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Kapitel 2 (Seite 24) Die geforderte Kompatibilität
Begriffserklärung

Kompatibilität heißt allgemein Vereinbarkeit. Hier bezieht sich die Vereinbarkeit auf Schwarz-Weiß-Fernsehen und Farb-Fernsehen.

Im einzelnen ist damit gemeint, daß Farbfernseh-Sendungen technisch so durchgeführt werden müssen, daß sie mit Schwarz-Weiß-Empfängern zwar unbunte, sonst aber befriedigende Wiedergabe ermöglichen. Außerdem sollen Schwarz-Weiß-Sendungen auch mit Farbfernseh-Empfängern (dann selbstverständlich ebenfalls unbunt) wiedergegeben werden können.

Mitunter wird im Zusammenhang mit Schwarz-Weiß- und Farb-Fernsehen zwischen Kompatibilität und Rekompatibilität unterschieden. In diesem Fall versteht man unter

  • Kompatibilität nur die Möglichkeit des Empfangs einer Farbfernseh-Sendung mit einem Schwarz-Weiß-Empfänger und unter
  • Rekompatibilität allein die Möglichkeit des Empfangs einer Schwarz-Weiß-Sendung mit einem Farbfernseh-Empfänger.

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Übereinstimmende Grenzlinien für die Spektren

Die Forderung nach Kompafibilität schließt ein, daß auch beim Farb-Fernsehen die für das Schwarz-Weiß-Fernsehen festgelegten Grenzen des Gesamtsignal-Spektrums (Bilder 1.02 ... 1.04) eingehalten werden. Der für die Übertragung der Farbinformation erforderliche Frequenzbereich deckt sich mit dem Frequenzbereich, in dem das Leuchtdichte-Signal besonders hohe Anteile hat.

Deshalb muß man die Farbinformation innerhalb des mit der Grenzlinie für das Spektrum des Gesamtsignals festgelegten Frequenzbereiches auf einen anderen Frequenzabschnitt verlegen. Diese Frequenzumsetzung wird so vorgenommen, daß man einem Hilfsträger mit einer Frequenz von rund 4,4 MHz die Farbinformation aufmoduliert. Diesen Hilfsträger bezeichnet man als Farbträger oder auch als Farbhilfsträger, im Zusammenhang mit dem Empfänger aber auch als Referenzträger.

Übereinstimmung der Synchronisier-Impulse und der Austast-Impulse

Im Interesse der Kompatibilität nach beiden Richtungen müssen die Impulse, mit denen die Wiedergabe gesteuert wird, für Schwarz-Weiß-Fernsehen und Farb-Fernsehen weitgehend übereinstimmen.

Prinzipielle Schwierigkeiten im Erreichen dieser Übereinstimmung bestehen nicht. Man muß lediglich für Farbfernseh-Verfahren, bei denen der Farbträger unterdrückt wird, den Farbträger während der Horizontal-Austastimpulse impulsweise übertragen, um ihn so innerhalb des Empfängers wiederherstellen zu können.

Frequenzverkämmung

Die Frequenzverkämmung (oder, wie man sie auch bezeichnet, die Bandverschachtelung) ist eine der Maßnahmen zum Wahren der Kompatibilität zwischen Schwarz-Weiß- und Farb-Fernsehen.

Um das Farbart-Signal innerhalb der festgelegten Grenzen des Spektrums so unterzubringen, daß sich das Farbart-Signal und das Leuchtdichte-Signal möglichst wenig stören, nutzt man die Tatsache aus, daß das BAS-Signal ein Kammspektrum hat (siehe Bild 1.08).

Wie beim BAS-Signal, d. h. wie beim Gesamtsignal des Schwarz-Weiß-Fernsehens, spielt auch beim Farbart-Signal die Zeilenfrequenz die Rolle der Grundfrequenz. Das Farbart-Signal ist wegen der zeilenweisen Abtastung des Bildes im Hinblick auf die Zeilenfrequenz ebenfalls näherungsweise periodisch.

Deshalb ergeben sich in den Momentanspektren des Farbart-Signals Häufungen in gegenseitigen Abständen von je einer Zeilenfrequenz: Bild 2.01 gibt hierzu ein Beispiel.

Im Hinblick auf die Kompatibilität wird das Farbart-Signal mit den Häufungen seines Kammspektrums zwischen die Häufungen des BAS-Kammspektrums gelegt. Dies erreicht man mit einer passenden Wahl der Farbträger-Frequenz.

So kann man die Farbträger-Frequenz gleich einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Zeilenfrequenz wählen. Damit fallen die Häufungen des Farbart-Signal-Kammspektrums genau mitten in die Lücken des BAS-Kammspektrums. Man bezeichnet dies als Halbzeilen-Offset. »Offset« bedeutet »Verschiebung«.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Breite der Lücken in den Kammspektren es durchaus möglich macht, vom Halbzeilen-Offset abzuweichen und statt dessen z. B. einen Viertelzeilen-Offset zu wählen (Farbträger-Frequenz gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Zeilenfrequenz).

Die Hüllkurven-Scheitelwerte der Kammspektren sind der Ordnungszahl der Teilwelle umgekehrt proportional. Sie fallen demgemäß mit der Abweichung von der Grundfrequenz stark ab.

