TV Technik

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2. Hinzunahme der Farbinformation

Den bisherigen Ausführungen war die Übertragung der Helligkeitsverteilung einer Bildvorlage zugrunde gelegt. Die Entwicklung der Fernsehtechnik steuerte jedoch schon sehr bald in Richtung Farbbildübertragung und heute kann davon ausgegangen werden, daß mit dem Begriff Fernsehen selbstverständlich Farbfernsehen gemeint ist. Zur Wiedergabe eines farbigen oder bunten Abbildes der Vorlage muß aber neben der Helligkeitsverteilung noch eine zusätzliche Information über die Farbverteilung, daß heißt über die Farbart der einzelnen Bildpunkte übertragen werden. Dies setzt zunächst sendeseitig die Gewinnung dieser Farbinformation und deren Aufbereitung voraus und erfordert empfangsseitig auch eine Möglichkeit der Farbbildwiedergabe.

2.1 Problematik

Die Problematik der Farbbildübertragung beim herkömmlichen Fernsehen liegt darin, das beim Schwarzweiß-Fernsehen benutzte Übertragungsverfahren beizubehalten und die zusätzliche Farbinformation dem Empfänger möglichst innerhalb des Frequenzbandes des BAS-Signales und mit diesem in einem gemeinsamen Kanal zu übermitteln.

Für ein Farbfernsehsystem bedeutet dies, daß man ein in diesem System übertragenes Farbbildsignal so aufbereiten muß, daß von einem Schwarzweiß-Empfänger ein einwandfreies Helligkeitsbild wiedergegeben wird (Kompatibilität) und andererseits auch, daß ein Farbfernsehempfänger das Bildsignal von einer Schwarzweiß-Vorlage als einwandfreies unbuntes Bild wiedergibt (Rekompatibilität). Diese Forderungen können nur erfüllt werden, wenn aus der Farbbildvorlage

  • eine Information über die Helligkeits- bzw. Leuchtdichteverteilung sowie
  • eine Information über die Farbverteilung
    gewonnen und entsprechend aufbereitet übertragen werden.

Eine bunte Bildvorlage kann beschrieben werden durch Helligkeit bzw. Leuchtdichte und durch die Farbart. Die Farbart ist gekennzeichnet durch den Farbton — bestimmt durch die dominierende Wellenlänge des Lichtes — und durch die Farbsättigung als ein Maß für die spektrale Reinheit, das heißt, für die Intensität der „Farbe" gegenüber dem Unbunten (Weiß) (Bild 2.1).

 

Bild_2.1.jpg

Während das Helligkeits- oder Leuchtdichtesignal direkt gewonnen werden kann, ist dies beim Farbartsignal nicht möglich. Es gibt keine technischen Einrichtungen, die selektiv auf Farbton oder Farbsättigung ansprechen. Bei der Erzeugung des Farbartsignales wird vielmehr von der Dreifarbentheorie nach HELMHOLTZ ausgegangen. Danach kann ein buntes Bild in drei Grund- oder Primärfarbanteile in den Farben Rot, Grün und Blau zerlegt werden. Über farbselektive Bildaufnahmewandler erhält man daraus die Farbwertsignale (R, G, B), die den Anteilen der drei Grundfarben proportional sind. Durch eine bestimmte Codierung gewinnt man aus diesen Signalen sowohl ein Leuchtdichtesignal als auch über einen weiteren Modulationsvorgang das Farbartsignal.

Auch bei der Farbbildwiedergabe werden die Farbwertsignale benötigt. Man erhält diese wiederum durch eine entsprechende Decodierung aus dem übertragenen Leuchtdichtesignal und dem Farbartsignal. Bild 2.2 zeigt das sich so ergebende Schema der kompatiblen Farbbildübertragung als Erweiterung der Schwarzweißbildübertragung.

 

 Bild_2.2.jpg

 

2.2 Grundlagen der Farbenlehre und Farbmetrik

Das Verständnis eines Farbfernsehsystems setzt die Kenntnis einiger wesentlicher Gesetzmäßigkeiten und Darstellungen in der Farbenlehre voraus. Es werden deshalb in diesem Abschnitt die wichtigsten farbmetrischen Begriffe und Funktionen sowie verschiedene Darstellungsmöglichkeiten erläutert.

