Беседа восемнадцатая ВСЕ ЦВЕТА РАДУГИ
Беседа восемнадцатая
ВСЕ ЦВЕТА РАДУГИ
До сих пор Любознайкин и Незнайкин изучали технику передачи одноцветных или монохромных изображений, называемых также черно-белыми[9]. Следуя примеру кинематографа, телевидение станет рано или поздно цветным, давая возможность воспроизводить изображения в их естественных цветах. Передача цветных изображений является очень сложной проблемой, для решения которой существует ряд методов, излагаемых Любознайкиным в настоящей беседе. Он последовательно разберет: принцип трехцветности; разложение на основные цвета и восстановление изображения; одновременную передачу трех цветовых составляющих изображения; метод последовательной передачи; дисковый фильтр; проблему модуляционных полос; чередование растров, строк и точек; трехцветный экран; трубку с тремя пушками и маской; последовательную систему с запоминанием.
АНАЛИЗ И СИНТЕЗ
Любознайкин. — Почему у тебя такое плохое настроение и разъяренный вид?
Незнайкин. — Потому что я только что видел фильм, цвета которого вывели меня из себя, настолько они были кричащими. Как хорошо, что телевидение не цветное!
Л. — Не очень-то радуйся. В некоторых странах уже существует цветное телевидение. Но добавлю для твоего успокоения, что цвета его более естественны, чем в кино.
Н. — Ну, уж если так, не мог бы ты объяснить в нескольких словах, каким образом передают цветные изображения.
Л. — Было предложено и испробовано несколько систем. Все они основаны на принципе трехцветности.
Н. — Думаю, что ты под этим подразумеваешь возможность воспроизводить все цвета и оттенки с помощью трех основных цветов — красного, синего и желто-зеленого, смешивая их в соответствующих пропорциях.
Л. — Браво, Незнайкин! Я не знал, что ты так хорошо в этом разбираешься.
Н. — Я узнал все это, посетив типографию, где печатали цветные репродукции. Я видел, что последовательно печатали красной, синей и желтой красками. Да, впрочем, рассматривая в лупу трехцветную репродукцию, можно обнаружить, что она состоит из расположенных рядом красных, синих и желтых точек. Глаз же синтезирует эти три основных цвета, что несколько схоже с картиной импрессионистской школы.
Л. — Решительно, ты меня не перестаешь сегодня поражать. Оказывается, ты разбираешься в вопросах живописи!
Н. — Ты что же, принимаешь меня за невежду?.. Вернемся, однако, к предмету нашего разговора. Я полагаю, что для передачи цветного изображения нужно сделать то же, что и в типографии: разложить его на три изображения в основных цветах и наложить одно на другое для синтеза.
Л. — В общем, по-твоему нужно для получения цветного изображения начать с трех изображений: красного, синего и зеленого. А как бы ты это сделал?
Н. — При помощи фильтров соответствующих цветов. Например, проецируя изображение через красное стекло, мы и получим красное изображение, где яркость каждого элемента изображения будет зависеть от количества красного света, отражаемого соответствующей поверхностью передаваемого изображения. Таким образом, красные части будут самыми яркими и, наоборот, так как красный свет не отражается от синих и зеленых частей изображения, они будут совершенно черными в изображении, рассматриваемом через красный фильтр.
Л. — Да, это правильно. Следовательно, у нас окажутся три изображения, которые мы назовем красным, синим и зеленым. Что ты с ними будешь делать?
Н. — Нет ничего проще (рис. 133). Я их передам обычным телевизионным способом. В месте приема каждое изображение будет воспроизведено на экране соответствующим кинескопом. Но у меня будет красное стекло перед тем изображением, которое должно быть красным, синее стекло — перед синим и зеленое — перед зеленым. Накладывая оптически все три изображения одно на другое, а такой способ не может не существовать, я восстановлю первоначальное изображение в его естественных цветах… Я сказал какую-нибудь глупость?
Рис. 133. Система передачи цветных изображений с тремя полными каналами, в которой изображения в трех основных цветах передаются одновременно.
1 — оптическая система, расщепляющая изображение на три канала; 2 — цветные фильтры; 3 — передающие камеры; 4 — телевизионные передатчики; 5 — телевизионные приемники; 6 — кинескоп; 7 — цветные фильтры; 8 — оптическая система; совмещающая три цветоделенных изображения.
