Цветной видеосигнал

Когда появилось цветное телевидение, в его основе лежали определения и ограничения монохромного сигнала. Сохранение совместимости между черно‑белым и цветным ТВ имело принципиальную важность. Единственный способ, каким цветовая информация (хроматическая) может быть передана вместе с яркостью без увеличения полосы пропускания частот видеосигнала, состоял в том, чтобы модулировать цветовую информацию частотой, которая бы попадала точно между компонентами спектра яркости. Это означает, что спектр сигнала цветности перемежается со спектром сигнала яркости таким образом, что они не мешают друг другу. Эта частота называется хроматической поднесущей. Было обнаружено, что наиболее подходящей для PAL является частота 4.43361875 МГц. В NTSC используется тот же принцип: в данном случае необходима цветовая поднесущая 3.579545 МГц.

Здесь необходимо уточнить и подчеркнуть, что NTSC характеризуется именно 29.97 кадрами, а не 30(!). Это объясняется определением цветового сигнала в NTSC, который, как гласит видеостандарт RS170A, базируется в точности на частоте цветовой поднесущей в 3.579545 МГц. Частота строчной развертки определяется умножением 2/455 на частоту цветовой поднесущей, что равняется 15734 Гц. Из нее выводится частота кадровой развертки; NTSC рекомендует высчитывать ее умножением 2/525 на частоту строчной развертки. В результате получается 59.94 Гц для частоты кадров, или скорости полей. Однако для простоты и удобства в этой книге мы будем говорить, что в NTSC сигналу соответствует 60 полей.

Как мы уже упоминали в разделе «Цветное телевидение», основы воспроизведения цвета лежат в аддитивном смешении трех основных цветовых сигналов: красного, зеленого и синего. Так, для передачи полного цветового сигнала, теоретически, кроме информации яркости, требуются еще три разных сигнала. На заре цветного ТВ это казалось невозможным, особенно, когда для сохранения совместимости с монохромными стандартами использовалась область между 4 и 5 МГц.

Для этого требовалась сложная, но умная процедура. В рамках нашей книги объяснить такую процедуру не представляется возможным, но чтобы читатели лучше понимали все сложности воспроизведения цвета в ТВ, приведем следующие факты.

Рис. 4.14. Цветные полосы. Цветные полосы (NTSC) на экране вектороскопа

Рис. 4.15. Цветные полосы. Цветные полосы (PAL) на экране вектороскопа

В реальной ситуации помимо сигнала яркости, который часто обозначается как Y = U_Y , объединяются еще два сигнала (а не три). Это так называемые цветовые разности: V = U_R – U _Y и U = U_R – U_Y , т. е. разности между красным и яркостным сигналом и между синим и яркостным. Почему вместо простых значений R, В (и G) (соответственно для красного, синего и зеленого) используются цветовые разности? Для совместимости с монохромной системой. А именно, было обнаружено, что, когда белый или серый цвет передается через систему цветного ТВ, в ЭЛТ должен присутствовать только сигнал яркости. Чтобы устранить цветовые компоненты в системе, была введена цветовая разность.

Учитывая основные соотношения между тремя цветовыми сигналами:

U_Y = 0.3U_R + 0.59U_G + 0.11U_B (34)

можно показать, что, используя яркость и цветоразностные сигналы, есть возможность восстановить все три основных цветовых сигнала:

U_R = (U_R – U_Y) + U_Y (35) (36) (37)

U_B = (U_B – U_Y) + U_Y

U_G = (U_G – U_Y) + U_Y

Для белого цвета U_R = U_B = U_G ,таким образом U_Y = (0.3 + 0.59 + 0.11)U_R = U_B = U_G , Цветовая разность зеленого не передается, но ее получают путем следующих вычислений (снова используя (34)):

U_G – U_Y = ‑0.51(U_R – U_Y) + 0.19(U_B – U_Y) (38)

Это отношение показывает, что в цветном телевидении для успешного восстановления цвета, помимо яркости, достаточно всего двух дополнительных сигналов. Это цветовые разности красного и синего (Ки U), и они встроены в сигнал CVBS.

Поскольку компоненты R, G и В получают из цветоразностных сигналов посредством простых линейных матричных уравнений, которые в электронике можно реализовать при помощи простых резистивных цепей, эти схемы называются матрицами линейного преобразования.

Следует отметить, что два рассматриваемых нами ТВ‑стандарта, NTSC и PAL, базируют свою теорию воспроизведения цвета на двух разных показателях люминофора ЭЛТ (называемых гаммой, о чем мы поговорим позже в разделе «Мониторы»). Стандарт NTSC принимает гамму в 2.2, a PAL – 2.8. Эти показатели встроены в код сигнала до его передачи.

Рис. 4.16. Сигнал цветовой синхронизации

Pис. 4.17. Цветовые векторы в стандарте PAL

Практически, гамма 2.8 – это более реалистическое значение, что отражается также в более высококонтрастном изображении.

Конечно, воспроизведенный цветовой контраст будет зависеть непосредственно от гаммы люминофора монитора.

Чтобы объединить (модулировать) эти цветоразностные сигналы с сигналом яркости, в системе телевещания используется так называемая квадратурная амплитудная модуляция, где два различных сигнала (V и U) модулируют одну несущую частоту (цветовую поднесущую). Это возможно благодаря разности фаз в 90° между этими двумя сигналами, что и объясняет название «квадратурная модуляция».

В цветовом стандарте PAL есть еще одна «хитрая» схема минимизации искажения цветового сигнала. Зная, что человеческий глаз более чувствителен к цветовым искажениям, чем к изменениям яркости, ученые предложили для кодирования цвета специальную процедуру, позволяющую минимизировать искажения или, по крайней мере, сделать их менее заметными. Это достигается путем изменения фазы сигнала цветности на 180° на каждой второй строке. Так, если происходят искажения при передаче, обычно в форме сдвига фазы, то они приводят к изменению цвета такой же величины. Но поскольку электронное векторное представление цветов выбрано так, чтобы дополнительные цвета располагались друг против друга, то ошибки также являются дополнительными и, если смотреть на искаженные соседние строки с некоторого расстояния, ошибки нейтрализуют друг друга. Отсюда и название – построчное изменение фазы (phase alternating line – PAL).

Рис. 4.18. Стандартная последовательность цветовых полос в телевидении