Телевизионное изображение

Кадры, поля и строки.
Помимо физического механизма формирования телевизионного изображения нужно понимать, как оно «оживает».
Как известно, изображение на экране телевизора обновляется 50 раз в секунду для систем PAL и SECAM и 60 раз в секунду для системы NTSC. При этом не все целиком, а только его половина, которая в среде профессионалов получила название «поле» (field). Сначала рисуется первая половина строк, образующих кадр (одно поле), а затем — вторая (другое поле).
Частота обновления изображения на экране телевизора выбрана не случайно. Известно, что для восприятия человеческим глазом совокупности высвечиваемых строк как целого число полей должно составлять не менее 48 раз в секунду. Именно поэтому человек не замечает «половинчатости» изображения. Этому способствуют еще инерционность человеческого восприятия и послесвечение люминофора.
Число строк в используемых форматах тоже выбрано не случайно. В послевоенном мире действовало четыре стандарта черно-белого телевидения, число строк каждого из которых превосходило разумный минимум: американский — 525, европейский — 625, английский — 405, французский — 819.
Главным и самым известным на тот момент способом создания цветного телевизионного изображения был так называемый последовательный способ. Когда один кадр передавался в три приема в основных цветах — красном, зеленом и синем. В итоге три одноцветных изображения (они называются цветоделенными) воспринимаются глазом как единое многоцветное за счет инерционности человеческого зрения. В 1951 году в США одна из крупнейших вещательных компаний — CBS — начала транслировать в эфир передачи со стандартом 405 строк при 48 кадрах в секунду (144 цветных полей) и даже выпустила в продажу партию поддерживающих его телевизоров.
Однако данный формат не получил широкого распространения: десятки миллионов семей, владевших черно-белыми телевизорами, не могли смотреть передачи новых станций. Подогреваемое конкурентами CBS возмущение привело к проведению слушаний в конгрессе, который постановил, что в стране могут существовать только совместимые системы телевидения. То есть черно-белый телевизор должен иметь возможность принимать сигнал цветной программы в черно-белом виде, а цветной телевизор — черно-белые телепрограммы.
В таких системах в эфир передается не единый сигнал цветного изображения, а содержащий в себе стандартный черно-белый плюс два специальных сигнала цветности. Цветное изображение складывается из всех трех сигналов, а черно-белое включает только один из них.
Из-за проблем совместимости, а именно невозможности «раскрасить» сигнал, Англия в 1964 году отказалась от собственного стандарта. Франция также была вынуждена последовать этому примеру. В результате обе страны приняли общеевропейский стандарт, а мир получил только два различных числа строк — 525 для NTSC и 625 для PAL и SECAM.
Характеристики телевизионного сигнала
Композитный и компонентный сигналы.
Итак, Конгрессом США в законодательной форме было закреплено понятие полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС), который еще часто называют композитным видеосигналом.
Условия совместимости требовали, чтобы в системе цветного телевидения использовалась та же полоса частот, что и в исходной системе черно-белого телевидения. В противном случае пришлось бы переоборудовать все существующие трансляционные мощности. Для решения проблемы совместимости было предложено разместить «раскрашивающие» сигналы в той же полосе частот, что и сигнал яркости, пожертвовав для этого определенным частотным диапазоном.
Получаемый композитный сигнал представляет собой результат «перемешивания» сигнала яркости Y(несколько модифицированного сигнала черно-белого телевидения). И двух цветоразностных сигналов, по которым однозначно можно восстановить все три компоненты цветности RGB исходного цветного сигнала.
Свое название цветоразностные сигналы получили потому, что в основе их определения лежат сигналы R-Y и B-Y. Которые являются разностями красной и синей составляющей и сигнала яркости. Удобство подобного определения заключается еще в том, что по ним легко восстанавливается зеленая составляющая: G = Y — R — В. Зеленый цвет выбран основным, потому что зрение человека наиболее чувствительно к нему. Преобразовывать сигнал яркости и цветоразностные сигналы в RGB позволяет простая однозначная связь между сигналами, которая задается системой уравнений и отображается следующей матрицей (см таблицу ниже).
