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Wie das analoge und digitale Fernsehen funktionierte (1992).

"Repetitorium" Fernsehtechnik in 9 Teilen von Professor Rudolf Mäusl.

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4.3 Leuchtdichte- und Farbartsignal, Farbdifferenzsignale

Aus Gründen der Kompatibilität muß einem Schwarzweiß-Fernsehempfänger bei einer bunten Bildvorlage von der Farbfernsehkamera das gleiche Signal wie von einer Schwarzweiß-Fernsehkamera zugeführt werden, nämlich das Helligkeits- oder Leuchtdichtesignal. Die spektrale Empfindlichkeit einer Schwarzweiß-Kameraröhre entspricht der Augenempfindlichkeitskurve, damit die Schwarzweiß-Bildröhre die verschiedenen Farbreize als Graustufen mit der Helligkeit wiedergibt, mit der sie auch vom Auge empfunden werden.

Aus "drei" mach "eins" - (Farbe und schwarz-weiß)

Die Farbfernsehkamera aber liefert drei Signale mit der spektralen Abhängigkeit gemäß dem Verlauf der Farbmischkurven. Um aus den drei Signalen eines zu gewinnen, das in der spektralen Abhängigkeit der Augenempfindlichkeitskurve entspricht, muß man eine entsprechende Codierung vornehmen.

Die Farb-Codierung

BILD 32 Hellempfinden des menschlichen Auges bei den Empfänger-Primärfarben.

Die Farbfernsehkamera aber liefert drei Signale mit der spektralen Abhängigkeit gemäß dem Verlauf der Farbmischkurven. Um aus den drei Signalen eines zu gewinnen, das in der spektralen Abhängigkeit der Augenempfindlichkeitskurve entspricht, muss man eine entsprechende Codierung vornehmen. Dazu werden die drei Farbwertsignale, dargestellt durch die Funktionen re(λ), ge(λ) und be(λ), mit den relativen Helligkeitsbeiwerten hr, hg und hb multipliziert und dann addiert. Das Ergebnis muss, bis auf eine Proportionalitätskonstante k, identisch sein mit der Augenempfindlichkeitsfunktion h(λ).

h(λ) = k[hr · re(λ) + hg · ge(λ) + hb · be(λ)]  - (Geichung 7)

Die relativen Helligkeitsbeiwerte hr, hg und hb werden durch Normierung aus den entsprechenden Werten h(Re), h(ce) und h(Be] der Augenempfindlichkeitskurve ermittelt (Bild 32).

Das Leuchtdichtesignal Y

Nach einer genaueren Rechnung erhält man für Gl. (7) dem Verlauf der Augen- Empfindlichkeitskurve entsprechende Helligkeits- oder Leuchtdichtesignal Y in einer vereinfachten Schreibweise

Y = 0,30 • R + 0,59 • G + 0,11 • B. (Gleichung 9)

Diese Gleichung stellt eine der wichtigsten Beziehungen der Farbfernsehtechnik dar.

TABELLE 3 Signale der Normfarbbalkenfolge

Die "Normfarbbalkenfolge"

Technisch wird das Leuchtdichtesignal Uy über eine Matrixschaltung aus den Farbwertsignalen Ur, Ug und Ub gewonnen (siehe BILD 33 unten).

Für eine Bildvorlage mit den acht wichtigen Farbbalken (Normfarbbalkenfolge), bestehend aus den drei Primärfarben und den dazugehörigen Komplementärfarben als Mischfarben sowie aus den Unbuntstufen Weiß und Schwarz, ergeben sich Signale, wie sie in TABELLE 3 zusammengestellt sind.

Die Rückgewinnung der drei Farben

Zur Wiedergabe eines Farbbildes werden die drei Farbwertsignale Rot, Grün und Blau benötigt. Aus Kompatibilitätsgründen erfolgt aber die Farbbildübertragung in Form des Leuchtdichtesignals Y und des Farbartsignals F.

Das Farbartsignal kann aus den Farbwertsignalen nicht direkt gewonnen werden. Es geschieht dies vielmehr auf dem Umweg über die Farbdifferenzsignale Rot-Y, Grün-Y, Blau-Y. Man versteht darunter die um den Leuchtdichteanteil reduzierten Farbwertsignale.

Das Farbartsignal beinhaltet die Information über Farbton und Farbsättigung. Zur Bildung des Farbartsignals genügen deshalb bereits zwei Farbdifferenzsignale. Man wählte die beiden Farbdifferenzsignale R-Y und B-Y [4].

BILD 33 Bildung des Leuchtdichtesignals Uy aus den Farbwertsignalen Ur, Ug, Ub und Kompatibilitätsbeziehung.

