Добавлен: 08.07.2023
Просмотров: 59
Скачиваний: 5
Способы получения цветного изображения.
Для передачи по телевидению изображение цветного объекта должно быть разделено на передающей стороне на три одноцветные компоненты
(в красном, зелёном и синем цветах). Эти три монохромных изображения могут быть переданы по каналу связи на приёмные устройства как обычные чёрно-белые изображения (например, каждое одноцветное изображение на своей несущей частоте). На приёмной стороне из переданных трёх монохромных изображений должно составляться (синтезироваться) цветное изображение. Разложение изображения на составные части и его синтез могут осуществляться либо последовательным, либо параллельным способами.
При последовательном способе изображение последовательно разлагается на основные цвета, которые передаются один за другим. Такая система не нашла применения. Это объясняется следующим. Для того чтобы мелькания цветного изображения не были заметны, скорость передачи изображения требуется увеличить в три раза по сравнению со скоростью передачи чёрно-белого изображения (необходимо за время одного кадра передать три монохроматические картинки). Такой способ передачи требует увеличения полосы частот в три раза, что недопустимо.
При параллельном (одновременном) способе разложение изображения на три монохромных картинки и их передача по каналу связи производится одновременно. Такая система в общем случае может быть создана при механическом соединении трёх стандартных чёрно-белых ТВ-систем. Каждая из систем передаёт информацию об одном из основных цветов, а на приёмной стороне три полученных одноцветных изображения совмещаются на общем экране. Структурная схема такой системы показана на рис.1
Изображение сканируется полоской, состоящей из трех рядов фотоэлементов, снабженных разными светофильтрами, либо маленькой фотоматрицей со светофильтрами. Эта технология позволяет относительно легко получать снимки с высоким разрешением. Однако она требует длительной выдержки, поэтому снимать можно только неподвижные предметы.
Для фиксации изображения привлекается матрица фотоэлементов по размеру кадра, причем каждый из фотоэлементов снабжен собственным светофильтром. Обычно на четыре элемента приходится по одному красному, одному синему и по два зеленых светофильтра (так называемый байеровский фильтр, Bayer filter). Такое сочетание обеспечивает более реалистичную передачу цветов. Эта технология лежит в основе производства многих недорогих цифровых фотоаппаратов.
Световой поток расщепляется на составляющие (красную, зеленую и синюю) с помощью оптического прибора. Каждый из потоков воспринимается своей светочувствительной матрицей, затем цветные проекции синхронизируются в единое цветное изображение. Технология дорогостоящая, зато выполненные на ее основе фотоаппараты успешно фиксируют и движущиеся объекты.
Фотографируя объект, камера делает несколько снимков через разные светофильтры, затем совмещает изображение.
|
Расщепление света на составляющие |
|
Камера с несколькими светофильтрами |
Упрощённая структурная схема передающей части ТВ-системы
с одновременной передачей цветов
Лучи света, отражённые от объекта передачи, попадают на дихроичные (цветоизбирательные) зеркала (1) и (4). Дихроичное (двухцветное) зеркало обладает следующим свойством: оно отражает лучи одного цвета и пропускает лучи других оставшихся цветов. Например, зеркало (1) отражает лучи 1-2 синего цвета, а пропускает лучи 1-4 зелёного и красного цветов.
Зеркало (4) отражает красные лучи 4-6 и пропускает зелёные 4-5. Таким образом, на фотомишень каждой из трёх передающих трубок видеокамеры попадают лучи одного из трёх основных цветов: R, G или B. Полученные изображения преобразуются в передающих трубках (преобразователях
«свет / сигнал») в электрические сигналы изображения ЕR, ЕG, ЕB.
Сигналы ЕR, ЕG и ЕB называются сигналами основных цветов.
Свойства сигналов основных цветов:
изменение яркости изображения приводит к изменению всех сигналов основных цветов в одинаковое количество раз;
изменение соотношений уровней сигналов ЕR, ЕG, ЕB в передающем устройстве или в приёмнике недопустимо, т.к. это приводит к искажению цвета изображения;
при передаче чёрно-белого изображения сигналы ЕR, ЕG, ЕB равны между собой;
сигналы основных цветов униполярны (одной полярности).
