32 Phần TRUYỀN HÌNH MÀU C H ƯƠ N G CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA TRUYỀN HÌNH MÀU VÀ THIẾT LẬP HỆ TRUYỀN HÌNH MÀU A Cơ sở vật lý truyền hình màu 3.1 Ánh sáng đặc tính nguồn sáng Ánh sáng dạng lượng điện từ Năng lượng truyền đến mắt ta xảy q trình hóa điện, tạo xung điện tương ứng truyền đến hệ thần kinh não giúp ta nhìn thấy vật thể với màu sắc riêng biệt Ánh sáng thấy sóng điện từ có tần số từ 3,8.1014Hz đến 7,9.1014Hz Tương ứng với bước sóng 780nm  380nm với vận tốc truyền c ≈ 300.000Km/s 3,8.1014 Hồng ngoại 10 Sóng vơ tuyến 10 10 7,9.1014 Tử ngoại 10 15 Ánh sáng thấy Hz 10 20 10 25 Tia X Tia gama Tia vũ trụ Hình 3.1 Dải sóng điện từ Ánh sáng mà mắt người thấy chiếm dải hẹp dải sóng điện từ hình 3.1, thường chia thành loại ánh sáng đơn sắc ánh sáng phức hợp Ánh sáng đơn sắc: sóng điện từ chứa bước sóng xác định Song thực tế xem ánh sáng đơn sắc xạ có dải tần hẹp Laser xem nguồn tạo ánh sáng đơn sắc nhân tạo Ánh sáng phức hợp: tập hợp nhiều ánh sáng đơn sắc, đặc trưng phân bố lượng theo dải tần số, nghĩa đặc trưng đặc tính phổ Trong thiên nhiên thường gặp loại ánh sáng phức hợp Một dạng đặc 33 biệt ánh sáng phức hợp ánh sáng trắng phổ lượng phân bố từ 380nm đến 780nm  380nm 780nm Hình 3.2 Phổ ánh sáng trắng phân bố Nếu nguồn sáng có khoảng ngắn phổ nơi mắt người ghi nhận màu phổ đây: Lơ B Blue Tím V Violet 380 430 Lam C Cyan 470 Lá G Green 500 Vàng Y Yellow 560 Cam O Crange 590 650 Đỏ R Red nm 780nm Hình 3.3 Sự phân bố màu phổ 3.2 Màu sắc đặc tính màu sắc M u sắ c Màu vật nguồn sáng Màu sắc vật phân biệt nhờ tính chất phản xạ ánh sáng Khi ánh sáng trắng chiếu vào vật số bước sóng bị vật hấp thụ hồn tồn phần Các bước sóng khơng bị hấp thụ lại phản chiếu đến mắt cho ta cảm giác màu Nếu vật phản xạ tia sáng có bước sóng dải phổ trơng thấy vật xem màu trắng Nếu vật phản xạ số thành phần bước sóng dải phổ trơng thấy hấp thu thành phần khác ta thấy vật tương ứng với màu sắc riêng Màu đen phương diện ánh sáng xem màu trắng có cường độ chiếu sáng thấp khả kích thích mắt Màu sắc vật không phụ thuộc vào tính chất phản xạ mà cịn phụ thuộc vào nguồn chiếu sáng lên vật Khi phổ phân bố lượng nguồn chiếu sáng thay đổi màu sắc vật chiếu sáng thay đổi Ví dụ chiếu ánh sáng màu lên vật phản xạ bước sóng ta thấy vật có màu giống màu nguồn sáng 34 3.2.2 Các đặc tính xác định màu 3.2.2.1 Độ chói (Luminance) Độ chói cảm nhận mắt với cường độ nguồn sáng, đáp ứng mắt với biên độ trung bình tồn phổ Biên độ trung bình (Cường độ sáng)  380nm 780nm Hình 3.4 Độ chói đáp ứng mắt với biên độ trung bình tồn phổ 3.2.2.2 Độ bão hòa (Saturation) Độ bão hòa màu tinh khiết màu với màu trắng, khả màu bị pha loãng ánh sáng trắng nhiều hay Như nguồn đơn sắc có độ bão hịa tuyệt đối khơng bị ánh sáng trắng lẫn vào Nguồn sáng trắng có độ bão hịa xem bị ánh sáng trắng lẫn vào hoàn toàn Màu = Lượng sáng trắng + Lượng sáng màu  = 380nm 380nm 780nm   + 780nm 380nm 780nm Hình 3.5 Sơ đồ biểu diễn độ bão hoà Độ bão hồ xem mối tương quan hai thành phần lượng sáng trắng lượng sáng màu Tỉ lệ thành phần sáng trắng nhiều, độ bão hoà ngược lại Tia laze có độ bão hồ cực tuyệt đối cịn bước sóng 3.2.2.3 Sắc thái (Hue, Tint) Sắc thái màu hoàn toàn cảm giác chủ quan người Thường sắc thái định bước sóng lấn lướt tồn phổ Cùng màu đỏ chẳng hạn người cảm nhận sắc thái đỏ khác 35 Hình vẽ 3.6 trình bày khác đặc tính xác định màu Khác độ chói Khác sắc thái Khác bão hồ Khác đặc tính Hình 3.6 Sự khác đặc tính xác định màu 3.3 Cấu trúc mắt người 3.3.1 Cấu tạo mắt Võng mơ Tế bào que Tế bào nón Hồng điểm Não Thuỷ tinh thể R G B… Hình 3.7 Cấu tạo mắt Các loại tế bào Mắt người bị kích thích vùng bước sóng điện từ 380nm ÷ 780nm cảm nhận ánh sáng Cảm nhận có nhờ tế bào thần kinh thị giác nằm bên hốc mắt Có hai loại tế bào thần kinh thị giác, khoảng:  130 triệu tế bào que nằm rãi rác khắp võng mô, cho cảm giác độ chói (cường độ sáng)  triệu tế bào nón hầu hết tập trung hồng điểm (nằm phía hốc mắt) cho cảm giác cường độ sáng màu sắc Tế bào có loại:  Loại thứ hai: nhạy với màu đỏ (Red)  = 700nm 36  Loại thứ ba: nhạy với màu (Green)  = 546,1nm  Loại thứ nhất: nhạy với màu lơ (Blue)  = 435,8nm Mắt thu nhận hình ảnh vật chủ yếu nhờ tế bào hình que đồng thời loại tế bào hình nón cho ta cảm giác màu sắc vật 3.3.2 Độ chói mắt % Độ chói 59% 30 % 11%  B G R nm Hình 3.8 Độ chói thay đổi theo bước sóng Hình vẽ 3.8 biểu diễn độ chói mắt bước sóng Nếu lấy nguồn sáng trắng có cường độ chuẩn mà mắt người ghi nhận độ chói 100% với cường độ ấy, ánh sáng đỏ (Red) cho mắt cảm giác độ chói 30%, ánh sáng lơ (Blue) 11% ánh sáng xanh (Green) 59% Từ suy cơng thức độ chói Y màu X (R, G, B) (tín hiệu trắng đen mắt): Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B Với: (R, G, B tỉ lệ phần trăm thành phần R, G, B tạo màu X) 3.4 Thuyết màu Tất màu tạo từ thành phần màu R,G,B cách trộn chúng theo tỉ lệ thích hợp Việc chọn màu cần phải thoả mãn điều kiện: Trộn màu màu không cho màu thứ Ta có vô số tập ba màu cần lưu ý là, hai số màu nằm cuối hai đầu vùng nhìn thấy, cịn màu thứ ba nằm có khả dễ dàng tạo lại phần lớn màu tồn thiên nhiên 37 Năm 1931 Hội đồng quốc tế nghiên cứu ánh sáng CIE (Commission International de l’Eclairge: CIE) chọn màu sau đây:  Đỏ (Red) có bước sóng  = 700nm  Lá (Green) có bước sóng  = 546,1nm  Lơ (Blue) có bước sóng  = 435,8nm 3.5 Thí nghiệm kiểm chứng thuyết màu trộn màu 3.5.1 Thí nghiệm kiểm chứng Để kiểm chứng người ta dùng máy đo màu (Sắc kế) Máy đo màu gồm nguồn sáng R, G, B ảnh có dạng tam giác Màu X chiếu sáng bên ảnh bên ảnh lại chiếu ba nguồn sáng R, G, B điều chỉnh cường độ Tiến hành điều chỉnh nguồn sáng màu tổng hợp đồng với màu cần xác định X, nghĩa độ chói, sắc thái độ bão hồ màu Từ ta tìm phần trăm màu theo công thức: X  a(R) + b(G) +c(B) Với a, b, c tỉ lệ phần trăm tương ứng cần tìm Màn ảnh R G Màu X B Mắt Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý thí nghiệm kiểm chứng lý thuyết màu Bằng cách thay đổi tỉ lệ ấy, người ta tạo hầu hết màu thiên nhiên 38 3.5.2 Sự trộn màu Chiếu nguồn sáng màu R, G, B có cường độ lên ảnh vải trắng (để có phản chiếu hồn tồn