ПРИНЦИПЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Е. АЙСБЕРГ, Радио №7/1966, ст.22

ТРИ ИНФОРМАЦИИ ВМЕСТО ОДНОЙ

Черно-белое телевидение (правильнее было бы сказать «монохроматическое») передает относительную яркость каждой из рассматриваемых точек изображения. Из­вестно, что уже этот вид передачи довольно сложен. А что же тогда можно сказать о сложности цветного телевидения, где, кроме относительных яркостей раз­личных точек изображения, необходимо передать их цветовой тон и насыщенность.

Однако сначала остановимся на этих терминах.

Цветовой тон. Человеческий глаз воспринимает в виде различимого света электромагнитные волны, длина ко­торых лежит в пределах от 380 до 780 миллимикрон (миллимикрон — это тысяч­ная часть микрона). Вос­приятие цвета в этих пре­делах длин волн постепенно изменяется в следующем по­рядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Цвета названы довольно условно, так как между ними не су­ществует четкой границы.

Классический опыт преломления света в призме (рис. 1 на четвертой странице обложки) показывает, что белый — не цвет, а сумма всех цветов спектра, а чер­ный — просто отсутствие всякого цвета.

Насыщенность. В каждом оттенке цвет может быть более или менее бледным или, наоборот, ярким. Наблю­дать всю гамму переходов одного цвета, например красного, очень легко, капая красные чернила в стакан с водой. От одной капли вода слегка розовеет. Чем боль­ше капель, тем сильнее краснеет вода. И, наконец, она становится совершенно красной. Можно и другим спо­собом получить все возможные оттенки. Надо взять полоску бумаги и ставить на ней точки, постепенно увеличивая их густоту (рис. 2). Если посмотреть на полоску с некоторого расстояния, то точки будут нераз­личимы. Красное сливается с белым цветом бумаги, и вы видите полоску, которая с одного конца имеет почти белый цвет, далее становится розовой, приобретая все более яркий оттенок, переходящий на другом конце полоски бумаги в яркий красный цвет.

В приведенных, примерах насыщенность цвета не зависит от освещения. В обоих случаях отчетливо видно, как изменяется насыщенность красного цвета будь то при свете свечи или при свете мощной электрической лампы.

Освещенность. Этим словом обозначают относитель­ную яркость различных точек изображения в отличие от цветности. Последний термин служит для характери­стики цвета различных точек по оттенку (тону) и насы­щенности.

ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Объяснения, которые читатель только что прочел, должны бы повергнуть его в отчаяние. Действительно, он отдает себе отчет в том, что существует бесконечное число различных оттенков цветов. А для каждого от­тенка — бесконечное число степеней насыщенности. Следовательно, количество возможных вариантов цвет- пости равно бесконечности, умноженной на бесконеч­ность. Как передать с помощью электрических сигналов такую большую и разнообразную информацию?

К счастью, сама природа подсказывает нам выход из этого, казалось бы, безвыходного положения. Установ­лено, что человеческий глаз воспринимает различныецвета благодаря мельчайшим цветочувствительным клеткам — «колбочкам», которые покрывают сетчатую оболочку глаза. Существует три вида колбочек: пер­вые — чувствительны к красному цвету, вторые — к зеленому и третьи — к синему. Достаточно знать соот­ношение этих трех цветов, чтобы получить всю гамму цветов и разнообразных оттенков спектра.

В этом заключается принцип трехцветного воспро­изведения красочных объектов, который уже давно применяется для типографского печатания цветных иллюстраций. Возьмите любую из них, рассмотрите ее через лупу, и вы увидите, что она образована из мель­чайших точек трех цветов: красного, синего и жел­того.

В телевидении при трехцветном воспроизведении обычно используются следующие основные цвета: красный, синий и зеленый. Чтобы быть точными, назо­вем международные нормы длин волн основных цветов: красный — 615 миллимикрон; зеленый — 532 милли­микрона; синий — 470 миллимикрон.

