Принципы построения цветокодирующих устройств дискретного типа

Рассмотрим принцип формирования амплитудных характеристик для цветокодирующего устройства [38].

Пусть на рис. 16.3,а представлен линейно-нарастающий сигнал, соответствующий постепенному изменению яркости черно-белого изображения от минимальной до максимальной.

Разобьем амплитудный диапазон входного сигнала u_вх на 6 участков. Каждому участку входного сигнала необходимо присвоить свою гамму цветов на цветовом треугольнике R, G, B, то есть в диапазоне уровней первого участка I мы должны подать на трех лучевой кинескоп три сигнала, изменяющиеся по заданному закону. При этом следует учесть, чтобы цвета (цветовой тон и яркость) не повторялись не на одном участке. Если присваиваемые цвета лежат в плоскости цветового треугольника Максвелла, то яркости участков раскрашенного черно-белого изображения будут одинаковыми. Здесь сумма потенциалов на электродах кинескопа должна быть постоянной на всем диапазоне яркости черно-белого изображения, то есть

(16.1)

Если условие (16.1) не выполняется, то помимо изменения цветового тона будет изменяться и яркость окрашиваемых участков, что соответствует цветовым треугольникам, лежащим в разных плоскостях системы координат первичных цветов. Такой алгоритм раскрашивания дает большой диапазон визуально различимых цветов и поэтому является предпочтительным перед первым.

Для наглядности рассмотрим алгоритм формирования раскрашивания черно-белого (ЧБ) изображения по второму способу.

Пусть стороны цветового треугольника разбиты на два участка, при обходе которых изменяется цвет и яркость. Для получения такого алгоритма кодирования формы напряжений сигналов, подаваемых на электроды кинескопа, должны соответствовать рис. 16.3,в, г, д. В точках Г, Ж, Ф рис. 16.3,б яркость цветов будет в 2 раза выше, чем в точках B, G и R, так как в этот момент подается максимальное напряжение на 2 электрода (а в точках B, G и R только на один). Недостатком рассмотренного алгоритма является неоднозначность цветов, соответствующих минимальной и максимальной яркости, так как начало Н и конец К обхода цветового треугольника совпадают в точке В (рис. 16.3,б). Для устранения этого недостатка начало и конец обхода цветового треугольника не должны иметь общую точку.

Проквантуем представленный на рис. 16.3,а видеосигнал на 256 уровней. На каждый участок приходится 42,7 уровня, то есть число дробное, что при дискретном цветокодировании представляет большие неудобства. Если динамический диапазон сигнала разбивать на число участков кратное двум (2ⁿ), то само устройство по своей структуре сильно упрощается.

В соответствии со сказанным разобьем динамический диапазон видеосигнала (рис. 16.3,а) на четыре уровня (рис. 16.4).

На рис. 16.4 видно, что все четыре участка сигнала передаются 6-ти разрядным двоичным кодом х₆х₅х₄х₃х₂х₁.

Первые два старших разряда х₈ и х₇ в пределах каждого участка принимают постоянные значения и могут быть использованы в качестве управляющих сигналов для определения номера участка. Если динамический диапазон сигнала разбить на два участка, то в качестве управляющего сигнала используется один старший разряд х₈, а сами выходные сигналы u_А и u_Б передаются 7-разрядным кодом.

Таким образом, при построении цветокодирующего устройства необходимо знать алгоритм кодирования (например, рис. 16.3,в, г, д), иметь блок управления и блоки формирования выходных сигналов u_R, u_G и u_B.

На рис. 16.5 представлена обобщенная структурная схема цветокодирующего устройства (ЦКУ). Принцип ее работы заключается в следующем.

Входные цепи 1 формируют сигналы соответствующей разрядности и полярности для формирования в блоках 3, 4 и 5 выходных сигналов u_R, u_G и u_B в соответствии с заданным алгоритмом кодирования. Выходные регистры 6, 7, 8 выравнивают время задержки двоичных сигналов u_R, u_G и u_B. Блок управления 2 выдает сигналы управления х₈ (или х₈х₇) и импульсы элементов (тактовую частоту).

На представленной схеме ЦКУ в качестве формирователей сигналов u_R, u_G и u_B могут использоваться постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), оперативные ЗУ и логические элементы.

ЦКУ с использованием ЗУ нашли широкое применение в научных исследованиях и производстве. При отсутствии ЭВМ и программаторов ПЗУ их применение теряет практическое значение. При использовании в формирователях 3, 4 и 5 логических элементов этих трудностей можно избежать.

Рассмотрим возможность создания ЦКУ на ПЗУ, ОЗУ и логических элементах.

