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.

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.