Сочетая эти три основных цвета, можно получить все нужные оттенки изображения. Сочетание красного и зеленого глаз воспринимает как желтый, а синий и зеленый воспринимается как голубой, смесь красного и синего дает пурпурный цвет, не существующий в спектре (рис. 3). Смешивая в различных пропорциях три основные цвета, можно получить всевозможные цветовые оттенки, в том числе и белый.

Как же осуществляется передача цветного изображе­ния? При помощи системы дихроических зеркал (так называются полупрозрачные зеркала, пропускающие только определенные цвета и отражающие все другие) лучи, воспринимаемые объективом камеры, разделяются на три пучка. Затем они направляются на три трубки передающей камеры, предварительно проходя через соответствующий фильтр—красный, зеленый или синий (рис. 4).

СИСТЕМЫ ОДНОВРЕМЕННОЙ ПЕРЕДАЧИ

Итак, мы имеем три сигнала. Назовем их R (красный), G (зеленый) и В (синий). Передадим эти сигналы по трем каналам (по проводам или без проводов) к прием­ник у с тремя кинескопами. Что же произойдет? Каж­дый из сигналов воспроизведет изображение на экране кинескопа (одного из трех). Перед каждым из трех экра­нов поставим фильтр соответствующего цвета (красный, зеленый и синий) и с помощью все той же системы ди- хроических зеркал наложим все три изображения одно на другое. Тогда мы получим цветное изображение со всеми оттенками.

Можно также использовать три проекционных кине­скопа, проецируя на стенной экран изображения, свет которых предварительно пройдет через красный, зеле­ный и синий фильтры. Этот способ широко применяется в цветном телевидении замкнутого типа, например в кли­никах, для показа большому количеству студентов-ме­диков хирургических операций во всех подробностях. Необходимо, однако, признать, что такая система при передаче по радио имела бы многочисленные неудоб­ства, главное из которых — крайняя загруженность диапазона частот, так как для трех передатчиков, каж­дый из которых излучает сигналы своего цвета (красно­го, зеленого или синего), необходима утроенная полоса частот по сравнению с полосой, необходимой для одного передатчика черно-белого телевидения. С другой сто­роны, три кинескопа с системой дихроических зеркал усложнили бы цветные телевизионные приемники, которые стали бы гораздо дороже приемников черно- белого телевидения.

Все это позволяет сделать вывод, что система одно­временной передачи трех цветов практически неприме­нима.

СИСТЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЦВЕТОВ

Вернемся к истории телевидения. В свое время Пайва, затем Г. Р. Карей (1875) предлагали неосуществимое: передавать одновременно все элементы изображения.

Более рациональные проекты телепередач стали изучаться лишь после того, как француз Константен Сенлек предложил принцип поочередной передачи элементов изображения.

История цветного телевидения прошла ту же эволю­цию. Отказавшись от одновременной передачи изображе­ний красного, зеленого и синего цвета, пришли к мысли передавать их постепенно, одно за другим с такой ско­ростью, чтобы человеческий глаз воспринимал бы все три изображения как единое.

В 1928 году шотландец Джон Лоджи Берд предложил сделать диск с рядом отверстий, расположенных по спи­рали, каждая из которых занимала 120° окружности. В отверстия были вделаны красные, зеленые или синие фильтры (рис. 5). Такое же устройство было сде­лано на диске приемника. При использовании такого диска разложение передаваемого объекта на элементы и объединение элементов в изображение происходили поочередно для красного, зеленого и синего изображе­ний, что позволяло удовлетворительно воспроизводить все краски. Однако в силу неразвитости технических средств того времени было невозможно испытать новую систему.

Позднее была успешно осуществлена передача цвет­ных изображений с помощью фильтра, представлявшего собой вращающийся прозрачный диск, разделенный на три сектора (по 120°) красного, зеленого и синего цве­тов (рис. 6). Такой фильтр был установлен перед пере­дающей камерой и кинескопом телевизионного прием­ника. Во время одного оборота диска фильтра изобра­жение поочередно становилось то красным, то зеленым, то синим. А так как скорость вращения диска была достаточно большой, то благодаря запоминающей спо­собности глаза отдельные изображения оказывались как бы наложенными друг на друга и телезритель видел изображение в естественных цветах.

