Туманные зеркала XXI века

От редакции. Эта статья открывает целую серию, цель которой — дать начинающим специалистам базовые знания, которые позволят более эффективно работать с телевизионным оборудованием, понимать физические основы, на базе которых формируется изображение и строится техника. Думается, что и опытным работникам телевидения будет полезно освежить в своей памяти базовые понятия и положения, о которых пойдет речь в этой и последующих статьях.

«Гусев ввел Лося в узкую полутемную комнату; в дальней стене было вделано большое квадратное матовое зеркало, перед ним стояло несколько табуретов и кресел.

- Видите, шарик висит на шнурке; думаю, — золотой, дай сорву, — глядите, что получилось.

Гусев дернул за шарик. Зеркало озарилось, появились уступчатые очертания огромных домов, окна, сверкающие закатным солнцем, развевающиеся полотнища. Глухой гул толпы наполнил темную комнату. По зеркалу, сверху вниз, закрывая очертания города, скользнула крылатая тень. Вдруг огненная вспышка озарила экран, резкий треск раздался под полом комнаты, туманное зеркало погасло.

- Короткое замыкание, провода перегорели, — сказал Гусев».

Так в романе «Аэлита», написанном в 1922 году, Алексей Толстой описывал работу телевизионного приемника. На Марсе.

А на Земле люди всегда мечтали научиться передавать изображение на расстояние, но «сказку сделать былью» удалось только после того, как были изобретены приемная и передающая телевизионные трубки — кинескоп и иконоскоп.

Первым по-настоящему «телевизионным» изобретением был «электрический телескоп», запатентованный Паулем Нипковым еще в 1884 году. Он имел 24 отверстия, которые располагались на равном расстоянии по спирали у периферии диска. Передаваемое изображение фокусировалось на небольшом участке периферии диска, а сам диск вращался со скоростью 600 об/мин. При его вращении изображение сканировалось отверстиями по прямым линиям, а линзы собирали строки на селеновом элементе. По сути дела, это была первая в мире система развертки изображения, только не электронная, а механическая.

Еще дальше продвинулся русский ученый Борис Розинг, работавший в Технологическом институте Санкт-Петербургского университета. В 1907 году он разработал телевизионную систему с механической разверткой в передающем устройстве и электронно-лучевую трубку в приемнике.

Днем рождения телевидения в нашей стране считается 9 мая 1913 года, когда Розинг впервые смог передать изображение на расстояние с помощью изобретенной им электронно-лучевой трубки.

Первые телепередачи в Советском Союзе начались в 1931 году, а регулярное телевизионное вещание — в 1938 году. К началу 1970-х годов телевизионное вещание охватывало территорию, на которой проживало 70% населения СССР, имевшего 35 миллионов телевизоров. Во второй половине 1970-х годов на околоземную орбиту были выведены спутники телевизионной ретрансляции «Радуга», «Экран» и «Горизонт». Возникла система «Интерспутник», охватывающая не только СССР и страны Восточной Европы, но и Вьетнам, Кубу, Монголию, ряд развивающихся стран. Позже советская спутниковая системы «Орбита» была подключена к системе международной космической телевизионной связи Intelsat.

В последние годы прогресс телевидения идет быстрыми темпами. Развиваются цифровые методы обработки и передачи изображения, популярными в больших городах стали широкополосные сети кабельного телевидения в полосе 5…862 МГц, способные предоставить телезрителю до 100 и более ТВ-программ. На базе современных телевизоров появились домашние кинотеатры, качество воспроизведения изображения и звука в которых способно удовлетворить потребности самого взыскательного зрителя.

И все это — всего лишь за 100 лет, совсем небольшой срок в истории человечества.

Передавать на большие расстояния неподвижные изображения научились вскоре после изобретения телефона, а вот с подвижными все оказалось гораздо сложнее. Было ясно, что изображение нужно раскладывать на отдельные элементы, передавать их последовательно, а затем в приемнике «собирать» в картинку. Проблема состояла в том, что объем передаваемой информации оказывался чрезвычайно большим, значительно превосходящим технические возможности радиоэлектронной аппаратуры того времени. Решение было найдено, когда инженеры обратились за помощью к врачам-офтальмологам, изучающим свойства человеческого глаза.