Da die hier wesentliche Grundfrequenz des BAS-Signals gleich der Zeilenfrequenz ist und die des Farbart-Signals mit der Farbträger-Frequenz übereinstimmt, liegen die Maximal-Amplituden des BAS-Signals und des Farbart-Signals praktisch um die Farbträger-Frequenz voneinander entfernt (Bild 2.02).

Farbträger-Unterdrückung bzw. Farbträger-Schwächung

Um die Kompatibilität in dem Sinn zu verwirklichen, daß die Farbfernsehsendung auch von Schwarz-Weiß-Empfängern gut wiedergegeben werden kann, muß man den Farbträger bei der Modulation entweder völlig unterdrücken oder zumindest erheblich abschwächen. Der Farbträger könnte nämlich mit seiner festen Frequenz und seiner konstanten Amplitude insbesondere auf dem Bildschirm des Schwarz-Weiß-Fernseh-Empfängers deutlich (z. B. in der Art von »Perlschnüren«) in Erscheinung treten und damit den Bildeindruck stören.

Bei zwei der bisher weitgehend erprobten Verfahren, nämlich dem NTSC-Verfahren und dem PAL-Verfahren unterdrückt man den Farbträger bei der Modulation. Beim SECAM-Verfahren kann man den Farbträger nicht völlig unterdrücken. Deshalb schwächt man ihn für die Übertragung beträchtlich ab.

Den Farbträger überträgt man bei den Verfahren, für die er bei der Modulation unterdrückt wird, auf der hinteren Schwarzschulter des Zeilenimpulses als Farbsynchronisier-Impuls (Burst) so, wie das in Bild 2.03 dargestellt ist.

Kapitel 3 (Seite 29) Farbwahrnehmung und die Signale beim Farb-Fernsehen

Mischen von Farblichtstrahlungen

Man kann alle für die Farbfernseh-Wiedergabe in Betracht kommenden Farben aus drei verschiedenfarbigen Lichtstrahlungen ableiten. Das entspricht in übertragenem Sinn dem Dreifarbendruck.

Die elektromagnetische Strahlung, die man als Licht wahrnimmt, erstreckt sich von den kurzen Wellen des blauen Lichtes (ungefähr 380nm = 380 • 10-9m) bis zu den langen Wellen des roten Lichtes (rund 700nm = 700 • 10-9m).

Elektromagnetische Strahlungen, deren Wellenlängen ungefähr in der Mitte dieses Bereiches liegen, werden als Grün wahrgenommen.

Zum Mischen möglichst aller Farbarten aus drei Farblichtstrahlungen sollen die Wellenlängen zweier dieser Farblichtstrahlungen nicht weit von den Grenzen des Bereichs der Licht-Wellenlängen entfernt sein, während die Wellenlänge der dritten Farblichtstrahlung ungefähr in der Mitte dieses Bereichs liegen muß.

Deshalb verwendet man für das Farb-Fernsehen folgende Lichtstrahlungen:

  • Rote Lichtstrahlung Wellenlänge ca. 610nm
  • Grüne Lichtstrahlung Wellenlänge ca. 535nm
  • Blaue Lichtstrahlung Wellenlänge ca. 470nm

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Wie man hiermit andere Farblichtstrahlungen erhält, wird nachstehend an einigen Beispielen gezeigt. Hierzu wird angenommen, daß die Farblichtstrahlungen auf eine weiße Fläche fallen, die von dem Beobachter betrachtet wird. Unter einer weißen Fläche versteht man im physikalischen Sinn eine matte Fläche, von der die auf sie fallende Lichtstrahlung unabhängig von der Wellenlänge reflektiert wird.

Erstes Beispiel:

Die weiße Fläche wird mit orangefarbenem Licht beleuchtet. Man sieht die weiße Fläche orangefarben. Befindet sich die weiße Fläche in einer relativ hellen Umgebung und ist die orangefarbene Beleuchtung der weißen Fläche nur gering, so nimmt man anstelle eines intensiven Orange ein Braun wahr.

Zweites Beispiel:

Wird die Fläche gemeinsam von roter und grüner Lichtstrahlung getroffen, so reflektiert sie die Summe der beiden Lichtstrahlungen. Dies nimmt man als Gelb wahr. In einer einigermaßen hellen Umgebung bei nur schwach mit rotem und grünem Licht gemeinsam beleuchteter Fläche nimmt man die Fläche als olivgrün wahr.

Beleuchtet man eine hell umrahmte weiße Fläche also nur in dem Ausmaß, daß die Leuchtdichte auf der beleuchteten Fläche wesentlich geringer ist als auf der gemeinsam mit ihr sichtbaren Umrahmung, so sieht es aus, als sei den Farben, in denen die weiße Fläche erscheint, Schwarz beigemischt (Bild 3.01 und 3.02).

Drittes Beispiel:

Die Fläche wird gemeinsam mit rotem und blauem Licht beleuchtet. Die Reflexion der Summe beider Lichtstrahlungen wird als purpurfarben wahrgenommen.