Л. — О нет. То, что ты говоришь, вполне разумно. Такая система цветного телевидения часто применяется при передаче изображения по проводам с последующей проекцией на большой экран. Ее используют, например, чтобы дать возможность большому количеству студентов-медиков следить за ходом различных хирургических операций.
ОДНОВРЕМЕННО ИЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО?
Н. — А почему бы не применять эту же систему в радиовещании? Это создает какие-либо неудобства?
Л. — А разве для тебя это не ясно? Подумай, ведь приходится устраивать все элементы линии передачи: три телевизионные камеры, три видеоусилителя, три передатчика, три приемника и три кинескопа!..
Н. — Я признаю, что это и в самом деле должно дорого стоить и, сверх всего, чрезвычайно перегружать эфир… Какое же решение следует считать правильным?
Л. — Вернись, Незнайкин, к первым представлениям, полученным тобою в телевидении. Ты тогда узнал, что вместо одновременной передачи различных точек одного изображения…
Н. — …их передают последовательно. Понял! Здесь решение также состоит в том, чтобы последовательно передавать через один и тот же передающий канал красное, синее и зеленое изображения. При условии достаточно быстрого ритма поочередной передачи цветное изображение будет синтезировано в силу инерции зрительных восприятий.
Л. — Именно этот принцип и применили в первых системах цветного телевидения. В качестве последовательной системы цветной передачи я тебе опишу так называемую систему «последовательных растров» (рис. 134), в которой используют фильтры, последовательно проходящие перед передающей телевизионной камерой и экраном кинескопа. Фильтры состоят из цветных пленок, укрепленных на вращающихся дисках. Безусловно, должна быть обеспечена строгая синхронизация между движениями обоих дисков при приеме и передаче. Для этого посылаются специальные сигналы в начале каждого оборота.
Рис. 134. Система с черескадровой передачей цветоделенных изображений.
1 — диск с цветными фильтрами передатчика; 2 — электродвигатель; 3 — передающая камера; 4 — телевизионный передатчик; 5 — телевизионный приемник; 6 — кинескоп; 7 — электродвигатель; 8 — диск с цветными фильтрами приемника.
Н. — Я вижу, что каждый диск имеет шесть фильтров: красный, синий, зеленый, затем опять красный, синий и зеленый. На мой взгляд, достаточно было бы и трех фильтров.
Л. — Безусловно. Но при шести фильтрах удается вдвое уменьшить скорость вращения; а это важно, так как центробежные силы, развивающиеся в диске, значительны и могут разорвать его. Учти, что они учетверяются при вдвое более быстром вращении.
Н. — В общем, пока один фильтр определенного цвета проходит перед передающей камерой и кинескопом, мы развертываем, вероятно, не все изображение целиком, а один из двух полурастров четных или нечетных строк.
Л. — Вот именно. И, сделав небольшое усилие, тебе удастся, может быть, определить, как происходит разложение изображения за время-одного оборота диска.
Н. — Будем считать для начала, что перед камерой находится красный сектор и что разложение начинается с полурастра нечетных строк. Получатся, следовательно, шесть следующих фаз: 1) красное, строки нечетные; 2) синее, строки четные; 3) зеленое, строки нечетные; 4) красное, строки четные; 5) синее, строки нечетные; 6) зеленое, строки четные. А затем все начинается сначала.
Л. — Ты можешь заметить, что в этой системе за время одного оборота каждое изображение было полностью развернуто в каждом из трех основных цветов как для четных, так и для нечетных строк. Но растры оказались перемежающимися. Это так называемая черескадровая передача.
Н. — Признаюсь, что твоя система последовательной передачи растров меня не увлекает. В этой смеси механики и электроники нет ничего привлекательного…
Л. — Ты тем более прав, что, передавая таким образом три полных изображения вместо одного, мы в три раза увеличиваем ширину полосы видеочастот.
ВЕЛИКОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ НЕЗНАЙКИНА
Н. — Все это уж очень сложно. Мне в голову пришла несравненно более простая идея, которая, я утверждаю это со всей скромностью, дает окончательное разрешение проблемы цветного телевидения. Я сообщу ее тебе по секрету.
