Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

181

Цветовые (колориметрические) искажения и методы цветокоррек-

ции. На практике цветоделенные изображения воспроизводятся с помощью

цветных люминофоров, спектральные характеристики которых отличны от

идеализированных. Реально с помощью люминофоров могут быть воспроиз-

ведены только цвета, лежащие внутри треугольника основных цветов (ло-

кус). Равноэнергетический белый цвет на практике не встречается и также

является идеализированным

Спектральные характеристики цветоделительных устройств на пере-

даче также не могут быть выполнены так, чтобы обеспечить верность пере-

дачи всех цветов, заключенных в локусе треугольника системы XYZ.

Все эти причины вызывают как яркостные, так и цветовые искажения

в воспроизводимых системой цветных изображениях. Для их устранения или

уменьшения до допустимых значений в

канал цветного телевидения вводит-

ся цветокорректирующее устройство.

Сущность цветокоррекции в том, что при выборе основных цветов

селективных преобразователей (преобразователь свет-сигнал в совокупности

с оптическим цветоселектирующим устройством) она обеспечивает мини-

мальные яркостные искажения и максимальный цветовой охват (совокуп-

ность передаваемых цветов) и согласует основные цвета при передаче с ос-

новными цветами

при приеме. Последнее производится с помощью матрич-

ного преобразователя сигналов, называемого матричным цветокорректо-

ром. При расчете матричного цветокорректора должно учитываться спек-

тральное распределение мощности излучения источника освещения переда-

ваемого объекта. Следует заметить, что такая цветокоррекция возможна

только в системах с одновременной передачей цветов.

К цветовым и яркостным искажениям приводит также

наличие нели-

нейных звеньев в ТВ канале, так как колориметрическое кодирование и цве-

токоррекция – это линейные матричные преобразования сигналов. Для уст-

ранения этих искажений в канале цветного телевидения обязательно осуще-

ствляется гамма-коррекция.

Правильный расчет системы цветного телевидения не гарантирует

отсутствия цветовых искажений. Они могут быть вызваны разбросом пара-

метров

передающих и приемных ТВ устройств, их старением, а также изме-

нением условий их работы в процессе эксплуатации.

К числу цветовых искажений относятся также цветные окантовки де-

талей изображения, вызванные рассовмещением растров цветоделенных

изображений или нарушением их идентичности, а также наличием времен-

ного сдвига между сигналом яркости и сигналами цветности в канале

связи.

Рассмотренные ранее искажения, вызванные нарушением формы сиг-

налов изображения, становятся более критичными в цветном телевидении,

так как помимо яркостных они могут вызвать и цветовые искажения.

182

3.6.2. Влияние помех на качество изображения

Влияние помех на качество ТВ изображения проявляется в виде как па-

разитного рисунка (регулярная, импульсная или флуктуационная помеха),

так и нарушения ТВ растра и изображения (импульсная помеха в цепях син-

хронизации). Несмотря на разнообразие форм, все помехи, воздействующие

на изображение, можно разделить на 4 группы:

Регулярная (периодическая) помеха, представляющая собой пе-

риодический сигнал. Такая помеха проявляется в виде дополнительных ри-

сунков – сетки, полос, маура – как неподвижных, так и движущихся с раз-

личной скоростью и в различных направлениях по экрану.

2. Импульсная помеха, наблюдаемая на изображении в виде темных

или светлых (в зависимости от полярности помех

) вспышек в форме точек и

штрихов различной протяженности. Импульсная помеха обычно нерегуляр-

на, и положение паразитных вспышек на экране непостоянно во времени.

Следует заметить, что и очень короткая импульсная помеха, соизмеримая с

длительностью одного элемента изображения, может создать вспышку, пре-

вышающую по размерам элемент изображения во много раз. Это объясняет-

ся тем, что при ярких вспышках наблюдается расфокусировка луча прием-

ной трубки.

