Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

шиеся два сигнала потребуют всего лишь 1/4b каждый, в сумме занимая 1/2b (Hunt,

1967), то есть вместо 3b, которые необходимы системе последовательных полукадров

(см. рис. 19.2). Более того, возможна и дальнейшая редукция полосы, при которой

два сигнала требуют много меньшей ширины полосы, чем третий (что будет обсуж

даться в разделах 19.9 и 19.11). Таким образом, системы, использующие один ярко

стный и два хроматических сигнала, по степени экономии полосы частот радикально

выигрывают перед системами, построенными на передаче трихроматических (кар

динальных) сигналов.

У обсуждаемых систем есть еще два важных преимущества, обязанных примене

нию отдельного яркостного сигнала:

— вопервых, модифицирующие сигналы А и В, о которых речь шла выше, могут

возникнуть из разных источников, и, следовательно, если, к примеру, E

и

сигналы подвержены интерференции, то они не окажут влияния на яркостный

компонент воспроизводимых стимулов. Сие замечательно, поскольку зрение более

чувствительно к изменениям фотометрической яркости стимулов, нежели их цветно

сти (кстати говоря, принцип, на котором основана работа фликкерных фотометров), а

именно: обнаружено, что зрение толерантно примерно к в 2.5 раза большему «шуму» в

хроматических каналах системы, нежели в яркостном. В целом, E

сигнал тоже под

вержен интерференции, однако такой же ее уровень в E

иE

сигналах не создает ви

зуальных проблем.

— вовторых, один из трех передаваемых сигналов, будучи сигналом яркостным,

может весьма эффективно использоваться при воспроизведении монохромных изобра

жений на чернобелых телеприемниках; при этом, правда, необходимо, чтобы прием

ники эти игнорировали сигналы хроматические (что требуется при создании моно

хромных версий цветных телепередач). Следовательно, использование яркостного

сигнала весьма и весьма способствует обеспечению совместимости между цветными и

чернобелыми телесистемами.

19.7.3 Отрицательные величины

Несмотря на то, что алгебраические построения указывают на возможность всегда

получать корректное значение E

(причем даже тогда, когда E

иE

сигналы несут в

себе погрешности), сие оказывается неверным, если возникают отрицательные значе

ния E

: телеприемник не может выдать отрицательное количество зеленого карди

нального стимула. Коль скоро видоизмененный «зеленый» сигнал, E

, вычисляется

по формуле:

()()

=- +- +

то, когда положительные величины «А»и«В» достаточно велики, значение E

может

оказаться отрицательным. Такое, к примеру, может произойти при попытке воспро

извести пурпурные стимулы высокой колориметрической чистоты: высокочистые

пурпурные уравниваются смесью лишь красного и синего кардинальных стимулов (то

есть E

= 0), то есть для таких стимулов:

== - -0

451

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

452

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

Рис. 19.2 Визуализация телеприемником различных PALсигналов (см. разделы 22.6 и 22.8):

а — только яркостный сигнал; b — только цветоразностные сигналы

; с — толь

ко

сигнал; d — только

сигнал; e — только яркостный и

сигналы; f —

только яркостный и

сигналы; g — полный комплект сигналов.

Когда яркостный сигнал отсутствует, экран имеет равномерную фотометрическую яр

кость, благодаря чему появляется возможность увидеть результат визуализации только цвето

разностных сигналов. Цветоразностные сигналы занимают четверть полосы и четверть верти

кального разрешения яркостного сигнала, но неизбежное снижение хроматического разреше



ния становится заметным толко в отсутствие яркостного сигнала (см. раздел 19.7).

Слайды любезно предоставлены Управлением независимого телевидения Великобритании.