Viertes Beispiel:

Die Fläche wird gemeinsam mit grünem, mit blauem und mit rotem Licht beleuchtet. Die Fläche erscheint beim Ändern der Intensitätsverhältnisse der drei Lichtstrahlungen einmal rötlich, einmal grünlich und einmal orangefarben, einmal gelblich, einmal violett usw.

Mit dem gemeinsamen Verwenden aller drei Lichtstrahlungen wird die Farbigkeit abgeschwächt. Dies erweckt den Eindruck als würde Weiß beigemischt.

Beispiel: Aus Rot wird mit zusätzlichem Einwirken von blauer und grüner Lichtstrahlung von geeigneter Intensität Rosa. Die drei Strahlungen können in ihren Intensitäten auch so gegeneinander abgeglichen werden, daß ein bestimmter Farbeindruck nicht mehr wahrzunehmen ist. Dabei nimmt man die Fläche bei starken Lichteinstrahlungen als Weiß und bei schwachen Lichteinstrahlungen als unbuntes Grau wahr, das mit abnehmender Leuchtdichte schließlich, wie auch jede farbige Beleuchtung, in Schwarz übergeht.

In Bild 3.03 ist dies zusammengefaßt. Es zeigt in den oberen drei Zeilen die Grundfarben Rot, Grün und Blau. In der vierten Zeile sind die Farben dargestellt, die aus dem Zusammenwirken der oben angedeuteten Farblichtstrahlungen folgen. Darunter ist die vierte Zeile für verminderte Helligkeit wiederholt.

Folgerungen für das Farb-Fernsehen

Geht man von roter, blauer und grüner Lichtstrahlung aus, so kann man

• mit jeweils nur einer dieser Lichtstrahlungen den Farbton nur dieser Lichtstrahlungen, nämlich ein bestimmtes Rot, ein bestimmtes Blau bzw. ein bestimmtes Grün und
• mit einem Zusammenwirken jeweils zweier dieser Lichtstrahlungen die dazwischen liegenden Farbtöne, z. B. Zitronengelb, Orange oder Violett, erhalten.

Farben sind nur bei hinreichend großer Leuchtdichte wahrzunehmen. Besonders deutlich treten die Farben hervor, wenn ihre Leuchtdichten höher sind als die mittlere Leuchtdichte der Umgebung.

Bei gleichen und genügend hohen Leuchtdichten der Lichtstrahlungen unterscheidet man satte und mehr oder minder blasse Farben. Die satten Farben sind besonders intensiv farbig, z. B. Rot, Orange, Gelb, Gelbgrün, Grün, Blaugrün, Blau, Violett und Purpur.

Bei den blassen Farben ist die Farbigkeit abgeschwächt. Sie sehen aus, als wäre Weiß beigemischt. Blasse Farben sind beispielsweise Rosa, weißlich Gelb, weißlich Grün, weißlich Blau. Als eine noch blassere Farbe sei Elfenbeinweiß genannt.

Das Extrem der blassen Farben ist das reine Weiß.

Der Farbsättigungsgrad

Man unterscheidet demnach die Farben nicht nur nach dem Farbton, wie er
beispielsweise mit Rot und den zugehörigen rosa Farbtönen gegeben ist, sondern auch in bezug auf ihren Farbsättigungsgrad, wie er z. B. von sattem Rot über intensives Rosa und blasses Rosa bis auf Weiß abnimmt.

Der Farbsättigungsgrad erreicht im Höchstfall, der nur sehr selten gegeben ist, den Wert 1 und hat für reines Weiß und ebenso für jedes unbunte Grau wie auch für Schwarz den Wert Null.

Farbton und Farbsättigung faßt man unter dem Begriff Farbart zusammen.

Man beachte:

Die Sättigung einer Farbe kann mehr noch als ihr Farbton nur bei dafür ausreichender Leuchtdichte voll zur Geltung kommen. Dennoch haben Farbton und Sättigungsgrad mit der Leuchtdichte nichts zu tun.

Dies ermöglicht es, beim Farb-Fernsehen einerseits ein Leuchtdichte-Signal und anderseits ein Farbart-Signal zu übertragen. Damit kann jeder einzelne Bildpunkt mit den ihm zugeordneten Werten von Leuchtdichte, Farbton und Farbsättigungsgrad bzw. Leuchtdichte und Farbart wiedergegeben werden.

Das bedeutet:

Leuchtdichte und Farbart gemeinsam kennzeichnen die Farbe.

Für jede Farbwahrnehmung sind sowohl die Leuchtdichte der farbig wahrgenommenen Fläche wie auch die Gesamthelligkeit des gemeinsam mit ihr erfaßten Blickfeldes von Bedeutung:

Es kommt bei der Farbwahrnehmung wesentlich auf das Verhältnis der Leuchtdichte der betrachteten farbigen Fläche zu der mittleren Leuchtdichte des gesamten Blickfeldes an.

Außer solchen Leuchtdichte-Kontrasten sind auch Farbkontraste von Einfluß. Mit dem Farb-Kontrast ist im vorliegenden Zusammenhang der Unterschied der Farbarten zwischen der betrachteten Bildstelle und den daran angrenzenden Teilen des Bildes bzw. den sonst im gesamten Blickfeld überwiegenden Farbarten gemeint.