Оказалось, что человеческое зрение обладает рядом интересных особенностей, позволяющих значительно уменьшить объем передаваемой информации, причем без существенной потери качества телевизионной картинки. И самые первые, и самые современные телевизионные системы строятся именно применительно к особенностям человеческого глаза. Из этого, между прочим, следует, что видеть телевизионное изображение способны далеко не все животные. Высшие обезьяны, зрение которых устроено почти так же, как человеческое, вполне способны смотреть телевизор, а вот для кошек и собак, например, это скорее всего невозможно. Стоит отметить, что кроме чисто технической проблемы существует и еще одна, более сложная. Дело в том, что человек, видя на экране плоское изображение людей, автоматически ставит этот образ в соответствие с реальными, живыми людьми, а для этого требуется способность к абстрактному мышлению, которым обладает человек и не обладают животные. Кошка, даже если она увидит на экране изображение мыши, не станет ее ловить, потому что не сможет установить соответствие между картинкой и реальной вкусной мышкой. Впрочем, мы отвлеклись.

Основной особенностью человеческого зрения, используемой в телевидении, является его инерционность. Ее сущность состоит в том, что человеческий глаз продолжает «как бы видеть» исчезнувший предмет еще в течение 0,1 с. Это означает, что если смена изображений будет происходить быстрее, чем за 0,1 с, каждое изображение в отдельности человек различить не сможет. Следовательно, если отдельные элементы изображения передавать и поочередно воспроизводить с большой скоростью, человеческий глаз воспримет их как целостное изображение.

Другой важнейшей особенностью человеческого зрения является его ограниченная разрешающая способность по угловому расстоянию. Это означает, что изображение можно разбивать на ограниченное количество элементов. Человеческий глаз не может различать близко расположенные друг к другу предметы малых размеров. Например, два предмета, угловое расстояние между которыми меньше одной минуты, кажутся одним предметом.

Из этой особенности вытекает, что человеческий глаз имеет ограниченную разрешающую способность по перемещениям. Это означает, что для получения плавного изображения движущихся предметов каждое изменение нужно передавать небольшими порциями, примерно так, как это делается в кино, где каждый последующий кадр мало отличается от предыдущего.

Для создания телевизионного сигнала оказалась важной различная восприимчивость человеческим глазом разноконтрастных изображений. Это означает, что глаз лучше различает светлые точки на темном фоне, чем темные — на светлом. Исходя из этой особенности человеческого зрения, в телевидении была выбрана так называемая негативная модуляция, об особенностях которой будет рассказано в других статьях.

Первоначально телевидение было черно-белым, но когда появились технические возможности передачи и воспроизведения цветного изображения, специалисты обратились к теории цветного зрения человека, над которой работал еще Ломоносов.

По современным представлениям, глаз человека содержит три группы цветочувствительных элементов-рецепторов (их называют колбочками и палочками), которые имеют максимальный уровень поглощения при длине волны около 430, 530 и 650 нм и называются «синими», «зелеными» и «красными», фактически являясь коротко-, средне-, и длинноволновыми детекторами видимого спектра электромагнитного излучения.

Смешивая в определенной пропорции эти три цвета, можно получить почти любые цвета.

Видимый человеческому глазу свет лежит в диапазоне 750 (красный)…380 (фиолетовый) нм.

В колориметрии (научной дисциплине об измерении цвета) принято различать чистые, или спектральные, и смесевые цвета. Чистые цвета описываются просто длиной волны, а смесевые — формулой:

E_a = αE_R + βE_G + γE_B

Чувствительность к различным цветам у человеческого глаза неодинакова. Лучше всего воспринимаются желто-зеленые цвета, а хуже — красные и синие. Усредненная кривая цветовой чувствительности зрения показывает, что чувствительность к трем основным цветам R, G и B относится как 0,3:0,59:0,11. Это отношение лежит в основе формирования телевизионных сигналов яркости и цветности.

Цветное зрение человека обладает рядом особенностей, упрощающих формирование цветного телевизионного изображения.

