книги из ГПНТБ / Кривошеев М.И. Световые измерения в телевидении

pa. Снятые показания приводятся к определенной исходной цвет­ ности системы .колориметра. За исходную цветность обычно 'прини­ мается цветность источника, используемого при измерениях цветов несамосветящнхся предметов. Цвет этого источника измеряется с помощью колориметра, и полученные показания трех шкал прибо­ ра принимаются за единичные значения соответствующих цветовых координат. Пусть при измерении цвета источника получены вели­ чины /\,„ 3„ и С„, а при измерении некоторого другого цвета пока­ зания шкал будут Кц, З ц , Сп . Тогда цветовые координаты этого цвета:

Легко видеть, что для исходного цвета И цветовые координаты К, 3 и С равны единицам, как и должно быть.

Практические приборы содержат элементы, служащие для обес­ печения лучшего перемешивания световых потоков, создания тем­ ного или светлого с желаемым цветом фона, окружающего полесравнения, и т. д. Оптическая схема прибора предусматривает также возможность переноса каждого из основных цветов на изме­ ряемую половину поля сравнения, как показано штриховыми ли­ ниями на рис. 3.1. Это нужно при измерении большинства высоко­ насыщенных цветов, имеющих в системе колориметра отрица­ тельные цветовые координаты.

уменьшения этого разброса служит предварительная установка на исходный цвет каждым наблюдателем, т. е. коэффициенты /Сш Зл, С„ в (3.1) для каждого наблюдателя свои. Разброс результатов для разных наблюдателей будет меньше при уменьшении цветового треугольника системы колориметра. Так, если колориметр предна­ значается для измерения цветов на экране приемной трубки, то цветовой треугольник колориметра не следует брать намного боль­ ше цветового треугольника цветовой системы телевизионного при­ емника.

Результаты измерений для одного и того же наблюдателя так­ же будут различаться из-за ограниченной цветовой чувствительно­ сти глаза и состояния наблюдателя. Для повышения точности из­ мерений обычно при каждом измерении выполняется несколько уравниваний (обычно 5-4-10) и берутся средние значения показа­ ний. Между измерениями различных цветов наблюдатель дает своим глазам отдых.

Наряду с аддитивными колориметрами, использующими смеше­ ние (сложение) цветов, существуют визуальные субтрактивные ко­ лориметры, в 'которых осуществляется «вычитание» цветов. В ісуб-

— 60 —

трактивном колориметре зрительное уравнивание с цветом образца достигается благодаря помещению на пути света от источника к нолю сравнения трех светофильтров последовательно. Величина из­ бирательного поглощения света каждым из этих светофильтров может регулироваться при изменении его оптической плотности.

Субтрактнвиые колориметры играют в колориметрии гораздо меньшую роль, чем аддитивные. Одной из главных причин этого является то, что расчет цвета в субтрактивном колориметре, если нужно перейти от обозначений, используемых в данном приборе, к международным цветовым системам, значительно сложнее, чем в аддитивном. Но конструкция субтрактивного прибора гораздо про­ ще. Здесь не нужно разделения светового потока от источнкиа на три части. Последовательное вычитание выполняется с помощью трех светофильтров в виде клиньев. При перемещении клина ме­ няется его толщина в месте прохождения через него пучка света, а следовательно, и оптическая плотность.

Спектральные области поглощения различных фильтров пере­ крываются, поэтому независимое изменение количеств вычитаемых цветов делается невозможным. Вследствие этого градуировка субтрактивного прибора весьма трудоемка и может быть выполне­ на путем многих расчетов или измерений цветов излучений, прохо­ дящих через различные комбинации положений клиньев.

3.3.ЦВЕТОВЫЕ АТЛАСЫ

Кметодам визуальной колориметрии относится также измере­ ние цвета путем сравнения его с заранее заготовленными извест­ ными образцами и подбора наиболее близкого по цвету образца. Эти образцы изготавливаются обычно в виде кусков окрашенной бумаги. Достаточно большой набор таких образцов образует цве­

товой атлас. Цвета атласа располагаются в систематизированном по определенным признакам порядке и имеют обозначения (нуме­ рацию) в соответствии с этим порядком. Обычно все цвета атласа заранее измеряются, и в атласе приводятся их координаты цвет­ ности при определенном освещении.