Hier eine Übersicht über die vorstehend erwähnten Begriffe:

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  • Die Farbe ist durch das Zusammenwirken von Leuchtdichte und Farbart gekennzeichnet.
  • Die Leuchtdichte ist die von einem Beobachter wahrgenommene Helligkeit der Oberfläche einer Lichtquelle oder einer Fläche, die einen Anteil der auftretenden Lichtstrahlung in Richtung des Beobachters reflektiert. Die Leuchtdichte kann sich ebenso auf unbunte wie auf farbige Lichtstrahlungen beziehen.
  • Die Farbart hat als Kennzeichen den Farbton und den Farbsättigungsgrad.
  • Der Farbton ist mit den Wellenlängen der Lichtstrahlung gegeben.
  • Der Farbsättigungsgrad gibt den Mangel an Weißanteil einer Farblichtstrahlung an. Eine völlig gesättigte Farbart (Farbsättigungsgrad 1) hat keinen Weißanteil.

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Einfluß der Abmessungen von farbig leuchtenden Flächen

In den beiden vorangehenden Abschnitten wurde festgestellt, daß die Summe von roter, blauer und grüner Lichtstrahlung bei passendem Abgleich ihrer Intensitäten als unbunt, d. h. als Weiß bzw. als Grau, wahrgenommen wird.

Dabei fand das Mischen der Lichtstrahlungen auf einer angestrahlten weißen Fläche statt. Man kann Lichtstrahlungen aber auch in der Weise mischen, daß man einzelne ganz kleine, dicht nebeneinander angeordnete Punkte in den verschiedenen Farben aufleuchten läßt.

Sind die farbig aufleuchtenden Punkte hinreichend klein und liegen sie genügend nahe beieinander, so kann der Beobachter sie nicht mehr einzeln wahrnehmen, sondern sieht an ihrer Stelle eine einheitliche Fläche.

Bei entsprechend günstiger Verteilung der drei Grundfarben Rot, Blau und Grün sowie zusätzlich bei passenden Intensitätsverhältnissen nimmt man die Fläche als unbunt leuchtend wahr.

Das bedeutet: Einzelne Farben vermag man nur wahrzunehmen, wenn die farbigen Flächen gewisse Mindestausmaße haben. Diese Mindestausmaße zeigen sich am besten, wenn die betrachteten farbigen Flächen von größeren andersfarbigen oder unbunten Flächen eingeschlossen sind.

Unter dieser Voraussetzung bestehen für die kleinste Abmessung einer farbig leuchtenden Fläche im Hinblick auf die Farbwahrnehmung zwei Grenzen:

Eine Grenze gilt für die Farbwahrnehmung grundsätzlich: Von sehr kleinen Einzelheiten nimmt man ausschließlich Leuchtdichte-Unterschiede und keine Farbunterschiede wahr.

Innerhalb einer zweiten Grenze ordnet man der Farbwahrnehmung entweder den Farbton Orange oder den Farbton Cyan (Blaugrün) zu. Erst, wenn die Abmessungen der Fläche oberhalb dieser zweiten Grenze liegen, nimmt man alle Farben uneingeschränkt wahr.

Die Primär-Farbsignale

Von jedem Bildpunkt einer zu übertragenden Szene gehen Lichtstrahlungen aus, die von der Farbfernseh-Kamera in drei Primär-Farbsignale umgesetzt werden. Das sind Signalspannungen, die proportional zur Intensität der von dem Bildpunkt ausgehenden und in das Objektiv der Farbfernseh-Kamera eintretenden Lichtstrahlungen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau sind.

Von diesen Signalen wird bei der Farbfernseh-Übertragung ausgegangen.

Die von der Farbfernseh-Kamera gelieferten nicht korrigierten Primär-Farbsignale durchlaufen im Sender die Gamma-Korrekturglieder und stehen dann gamma-entzerrt zur Verfügung. In dieser Form werden sie - nach entsprechender Verstärkung - auch an den Steuerstrecken der Farbfernseh-Bildröhre benötigt.

In Veröffentlichungen, in denen es sich vorzugsweise um die noch unkorrigierten Signale handelt, kennzeichnet man vielfach die korrigierten Signale mit einem an die Formelzeichen gesetzten Apostroph.
In diesem Fachbuch werden im wesentlichen nur die korrigierten Signale verwendet. Sie sind hier als Primär-Farbsignale bezeichnet und der Apostroph wird weggelassen :
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Bezeichnung Formelzeichen
Primär-Rotsignal Ur
Primär-Grünsignal Ug
Primär-Blausignal Ub

Die nicht korrigierten Primär-Farbsignale

Die direkt am Ausgang der Farbfernseh-Kamera auftretenden Signale werden
in diesem Buch als nicht korrigierle Primär-Farbsignale bezeichnet.

Zur Unterscheidung erhalten sie den Index nk : URnk, UGnk, UBnk
Jede Farbfernseh-Kamera wird so abgeglichen, daß die drei Primär-Farbsignale bei der Aufnahme einer unbunten Bildstelle einander gleiche Werte haben.