3. Медленно меняющаяся яркостная помеха, проявляющаяся в из-

менении яркости отдельных участков изображения. К числу таких помех от-

носятся ложные изображения, возникающие в передающих трубках. Это

прежде всего сигналы черного пятна и ореолы, свойственные некоторым

трубкам. Если сигналы черного

пятна удается компенсировать с помощью

специально генерируемых колебаний, то ореолы не поддаются компенсации

и их следует предупреждать подбором режимов работы передающих трубок

и освещенности передаваемых объектов. В противном случае на изображе-

нии возникают явно выраженные темные ореолы вокруг ярких участков изо-

бражения. К этой группе помех можно отнести искажения в

канале, а также

многоконтурность, создаваемую повторным приемом отраженного сигнала.

4. Флуктуационная помеха – это флуктуации светового потока, фо-

тотока, тока сигнала (тока луча или вторично-электронного тока и т.п.). По-

мимо помех, возникающих в самих источниках сигнала, добавляются также

помехи, возникающие в усилительном тракте и тракте передачи и приема.

Такая помеха

имеет непрерывный спектр. Так как полоса канала ограничена,

то эта помеха несколько напоминает импульсную.

При малом отношении сигнал/помеха на изображении возникают ис-

кажения в виде мелких точек, меняющих свое местоположение от кадра к

кадру, что создает впечатление мерцания, подобного снежному вихрю. Наи-

более отчетливо эти помехи проявляются на черно-

серых участках изобра-

жения. При рассматривании с расстояния, при котором глаз перестает разли-

чать структуру помех, последние создают как бы дополнительную яркость

183

фона изображения и эквивалентны внешней засветке экрана, что приводит к

снижению контраста изображения.

Для обеспечения высокого качества ТВ изображения помехи первых

трех групп должны быть сведены к минимуму, что вполне возможно, так как

эти помехи являются «посторонними», не зависят от процесса формирования

ТВ изображения. Флуктуационные помехи являются органической частью

ТВ сигнала

, и при проектировании и реализации системы они должны быть

сведены к приемлемому минимуму. В среднем можно считать, что качество

изображения в зависимости от ψ может быть оценено как «отличное» при

ψ=33 дБ, «хорошее» – при ψ=30 дБ и «удовлетворительное» – при ψ=27 дБ.

При этом отношение сигнал / флуктуационная помеха

ψ=20 lg (E

п.действ

(3.16)

где E

– номинальный размах ТВ сигнала (от уровня черного до уровня бело-

го); E

п.действ

- действующее значение напряжения помехи в рабочей полосе

частот.

184

4. Стандарты цветного телевидения

Разработка и внедрение систем цветного телевидения происходили в

условиях широко разветвленной сети черно-белого телевизионного вещания.

Это привело к ряду ограничений на проектируемые системы цветного теле-

видения, связанные, в первую очередь, с тем фактом, что в мире было произ-

ведено большое число приемников черно-белого изображения. Поэтому на

первый план вышла

проблема обеспечения совместимости цветного и черно-

белого телевидения. Проблема потребовала дополнительных исследований в

области восприятия цвета зрительной системой человека и передачи телеви-

зионного изображения по каналам связи. Ниже рассмотрены теоретические

основы цветового зрения и основные подходы к решению проблем совмес-

тимости цветного и черно-белого изображения.

4.1. Основы цветового зрения. Совместимость

передачи черно-

белых и цветных изображений

Свет (цвет) есть результат действия на органы зрения электромагнитно-

го излучения видимого диапазона. Все встречающиеся в практике излучения

можно разделить на две группы: монохроматические (одноцветные) и слож-

ные. Если световой поток создается излучением одной длины волны или

очень узким участком спектра, то он называется

монохроматическим, а цве-

та, наблюдаемые при таком излучении – спектральные. Волны разной длины

вызывают ощущения различных цветов. Каждый цвет непрерывно перехо-

дит в следующий, образуя множество оттенков (других спектральных цве-

тов). Естественные источники излучения являются сложными и состоят из

совокупности большего или меньшего числа монохроматических излучений.

По оценке зрительного аппарата все цвета

условно делятся на темные и

светлые. К темным относятся синий, фиолетовый, темно-красный; к светлым

– желтый, зеленый, голубой.

В повседневной жизни нас окружают в основном несветящиеся предме-

ты, которые отражают или пропускают свет источника освещения. Отражен-

ный световой поток и создает ощущение цвета предмета. Цвет как физиче-

ское явление характеризуется

яркостью, длиной волны и чистотой цвета.