Als Licht wird der Teil der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet, der vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Es umfaßt den Wellenlängenbereich von etwa 400 nm (violett) bis 700 nm (rot). Das von der Sonne ausgestrahlte weiße Licht besteht aus einer Vielzahl von Spektralfarben, die fließend ineinander übergehen. Spektralfarben sind voll gesättigte Farben. Durch Mischen mit unbuntem Licht erhält man ungesättigte Farben.

Eine farbige oder bunte Lichtstrahlung, die im Sehorgan eine bestimmte Farbempfindung hervorruft, nennt man Farbreiz. Diese Strahlung kann durch ihre spektrale Energieverteilung gekennzeichnet werden. Die Wahrnehmung durch das menschliche Sehorgan erfolgt über zwei Arten von lichtempfindlichen Elementen auf der Netzhaut des Auges: Stäbchen reagieren nur auf Helligkeitsunterschiede, während rot-, grün- und blauempfindliche Zäpfchen in einem relativ breiten Wellenlängenbereich auf die entsprechende Lichtstrahlung ansprechen. Über eine Mischung der drei Teilempfindungen entsteht der Farbeindruck.

Die von der Wellenlänge der Strahlung abhängige Hellempfindung des menschlichen Auges wird durch die Augenempfindlichkeitskurve oder Hellempfindlichkeitskurve ausgedrückt (Bild 2.3). Sie gibt an, wie hell das an das Tageslicht adaptierte Auge die einzelnen Spektralfarben beurteilt, wenn diese mit gleicher Energie auf das Auge treffen.

Das Maximum der Kurve liegt bei einer Wellenlänge von 555 nm. Farben im Bereich von Grün werden hell, andere Farben, wie z. B. Blau, werden dunkel empfunden.

 

Bild_2.3.jpg

Auch beim Schwarzweiß-Fernsehen, wo ja nur die Helligkeitsverteilung einer bunten Bildvorlage übertragen wird, muss diese Hellempfindlichkeitskurve des Auges berücksichtigt werden. Dies geschieht über die spektrale Empfindlichkeit des Bildaufnahmewandlers und durch eventuelle Korrekturfilter. Ohne diese Korrekturmaßnahmen könnte ein unnatürlicher Bildeindruck hervorgerufen werden.

Die Farben von Gegenständen, die sogenannten Körperfarben, sind diejenigen Farben, die aus dem Licht, mit dem der Gegenstand bestrahlt wird, reflektiert werden. Meist handelt es sich bei den Körperfarben nicht um Spektralfarben, sondern um Mischfarben, die aus einer Anzahl von nahe beisammen liegenden Spektralfarben oder aus mehreren Gruppen von Spektralfarben gebildet werden. Die Farbreizfunktion gibt die zugehörige Spektralverteilung an (Bild 2.4). Beim Vorhandensein von mehreren Spektralfarben bildet sich durch additive Farbmischung eine Mischfarbe. Auch Weiß (Unbunt) kann als Mischfarbe entstehen. Typische Beispiele für eine additive Farbmischung aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zeigt Bild 2.5

 

Bild_2.4.jpg

Die von YOUNG und HELMHOLTZ im vorigen Jahrhundert angenommene und heute experimentell bestätigte Farbwahrnehmung des Sehorganes über drei Arten von farbempfindlichen Sinneszellen auf der Netzhaut des Auges liegt auch dem Gesetz der additiven Farbmischung zugrunde, das GRASSMANN im Jahre 1854 formulierte:

 

Bild_2.5.jpg

Jeder Farbreiz, der im Auge eine bestimmte Farbempfindung auslöst, wird durch das Zusammenwirken von drei Primärreizen mit bestimmten Anteilen in den Grundfarben Rot, Grün und Blau hervorgerufen.

Die Anteile der Grundfarben nennt man Farbwerte. Mathematisch läßt sich diese Gesetzmäßigkeit für einen bestimmten Farbreiz C, oder wie nach [36] in der Farbmetrik als Farbvalenz anzugeben ist, ausdrücken durch

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Die Farbvalenz C wird durch additive Mischung aus den Primärvalenzen (R), (G) und (B) mit ihren Farbwerten R, G und B gebildet. Die Farbwerte sind ohne physikalische Dimension.

Als Primärvalenzen, Normspektralfarben oder Primärfarben wurden monochromatische Strahlungen mit den Wellenlängen

Formel_2.2.jpg

festgelegt. Keine der Primärfarben darf aus den beiden anderen ermischbar sein.