ảnh) Ta có kết trộn màu sau vùng giao nhau: R=G=B R G (yelow) (Magnenta - tía) B+GC W R+GY R+GM Y (Thiên - Cyan) R+G+BW (White) C M B Hình 3.10 Sự trộn màu Hiện tượng trộn màu giải thích sau: Thực khơng có pha trộn bước sóng màu Tại vùng mắt người thấy màu trắng chẳng hạn, có đủ bước sóng màu R, G, B riêng rẽ đến mắt lượt nhóm tế bào nón R, G, B bị kích thích giống y trường hợp chiếu ánh sáng trắng vào mắt Hai tượng vật lý khách quan khác gây cảm giác cho mắt người Màu tía (Magnenta) khơng phải thực thể khách quan (vì khơng có bước sóng màu tía) mà màu R B kích thích vào loại tế bào nón nhạy với màu R B gây cho người quan sát có cảm giác màu tía Sự trộn màu thực kết lợi dụng nhầm lẫn mắt khai thác triệt để truyền hình màu 3.6 Nguyên lý Camera màu đèn hình màu 3.6.1Camera màu (Color Camera) Điểm màu sau qua thấu kính lăng kính chia làm hướng, tạo tia sáng 1, 2, Các tia sau qua lăng kính hướng lên xuống dưới, gặp gương đổi phương thành ngang Tia sau qua lăng kính truyền theo phương ngang hình 3.11 Sau đó, tia đưa vào lọc màu R,G,B để lọc lấy thành phần màu Các thành phần đưa 39 vào tế bào nhạy với màu (gọi ống VIDICON 1,2,3), để biến thành thành phần điện áp ER, EG, EB (gọi tắt R, G, B) tỉ lệ với thành màu tương ứng Gương Lọc R Thấu kính Đ iể m màu ER (=  volt) Lọc G VIDICON 2 Lăng kính R VIDICON 1 EG (=  volt) Lọc B VIDICON 3 G B EB (=  volt) Gương Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo camera màu Ví dụ: VR = 3mV~ R = 3mV~ VG = 2mV~ Nhưng thường viết tắt G = 2mV~ VB = 1,8mV~ B = 1,8mV~ Sự phân tích màu thực cho điểm ảnh vật R G Camera màu MATRIX B Y R G B B G R 70 K 41 K 89 K 30 K 59 K 11 K Y = 0,3R + 0,59G + O,11 B 100 K Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch cộng tỉ lệ (Matrix) để tái tạo độ chói Y từ thành phần màu 40 Phía sau camera có phận hoạt động tế bào que tạo lại tín hiệu trắng đen, hay cịn gọi độ chói: Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B Mạch tạo tín hiệu trắng đen cho tivi gọi mạch matrix Tín hiệu video tổng hợp R, G, B độ chói Y gửi đến máy thu.Sau đó, cho tia R, G, B vào Cathod đèn hình để pha lại màu mặt đèn hình màu 3.6.2 Tổng hợp mu ER Phát quang màu R Mắ t EG Phát quang màu G Phát quang màu B EB Hỡnh 3.13 Sơ đồ nguyên tắc tổng hợp màu từ thành phần màu 3.6.3 Cấu trúc đèn hình màu Lưới khiển Cathod GLK Lưới Screen >] Tim đèn >] RLK >] BLK Lưới hội tụ Focus Anod Hình 3.14 Cấu trúc đèn hình màu 41 3.6.3.1 Đèn hình delta  Do hãng RCA chế tạo vào năm 1956 Ba tia bố trí đỉnh tam giác đều: B B 102’ Trục đèn hình R G R G Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý đèn hình delta Các máy nội địa Nhật sản xuất trước 1979 cịn loại đèn hình Mặt đèn hình phun sơn oxid đặc biệt để chùm tia đập vào với vận tốc cao phát ánh sáng màu Ba điểm màu tập trung thành tổ hợp màu Khi ba chùm tia đập vào ánh sáng phát hoà lại cho điểm màu o Mặt máy chứa tổ hợp màu RGB B G R chùm tia e- Hình 3.16 Cấu trúc tổ hợp màu mặt nạ đục lỗ đèn hình Delta Trước mặt máy có mặt nạ đục lỗ giúp cho chùm tia hội tụ điểm trước đập vào