Der Weißabgleich

Handelt es sich bei der unbunten Bildstelle um eine ideal reflektierende weiße Fläche, die mit einer weißen Lichtstrahlung von genügender Intensität angestrahlt wird, dann wird die jeweils verwendete Farbfernseh-Kamera durch Wahl der Blende so eingestellt, daß sich die Maximalwerte für die drei Primär-Farbsignale (jeweils 1V) ergeben.

Dabei ist eine eventuell durch den Kamera-Verstärker bedingte Gleichspannungskomponente nicht berücksichtigt. Diese Einstellung wird als Weißabgleich bezeichnet.

Der Farbpegel-Bereich mit max. 1 Volt

Allgemein kann jedes der drei Primär-Farbsignale je nach der zu übertragenden Farbe alle Werte zwischen 0V und Umax = 1V annehmen. Die Primär-Farbsignale können deshalb auf den Wert Umax =1V normiert werden.

Die auf den Wert Umax = 1 V normierten Primär-Farbsignale werden in diesem Fachbuch durch R, G und B gekennzeichnet.

Weil sämtliche abgeleiteten Beziehungen und Diagramme sowohl für die Primär-Farbsignale Ur, Ug und Ub als auch für die normierten Primär-Farbsignale R, G und B gelten, werden sie im Text nicht besonders voneinander unterschieden.

Leuchtdichte-Signal und Farb-Differenzsignale

Zum Erreichen der Kompatibilität zwischen Schwarz-Weiß-Fernsehen und Farb-Fernsehen wird auch beim Farb-Fernsehen ein Signal benötigt, das lediglich die Leuchtdichte-Information überträgt.

Dieses Signal entspricht dem Bildinhalt-Signal beim Schwarz-Weiß-Fernsehen und wird beim Farb-Fernsehen als Leuchtdichte-Signal Uy bezeichnet. Es setzt sich aus bestimmten Anteilen der Primär-Farbsignale Ur, Ug und Ub zusammen :

Uy = a • Ur + b • Ug + c • Ub

Mit den Faktoren a, b und c wird die unterschiedliche Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges für Farblichtstrahlungen mit verschiedener Wellenlänge berücksichtigt:

Eine grüne Lichtstrahlung wird z. B. wesentlich heller wahrgenommen als eine blaue Lichtstrahlung mit derselben Leistungsdichte. Entsprechend erscheint die grüne Lichtstrahlung auf einem Schwarz-Weiß-Bild wesentlich heller als die blaue Lichtstrahlung.

Der Zusammenhang zwischen der Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges und der Wellenlänge der Lichtstrahlung ergibt sich aus Bild 3.04. Darin ist der Hellempfindlichkeitsgrad (die Hellempfindlichkeit des helladaptierten Auges bezogen auf den sich bei lambda = 555nm ergebenden Maximalwert) in Abhängigkeit von der Wellenlänge lambda der Lichtstrahlung aufgetragen. Für die gewählten Leuchtstoffe der Farbfernseh-Bildröhre erhält man aus diesem Bild:

Leuchtstoff Wellenlänge Hellempfindlichkeitsgrad
Rot 610 nm 0,47
Grün 535 nm 0,92
Blau 470 nm 0,17

Die Hellempfindlichkeitsgraden

Diesen Hellempfindlichkeitsgraden entsprechen diejenigen Anteile der drei Primär-Farbsignale, aus denen das Leuchtdichte-Signal zusammengesetzt ist.

Die Zahlenfaktoren a, b und c, mit denen die Primär-Farbsignale beim Zusammensetzen zum Leuchtdichte-Signal multipliziert werden müssen, erhält man mit der Bedingung a + b + c = 1, indem man jeden einzelnen dieser Heilempfindlichkeitsgrade durch die Summe der drei Hellempfindlichkeitsgrade dividiert.

Das Zusammensetzen des Leuchtdichte-Signals aus den drei Primär-Farbsignalen erfolgt in einer Matrix-Schaltung. Das ist eine einfache Schaltung, mit der Spannungen aufgeteilt und summiert, d. h. zu anderen Spannungen kombiniert werden können.

Am Ende erhält man auch den Maximalwert für das Leuchtdichte-Signal Uy max = 1V bei der Aufnahme einer weißen Bildstelle. Man kann also auch für das Leuchtdichte-Signal die Normierung auf Umax = 1V vornehmen.

Die Umsetzung von Farben in Graustufen

Verwendet man zum Beleuchten eines Bildes eine weiße Lichtstrahlung mit einem Bandspektrum, in dem sämtliche Wellenlängen des Lichtbereiches gleichmäßig vertreten sind, so nimmt man die natürlichen Farben dieses Bildes wahr.

Eine weiße Bildstelle reflektiert alle Wellen der auffallenden Lichtstrahlung gleichmäßig. In der Lichtstrahlung, die von der weiß beleuchteten weißen Bildstelle aufgrund der dortigen Reflexion ausgeht, sind daher auch die Farblichtstrahlungen der drei für das Farb-Fernsehen gewählten Grundfarben mit übereinstimmenden Intensitäten enthalten, so daß am Ausgang der Farbfernseh-Kamera die Primär-Farbsignale B = G = B = 1 entstehen.

