Tsvetovye iskazheniya v televidenii i metody ikh umen'sheniya

Abstract

Shows the sources of color distortions in the body-color vision, and that the chromaticity coordinates, which are located inside the triangle color gamut screen television may play colorimetrihesky exactly, ie without color distortion. We propose a method for implementing a television system with a colorimetric ion accurately reproduced color images.

Full Text

Введение С 1967 г. в нашей стране ведутся регулярные цветные ТВ-передачи. За этот период техника цветного ТВ широко шагнула в перед. Цветные трехлучевые кинескопы ТВ-приемников заменили панели на жидких кристаллах и плазме. Яркость и контрастность цветного ТВ-изображения значительно превосходит эти же параметры у цветных кинескопов. Снята проблема сведения лучей, присущая трехлучевому кинескопу. Качество цветного изображения стало значительно лучше, а с полным переходом на цифровое цветное ТВ-вещание качество цветной репродукции повысится еще больше. Но разнообразие устройств, на основе которых построены современные экраны ТВ-приемников, приводит к цветовым различиям воспроизводимых на различных приемниках. Покажем, каким образом можно получить колориметрически точные воспроизведения цвета на экране ТВ-приемника. Искажение цвета в телевидении Для уменьшения цветовых искажений, особенно в области «белых цветов», в ТВ-систе-мах осуществляется балансировка камерного канала под «опорный» белый цвет. Суть этой балансировки заключается в следующем. При передаче «опорного» белого цвета камерный канал настраивается так, что цветовые сигналы трехцветной ТВ-камеры были бы равны между собой и составляли значения, равные единице. При этом экран ТВ-приемника должен воспроизвести цветность «опорного» белого. Источники «опорного» белого для разных стандартов несколько различаются. В нашей стране принят европейский стандарт, который предполагает стандартный источник D6500 с координатами цветности X = 0,313 и y = 0,329 [1]. Указанные настройки камерного канала осуществляют устройства, называемые цвето-корректорами камерного канала. Недостаток такой системы заключается в том, что происходит точное цветовоспроизведение только одной цветности, равной цветности «опорного» белого, а остальные цвета воспроизводятся с ошибками. Известно, что сигналы трехцветной ТВ-ка-меры определяются согласно следующему выражению 780 Ut =Kt \Е(1)-р(А)-0ХА)дЛ, (1) где i = R,G,B; К. - коэффициент передачи цветного канала датчика; EIA) - спектральное распределение энергии источника освещения; р(А) - спектральная характеристика отражения объекта; ^(-Я) - спектральная характеристика чувствительности i канала ТВ-камеры. Для расчетов цветовых искажений была разработана компьютерная программа, моделирующая процесс передачи и воспроизведения цвета в ТВ «от света до света» [4]. Балансировка экрана ТВ-приемника под «опорный белый» в разработанной программе производилась в соответствии со следующими формулами: (2) где Хц >Уи > Zr ^XG,yG,ZGXR іУв j координаты цветности вершин треугольника цветового охвата (основных цветов) экрана; x0,y0,z0- координаты цветности «опорного белого»; KR,KG,KB - коэффициенты передачи усилителей видеосигналов R, G и В ТВ-приемника. Очевидно, что спектр воспроизведенной цветности на экране ТВ-приемника «опорного белого» (в нашем случае это цветность источника D6500) не будет равен спектру стандартного источника, который освещает ТВ-камеру. В этом случае эти два излучения (передаваемый источник и его изображение на экране) являются метамерами и воспринимаются глазом как источники одинаковой цветности [4]. Для определения цветности, воспроизводимой на экране ТВ-приемни-ка, в программе были использованы следующие выражения [5]: Xr xG хв -1 *0 Ка = Ув yG Ув Уо Кв. -ZR ZG ZB _ -Z0_ X XR Xq Xg U, Y = Ув Ус Ув ■ Uc Z _ZR ZG ZB _ Fi 380 (3) где X, Y, Z - координаты цвета в системе МКО 1931 г. (X, y); xR,yR,zR,xG,yG,zGxB,yB,zB -по-прежнему координаты цветности основных цветов экрана ТВ-приемника; UR,UG,UB -значения величин видеосигнала, определенные согласно (1). Из (3) легко определяются координаты цветности изображения на экране ТВ-приемника: X Y X = X + Y + Z \У = X + Y + Z (4) «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 84 Ложкин Л. Д., Кононенко А.