Admin

Цветное телевидение: открытие, развитие, применение

В.В. МИХАЙЛОВ, доцент МГУПС

В последние годы с развитием техники на железнодорожном транспорте существенно возросло применение опто- и радиоэлектронных средств. Например, ускорение оборота подвижного состава на крупных станциях потребовало применения телевидения для считывания номеров вагонов и локомотивов, а оптимизация управления перевозочным процессом - круглосуточного телевизионного обзора территорий станций. Создание автоматизированных систем управления движением поездов также связано с использованием телевизионных систем. При этом требуется, чтобы телевизионные терминалы имели четкое детальное движущееся цветное стереоскопическое изображение. Реализация этого условия возможна в той мере, в какой позволяет компромисс между качеством передаваемого изображения и технико-экономическими возможностями промышленности.

Физическими процессами, необходимыми для воспроизведения видимого изображения удаленных предметов, являются: преобразование световой энергии отраженных лучей в электрические сигналы, распространение сигналов между пунктами передачи и приема и обратное их преобразование в световую энергию. Предпосылкой создания систем передачи изображения стало открытие английскими учеными У. Смитом и Дж. Мэйном в 1873 г. явления фотопроводимости селена, создавшего возможность преобразования световой энергии в электрическую.

Первый проект телепередачи изображения, предложенный в 1875 г. американцем Дж. Керр, был создан по аналогии со зрением человека. В пункте передачи изображение проецировалось на мозаичную поверхность, состоящую из множества малых фотоэлементов селена. В пункте приема устанавливался экран из того же количества лампочек. Одинаково расположенные элементы селена и лампочки соединялись проводами. Предполагалось, что в процессе передачи изображения от засвеченных элементов селена пойдет ток, который заставит светиться лампочки. В этом проекте, к сожалению не осуществленном, главным недостатком было наличие большого числа проводов (каналов связи). Оно было равно количеству элементов изображения [1].

В проекте П.И. Бахметьева, разработавшего «телефотограф», мозаика была заменена одним селено-вым элементом, обегающим по спирали поверхность, на которую проецировалось световое изображение. В месте приема горелка синхронно двигалась по спирали, и яркость ее свечения должна была регулироваться электромагнитом, управляемым током фотоэлемента. В проекте предполагалась передача семи - восьми кадров в секунду [2].

Следует отметить, что принципы последовательной во времени передачи сведений о яркости отдельных элементов изображения (развертка изображения во времени) и разложение изображения на элементы стали основой всех последующих проектов телевизионных систем. Оригинальные проекты были предложены Перозино в Италии, Сенлекома во Франции, Ш. Бодуэллом в Англии, В. Сойерсом в США и др. Среди технических решений наибольшего внимания заслужила конструкция передающего устройства в проекте Сенлека. Это - металлическая пластина с отверстиями, заполненными селеном. Из середины каждого отверстия выведен провод. Последний подается на контакты коммутатора, который переключает канал связи. Такая конструкция явилась прообразом сигнальных пластин в передающих телевизионных трубках.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Практическая реализация проектов механической передачи изображений долгие годы тормозилась из-за использования коммутаторов каналов связи в системе развертки изображения, не обеспечивающих необходимую скорость переключений, да и селеновые фотоэлементы вырабатывали довольно слабые токи и были инерционны.

Потребовалось совершенствование как системы развертки, так и фотоэлементов. Весьма значительную скорость развертки изображения обеспечила система с тонкими вращающимися дисками, предложенная в 1884 г. в Германии П. Нипковым. В ней удалось разложить изображение на несколько десятков строк. Усовершенствованные фотоэлементы с внешним фотоэффектом, т. е. элементы, с поверхности катодов которых возникает электронная эмиссия при облучении их светом, были разработаны русским физиком А. Г. Столетовым в 1888 -1890 гг. Электрическая лампа накаливания была заменена газосветной, благодаря чему снизилась инерционность системы, а появившиеся электронные лампы позволили усилить слабые фототоки [3].

В1925 г. Д. Берд в Англии и Дженкинс в США передали движущиеся изображения с помощью системы с механическим разложением изображения. Передача движущихся силуэтных изображений с использованием аппаратуры механической телевизионной системы, разработанной сотрудником Ленинградского физико-технического института Л.С. Терменом, была показана в СССР в 1926 г. Вскоре после этого специалисты Всесоюзного электротехнического института создали механическую телевизионную систему, в которой изображение раскладывалось на 30 строк и передавалось с частотой 12,5 кадров в секунду. В результате с 1931 г. начались передачи телевизионного вещания в Москве и несколько позже в Ленинграде, Киеве, Томске и Одессе.

ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

Первые опыты создания электронных приемных и передающих телевизионных устройств относятся к началу XX века, когда русский ученый Б.Л. Розинг подал заявку на изобретение способа электрической передачи изображений на расстояние. В передающем устройстве системы он применил фотоэлемент с внешним фотоэффектом и оптико-механической системой развертки, а на приеме использовал электронный прибор - трубку Брауна. Несколько усовершенствовав ее, Б.Л. Розинг продемонстрировал передачу изображения решетки из четырех полос на расстояние. Его заслуга состоит в том, что для воспроизведения изображения он применил безынерционный электронный луч и осуществил модуляцию луча по мощности.

Английский инженер К. Свинтон предложил использовать электронный луч и в передающем устройстве. Он разработал в 1911 г. трубку, светочувствительный слой в которой состоял из кусочков рубидия, обладающего значительным фотоэффектом.

Однако создание электронной телевизионной системы нуждалось в дальнейшем совершенствовании конструкций передающей и приемной трубок. Так, экран приемной трубки изнутри был покрыт люминофором - веществом, светящимся от бомбардировки его электронами. Стало возможным управлять мощностью электронного луча (яркостью свечения пятна на экране) путем изменения напряжения на управляющем электроде. Применение отклоняющего устройства позволило регулировать отклонение луча по вертикали и горизонтали. Теперь в приемной трубке луч под действием отклоняющих напряжений или токов синхронно и синфазно с лучом передающей трубки прочерчивал все строки на экране, образуя растр из светящихся линий. С помощью сигналов изображения, принятых от передающего устройства и поданных на управляющий электрод, изменяются мощность луча и яркость свечения в различных точках экрана, что приводит к формированию изображения на экране.

Чтобы усилить фототоки, создающие электрический сигнал изображения, требовалось значительное повышение эффективности светового потока. При научных разработках для достижения указанной цели были предложены два метода.

В первом методе, названном системой с бегущим лучом, вся световая энергия концентрировалась в узконаправленном луче, обегающем поочередно элементы изображения. Благодаря этому увеличились яркость отраженных лучей и ток фотоэлемента. Этот метод привел к созданию передающих трубок мгновенного действия, которые были использованы для демонстрации кинофильмов.

Во втором методе световым потоком освещалось сразу все изображение, заряды от тока каждого элементарного фотоэлемента накапливались в течение времени передачи кадра, и затем накопившийся заряд реализовывался. Идею накопления заряда от тока фотоэлемента на подключенном к нему конденсаторе высказал еще в 1907 г. Б.Л. Розинг [4].

ЦВЕТНОЕ ТЕЛЕВИДЕНИЕ

Цвет - трехмерная величина, субъективно оцениваемая наблюдателем. Процесс цветового зрения состоит в том, что световой поток воздействует на три вида колбочек сетчатки глаза. Каждый вид реагирует только на один из трех основных цветов-красный, зеленый или синий. При одновременном воздействии трех цветовых потоков, имеющих одинаковую энергию свето-возбуждения, глаз видит белый, так называемый равноэнергетический цвет. Экспериментально получены зависимости относительной чувствительности различных колбочек глаза от длины волны (рис. 1).


В колориметрии (науке, изучающей законы синтеза цвета) принято обозначать красный цвет с длиной волны 700 нм буквой R, зеленый 546 нм - G, синий 435,8 - В, белый - Е.

Подавляющее большинство существующих в природе оттенков цветов может быть получено смешением в различных пропорциях этих основных цветов. Различают три способа смешения цветов: локальный, когда одновременно (или по очереди с быстрой сменой) проецируются на одно и то же место и смешиваются в зрительном восприятии несколько цветовых потоков; пространственный, когда цветовые точки размещаются близко друг к другу и цвета смешиваются вследствие того, что угол зрения получается менее разрешаемого; бинокулярный, когда световыми потоками различных цветов воздействуют на сетчатки левого и правого глаз, а информация о цвете смешивается в нервной системе зрения.

Установлены следующие основные законы смешения: для всякого цвета существует другой, смесь с которым в определенной пропорции создает белый цвет - это так называемые дополнительные цвета; при смешении двух разных цветов (расположенных по спектральной шкале цветов ближе друг к другу, чем дополнительные) образуется новый цвет, по своему тону лежащий между смешиваемыми цветами; смесь цветов, одинаковых для глаза по цвету, имеет такой же цвет, как и смешиваемые, независимо от спектрального состава последних.

Приняты две трехкомпонентные (трихроматические) колориметрические системы [5]: стандартная (реальных цветов) и производная от нее (символических цветов).

Цвет может быть представлен вектором в трехмерном пространстве. Удобно длиной вектора считать яркость, а направлением -цветность. Все векторы цвета должны находиться в пределах телесного угла, не превышающего 2Р.

