1

4 Osnove televizije u boji

4.1 Problem kompatibilnosti

Emitovanje kolor televizije nije bilo moguće do 1954. godine zbog strogog zahtjeva kompatibilnosti sa postojećim monohromatskim sistemom. Kompatibilnost je podrazumijevala:

• kolor TV signal mora proizvesti normalnu C/B sliku na monohromatskom prijemniku bez ikakvih izmjena na prijemnom ureñaju

• kolor prijemnik mora prikazati crno bijelu slike na osnovu običnog monohromatskog signala. Ovaj zahtjev se često naziva i zahtjev rekompatibilnosti.

Kako bi se zadovoljili navedeni zahtjevi potrebno je obezbijediti slijedeće:

• Kolor TV signal treba da zauzima isti frekvencijski opseg kao i odgovarajući monohromatski signal

• Položaj i rastojanje nosioca slike i tona trebaju biti isti • Kolor signal treba imati istu sjajnost informacije kao što bi je imao monohromatski

signal koji prenosi istu scenu • Kompozitni kolor signal treba da sadrži informaciju o boji zajedno sa pomoćnim

signalima koji omogućuju njegovo dekodiranje • Kolor informacija se treba prenositi tako da nikako ne utiče na reprodukovanu

sliku na ekranu monohromatskog prijemnika • Sistem mora koristiti iste frekvencije zamračenja i sinhronizacione signale kao i u

slučaju monohromatskog prenosa i prijema

4.2 Izbor primarnih boja

Na osnovu krive spektralnog odziva i niza testova sa velikim brojem ispitanika, standardizovane su primarne spektralne boje i njihovi intenziteti. Za primarne boje usvojene su sljedeće talasne dužine: B → λ = 435.8 nm G → λ = 546.1 nm R → λ = 700 nm Referentna bijela boja za kolor TV je izabrana tako da se dobije miješanjem 30% crvene, 59% zelene i 11% plave. Slika Sl.1 prikazuje jednostavnu blok shemu kolor kamere koja se sastoji od tri analizatorske cijevi pri čemu svaka cijev selektivno filtrira jednu od primarnih boja. Svaka analizatorska cijev daje naponski signal proporcionalan intenzitetu boje koju prima. Objektiv obrañuje

svjetlost koja dolazi od scene koja se snima. Slika formirana u objektivu se pomoću staklene prizme dijeli u tri slike. Ove prizme su dizajnirane kao dikromatska ogledala. Dikromatsko ogledalo reflektuje jednu talasnu dužinu, a propušta sve ostale. Na ovaj način se formiraju crvena, zelena i plava slika. Pomoću filtera se vrši precizno izdvajanje primarnih boja koje se potom pomoću analizatorske cijevi transformišu u video signale. Ovako dobiveni video signali se nazivaju R (crveni), G (zeleni) i B (plavi).

Sl. 1: Princip formiranja kolor video signala

4.3 Luminantni signal

Kako bi se generisala sjajnost signala koji predstavlja luminancu scene, signali dobiveni pomoću analizatorskih cijevi se vode na sklop za generisanje luminantnog signala. Izlazni signal predstavlja sjajnost scene i označava se sa Y. Dakle, vrijedi:

Y=0.3R+0.59G+0.11B

Sl. 2: Sklop za formiranje luminantnog signala

Razmotrimo sada primjer formiranja luminantnog signala u slučaju kolor-bar test signala

(pruge u boji). Signal se dobija iz test generatora u obliku sekvenci impulsa, pri čemu se odgovarajućim preklapanjem impulsa dobijaju pruge u boji.

Sl. 3: Kolor bar test signal 100/0/100/0

Razlikuju se dva tipa color bar test signala: 100/0/100/0 i 100/0/75/0. (White/Black/Colormax/Colormin) Za color bas test signal 100/0/100/0, formiranje luminance će se vršiti na sljedeći način:

Sl. 4: Formiranje luminance pomoću R, G i B

4.4 Signali razlike boja

U kolor TV sistemima, luminantni signal Y se moduliše i prenosi na isti način kao i u monohromatskim sistemima. Meñutim, umjesto prenosa sva tri kolor signala, tj. R, G i B, izlaz crvene i plave kamere se kombinuje sa Y signalom kako bi se dobili tzv. signali razlike boja. Signali razlike boja se dobivaju oduzimanje naponskog nivoa Y signala od naponskih nivoa kolor signala. Generišu se samo dva signala razlike boja, (R-Y) i (B-Y), koji predstavljaju tzv. krominantne signale. Naime, dovoljan je prenos samo dva krominatna signala, jer se treći može izračunati na osnovu druga dva i uz poznavanje Y. Kolo za generisanje krominantnih signala je prikazano na slici.