и, следовательно:

=- -

Предположим теперь, что имеется некий мелкий паттерн светлых и темных высоко

чистых пурпурных стимулов одинаковой цветности. E

иE

сигналы будут усреднены,

и по светлым областям изображения значения E

и E

окажутся меньше, чем E

и E

Следовательно, A и B отрицательны, а значение E

, соответственно, положительно. В

результате, интересующая нас область будет воспроизведена с несколько большей фото

метрической яркостью, чем необходима для корректной телерепродукции.

У темных областей E

и E

окажутся больше, чем E

и E

, то есть A и B будут поло

жительны, делая E

отрицательным. Телеприемник, как уже было сказано, не может

воспроизвести зеленый кардинальный стимул в отрицательном количестве, необходи

мом для компенсации избыточной фотометрической яркости стимула результирую

щего, и фотометрическая яркость темной части паттерна окажется чересчур высокой.

Отметим, что погрешности такого рода возможны лишь в тех паттернах, где зеле

ный сигнал очень мал (таких, в частности, как высоконасыщенные пурпурные), и где

яркостная разница между элементами паттерна достаточно велика.

19.8 ЦВЕТОРАЗНОСТНЫЕ СИГНАЛЫ

Как уже говорилось выше, существует определенный резон в том, чтобы вместо

трансляции сигналов E

, E

и E

, яркостный сигнал сопроводить двумя цветоразност

ными, в частности E

– E

и E

– E

; приемник же затем вполне в состоянии восстано

вить «зеленый» сигнал E

– E

, выполнив операцию:

()()

LLL

RGB

---

----

Однако положительный эффект от цветоразностных сигналов в полной мере прояв

ляет себя только тогда, когда яркостный сигнал строится из E

, E

иE

сигналов, то

есть, равен:

lE mE nE

RGB

где:

()

lL LLL

mL LLL

nL LLL

=++

RRGB

GRGB

RRGB

то есть:

l + m + n = 1.0

Дабы в дальнейшем отличать новый яркостный сигнал от E

, мы обозначим первый

как E

(подстрочный индекс «Y» — это Yось координатной системы CIE XYZ). Отме

тим, что E

попрежнему остается подлинной мерой фотометрической яркости воспро

изводимых стимулов, но выражаемой в единицах, численное значение которых в

+ L

) раз больше, чем у E

453

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

Цветоразностными сигналами теперь будут E

– E

и E

– E

, и приемник может

восстановить сигнал E

– E

, выполнив операцию:

()()

GY RY BY

-=- - - -

(до которого упрощается выражение для E

– E

, когда E

, l, m и n заменены на E

, L

,иL

). Эта операция заметно проще, чем восстановление E

– E

сигнала, но главное

ее значение в том, что коль скоро задействуются только два сигнала низкого разреше

ния (E

– E

и E

– E

), схема смешения низкочастотных откликов, используемая при

этой операции, ощутимо упрощает устройство и снижает стоимость телеприемника.

Три передаваемых сигнала представляют собой в этом случае высокодеталированный

яркостный сигнал «E

» и два недеталированных цветоразностных сигнала —

«E

– E

» и «E

– E

» (см. рис. 19.3).

В телеприемнике E

сигнал высокого разрешения можно добавить теперь ко всем

трем сигналам E

– E

, E

– E

и E

– E

, что требуется для получения необходимых

«кардинальных» сигналов визуализации E

, E

и E

. Одним из удобных путей выпол

нения сего с помощью электроннолучевой трубки является применение трех цвето

разностных сигналов низкого разрешения (E

– E

, E

– E

и E

– E

) к модуляторам

электронных пушек трубки и аналогичного яркостного сигнала высокого разрешения

) к их трем катодам (см. раздел 21.1).