Пространство, которое образуют векторы существующих в природе цветов, принято называть цветовым. Направления векторов основных цветов выбраны так, чтобы в плоскости, отсекающей одинаковые отрезки этих векторов, получался равносторонний треугольник (рис. 2), называемый цветовым.


СИСТЕМЫ ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ

В системах цветного телевидения используется принцип совместимости с черно-белым телевидением, т. е. в спектре телевизионного канала передаются один яркостный и два модулированных на цветовую поднесущую цветоразностных сигнала. Применяются кодирующая и декодирующая матрицы и цветокорректор [6]. В результате одна цветовая поднесущая должна передавать два цветоразностных сигнала.

Системы по методу модуляции колебаний поднесущей частоты и условиям передачи сигналов в радиоканале имеют три стандарта: NTSC, PAL и SECAM.

Система NTSC (national television standards committee- национальный комитет по телевизионным стандартам) аналогового цветного телевидения с квадратурной модуляцией (передача 525 строк) разработана в США и впервые продемонстрирована в 1953 г. Применяется в США, Канаде, Австралии, Японии и странах Латинской Америки.

Квадратурная модуляция двух сигналов одной несущей частоты осуществляется двумя балансными модуляторами, на которые подаются колебания одной и той же несущей частоты, но со взаимным сдвигом по фазе на 90° (в «квадратуре»). В применении к радиосвязи и радиовещанию квадратурная модуляция была разработана русскими учеными А .А. Пистолькорсом, Е.Г. Момотом и В.И. Сифоровым (1935-1941 гг.).

Система PAL (phase alternating line - поэтапно-переменная строка) аналогового цветного телевидения разработана немецкой компанией «Telefunken».

Для уменьшения влияния фазовых искажений в тракте передачи на качество цветного изображения немецкие ученые внесли в систему NTSC усовершенствования. Они предложили изменять фазу одного из цветоразностных сигналов на 180° через строку. Это привело к созданию системы PAL, в которой применено разложение на 625 строк.

В трубках с послеотклонением используется один пучок электронов, а изменение его траектории непосредственно перед экраном обеспечивается за счет поочередной коммутации пучка между всеми тремя люминофорами. Разработаны различные варианты трубок с послеотклонением. Из них наибольший интерес представляет трубка, предложенная в 1951 г. Э. Лоуренсом (США) и получившая название однолучевого хроматрона.

В эксплуатации система PAL оказалась устойчивее, чем NTSC. По системе PAL ведется телевизионное вещание в Германии и Англии.

Система SECAM (Sequence de Couleurs Avec Memoire - поочередность цветов с запоминанием) аналогового цветного телевидения разработана совместно французскими и советскими учеными. Впервые применена во Франции в 1962 г. и является первым европейским стандартом цветного телевидения.

Система поочередной передачи части цветовых сигналов, в которой вместо яркостного сигнала поочередно передаются цветоразностные сигналы UR и UG. Третий цветовой сигнал UB передается на цветовой поднесущей в узкой полосе частот.

Здесь впервые для реализации памяти применена линия задержки для сложения сигналов цветности, пришедших в разное время.

Применение частотной модуляции сделало систему малочувствительной к фазовым и нелинейным искажениям. Однако опытная эксплуатация показала недостаточно надежную работу устройств синхронизации цвета (электронного коммутатора) и взаимно слабую помехозащищенность между сигналами цветности и яркости.
В доработанном варианте SECAM сделаны следующие изменения:

применены вместо одной две цветовые поднесущие частоты и расположены они не между пакетами колебаний черно-белого сигнала. В качестве одной из поднесущих используется 272-я гармоника строчной частоты 4,25 МГц. На нее модулируется UBy сигнал. Другая поднесущая частота 4,406 МГц является 282-й гармоникой строчной частоты;

полоса частот сигналов цветности несколько более 1 МГц, девиация равна 200 кГц, индекс модуляции - менее единицы;

амплитуда сигнала частотно-модулированных поднесущих (сигнала цветности) составляет 0,1-0,12 от яркостного сигнала. Применена автоматическая регулировка, при которой соотношение роста амплитуд сигналов яркости и цветности поддерживается постоянным;

осуществляется смена фазы цветовых поднесущих на 180° не только после каждого поля (после полукадра), но и через две строки на третью;

применяется предыскажение сигнала цветности;

для обеспечения синхронной работы электронных коммутаторов в передающей и приемной частях системы принимается специальный сигнал опознавания цвета, посылаемый после каждого полукадрового синхронизирующего импульса.

Система SECAM в настоящее время является основной в России и Франции, а также она применяется в Монако, Люксембурге, Иране и ряде стран Африки, Южной Америки и Азии.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Автоматика, связь, информатика".

Перенес: Admin