Ключові положення. Основною проблемою, що виникла під час початку мовлення сигналів кольорового телебачення, була необхідність забезпечення сумісності з існуючим парком

Основною проблемою, що виникла під час початку мовлення сигналів кольорового телебачення, була необхідність забезпечення сумісності з існуючим парком чорно-білих (монохромних) ТВ приймачів. Сумісність мала передбачати при єдиному передаваному відеосигналі кольорового телебачення можливість відтворення монохромного аналогу кольорового зображення на ТВ приймачах чорно-білого телебачення без необхідності внесення будь-яких схемотехнічних змін в обладнання користувача. Окрім того, приймач кольорового телебачення має підтримувати відтворення монохромних зображень.

Таким чином, система передавання кольорових зображень має забезпечувати передавання інформації щодо монохромного аналогу кольорового зображення, синхроімпульси та звукового підносійного коливання в такій самій формі, як й системі чорно-білого телебачення. Окрім того, в цей сигнал має бути включено додаткову інформацію щодо кольорів. Більш того, внаслідок обмеженості радіочастотного ресурсу, сигнал кольорового телебачення мав передаватись за тієї ж самої ширини смуги частот, що її використовують в системах чорно-білого телебачення. Яким чином це реалізується розглянуто нижче.

Світло та колір. На рис. 3.1 приведено спектр електромагнітних коливань, що його (якщо розглядати в контексті цієї учбової дисципліни) частково використовують для передавання сигналів телевізійного й звукового мовлення.

Рисунок 3.1 ‑ Спектр електромагнітних коливань

Зокрема, в діапазонах ДВЧ передають сигнали звукового мовлення, в той час як для наземного (ефірного) телевізійного мовлення використовують частину ДВЧ-діапазону та більшість УВЧ-діапазону. Вище мовленнєвих діапазонів частот за спектром розташовано інфрачервоне випромінювання, а за ним ‑ вузька смуга частот (між приблизно 4 10⁸ та 4 10⁸ МГц). Електромагнітні коливання в цій смузі частот сприймаються людиною як світло.

Світлові випромінювання, які сприймає зоровий апарат людини, лежать в діапазоні довжин хвиль 380...780 нм. В результаті дії випромінювань в такому діапазоні у людини виникає відчуття кольору, тобто колір є результат суб'єктивного сприйняття зоровим апаратом об'єктивно існуючих випромінювань.

Інформацію про колір людина сприймає наступним чином. Світлові коливання потраплять в око через зіницю, яка фокусує зображення на сітківку (див. рис. 3.2). Сітківка є чутливою до електромагнітних коливань в межах видимого діапазону хвиль, що дозволяє перетворити електромагнітну енергію в цьому діапазоні в певну інформацію. Ця інформація через волокна оптичних нервів подається до мозку.

Рисунок 3.2 ‑ Спрощена структура ока людини

Сітківка містить в собі велику кількість світлочутливих клітин. Клітини, що відомі як палички, є чутливими тільки до зміни світлоти (або яскравості); клітини, що відомі колбочки, чутливі тільки до зміни кольору (або колірність). Кількість паличок більше за кількість колбочок в 20 разів та вони у 10000 разів більш чутливі. Таким чином, око є більш чутливим до зміни яскравості зображення, ніж його колірності.

Параметри кольору. Колір прийнято характеризувати двома групами параметрів ‑ суб'єктивними і об'єктивними, причому кожному суб'єктивному параметру відповідає приблизна кількісна міра, тобто об'єктивний параметр.

Першим суб'єктивним параметром є колірний тон. Увесь спектр монохроматичних випромінювань умовно розбитий на сім основних груп кольорів (таблиця 3.1), що називають колірним тоном. Цьому параметру відповідає об'єктивний параметр ‑ домінуюча довжина хвилі .

В табл. 3.1 приведено колірний тон й відповідна домінуюча довжина хвилі.