В СССР применяется атлас Е. Б. Рабкина и атлас, разработан­ ный во ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева. Атлас Е. Б. Раб­

равностороннего треугольника. В вершине каждого треугольника расположена выкраска с цветом максимальной насыщенности. Го­ ризонтальные ряды выкрасок характеризуются одинаковой чисто­ той цвета, понижающейся по мере приближения к основанию тре­

бранными по закону Вебера—Фехнера. Всего в каждой таблице имеется 10 нейтральных (ахроматических) выкрасок. В атласе при-

— 61 —

ведены таблицы координат цветности х, у для цветов выкрасок при освещении их излучением с равноэнергетическим спектром.

За рубежом наиболее распространены цветовые атласы Ост­ вальда п Манселла. Атлас Манселла, широко используемый в США, был первоначально изготовлен художником А. Манселлом в начале XX в. Для обозначения признаков цвета в системе Мансел­ ла используются названия «оттенок» (hue), «хрома» (chroma) и «количество» (value), которые характеризуют субъективные при­ знаки: цветовой тон, насыщенность и светлоту соответственно.

Количество цвета делится на 10 ступеней от нуля (идеальное черное-нулевое отражение) до 10 (идеальное белое — отражение 100%). Коэффициент яркости для каждого уровня определяется квадратичной шкалой; так, для уровня / коэффициент равен 0,01, для уровня 2—0,04 и т. д., наконец, для уровня 9 коэффициент яр­ кости равен 0,81. На каждом уровне количества цвета можно пред­ ставить себе группу кругов оттенка, причем светлота всех цветов

водной группе одинакова.

Всистеме Манселла цвет обозначается при последовательном задании его оттенка, количества и хромы. Так, цвет с обозначени­

ем 6 RP4/8 имеет красно-пурпурный оттенок 6RP, количество 4 и хрому 8.

Набор цветных образцов выполняется обычно в форме атласа выкрасок, сделанных печатными красками и повторяющих перво­ начальные выкраски А. Манселла, сделанные им от руки. Располо­ жение образцов в системе Манселла как по оттенку, так и по хро­ ме выбиралось им как равномерное по восприятию цветности, и в настоящее время считается достаточно равномерным в этом отно­ шении.

Привлекательным достоинством применения цветовых атласов является простота. Но применимость этого метода ограничена не­ достаточной точностью, обусловленной, во-первых, дискретным ха­ рактером измерения и, во-вторых, возможным различием спект­ рального состава источников освещения, при которых производится измерение и будет наблюдаться предмет.

Измерение цвета с помощью цветовых атласов может выпол­ няться в случаях, когда не требуется большой точности и 1в то же время важно выполнять измерение быстро и просто. Так, напри­ мер, этот метод используется в телевизионных студиях при изме­ рениях, связанных с подбором декораций,, костюмов и т. д., т. е. с подготовкой сцены к передаче.

— 62 —

3.4. СПЕКТРОФОТОМЕТРИРОВАНИЕ (КОСВЕННАЯ КОЛОРИМЕТРИЯ)

При измерении цвета путем 'шектрофотометрирования измеря­ ется спектральное распределение излучения, создающего измеряе­ мый цвет. После этого координаты цвета рассчитываются при по­ мощи известных кривых сложения (см. разд. 1.6). Для самосветя­ щихся предметов измеряется непосредственно 'спектральное распре­ деление излучения, а для несамоеветящихся—спектральное отра­ жение или пропускание отражающих или пропускающих свет пред­ метов соответственно. В этом случае при расчете цветовых коорди­ нат учитывается известное заранее спектральное распределение излучения одного 'из стандартных и с т о м к а в -света.

Расчет цветовых координат в стандартной .колориметричеокой системе МКО XYZ для цвета отражающего образца выполняется по формулам вида (1.52):

760 нм 760 нм 760 нм

При практических расчетах интегрирование по (3.2) заменяет­ ся суммированием соответствующих произведений для ряда зна­ чений длин волн, т. е.

