Файл: БТВА (окончательная редакция) для печати.docx

(R,G и B) или тремя другими составляющими – яркостью, цветовым тоном и насыщенностью. В системе же на рис.2.4 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 (Е_G). Исследования показали, что именно этот сигнал имеет наибольшую полосу частот. Поэтому исключение из передачи сигнала Е_G 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.

Применительно к цветному телевидению описанные опыты позволили получить полезные количественные соотношения и сделать следующие выводы:

1. Очень мелкие детали изображения воспроизводятся с помощью частот, лежащих в пределах от 3 до 6 МГц; мелкие детали воспроизводятся с помощью частот от 1 до 3 МГц; средние детали – от 0,5 до 1 МГц;

2. Ощущение цвета мелких синих деталей исчезает при частотах спектра f_Bmax = 0,5 – 0,6 МГц;

3. Частота, при которой видимая насыщенность мелких красных деталей (т.е. ощущение красного цвета) снижается до нуля, f_Rmax =1,3 – 1,5МГц;

4. Мелкие детали зелёного цвета будут достаточно насыщенными

до f_Gmax ≈ 6 МГц.

Это позволяет сделать заключение о том, что в цветном телевидении нет необходимости передавать в полной полосе все три цветовые сигнала. Передача в цветном виде точек, штрихов и полосок в изображении, для которых требуются высокочастотные составляющие ТВ-спектра (для мелких синих деталей – более 0,6 МГц, а для красных мелких деталей – более 1,5 МГц), является избыточной, т.к. зрение человека не в состоянии в обычных условиях различать цвет таких деталей. Это обстоятельство позволяет при передаче сигналов цветного телевидения значительно сократить объём передаваемой информации, т.е. сократить полосу частот ТВ-сигнала, передаваемого по каналу связи.

Выигрыш в полосе частот от ограничения передаваемой информации иллюстрируется на рис.2.7.

Рис. 2.7. Спектр частот полного сигнала с учётом возможности сужения

спектральных составляющих сигналов Е_R и Е_B.

Из рис.2.7 видно, что полная ширина спектра

F_ПОЛН. = 6 + 1 + 1,5 + 1 + 0,5 = 10 МГц,

т.е. в два-три раза меньше чем в случаях, представленных на рис.2.3 и 2.6.

Воспроизведение мелких деталей в ТВ-изображении необходимо в любой вещательной системе для получения чёткости изображения. Казалось бы, резкое сокращение спектра ТВ-сигнала на красных и синих участках приведёт к резкому снижению чёткости. Однако это не так, потому что сигнал яркости Е_Y передаётся в полной полосе частот, т.е. содержит информацию обо всех мелких деталях, которая и воспроизводится как на экранах чёрно-белых телевизоров, так и на цветных экранах в чёрно-белом виде.

Для подтверждения сказанного можно вспомнить, как выглядят рисунки (не фотографии) в журналах и книгах. Обычно на этих рисунках крупные, средние и не очень мелкие детали художник добросовестно раскрашивает.

А вот тонкие штрихи (так называемый «абрис» - контур предмета), точки, узкие полоски и т.п. изображаются обычно в чёрно-белом виде. При этом рисунок остаётся цветным и вполне чётким.

Таким образом, мы видим, что передавать по каналу связи цветное изображение с помощью сигналов основных цветов практически невозможно, т.к. полная полоса частот оказывается в несколько раз шире стандартной, принятой в чёрно-белом телевидении. Следовательно, нужно было сокращать полосу частот, необходимую для передачи цветного изображения. При этом сигнал яркости должен передаваться в стандартной полосе частот 6 МГц. Как уже было сказано, для радикального сокращения полосы частот полного ТВ-сигнала из его спектра был исключён сигнал Е_G как наиболее широкополосный. Кроме того, исследования показали, что в цветном телевидении нет смысла передавать мелкие детали красного и синего цвета в полной полосе частот этих сигналов. В результате полоса частот цветного ТВ-сигнала сократилась до F_ПОЛН. = 10 МГц. Однако и такая полоса частот оказалась чрезмерно большой, не укладывающейся в стандартный канал чёрно-белого телевидения и поэтому не отвечающей условию совместимости. Дальнейшая возможность сокращения этой полосы основывается на специфической особенности ТВ-спектра – его линейчатости.