Таблиця 3.1 ‑ Колірний тон й відповідна домінуюча довжина хвилі

Другим основним суб'єктивним параметром є чистота кольору, якій відповідає об'єктивний параметр ‑ насиченість. Насиченість вказує на міру розведеності монохроматичного кольору білим.

Насиченість і колірний тон несуть інформацію про колірність телевізійного зображення.

Третій суб'єктивний параметр ‑ світлота, якому відповідає яскравість.

Первинні кольори. Особливості сприйняття кольору людиною можна пояснити на основі трикомпонентної теорії зору. Згідно цієї теорії допускається присутність на сітківці ока трьох видів рецепторів, кожен з яких сприймає певну ділянку видимого спектру ‑ короткохвильові коливання (відповідає області синього кольору в спектрі), середньохвильові коливання (відповідає області зеленого кольору в спектрі) і довгохвильові коливання (відповідає області червоного кольору в спектрі). Ізольоване збудження одного з цих рецепторів дає відчуття одного з трьох насичених кольорів ‑ синього, зеленого і червоного. Зазвичай, впливаюче випромінювання містить увесь спектр видимого діапазону хвиль, але з різною спектральною інтенсивністю. Це приводить до роздратування не одного, а двох або трьох рецепторів одночасно, що і викликає відчуття кольору.

Таким чином, при виборі деякої групи кольорів, які називаються основними або первинними, за рахунок того, що вони не можуть бути отримані шляхом змішення інших складових в групі, можна отримати певну кількість комплементарних кольорів шляхом їх змішування в певній пропорції. У різних застосуваннях використовують різні групи основних кольорів. У телебаченні як основні кольори вибрані такі: червоний, зелений і синій. Такий простір кольорів дістав назву RGB.

Існує два основні способи отримання певного кольору.

Перший спосіб ‑ це адитивний. Максимуми спектральної чутливості ока знаходяться на синьо-зелене світло, жовто-зелене і жовто-помаранчеве. При однаковому збудженні трьох типів рецепторів у людини виникає відчуття білого світу. Колірні складові R, G і В, відповідно до теорії Юнга-Максвелла, є основними кольорами, тобто жоден з них не може бути отриманий змішенням двох інших. Усі інші колірні відтінки можуть бути отримані змішенням цих трьох основних кольорів, якщо взяти їх у відповідних кількостях, тобто завжди виконується кількісна і якісна рівність:

Наприклад, можливе таке адитивне змішування кольорів

Y (жовтий) = R + G;

M (пурпуровий) = R + B;
C (блакитний) = B + G;
W (білий) = R + G + B.

Жовтий, пурпуровий та блакитний також відомі як комплементарні кольори. При додаванні до комплементарного кольора первинного кольора, що не входить до комплементарного, завжди буде білий. Відповідно жовтий, пурпуровий та блакитний кольори є комплементарними для синього, зеленого та красного кольорів відповідно.

Наприклад, якщо до жовтого додати синій колір, тоді отримаємо:

Y + B = (R + G) + B = W

Другий спосіб ‑ це субтрактивний, при якому необхідний колір отримують шляхом віднімання з білого кольору одного або декількох основних кольорів в певній пропорції.

Наприклад, жовтий можливо отримати субтрактивним методом так:

W - B = (R +G+B) - B = (R+G) = Y.

У телевізійних застосуваннях застосовують адитивне змішування кольорів, яке може бути реалізоване декількома способами.

Перший спосіб ‑ це локальне змішення кольорів, при якому на одну поверхню одночасно або послідовно проектується два або більш випромінювань. При просторовому змішенні кольорів ділянки, що забарвлюються змішуваними кольорами, мають досить малі розміри, і око їх сприймає як єдине ціле. Цей спосіб використовують при відтворенні зображень.

Бінокулярним змішенням називається змішення двох або декількох кольорів шляхом роздільного роздратування лівого і правого ока різними кольорами, внаслідок чого виникає відчуття нового кольору.

