Streven. Jaargang 10

[p. 353]

Wetenschappelijke kroniek
G. Forrez
Kleurentelevisie

KLEUREN T.V. is in de eerste plaats televisie en daarom is het nuttig enkele principes van de zwart-wit televisie in herinnering te brengen. In een menselijk oog wordt het beeld geprojecteerd door een lens op het netvlies, dat bestaat uit een groot aantal lichtgevoelige celletjes. Van ieder celletje gaat een zenuw uit die de prikkel naar de hersenen voert en het beeld wordt in zijn geheel terzelfdertijd waargenomen. In een T.V. camera wordt het beeld ook door een lens geprojecteerd op een soort netvlies. Dit netvlies bestaat uit een zeer groot aantal fotocelletjes. Het is nu echter niet mogelijk de prikkel, hier elektrische spanning, van ieder celletje terzelfdertijd over te brengen. Dank zij de traagheid van ons oog, is het nochtans mogelijk een beeld te zien als zijnde een volledig beeld terwijl het in werkelijkheid punt voor punt opgebouwd wordt.

Elk fotocelletje van de camera neemt een spanning aan die evenredig is met de ontvangen lichtsterkte. Een elektronenstraal tast het mozaiek van fotocelletjes af en geeft ons inlichting over de door ieder celletje ontvangen lichtsterkte. Het is niet voldoende, van ieder punt de helderheid te kennen; we moeten ook de plaats kennen. Er moeten normen vastgesteld worden voor het aftasten van het beeld. Zo tast men in Engeland het beeld af in 405 lijnen, in Amerika in 525 lijnen, in de meeste Europese landen in 625 lijnen en in Frankrijk in 819 lijnen. In België heeft men 625 lijnen voor de Vlaamse programma's en 819 voor de Franse.

Beschouwen we nu een verticale lijn van een beeld dat in 625 lijnen verdeeld is. Die lijn zal dus uit 625 punten bestaan. (In de praktijk is dit iets minder). Verdelen we nu ook een horizontale lijn in 625 punten. Het signaal dat voor zulk een lijn door de camera gegeven wordt is een wisselspanning, door de opeenvolging van wit zwart wit enz. Als alle lijnen (625) in 625 puntjes verdeeld zijn en de volledige aftasting 25 maal per seconde gebeurt dan zal die wisselspanning een frequentie hebben van ongeveer 5.000.000 Herz. Deze 5 Mhz. is de bandbreedte die nodig is om het beeld met voldoende scherpte weer te geven, ze is een maatstaf voor de horizontale definitie. In Europa geeft men algemeen 25 beelden per seconde. Normaal zou dat nog een beetje flikkering geven maar er worden in feite 50 halve beelden per seconde gegeven, eerst de oneven lijnen en dan de even lijnen. Dit noemt men interliniëring.

Wanneer men eenmaal heeft vastgesteld, in hoeveel lijnen het beeld door de camera zal afgetast worden, kan de ontvanger op hetzelfde aantal ingesteld worden. De zender hoeft dan enkel een signaaltje te geven, wanneer een nieuwe lijn moet beschreven worden door de ontvanger en zo ook voor een nieuw beeld. Dit zijn de synchronisatiesignalen. Met deze wordt de ontvanger in de pas gehouden en komt elk punt op zijn juiste plaats. Is helderheids- en plaatsinformatie voldoende voor zwart-wit T.V., voor kleuren T.V. moet er nog kleurinforma-

[p. 354]

tie bijkomen. De manier waarop deze gegeven wordt heeft aanleiding gegeven tot verschillende systemen.

Het menselijk oog en de kleuren

Vooraf zullen we echter een en ander mededelen over de kleuren zelf en over enkele eigenschappen van onze ogen. De eigenschappen van het menselijk oog zijn zeer interessant, omdat de kennis van de onvolmaaktheden ervan toelaat de K.T.V. in zekere mate te vereenvoudigen.