hình màu (Shadow mask) Mặt nạ đục lỗ làm thép cứng Khi chùm tia đến lỗ có số e- đập vào mặt nạ sinh nhiệt nóng, lượng mát có lên đến 60% Ngồi mặt nạ bị nhiễm từ loa, nam châm hình bị lem, nhiều vân nhiễu Lúc phải khử từ máy khử dùng dòng cao tần Ở loại máy có 12 biến trở đèn để chỉnh màu nên việc cân chỉnh gặp nhiều khó khăn, vấn đề chỉnh chùm tia Hiệu suất thấp 10% ÷ 15%  Cơng suất cung cấp gấp 10 lần TV trắng đen tương đương  đèn mau già 42 Đ è n hì nh T R IN IT R O N Đèn hình  có chất lượng tương đối việc hiệu chỉnh tụm tia khó khăn hiệu suất thấp Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1968 hãng SONY đèn hình màu TRINITRON Sọc photpho R GB R GB R G B R G B R G B B G R B G R Hình 3.17 Cấu trúc đèn hình Trinitron Màn hình photpho gồm có sọc R, G, B xếp xen kẻ Mặt nạ đục lỗ thay lưới có điện âm  để hướng dẫn chùm tia bắn trúng vào tổ hợp màu, e- đến lưới bị điện âm đẩy lọt vào cơng suất cần thấp hiệu suất đạt cao Ngoài lưới nhỏ nên bị nhiễm từ Giữa vạch màu có lằn đen để hấp thu tia e - bị lệch gọi vi sọc đen(Micro Black) nên màu khơng bị lem, hình rực đẹp Hiệu suất 25% ÷ 30%  Đèn hình bền, tuổi thọ cao, hiệu suất cao so với loại đèn hình 3.6.3.3 Đèn hình màu InLine Trinitron vừa đời hưởng ứng thương mại đặt đèn hình màu tam giác đường đào thải Điều đặt cho cơng nghiệp truyền hình màu Mỹ yêu cầu phải cạnh tranh riết với SONY Cho nên vào đầu năm 1970 (khoảng 1972) hãng General Electric (Mỹ) đưa thị trường đèn hình InLine R G B R G B G G R G B R G B G G R G B R G B G G Mặt phát quang Mặt nạ đục lỗ Hình 3.18 Sơ đồ mặt phát quang mặt nạ đục lỗ đèn hình InLine 43 B O G R Hình 3.19 Ba cathod bố trí nằm phẳng Về bản, đèn InLine đèn Trinitron để vạch màu ngắt quảng tương ứng với dòng Khe lưới hở thay đổi cho phù hợp trước điểm G lại khoan lỗ hình dạng y điểm G Điều làm giảm hiệu suất so với đèn Trinitron (thực tế cịn 20% ÷ 25%) Cho đến trừ hãng SONY trì sọc phát quang để tận dụng hiệu suất, tất hãng giới dùng loại đèn InLine 3.7 Toạ độ màu Một màu hoàn toàn xác định điện áp tín hiệu chói Y điện áp tín hiệu sắc (R – Y) (B – Y) Nếu xem Y thông số (bằng được)  biểu diễn tính chất màu hệ trục vng góc: trục tung (R – Y), trục hoành (B – Y) Ví dụ: màu trắng W có: R – Y = B – Y = nên nằm tâm hệ trục R-Y R -0,59 0,7 W -0,3 -0,11 G 0,89 B-Y B -0,59 R (R – Y) = 0,7 (B – Y) = -0,3 C (R – Y) = -0,7 (B – Y) = 0,3 G (R – Y) = -0,59 (B – Y) = -0,59 M (R – Y) = 0,59 (B – Y) = 0,59 B (R – Y) = -0,11 (B – Y) = 0,89 Y (R – Y) = 0,11 (B – Y) = -0,89 Đối với màu trắng 44 Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B = (0,3 + 0,59 + 0,11=1=R=G=B  B – Y = 0, R – Y = 0, G – Y = Ta có cặp R-C, G-M, B-Y đối xứng qua trục toạ độ chúng thành phần bổ túc để tạo màu trắng (ví dụ: R+C = R+ B + G  W) B Thiết lập hệ truyền hình màu 3.8 Vấn đề tương hợp Truyền hình màu đời truyền hình đen trắng trưởng thành Hàng triệu TV đen trắng sản xuất cịn phát triển Vì việc cho cơng tác truyền hình màu phải khơng gây ảnh hưởng đến truyền hình trắng đen hoạt động mà làm sinh động phong phú thêm