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 (λ_R = 700 нм), зеленому (λ_G = 546,1 нм) и синему (λ_В = 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 E_Y (белый цвет) может быть получен смешиванием сигналов трех основных цветов в определенных пропорциях

E_Y = aЕ_R +bЕ_G + cЕ_В,    (9.1)

где Е_R, Е_G и Е_В - 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 Е_R = Е_G = Е_В. 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:

E_R-Y = Е_R - Е_Y,    (9.2)

E_B-Y = Е_В - Е_Y.    (9.3)

Эти сигналы не несут информации о яркости и при передаче участков белого или серого цветоразностные сигналы равны нулю (при Е_R = Е_G = Е_В). 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 Е_Y и двух цветоразностных сигналов, к искажениям тонов которых глаз наименее чувствителен: E_R-Y и E_B-Y, в приемнике могут быть получены сигналы всех основных цветов:

E_R = Е_Y + (E_R - Е_Y),    (9.4)

E_B = Е_Y + (Е_B - E_Y).    (9.5)

E_G = [Е_Y - (aЕ_R +cЕ_В)] / b,    (9.6)

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.