Die Anteile der Primärfarben, die in einem bestimmten Farbreiz enthalten sind, lassen sich mit Hilfe eines einfachen Instrumentes ermitteln (B i ld 2.6). Ein geknickter weißer Schirm wird von der einen Seite mit dem zu analysierenden Licht bestrahlt. Die andere Seite beleuchten drei in ihrer Intensität einstellbare Primärstrahler, die rotes (R), grünes (G) oder blaues (B) monochromatisches Licht abgeben. Die Intensität dieser Strahlungen kann durch Meßblenden M verändert werden, deren Öffnung an einer geeichten

 

Bild_2.6.jpg

Skala ablesbar ist. Das Farbmeßgerät ist abgeglichen, wenn die vordere Kante des Schirms nicht mehr erkennbar ist. In diesem Fall sind beide Schirmhälften mit Licht gleicher Helligkeit und Farbart beleuchtet. Die Eichung des Farbmeßgerätes erfolgt mit weißem Licht, dem sog. Gleichenergieweiß, als Referenzstrahlung. Bei voll geöffneten Meßblenden M werden dann die Eichblenden E solange verstellt, bis die Schirmkante unsichtbar wird. Die Farbgleichung ist dann erfüllt durch

Formel_2.3.jpg

Entsprechendes würde auch für alle Graustufen gelten, z. B. mit

Formel_2.4.jpg

Auf der Grundlage der Farbgleichung Gl. (2.1) wurden nun Farbmischkurven ermittelt, denen für jede Spektralfarbe der erforderliche Anteil der Primärfarben zu entnehmen ist (Bild 2.7). Der Ordinatenmaßstab ist durch die Bezugnahme auf das Gleichenergieweiß bedingt. Für bestimmte Wellenlängenbereiche treten auch negative Farbwerte auf. Das bedeutet, daß zur Nachbildung bestimmter Spektralfarben zu dem betreffenden Farbreiz noch ein gewisser Anteil eines Primärreizes (z. B. Rot) hinzugefügt werden muß. Die Kurven nach Bild 2.7 finden in der Farbfernsehtechnik direkt keine Anwendung. Sie sind jedoch von grundsätzlicher Bedeutung und werden später durch andere Farbmischkurven ersetzt.

 

Bild_2.7.jpg

In einer dreidimensionalen Darstellung der Farbvalenzen im sog. Farbraum ergibt sich mit den drei Primärvalenzanteilen ein räumlicher Farbvektor (Bild 2.8). Die Richtung des Vektors im Raum bestimmt dabei die Farbart, die Länge des Vektors ist ein Maß für die Helligkeit. Der Ursprung des Koordinatensystems bedeutet Schwarz (R = G = B = 0), der Weißpunkt liegt bei R = G = B = 1. Diese Darstellung im dreidimensionalen Koordinatensystem ist zwar unbequem, sie führt aber bereits zu der Aufspaltung in die Empfindungsmerkmale Helligkeit und Farbart, mit Farbton und Farbsättigung.

Es zeigt sich nämlich, daß die Helligkeit als Reizstärke unabhängig ist von der Farbart, die wiederum nur durch das Verhältnis der drei Primärvalenzanteile bestimmt wird. Damit kann man Helligkeit und Farbart voneinander trennen, indem man eine Normierung der Farbwerte auf die Helligkeit, entsprechend der Summe der Farbwerte, vornimmt.

 

Bild_2.8.jpg

Man erhält dann

Formel_2.5.jpg

beziehungsweise ausgedrückt durch die Farbwertanteile r, g und b, die sich aus den Farbwerten berechnen lassen zu:

Formel_2.6.jpg

Es gilt

Formel_2.7.jpg

Die Farbwertanteile werden auch als reduzierte Farbwerte bezeichnet. In diesen reduzierten Farbwerten ist die Helligkeit bzw. Leuchtdichte nicht mehr enthalten, sondern nur noch die Farbart. Da aber die Summe von r und g und b immer gleich eins ist, kann man bei der Angabe der Farbart auf eine der drei Größen verzichten und kommt so zu einer zweidimensionalen Darstellung mit der Farbfläche. Trägt man in ein r-g-Koordinatensystem die über die Farbmischkurven ermittelten reduzierten Farbwerte ein, dann erhält man als Verbindung den sogenannten Spektralfarbenzug als geometrischen Ort aller Spektralfarben (Bild 2.9).