Algemeen is bekend dat met drie geschikte kleuren, door ze in juiste verhoudingen te mengen, alle andere kleuren kunnen worden verkregen. Dit feit ligt ten grondslag aan de kleurfotografie, de kleurendruk en ook de K.T.V. De drie hoofdkleuren zijn rood, groen en blauw. Een eerste eigenschap van ons oog is dat het veel minder gevoelig is voor kleurvariatie dan voor helderheidsvariaties. Dit wil zeggen dat het oplossingsvermogen voor kleur kleiner is dan voor zwart-wit. We zien dus minder detail in kleuren. De tweede eigenschap is, dat het oog minder vlug reageert op een kleurvariatie dan op een helderheidsvariatie. Uit deze eigenschappen volgt, dat de beeldfrequentie lager zal mogen zijn vooraleer er flikkering optreedt en dat het beeld in de kleurendetails niet zo scherp zal moeten zijn. Zelfs foutieve kleurvariaties die vlug zouden optreden zouden niet te zien zijn.

Zeer interessante proeven zijn gedaan op dit gebied. Nemen we als voorbeeld een kaart met regelmatig verspreide punten van alle kleuren. Van dichtbij zien we alle kleuren afzonderlijk. Als we ons verwijderen van de kaart wordt het eerst onmogelijk de blauwe punten van de grijze te onderscheiden, haast terzelfdertijd zijn de bruine met de rose samengesmolten. Het langst blijven zichtbaar de rood-oranje en de groen-blauwe punten. Op grotere afstand worden deze ook niet meer afzonderlijk gezien en wordt alles grijs.

Hieruit kunnen we besluiten dat

1.	het oog niet gevoelig is voor de kleur van kleine deeltjes.
2.	aangezien rood-oranje en groen-blauw het langst zichtbaar zijn, het voor kleine oppervlakken voldoende is twee hoofdkleuren te gebruiken.
3.	de gezichtsscherpte voor blauw veel kleiner is dan voor rood en groen, zodat men de bandbreedte voor blauw gerust tien maal kleiner mag nemen dan voor de andere hoofdkleuren.

Alles bij elkaar genomen: een T.V. systeem, dat uit al deze eigenschappen het maximum voordeel zou halen, zou driekleurig zijn voor grotere oppervlakten, tweekleurig voor gemiddelde details en monochroom (alleen helderheidsvariaties) voor de kleinste details.

Wat nu de kleuren zelf betreft, moet nog aan het volgende worden herinnerd. In het golflengtespectrum der elektromagnetische stralingen neemt het zichtbare gebied maar een heel klein plaatsje in; bij grove benadering tussen 4000 en 8000 Angstrom (1 Angstrom is 0,00000001 cm). Het rood heeft de langste golflengte en het violet de kortste. Iedere kleur komt dus overeen met een bepaalde frequentie. We moeten goed onderscheid maken tussen de intensiteit en de kwaliteit van de kleur. Beschouwen we een kleur, die bestaat uit een zekere hoeveelheid Rood (R), Groen (G) en Blauw (B). Vermeerderen we R G B met een-

[p. 355]

zelfde willekeurige maat, dan zal de kleur niet veranderen, wel de intensiteit We kunnen dus de drie waarden zo stellen, dat, afgezien van de intensiteit,

R + G + B = 1

Zo kunnen we alle kleuren voorstellen door twee veranderlijken daar we altijd hebben

B = 1 - (R + G)

De gekozen waarden zijn zo dat R, G, B altijd positief zijn. Aangezien twee veranderlijken volstaan, kunnen we alle kleuren in een vlak voorstellen. In een rechthoekig coördinatenstelsel komen alle kleuren te liggen binnen een driehoek, bevat tussen de assen R en G en de rechte R + G = 1, voor dewelke B = C (Fig. 1).

Wanneer men rekening houdt met de gevoeligheid van het menselijk oog, is het mogelijk alle zichtbare kleuren te situeren in deze driehoek. Op de buitenste gebogen lijn zijn alle kleuren van het spectrum aangeduid; op het rechte stuk dat de twee uiteinden van de gebogen lijn verbindt, zijn complementaire purperen kleuren gelegen. Deze driehoek is de driehoek van Maxwell. Een interessante eigenschap van de driehoek van Maxwell is dat, als we twee kleuren mengen, de ontstane kleur op de lijn ligt, die de twee kleuren verbindt. Het wit ligt in het punt Y. Als de resultaten van twee kleuren wit is, worden deze kleuren complementair genoemd.

