Итак, видеокамеры и другие подобные устройства передают цвет любого объекта при помощи трех сигналов, соответствующих основным цветам. Монитор имеет три типа элементов, излучающих соответственно красный, зеленый и синий цвета. Однако, говоря о соответствии этой модели восприятию человеческого глаза, я не зря оговорилась – «в определенной степени». Дело в том, что человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже почти в полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.
Восприятие человеческого глаза моделирует популярная ныне цветовая модель Lab, с которой мы познакомимся подробнее в главе о ретушировании изображений. Хотя она не имеет ни малейшего отношения к телевидению, на ее основе удобно проследить некоторые общие принципы описания цвета. В этой модели цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (от 0 до 100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого и b – диапазон от желтого до синего.
Цветовой круг
Говоря о яркости и цветовом круге, нельзя не упомянуть еще две величины, которые в телевизионных сигналах не используются, но в каждом цветном телевизоре есть ручки (кнопки или меню) для их регулировки. Эти параметры изображения очень существенны, и их названия не раз встретятся в книге. Они называются насыщенностью и цветовым тоном. Те из вас, кто хорошо знаком с компьютерной графикой, сразу вспомнят палитру HSB (Hue, Saturation, Brightness – Цветовой тон, Насыщенность, Яркость). Цветовой тон – это характеристика, которую в быту обычно называют «оттенок»; на цветовом круге изменение цветового тона означает перемещение по дуге окружности, центр которой совпадает с центром цветового круга, а радиус меньше или равен радиусу цветового круга. Насыщенность – степень выраженности цвета. Изменение насыщенности – движение по радиусу цветового круга. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости. На цветовом круге яркость не отображается, ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга. Цветная вкладка, где показаны варианты одной и той же картинки при изменениях яркости, насыщенности и цветового фона, поможет лучше понять, как эти характеристики влияют на изображение.
Иллюстрирация влияния яркости, насыщенности и цветового тона на внешний вид изображения:
исходная картинка
увеличение яркости
увеличение насыщенности
изменение цветового тона
С яркостью, насыщенностью и цветовым фоном мы еще не раз встретимся, когда займемся вопросами обработки полученных изображений. Кроме того, рассматривая различные стандарты телевизионных сигналов, мы также будем обращать внимание и на возможные искажения этих величин при телевизионном приеме.
В телевидении выделение яркостной составляющей необходимо для обеспечения совместимости цветных и черно-белых телеприемников. Другими словами, сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми ТВ приемниками.
Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Сократить объем информации можно, если уменьшить количество данных о цвете. Вот почему, выражаясь языком компьютерной графики, передается и принимается не RGB-сигнал, а яркость и два цветоразностных сигнала, или YUV, где Y – яркость изображения, U и V – цветоразностные сигналы, причем U= R – Y, а V = B – Y.
Для человеческого глаза разные цвета имеют неодинаковую яркость. Если расположить опорные цвета в порядке убывания яркости, выстроится следующий ряд: «Зеленый-Красный-Синий», то есть при одинаковой насыщенности свечения наиболее ярким будет восприниматься зеленый объект, а наиболее темным покажется синий. В соответствии с этим наибольшую долю сигнала яркости составляет зеленый, наименьшую – синий. Один из стандартов, соответствующий так называемому «белому С» или цвету облачного неба (цветовая температура 6500 °C), определяется следующими соотношениями:
Y=0,299R+0,587G+0,114B
В таком случае нет необходимости кодировать все три цвета. Достаточно задать два из них, а третий легко вычисляется путем несложных арифметических операций. Как указано выше, U и V могут иметь в два раза более низкое разрешение, чем Y.
Следует отметить, что в приведенной выше формуле, описывающей работу устройства матрицирования, составляющие R, G и B не являются оригинальными сигналами, а представляют собой продукты специальных преобразований, называемых гамма-коррекцией, призванной компенсировать нелинейную зависимость яркости свечения экрана кинескопа от амплитуды модулирующего сигнала.