Eine der Grundfarbe Grün (lambda = 535nm) entsprechende Bildstelle reflektiert von dem auffallenden weißen Licht nur den Anteil, der als grün wahrgenommen wird. Die Wellenlängen für Rot (610nm) und Blau (470nm) kommen in der reflektierten Lichtstrahlung nicht vor, weil die Grundfarbe Grün keinen Weißanteil enthält und dementsprechend den Farbsättigungsgrad 1 aufweist.

Bei Aufnahme dieser Bildstelle mit der Farbfernseh-Kamera erscheint nur das Primär-Farbsignal G=1 am Ausgang. Die beiden anderen Primär-Farbsignale sind Null. Das bedeutet eine Abnahme des Leuchtdichte-Signals auf den Wert Y = 0,59. Die Farbe Grün erscheint also wie erwünscht auf dem Bildschirm eines Schwarz-Weiß-Fernsehempfängers als ein bestimmtes Grau. Entsprechendes gilt für alle anderen Farben.

Beispiele der Zusammenhänge

Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen den drei Grundfarben Rot, Grün, Blau, den zugehörigen Komplementärfarben Cyan (Blaugrün), Magenta (Purpur), Gelb sowie Schwarz, Weiß und dem Leuchtdichte-Signal, wenn die von der Farbfernseh-Kamera aufzunehmenden Flächen mit weißer Lichtstrahlung beleuchtet werden.

Farbe R G B Y
Weiß 1 1 1 1
Gelb 1 1 0 0,89
Cyan 0 1 1 0,70
Grün 0 1 0 0,59
Magenta 1 0 1 0,41
Rot 1 0 0 0,30
Blau 0 0 1 0,11
Schwarz 0 0 0 0

Die Reihenfolge von oben nach unten entspricht abnehmender Leuchtdichte. Bis auf Weiß und Schwarz (beide unbunt) stimmen hier Farben und Farbarten überein, weil der Farbsättigungsgrad durchweg gleich 1 ist.

Der in dieser Tabelle angegebene Zusammenhang gilt auch, wenn die aufzunehmenden Flächen mit unbunter Lichtstrahlung von geringer Leistungsdichte beleuchtet werden. Es muß nur jeweils gleiche Beleuchtungsstärke für alle Farben vorausgesetzt werden. Dabei tritt dann an die Stelle von Umax = 1V die kleinere Spannung U bzw. in der obigen Tabelle anstelle von 1 eine Zahl kleiner als 1.

Dsa Leuchtdichte-Signal im Vergleich

Mit dem Leuchtdichte-Signal wird die Fernseh-Bildröhre im Farbfernseh-Empfänger ebenso angesteuert wie im Schwarz-Weiß-Fernseh-Empfänger. Für das Farb-Fernsehen benötigt man jedoch zusätzlich noch Signale, mit denen die Farbart der einzelnen Bildstelle übermittelt wird, da jede Farbe Leuchtdichte und Farbart umfaßt.

Man verwendet dafür z. B. die um das Leuchtdichte-Signal verminderten Primär-Farbsignale. Diese Spannungen werden als Farb-Differenz-Signale bezeichnet.

Für die Farbfernseh-Wiedergabe genügt es, außer dem Leuchtdichte-Signal Y zwei Farb-Differenzsignale, z. B. (R-Y) und (B-Y) zu übertragen, weil man aus diesen Signalen das dritte Farb-Differenzsignal mathematisch ableiten kann.

Außerdem kann man im Farbfernseh-Empfänger aus dem Leuchtdichte-Signal und den Farb-Differenzsignalen durch Addition die für die Steuerung der Farbfernseh-Bildröhre wichtigen Primär-Farbsignale R, G und B zurückgewinnen. Die genannten Umwandlungen von Signalen erfolgen wieder in Matrix-Schaltungen.

Zum Kennzeichnen der Farbart müssen nicht die eben beschriebenen Farb-Differenzsignale verwendet werden. Beim NTSC-Verfahren werden beispielsweise Summen von Anteilen dieser Farb-Differenzsignale übertragen (siehe Seite 86).
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Der Farbkreis

Das (weiße) Sonnenlicht läßt sich mit einem Glasprisma in ein Farbband zerlegen, das die sogenannten Spektralfarben enthält.

Jeder (sichtbaren) Wellenlänge zwischen 380nm und 780nm entspricht der Farbton einer Spektralfarbe. In diesem Farbband sind sämtliche vom menschlichen Auge unterscheidbaren Farbtöne mit Ausnahme der Purpurfarbtöne enthalten. Purpurfarben entstehen durch Mischung von blauer (Wellenlänge 380nm ... 420nm) und roter Lichtstrahlung (Wellenlänge 700nm ... 780nm).

Um alle möglichen Farbtöne darstellen zu können, muß das Farbband durch diese Purpurfarbtöne ergänzt werden. Das kann entweder am langwelligen oder am kurzwelligen Ende geschehen. Man kann aber auch das ganze Farbband in einem Kreisring anordnen, in dem die Purpurfarbtöne die Verbindung zwischen Rot und Blau bilden.

Bild 3.05 zeigt diese als Farbkreis bezeichnete Darstellung der obengenannten Farbtöne. Durch Festlegen einer Bezugsrichtung, von der aus Winkel (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) gemessen bzw. angegeben werden können, ist es damit möglich, jedem Farbton einen Winkel zuzuordnen. Im Bild 3.05 entspricht die Zunahme des Winkels dem Übergang von Blau-Violett auf Purpur, dann weiter auf Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und schließlich zurück auf Blau-Violett.