Л. — Признаюсь, что ты меня заинтриговал. Что же это за необыкновенная идея?
Н. — Эту идею мне навеяли старинные витражи в соборах, являющиеся настоящей многоцветной мозаикой. Представь себе фильтр, где в каждой строке чередуются крошечные красные, синие и зеленые поверхности, не превышающие размером элемента изображения. Конечно, для двух соседних строк соответствующие поверхности должны быть смещены по фазе, иначе говоря, под красным фильтром первой строки окажется синий фильтр второй и т. д. (рис. 135).
Рис. 135. Порядок разложения в системе с чередованием точек в последовательности красный — синий — зеленый.
Л. — Все это прекрасно. Но что же дальше?
Н. — А вот что. Предположим, что фильтр, составленный таким образом, расположен перед светочувствительной поверхностью трубки телевизионной камеры обычного телевизионного передатчика, а другой подобный фильтр — перед экраном кинескопа. Это самое простое средство передать цветные изображения.
Л. — Честное слово, ты прав. Действительно, когда при передаче анализирующий пучок пройдет под красной частью фильтра и видеосигнал передаст соответствующую величину освещенности, пятно на экране кинескопа будет иметь соответствующую яркость и будет просматриваться тоже через красную часть фильтра… Поздравляю, Незнайкин! Ты сделал сенсационное по своей простоте изобретение.
Н. — Заметь, что оно позволяет легко превратить все телевизоры для монохромного телевидения в цветные.
Л. — Подожди, Незнайкин, не торжествуй раньше времени.
Н. — Как, опять будет «но»?
Л. — Увы, и довольно основательное. Чтобы твоя система хорошо работала, потребовалась бы идеальная идентичность движения развертывающих лучей при передаче и приеме. Малейший фазовый сдвиг оказался бы катастрофичным вследствие нарушения соответствия цветов. В то же время не существует развертывающих устройств в достаточной степени линейных, чтобы обеспечить столь высокую точность развертки.
Таким образом, при тех средствах, которыми располагает современная техника, идея твоя неосуществима. Но, кто знает, может быть в один прекрасный день доведется нам услышать о «системе Незнайкина».
Н. — А я-то думал…
БАТАРЕЯ ИЗ ТРЕХ ПУШЕК
Л. — Твоя идея несколько сходна с другой, более легкой для осуществления, которая в настоящее время получила наибольшее распространение. В системах с чересточечной разверткой можно использовать на приеме кинескоп, сам экран которого может воспроизводить три основных цвета. Он выполнен в виде мозаики, похожей на мозаику фильтра твоего изобретения, причем каждая элементарная поверхность светится одним из трех основных цветов благодаря особому химическому составу люминофора.
Н. — И правда, до сих пор все совпадает с моей идеей.
Л. — Но дальше все по-иному. Кинескоп снабжен тремя электронными пушками, каждая из которых предназначена для возбуждения одного из трех основных цветных люминофоров.
Н. — А как же сделать, чтобы пучок каждой пушки попадал только на точки экрана соответствующего цвета?
Л. — В этом-то и заключается основное ухищрение. Между пушками и экраном помещена «маска» (рис. 136), нечто вроде перегородки со множеством отверстий. Каждый из трех пучков, проходя под определенным углом через эти отверстия, может попасть на элементы мозаики только одного и того же цвета свечения благодаря специальному размещению этих элементов на поверхности экрана.
Рис. 136. Разрез кинескопа с тремя электронными пушками, каждая из которых облучает через отверстия в маске элементарные поверхности только одного из трех основных цветов.
1 — красный прожектор; 2 — зеленый прожектор; 3 — синий прожектор; 4 — отклоняющая система.
Н. — Это поистине остроумно.
Л. — Конечно. Но устройство это дорогое и сложное. Представь себе кинескоп, имеющий 59 см по диагонали, экран которого выполнен в виде мозаики из 400 000 люминесцентных элементов. Каждое из отверстий «маски», помещенной миллиметрах в пятнадцати за экраном, имеет диаметр 0,25 мм при расстоянии между двумя соседними отверстиями порядка 0,6 мм. Каждое отверстие расположено против центра элемента мозаики, состоящего из красного, синего и зеленого люминофоров. Благодаря такому расположению каждая электронная пушка «видит» через отверстия маски только люминофоры того цвета, для которых она предназначена (рис. 137).