Sl. 5: Kolo za generisanje krominantnog signala

Zapažanje: Izračunajmo krominatne signale za slučaj prenosa bijele i sive boje: Bijela: R=G=B=1 Y=0.59*1+0.3*1+0.11*1=1 (R-Y)=1-1=0 (B-Y)=1-1=0 Siva: R=G=B=x Y= Y=0.59*x+0.3*x+0.11*x=x (R-Y)=x-x=0 (B-Y)=x-x=0 Vidimo da su krominantni signali pri prenosu bijelog ili sivog sadržaja jednaki 0, tako da će krominantni signal pri prenosu monohromatskog sadržaja potpuno nestati, a što je u skladu sa zahtjevima kompatibilnosti. Formiranje krominantnih signala razlike boja za slučaj kolor bar testa tipa 100/0/100/0 je dato na slici.

Sl. 6: Kreiranje signala razlike boja (B-Y) i (R-Y)

4.5 Cijevi za prikaz kolor TV signala - katodne cijevi

Katodna cijev (CRT) ili kineskop je vakumska cijev koja se sastoji od tri osnovna dijela: elektronski top, skretni sistem i ekran. U vratu katodne cijevi nalazi se elektronski top koji se satoji od zagrijavajućeg vlakna i katode. Funkcija elektronskog topa je stvaranje elektronskog snopa. Prolaskom struje kroz vlakno, zagrijava se katoda, koja potom počinje emitovati elektrone. Elektronski snop se kreće prema anodi koja se nalazi na suprotnom kraju cijevi i priključena je na visoki pozitivni napon. Mijenjanje intenziteta elektronskih mlazeva, a time i promjena intenziteta osvjetljaja se vrši promjenom napona izmeñu katode i upravljačke elektrode G1. Napon na G1 je negativan u odnosu na napon na katodi. U zavisnosti od njegove veličine više ili manje će sprečavati prolaz elektronima sa katode prema anodi katodne cijevi. Na drugu upravljačku elektrodu G2 se dovodi pozitivan napon reda 500 do 600 V, koji ima zadatak da pomogne elektronima da savladaju negativni potencijal na G1 i da nastave put ka anodi. Na treću upravljačku elektrodu G3 se dovodi pozitivni jednosmjerni napon reda 6 kV kojim se vrši fokusiranje elektronskih mlazova tako da svaki od njih padne tačno na odgovarajuću fosfornu tačku na ekranu, čime se obezbjeñuje oštra slika i precizna reprodukcija boja. Skretni sistem se sastoji od dva elektromagnetna mehanizma, jedan za vertikalni, a drugi za horizontalni otklon. Obično se koriste zavojnice. Ekran je prekriven tankim slojem fosfora koji emituje svjetlost nakon pobuñivanja elektronskim snopom. Jačina elektronskog snopa odreñuje sjajnost svjetlosti koju emituje fosfor.

Sl. 7: Katodna cijev

Katodna cijev za prikaz kolor slike je bazirana na korištenju tankog sloja od tri vrste fosfora (Sl. 8), pri čemu svaki emituje svjetlost koja odgovara jednoj primarnoj boji. Čestice fosfora su fizički razdvojene i svaka od njih se pogaña elektronskim snopom intenziteta koji je proporcionalan odgovarajućem signalu boje. Pri gledanju slike sa odreñene udaljenosti, oko integriše tri emitovane boje u jednu novu nastalu kao rezultat aditivnog miješanja odgovarajućih omjera primarnih boja. U zavisnosti od konfiguracije elektronskog topa i

načina slaganja fosfora na ekranu, razvijene su različite vrste katodnih cijevi. U nastavku su pojašnjene:

• Katodna cijev sa delta topom • Katodna cijev sa in-line topom • Trinitron katodna cijev

Sl. 8: Katodna cijev za prikaz kolor signala

4.5.1 Katodna cijev sa delta topom

Ova vrsta katodnih cijevi koristi tri zasebna topa, po jedan za svaku vrstu fosfora. Topovi su meñusobno razmaknuti za 1200 i naginju ka unutrašnjosti u odnosu na osu cijevi. Topovi čine jednakostranični trougao.

Sl. 9: Položaj elektronskih topova u delta konfiguraciji

Tačke fosfora na ekranu su poredane u grupe koje se zovu triadi. Svaka tačka fosfora odgovara jednoj primarnoj boji. U zavisnosti od veličine katodne cijevi, oko 1 000 000 tačaka fosfora čini 333 000 triada koje su rasporeñeni po staklu ekrana. Oko 1cm iza ekrana nalazi se

tanka metalna rešetka poznata od nazivom sito maska. Maska ima po jednu šupljinu za svaki triad na ekranu. Šupljine su orjentisane tako da elektroni sva tri topa pri prolasku kroz bilo koju šupljinu pogañaju samo odgovarajuće tačke fosfora na ekranu. Odnos elektrona koji prolaze kroz šupljine prema ukupnom broju elektrona koji dospijevaju do sito maske iznosi svega 20%. Preostalih 80% ukupne energije se rasipa u vidu toplotnih gubitak u sito maski. Iz ovog razloga su potrebne relativno velike struje u odnosu na monohromatske katodne cijevi kako bi se održala sjajnost slike. Ovo objašnjava potrebu većih anodnih napona kod kolor katodnih cijevu u odnosu na monohromatske cijevi.