Эта система была выполнена фирмой Паи в Англии и компанией СBS в США [1]. Результаты были хорошие, но необходимость Передавать в три раза большее коли­чество информации, чем при черно-белом телевидении, вела к большому расширению полосы частот передат­чика, что, как говорилось выше, невозможно. Значит, надо было искать другое решение задачи.

---

[1] Аналогичная система цветного телевидения была предложена в СССР в феврале 1925 г. инженером И. А. Адамианом.

СОВМЕСТИМОСТЬ

Большая ширина полосы частот — не единственный к смешиванию трех цветовых сигналов в определенной пропорции. Нельзя забывай» о цветовой чувствитель­ности глаза.

Как это показано на рис. 7, у глаза различная чувст­вительность к разным цветам. Максимально чувствите­лен он к зеленому цвету с длиной волны около 550 мил­лимикрон, где располагается также максимум энергии солнечного света. В обе стороны от этой цифры чувстви­тельность глаза слабеет, и он хуже всего воспринимает красный и синий цвета. Для того чтобы зрительное впечатление от черно­белого изображения соответствовало чувствительности глаза, надо пропорционально распределить все три цветовых сигнала недостаток систем цветного телевидения, которые мы рассмотрели. Кроме всего, эти системы несовместимы с черно-белым телевидением. Что это значит?

В настоящее время черно-белое телевидение широко распространено в большинстве стран; во всем мире имеются тысячи передатчиков и миллионы приемников черно-белого изображения. Еще до второй мировой войны француз Жорж Валеиси, учитывая это, выдвинул принцип совместимости, по которому приемники, пред­назначенные для черно-белого телевидения, должны принимать изображение от передатчиков цветного теле­видения, причем на их экранах изображения будут не цветными, а черно-белыми, а новые приемники, предна­значенные для цветного телевидения, должны также принимать изображения от черно-белых передатчиков, и эти изображения, разумеется, будут черно-белыми.

Эти принципы дают возможность использовать одни и те же передатчики как для черно-белых, так и цветных передач и позволяют владельцам цветных и черно­белых телевизоров принимать и те, и другие передачи.

Жорж В а леней не ограничился тем, что выдвинул основные условия совместимости, но и предложил спо­собы их осуществления. В 1938 году он писал, что сиг­нал, излучаемый передатчиком цветного телевидения, должен иметь яркостную составляющую, которую можно было бы легко выделить из всей переданной информации и благодаря которой становился бы возможным прием цветного сигнала черно-белыми телевизионными прием­никами. Эта составляющая (яркостный сигнал) должна содержать такое количество информации, чтобы воспро­изведенное черно-белое изображение было ясным и чет­ким. Поэтому яркостный сигнал должен будет занимать значительную часть полосы, в которой передается телевизионный сигнал. И, наоборот, информация о цвет­ности может быть гораздо менее детализированной и занимать небольшую часть полосы частот. Это полно­стью соответствует физиологии зрения.

Детали изображения мы видим благодаря изменениям освещенности. А что касается различных изменений оттенков цветов и насыщенности (то, что мы называем цветностью), то четкость деталей изображения зависит от них в гораздо меньшей степени. Помните картинки для раскрашивания, которые вы размалевывали в дет­стве карандашом или акварелью? Было неважно, что один цвет наезжал на другой. Отпечатанные черные линии рисунка сохраняли все детали изображения.

Итак, мы приходим к выводу, что в выходных сигна­лах цветной передающей камеры необходимо передать яркость объекта и три цветовых сигнала: красный (R), зеленый (G), синий (В). Всего нам надо передать четыре сигнала, а это не так просто.

ЯРКОСТНЫЙ СИГНАЛ

На первый взгляд этот сигнал является суммой сигна­лов, образующихся на выходах трех трубок передающей камеры. На самом же деле необходимо прибегнуть недостаток систем цветного телевидения, которые мы рассмотрели. Кроме всего, эти системы несовместимы с черно-белым телевидением. Что это значит?