Діаграма колірності. Повний набір кольорів утворює діаграму колірності, що показано на рис. 3.3. Відтворювані в телебаченні кольори розташовано в межах підковоподібної діаграми в межах трикутника (так званого колірного трикутника або трикутника Максвела). Для спектральних кольорів визначено довжину хвилі (у нм).

Кольори, що розташовано між червоним та синім кольорами, не мають еталонних довжин хвилі. Це пов'язано з тим, що вони є " неспектральними" кольорами, що утворено змішуванням компонентів з протилежних кінців видимого спектру.

Як було зазначено вище, колір може бути представлений за допомогою кольорового трикутника, що його надано на рис. 3.4. Кожен колір в цьому трикутнику визначається трьома координатами ‑ відповідно r, g, b. Білий колір в цьому трикутник в центрі трикутника представлено точкою W, в той час як інші кольори представлено векторами, що їх проводять з точки W до точки на стороні або всередині трикутника. Вектори WR, WG та WB, що проводять до трьох кутів трикутника, відповідають первинним кольорам (червоному, зеленому та синьому). Інші кольори, такі як жовтий, пурпуровий та блакитний розташовано в трикутнику вздовж векторів WY, WM та WC.

Рисунок 3.3 ‑ Діаграма колірності та колірний трикутник,
що його використовують в телебаченні

Вершина вектору WR на рис. 3.4 відповідає червоному кольору, що має насиченість 100 %. Для отримання іншого відсотку насиченості необхідно розбавляти первинний червоний колір білим кольором. Наприклад, якщо до червоного кольору в певній пропорції додати білий колір, тоді можливо отримати рожевий колір. На колірному трикутнику це відповідає переміщенню вдовж вектору WR від точки R до точки W.

Рисунок 3.4 ‑ Трикутник Максвела

Тобто, довжина вектору, що його опущено точки на стороні трикутника до необхідної точки, відповідає насиченості. Наприклад, точка R_{0, 5} відповідає красному кольору з насиченістю 50 %.

Колірна температура. Насправді, досить не просто визначити, що таке білий колір. Білий може бути різним та визначається внеском кожного з первинних кольорів. Тому для того, щоб охарактеризувати білий колір, використовують такий параметр, як колірна температура. Колірна температура має одиниці виміру Кельвіни (К) та визначається як температура, за якої абсолютно чорне тіло почне випромінювати світло, що буде сприйматись як білий. Наприклад, червонуватий колір від свічки має колірну температури 1200 К, біле світло має температуру приблизно 5500 К, колір блакитного неба в сонячну погоду має температуру 8000 К. Необхідно зазначити, що червоний має нижчу колірну температуру ніж блакитний. В телебаченні використовують білий колір, що має колірну температуру 6500 К та який позначається як джерело типу D₆₅. Його зображено як точку на рис. 3.3 на діаграмі колірності.

Основні принципи передавання інформацію щодо кольору. Для задовольняння вимог щодо забезпечення сумісності, сигнал яскравості в системі кольорового телебачення передають також, як й системі чорно-білого телебачення. Таким чином, необхідно з передаваного кольору вилучити інформацію щодо яскравості.

Для реалізації цього здійснюється колориметричне кодування, в результаті чого утворюється чотири сигнали ‑ сигнал яскравості (E_Y) та три кольорорізницеві сигнали (E_R-Y, E_G-Y та E_B-Y). Однак, враховуючи те, що сигнал яскравості містить вже інформацію з трьох кольорів R, G та B, тоді можливо передавати тільки два кольорорізницеві сигнали, а третій просто відновити. Таким чином, серед кольорорізницєвих сигналів передають тільки червонорізницевий та синерізницевий сигнали. Після формування обох кольорорізницевих сигналів їх ущільнюють до спектру сигналу яскравості таким чином, щоб мінімізувати перехресні завади. Реалізують це за допомогою квадратурної модуляції двома компонентами колірності зображення за частоти підносійного коливання
4, 43 МГц для системи PAL й 3, 58 МГц для системи NTSC.