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

сировать возможные изменения чувствительности трех фотоэлемен­ тов. В колориметрах поочередного действия изменение чувствитель­ ности фотоэлемента может сказаться лишь на точности измерений абсолютных значении цветовых координат (яркости) и не скажет­ ся на результатах измерений координат цветности, определение ко­ торых является целью большинства измерений с колориметрами. Большинство телевизионных колориметров построено по поочеред­ ному принципу, по в некоторых из них используется н одновремен­ ный принцип действия [41, 42].

Достаточно сложной задачей является реализация выбранных спектральных характеристик чувствительности колориметра. По­ скольку спектральные характеристики чувствительности применяе­ мых в колориметрах светоэлектрических преобразователей не сов­ падают с требуемыми кривыми, то подгонка общей спектральной чувствительности каждого канала под требуемую форму выполня­ ется при помощи специальных светофильтров. Светофильтры под­

спектральной чувствительности одного канала колориметра с по­ мощью одного светофильтра. Часто приходится прибегать к комби­ нированию нескольких светофильтров, которые можно при этом соединять последовательно или параллельно (см. разд. 1.4). При использовании параллельного соединения светофильтров проще по­ лучить сложные спектральные характеристики пропускания, на­ пример, двугорбые, что нужно в случае реализации кривой X. Па­ раллельное соединение светофильтров удобнее выполнять при больщей рабочей поверхности фотоэлемента. Но применение параллель­ ного соединения требует более сложного оптического устройства для обеспечения равномерного распределения света по всей пло­ щади, занятой светофильтрами.

Трудностей, связанных с использованием параллельного соеди­ нения светофильтров, часто избегают путем увеличения числа ка­ налов в колориметрах при применении нескольких отдельных ка­ налов для реализации одной кривой спектральной чувствительно­ сти. Увеличение числа каналов приводит, правда, к усложнению процесса измерения в приборе одновременного действия, а также конструкции прибора и к еще большему удлинению времени изме­ рения в приборе поочередного действия.

Дополнительные каналы колориметра могут служить как для реализации вторых ветвей двугорбых кривых сложения, например, кривой X МКО, так и для обеспечения более точного приближения к форме одногорбых кривых [38, 43].

Заметам, что для реализации побочной коротковолновой ветви кривой X иногда используют подобие вида этой ветви и кривой Z (см. рис. 1.96). К показанию прибора в канале X, где. реализована основная длинноволновая ветвь кривой X, добавляется в этом слу-

— 70 —

чае взятое с соответствующим множителем показание прибора в канале 2.

В случае реализации одногорбых кривых сложения путем уве­ личения числа каналов колориметра светофильтр в основном кана­ ле обеспечивает приближенное совпадение спектральной характе­ ристики чувствительности этого канала с требуемой кривой, а раз­ личие между этими кривыми компенсируется при помощи свето­ фильтра (или нескольких) в дополнительном канале. Корректирую­ щая кривая в дополнительном канале реализуется с максимально возможным пропусканием, и показания дополнительного канала, взятые с соответствующим множителем, прибавляются к показа­ ниям основного канала или вычитаются из них.

Так, например, в колориметре [43] кривые сложения X, Y, Z реализуются в пяти каналах, из которых три (основные) исполь­ зуются для реализации кривых Y, Z и главной ветви кривой X, а два (дополнительные) — для коррекции неточностей формирова­ ния этих трех кривых. При этом один дополнительный канал уда-' лось использовать для коррекции как кривой Z, так и кривой Y

в студии) часто бывает более важно определить не точные коорди­ наты цветов, а то, как эти цвета будут восприниматься передаю­ щей камерой. Эта необходимость обусловлена тем, что обычно цветоанализ в телевидении не выполняется колориметрически верно. Дело в том, что в качестве спектральных характеристик чувстви­ тельности в камерах обычно приближенно реализуются главные положительные ветви кривых сложения цветовой системы приемни­ ка. Поэтому и в измерительном приборе, предназначенном для вы­ шеуказанной цели, целесообразно реализовать такие же спектраль­ ные характеристики чувствительности светоэлектрического преоб­ разования. Погрешности измерения цвета будут при этом теми же, что и 'Погрешности воспроизведения цвета три .использовании дан­ ной камеры (в предположении отсутствия других искажений в тракте после камеры).

Прибор такого вида разработан применительно к трехтрубочной камере на плюмбикоиах. Это портативный переносный прибор одновременного действия с тремя фотодиодами, но с одним изме­ рительным прибором. Снятие трех показаний осуществляется по­ очередно [44].

— 71 —

3.6. ВЫБОР ЦВЕТОВОЙ СИСТЕМЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОЛОРИМЕТРА

Поскольку спектральные характеристики чувствительности трех каналов колориметра должны совпадать с кривыми сложения не­ которой цветовой координатной системы, то выбор этих характе­ ристик эквивалентен выбору цветовой системы колориметра. От этого выбора зависит как простота конструкции прибора и лег­ кость выполнения измерений, так и удобство использования их ре­ зультатов.