Sl. 10: Pogañanje fosfora kroz sito masku

Boja koju percipira oko je odreñena kako intenzitetom elektronskih snopova, tako i vrstama fosfora koji se pogañaju. Ukoliko je samo jedan snop aktivan, pobuñuju se tačke samo jedne vrste fosfora. Slično, ukoliko su samo dva topa aktivna, pobuñuju se fosfori samo odgovarajuće dvije boje, što će proizvesti utisak komplementarne boje. Tačna vrsta boje je odreñena relativnim jačinama elektronskih snopova. Ukoliko su sva tri topa aktivna, proizvode se svjetlije nijanse na ekranu. Razlog je što se crvena, zelena i plava kombinuju u odreñenom odnosu u bijelu, a koja smanjuje zasićenost boje. Crna boja predstavlja odsustvo pobude fosfora, tj. kada nijedan od topova nije aktivan. Ukoliko amplituda krominantnih signala padne na nulu, samo Y signal kontroliše elektronske topove, što će proizvesti monohromatsku sliku na ekranu.

4.5.1.1 Čistoća boje i konvergencija

Prilikom otklanjanja elektronskih snopova pomoću zavojnica za vertikalni i horizontalni otklon, potrebno je osigurati da snopovi prolaze tačno kroz otvore na maski i da svaki snop proizvodi čistu boju. Kako bi se obezbijedila čistoća boje, potrebno je da svaki snop pada tačno na centar odgovarajuće tačke fosfora, i da pri tom ne zahvata područje fosfora druge boje. Ovo zahtijeva precizno poravnavanje snopova elektrona. Tu funkciju vrši tzv. magnet čistoće boje. Kružni magneti se montiraju na vanjski vrat kineskopa, te se mogu rotirati i pomijerati duž vrata. Ukoliko se magneti meñusobno razdvajaju, smanjuje se jačina polja.

Ukoliko se magneti istovremeno pomjeraju, mijenja se smijer polja. Dakle, odgovarajućim pomjeranjem magneta, vrši se usmjeravanje snopova gore, dole, lijevo, desno i dijagonalno, čime se postiže čistoća boje. Konvergencija na centru ekrana se naziva statičkom konvergencijom.

Sl. 11: Dobra konvergencija (lijevo). Loša konvergencija (sredina). Prihvatljiva konvergencija (desno)

Sl. 12: Magnet čistoće boje: (a) jako magnetno polje za slučaj kada tabovi nisu meñusobno udaljeni; (b)

razdvajanje tabova slabi magnetno polje; (c) rotiranje magneta istovremeno mijenja smijer otklona snopova

4.5.1.2 Položaj zavojnica za otklon

Položaj zavojnice za otklon na vratu cijevi odreñuje lokaciju centra skretanja elektronskog snopa. Pogrešna postavka će rezultirati lošom čistoćom boje usljed neispravnog upadnog ugla snopova u šupljine maske. Obzirom da se skretanje usred djelovanja skretnih zavojnica tiče uglavnom snopova na ekranu bliže rubovima, zavojnice se pomjeraju duž vrata cijevi kako bi se poboljšala čistoća ovih dijelova ekrana. Konvergencija na rubovima ekrana se naziva dinamičkom konvergencijom.

4.5.1.3 Nedostaci koneskopa na bazi delta topova

Iako su kineskopi sa delta topovima korišteni skoro dvije dekade, oni imaju niz nedostataka:

• Proces konvergencije zahtijeva složene krugove. U većini kineskopa sa delta topovima potrebno je 4 statička konvergentna magneta i jedan sklop za dinamičku konvergenciju, te niz dodatnih kontrola kako bi se obezbijedila ispravna vertikalna i horizontalna konvergencija preko cijelog ekrana.

• Fokus ne može biti oštar preko cijelog ekrana jer oblasti konvergencije ne mogu biti podudarne za sva tri snopa obzirom na njihov meñusobni položaj od 1200.

• Elektronska transparentnost maske je veoma niska obzirom da propušta samo 20% ukupnog broja prispjelih elektrona.