У идеи применения цветоразностных сигналов есть ряд дополнительных преиму

ществ, которые, однако, проявляют себя лишь тогда, когда соблюдено еще одно усло

вие:

относительные чувствительности трех каналов телекамеры должны быть тако

вы, что в ответ на белые, серые и черные стимулы сцены E

= E

Поскольку l + m + n =1,аE

= lE

+ mE

+ nE

, то из этого следует, что по белым, се

рым и черным стимулам сцены E

= E

, и, разумеется, что цветоразностный

сигнал по этим стимулам (то есть, E

– E

и E

– E

) равен нулю. Отсюда же следует еще

ряд положительных моментов:

— вопервых, вариации относительной мощности трех сигналов E

, E

– E

и E

– E

не влияют на хроматический баланс серой шкалы воспроизводимого изображения;

— вовторых, поскольку стимулы большинства сцен, как правило, обладают низ

454

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

Òðåõòðóáî÷íàÿ òåëåêàìåðà

Òðåõïóøå÷íàÿ

ýëåêòðîííî-ëó÷åâàÿ

òðóáêà

E

-ñèãíàë íèçêîãî ðàçðåøåíèÿ

ßðêîñòíûé ñèãíàë âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ

E

-ñèãíàë ñèãíàë íèçêîãî ðàçðåøåíèÿ

Рис. 19.3 Принципиальная схема системы яркостного сигнала высокого разрешения и цвето



разностных сигналов низкого разрешения.

кой колориметрической чистотой, снижается необходимость в передаче какойлибо

информации дополнительной к той, что несет в себе E

сигнал и, следовательно, т.н.

перекрестные помехи (которые являются следствием интерференции между цветораз

ностными и яркостным сигналами) в т.н. системах частотной компрессии (см.

ниже) — минимальны.

Наконец отметим, что в тех ситуациях, в которых задействованы цветоразностные

сигналы, примени\м принцип постоянства фотометрической яркости: как уже было

сказано выше, сие можно продемонстрировать вычислением требуемой фотометриче

ской яркости воспроизводимого стимула, когда к цветоразностным сигналам добавля

ются паразитные сигналы А и В.

19.9 ПЕРЕНАСЫЩЕНИЕ ПОЛОСЫ

Безусловно то, что редукция полосы, которой удается достичь при переходе от 3b,

необходимых системе полного разрешения, к 1

b системы яркостного сигнала — это

очень серьезная экономия телересурсов. Однако было бы идеально, если бы сигналы

цветного телевидения не выходили за рамки полосы телевидения монохромного. С од

ной стороны таковое совершенно невозможно, поскольку в цветном изображении оче

видно больше визуальной информации, нежели в изображении чернобелом. Однако

если монохромный сигнал задействует свою полосу с максимальной эффективностью,

то в сэкономленное место можно в буквальном смысле слова «впихнуть» хроматиче

скую информацию, не прибегая при этом к расширению полосы. Сей принцип имену

ется принципом перенасыщения полосы.

Как уже было сказано ранее, высшие частоты модулирующих сигналов отвечают

только за воспроизведение мелких деталей изображения. Поскольку телевизионное

изображение — это результат сканирования люминесцирующей поверхности сериями

горизонтальных строк электронного луча, частоты ряда модулирующих сигналов бу

дут встречаться чаще, чем остальные (Mertz и Gray, 1934). Так в системе из 525 строк

при 30 кадрах в секунду изображение единичной вертикальной полосы будет пересе

каться сканирующим лучом 15750 раз в секунду, то есть даст 15750 Гц т.н. частоты

строчной развертки.

Если обозначить пространственную частоту строк как «f», то понятно что

hколичество вертикальных полос, равноотстоящих друг от друга на изображении, бу

дут давать частоту строчной развертки, равную hf Гц. Единственный путь, при кото

ром частота строчной развертки будет равна (h+

)f (где h — целое число) — это сме

щение полос на половину их ширины по каждой последующей строке полукадра.