координаты будут иметь относительный характер. Во многих слу­ чаях, «огда целью расчета является определение координат цвет­ ности, этого достаточно. Поэтому общий множитель в (3.3) можно опустить. Когда же интерес представляет абсолютная количест­ венная мера цветов, то обычно измеряется его яркость.

Примерный расчет цветовых координат по (3.3) иллюстрирует­ ся рис. 3.2. Рассчитываются цветовые координаты и координаты цветности цвета стандартного источника света типа А со спектраль­ ным распределением энергии излучения 1а, после отражения от образца со спектральным отражением р я . Результирующее спект­ ральное распределение 'Интенсивности излучения после отражения

под полученными в результате этого перемножения кривыми про­ порциональны соответствующим цветовым координатам X, У и Z.

— 63 —

т. е. для цветов этих источников после отражения света от непро­ зрачных предметов или прохождения его через прозрачные среды,

раз. В самом деле, если / — спектральное распределение излуче­ ния стандартного источника, то в произведениях, входящих в (3.3),

ков А, В и С, рассчитанные заранее для ряда значений длин волн приводятся в виде таблиц.

— 64 —

Поскольку абсолютные значения цветовых координат в боль­ шинстве случаев не представляют интереса, то множитель k в (3.5) при нахождении табличных значений произведений выбирается обычно таким, чтобы сумма произведений У %1% равнялась 100. В этом случае рассчитанная величина координаты Y, как видно из (1.22), дает сразу коэффициент отражения или пропускания пред­ мета в процентах. В противном случае этот коэффициент, когда он нужен, пришлось бы рассчитывать дополнительно.

Расчет по (3.3) цветовых координат того же цвета, что и в пре­ дыдущем примере проиллюстрирован рис. 3.3. Спектральная ха­ рактеристика отражения поординатно перемножается с тремя кри­

я, дает коэффициент отражения, равный 31,6%.

Поиск путей дальнейшего упрощения процедуры расчета цвето­ вых координат по спектральным характеристикам отражения или пропускания при стандартных источниках света приводит к спосо­

не через равные промежутки М , как при расчетах по (3.3), а сде­ лать интервал АЛ переменным, то можно подобрать его значения по спектру таким образом, чтобы величины произведений, напри­ мер, XjIX были все одинаковыми. Тогда 'расчетные формулы для источника А примут вид:

ченных трёх величин умножается на свой множитель, так как вели­

А'а*

700Л,нм ' WO 50D SOO 70ОЛ,нм

ZIA

2 ~

1 -

0

WO SOO SOO 700Л,нм WO 500 SOO 700Л,нм

Рис. 3.3. К расчету цветовых координат по спектральной характеристике отражения образца при учете спектрального распределения излучения ис­ точника путем видоизменения кривых сложения

калия) и требуемой точности расчета. Разбиение выполняется та­ гам образом, чтобы площади участков под каждой из кривых XI, YI и ZI, ограниченные разделяющими ординатами, были одинако­ выми для каждой кривой. После этого в качестве значений «из­ бранных» длин волн берутся значения, соответствующие ордина­ там, которые делят эти площади пополам.

— 66 —

3.5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛОРИМЕТРЫ

Фотоэлектрический колориметр представляет собой цветоанализирующее устройство, аналогичное по принципу действия передаю­ щей телевизионной камере цветного телевидения. При помощи фо­ тоэлектрического колориметра измеряют значения трех цветовых координат цвета в некоторой цветовой координатной системе. Для этого колориметр имеет в общем случае три канала, в которых реализуются кривые спектральной чувствительности, совпадающие с кривыми сложения цветовой координатной системы, выбранной для колориметра, например, системы МКО XYZ.

В качестве светоэлектрических преобразователей в колоримет­ рах применяются фотоэлементы, ФЭУ или фотодиоды. Все сооб­ ражения о применимости этих преобразователей в яркомерах (см. разд. 2.4) справедливы и в отношении колориметров, так «ак .по­ следние фактически представляют собой совокупности из трех при­ боров, подобных яркомерам.

В колориметрах, предназначенных для измерения цвета доста­ точно малых участков изображения или объекта, применяются в основном ФЭУ [36, 37].