Простота конструкции колориметра и связанная с ней легкость выполнения измерений определяется в значительной степени удоб­ ством реализации кривых сложения. Как следует из разд. 3.5, в принципе в колориметре можно реализовать любые кривые сложе­ ния, в том числе и содержащие отрицательные ветви. Каждая ветвь кривой в последнем случае может осуществляться в отдель­ ном канале (конечно, как положительная). При измерении сни­ маются показання в каждом канале, а затем показания каналов, соответствующих отрицательным ветвям, вычитаются из показания канала, соответствующего основной положительной ветви..

Реализация в колориметре кривых сложения с отрицательными ветвями привела бы, естественно, к усложнению прибора и увели­ чению времени, затрачиваемого на одно измерение. Осуществлять же такие кривые сложения при пренебрежении их отрицательными ветвями подобно тому, как это делается в цветовых телевизионных камерах, нецелесообразно, так как это приведет к недопустимым ошибкам при измерении цвета (исключением являются специфи­ ческие студийные измерения, описанные в разд. 3.5).

Наряду с кривыми сложения, содержащими отрицательные ветви, нежелательно также использование и целиком положитель­ ных двугорбых кривых. Реализация таких кривых более сложна, чем одногорбых, и иногда может потребовать либо добавления до­

и легкости выполнения измерений в колориметре желательно ис­ пользовать цветовые системы, каждая из кривых сложения кото­ рой сострит из одной плавной положительной ветви.

С точки зрения удобства использования результатов измерений желательно применять в колориметрах такие цветовые системы, в которых чаще всего эти результаты должны представляться. При измерениях в телевидении это системы МКО (XYZ и UVW) или (реже) цветовая система приемника цветного телевидения. По­ скольку системы XYZ и UWV имеют двугорбые кривые сложения (рис. 1.9), а кривые сложения цветовой системы приемника цвет­ ного телевидения имеют отрицательные ветви, то эти системы не­ удобны для реализации в колориметрах.

— 72 —

повного цвета зрительной цветовой системы (рис. 3.7а). Эту точку можно считать расположенной в коротковолновом конце линии спектральных цветностей. Одногорбым кривым сложения будут соответствовать прямые пучка с центром в (С), получаемые вра­ щением прямой вокруг этой точки на графике цветностей МКО А",

Рис. 3.7. Элементы зрительной цветовой системы: а) цветовой треугольник; б) кривые сложения

у против часовой стрелки от прямой (к) до прямой (з) (линия пур­ пурных цветностей). Дальнейший поворот прямой в этом направ­ лении приведет к пересечению с линией спектральных цветностей в длинноволновом конце, т. е. к появлению отрицательной ветви у кривой сложения в области длинных волн спектра. Поворот прямой за границы указанного пучка но часовой стрелке [за прямую (к)} приведет к пересечению ею коротковолнового конца линии спект­ ральных щветностей, т. е. 'к появлению у кривой сложения отрица­ тельной ветви в области коротких волн спектра.

Небольшие отрицательные ветви у кривых сложения можно допустить, если пренебрежение ими приведет к достаточно малым ошибкам измерения цвета. Таким образом, область прямых, соот­ ветствующих одногорбым кривым сложения, можно несколько рас­ ширить за указанные пределы. При этом при повороте прямой за сторону (к) (сдвиг кривой сложения в длинноволновую область •спектра) 'представляется целесообразным так: сдвинуть эту пря­ мую, чтобы она дважды пересекала линию спектральных цветнос­ тей. Положение прямой целесообразно подобрать так, чтобы площади под возникающими положительной и отрицательной по­ бочными ветвями кривой сложения были одинаковыми. Когда бу­ дет реализована главная ветвь такой кривой, при равномерном

— 75 —

Рис. 3.8. Совокупность 'прямых графика цветностей (а) и соотвествугощие этим прямым одногорбые кривые сложения (б)

спектральном распределении излучения измеряемого цвета в обла­ сти побочных ветвей кривой ошибки измерения не будет. Для большинства других цветов ошибка также, будет меньше, чем при

пурпурных цветностей (прямая 2) и прямой 3, которой соответст­ вует кривая сложения, имеющая побочные положительную и отри­ цательную ветви, площади под которыми одинаковы и составляют 0,5% площади под главной ветвью кривой. На рис. 3.86 показаны кривые сложения, соответствующие упомянутым трем прямым. Все остальные возможные одногорбые кривые сложения заключены между кривыми 2 и 3, соответствующими граничным прямым пуч­ ка рис. 3.8а. Кривая Y, также показанная на рис. 3.86, соответст­ вует оси абсцисс графика цветностей МКО х, у и является одной из промежуточных между кривыми 2 и 3.