Субъективными качественными характеристиками являются цветовой

тон и насыщенность.

Цветовым тоном называют то свойство цвета, которое позволяет оце-

нить его как красный, зеленый, синий и т.д.

Насыщенность цвета – это степень отличия данного цвета по зритель-

ному восприятию от белого. Максимальной насыщенностью обладают спек-

тральные

цвета, а нейтральные цвета (белый и серый) имеют нулевую насы-

щенность.

Совокупность цветового тона и насыщенности называют цветностью.

185

Под чистотой цвета понимают относительное содержание в нем спек-

трального цвета.

Одним из основных требований, предъявляемых к системе цветного те-

левидения является совместимость.

Под совместимостью понимают свойство системы цветного телевиде-

ния обеспечивать:

1. Прием сигналов цветного телевидения и воспроизведение изображе-

ний черно-белым телевизором (прямая совместимость).

2. Прием сигналов черно-белого телевидения

и воспроизведение изо-

бражений цветным телевизором (обратная совместимость).

3. Передачу телевизионного сигнала цветного и черно-белого телевиде-

ния по одному и тому же каналу связи.

Рассмотрим, каким образом решается проблема совместимости.

В теории и практике цветного телевидения (а также цветных фото-

графий и кино) широко используется трехкомпонентная теория цветового

зрения, высказанная

М.В. Ломоносовым в 1756 г. и наиболее полно разрабо-

танная через полтора столетия Г. Гельмгольцем (отметим, что существуют и

другие теории цветового восприятия: четырехкомпонентная, семикомпо-

нентная и разрабатываемая в последнее время нелинейная теория воспри-

ятия цветов). Согласно этой теории предполагается существование трех ви-

дов колбочек с различной спектральной чувствительностью. Эти

колбочки

раздельно реагируют на красный R, зеленый G и синий В цвета. Поступаю-

щий на сетчатку глаза сложный световой поток воздействует на указанные

колбочки одновременно. Степень возбуждения каждого вида колбочек зави-

сит от наличия и интенсивности тех или иных спектральных составляющих.

Несмотря на то, что в общем случае на сетчатку попадают

лучи с различны-

ми длинами волн, зрительный аппарат воспринимает какой-то один резуль-

тирующий тон. При одинаковом возбуждении колбочек возникает ощущение

белого цвета. Для каждого цвета можно подобрать другой (дополнитель-

ный), при оптическом смешении с которым в определенных пропорциях

можно получить серый или белый цвет. Например, дополнительными цвета-

ми являются

попарно: красный и голубовато-зеленый, оранжевый и голубой,

желтый и синий и др. Любой цвет может быть получен смешением трех ос-

новных взаимно независимых цветов. К ним относятся монохроматические

излучения с длинами волн: λ

= 700,1 нм – красный цвет; λ

= 546,1 нм – зе-

леный цвет и λ

= 435,8 нм – синий цвет. Цвета R, G и В – взаимно незави-

симы. Это означает, что ни один из них не может быть получен смешением

двух каких-либо других цветов. Составляющие смеси цветных лучей не раз-

личаются раздельно, а воспринимаются в виде одного результирующего цве-

та. Ощущение одного и того же цвета может

возникнуть при различных

спектральных составах излучений. Такие цвета называются метамерными.

Все же остальные цвета могут быть получены смешением трех основных,

186

взятых в соответствующих количествах, – r

, g

, b

. То есть всегда осущест-

вимо количественное и качественное равенство:

F = r

⋅R + g

⋅G + b

⋅B.

(4.1)

Величины r

⋅

R, g

⋅

G, b

⋅

B называют цветовыми компонентами потока F.

Установлено, что мощность суммарного потока (или яркость) равна сумме

мощностей (яркостей) смешиваемых потоков. Иными словами, любой цвет

может быть получен алгебраическим сложением трех основных цветов, рав-

но как и любой сложный цвет (включая и белый) может быть разделен на

три основных.

Создана колориметрическая система

RGB, в которой в качестве ос-

новных приняты цвета с доминантами

= 700,1 нм,

= 546,1 нм,

435,8 нм. Установлено также, что с их помощью можно получить все цвето-

вые тона, но чистота их всегда будет меньше 100%, то есть нельзя получить

спектрально чистые цвета, так как для них координаты цвета r

, g

, b

могут

иметь отрицательные значения.

