачный день – цвет В), и х = 0,310; у = 0,316, насыщенность - 5% (солнечный день – цвет С) (рис. 11.5 б).

На рис. 11.5 б показан треугольник R ₁ G ₁ B ₁ для люминофоров цветного кинескопа. Площадь этого треугольника определяет максимально возможную ступень насыщенности цветов на экране цветного кинескопа.

Многочисленные эксперименты позволили всю площадь локуса условно разделить на отдельные участки различного цвета (рис. 11.6.1). Следует, однако, иметь в виду, что реальные границы участков не выражены так резко, как показано на этом рисунке.

Практика подтверждает, что цветность предметов (например текстильных тканей), наблюдаемая глазом, зависит так же от характеристик освещающего их источника.