Изображение на телеэкране создается при движении электронного луча по экрану, покрытому люминофором – материалом, излучающим свет определенной длины волны, то есть определенного цвета. Этот процесс называется сканирование, и происходит по строкам (горизонтальное) и кадрам (вертикальное). Луч проходит строку слева направо, затем перемещается на расположенную ниже строку (перемещение происходит в том же порядке, как мы читаем – слева направо, сверху вниз). Для того чтобы глаз видел не отдельные вспышки, а равномерно светящийся экран, его сканирование должно происходить не реже, чем 25 раз в секунду, то есть с частотой 25 Гц. На самом деле обновляется не сразу весь кадр, а полукадр (поле). То есть сначала сканируются четные, затем – нечетные строки. При обновлении поля с частотой 50 Гц кадр обновляется с частотой 25 раз, и этого вполне достаточно для нормального восприятия изображения. Чтобы создать на экране картинку, состоящую из черной и белой горизонтальных полос, на вход телевизора надо подать сигнал частотой 50 Гц. Чем мельче детали изображения (чаще происходит чередование светлых и темных участков), тем выше должна быть частота видеосигнала, передающего это изображение. Максимальное число элементов, из которых может состоять картинка на экране, равно числу строк, умноженному на количество элементов в строке. Для принятой у нас разновидности французского стандарта SECAM (Sequentiel Couleur A Memoire – последовательная передача цветов с запоминанием), который будет подробно рассмотрен в следующем разделе этой главы, число строк равно 625. Однако не все строки являются видимыми, поскольку часть из них используется только для обеспечения нормальной работы телевизора. Число видимых строк – 576. В общепринятых форматах соотношение сторон кадра равно четыре к трем (на четыре горизонтальных элемента ТВ изображения приходится три вертикальных), то есть число видимых элементов в строке равно 576 X 4/3 = 768 (если горизонтальные и вертикальные размеры элемента одинаковы). Видимая часть строки обычного ТВ сигнала составляет 52 микросекунды, соответственно для получения на экране сетки из 768 чередующихся черных и белых полос надо подать на вход телевизора сигнал частотой около 7,38 МГц. В компьютерных мониторах длительность строк еще меньше, а разрешение больше, поэтому компьютерные мониторы часто работают с частотами до 200 МГц.
В вещательном же телевидении частота видеосигналов не превышает 6,5 МГц для российской системы (SECAM D/K), 5,5 МГц для европейской (PAL B/G) и 4,5 МГц для американской и японской (NTSC). Соответственно, максимальная (теоретически) разрешающая способность составит около 600 линий. Но это верно только для черно-белых телевизоров. В самых лучших цветных телевизорах разрешающая способность составляет не более 400 линий по горизонтали.
Как это ни удивительно, но при такой малой, с точки зрения компьютерной графики, разрешающей способности качество изображения в обычном цветном телевизоре, по крайней мере, не хуже, а естественней и «живее», чем в компьютерном мониторе. Это объясняется разными принципами обработки и передачи изображений, и анализ этих проблем выходит далеко за рамки данной книги.
В телевидении есть такое понятие, как ПТС – полный телевизионный сигнал. ПТС – это сигнал черно-белого изображения, совмещенный вместе с сигналами синхронизации, которые предназначены для получения устойчивого изображения на экране. В цветном телевидении есть также понятие полного цветного телевизионного сигнала (ПЦТС, в латинском написании – CVBS). ПЦТС – это ПТС, к которому добавлены сигнал цветности и сигналы цветовой синхронизации, называемые вспышками (burst). Сигнал цветности формируется из цветоразностных сигналов путем амплитудной, фазовой или частотной модуляции гармонического сигнала определенной частоты (цветовой поднесущей). Именно введение сигналов цветности в ПТС привело к тому, что разрешение цветных телевизоров ниже, чем у черно-белых.