Рис. 137. Пути электронных лучей через отверстия маски к экрану трехцветного кинескопа.
ДВОЙНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ
Н. — Следовательно, имея такой кинескоп, достаточно одновременно передавать изображения от трех камер, снабженных фильтрами основных цветов для того, чтобы…
Л. — Нет, дружище, так как в этом случае мы вновь впадаем в смертный грех, утраивая ширину полосы видеочастот. Кроме того, действуя таким образом, мы не соблюдаем принцип двойной совместимости.
Н. — Что это за непонятный принцип, который, как я предчувствую, усложнит и так достаточно сложную проблему?
Л. — Этот принцип вытекает из необходимости обеспечить мирное сосуществование цветного телевидения и телевидения черно-белого, или монохроматического (одноцветного), что является более правильным термином. Нужно, чтобы телезритель, имеющий монохроматический телевизор, мог принимать передачи станций цветного телевидения.
Н. — Однако изображения у него будут только черно-белые, не так ли?
Л. — Конечно, или, точнее, его телевизор воспроизведет ему монохроматическое изображение… И, наоборот, следует, чтобы владелец телевизора для цветного телевидения…
Н. — Если ты такой уж педант, я сказал бы для полихроматического (многоцветного).. Что же это за условие, которое твой принцип вменяет в обязанность полихроматическим телевизорам?
Л. — Чтобы они были в состоянии принимать изображения монохроматических передатчиков, воспроизводя их, естественно, черно-белыми.
Н. — Разве только при помощи какой-нибудь хитрости; другого способа удовлетворить это двойное условие совместимости я не вижу.
Л. — Хитрость, как ты говоришь, однако, простая. Из трех сигналов К (красного), С (синего) и 3 (зеленого), образуемых тремя камерами, которые снабжены соответствующими фильтрами, получают такой же сигнал, какой дает и обычная камера черно-белого телевидения… Слушай, Незнайкин, ты не угадываешь, как это делают?
Н. — По правде говоря, нет.
Л. — Да попросту, складывая сигналы К, С и 3.
Н. — Вот так штука! Ну конечно, как же я об этом не подумал? Белый цвет, как это прекрасно известно, состоит из смеси всех цветов. Наш преподаватель физики доказал нам это, разлагая солнечный луч при помощи призмы на цветной спектр (рис. 138).
Рис. 188. Разложение при помощи призмы белого светового луча на цвета спектра.
Л. — Конечно, Незнайкин! Теперь ты не удивишься, если я скажу, что, дозируя три сигнала К, С и 3 с учетом неодинаковой чувствительности человеческого глаза к различным цветам (чувствительней всего он к зеленому), получая так называемый яркостный сигнал, который состоит из суммы:
Я = 0,30К + 0,593 + 0,11С
Н. — И я предчувствую, что как раз этот яркостный сигнал, излучаемый полихроматическими станциями, дает возможность получить изображения на монохроматических приемниках и соблюсти один из твоих принципов совместимости.
Л. — Точнее нельзя сказать, дорогой и ученый друг. В самом деле, несущая волна цветного телевизионного передатчика модулируется (по амплитуде) яркостным сигналом.
Н. — Это очень приятно. Но что же ты делаешь, чтобы снабдить владельцев полихроматических телевизоров цветом?
Л. — Успокойся! Они не забыты. Им доставляют сигналы цветности (так называют сигналы К, С и 3) при помощи поднесущей частоты.
АКРОБАТИЧЕСКИЕ ФОКУСЫ ЦВЕТА
Н. — Час от часу не легче! Ты поклялся засыпать меня сегодня новыми терминами.