При выборе основных цветов необходимо установить и их яркости.

Удобно яркости основных цветов взять такими, чтобы белый цвет создавал-

ся от смешения их в равных количествах, то есть r

=1/3. Путем стати-

стических исследований установлено, что эти условия выполняются в слу-

чае, когда яркости эталонов находятся в соотношении

=1:4,5907:0,061. Это соотношение означает: если в качестве красно-

го взять источник яркостью 1 кд/м

, то яркости источников двух других ос-

новных цветов должны составлять: L

=4,5907 кд/м

, L

=0,061 кд/м

Если яркость одного из основных цветов принимается за единицу

(например, L

=1), то относительные яркости основных цветов L

, L

, при

смешении которых в равных количествах получают белый цвет, называют

яркостными коэффициентами.

Таким образом, для анализа и синтеза цветного изображения необхо-

димо и достаточно передавать и принимать изображение в трех основных

цветах. Это может быть реализовано фильтрацией светового потока, форми-

рованием сигналов основных цветов, передачей и приемом этих сигналов,

воспроизведением

трех цветоделенных изображений и, наконец, сложением

их в одно цветное изображение.

Передача и прием цветоделенных изображений в соответствии с за-

конами восприятия цвета могут быть произведены как последовательно во

времени, так и одновременно. В первом случае система цветного телевиде-

ния называется последовательной, а во втором - одновременной.

В последовательной системе за

время передачи одного полного кадра

цветного изображения необходимо передать три цветоделенных кадра, то

есть скорость кадровой и строчной разверток и скорость передачи информа-

187

ции возрастают в три раза, а, следовательно, и спектр сигналов изображения

увеличивается в три раза.

В одновременной системе необходимо использовать три канала связи,

аналогичных каналам связи черно-белого телевидения. Важным является то,

что все три одновременно существующих сигнала цветоделенных изображе-

ний могут быть дополнительно обработаны в передающих и приемных уст-

ройствах

телевизионной системы.

Очевидно, условия совместимости невозможно соблюсти для последо-

вательной системы цветного телевидения, что делает ее непригодной для це-

лей телевизионного вещания. Однако сравнительная простота технической

реализации не исключает ее использования в прикладных целях.

В одновременной системе цветного телевидения можно обеспечить тре-

бование равенства частот кадровой и строчной разверток, но

непосредствен-

но без дополнительной обработки сигналов изображения нельзя использо-

вать канал черно-белого телевидения. Использовать этот канал можно толь-

ко с помощью колориметрического кодирования сигналов основных цветов

и уплотнения их спектров.

Итак, для обеспечения совместимости необходимы два условия.

1. Колориметрическое кодирование основных цветов.

2. Уплотнение спектров сигналов основных цветов.

Сущность колориметрического кодирования

заключается в формирова-

нии раздельных сигналов, несущих информацию о яркости деталей изобра-

жения и об их цветности. При колориметрическом кодировании в значи-

тельной мере устраняется избыточность информации, вызванная трехкомпо-

нентным анализом и синтезом изображений.

Рассмотрим сущность метода колориметрического кодирования. Введем

допущения:

а) основные цвета передающей камеры тождественны основным цветам

кинескопа;

б) преобразование свет-сигнал и преобразование сигнал-свет и канал

связи линейны;

в) уровни сигналов E

, E

на выходе первичных каналов при переда-

че белого поля удовлетворяют условию E

= E

, то есть в качестве опор-

ного выбран равноэнергетический белый цвет.

Каждый из сигналов E

, E

несет в себе долю информации о цветно-

сти и яркости передаваемого цвета. Ни один из них не может быть использо-

ван в качестве сигнала черно-белого телевидения. Как следует из (1.1), из

цветоделенных сигналов может быть сформирован яркостный сигнал

=rE

+gE

+bE

. Этот сигнал несет в себе полную информацию о яркости

изображения. Вместо передачи трех сигналов основных цветов можно пере-

дать лишь два из них и сигнал яркости. Последний аналогичен сигналу чер-

но-белого изображения и передача его в канал связи обеспечивает прямую

совместимость систем цветного и черно-белого телевидения.