Yêu cầu TV trắng đen phải thu tín hiệu chói Y đài màu Để đáp ứng với yêu cầu truyền hình màu phải xây dựng dựa vào chuẩn trắng đen sau: a fH fV 15750Hz 60Hz 15625Hz cho OIRT CCIR 50Hz FCC b xây dựng theo khổ rộng băng thông trung tần 6,5MHz 8MHz 4,5MHz 6,5MHz fIF/S 41,25MHz fIF/VID 45,75MHz fIF/S 31,5MHz Hệ FCC fIF/VID 38MHz Hệ OIRT c Phải chọn lại tần số băng tần UHF VHF f RF S f RF VID f IF S f IF VID 3.9 Hệ việc xây dựng hệ màu dựa theo chuẩn trắng đen Với băng thông hẹp khơng thể chuyển màu lúc Phải chọn cho màu sóng tải phụ fSC (Subcarrier) Nhưng từ ÷ 45 4,2MHz để dành cho tín hiệu trắng đen Ít từ ÷ 3MHz hình khơng bị chi tiết fSC1 fSC2 fSC3 1,5M 1M 1M 1M Vậy phương diện kỹ thuật chuyển màu R, G, B sóng tải phụ lúc Các nhà toán học đề nghị gửi màu màu phải pha với trắng đen Người ta chọn màu đỏ màu xanh lơ (R – Y) (B – Y) Công thức đen trắng Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B 0,3Y + 0,59Y + 0,11Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B  = 0,3(R – Y) + 0,59(G – Y) + 0,11(B – Y)  0,59(G –Y) = -0,3(R – Y) - 0,11(B – Y)  0,3 0,11 (R  Y )  (B  Y ) 0,59 0,59 1 (G – Y) =  (R  Y )  (B  Y ) (G – Y)   =  Vậy ta có cơng thức (G – Y) =  (R  Y )  (B  Y ) Công thức dùng cho hệ màu:  Mạch cộng tỉ lệ (B – Y) – (B – Y) -1 50K (R – Y) – – (R – Y) -1 (B – Y) 10K 50K 50K – (R – Y) Gọi mạch Matrix (G – Y) 46 3.10 Vấn đề sóng mang phụ fSC 3.10.1 Điều chế sóng mang phụ STP mang theo màu  tới máy thu dùng mạch L, C tách màu khỏi tín hiệu hỗn hợp Có hai cách điều chế fsc với màu: Biến điệu biên độ biến điệu tần số 3.10.2 Điều chế biên độ AM Ví dụ: AM fsc Sau máy thu Bộ lọc Y + Màu + Y 3.10.3 Điều chế tần số FM 5V (B-Y) f  2 L (CV  C ) FM cho chi tiết tốt AM phức tạp 3.11 Công thức điều kiện chọn sóng mang phụ 3.11.1 Điều kiện Ta dành vùng đen trắng  3MHz để có đủ chi tiết, màu từ 3 5MHz Do sóng tải phụ nằm 3M 5M 47 3MHz < fSC < 5MHz (1) 3.11.2 Điều kiện Av Y O f1 f2 f Các xung xóa dấu xung đồng ngang có tần số fH 15625Hz ÷15750Hz Hài nó: 2fH, 3fH, 4fH …… nfH, (n+1)fH, 2nfH Nếu fSC chọn hài fH tạo tượng giao thoa Để tránh tượng này, ta chọn fSC trung bình cộng hai hài fH liên tiếp nfH, (n+1)fH nf H  (n  1) f H (2n  1) f H fSC = fSC = O Từ (1) (2), suy ra: Hệ: NTSC Chọn fSC = 3,58Mhz NTSC: fSC = (2n  1) f H Chọn n = 227, fH = 15734,264Mhz (sai số 0,1% so với fH = 15750Hz) Hệ: PAL Chọn fSC = 4,43Mhz (tránh hài fv) Hệ: SECAM Chọn fSC = 4,25Mhz fSC = 4,406Mhz (2) ... đèn hình để pha lại màu mặt đèn hình màu 3. 6 .2 Tổng hợp màu ER Phát quang màu R Mắ t EG Phát quang màu G Phát quang màu B EB Hỡnh 3. 13 S đồ nguyên tắc tổng hợp màu từ thành phần màu 3. 6 .3 Cấu... sáng thay đổi màu sắc vật chiếu sáng thay đổi Ví dụ chiếu ánh sáng màu lên vật phản xạ bước sóng ta thấy vật có màu giống màu nguồn sáng 34 3 .2. 2 Các đặc tính xác định màu 3 .2. 2.1 Độ chói (Luminance)... Violet 38 0 430 Lam C Cyan 470 Lá G Green 500 Vàng Y Yellow 560 Cam O Crange 590 650 Đỏ R Red nm 780nm Hình 3. 3 Sự phân bố màu phổ 3 .2 Màu sắc đặc tính màu sắc M u sắ c Màu vật nguồn sáng Màu sắc