Однако в чистом виде сигналы R-Y и B-Y не используются. В каждой из существующих систем цветного телевидения применяются свои сигналы, которые выражаются через R-Y и B-Y.
В отличие от композитного сигнала, компонентный сигнал не перемешивает яркостную и цветоразностные компоненты, а передает их отдельно в виде трех сигналов Y, R-Y, B-Y, что позволяет заметно повысить качество изображения. К сожалению, его применение ограничено в основном профессиональной техникой класса Betacam. Передавать компонентный сигнал в эфир не представляется возможным, так как для этого потребовалось бы транслировать и принимать сразу три сигнала, а значит, менять всю передающую и принимающую аппаратуру.
Передача цвета и особенности восприятия.
Передать дополнительную информацию о цвете, не расширяя при этом полосу пропускания видеосигнала (то есть количество передаваемой информации), удалось, конечно, не без потерь. Каждая система цветного телевидения представляет собой образец того или иного компромисса между качеством передачи сигнала яркости и умелого использования имеющейся полосы пропускания для передачи цветоразностных сигналов.
R | G | B | |
Y | 0,299 | 0,587 | 0,114 |
R-Y | 0,701 | -0,587 | -0,114 |
B-Y | -0,299 | -0,587 | -0,114 |
Основной технической задачей при создании каждой системы стала необходимость суметь без помех сложить сигналы яркости и цветности, а затем снова их разделить. Решить эту задачу оказалось возможным благодаря особенностям человеческого зрения.
Как известно, цветовое восприятие человека трехкомпонентно, в отличие, например, от восприятия утки, которая видит пять основных цветов. За восприятие зрительной информации у людей отвечает система цветового зрения, состоящая из трех типов цветочувствительных фоторецепторов в центральном участке сетчатки глаза (колбочек) с максимумом спектральной чувствительности в трех разных спектральных участках: красном, зеленом и синем. В сетчатке глаза имеется более шести миллионов колбочек — каждая толщиной 0,002 мм.
Есть еще четвертый тип рецепторов — палочки, которые не обладают преимущественной чувствительностью к какому-либо одному цвету; они расположены по периферии сетчатки и отвечают за восприятие яркости.
Человек может различать два цвета по яркости или цветовому тону только в случае, если разница между ними превышает некоторое пороговое значение. Исследования показали, что глаз человека в состоянии различать до 100 тысяч цветов.
Также было установлено, что палочки обладают очень высокой чувствительностью — большей, чем колбочки. Это свойство позволяет скрывать недостатки цветовой передачи с помощью яркости. Если на изображении яркостные контуры обозначены четко, а цвета менее резко, то глаз в первую очередь обращает внимание на яркостную компоненту, не замечая цветовой размытости.
Простейшим примером этого эффекта «может служить любой из детских рисунков, которые обычно закрашены не очень ровно. Достаточно обвести контуром такой рисунок, и он станет гораздо более приятным для глаза.
Этот эффект был использован при решении задачи передачи сигналов цветности «внутри» полосы сигнала яркости. Сигнал .яркости Y следует передавать четко, то есть в максимально возможной полосе частот. А вот цветоразностные сигналы можно передавать уже с гораздо меньшим качеством, то есть в меньшей полосе частот. В этом случае человеческий глаз не замечает ухудшения качества картинки.
Смеситель для цвета
Чтобы минимизировать вред для передаваемого изображения, было решено для передачи цветоразностных сигналов использовать часть высокочастотного спектра сигнала яркости.
Общий механизм смешения яркостного и цветоразностных сигналов следующий.
На первом этапе в исходном сигнале яркости подготавливается место для размещения сигналов цветности. Для этого используется режекторный фильтр, подавляющий или устраняющий сигнал в некоторой полосе частот. Часто его называют также «Notch filter» (от англ. notch — «выемка»), или вырезающий фильтр.
В свою очередь, цветоразностные сигналы поступают на фильтр низких частот, который ограничивает их спектр, удаляя высокие частоты, начиная с некоторого значения. После этого модулятор смещает отфильтрованные сигналы в заданную область частотного диапазона. Где они попадают в заранее подготовленную «выемку». Результатом такой модуляции является формирование поднесущей цветности. Описанный способ является одинаковым для всех систем цветного телевидения.