Mit dem Farbkreis ist also eine Zuordnung von Farbtönen und Winkeln möglich. Für die Festlegung der Farbarten werden aber außer den Farbtönen auch die Farbsättigungen benötigt. Die Farbsättigungsgrade bringt man in dieser Darstellung mit den Längen der Strahlen zum Ausdruck, die in Richtung des den Farbton kennzeichnenden Winkels eingezeichnet werden können.

Auf diese Weise kann jede Farbart durch einen Punkt, den sogenannten Farbort, gekennzeichnet werden:

Der Winkel zwischen der Bezugsrichtung und der Verbindungslinie des Farbortes mit dem Kreismittelpunkt gibt den Farbton, die Entfernung des Farbortes vom Kreismittelpunkt, den Farbsättigungsgrad an.

Diese Polarkoordinaten-Darstellung ist in Bild 3.06 für die vier Farborte A, B, C und D gezeigt. Man kann den Farbort auch in einem karthesischen Koordinatensystem festlegen. Als Grundlage hierfür benötigt man zwei Achsen.

Dafür geben die Bilder 3.07 ... 3.09 Beispiele. In diesen Bildern sind wieder dieselben Farborte wie in Bild 3.06 eingetragen. Die Einteilung der Achsen ist hier willkürlich gewählt. Es macht wenig Schwierigkeiten, von einem solchen Koordinatensystem auf eines der anderen Koordinatensysteme umzurechnen. Jedoch erhält man beim Verwenden von karthesischen Koordinaten nicht mehr direkt Angaben für Farbton und Farbsättigungsgrad, sondern nur die Komponenten in den Achsrichtungen. Daraus lassen sich aber auch jeweils die Polarkoordinaten berechnen.

Der Farbkreis im Zusammenhang mit dem Farb-Fernsehen

Beim Farb-Fernsehen wird jede Farbart mit zwei Farb-Differenzsignalen oder zwei anderen Komponenten des nicht reduzierten Primär-Farbart-Signals festgelegt.

Die Farb-Differenzsignale sind die Spannungen, die aus der Differenz von Primär-Farbsignalen und Leuchtdichte-Signal entstehen.

Üblicherweise werden die Farb-Differenzsignale (R-Y) und (B-Y) verwendet (siehe Seite 38). Das nicht reduzierte Primär-Farbart-Signal (Formelzeichen Upn) ist eine theoretische Größe, die sich aus der Darstellung der die
Farbart kennzeichnenden Signale in einem Koordinatensystem ergibt.

Die geometrische Summe dieser beiden Signale gibt den Betrag des nicht reduzierten Primär-Farbart-Signals, der Quotient beider Signale den Tangens des Winkels gegen die zu einem der beiden Signale gehörenden Achse an.

Das nicht reduzierte Primär-Farbart-Signal ermöglicht eine anschauliche Deutung der die Farbart kennzeichnenden Komponenten.

Das Beispiel :

Das wird im folgenden gezeigt: Jede Farbart ist z. B. mit einem (R-Y)- Signal und einem (B-Y)- Signal gekennzeichnet. Beide Signale kann man in einem rechtwinkligen Koordinaten-System darstellen, bei dem z. B. die (B-Y)- Achse die Abszisse und die (R-Y)- Achse die Ordinate ist.

In dieses Koordinatensystem lassen sich sämtliche Farbarten eintragen, wenn man den Zusammenhang

Y = 0,30 • R + 0,59 • G + 0,11 • B

zwischen dem Leuchtdichte-Signal Y und den Primär-Farbsignalen R,G und B berücksichtigt. Für die beiden Farb-Differenzsignale ergeben sich damit folgende Gleichungen

(R-Y)= 0,70 • R - 0,59 • G - 0,11 • B
(B-Y)= 0,30 • R - 0,59 • G - 0,11 • B

Man erhält daraus die Komponenten jeder Farbart, wenn man die von der Farbfernseh-Kamera gelieferten Werte für die Primär-Farbsignale einsetzt. Jeder mit den Werten von (R-Y) und (B-Y) festgelegte Punkt stellt ein zu der betreffenden Farbart gehörendes nicht reduziertes Primär-Farbart-Signal dar.

In Bild 3.10 ist dieses Koordinaten-System mit der (R-Y)- Achse und der (B-Y)- Achse gezeichnet.

Außerdem sind in Bild 3.10 die nicht reduzierten Primär-Farbart-Signale für die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau und die zugehörigen Komplementärfarben Cyan (Blaugrün), Magenta (Purpur) und Gelb eingetragen.

Die mit kleinen Kreisen markierten Endpunkte der sechs Strahlen gelten für den beim Farb-Fernsehen maximal möglichen Farbsättigungsgrad und für dabei jeweils maximal mögliche Leuchtdichte. Die folgende Tabelle zeigt das Zustandekommen der zugehörigen Komponenten.