Een kleur wordt verzadigd geheten, als ze geen wit bevat. In de driehoek van Maxwell ligt het wit in het midden en de kleuren zijn meer en meer verzadigd, naarmate ze verder van het midden verwijderd zijn. Kleuren met de hoogste verzadiging worden in de natuur zelden aangetroffen. Door die hoge verzadiging hebben ze een kleine helderheid, waarvoor het oog dan ongevoelig wordt aan kleurvariaties. We kunnen dus een zeer voldoende kleurweergave verkrijgen zonder de randkleuren van de driehoek te gebruiken. In figuur 1 geeft de binnenste volle lijn de kleuren aan die in het bereik liggen van de kleurendruk. Alhoewel vele kleuren buiten deze lijn vallen, toch is het resultaat goed. De drie hoofdkleuren, gebruikt in K.T.V., zijn aangegeven door de punten R, G, B, en

Fig. 1 De buitenste volle lijn omvat alle kleuren, waarvoor ons oog gevoelig is.
De binnenste volle lijn omsluit de kleuren, die in gewone kleurendruk kunnen worden voortgebracht.
De stippellijn omsluit de kleuren, die door de K.T.V. worden doorgezonden.

[p. 356]

Fig. 2

binnen de stippellijn, die deze verbindt, bevinden zich alle kleuren die in K.T.V. kunnen weergegeven worden.

In plaats van met rechthoekige coördinaten te werken kunnen we ook poolcoördinaten gebruiken (fig. 2). Zo verkrijgen we de cirkel van Newton. Het midden stemt overeen met wit en de spectraal zuivere kleuren liggen op de omtrek volgens hun golflengte. De verzadiging van de kleur is des te groter, naarmate ze verder van het midden gelegen is. De kleuren diametraal tegenover elkaar zijn complementair.

Techniek van de K.T.V.

In de K.T.V. moeten we dus het over te brengen beeld ontleden in de drie hoofdkleuren, hetgeen ons drie beelden geeft. Deze moeten worden doorgestuurd, vergezeld van de nodige gegevens, om in de ontvanger het oorspronkelijk beeld weer samen te stellen. De drie beelden, zo verkregen, zijn in feite zwartwit beelden, die uitgezonden worden, maar de zender voegt er een signaal bij, dat voor de ontvanger de kleur aanduidt, waarin ieder beeld moet verschijnen.

In de drukkunst worden de drie kleuren na elkaar aangebracht. In de K.T.V. kunnen de drie kleuren gelijktijdig of na elkaar gegeven worden. Er zijn dus gelijktijdige stelsels en achtereenvolgende of sequentiële. Het eenvoudigste systeem voor gelijktijdige overbrenging van de drie kleurenbeelden is voor elke kleur een zender te gebruiken en dan natuurlijk ook drie ontvangers, waarvan de beelden optisch over elkaar gebracht worden. Dit systeem is ver van economisch, neemt een te grote plaats in beslag in de ether en daarbij is het moeilijk, om bij de ontvangst de drie beelden juist op elkaar te doen passen. Dit systeem is verwezenlijkt door R.C.A. (Radio Corporation of America) voor experimentele doeleinden.

Dit is het eerste en lange tijd het enige systeem geweest voor gelijktijdige kleurenoverbrenging. Het systeem, dat tenslotte aangenomen is in de U.S.A., is ook gelijktijdig, maar totaal verschillend. Na die eerste proef van R.C.A. is men overgegaan naar de achtereenvolgende overbrenging van de drie kleurenbeelden.

Een systeem dat veel succes kende en om zijn eenvoud in het begin kans had, om aangenomen te worden is dat van C.B.S. (Columbia Broadcasting System).