Bedingt durch den negativen Anteil der Rot-Farbmischkurve ergeben sich auch hier negative reduzierte Farbwerte. Durch eine Koordinatentransformation unter Bezugnahme auf neue, fiktive, das heißt aber physikalisch nicht realisierbare, Primärvalenzen X, Y und Z erhält man eine Darstellung, in der nur noch positive Farbwerte auftreten. Desweiteren liegt der Transformation zugrunde, daß die Helligkeit bzw. Leuchtdichte allein in der fiktiven Primärvalenz Y enthalten ist.

 

 Bild_2.9.jpg

Auch mit diesen fiktiven Primärvalenzen und ihren Normfarbwerten X, Y und Z kann eine Normierung vorgenommen werden. Es gilt:

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Wiederum ausgedrückt durch die Normfarbwertanteile x, y und z mit

Formel_2.9.jpg

erhält man

Formel_3.0.jpg

Die zweidimensionale Darstellung der Farbart im x-y-Koordinatensystem wird als Normfarbtafel nach IBK (Internationale Beleuchtungs-Kommission) oder CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) bezeichnet. Bild 2.10 zeigt darin die durch den

 

Bild_3.0.jpg

 

Spektralfarbenzug und die Purpurlinie umschlossene Farbfläche und somit den durch additive Farbmischung aus den drei Primärvalenzen R, G und B realisierbaren Bereich möglicher Farbvalenzen. Der Weißpunkt W (Gleichenergieweiß) mit den Normfarbwertanteilenx = 0,33 und y 0,33 ergibt sich aus gleichen Anteilen von X, Y und Z genauso wie im R-G-B-System. Aus den beiden Normfarbwertanteilen x und y, die eine bestimmte Farbart kennzeichnen, lassen sich wiederum direkt keine Aussagen über den Farbton und die Farbsättigung machen.

Es kann jedoch der Farbton einer bestimmten Farbvalenz C durch die dominierende Wellenlänge IF bzw. im Falle der Purpurfarben, die als synthetische Farben im Spektrum des weißen Lichtes nicht enthalten sind und sich nur durch Mischung aus den Primärfarben Rot und Blau ergeben, durch die kompensative Wellenlänge IK der Komplementärfarbe gekennzeichnet werden. Man erhält die dominierende Wellenlänge, indem man den Ort der Farbart C mit den Normfarbwertanteilen xc und yc mit dem Weißpunkt W verbindet und diese Gerade bis zum Schnitt mit dem Spektrallinienzug verlängert. Dort kann die dominierende Wellenlänge abgelesen werden. Das Verhältnis des Streckenabschnittes CW vom Farbort bis zum Weißpunkt zu der Strecke SW vom Spektrallinienzug bis zum Weißpunkt gibt die Farbsättigung an. Je näher der Farbort C zum Weißpunkt rückt, umso geringer ist die Farbsättigung.

Der Farbort einer Mischfarbe liegt auf der Geraden zwischen den Farbvalenzen von zwei Ausgangsfarben bzw. bei drei Ausgangsfarben innerhalb des durch die Verbindungslinien eingeschlossenen Dreiecks. Komplementärfarben liegen sich, am Weißpunkt gespiegelt, gegenüber. In der Farbfernsehtechnik verwendet man die sogenannte Normfarbbalkenfolge als Farbbildvorlage. Darin sind neben Weiß und Schwarz die Grundfarben Rot, Grün und Blau enthalten sowie deren Komplementärfarben Cyan, Purpur und Gelb.

Bei der Festlegung von Bezugsgrößen in einem Farbfernsehsystem muß in erster Linie die Realisierbarkeit der Primärvalenzen auf der Empfängerseite berücksichtigt werden. Die Forderungen an die Empfänger-Primärstrahler sind vielfältig. Es soll durch sie einmal ein möglichst großer Bereich von Mischfarben darstellbar sein und auch voll gesättigte Farben sollen wiedergegeben werden, das heißt, die Farbkoordinaten der Empfänger-Primärstrahler sollten möglichst auf dem Spektralfarbenzug liegen. Andererseits braucht man Strahler, die eine hohe Leuchtdichte aufweisen und bei allen drei Farben mit möglichst gleichem Wirkungsgrad arbeiten. Dazu kommt noch die Forderung an eine wirtschaftliche Produzierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Leuchtstoffe.