16.5.1. Цветокодирующее устройство на ПЗУ (рис. 16.6)

На представленной схеме ЦКУ в качестве формирователей сигналов u_R, u_G и u_B используются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) типа КР556РТ5. Преобразователи уровня ПУ осуществляют согласование уровней микросхем серий типа ТТЛ и ЭСЛ. На выходе ЦАП получаем аналоговые сигналы. В ПЗУ можно записать наперед заданный алгоритм цветокодирования, а в зависимости от емкости ПЗУ алгоритмов кодирования может быть записано более одного. Недостаток рассмотренной схемы заключается в трудоемкости записи составленной программы, а при выходе из строя эту операцию необходимо повторить.

16.5.2.Цветокодирующее устройство на ОЗУ (рис. 16.7)

Рассмотренная схема ЦКУ на ПЗУ может реализовать ограниченное число алгоритмов кодирования. Использование вместо ПЗУ оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) позволит устранить отмеченный недостаток. С помощью ЭВМ в ОЗУ можно записать любой алгоритм кодирования. Оперативность работы при работе с таким ЦКУ выгодно отличает его от других устройств с жестким алгоритмом кодирования. Рассмотрим работу схемы (рис. 16.7).

Видеосигнал в цифровой форме V₁ поступает на согласующие схемы 1 (СС) ЦКУ. С выходов СС сигналы поступают на устройства обработки сигналов 2, 3, 4 и 5.

В блоке 2 происходит формирование наперед заданной формы амплитудной характеристики канала черно-белого изображения.

В блоках 3, 4 и 5 (R, G, B) формируются амплитудные характеристики в каналах цветности по программе, выдаваемой ЭВМ. Алгоритм цветового кодирования (контрастирования) может быть любым.

При этом динамический диапазон сигнала не рекомендуется разбивать более, чем на 4 участка, так как снижается число уровней квантования (прямо пропорционально числу участков). При 6 разрядном сигнале разделение диапазона сигнала на 4 части приведет к 4-х кратному уменьшению числа уровню квантования, то есть получаем 16 уровней, которые будут визуально заметны. Поэтому число разрядов цифрового видеосигнала должно быть не менее 8.

Сигналы Y, R, G, B, прошедшие обработку, пройдя через преобразователи уровней (ПУ) 8–11, в устройствах 14–17 преобразуются в аналоговую форму. Затем они, усиленные в блоках 19–22, 24–26 поступают на вход видеоконтрольного устройства (ВКУ) 32. При этом сигналы, поступающие на вход ВКУ – ЦТ – 2 проходят через блок электронных ключей 23, который позволяет на входы смесителей 28–30 подавать два сигнала: черно-белый и раскрашенный (R, G и B), либо только один из них. Такая операция позволяет получать сигнал, аналогичный сигналу в цветном телевидении, несущий информацию значительно большую, чем в отдельности каждый из них. Изменяя амплитудную характеристику сигнала Y, можно отдельные участки сигнала цветности растягивать, улучшая различимость наиболее важных мест исследуемого изображения. Кроме того, при кодировании сигнала с широкой полосой частот цифровой обработки целесообразно подвергнуть сигналы R, G и B, предварительно ограничив их по частоте, а широкополосный яркостный сигнал Y замешать перед подачей на ВКУ. Таким образом, подытоживая сказанное, можно сделать вывод: а) ВКУ – ЦТ – 1 (31) позволяет получить цветное изображение, несущее информацию о цветности и яркости этого сигнала; б) ВКУ – ЦТ – 2 (32) дает цветное изображение, но в отличие от предыдущего изображение здесь в сигнал цветности замешивается информация о яркости объекта (подсветка отдельных участков изображения). Благодаря наличию блока 23 на ВКУ (32) можно наблюдать и черно-белое и цветное изображения; в) ВКУ – ЧБ (27) позволяет наблюдать черно-белое изображение без предварительной обработки.

Блоки 6, 12, 18 позволяют осуществлять запись алгоритма кодирования сигналов в блоки обработки 2–5 от ЭВМ.

16.5.3. Цветокодирующее устройство на логических элементах

Главным недостатком рассмотренных ЦКУ является использование запоминающих устройств, требующих или применения ЭВМ или жесткого программирования ПЗУ. Хотя отмеченный недостаток проявляется только при вполне определенных условиях работы (нет ЭВМ, ПЗУ, программаторов ПЗУ и т. п.), не принимать во внимание его нельзя. Поэтому рассмотрим возможность создания ЦКУ на широко распространенной элементной базе [38].