188

Информация о яркости, содержащаяся в сигнале основных цветов, явля-

ется избыточной, так как она находится в яркостном сигнале E

. Чтобы уст-

ранить эту избыточность, нужно формировать цветоразностные сигналы, на-

пример, E

R-Y

-E

и E

B-Y

-E

. Это повышает помехозащищенность сис-

темы, так как помехи, возникающие в каналах передачи цветоразностных

сигналов, будут искажать только цвет деталей, не искажая их яркость. Отме-

тим, что для черно-белых участков цветного изображения сигналы

R-Y

B-Y

=0.

Как известно, цветоразрешающая способность зрительной системы в

несколько раз ниже яркостной разрешающей способности, поэтому можно

не передавать информацию о цвете мелких деталей, что позволяет сократить

полосу частот канала передачи цветоразностных сигналов. Как показывает

опыт, выбрав в качестве цветоразностных сигналов красный и синий, спектр

каждого можно сократить до 1,5 МГц. По этой

же причине можно сократить

и число строк разложения для цветного изображения, что косвенно реализо-

вано в отечественной системе цветного телевидения, в которой передаются

сигналы E

, E

R-Y

, E

B-Y

; причем два последних из них - через строку.

Восстановление сигналов основных цветов E

, E

в приемниках

для воспроизведения цветоделенных изображений на экранах кинескопов

называется колориметрическим декодированием.

Итак, колориметрическое кодирование и декодирование позволяют

реализовать полную совместимость.

Специфика спектра телевизионного сигнала (он является линейча-

тым) позволяет выполнить требования уплотнения сигналов цветоделенных

изображений (то есть обеспечить одинаковую ширину спектра полных теле-

визионных сигналов черно-белого и цветного

изображений) путем введения

поднесущих. Если цветовую поднесущую f

поместить в свободный частот-

ный промежуток, то и все частоты модулированных сигналов также размес-

тятся на свободных участках спектра. Такое совмещение частотных спектров

возможно лишь при определенном выборе поднесущей f

, а именно: она

должна быть нечетной гармоникой половины строчной частоты, то есть

= (2n + 1)⋅0,5⋅f

стр

, где n - целое число; f

стр

- частота строчной развертки.

Очевидно, что метод совмещенных спектров может быть использован только

в одновременной системе.

При таком уплотнении цветной телевизионный сигнал от цветного изо-

бражения занимает стандартную полосу сигнала черно-белого телевидения.

В этой полосе частот передается яркостный сигнал, причем он занимает всю

полосу и сигналы цветности E

R-Y

, E

B-Y

. Сигналы цветности передаются с

меньшей полосой частот, модулируя поднесущую, размещенную внутри

спектра сигнала E

Выбор поднесущей f

обусловлен рядом факторов.

Во-первых, она должна быть наиболее высокой в яркостном спектре

частот, чтобы изображение от нее было мало заметно на экране черно-белых

189

телевизоров: при неполном гашении поднесущей, лежащей внутри видео-

спектра, изображение от нее появляется на экране в виде мелкоструктурной

сетки.

Во-вторых, поднесущая f

должна отстоять от верхней частоты видео-

спектра, по крайней мере, на полосу сигнала цветности, верхняя частота ко-

торой f

max

. Принимая пределы f

равными 0,4...0,5, будем иметь f

max

= f

(0,4...0,5)f

= 6,25 МГц (верхняя частота спектра видеосигнала на уровне 6

дБ). Отсюда f

= 4,46...4,17 МГц.

Для отечественного телевизионного стандарта используются следую-

щие параметры.

1. Частота цветовой поднесущей f

= 4,429688...4,43 МГц, что соответст-

вует 567-й гармонике 0,5f

стр

(по стандарту f

стр

=15625 Гц).

2. Полоса частот (на уровне 6 дБ) яркостного сигнала E

составляет 6,25

МГц, сигналов цветности E

R-Y

= E

B-Y

= 1,5 МГц.