[p. 357]

Een schijf met kleurfilters draait voor de lens van de camera op zo'n manier dat de beeldontleding geschiedt als volgt

beeld I	even lijnen rood
	oneven lijnen groen
beeld II	even lijnen groen
	oneven lijnen rood
beeld III	even lijnen blauw
	oneven lijnen groen

Bij de ontvanger draait voor de beeldbuis een gelijksoortige schijf volledig synchroon met die van de zender. In normale zwart-wit T.V. geschiedt de beeldaftasting met een snelheid van 50 halve beelden per seconde. Bij dezelfde snelheid zou men in K.T.V. 50: 3 = 16,66 maal per seconde een half kleurbeeld hebben en dat geeft een te sterke flikkering. Bij C.B.S. is men dus gedwongen geweest te werken met 72 beelden per seconde, of 144 halve beelden. Iedere kleur komt dan 48 maal per seconde aan de beurt, zodat het hinderlijk geflikker wordt vermeden. We zijn al ver af van de zwart-wit standaard en er zijn nog andere verschillen. De normale bandbreedte voor zwart-wit T.V. is in de U.S.A. 6 Mhz. C.B.S. is verplicht geweest, om zijn bandbreedte, die te groot was geworden door het verhogen van de beeldfrequentie, te verminderen en dit door de horizontale aftastfrequentie; d.i. het aantal lijnen, kleiner te maken. Van 525 lijnen kwamen ze op 405, met een overeenkomstig verlies aan scherpte. Een uitzending in kleuren volgens dit systeem kan met een gewone ontvanger in zwart-wit niet worden ontvangen.

Het tweede procédé, dat we hier bespreken is al een hele stap dichter bij het huidige. Het komt ook van R.C.A., werkt zuiver elektronisch en de kleuromschakeling geschiedt punt voor punt. Het beeld wordt opgenomen door drie camera's door één lens om steeds hetzelfde beeld op te nemen. Elke camera is voorzien van een filter, die alleen één hoofdkleur doorlaat. Door middel van een elektronische omschakelaar neemt men achtereenvolgens 3.800.000 maal per seconde het signaal af van elk der camera's. De duur van iedere aftapping is heel kort en geeft een impuls, waarvan de amplitude juist de intensiteit weergeeft van de kleur van dat bepaald punt, dat door de camera wordt afgetast. Die impulsen worden door een laagdoorlaatfilter gestuurd met afsnijfrequentie 2 MHz. Dit wil zeggen dat frequenties hoger dan 2 MHz. tegengehouden worden of ook dat men de details van het beeld tegenhoudt. De pulsen van elke camera zijn aldus vervormd tot sinusoïden, ze worden dan samengevoegd en het samengesteld signaal komt op elk ogenblik juist overeen met de amplitude van de impuls, die op dat ogenblik van een van de drie camera's wordt afgetapt. In de ontvanger werkt een gelijksoortige elektronische omschakelaar, gesynchroniseerd met de zender, die het ontvangen signaal verdeelt naar drie beeldbuizen of naar de driekleurenbuis, waarover verder meer. Elke kleur komt 7.000 maal per lijn aan de beurt. Door het tegenhouden van de frequenties hoger dan 2 MHz. zou het beeld veel aan scherpte verliezen, maar die hogere frequenties laat men niet verloren gaan; ze worden wel niet in de drie kleurkanalen verdeeld maar aan de drie tegelijkertijd toegevoegd. Hieruit volgt dat de details in zwart-wit en met volledige scherpte worden weergegeven. We weten immers, dat het oog die kleine details als zijnde gekleurd niet kan waarnemen.

Een nadeel van dit systeem is, dat het beeld gekorreld is: een gevolg van het

[p. 358]

samenvoegen van kleurpunten. Dit heeft men vermeden, door niet meer met samenvoeging van kleuren maar met aftrekking te werken. Een zwart-wit signaal met volledige bandbreedte wordt uitgezonden met daarbij, op dezelfde manier als hierboven, signalen van de drie camera's, die, om de gewenste kleur te verkrijgen, van het zwart-wit signaal moeten worden afgetrokken.

Meer gevorderd en nog origineler is het systeem van G.E.C. (General Electric Company). Het voorgesteld systeem is gebaseerd op het feit, dat het frequentiespectrum, uitgezonden door een T.V. zender, samengesteld is uit componenten, die gegroepeerd zijn rond de harmonischen van de lijnfrequentie, buiten de onmiddellijke omgeving van de eigenlijke draaggolffrequentie. Berekeningen tonen aan dat 46% van de door een T.V. zender in beslag genomen frequentieband niet gebruikt wordt. Uitgaand van die lijnfrequentie wordt een nieuwe draaggolf opgewekt, die kan gemoduleerd worden en die in de niet gebruikte plaatsen terecht komt zodat de rest niet beïnvloed wordt.