На рис. 19.4 схематично показана описанная ситуация передачи изображения пря

моугольника с соотношением сторон 4´3, состоящего из 9 полос. Паттерны полос дают

следующие частоты строк: f,2f,3f и6f (первая колонка), в то время как во второй ко

лонке показаны паттерны, дающие частоты строк 1

f,2

f, 3

f и6

f. В третьей,

четвертой и пятой колонках показаны паттерны наклонных полос, аппроксимирую

щие паттерны второй колонки, и дающие, следовательно, по большей части те же час

тоты строк (1

f,2

f, 3

f и6

f). Мы видим, что угол наклона полос, дающий часто

ту строк 6

f, примерно равен 45°.

Для полукадра из 525 строк (

´525) частота строк, соответствующая паттерну по

лос, наклоненных на 45°, будет равна (

´525´4/3 +

)f, что полностью идентично

максимальной частоте строк в данной системе: (

´525´4/3)f. Следовательно, паттерн

455

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

с полосами, наклоненными на 45°, представляет конец серии паттернов, дающих про



межуточные частоты строк (h +

)f.

В подавляющем большинстве телевизионных сцен, фрагменты паттернов верти

кальных полос первой колонки рис. 19.4 наиболее типичны, нежели фрагменты ша

шечных или наклоненных паттернов прочих колонок рис. 19.4. Следовательно, в ти

пичной телевизионной передаче существуют энергетические максимумы, приходя

щиеся на частоты, умноженные на f, с паузами между этими максимумами (см.

рис. 19.5).

Более того, в большинстве телевизионных сцен мелких деталей меньше, чем круп

ных, благодаря чему сигналы высоких частот несут в себе меньше энергии, и благода

ря чему цветоразностные сигналы можно передавать на поднесущих, с бо\льшими час

тотами в яркостной полосе. Для синхронизации с энергетическими паузами яркостно

го сигнала частоты подбираются так, чтобы нечетные были кратны половине (реже

четверти) частоты строк (f).

На рис. 19.6 схематично показана гипотетическая система, в которой два цветораз

ностных сигнала переданы по двум разным поднесущим высокой частоты в яркостной

полосе.

На предлагаемой схеме (весьма часто используемой в лекциях, посвященных пере

даче телевизионных сигналов) энергия, переданная по каждой из частот, дана как

функция от частоты. Сразу отметим, что диаграмма не является собственно графиком,

но лишь схематичным представлением ситуации, в которой энергетический макси

мум дан по всем частотам. Следует особо отметить, что несмотря на ожидаемое появле

ние симметричного частотного паттерна, несущая смещена от центра полосы, по

скольку передача ведется по т.н. частично подавленной боковой полосе (см. раздел

19.4). Однако с целью сокращения интенсивности наводок (таких как интерференция

между сигналами или между цветоразностным и яркостным сигналами) в системах с

перенасыщением полосы передача цветоразностных сигналов ведется обычно по

двойной боковой полосе.

Стоит сказать, что цветоразностные сигналы дают энергию на поднесущей не толь

ко на своей частоте, но также на различных частотах выше и ниже ее. Однако вновь,

при передаче относительно редких шашечных или наклонных паттернов энергия бу

дет «концентрироваться» на частотах, отличных от частоты поднесущей, умноженной

на частоту строк (f). Следовательно, если частота поднесущей равна (h +

)f , энергия

сигнала на ней будет «концентрироваться» на частотах (h +

)f + jf, где «j» — любое

другое целое число, нечетнократное половине частоты строк. Следовательно, частоты,

на которых поднесущая дает сигнал, соответствуют тем частотам, на которых основ

ная несущая обычно не имеет сигнала и, следовательно, два частотных распределения

перемежаются.

19.9.1 Интерпретация сигнала

Нетрудно догадаться, что приемник должен «уметь» различать яркостный и цвето

разностные сигналы, что достигается за счет электронных делителей входного сигна

ла на частоты, примерно кратные частоте строк f, либо нечетнократные половине час

тоты строк, то есть: вначале сигналы толкуются как яркостные, а затем из них выде

ляются цветоразностные. Как уже было сказано — такая интерпретация единственно

верная.