В., Вороной А. А. Из (3)-(4) видно, что цвет (а значит, и цветность, воспроизводимая на экране ТВ-прием-ника) зависит от координат вершин основных цветов экрана. Поскольку в настоящее время существуют несколько типов устройств, на основе которых изготовляются ТВ-экраны, с помощью разработанной программы были рассчитаны ожидаемые цветовые искажения в системе «от света до света» при идеальной ТВ-камере со следующими экранами: - жидкокристаллическая панель, с освещением белыми светодиодами; - жидкокристаллическая панель, с освещением полноцветными светодиодами; - с освещением люминесцентной лампой; - прибор, использующий люминофоры (стандарт NTSC); - экран с максимальным цветовым охватом (лазерный). На рис. 1 приведены треугольники основных цветов современных экранов ТВ-приемников. На рис. 2 для примера приведены результаты расчетов цветовых искажений, при воспроизведении на экране стандарта EC. Поясним рис. 2: точки с числами от 1 до 17 обозначают исходные цвета, оптические спектры которых были предварительно подобраны так, чтобы координаты цветности находились в различных участках цветового локуса. От этих точек проведены штриховые линии к точкам цветности, которые воспроизводятся на экране ТВ-при-емника. Рис. 1. Цветовой охват NTSC, кинескопа, плазменной панели и ЖК 520 г "S'1- \ Ч 11 / І* і 3 \ V 5S0 1 І Ш j 7 H Ч » 17 g 600 >\ 620 і 10 fr -Г а ^ 730- 730 \ J It j ,4 У* * 1 ьУ п X Рис. 2. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на экран, имеющий прибор с использованием люминофоров (кинескоп) Результаты вычислений даны в более привычной системе координат МКО 1931 г. (x, y), но, тем не менее, разработанная программа позволяет производить расчеты и в равноконтрастной системе координат МКО 1960 г. (u, v). В обоих случаях расчетов в выходную таблицу результаты даются в двух системах координат. 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны, в нм Рис. 3. Кривые сложения цветов в системе XYZ МКО при источнике Е. Яркостные коэффициенты LX: Ly: Lz = 0: 1 : 0 [1] Спектральная характеристика чувствительности каналов R, G и B ТВ-камеры, в расчетах принималось три варианта: а) спектральные характеристики чувствительности каналов R, G и B ТВ-камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 Ложкин Л. Д., Кононенко А.В., Вороной А.А. 85 МКО 1931 г. (x, y, z), изображенных на рис. 3. На практике такие ТВ-камеры (будем называть их идеальными) не применяются ввиду сложности получения двугорбой кривой спектральной характеристики чувствительности; б) спектральные характеристики чувствительности каналов R, G и B ТВ-камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы МКО 1931 г. (x, y, z), причем для зеленого канала кривая совпадает с кривой у(Л), для синего - z(Ä), а кривая красного канала R совпадает с кривой, предложенной Д. А. Шкловером, которая является одногорбой и определяется согласно [6]: х^(л) = 0,833 • х(л)+0,333 • у(л)~ 0,167 • г(л) в) - то же самое, что и предыдущий вариант б), но кривая красного канала совпадает с частью кривой х(Л) - см. рис. 4. Сеней Зеленый Красный 400 500 600 700 Длнна волны (нм) Рис. 4. Спектральная характеристика чувствительности «реальной» ТВ-камеры [2] Итак, нами показано, что координаты воспроизводимой цветности на экране ТВ-приемника зависят от цветового охвата экрана, а значит, цветовые искажения телевизионного изображения будут различны в зависимости от типа экрана телевизора. И только одна цветность воспроизводится в телевидении без искажений - эта цветность «опорного» белого. Колориметрически точное цветовоспроизведения в ТВ Профессор Н.Д. Нюберг в 1948 г. предложил использовать три понятия точности воспроизведения цвета [8]. Роберт Хант дал академическое определение возможных уровней цветовоспроизведения [9]: - спектральное цветовоспроизведение; - колориметрическое цветовоспроизведение; - точное цветовоспроизведение; - эквивалентное цветовоспроизведение; - согласованное цветовоспроизведение; - выделенное цветовоспроизведение. Из шести определений, сформулированных Р. Хантом, остановимся на втором, а именно «Колориметрическое цветовоспроизведение». Колориметрическое цветовоспроизведение (colorimetric color reproduction) определяется метамерным соответствием репродукции оригинальному изображению, при котором оба имеют одинаковые CIE-трехстимульные значения. Итогом является воспроизведение по восприятию, но только в тех случаях, когда оригинал и его репродукция имеют одинаковый