Зададимся условием, чтобы схема ЦКУ формировала не менее 3-х алгоритмов цветокодирования.

Пусть динамический диапазон сигнала (рис. 16.4) проквантован на 256 уровней. Путем отброса одного старшего разряда х₈ динамический диапазон сигнала разбивается на 2 участка: u_А и u_Б. При х₈ равным 0 все значения выходного сигнала u_вых = х₇х₆х₅х₄х₃х₂х₁ будут соответствовать участку u_А, а значение участку u_Б. То есть, старший разряд х₈ можно использовать в качестве управляющего сигнала.

Если же отбросить в цифровом сигнале два первых старших разряда, то диапазон сигнала разбивается на четыре участка, причем участку I соответствует значение х₈ = х₇ = 0, а участку II: х₈ = 0, х₇ = 1, участку III: х₈ = 1, х₇ = 0 и участку IV: х₈ = х₇ = 1. В этом случае управляющим сигналом является двухразрядный двоичный код х₈х₇. При формировании алгоритмов цветокодирования будем соблюдать условие плавного, непрерывного изменения цветов, как по яркости, так и по цветовому тону.

Рассмотрим несколько вариантов формирования алгоритмов цветового кодирования.

Вариант I (рис. 16.8,а). При этом варианте сигнал u_вх разбивается на два участка u_А = Y_A и u_Б = Y_Б (рис. 16.8,а). Первому участку (х₈ = 0) присваивается синий цвет, яркость которого изменяется от 0 до максимума, а на участке Y_Б цвет плавно от синего, через голубой, переходит в зеленый. Полученная гамма цветов достигается формированием напряжений на электродах 3-х лучевого кинескопа соответствующей формы: на зеленый электрод G на участке Y_А подается нулевой потенциал 0, а на участке Y_Б линейно нарастающее напряжение:

, (16.2)

на красный электрод – 0:

, (16.3)

на синий: на участке u_А линейно - нарастающее, а на u_Б – линейно - падающее:

. (16.4)

Вариант II (рис. 16.8,б). Здесь участку Y_А соответствуют пурпурные цвета (сторона RВ D - ка R, G, B), а на участке Y_Б цветовой тон изменяется плавно от синего до зеленого (сторона ВG). На этом же рисунке слева показан закон изменения управляющих напряжений G, B и R:

_, , (16.5)

Вариант III (рис. 16.8,в). В этом варианте цвета некоторых участков изменяются, как по яркости, так и по цветовому тону. Всего 4 участка. Для исключения неоднозначности ни один из участков не должен иметь общих точек между собой. На участке I цвет изменяется как по яркости, так и по цветовому тону (сторона RB). В точке R на электрод кинескопа подается половинное от максимального значения напряжение. Это достигается путем отбрасывания 1-го младшего разряда х₁ в 6-ти разрядном двоичном числе: х₆х₅х₄х₃х₂х₁. Второй участок II формируется 6-разрядным двоичным кодом (на электрод В подается инвертированный сигнал) , а на G –прямой Y_II = х₆х₅х₄х₃х₂х₁, на R – Y_II = 0, 3-й участок изменяет цвет от зеленого до красного путем формирования сигналов , u_B = 0 и
u_R = Y_IV = х₆х₅х₄х₃х₂х₁, на 4-ом участке цвет изменится и по яркости и по цветовому тону: от красного через белый к голубому большей яркости, чем на участке II.

Таким образом, на электроды кинескопа подаются напряжения

(16.6)

Из проведенного анализа алгоритмов кодирования видно, что принципиальная схема ЦКУ должна содержать в соответствии с рис. 16.5 входные цепи, формирующие прямые и инверсные сигналы, блок управления, формирующий управляющие сигналы В = х₈, А = х₇ и электронные коммутаторы (мультиплексоры), формирующие напряжение u_R, u_G и u_B, управляемые сигналами х₈ или х₈х₇. В качестве мультиплексоров могут быть использованы микросхемы типа К155КП–2. На рис.16.8 слева от диаграмм сигналов u_R, u_G и u_B значения входных сигналов I₁, I₂, I₃, I₄, S₁, S₂, А и В, которые определяют конкретный алгоритм кодирования. Принципиальная схема ЦКУ строится в соответствии с уравнениями (16.2 – 16.6) и должна содержать входные цепи, формирующие прямые и инверсные сигналы, блок управления, формирующий управляющие сигналы х₈ и х₇ (на входы А и В мультиплексоров), электронные коммутаторы (мультиплексоры), управляемые сигналами х₈, х₇ и формирующие напряжения u_R, u_G и u_{B .}