Ограниченная разрешающая способность цветного зрения состоит в том, что человек плохо различает цвет мелких деталей изображения. Это означает, что при формировании телевизионной картинки нужно окрашивать только относительно большие части изображения, а мелкие можно передавать в оттенках серого цвета. На качестве изображения это не скажется, а вот полоса частот, занимаемых телевизионным сигналом, уменьшится.

Острота зрения человека не зависит от направления, так как хрусталик глаза сферичен. Значит, размеры элементов телевизионного изображения по вертикали и горизонтали должны быть одинаковыми, иначе картинка будет иметь искажения.

Самой важной особенностью человеческого зрения, на которой, собственно, и базируется принцип формирования цветного изображения, является пространственное усреднение цвета. Если на цветном изображении, на небольшом расстоянии друг от друга, окажутся три малых элемента, окрашенных в разные цвета, то вместо них человек увидит один элемент, окрашенный результирующим смесевым цветом в соответствии с приведенной формулой.

В колориметрии для описания цветов, их оттенков и способов формирования разработаны так называемые цветовые модели, которые условно делятся на две группы.

Дело в том, что цвета в природе могут образовываться по-разному. Человеческий глаз способен воспринимать цветной свет, излучаемый Солнцем, экраном телевизора или монитора, сигналом светофора. Для такого света используют модели излучающих цветов, и прежде всего — модель RGB. Эти модели называют аддитивными.

Попадая на поверхности несветящихся предметов, солнечный свет или свет электрической лампочки частично поглощается, нагревая эти предметы, а частично — отражается. Этот отраженный свет воспринимается человеческим глазом как цвет предмета. Для описания цветов, возникающих от отраженного света, используют модель CMYK, которая называется субстрактивной моделью.

Модель RGB основана на применении так называемого локуса цветов (рис. 1). По наружному контуру графика нанесены числа от 400 до 700, соответствующие длинам волн видимого света. Областью С показан белый цвет. Если от области С провести прямую линию к точке с длиной волны 600 нм, то на ней окажутся все оттенки красного (светло-розовый, розовый, красный). То есть перемещение от центра локуса к периферии изменяет насыщенность цвета, степень его разбавленности белым.

Рис. 1. Локус цветов	Рис. 2. Определение смесевого цвета

Для того чтобы определить результат смеси двух цветов А и Б, достаточно на локусе провести между ними прямую линию (рис. 2). Цвет смеси будет лежать на этой прямой, причем, чем ближе точка на прямой будет к точке А, тем меньше смесевый цвет будет отличаться от цвета А.

Рис. 3.Модель цвета RGB

Модель цвета RGB графически можно представить и по-другому (рис. 3). По осям абсцисс, ординат и аппликат отложены первичные цвета, а внутри полученной области находятся все смесевые цвета, образуя цветовое пространство. Точка, лежащая в начале координат, соответствует черному цвету, а противоположная ей — белому. На линии между черным и белым цветом лежит так называемая серая шкала, то есть шкала серых цветов.

Модель CMYK — это цветовая модель для окрашенных несветящихся объектов. В зависимости от того, в какой области спектра происходит поглощение, объекты отражают различные цвета, определяющие окраску этих объектов. Цвета, которые используют белый цвет, вычитая из него определенные участки спектра, называют субстрактивными, поэтому модель CMYK — субстрактивная модель.

В этой модели основными цветами являются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow), которые получаются путем вычитания из белого цвета основных аддитивных цветов RGB:

Рис. 4. Модель цвета CMYK

• Голубой = Белый — Красный
• Пурпурный = Белый — Зеленый
• Желтый = Белый — Синий

Модель цвета CMYK очень похожа на модель RGB (рис. 4). Заметим, что в этой модели в начале координат находится белый, а не черный цвет, а по осям отложены желтый, голубой и пурпурный цвета.

Как раз эта модель цвета используется в современных струйных принтерах, и картриджи именно таких цветов можно обнаружить, подняв крышку этих принтеров.

Теоретически смешением трех этих цветов можно получить и черный цвет, однако на практике из-за неравномерного смешения чернил картриджей он получается грязно-пятнистым, поэтому изготовители принтеров добавляют еще и картридж с черными (Black) чернилами. Последняя буква в слове Black — «K» — и дает четвертую букву в названии цветовой модели CMYK.