Mit der Einführung des Farbfernsehens in den USA wurden 1954 von der FCC (Federal Communications Commission) die Farbarten der Bildschirmphosphore genormt. Im Laufe der Zeit wurden jedoch Leuchtstoffe entwickelt, die bei gleichen Strahlströmen höhere Leuchtdichten ermöglichen. Um die Empfänger-Primärvalenzen den besseren Leuchtstoffen anzupassen, wurden von der EBU (European Broadcasting Union) für die europäischen Farbfernsehsysteme 1974 die Normfarbwertanteile dieser Primärstrahler neu festgelegt. Es gelten folgende Werte:

Formel_3.1.jpg

Die Farborte der Empfänger-Primärvalenzen Re, Ge und Be sind in der Normfarbtafel nach Bild 2.11 eingezeichnet. In diesem Bild ist auch ein Bereich der Körperfarben abgegrenzt, innerhalb dem nahezu alle praktisch vorkommenden Farben liegen [36]. Man erkennt daraus, daß der durch das Dreieck Re-Ge-Be erfaßte Bereich eine hinreichend naturgetreue Wiedergabe von Farbbildszenen erlaubt.

 

Bild_2.11.jpg

 

Bei der Ermittlung der Farbmischkurven nach Bild 2.7 über die Anteile R, G und B der Primärreize wurde das Gleichenergieweiß W als Bezugsgröße zugrunde gelegt. Das bedeutet, dass gleiche Anteile R, G und B in additiver Mischung den Farbreiz W mit der Sättigung Null ergeben. Im x-y-Koordinatensystem der Normfarbtafel ist der Weißpunkt W durch die Normfarbwertanteilex = 0,33 und y = 0,33 definiert. In der Farbfernsehtechnik wird die Normlichtart C als Bezugsweiß verwendet. Dieses Weiß entspricht dem mittleren Tageslicht mit einer Farbtemperatur von etwa 6700 K. Die Normlichtart C lässt sich durch eine Wolfram-Glühlampe (Normlichtart A und ein vorgesetztes Filter) erzeugen. Die Farbkoordinaten sind:

Formel_3.2.jpg

Ein weiteres tageslichtähnliches Weiß stellt die Normlichtart D 65 dar mit den Normfarbwertanteilen

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Letzte Festlegungen der EBU hinsichtlich „Weiß" in Verbindung mit den Empfänger-Primärstrahlern beziehen sich auf die Normlichtart D 65. Diese läßt sich aber, im Gegensatz zur Normlichtart C, durch eine künstliche Lichtquelle nicht exakt realisieren. Eine Annäherung erreicht man mit einer Xenonlampe und bestimmten Farbfiltern [36].

Werden nun für alle spektralen Farbreize mit gleicher Strahlungsenergie die Farbwertanteile der Empfänger-Primärstrahler ermittelt und über der Wellenlänge als normierte Farbwerte aufgetragen (der Maximalwert der Kurve ist auf 1,0 bezogen), dann erhält man die in der Fernsehtechnik maßgeblichen Farbmischkurven (Bild 2.12). Es treten auch hier wieder negative Werte auf, bedingt durch die Farbvalenzen außerhalb des durch Re, Ge und Be gebildeten Dreiecks in Bild 2.11.

 

Bild_2.12.jpg

 

Die Farbmischkurven werden deshalb für den praktischen Betrieb geringfügig geändert (gestrichelt eingezeichnet). Auf diese Farbmischkurven müssen die Signale im Rot-, Grün- und Blau-Kanal der Farbkamera über die spektrale Empfindlichkeit der Aufnahme-Bildwandler und durch zusätzliche Farbfilter abgestimmt werden. Die Ausgangsspannungen der Farbkamera in den drei Kanälen müssen bei den verschiedenen Spektralfarben das gleiche Verhältnis zueinander haben wie die Werte der Farbmischkurven. Beim Bezugsweiß müssen die Ausgangsspannungen untereinander gleich sein und das auch bei verschiedenen Werten der Leuchtdichte. Diese Forderung wird über das zeilenfrequente Oszillogramm der Ausgangsspannungen in den drei Kanälen an Hand eines horizontalen Graukeils oder einer Grautreppe als Bildvorlage geprüft.