Итак, основной проблемой при создании систем цветного телевидения

являлась проблема совместимости с существующим парком черно-белых те-

левизионных приемников. Решение проблемы совместимости стало возмож-

ным на основе использования колориметрического кодирования и декодиро-

вания сигналов цветного изображения. Линейчатая структура спектра теле-

визионного сигнала позволила осуществить передачу цветоразностных сиг-

налов в

спектре яркостного сигнала.

4.2. Полный телевизионный сигнал цветного изображения

В соответствии с ГОСТ 7845-79 полный телевизионный сигнал цветно-

го изображения включает сигналы яркости, цветности, цветовой синхрони-

зации (опознавания строк), гашения обратных ходов и синхронизации раз-

верток.

Таким образом, отличие от сигнала черно-белого изображения заключа-

ется в наличии следующих элементов: сигналы цветности

и сигналы цвето-

вой синхронизации.

Сигнал цветности передается двумя чередующимися от строки к строке

цветовыми поднесущими, расположенными в высокочастотной части спек-

тра яркостного сигнала и промодулированными по частоте цветоразностны-

ми сигналами E

R-Y

и E

B-Y

Номинальные частоты цветовых поднесущих при отсутствии модуля-

ции f

= 282⋅f

стр

= 4406,25 ±2 кГц, f

=272⋅f

стр

= 4250,00±2 кГц.

Разнос средних частот цветовых поднесущих способствует повышению

помехоустойчивости приема.

Размах и полярность цветоразностных сигналов до модуляции ими под-

несущих частот изменяется в соответствии с соотношениями:

= - 1,9E

R-Y

, D

= + 1,5E

B-Y

(4.2)

190

С целью повышения помехоустойчивости приема низкочастотного сиг-

нала D

и D

подвергаются предкоррекции путем пропускания через цепь с

коэффициентом передачи

нч

= [1 + jf/f

]/[1 + jf/kf

], (4.3)

где f - текущая частота, кГц; f

=85 кГц; k=3.

АЧХ фильтра (4.3) обеспечивает примерно трехкратный подъем верх-

них частот. Спектр цветоразностных сигналов дополнительно ограничивает-

ся в фильтре нижних частот до 1,5 МГц.

На приемной стороне вводится корректирующая цепь с обратной харак-

теристикой, ослабляя верхние частоты продетектированных сигналов, вос-

станавливая их исходный спектр и одновременно подавляет наиболее замет-

ные на

выходе ЧМ канала высокочастотные компоненты шумов.

Номинальные девиации частот цветоразностных сигналов составляют:

Δf

=280±9 кГц, Δf

=230±7 кГц.

Немодулированная цветовая поднесущая, кратная частоте строчной раз-

вертки, при условии неизменной фазы колебаний в начале каждой строки

отображается на изображении в виде вертикальных полос. Для обеспечения

частотного перемежения спектра яркостного сигнала со спектром сигналов

цветовой поднесущей и уменьшения заметности последней на изображении

фазу цветовой поднесущей коммутируют на противоположную

от поля к по-

лю, а также либо в начале и в конце каждой третьей строки, либо через каж-

дые три строки. При этом штриховая структура цветовой поднесущей пре-

образуется на изображении в менее заметную для глаз точечную структуру.

С целью повышения помехоустойчивости приема частотно-

модулированный сигнал цветности подвергается амплитудным предыскаже

ниям путем пропускания через цепь с коэффициентом передачи:

вч

= (1 + j16F)/(1 + j1,26F), (4.4)

где F=f/f

- f

, f - текущая частота, кГц, f

= 4286±20 кГц.

Благодаря высокочастотным предыскажениям отношение сигнал/шум

повышается в наибольшей мере на цветовых переходах и цветах, передавае-

мых с большими девиациями частоты, сигналы которых в наибольшей мере

ослабляются в приемнике. В то же время на крупных однородно окрашен-

ных участках изображения со средней насыщенностью цветов девиация час-

тоты и

размах сигналов остаются небольшими и не ухудшают совместимо-

сти системы.

Для устранения помех по каналу синхронизации разверток приемника

сигналы поднесущих частот подавляются на кадровом гасящем импульсе (за

исключением интервалов передачи сигналов опознавания строк) и на строч-

ном гасящем импульсе (за исключением защитного интервала длительно-

стью 5 мкс в конце строчного гасящего импульса