Линейчатость спектра телевизионного сигнала

Характерной особенностью ТВ-спектра в отличие, например, от спектра звукового сигнала является его линейчатость. Это значит, что в границах частот от f_Н = 50 Гц до f_В = 6 МГц присутствуют не все частоты, а только составляющие, кратные кадровым и строчным частотам. Это дало возможность весьма существенно уплотнить в частотном отношении спектр частот цветного ТВ-сигнала и таким образом решить проблему полной совместимости цветного и чёрно-белого телевидения.

Известно, что любой периодический сигнал можно представить в виде суммы гармонических составляющих, с частотами, кратными частоте повторения сигнала:

∞

U(t) = U₀ / 2 + Σ U_n ∙ Sin(ω_nt + φ_n) ………………….. (2.5),

n = 0

где U₀ / 2 – постоянная составляющая сигнала, соответствующая средней

яркости изображения;

U_n – амплитуда n-ной гармонической составляющей спектра;

ω_n = 2πf_n = 2πf₁n – круговая частота n-ной гармоники;

f₁ – частота первой гармоники ряда Фурье;

φ_n – начальная фаза n-ной гармоники.

Гармонические составляющие называются спектральными составляющими, а само представление сигнала в виде выражения (2.5) на частотной оси называется спектральным разложением (спектром) сигнала U(t). Условный спектр сигнала чёрно-белого изображения показан на рис. 2.8.

а)

Рис. 2.8. Спектр сигнала чёрно-белого изображения:

а) – общий вид спектра; б) – фрагмент А в увеличенном масштабе;

в) – фрагмент В в увеличенном масштабе при движущемся объекте;

U_ОГ. – огибающая спектра.

Особенности спектра сигнала чёрно-белого изображения:

1. Амплитуда спектральных составляющих сигнала убывает с ростом частоты;

2. Спектр сигнала изображения имеет дискретную структуру. Он содержит гармоники kF_С (где k = 1, 2, 3 ….; F_С – частота повторения строк). Вокруг каждой гармоники kF_С справа и слева группируются составляющие с частотами, отстоящими от неё на величину ± mF_П (где m = 1,2,3 ….; F_П – частота повторения полей). Таким образом, спектр сигнала изображения состоит как бы из «сгустков» энергии на частотах, кратных частоте строк. Такая структура обусловлена периодичностью сигнала изображения с частотой строк и полей.

3. Спектр сигнала изображения имеет составляющую с нулевой частотой (постоянную составляющую), пропорциональную средней яркости изображения.

4. Для воспроизведения формы сигнала изображения достаточно передать составляющие спектра сигнала от нулевой частоты

до f_max = ∆F = 6МГц.

В общем виде спектральная картина для произвольного неподвижного изображения представлена на рис.2.8а.

Здесь обращает на себя внимание то обстоятельство, что на гармониках строчной частоты F_С , 2F_С , 3F_С …. имеет место увеличение амплитуд составляющих, а между этими составляющими энергия спектра довольно резко падает (рис.2.8б).

Спектральная картина для произвольно движущегося изображения в принципе останется подобной спектру, изображённому на рис. 2.8. Но в этом случае существует различие, заключающееся в том, что около каждой спектральной линии – гармоники кадра – появляются боковые полосы частоты (верхняя и нижняя), не являющиеся гармониками строк и кадров. При передаче движущегося объекта содержание каждого последующего изображения от кадра к кадру мало отличается от предыдущего, т.к. скорость смены кадров значительно больше скорости перемещения объекта по экрану. Однако перемещение объекта от кадра к кадру изменяет во времени амплитуды и фазы спектральных составляющих. Это приводит к тому, что вокруг каждой спектральной линии появляются составляющие, настолько близко расположенные друг к другу, что спектральная линия вместе с этими составляющими образует непрерывный (сплошной) спектр, форма которого похожа на лепесток (рис.2.8в). Ширина таких «лепестков» будет тем больше, чем больше скорость движения деталей передаваемого изображения.