Л. — В этом нет ничего необычного. Речь идет о синусоидальном напряжении повышенной частоты (международное соглашение определяет ее в 4,43 Мгц), которое модулирует несущую частоту по амплитуде. А само оно модулируется (либо по частоте, либо по амплитуде, в соответствии с принятой системой) сигналами цветности
Н. — Подожди, Любознайкин. Я стараюсь понять. Твоя главная несущая частота, как это можно установить, претерпевает две одновременные модуляции. С одной стороны, она модулируется яркостью. С другой стороны, ее модулирует поднесущая частота, в свою очередь промодулированная сигналом цветности. Это напоминает мне акробатов, которым удается взобраться на плечи одного из своих товарищей, наиболее коренастого, именуемого «несущим». Я вижу, как он поддерживает двух парней, называемых «яркостью» и «поднесущей частотой». Второй из этих парней в свою очередь оказывается «несущим» для трех других акробатов, называемых К, С и 3.
Л. — Изображенная тобой картина очень эффектна…, но достаточно далека от истины. Подумай прежде всего, что нет надобности передавать все три сигнала цветности; достаточно двух — обычно это К и С.
Н. — А что же ты делаешь с 3? Без зеленого невозможно правильно воспроизвести цвета.
Л. — Я совсем не собираюсь изгонять зеленый цвет, цвет надежды. Но его легко восстановить в приемнике, вычитая из сигнала яркости Я сигналы К и С в соответствующей дозировке.
Н. — Это верно. Я должен был бы подумать о том, что 3 является частью Я… Однако как же ты передашь два сигнала К и С, модулируя только одну поднесущую частоту?
ЖОНГЛИРОВАНИЕ ЦВЕТОМ
Л. — Очень просто: модулируя ее последовательно (поочередно) этими двумя сигналами. Это является основным принципом французской системы СЕКAM (SEKAM — сокращение французского названия «sequentiel a memoire» — «последовательно с запоминанием»).
Н. — Но если передавать сигналы поочередно, одного-то будет всегда недоставать.
Л. — Действительно, К передается в течение длительности одной строки, затем С во время следующей строки, потом опять К, вновь С и т. д. Но чтобы иметь одновременно оба сигнала, используют запоминающее устройство.
Н. — Я читал, что в электронных вычислительных машинах используют магнитную «память».
Л. — Здесь речь идет о совершенно другом виде запоминающего устройства. Это стальная пластинка (рис. 139), которая передает колебания с одного конца на другой за 65 мксек, т. е. за время развертывания строки при стандарте четкости в 625 строк. Когда поступает сигнал К, он одновременно направляется на соответствующую пушку кинескопа (с тремя пушками) и на вход линии задержки, где электрические напряжения превращаются в механические колебания. Эти колебания достигают другого конца линии задержки за 64 мксек. А здесь они преобразуются в электрическое напряжение, которое электронный переключатель подведет к пушке К.
Рис. 139. Линия задержки.
Н. — Но в этот момент поднесущая частота доставит сигнал С.
Л. — Вот именно. И он будет одновременно подведен к соответствующей пушке и к входу линии задержки (рис. 140).
Рис. 140. Полупериоды сигналов цветности, передаваемые в системе СЕКAM; благодаря памяти линии задержки, пушки К и С питаются непрерывно соответствующими сигналами, в то время как эти сигналы передаются через строку.
Н. — Есть, готово! Я понял!!! Благодаря «памяти» в виде линии задержки оба сигнала К и С будут существовать одновременно. Едва один из них подлетит на крыльях поднесущей частоты, как второй, поступивший в начале развертывания предыдущей строки на вход линии задержки, также уже готов к действию… Но я не вижу, каким образом твоя система дает возможность решить основную проблему ширины полосы частот.
Л. — Разделение сигналов яркости и цветности дает нам желанное решение. Яркость передают с максимумом деталей, занимая для этого всю имеющуюся ширину полосы частот, ту же, что и для монохроматических передатчиков. Цветность же довольствуется узкой полосой частот (рис. 141).
Рис. 141. Спектр частот передатчика цветного телевидения.
Н. — Это скверно! Четкость цветов в наших изображениях окажется низкой и цвета размытыми. Для чего же тогда….
Л. — Это неважно. Наше зрение обладает весьма любопытным психо-физиологическим свойством. Насколько мы чувствительны к четкости черно-белых изображений, настолько же глаз слабо ощущает отсутствие четкости в цвете.
Н. — Однако я это знал с детства. Когда мне давали альбом с картинками для раскрашивания, я на них размазывал широкие цветные полосы. Это не мешало картинкам сохранять все детали, прекрасно отпечатанные черным цветом.