Beim Abschnitt 2.2 verwendete Literatur: [3, 4, 7, 36, 37, 38, 39].

 

2.3 Leuchtdichte- und Farbartsignal

Aus Gründen der Kompatibilität wird gefordert, dass bei einer bunten Bildvorlage aus den Farbwertsignalen einer Farbfernsehkamera das gleiche Signal abgeleitet werden kann, wie dies eine Schwarzweißkamera liefert, nämlich das Helligkeits- oder Leuchtdichtesignal. Damit wird auf dem Schirm einer Schwarzweiß-Bildröhre ein Helligkeitsbild hervorgerufen, das keinen Unterschied in Bezug auf die Quelle des elektrischen Signals erkennen lässt.

2.3.1 Leuchtdichtesign

Die spektrale Empfindlichkeit eines Schwarzweiß-Bildaufnehmers wird der Augenempfindlichkeitskurve angepaßt, damit eine Schwarzweiß-Bildröhre die verschiedenen Farbreize als Graustufen mit der Helligkeit wiedergibt, mit der sie vom Auge auch in der Bildvorlage empfunden werden. Die Farbfernsehkamera aber liefert zunächst drei Signale, in dem Rot-, dem Grün- und dem Blau-Kanal, mit der spektralen Abhängigkeit gemäß dem Verlauf der Farbmischkurven (siehe Bild 2.12). Um aus diesen drei Signalen eines zu gewinnen, das in seiner spektralen Abhängigkeit wieder dem Verlauf der Augenempfindlichkeitskurve entspricht, muß man eine entsprechende Codierung vornehmen. Über die Funktionswerte h(Re), h(Ge) und h(Be), die bei den Empfänger-Pirmärvalenzen aus der Augenempfindlichkeitskurve entnommen werden (Bild 2.13), mit

 

Formel_3.4.jpg

Bild_3.0.jpg

 

erfolgt eine Bewertung der Signale aus den drei Farbkanälen. Die Farbwertsignale, dargestellt durch ihre spektralen Funktionen Fe(X) und ge(X) und be(X), werden dazu mit den relativen Helligkeitswerten hr , h und hb multipliziert. Diese gewinnt man durch Normierung aus den Helligkeitsbeiwerten h(Re), h(Ge) und h(Be). Das Ergebnis muß dann, bis auf eine Proportionalitätskonstante k, identisch sein mit der Augenempfindlichkeitskurve h(1);

Formel_3.5.jpg

Zur Berechnung der relativen Helligkeitsbeiwerte bildet man zunächst die Summe der Funktionswerte h(. .) mit

Formel_3.6.jpg

und normiert dann die einzelnen Funktionswerte auf diesen Divisor. Die relativen Helligkeitsbeiwerte ergeben sich dann zu

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Wegen der Normierung gilt

Formel_3.8.jpg

Für Gl. (2.10) folgt dann

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In der Farbfernsehtechnik ist es üblich, die Leuchtdichte mit Y zu bezeichnen. Dies basiert, wie schon erwähnt, auf der Festlegung, die bei der Transformation der Primärvalenzen R, G, B in die fiktiven Primärvalenzen X, Y, Z getroffen wurde, dass nämlich der Helligkeitsanteil eines Farbreizes allein durch den Wert der Primärvalenz Y bestimmt wird. Damit ist auch der Verlauf der Normspektralwertkurve j (1) identisch mit der Hellempfindlichkeitskurve h

In vereinfachter Schreibweise erhält man dann die Codiervorschrift für die Leuchtdichteinformation Y aus den Farbwertanteilen R, G und B zu

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Die Gl. (2.15) stellt eine der wichtigsten Beziehungen der Farbfernsehtechnik dar. Sie bildet die Grundlage für die Erzeugung des Leuchtdichtesignales aus den Farbwertsignalen des Bildaufnahmesystems. Technisch wird das Leuchtdichtesignal UY über eine Matrixschaltung aus den Farbwertsignalen UR, UG und UB gewonnen (Bild 2.14) nach der Beziehung

 

Bild_2.14.jpg

 

Der Begriff „Leuchtdichte" wird auch in der deutschen Literatur vielfach durch den aus dem englischen Wort luminance abgeleiteten Ausdruck „Luminanz" ersetzt, so dass aus dem „Leuchtdichtesignal" gleichbedeutend das „Luminanzsignal" wird.