Die Mathematik des Coders (ist etwas kompliziert).

Über die Beziehung

UY = 0,30 • U rot + 0,59 • U grün + 0,11 • U blau (Gleichung 10)

für die Spannung des Leuchtdichtesignals aus dem Coder erhält man die Zusammensetzung der beiden Farbdifferenzsignale zu:

U rot-Uy = 0,70 • U rot - 0,59 • U grün - 0,11 • U blau (11)
und
U blau-UY = -0,30 • U rot - 0,59 • U grün + 0,89 • U blau. (12)

Die Farbdifferenzsignale enthalten nur eine Information über die Farbart. Bei "unbunten" (also weißen) Bildvorlagen (Ur-UG = Ub) werden sie zu Null.

Die Abweichung der "Farbart" von "Unbunt"

BILD 34 Darstellung der Farbart über die Farbdifferenzsignale.

Die Amplitude der Farbdifferenzsignale gibt die Abweichung der Farbart von Unbunt (weiß) an und ist damit ein Maß für die Farbsättigung. Der Farbton wird durch das Verhältnis der Amplituden und durch das Vorzeichen der Farbdifferenzsignale bestimmt.

Durch Transformation von einem rechtwinkligen (B-Y)-(R-Y)-Koordinatensystem in Polarkoordinaten (BILD 34) erhält man die Farbsättigung aus der Zeigerlänge A und den Farbton aus dem Winkel α .

Das menschliche Auge ist tolerant

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 5 MHz zu übertragen. Das Farbartsignal kann auf etwa 1,5 MHz bandbegrenzt werden. Man erreicht dies, indem man die beiden Farbdifferenzsignale über Tiefpässe führt (also filtert).

Leuchdichtesignal und Farbdifferenzsignale

BILD 35 Bildung des Leuchtdichtesignals Uy sowie der Farbdifferenzsignale UR-UY und uB-uY.
BILD 36 Rückgewinnung der Farbwertsignale bei RGB-Ansteuerung der Farbbildröhre.
BILD 37 Rückgewinnung der Farbwertsignale bei Farbdifferenzsignal-Ansteuerung der Farbbildröhre.
BILD 38 Farbwertsignale, Leuchtdichtesignal und Farbdifferenzsignale bei der Normfarbbalken-Bildvorlage.

Die von der Farbkamera erzeugten Signale U rot, U grün und U blau werden im sogenannten "Coder" in das Leuchdichtesignal Uy und die Farbdifferenzsignale Ur-Uy und Ub-Uy umgewandelt / codiert (BILD 35) und in dieser Form zum Wiedergabesystem (Fernseher) übertragen. Zur Hellsteuerung des Rot-, Grün- und Blaustrahls aber werden die Farbwertsignale benötigt.

Rückgewinnung der Farbwertsignale

Zwei Verfahren der Rückgewinnung der Farbwertsignale sind üblich:


1. RGB-Ansteuerung der Farbbildröhre (BILD 36)
Über Matrixschaltungen werden aus dem Leuchtdichtesignal Uy und den beiden Farbdifferenzsignalen U rot-Uy und U blau-Uy die Farbwertsignale U rot, U grün und U blau gebildet und direkt den entsprechenden Steuergittern der Farbbildröhre zugeführt. Die Kathoden liegen auf festem Potential.


2. Farbdifferenzsignal-Ansteuerung der Farbbildröhre (BILD 37)
Aus den beiden Farbdifferenzsignalen U rot-Uy und U blau-Uy wird in einer Matrixschaltung das dritte Farbdifferenzsignal U grün-Uy gewonnen.


Die Farbdifferenzsignale werden an die Steuergitter der Strahlsysteme, das negative Leuchtdichtesignal an die Kathoden angelegt, so daß sich als Steuerspannungen an den drei Systemen die Farbwertsignale bilden.


Der Vorzug dieses Verfahrens liegt in der geringeren Bandbreite der Endverstärkerstufen für die Farbdifferenzsignale gegenüber denen für die Farbwertsignale und weiterhin darin, daß bei Ausfall der Farbdifferenzsignale ein Schwarzweiß-Bild erscheint.

Als Nachteil zeigt sich jedoch, daß in den Farbdifferenzsignal-Endstufen höhere Signalspannungen zu erzeugen sind. In BILD 38 sind als Beispiel die Signale für den Normfarbbalken dargestellt.









LITERATUR
[4] Mayer, N.: Technik des Farbfernsehens in Theorie und Praxis. Verlag für Radio-, Foto-, Kinotechnik, 1967.

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