В настоящее время черно-белое телевидение широко распространено в большинстве стран; во всем мире имеются тысячи передатчиков и миллионы приемников черно-белого изображения. Еще до второй мировой войны француз Жорж Валеиси, учитывая это, выдвинул принцип совместимости, по которому приемники, пред­назначенные для черно-белого телевидения, должны принимать изображение от передатчиков цветного теле­видения, причем на их экранах изображения будут не цветными, а черно-белыми, а новые приемники, предна­значенные для цветного телевидения, должны также принимать изображения от черно-белых передатчиков, и эти изображения, разумеется, будут черно-белыми.

Эти принципы дают возможность использовать одни и те же передатчики как для черно-белых, так и цветных передач и позволяют владельцам цветных и черно­белых телевизоров принимать и те, и другие передачи.

Жорж В а леней не ограничился тем, что выдвинул основные условия совместимости, но и предложил спо­собы их осуществления. В 1938 году он писал, что сиг­нал, излучаемый передатчиком цветного телевидения, должен иметь яркостную составляющую, которую можно было бы легко выделить из всей переданной информации и благодаря которой становился бы возможным прием цветного сигнала черно-белыми телевизионными прием­никами. Эта составляющая (яркостный сигнал) должна содержать такое количество информации, чтобы воспро­изведенное черно-белое изображение было ясным и чет­ким. Поэтому яркостный сигнал должен будет занимать значительную часть полосы, в которой передается телевизионный сигнал. И, наоборот, информация о цвет­ности может быть гораздо менее детализированной и занимать небольшую часть полосы частот. Это полно­стью соответствует физиологии зрения.

Детали изображения мы видим благодаря изменениям освещенности. А что касается различных изменений оттенков цветов и насыщенности (то, что мы называем цветностью), то четкость деталей изображения зависит от них в гораздо меньшей степени. Помните картинки для раскрашивания, которые вы размалевывали в дет­стве карандашом или акварелью? Было неважно, что один цвет наезжал на другой. Отпечатанные черные линии рисунка сохраняли все детали изображения.

Итак, мы приходим к выводу, что в выходных сигна­лах цветной передающей камеры необходимо передать яркость объекта и три цветовых сигнала: красный (R), зеленый (G), синий (В). Всего нам надо передать четыре сигнала, а это не так просто.

СИГНАЛЫ ЦВЕТНОСТИ

Как мы уже сказали, яркостный сигнал передается с максимальной четкостью для хорошего воспроизведе­ния деталей как в черно-белом, так и в цветном телеви­дении. Но иначе дело обстоит с передачей цветовых сигналов. Ширина полосы частот, в которой передаются эти сигналы, гораздо меньше и, следовательно, четкость хуже. А надо ли передавать три сигнала? Действительно, двух сигналов цветности оказывается достаточно. Их получают в результате вычитания яркостного сигнала из красного и синего сигналов цветности и обозначают R _ Y и В — Y.

Нет ничего легче арифметических операций с сигна­лами. Мы уже видели, как складывают три цветовых сигнала, чтобы получить яркостный сигнал. Нисколько не труднее вычитать сигналы друг из друга. Электронно­вычислительные машины делают и более сложные опе­рации.                          ‘

Итак, нам следует передать, во-первых, яркостный сигнал в широкой полосе частот и, во-вторых, два сигна­ла цветности в довольно узкой полосе частот. Совсем не нужно для этих трех сигналов иметь три передатчика. Яркость передается при помощи модуляции основной несущей частоты, а сигналы цветности — на вспомога­тельной (так называемой «поднесущей») частоте, отли­чающейся на 4,43 Мгц от несущей. Дальше мы увидим, каким образом сигналы цветности модулируют вспомо­гательную («поднесущую») частоту, а пока займемся приемником.

Мы имеем три сигнала: Y, R — Y и В — Y. Но нам не хватает сигнала, соответствующего зеленому цвету. Однако выход из положения очень прост: прибегая опять к сложению, мы легко получим сигналы R и В. В самом деле, сложив яркостный сигнал и сигнал R—Y, мы получим Y+(R — Y)=R красный, а сумма сигна­лов Y+(B — Y)=B, то есть дает синий.