Genaugenommen müssen der Matrixschaltung die gammakorrigierten Farbwertsignale zugeführt werden, um bei der Farbbildwiedergabe die Nichtlinearität in der Übertragungsfunktion der Farbbildröhrensysteme auszugleichen. Im Folgenden wird jedoch der Einfachheit halber von den unkorrigierten Farbwertsignalen ausgegangen.

Für die in der Farbfernsehtechnik als Testvorlage dienende Normfarbba/kenfolge, bestehend aus den Primärfarben und den dazugehörigen Komplementärfarben als Mischfarben sowie den Unbuntstufen Weiß und Schwarz, erhält man die Leuchtdichte Y aus den Farbwertanteilen R, G und B über die Gl. (2.15), wie sie in Tabelle 2.1 zusammengestellt sind.

 

Tabelle_2.1.jpg

Aus der Tabelle 2.1 ist ersichtlich, dass die Reihenfolge der Normfarbbalken nach sinkendem Leuchtdichtewert geordnet ist.

 

Die Kompatibilitätsbeziehung zeigt Bild 2.15 an einer einfachen Bildvorlage Weiß Grün-Rot. In ähnlicher Weise könnte auch die Rekompatibilität demonstriert werden, indem das Bildsignal der Schwarzweiß-Kamera parallel den drei Steuereingängen der Farbbildröhre zugeführt wird. Bei gleichen Signalwerten am R-, G- und B-Eingang wird ein unbuntes Bild wiedergegeben.

 

Bild_2.15.jpg

 

2.3.2 Farbdifferenzsignale zur Angabe der Farbart

m System der kompatiblen Farbbildübertragung sind im weiteren noch Signale erforderlich, die zur Leuchtdichte keinen Beitrag leisten und nur eine Information über die Farbart enthalten. Nachdem Farbton und Farbsättigung technisch nicht getrennt durch unabhängige Signale darstellbar sind, beschreitet man einen Umweg über die Farbdifferenzsignale. Diese ergeben sich aus den um den Leuchtdichteanteil reduzierten Farbwerten zu R-Y, G-Y und B-Y.

Zur Bildung eines Farbartsignales als Doppelinformation genügen zwei von den drei Farbdifferenzsignalen. Üblicherweise werden die Signale

Formel_4.1.jpg

verwendet.

Über das Leuchtdichtesignal nach Gl. (2.16) erhält man die Zusammensetzung der beiden Farbdifferenzsignale zu

Formel_4.2.jpg

Technisch werden die Farbdifferenzsignale meist in Verbindung mit dem Leuchtdichtesignal in einer Matrixschaltung erzeugt.

Die Farbdifferenzsignale enthalten nur eine Information über die Farbart. Bei unbunten Bildvorlagen, also wenn UR = UG = UB ist, werden sie zu null.

Formel_4.3.jpg

Die Darstellung des Farbortes, hier durch die Farbart, einer Farbvalenz kann nun auch durch die Farbdifferenzwerte B—Y und R—Y in einem rechtwinkligen Koordinatensystem erfolgen, wie in Bild 2.16 gezeigt. Durch Transformation in Polarkoordinaten erhält man aus dem Betrag A des Vektors C mit

Formel_4.4.jpg

ein Maß für die Farbsättigung und aus dem Winkel

Formel_4.5.jpg

eine Aussage über den Farbton.

Bild_2.16.jpg

Für die Normfarbbalkenfolge ergibt dies die in Tabelle 2.2 zusammengestellten Werte.

 

Tabelle_2.2.jpg

 

Wie daraus zu entnehmen ist, gehen die Farbdifferenzwerte auch ins Negative. Die Vektorendpunkte für die Normfarbbalkenfolge verteilen sich auf die vier Quadranten des Koordinatensystems. Auch in dieser Darstellung liegen sich Primärfarben und zugehörige Komplementärfarben am Weiß- bzw. Unbuntpunkt (Koordinatennullpunkt) gespiegelt gegenüber. In einer etwas modifizierten Darstellung nach Bild 2.17 erkennt man, dass die Grund- und Mischfarben auf einem Kreis um den Unbuntpunkt liegen. Man spricht deshalb auch von dem sog. Farbkreis.