Farbe R G B Y (R-Y) (B-Y)
Rot 1 0 0 0,30 +0,70 -0,30
Grün 0 1 0 0,59 -0,59 -0,59
Blau 0 0 1 0,11 -0,11 +0,89
Cyan 0 1 1 0,70 -0,70 +0,30
Magenta 1 0 1 0,41 +0,59 +0,59
Gelb 1 1 0 0,89 +0,11 -0,89
Weiß 1 1 1 1 0 0
Schwarz 0 0 0 0 0 0

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Der Wert der unbunten Farbarten Weiß und Schwarz

Man erkennt, daß die unbunten Farbarten Weiß und Schwarz den Wert Null für die Farb-Differenzsignale und damit auch für die nicht reduzierten Primär-Farbart-Signale ergeben.

Die übrigen Punkte der sechs Strahlen kennzeichnen entweder die Farbart mit dem maximal möglichen Sättigungsgrad bei verminderter Leuchtdichte oder Farbarten mit kleinerem Farbsättigungsgrad und entsprechend veränderter Leuchtdichte.

Ein Vergleich von Bild 3.10 mit dem Farbkreis (Bild 3.05) zeigt, daß es sich in beiden Fällen um dieselbe Darstellung handelt. Die Bezugsrichtung ist jetzt die positive Richtung der (B-Y)-Achse.

Sämtliche mit den Farb-Differenzsignalen (R-Y) und (B-Y) gegebenen Punkte in Bild 3.10, d. h. sämtliche nicht reduzierten Primär-Farbart-Signale, lassen sich wie in Bild 3.05 als Farborte deuten, wobei der Winkel gegen die Bezugsrichtung den Farbton und der Abstand des betreffenden Punktes vom Koordinaten-Ursprung bei bekanntem Wert des Leuchtdichte-Signals die Farbsättigung angibt.

Noch einmal veranschaulicht

Das ist mit Bild 3.11 noch einmal veranschaulicht, in dem der Farbkreis von Bild 3.05 (ohne Farben) wiederholt und mit dem Achsenkreuz von Bild 3,10 ergänzt ist.

Die Bandbreiten der für das Farb-Fernsehen wichtigen Signale

Würden beim Farb-Fernsehen die von der Farbfernseh-Kamera aufgenommenen Primär-Farbsignale direkt übertragen, dann brauchte man drei Kanäle mit einer Bandbreite von jeweils 0 ... ca. 5 MHz, damit auf dem Bildschirm des Farbfernseh-Empfängers ein scharfes Bild entsteht. Dabei spielt es keine Rolle, ob das wiederzugebende Bild farbig oder unbunt ist.

Mit dem Aufteilen in Leuchtdichte-Signal und Signale, die nur die Farbinformation übertragen, werden die Anforderungen hinsichtlich zu übertragender Bandbreite günstiger.

Man benötigt nur für das Leuchtdichte-Signal, womit die Schärfe des Bildes ebenso wie beim Schwarz-Weiß-Fernseh-Empfänger gegeben ist, einen einzigen Kanal mit einer Bandbreite von 0 ... ca. 5 MHz. Für die Übertragung der die Farbart kennzeichnenden Signale gelten andere Gesichtspunkte:

Gesichtspunkte der die Farbart kennzeichnenden Signale

Wie auf Seite 33 erwähnt, gibt es für die Farbwahrnehmung bezüglich der Mindestabmessungen der farbigen Flächen zwei Grenzen. Genau genommen beziehen sich die Grenzen der Wahrnehmbarkeit der Farben nicht auf die absoluten Flächenabmessungen, sondern auf die zu ihnen gehörenden Sichtwinkel. Diese wiederum kann man, normale Abstände zwischen Bildschirm und Beschauer vorausgesetzt, in Bruchteilen einer Bildschirm-Abmessung ausdrücken.

Wählt man dafür als Bildschirmabmessung die Bildschirmbreite, zu der die Zeilenlänge gehört, so gewinnt man hiermit einen Zusammenhang mit der Signalfrequenz. Auf diesem Wege kommt man für die Grenze, bei der nur zwischen Orange und Cyan unterschieden werden kann, zu einer maximalen Signalfrequenz von ungefähr 0,6 MHz und für die Grenze, bei der die Farbwahrnehmung überhaupt aussetzt, zu einer maximal notwendigen Signalfrequenz von 1,8 MHz.

Die Minimal-Bandbeite für die Farbart

Das bedeutet: Bei entsprechender Wahl der beiden die Farbart kennzeichnenden Signale genügt für das eine Signal eine Bandbreite von 0,6 MHz, während für das andere Signal bei vollem Ausnutzen der Möglichkeiten der Farbwahrnehmung eine Bandbreite von 1,8 MHz vorgesehen werden müßte.

Auf der Sendeseite ist das Arbeiten mit zwei Bandbreiten für die beiden die Farbart kennzeichnenden Signale durchaus tragbar. Auf der Empfangsseite zieht man das Vereinheitlichen der Bandbreite aus Kostengründen vor.

Es wurde festgestellt, daß für eine wirklich befriedigende Wiedergabe die Bandbreite der beiden Signale nur 0,8 MHz zu betragen braucht (Bild 3.12).

Man bezeichnet das Verwenden gleicher Bandbreiten für die beiden Signale, die die Farbinformation übertragen, als Äquiband-Betrieb.

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