Но как получить сигнал G? Мы знаем, что он является составной частью яркостного сигнала. Вычитая из по­следнего сигналы R и В в соответствующих пропорциях, получим сигнал G.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Как теперь, имея в приемнике яркостный сигнал и три сигнала цветности, получить цветное изображение на экране кинескопа?

Предположим, что на съезде специалистов выступает изобретатель и предлагает проект специального кине­скопа для воспроизведения цветных изображений. Эта трубка содержит не одну, а три электронных пушки, каждая из которых предназначена для воспроизведения на экране одного из основных цветов. Электроны, выле­тающие из каждой пушки, должны соответственно до­стигнуть покрытых различными люминофорами точек экрана. Электроны одной пушки должны ударяться о точки экрана с люминофором красного свечения, вто­рой пушки — с люминофором зеленого свечения и тре­тьей — с люминофором синего свечения.

_ Чтобы ни одна из пушек не бомбардировала своими электронами не предназначенные для нее точки экрана, перед ним ставится сетка с большим количеством (сотни тысяч) отверстий. Электроны проходят через мельчай­шие отверстия этой сетки (ее называют «маской»), и таким образом устанавливается точное соответствие между электронными пушками и точками на экране, светящимися различными цветами (рис. 8).

Такой проект имеет все шансы быть встреченным взрывом смеха. В самом деле, изготовление такого кинескопа предполагает поистине необычайную точ­ность. Однако этот сумасшедший, смешной и невероят­ный проект осуществлен: кинескоп с тремя пушками и маской был создан и в настоящее время широко исполь­зуется для приемников цветного телевидения. Заметим, однако, что сейчас существует тенденция заменить такой кинескоп другими, несколько иных образцов. Основной же принцип остается тот же. Поверхность светящегося экрана кинескопа с раз­мером по диагонали 59 см имеет примерно 400.000 точек, покрытых люминофорами, которые в каждой горизон­тальной линии («строка») чередуются в следующем по­рядке: красный, зеленый, синий, красный, синий, зеле­ный и т. д. В следующей строке точки располагаются так, что под промежутком между люминофорами двух цветов верхней строки (например, красного и зеленого) в нижней строке находится люминофор третьего цвета (в нашем примере — синего). Экран покрыт множеством этих «троек» красный — зеленый — синий (см. рис. 8).

Сетку (маску) располагают перед люминофором на расстоянии 15 мм от него так, чтобы ее отверстия нахо­дились перед центром каждой тройки. Каждое отвер­стие имеет 0,25 мм в диаметре. Расстояние между двумя соседними отверстиями—0,6 мм. Благодаря такому рас­положению электронная пушка, предназначенная для красного цвета, «видит» через отверстие маски только люминофоры, дающие красный цвет, пушка синего цвета соответственно — синие люминофоры, а зеле­ного — зеленые.

Нетрудно понять, что если приложить к управляю­щему электроду каждой электронной пушки соответст­вующий видеосигнал (R, G или В) и направить все три электронных пучка одновременно на экран цветного кинескопа, то будут получены точные цвета переданного изображения.

Заметим, кстати, что в действительности на управ­ляющие электроды пушек подают сигналы R—Y, G—Y, В — Y п яркостный сигнал Y. Это позволяет путем простого сложения выделить составляющие R, G и В, как мы в этом убедились раньше. Кроме этого, яркост­ный сигнал Y необходим для удовлетворения второго условия совместимости: в черно-белом телевизоре он позволяет воспроизвести изображения от передатчиков как цветного телевидения, так и черно-белого. Что касается первого условия совместимости (возможность приема черно-белых передач на цветной телевизор), то оно тоже удовлетворяется, так как в том случае, когда отсутствуют сигналы цветности, все три электронные пушки трубки модулируются одним и тем же яркостным сигналом Y. Свет, полученный в результате сложения трех цветов каждой тройки, будет восприниматься как белый цвет, а полученное таким путем изображение будет соответ­ствовать изображению на обычном черно-белом кине­скопе