размер, окружение и рассматриваются при свете источников с одинаковыми спектральным распределением энергии и фотометрической яркостью. Однако автор [10] не считает равенство яркости обязательным требованием колориметрического цветовоспроизведения. В существующей телевизионной системе ТВ трехцветная камера формирует три видеосигнала, которые некоторым образом кодируются и передаются на ТВ-приемник. Но, по сути, сама ТВ-камера является прибором для измерения цвета (колориметром) параллельного действия. Поэтому можно считать видеосигналы видеокамеры пропорциональными координатам цвета. Тогда необходимые значения видеосигнала можно определить из матричного уравнения (3), а именно: ~ил~ xR xG Хд -1 ~х UG - Ук Уо Ув • Y • (5) Рв_ ZR ZG ZB_ Z Из (5) следует, что для воспроизведения цвета с координатами X, Y, Z необходимы видеосигналы ^R ’ UG и Uв, а значит, и координаты цветности в соответствии с (4). При расчете величин видеосигналов UR,UG,Ug для передаваемых цветов, цветности которых находятся за пределами цветового охвата экрана ТВ-приемника, будет иметь место отрицательное значение величин видеосигнала, и, чтобы избежать этого, необходимо приравнять отрицательные значению нулю. На рис. 5 показаны цветовые искажения при использовании идеальной цветной трехцветной камеры, а в ТВ-приемнике в качестве экрана применен тот же кинескоп стандарта ЕС. Обозначения на рис. 5 те же, что и на рис. 2. Как видно из рис. 2, цветности, находящиеся внутри цветового треугольника основных цветов экрана ТВ-приемника, оригинала изображения совпадают с воспроизводимым изображением на экране ТВ- «Инфокоммуникационные технологии» Том 12, № 4, 2014 86 Ложкин Л. Д., Кононенко А.В., Вороной А. А. приемника. Остальные координаты воспроизводимых цветов (за пределами треугольника цветового охвата) находятся на наиболее кратчайшем расстоянии от стороны треугольника основных цветов экрана ТВ-приемника. \ \ ;20 ґ \ А \ я * Vi А. и "У 3 \ Visio ч • ff « Гб 600 \ 620 „ J 1 ' V 71 * Г ✓* 730- \ а) \ 9 *16 1 \ 47 V \ 380ОД ОД ОД і Рис. 5. Цветовые искажения в ТВ-системе, полученные путем передачи сигналов цвета и воспроизведенные на экране, имеющей прибор с люминофорами (кинескоп стандарт EC) На рис. 6 показана добавляемая схема: принятый сигнал с ТВ-центра поступает на первый вход вычислительного устройства (1), на второй вход этого устройства поступают из постоянного запоминающего устройства (2) девять величин обратной матрицы, приведенной в выражении (5). Значения этих коэффициентов определяются единожды и зависят от типа экрана ТВ-приемни-ка, а еще лучше однажды измеренные координаты цветности основных цветов для конкретного ТВ-экрана и расчета коэффициентов обратной матрицы. В вычислительном устройстве происходит вычисления величин видеосигналов UR,UG,UB для воспроизведения на экране цвета с координатами X, Y, Z. В вычислительном устройстве (1) должна быть использована простая логика, а именно: если значение любого вычисленного значения ur,ug,ub меньше 0, то его значение приравнивается 0. Выше было сказано, что практическая реализация двугорбой кривой спектральной чувствительности затруднена, и на практике гораздо легче реализовать одногорбую кривую спектральной характеристики чувствительности, например с кривой, предложенной Д А. Шкловером, в этом случае будем иметь искаженные координаты цвета на определенную величину. Обычно измерение координат цветности с помощью классического колориметра параллельного действия (в нашем случае мы предложили считать трехцветную ТВ-камеру именно таким прибором) производится с точностью ±(0,01...0,05), что составляет в пределах от 1,75 до 8,7 порогов Мак Адама. Необходимо также учесть, что согласно [7] допустимые отклонения координат цветности основных цветов составляют ±0,01, что также приводит к дополнительным цветовым искажениям порядка двух порогов Мак Адама. Заключение Показано, что практически можно значительно уменьшить цветовые искажение в ТВ, при этом упрощается схема камерного канала телецентра, но повышаются требования к спектральным характеристикам чувствительности самой трехцветной ТВ-камеры. Также должны быть повышены требования на уменьшение разброса координат цветности однотипных ТВ-экранов при их массовом изготовлении либо их измерении с точностью рекомендованных ГОСТом. При этом незначительно усложняется схема самого ТВ-приемника.