Proeven hebben getoond dat voor blauw een bandbreedte van 0,5 MHz. voldoet en 1 MHz. voor rood. Dit wil zeggen dat het niet nodig is scherpe details te geven in die kleuren, het oog ziet ze toch niet. Zo wordt in dit systeem de groene kleur doorgegeven als een zwart-wit signaal met in de vrijgebleven plaatsen op twee hulpdraaggolven, de rode en de blauwe kleurbeelden. Om een te groene kleur te verhinderen, worden de hoogste frequenties van het groene videosignaal ook in de twee andere kanalen gestuurd, wat weer eens de fijnste details in zwart-wit geeft.

Vooraleer het laatste systeem te beschrijven is het passend, om nu de driekleurenkathodestraalbuis te bespreken. Voor deze buis bestond moest elke kleurontvanger drie kathodestraalbuizen hebben, waarvoor dan filters geplaatst waren of waarvan de fluorescerende laag reeds gekleurd licht gaf. Optisch werden dan de drie beelden op elkaar gebracht.

In de nieuwe buis nu zijn drie elektronen-kanonnen ingebouwd, een voor elke hoofdkleur. De drie kanonnen hebben niet dezelfde richting. Vlak voor het scherm is een rooster geplaatst met heel kleine gaatjes, waardoor de elektronenbundels gaan, maar, door hun verschillende richting, botsen ze op verschillende plaatsen op het scherm. Het scherm nu is zo gemaakt dat voor ieder roostergaatje er drie puntjes zijn met lichtgevende stof, voor elke hoofdkleur één. Elektronen komende uit bijvoorbeeld het kanon dat de signalen voor de groene kleur krijgt, kunnen alleen maar op de groene puntjes terecht komen. Het spreekt van zelf dat de fabrikatie van deze buis heel moeilijk is en de kostprijs evenredig. Om tot een definitief aanneembaar systeem te komen, waardoor zowel een kleuren- als een zwart-wit-projectie kan worden ontvangen, werd in de U.S.A. het National Television System Committee (N.T.S.C.) gesticht. Het N.T.S.C. verenigde verschillende grote laboratoria uit de industrie en van de universiteiten. Het K.T.V. systeem dat uit deze samenwerking ontstaan is, is nu officieel aangenomen in de U.S.A.

Wij hebben gezien, dat om een bevredigend beeld in kleuren op te nemen, het voldoende is om voor grote oppervlakken kleur, verzadiging en helderheid door te sturen; voor kleine oppervlakjes hetzelfde maar beperkt tot twee kleuren; voor kleine details alleen de helderheid.

Keren we nog even terug tot de eigenschappen van ons oog. Veronderstellen we een plaat met de drie hoofdkleuren, elk met dezelfde intensiteit. Voor ons oog is de helderheid niet dezelfde. Het groen schijnt ongeveer twee keer meer

[p. 359]

helderheid te hebben dan het rood en ongeveer zes maal meer dan het blauw. Om wit te verkrijgen moeten we de kleuren mengen in de volgende verhouding:

Y = 0,59 G + 0,30 R + 0,11 B

Door deze vergelijking zien we, dat het niet nodig is, wit afzonderlijk door te zenden, indien we de drie kleuren in die verhouding doorgeven. Omgekeerd zien we ook dat, als we de helderheid Y (dus van een zwart-wit signaal) geven, er enkel nog kleurverschillen aan toegevoegd moeten worden; deze zijn G-Y, R-Y, B-Y. In een ontvanger is het voldoende om de doorgegeven Y op te tellen bij de kleurverschillen om de oorspronkelijke kleur te verkrijgen. We zien ook dat het zelfs niet nodig is drie kleurverschillen te geven daar we uit Y en twee gegeven kleurverschillen het derde kunnen halen. Het niet uitgezonden kleurverschil is G-Y.