 

Bild_2.17.jpg

 

Untersuchungen haben ergeben, dass das menschliche Auge für farbige Bilddetails ein geringeres Auflösungsvermögen hat als für Helligkeitsänderungen. Es genügt daher, nur das Leuchtdichtesignal mit der vollen Bandbreite von z. B. 5 MHz zu übertragen. Die Farbartinformation kann ohne Beeinträchtigung der Farbbildqualität auf etwa 1 MHz bandbegrenzt werden. Die dadurch entstehende Signalverzögerung gegenüber dem breitbandigen Leuchtdichtesignal muß allerdings ausgeglichen werden. Siehe Abschnitt 3.

2.3.3 Rückgewinnung der Farbwertsignale

Die auf der Sendeseite erzeugten Signale UR, UG und UB werden in der Matrixschaltung in das Leuchtdichtesignal UY und die Farbdifferenzsignale UR — UY und UB— UY umgewandelt. Lässt man die weitere Signalverarbeitung zunächst einmal außer Betracht, dann stehen diese Signale auch auf der Empfangsseite zur Verfügung. Die Wiedergabe des Farbbildes erfolgt aber in jedem Fall über die drei Farbauszugsbilder in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Zur Steuerung der Farbbildröhre oder einer ähnlichen Einrichtung sind daher wieder die Farbwertsignale UR, UG und UB notwendig. Zwei Verfahren der Farbbildröhrenansteuerung sind möglich: Erzeugung der Farbwertsignale und RGB-Ansteuerung der Farbbildröhre (Bild 2.18).

 

Bild_2.18.jpg

 

Über Matrixschaltungen werden aus dem Leuchtdichtesignal UY und den Farbdifferenzsignalen UR — UY und UB — UY die Farbwertsignale nachfolgenden einfachen Beziehungen gebildet:

Formel_4.6.jpg

Das nicht übertragene (G—Y)-Signal wird gemäß der noch folgenden Beziehung Gl. (2.27) aus dem (R—Y)- und dem (B—Y)-Signal gewonnen. Die Farbwertsignale UR, UG und UB gelangen direkt zu den entsprechenden Steuergittern der Farbbildröhre, die Katoden liegen auf festem Potential.

Dieses Verfahren erfordert Videoverstärkerstufen im R-, G- und B-Kanal mit der vollen Bandbreite von 5 MHz und hoher Linearität. Eine gegenseitige Abweichung des Verstärkungsfaktors führt zu Farbverfälschungen. Gegenkopplungsmaßnahmen sind deshalb in diesen Verstärkerstufen unumgänglich.

Erzeugung des Grün-Farbdifferenzsignales und Steuerung der Farbbildröhre durch die Farbdifferenzsignale (Bild 2.19).

 

Bild_2.19.jpg

 

Aus den beiden Farbdifferenzsignalen UR — UY und UB — UY wird in einer Matrixschaltung das dritte Farbdifferenzsignal UG — UY gewonnen. Zu Grunde liegt der Ansatz:

Formel_4.7.jpg

beziehungsweise nach Umformung

Formel_4.8.jpg

Die Farbdifferenzsignale liegen an den Steuergittern der Strahlsysteme, das negative Leuchtdichtesignal an den Katoden, so dass sich als Steuerspannungen an den drei Systemen der Farbbildröhre ergeben

Formel_4.9.jpg

Als Vorteil dieses Verfahrens kann die geringere Bandbreite der Endverstärkerstufen für die Farbdifferenzsignale angeführt werden mit nur 1 , 3 MHz. Allerdings müssen diese für einen größeren Spannungshub ausgelegt werden. Die Steuerspannungen bei der Farbdifferenzsignal-Ansteuerung erreichen teilweise fast das Zweifache der entsprechenden Farbwertsignalspannungen. Aus der Darstellung der verschiedenen Signale für eine Normfarbbalken-Farbbildvorlage gemäß Bild 2.20 geht dies hervor. Für die Spannungen an der Bildröhre wäre etwa der Maßstabsfaktor 100 zutreffend.

 

Bild_2.20.jpg

 

Nach Stand der Technik 1995 wird in den Farbfernsehempfängern durchwegs die RGB-Ansteuerung der Farbbildröhre angewendet, damit eine definierte RGB-Schnittstelle vorhanden ist, um Videotext-Signale oder externe RGB-Farbsignale ohne weitere Anpassungsschaltungen wiedergeben zu können.

 

 

 


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