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

Разрешение

Разрешение – это свойство системы показывать мелкие детали. Чем выше разрешение, тем больше деталей мы видим. Разрешение ТВ‑изображения зависит от числа активных строк развертки, качества телекамеры, монитора и средств передачи информации.

Так как мы используем двумерные устройства (ПЗС‑матрицы и ЭЛТ), мы различаем два вида разрешения: разрешающую способность по вертикали и разрешающую способность по горизонтали.

Разрешающая способность по вертикали (вертикальное разрешение) определяется числом вертикальных элементов, которые можно фиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. Когда много идентичных вертикальных элементов собраны в направлении сканирования, мы получаем очень плотные горизонтальные строки. Поэтому мы говорим, что вертикальное разрешение сообщает нам, сколько горизонтальных линий мы можем различить. Считаются черные и белые строки, подсчет производится по вертикали. Понятно, что итоговый результат ограничен числом сканируемых строк в данной системе – нельзя насчитать больше 625 линий в системе CCIR или больше 525 в системе EIA. Принимая во внимание длительность кадровой (вертикальной) синхронизации и импульсов выравнивания, невидимые строки и т. д., число активных строк снижается в CCIR до 575, а в EIA до 475.

Рис. 4.19

Рис. 4.20. Цветной экран крупным планом

Однако, это все же не действительное вертикальное разрешение. Обычно разрешение измеряется при помощи определенного изображения, помещаемого перед камерой, и здесь необходимо учитывать множество факторов. Во‑первых, абсолютная позиция предполагаемого горизонтального испытательного изображения с высоким разрешением никогда точно не соответствует чересстрочному изображению. Кроме того, существование нерабочей зоны на экране монитора срезает небольшую часть видеоизображения, ограничена толщина электронного луча и ограничена «сетка» воспроизведения цвета.

Еще в 1933 г. Келл (Kell) и его коллеги обнаружили в ходе экспериментов, что при вычислении «реального» вертикального разрешения следует применять поправочный коэффициент, равный 0.7. Он известен как коэффициент Келла (или Келл‑фактор) и является общепринятым способом аппроксимации реального разрешения. Это означает, что 575 следует скорректировать (умножить) на 0.7, чтобы получить практические границы вертикального разрешения для PAL, которое равняется примерно 400 ТВ‑линиям. Та же операция выполняется в отношении сигнала NTSC, и в результате мы получаем приблизительно 330 ТВ‑линий (строк) вертикального разрешения. Эти значения истинны в идеальном случае, то есть, в случае идеальной передачи видеосигнала.

Разрешающая способность по горизонтали (горизонтальное разрешение) определяется несколько иначе. Горизонтальное разрешение определяется числом горизонтальных элементов, которые можно зафиксировать камерой и воспроизвести на экране монитора. И, аналогично тому, что мы сказали относительно вертикального разрешения, горизонтальное разрешение сообщает нам, сколько вертикальных линий можно подсчитать.

Кое‑чем оно отличается. Поскольку соотношение сторон в телевидении составляет 4:3, то ширина больше высоты. Чтобы сохранить естественные пропорции изображений, мы считаем только вертикальные линии по ширине, эквивалентной высоте, т. е. 3/4 от ширины. Вот почем мы называем горизонтальное разрешение ТВ‑линиями, а не просто линиями, что

Рис. 4.21. Генератор качающейся частоты (макс. 12 МГц) позволяет проверить полосу частот монитора высокого разрешения (на иллюстрации указано 9 МГц, соответствует примерно 700 ТВ‑линиям)

Горизонтальное разрешение монохромной (ч/б) ТВ‑системы теоретически ограничено только поперечным сечением электронного луча, электроникой монитора и, естественно, спецификациями камеры. В действительности, существует много других ограничений. Одно из них – это ширина полосы частот видеосигнала для данного типа передачи. Даже при том, что в ТВ‑студии могут быть камеры с высоким разрешением, мы передаем только 5 МГц видеоспектра (как указывалось выше); поэтому производителям совершенно не нужно выпускать ТВ‑приемники с более широкой полосой частот. В видеонаблюдении, тем не менее, ширина полосы видеосигнала диктуется, главным образом, самой камерой, так как ч/б мониторы имеют очень высокое разрешение (до 1000 ТВ‑линий), которое ограничено только качественными характеристиками монитора, из которых самые важные – это точность и поперечное сечение электронного луча.

У системы цветного ТВ есть еще одно препятствие: физический размер цветовой маски и ее шаг.

Цветовая сетка имеет форму очень мелкой решетки. Эта решетка используется для разделения на три основных цвета – красный, зеленый и синий. Число элементов цветного изображения (точки RGB) в решетке определяется размером экрана монитора и качеством ЭЛТ. В видеонаблюдении доступно любое число ТВ‑линий: от 330 (горизонтальное разрешение) до 600. Самый распространенный стандарт мониторов – 14 (дюймов) с разрешением 400 ТВ‑линий. Напоминаем, что мы говорим о ТВ‑линиях, которые в горизонтальном направлении дают нам абсолютное максимальное число 400x4/3 = 533 различимых вертикальных линий.

В видеонаблюдении, подобно вещательному ТВ, мы не можем изменять вертикальное разрешение, так как мы ограничены числом, определенным системой развертки. Именно поэтому мы редко рассматриваем проблему вертикального разрешения. Общепринятым вертикальным разрешением является примерно 400 ТВ‑линий для CCIR и 330 ТВ‑линий для EIA. Горизонтальное разрешение мы можем менять, и оно зависит от горизонтального разрешения камеры, качества средств передачи информации и монитора. В видедонаблюдении часто используются камеры с 570 ТВ‑линиями горизонтального разрешения, которое соответствует максимуму приблизительно в 570x4/3 = 760 линий по ширине экрана. Камера такого типа считается камерой с высоким разрешением. В ч/б камере со стандартным разрешением горизонтальное разрешение будет составлять 400 ТВ‑линий.

Между шириной полосы видеосигнала и соответствующим числом линий существует простое соотношение. Если взять одну строку видеосигнала, активная продолжительность которого равна 57 микросекунд, и распределить его на 80 ТВ‑линий, мы получим 80x4/3 = 107 линий. Эти линии, представленные в виде электрического сигнала, напоминают синусоидальные колебания. Так, пара черно‑белых строк фактически соответствует одному периоду синусоидальной волны. Поэтому, 107 линий – это приблизительно 54 синусоиды. Период синусоидального колебания равнялся бы 57 мкс/54 = 1.04 мкс. Если применить известное соотношение для времени и частоты, то есть T = 1/f, то мы получим f = 1 МГц. Следующее важное, но очень простое эмпирическое правило, дает нам соотношение между полосой частот сигнала и его разрешением: приблизительно 80 ТВ‑линий соответствуют 1 МГц полосе частот.