По некоторым видам паттернов, в частности показанным на рис. 19.4, яркостный

456

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

457

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

f 1

f 2

f 3

f 6

Рис. 19.4 Паттерны линий, которые в гипотетической девятистрочной системе дают частоты

строчной развертки 1

f, 2

f, 3

f и 6

f, где «f» — частота строк.

Íàïðàâëåíèå

ñêàíèðîâàíèÿ

Áûñòðî äâèæóùèéñÿ è

ðàçìàõèâàþùèé ðóêàìè ÷åëîâåê

Îáúåêò, âðàùàþùèéñÿ ñî

ñêîðîñòüþ ïðèìåðíî

2 îáîðîòà â ñåêóíäó

×àñòîòà â Ãö

Рис. 19.5 «Спектры» четырех чернобелых телевизионных передач: энергия «концентрирует



ся» на частотах, кратных частоте строк (в данном случае 940 Гц) (Mertz и Gray, 1934).

сигнал ошибочно интерпретируется и визуализируется приемником как цветоразно

стный и наоборот. Однако такое может случиться лишь в мелких деталях изображе

ния и только в паттернах определенного типа, к примеру таких как тонкие диагональ

ные полосы разной яркости, воспроизводимые порой со случайным паразитным хро

матическим оттенком.

19.10 ПЕРЕНАСЫЩЕНИЕ ПОЛОСЫ В МОНОХРОМНЫХ

ТЕЛЕПРИЕМНИКАХ

Когда частотно уплотненный сигнал принимается заурядным монохромным при

емником, энергия не делится на две части согласно кратности частоты строк и нечет

нократности половине частоты строк, как в цветных телеприемниках. В результате

цветоразностные сигналы визуализируются как яркостные, но распадаются при этом

(за счет колебаний поднесущей) на шашечные паттерны: последовательные строки ка

ждого полукадра визуализируют паттерны, сдвинутые горизонтально на одну ступень

этого паттерна.

Сие ведет к появлению в монохромном приеме цветных телепередач т.н. возмущаю

щего эффекта, но поскольку цветоразностные сигналы при передаче информации о бе

лых, серых и черных стимулах равны нулю, данный эффект в этих случаях не возни

кает (и остается весьма малым при передаче информации о стимулах низкой насыщен

ности). Однако, когда передается информация о стимулах высокой колориметриче

ской чистоты (т.е. насыщенных по ощущению) возмущающий эффект заметен, и, не

смотря на то, что колебания поднесущей добавляют яркости к светлым фрагментам

изображения и вычитают ее из темных его областей — средняя фотометрическая яр

кость изображения, при рассматривании паттерна с достаточного расстояния, почти

не меняется.

19.11 МЕТОД ПЕРЕНАСЫЩЕНИЯ НЕСУЩЕЙ

Несмотря на то, что отбор из диапазона частот нечетнократных половине частоты

строк, помогает уйти от интерференции между цветоразностными и яркостными сиг



458

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

×àñòîòà íàä ìèíèìóìîì (ÌÃö)

1234560

Íåñóùàÿ

Öâåòíîñòü

Ïîäíåñóùèå

Ìàêñèìóì ýíåðãèè

Рис. 19.6 Гипотетический метод перенасыщения полосы сигналов цветного телевидения. Час

тоты двух поднесущих цветоразностных сигналов нечетнократны половине частоты строк.

налами, возникает определенный недостаток пространства для поднесущих в яркост



ной полосе (каждая с боковой полосой равной ±

b). Следовательно, вполне оправдан

ной является концепция перенасыщения несущей частоты (рис. 19.7). На схеме рис.

19.7 два цветоразностных сигнала передаются на общей поднесущей, но, при этом,

либо со сдвигом фаз на четверть цикла, либо на строках только разных полукадров. Те

леприемник с помощью т.н. фазочувствительных детекторов или при помощи уст

ройств задержки на строку (или того и другого) разделяет и восстанавливает приня

тые сигналы (далее см. главу 22).