Для того чтобы все три сигнала можно было излучать одним передатчиком, их следует сначала разместить в одной общей полосе частот на поднесущих частотах. Для этого после усиления видеосигналы поступают в модуляторы, куда также подаются напряжения поднесущих частот fR ,fG и fB. В результате три видеосигнала оказываются разнесёнными по оси частот, как показано на рис.2.
Спектр частот в системе, приведенной на рис.3.
Если считать ширину спектров цветных сигналов одинаковой для всех сигналов (в чёрно-белом телевидении ширина спектра сигнала составляет 6 МГц), то ширина полного спектра полосы частот сигнала одновременной системы
FПОЛН. = 3F + ∆F = 3∙ 6 +2∙1 = 20 МГц.
Защитные частотные полосы ∆F ≈ 1 МГц необходимы для чёткого разделения цветных сигналов полосовыми фильтрами на месте приёма. Таким образом, передатчик должен излучать в эфир сигнал с полосой частот около 20 МГц. Столь широкая полоса частот, требуемая для передачи и воспроизведения цветного изображения, несовместима с чёрно-белым телевидением. Однако ряд технических решений позволил сократить полосу передаваемых частот до стандартной (около 6 МГц) без ущерба для качества принимаемого изображения, т.е. сделать одновременную систему совместимой с чёрно-белым телевидением по полосе частот. Далее мы рассмотрим эти методы. Во всём мире выпущено большое количество чёрно-белых ТВ- приёмников, исчисляемое миллионами. Эти телевизоры и до сих пор ещё находятся в эксплуатации. Поэтому при появлении и развитии цветного телевидения возник вопрос о совместимости двух систем ТВ-вещания: чёрно-белой и цветной. Необходимо было искать такие принципы построения системы цветного телевидения, которые укладывались бы в рамки принятых стандартов чёрно-белого телевидения. Важнейшим показателем любого ТВ-стандарта является полоса частот, занимаемая ТВ-каналом. Если по этому показателю полоса частот цветного ТВ-сигнала не будет соответствовать действующему стандарту чёрно-белого телевидения, то на чёрно-белом телевизоре нельзя будет смотреть передачи цветного телевидения (даже без цвета). Иными словами, возник вопрос совместимости двух систем телевидения, т.е. вопрос сосуществования цветного и чёрно-белого телевидения и возможность постепенного перехода от чёрно-белого телевидения к цветному.
Под совместимостью систем чёрно-белого и цветного телевидения понимается свойство системы цветного телевидения обеспечивать:
Приём сигналов цветного телевидения и воспроизведение изображения на экране чёрно-белого телевизора;
Приём сигналов чёрно-белого телевидения и воспроизведение изображения на экране цветного телевизора; Передачу ТВ- сигналов цветного и чёрно-белого телевидения по одному и тому же каналу связи.
Сигнал яркости
Чёрно-белый телевизор не может принимать изображение (конечно, в чёрно-белом виде), создаваемое одновременной системой ещё и потому, что в видеосигнале этой системы нет составляющей, соответствующей чёрно-белому изображению. Можно, соответствующим образом настраивая телевизор, получить в чёрно-белом виде одно из цветных изображений: R, G или B. Однако ни одно из этих изображений не может заменить чёрно-белое.
Отсюда следует, что в структуре полного цветового ТВ-сигнала, кроме сигналов цвета (R, G, B), должен содержаться сигнал чёрно-белого телевидения. Этот сигнал называют обычно сигналом яркости, т.к. отдельные участки чёрно-белого изображения отличаются только яркостью. Сигнал яркости может быть получен сложением всех трёх сигналов основных цветов. Однако вследствие неодинаковой чувствительности глаза к различным цветам эти три напряжения, входящие в состав сигнала яркости, должны быть равны между собой. Кроме того, при выборе пропорции, согласно которой необходимо складывать цветовые сигналы для получения сигнала яркости, следует учесть координаты основных цветов. Проведенные исследования и расчёты показали, что относительное содержание сигналов R, G и B в яркостном сигнале соответствует уравнению
ЕY = 0,30ЕR + 0,59ЕG + 0,11ЕB …………………. (2.4).