Het helderheidssignaal Y wordt gewoon als een zwart-wit signaal uitgezonden en kan dus ook op een zwart-wit ontvanger ontvangen worden, wat het systeem verenigbaar maakt. Voor de kleurontvangers moeten nog twee signalen bijgegeven worden die de kleurverschillen vertegenwoordigen. Op het eerste gezicht zouden we hier weer beroep moeten doen op twee hulpdraaggolven. In het N.T.S.C. systeem is dit op een zeer handige manier vermeden. De kleur is gebonden aan de fase van één hulpdraaggolf, terwijl de amplitude ervan de verzadiging geeft (fig. 3).

Fig. 3

Als bijvoorbeeld alleen B-Y doorgegeven wordt, zien we dat de fase 180° zal gedraaid zijn ten opzichte van de referentielijn. Alle kleuren komen overeen met een fasehoek. Hierin worden alle kleursignalen met dezelfde bandbreedte gegeven, dus met dezelfde scherpte. Voor ons oog is dat niet nodig. Ondervinding heeft geleerd dat voor kleuren, gelegen op de as oranje-cyaan, de bandbreedte slechts 1,5 MHz. hoeft te zijn en voor de as loodrecht er op, slechts 0,5 MHz. Die eerste as werd als referentie-as voor de fase genomen en de indicatie I werd er aan gegeven (In fase); de andere as, loodrecht op de I-as wordt de Q-as genoemd (Quadrature). De Q-as verbindt het violet met het geelgroen. Dus de twee signalen voor de kleurverschillen zijn vervangen door de I-Q signalen, die niet meer overeenstemmen met een hoofdkleur, maar het voordeel heb-

[p. 360]

ben dat ze meer rekening houden met de gevoeligheid van ons oog. De twee signalen I en Q worden samen gemoduleerd, met een faseverschil van 90°, op de hulpdraaggolf, zodanig dat ze samen één modulatie geven voor de kleur, modulatie waarvan amplitude en fase veranderen respectievelijk volgens verzadiging en kleur. De hulpdraaggolf zelf wordt onderdrukt (suppressed carrier) en alleen de zijbanden worden uitgezonden, dit om interferentie met de klankdraaggolf, die er dicht bij zit, te vermijden. Deze interferentie zou zichtbaar worden als een reeks horizontale strepen. Ook nog wordt die hulpdraaggolf onderdrukt, om de ontvangst op zwart-wit ontvangers te vergemakkelijken. Om in de ontvanger een juist gekleurd beeld te zien, is het niet voldoende, dat een kleurindicatie uitgezonden wordt. Er moet ook een kleursynchronisatie ontstaan, dus moeten er kleursynchronisatiesignalen uitgezonden worden. In dit geval moet de ontvanger van de zender een referentie krijgen voor de fase. Bij de ontvangst worden de I-Q-signalen gedetekteerd volgens een systeem van synchrone detektie. Hiervoor is een oscillator nodig, die juist dezelfde frequentie heeft als de hulpdraaggolf en dus ermee moet gesynchroniseerd zijn. Iedere impuls voor de lijnsynchronisatie heeft voor en achter zich een klein stukje ‘zwart-signaal’. Op dit achterste stukje worden bij de zender enkele perioden geplaatst van een oscillator, die gelijk loopt met de hulpdraaggolf. In de ontvanger worden die afgezonderd, om de lokale oscillator voor de synchrone detektie te synchroniseren.

Verspreiding van de K.T.V.

Hoe staat het nu met de verspreiding van de K.T.V.? In juni 1956 waren er in de U.S.A., het T.V. land bij uitstek, 35.000.000 zwart-wit ontvangers tegen 25.000 K.T.V. ontvangers.

R.C.A. maakte toen 30.000 toestellen per maand; ze kostten 800 dollar en er wordt gerekend op jaarlijkse onkosten van 100 dollar per toestel. Programma's worden uitgezonden door

N.B.C. 40 uur per maand
B.B.S. 10 uur per maand
A.B.C. niets

Deze drie zijn de grootste omroepmaatschappijen van de U.S.A.

De kostprijs voor de uitzending wordt geschat op 250.000 dollar per half uur.