***

Итак, мы видим, что действующие системы широковещательного цветного телеви

дения основаны на принципах редукции полосы, постоянства фотометрической ярко

сти (за счет того, что одним из трех передаваемых сигналов является сигнал яркост

ный), цветоразностных сигналов, перенасыщения полосы и перенасыщения несущей.

Все перечисленные принципы будут детально описаны в гл. 22.

Теперь же мы должны рассмотреть две принципиально важных темы: влияние об

работки сигналов на результаты цветовоспроизведения и значение нелинейностей в

обработке этих сигналов.

19.12 ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

19.12.1 Телесистемы на базе классических

трихроматических кривых Стандартного наблюдателя

В гл. 7 было показано, что телекамера должна отвечать критерию Лютера — Айвса,

т.е. кривые спектральной чувствительности ее сенсоров должны быть эквивалентны

трихроматическим кривым Стандартного наблюдателя [

rgb(), (), ()lll

] по карди

нальным стимулам телеприемника (то есть кривым, определяющим колориметриче

ские количества этих стимулов, необходимые для визуального уравнивания монохро

матических стимулов спектра каждой из длин волн — см. разделы 7.4 и 8.3). Типич

ный набор трихроматических кривых по монохроматическим уравнивающим (карди

459

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

×àñòîòà íàä ìèíèìóìîì (ÌÃö)

1234560

Íåñóùàÿ

Öâåòíîñòü

Ïîäíåñóùàÿ

Ìàêñèìóì ýíåðãèè

Рис. 19.7 Система компрессии несущей. Частота несущей сигналов цветности (цветоразност



ных сигналов) одинакова и нечетнократна частоте строк, но при этом имеется фазовый сдвиг на

90° или передача по альтернативным строкам каждого из полукадров.

нальным) стимулам дан на рис. 7.4, а на рис. 19.8 по кардинальным стимулам, воспро

изводимым NTSCлюминофорами, применявшимися на заре цветного телевидения

(пунктирные линии) и BREMAлюминофорами (BREMA, 1969), применяемыми ныне

(сплошные линии). Цветности кардинальных стимулов обоих комплектов даны на

рис. 21.9.

Мы видим, что приведенные трихроматические кривые Стандартного наблюдате

ля по красному, зеленому и синему кардинальным стимулам содержат в себе участки

как положительных, так и отрицательных значений, и, хотя сие обстоятельство созда

ет определенные сложности в применении этих кривых в телекамерах, использование

трихроматических кривых Стандартного наблюдателя гарантирует получение коло

риметрически корректной репродукции сцен, стимулы которых лежат в пределах тре

угольника, образованного на диаграмме цветностей точками кардинальных стимулов

R, G, B. Сказанное выведено в позицию 1 рис. 19.9.

19.12.2 Телесистемы с матрицированием в телекамере

Нельзя не сказать, что введение участков отрицательных значений в кривые спек

тральной чувствительности телекамеры технически весьма затруднительно. Однако

вполне приемлемых результатов можно добиться, используя набор трихроматиче

ских кривых с сугубо положительными значениями, в частности, таких как CIE

xyz(), (), ()lll

, с последующим получением требуемых трехстимульных значений R,

G, B из X, Y, Z (причем предпочтительно до передачи сигналов, дабы избежать выпол

нения этой операции в телеприемнике). Требуемая манипуляция описана в разделе

460

ГЛАВА 19 ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

400 500 600 700

 0.4

0.4

0.8

1.2

Äëèíà âîëíû (íì)

×óâñòâèòåëüíîñòü

Рис. 19.8 Трихроматические кривые Стандартного наблюдателя по кардинальным стимулам,

воспроизводимым люминофорами типичных телеприемников (B.R.E.M.A., 1969). То же для

люминофров NTSCстандарта.