3.2. Формирование цветных изображений в визуализаторах
В основу формирования цветного изображения в визуализаторах положен метод аддитивного смешения цветов. В соответствии с теорией трехкомпонентного световосприятия, используя смешение трех основных цветов (R, G, B), можно получить требуемую гамму цветовых оттенков.
Три цвета – красный (R – Red), зеленый (G – Green), синий (B – Blue) – являются основными, т.к. ни один из них нельзя получить смешением (суммированием) двух других.
Согласно третьему закону Грассмана (закон аддитивности) любой цвет может быть получен смешением основных в определенных пропорциях:
C = kR ∙R + kG G + kB ∙B,
где kR, kG, kB – коэффициенты, указывающие, в каких количествах следует смешать излучения трех основных цветов, чтобы получить нужный цвет.
Соответственно, способ образования цвета путем смешения трех основных цветов называют аддитивным.
Аддитивное смешение цветов может осуществляться тремя основными способами: пространственным, оптическим параллельным, оптическим последовательным.
Наиболее распространен пространственный способ. В этом случае элемент изображения – пиксель (Pixel = Picture Element) состоит из нескольких элементов (точек, полосок, квадратов) различных цветов: красного (R), зеленого (G), синего (B). При наблюдении с определенной дистанции эти элементы сливаются и наблюдатель видит единый пиксель произвольного цвета. В качестве примера на рис. 3.2 приведено расположение цветных точек при пространственном способе смешения цветов.
Достоинством пространственного способа смешения цветов является оптимальное соотношение «сложность технической реализации (цена)/качество выводимого изображения».
Рис. 3.2. Расположение цветных точек при пространственном способе смешения цветов
Недостатком является то, что эффективная яркость составляет от 20 до 30 % максимальной.
Способ используется в мониторах.
Схема оптического параллельного смешения цветов приведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Оптическое параллельное смешение
При этом способе смешения изображения в каждом из основных цветов формируются на специальных промежуточных полях (матрицах) с последующим их совмещением с помощью оптической системы на экране (на рис. 3.3 система совмещения не показана). Данный способ наиболее эффективен и применяется в высококачественных проекционных системах на основе ЭЛТ, трехматричных полисиликоновых, DLP-, LCOS-проекторах.
Способ имеет следующие достоинства:
1) возможность раздельной регулировки яркости и насыщенности каждого цвета независимо друг от друга, что позволяет достичь высокого качества цвета и яркости выводимых изображений;
2) обеспечивается менее напряженный тепловой режим работы матриц, которые формируют монохромные R-, G-, B-изображения.
Способ имеет следующие недостатки.
1) требуется очень точная юстировка всех элементов оптической системы совмещения монохромных изображений, что существенно удорожает изделие;
2) необходимо преобразование видеосигнала, описывающего состояние монитора, в последовательность загрузок для формирователей монохромных R-, G-, B-изображений;
3) техническая реализация имеет большую массу, размеры и цену.
Оптическое последовательное смешение цветов осуществляется последовательной сменой изображений трех основных цветов, формируемых последовательно на устройстве формирования монохромного изображения. На рис. 3.4 приведена схема простейшего одноматричного DLP-проектора, использующего последовательное смешение цветов. Цветное изображение в данном устройстве формируется путем последовательного отображения на экране трех быстро повторяющихся монохромных изображений: красного, зеленого и синего цветов. Благодаря инерционности человеческого зрения при достаточно высокой частоте смены монохромных кадров смена кадров будет незаметна. Монохромные кадры формируются путем последовательного освещения устройства формирования изображения лучом красного, зеленого и синего цвета. Луч каждого цвета образуется за счет пропускания света проекционной лампы через вращающийся диск с красным, зеленым и синим светофильтрами. Управление устройством формирования изображения осуществляется синхронно с вращением диска.
В ряде современных реализаций оптического последовательного смешения цветов (одноматричные DLP-проекторы) вместо диска используется барабан, внутри которого помещается источник света.
Рис. 3.4. Оптическая схема последовательного смешения светов: 1 – источник света – проекционная лампа; 2 – вращающийся диск с цветными светофильтрами; 3 – устройство формирования изображения; 4 – оптическая система, фокусирующая и выравнивающая световой поток; 5 – объектив; 6 – экран
Последовательное цветосмешение имеет следующие достоинства:
1) простая и дешевая техническая реализация;
2) малые габариты и вес устройств визуализации, использующих данный метод цветосмешения.
Последовательное цветосмешение имеет следующие недостатки:
1) невозможно обеспечить раздельную регулировку яркости и насыщенности выводимого изображения: увеличение яркости ведет к снижению насыщенности, и наоборот;
2) снижает максимальную яркость в 3 раза;
3) смещает цвет в сторону желтого цвета;
4) может иметь место мелькание кадров. Чтобы его избежать необходимо повышение скорости вращения диска со светофильтрами, что усложняет схему управления формирователем изображения.
Данное цветосмешение используется в портативных проекторах.