Появление боковых полос сплошного спектра можно объяснить также и тем, что каждый кадр является совокупностью случайных сигналов изображения, передаваемых в строках. Спектр случайного сигнала, как известно, является сплошным.

Исследования и расчёты показали, что ширина лепестков сплошного спектра для движущегося изображения не превышает (4 ÷ 6) Гц. Следовательно, между каждыми двумя смежными гармониками даже в случае быстрого движения объекта остаётся промежуток, равный 50 – 6 = 44 Гц. Отсюда возникает идея заполнения этих промежутков спектральными составляющими дополнительных сигналов. Во всех современных совместимых системах вещательного телевидения используется метод взаимного уплотнения сигналов цветности и яркости за счёт линейчатости спектра.

Цветоразностные сигналы

Как было сказано, одним из свойств сигналов основных цветов является их униполярность. Смысл этого свойства заключается в том, что электрические сигналы, получаемые при преобразовании сигналов изображения в передающих трубках, не могут иметь отрицательной полярности, т.к. яркость как физическая величина не может быть отрицательной: она либо положительна, либо равна нулю. Именно это свойство сигналов основных цветов не позволяет решить проблему совместимости чёрно-белого и цветного изображения, т.к. они имеют ту же природу, что и сигналы яркости. Иными словами, различить электрические сигналы яркости и сигналы основных цветов практически невозможно: и те, и другие являются сигналами, спектр которых расположен в одном частотном диапазоне.

Единственным способом их разделения является частотный способ разделения спектров этих сигналов.

Решение этой проблемы привело к замене сигналов основных цветов (Е_R, Е_G, Е_B) искусственно создаваемыми цветоразностными сигналами.

Во всех стандартных системах цветного телевидения вместо сигналов основных цветов Е_R и Е_B используются ЦРС. Эти сигналы обозначаются символами R – Y , B – Y или E_R–Y , E_B–Y и получаются путём электрического вычитания из сигналов основных цветов сигнала яркости:

Е_{R – Y} = Е_R – Е_Y; Е_{G – Y} = Е_G – Е_Y; Е_{B – Y} = Е_B – Е_Y …….. (2.6).

Вычитание из сигналов основных цветов сигнала яркости формально означает, что ЦРС содержат информацию только о цветовом тоне, но не о яркости

Свойства цветоразностных сигналов:

1. Цветоразностные сигналы могут быть выражены через сигналы основных цветов. Учитывая выражения (2.4) и (2.6), имеем

Е_{R – Y} = 0,7Е_R – 0,59Е_G – 0,11Е_B

Е_{B – Y} = – 0,3Е_R – 0,59Е_G + 0,89Е_B …………} (2.7);

Е_{G – Y} = – 0,3Е_R + 0,41Е_G – 0,11Е_B

2. При передаче чёрно-белого изображения все ЦРС равны нулю;

Действительно, в этом случае Е_R = Е_G = Е_B = 0. Тогда, как следует

из (2.7):

Е_{R – Y} = Е_{G – Y} = Е_{B – Y} = 0

3. Любой ЦРС может быть получен из двух других. Например, выразим

Е_{G – Y} через E_{R – Y} и E_{B – Y} . Для этого представим Е_Y в виде

Е_Y = 0,3Е_Y + 0,59Е_Y + 0,11Е_Y

В то же время из равенства (2.4) следует, что

Е_Y = 0,3Е_{R – Y} + 0,59Е_{G – Y} + 0,11Е_{B – Y} .

Приравняв правые части последних двух выражений друг другу и

произведя простые вычисления, получим:

Е_{G –Y} = – 0,51Е_{R – Y} – 0,19Е_{B – Y} .

Аналогичным образом можно выразить и любой ЦРС через два

других.

4. При передаче информации о цвете можно в принципе выбирать любую