4.5.2 Cijevi sa in-line topovima

Ova cijev radi na principu tri topa koji su poravnati u horizontalnu liniju. In-line konfiguracija olakšava podešavanje konvergencije. Fosfor je na ekranu poredan u triade u vidu vertikalnih traka koje se ponavljaju širom cijevi. Kako bi se dobila ista finoća boje kao i kod delta topova, horizontalni razmak izmeñu traka istih boja u susjednim triadima je isti kao i izmeñu tačaka iste boje u delta topovskim cijevima. Umjesto sito maske koristi se maska sa prorezima (slot mask). Ova maska ima vertikalne procjepe koji odgovaraju trakama fosfora. Jedna vertikalna linija procjepa je namijenjena jednoj grupi traka koja se sastoji od crvenog, zelenog i plavog fosfora. Kako su sva tri elektronska topa u istoj ravni, snop u sredini (zeleni) se kreće duž ose cijevi. Meñutim, zbog unutarnjeg nagiba lijevog i desnog topa plavi i crveni snop se kreću pod uglom i spajaju se sa zelenim snopom na maski. Procjepi na maski su napravljeni tako da svaki snop pogaña samo svoj fosfor. In-line cijevi su efikasnije od delta cijevi obzirom da imaju veću elektronsku transparentnost i zahtijevaju manje podešavanje konvergencije zahvaljujući in-line strukturi topova.

Sl. 13: Pogañanje fosfora kroz masku sa procjepima (slot mask)

4.5.3 Trinitron

Trinitron cijev je razvijena od strane SONY-a oko 1970-te godine. Bazirana je na korištenju jednog topa koji sadrži tri in-line katode. Fosfor na ekranu je poredan u vidu traka kao i kod in-line cijevi. Svaka traka je široka svega hiljadeti dio centimetra. Koristi se maska u vidu rešetke sa otvorima (aperture grill). Umjesto da se koriste uobičajene trojke fosfornih tačaka, cijevi zasnovane na rešetki otvora imaju fosforne linije bez horizontalnih prekida uzdajući se u tačnost elektronskog mlaza da definise gornju i donju ivicu piksela. Kako je na taj način manji dio površine ekrana zauzet maskom, a fosfor neprekinut vertikalno, više fosfora svijetli, što rezultuje jasnijim prikazom. Maska se lako proizvodi i ima veću transparentnost i od delta topovskih i in-line topovskih cijevi. Obzirom da snopovi imaju zajedničku ravan fokusa dobiva se oštrija slika sa dobrim fokusom preko cijelog ekrana, pri čemu je problem konvergencije u velikoj mjeri pojednostavljen i zahtijeva minimalna dodatna podešavanja.

Sl. 14: Pogañanje fosfora kroz rešetku masku (aperture grill)

Sl. 15: Sito maska (lijevo); Maska sa prorezima (sredina); Rešetka maska (desno)

4.6 LCD

LCD (Liquid-Crystal Display) sadrži desetine hiljada pojedinačnih ćelija u matrici na ravnoj transparentnoj ploči. Svaka ćelija sadrži tečni kristal koji ima osobinu mijenjanja molekularne strukture u zavisnosti od napona koji se dovodi. Naime, pri puštanju električne struju kroz sloj tečnih kristala, oni će se orijentisati prema pozitivnom i negativnom polu struje. Ukoliko se tečni kristal prislonu uz neravnu površinu, isti će poprimiti strukturu te površine. Tečni kristali djeluju kao polarizatori na svjetlost. Ako se kristali u sloju zakrenu, svjetlosni talas će slijediti njihovu zakrenutost i pojaviti se na drugoj strani sloja s drugačijom orijentacijom. LCD ekrani se sastoje od dva polarizirajuća filtra izmeñu kojih se nalaze dvije obrañene površine koje služe za ispravljanje molekula, a izmeñu njih se nalazi sloj tekućeg kristala. Polarizirajući filtri su meñusobno okomiti. Svjetlost koja proñe kroz prvi polarizirajući filter ne bi mogla proći kroz drugi. Meñutim, molekule tečnog kristala koje se nalaze izmeñu mijenjaju polarizaciju svjetlosti tako da svjetlost prolazi kroz drugi polarizirajući filter. Pod utjecajem napona, molekule tekućeg kristala se ravnaju i iz spiralnog oblika prelaze u linearni. Ovim ispravljanjem, svjetlost koja pada na drugi filter ima istu polarizaciju kao i nakon prolaska kroz prvi filtar. Kako su ova dva filtra okomita, svjetlost ne može proći dalje. Za upravljanje pojedinim ćelijama koje su poredane u matricu koriste se TFT tranzistori. Transparentnost ćelije se podešava dovoñenjem odgovarajućeg napona. Veličina napona odreñuje mjeru zakretanja molekula, a time i količinu svjetlosti koju će ćelija propustiti. Na ovaj način se na ekranu stvara sjajnija ili tamnija slika u zavisnosti od napona koji se dovodi na ćelije. Kod ekrana u boji se za svaki piksel koriste tri podpiksela sa crvenim, zelenim i plavim filtrom.

Sl. 16: Princip rada LCD-a