Использование фотоэлементов в этом случае возможно благода­ ря применению высокочувствительных измерительных приборов. Так, например, при применении селенового фотоэлемента требуе­ мая высокая чувствительность (возможность измерения на экране кинескопа участка с диаметром 6 мм при яркости экрана 3 кд/м2 ) обеспечивается благодаря использованию гальванометра со свето­ вой шкалой ![38].

анализ цвета тремя анализирующими функциями фотоэлектричес­ кого колориметра может осуществляться одновременно или пооче­ редно.

Схема устройства колориметра одновременного действия пока­ зана на рис. 3.5а. Три канала колориметра предназначены для нз-

ФЭУ ® = 0

Рис. 3.5. Схемы устройства фотоэлектрических колориметров: а) одновременного действия; б) поочередного действия

мерения трех цветовых координат, например, X, Y и Z, как показа­ но на рис. 3.5а. Свет от измеряемого цветного участка, выделяемый при помощи объектива О и диафрагмы Д, разделяется зеркалами 3 на три канала. В каждом канале имеется формирующий свето­ фильтр С, фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) или фотоэлемент и гальванометр. Формирующий светофильтр обеспечивает совпа­ дение общей спектральной характеристики чувствительности дан­ ного канала, определяемой спектральной чувствительностью ФЭУ совместно со спектральным пропусканием оптики и этого свето­ фильтра,' с одной из кривых сложения X, Y, Z. Потенциометры па

-68 —

выходах ФЭУслужат для установления цветового баланса коло­ риметра, т. е. для установления равенства показаний трех прибо­ ров на исходной цветности цветовой системы колориметра.

Бели їв качестве -одной из кривых сложения в колориметре реа­ лизована кривая МКО Y, как это показано на рис. 3.5а, то при со­ ответствующей градуировке У-канал колориметра может использо­ ваться в качестве яркомера.

В фотоэлектрическом колориметре одновременного действия можно предусмотреть возможность измерения непосредственно ко­ ординат цветности. Для достижения этого возможны два пути. Вопервых, к колориметру можно добавить сумматор и два делитель­ ных устройства. В сумматоре складываются три цветовые коорди­ наты, давая величину T = X + Y+Z, а в делителях выполняется де­ ление координат X и Y на эту величину. Приборы на выходе дели­ телей при соответствующей градуировке будут показывать значе­ ния .непосредственно координат цветности х 'и у. Прибор, включен­ ный в канал Y до сумматора, будет показывать величину яркости.

Во-вторых, при помощи обратной связи можно обеспечить, что­ бы выходной сигнал сумматора цветовых координат поддержи­ вался всегда равным единице, например, при регулировке общего светового потока переменным диафрагмированием ![40] или при ре­ гулировке напряжения на ФЭУ [41]. В этом случае, цветовые ко­ ординаты, измеряемые приборами в трех каналах, будут равны ко­ ординатам цветности. Здесь достаточно двух приборов, так как нужно определить только две координаты цветности. Яркость, од­ нако, в таком колориметре не может быть измерена.

Колориметр может быть снабжен устройством, позволяющим непосредственно наносить точку измеренной цветности на график цветностей [39].

В колориметре поочередного действия имеются ФЭУ, гальвано­ метр и сменные формирующие светофильтры (рис. 3.56").

Три цветовые координаты измеряются поочередно при установ­ ке на пути светового потока соответствующих светофильтров. По принципу действия такой колориметр аналогичен однотрубочной цветовой камере с диском со светофильтрами, применяемой в си­ стеме цветного телевидения со сменой цветов по

Колориметры поочередного действия проще по конструкции и могут быть выполнены в виде портативных переносных приборов [37]. Колориметры одновременного действия, однако, позволяют со­ кратить время измерения и особенно удобны при измерениях цвета на экране кинескопа, где стабильность яркости свечения часто бы­ вает недостаточной. В этом случае при измерениях колориметром поочередного действия точность будет ниже, так как за время по­ следовательного измерения с тремя каналами яркость экрана мо­ жет измениться.

В колориметрах одновременного действия перед каждым изме­ рением требуется установление цветового баланса, чтобы скомпен-

— 69 —