Иными словами, яркостный сигнал ЕY чёрно-белых частей изображения содержит 30% «красного», 59% «зелёного» и 11% «синего» сигналов. Такой сигнал на передающей стороне (на телецентре) формируется линейной электрической схемой, называемой матрицей. Получение сигнала яркости ЕY поясняется неокрашенный объект (например, газетный лист) используется для первоначальной регулировки усиления, передающей ТВ-камеры, содержащей три трубки R, G, B. Такая регулировка необходима для подбора составляющих ЕR, ЕG и ЕB в необходимой пропорции, образующих бесцветный сигнал ЕY.
Световой поток F, исходящий от объекта передачи, расщепляется дихроичными зеркалами на три потока основных цветов FR, FG и FB, которые соответствующим образом попадают на фотомишени трёх передающих трубок, создавая на этих мишенях оптическое изображение, соответствующее одному из основных цветов. В усилителях производится регулировка всех сигналов на одинаковый уровень (например, ЕR = ЕG = ЕB = 1 В). Эти три электрических сигнала называются сигналами основных цветов. Далее эти три сигнала подаются на матрицу М1, где в соответствии с уравнением (2.4) формируется сигнал яркости ЕY.
Для правильной, точной работы матрицы необходимо выполнение условия: RR >> RВЫХ.; RG >> RВЫХ.; RB >> RВЫХ. В этом случае взаимное влияние сигналов ЕR, ЕG и ЕB на работу матрицы практически исключается.
Таким образом, в составе полного ТВ-сигнала появилась четвёртая составляющая – спектр яркостного сигнала ЕY. Это ещё более расширяет полосу частот для чёрно-белого телевидения принцип совместимости здесь, казалось бы, соблюдается. Действительно, настроив с помощью гетеродина чёрно-белый телевизор на участок спектра ЕY (рис.2.6б), мы получим нормальное изображение в необходимой полосе частот. Однако при этом несовместимость ещё более усугубляется, т.к. полная полоса частот становится равной FПОЛН.= 27 МГц. При этом обращает на себя внимание следующее противоречие. Как говорилось ранее, цвет является трёхмерной величиной, определяемой тремя основными цветами (R, G и B) или тремя другими составляющими – яркостью, цветовым тоном и насыщенностью. В системе же информация о цветном изображении передаётся четырьмя данными. При дальнейшем развитии цветного телевидения это несоответствие, эта избыточная информация была устранена исключением из полного спектра частот одного из сигналов цветности (ЕG). Исследования показали, что именно этот сигнал имеет наибольшую полосу частот. Поэтому исключение из передачи сигнала ЕG даёт наибольшую экономию в ширине полного спектра.
Спектр частот мелких окрашенных деталей
Особенностью человеческого зрения является неразличимость или плохая различимость цветов мелких деталей изображения. Пусть, например, на листе ватмана нанесено множество узких одноцветных полосок на чёрном фоне. При наблюдении листа вблизи можно отчётливо видеть цвет этих полосок. Однако по мере удаления, когда ширина полосок в угловом измерении становится всё меньше, видимая цветовая насыщенность уменьшается. При достаточном удалении ватмана зритель не может определить цвет полосок, и видимая насыщенность падает до нуля, полоски кажутся бесцветными на чёрном фоне.
Многократные опыты показали: при уменьшении размеров цветных полос или соответствующего увеличения их числа на единицу длины изображения наиболее быстро исчезает ощущение окраски синих полос. Для красных полос исчезновение их окраски наступает, когда их число на единицу длины будет больше в 2,5 – 3 раза по сравнению с синими. Цвет зелёных полосок, соответствующий наибольшей видности, будет сохраняться практически до предела разрешающей способности нормального человеческого зрения.