Таким образом, при условии одногорбости всех трех спектраль­ ных характеристик чувствительности колориметра одна из сторон цветового треугольника системы колориметра должна совпадать с

— 76 —

бованиям одногорбости кривых сложения. В одном колориметре одновременного типа использовались также положительные ветви кривых сложения стандартной колориметрической системы МКО RGB [41].

3.7. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КОЛОРИМЕТРОМ

Точность измерения цвета фотоэлектрическим колориметром определяется, главным образом, точностью приближения спект­ ральных характеристик чувствительности трех каналов колори­ метра к кривым сложения выбранной цветовой системы и зависит также от выбора цветовой системы колориметра.

Рассмотрим вначале, какая цветовая система колориметра из числа обладающих одногорбыми кривыми сложения может обеспе­ чить более верное измерение цвета. В случае точного осуществле­ ния кривых сложения в качестве спектральных характеристик чув­ ствительности колориметра имело бы место точное измерение цве­ та. Но это идеализированный случай, практически спектральные характеристики чувствительности трех каналов колориметра в той или иной мере отличаются от кривых сложения выбранной цвето­ вой системы.

Предположим, что ошибки из-за неточного воспроизведения кривых сложения вызовут отклонения измеренных значений цвето­

— 77 —

Поскольку стороны цветового треугольника системы колоримет­ ра не должны пересекать линии спектральных цветностей, то па графике цветностей этой системы вся область реальных цветностей будет находиться внутри цветового треугольника. Чем больше бу­ дем раздвигать цветовой треугольник (Р) относительно области реальных цветностей (при выборе цветовой системы колориметра), тем меньшую часть треугольника (Р) будет занимать эта область. При этом области максимально возможных ошибок измерений цветности при одном и том же процентном изменении цветовых ко­ ординат Р будут занимать все большие участки области реальных цветностей, т. е. тем значительнее будут ошибки измерений.

Таким образом, для обеспечения возможности более точного измерения цвета цветовой треугольник системы колориметра сле­ дует выбирать как можно более близким к области реальных цвет­ ностей. Поэтому, кроме прямой (z), которая войдет в цветовой тре­ угольник (Р) обязательно, из пучка рис. 3.8а следует взять две граничные его прямые. После определения желательного івьибора цветовой системы колориметра рассмотрим вопрос о требуемой точности приближения спектральных характеристик чувствитель­ ности колориметра к кривым сложения.

Ошибки в измеренных значениях цветовых координат при не­ точном осуществлении теоретических спектральных характеристик чувствительности прибора будут зависеть от спектрального распре­ деления излучения с измеряемым цветом, т. е. будут различными при измерении разных метамерных цветов с одной и той же цвет­ ностью. Поэтому необходимо найти достаточно простой и практи­ чески приемлемый метод оценки ошибок в цветовых координа­ тах, возникающих при отличии спектральных характеристик коло­ риметра от кривых сложения. Поскольку оценить ошибки для всех возможных метамеров данной цветности невозможно, то надо вы­ брать для ряда опорных цветностей специальную группу метаме­ ров. Эта группа либо должна давать зоны разброса цветности, охватывающие ошибочные цветности для всех возможных метаме­ ров с данными цветностями, либо должна быть характерной в от­ ношении претерпеваемых метамерами этой группы ошибок по от­ ношению к большинству цветов, которые могут быть встречены в практике работы данного прибора (например, измерения в телеви­ дении), и обеспечивать относительную легкость расчета возникаю­ щих ошибок.

Охват всех возможных метамеров данной цветности достигает­ ся в использовавшемся для решения подобной колориметрической задачи методе, который можно назвать «методом спектральных ме­ тамеров» [45]. В этом методе цвет с данной цветностью представ­ ляется в виде пар дополнительных по отношению к нему чистых спектральных цветов (или троек, когда дополнительным к взятому спектральному цвету является пурпурный цвет; последний пред­ ставляется в виде суммы крайних спектральных цветов в соответ­ ствующей пропорции). Если взять достаточное число таких спект-

— 78 —

ральных метамеров и рассчитать цветности соответствующих им излучений в предположении конкретной группы спектральных ха­ рактеристик чувствительности колориметра, то на графике цвет­ ностей получится замкнутая кривая вокруг точки измеряемой цветности. Вогнутые участки этой кривой заменяются прямыми и предполагается, что ошибочные значения цветности для почти всех возможных метамеров попадут в пределы полученной зоны.

Метод спектральных метамеров обеспечивает достаточную про­ стоту расчета (разбивка опорных цветностей на пары или тройки спектральных цветов довольно трудоемка, но делается один раз) и охватывает случаи почти всех возможных метамеров. Этот ме­ тод и следует применять, когда колориметр предназначается для измерения чистых спектральных или близких к ним цветов. При­ менение этого метода становится нецелесообразным, однако в том случае, когда объектами измерения являются обычные цвета неса­ мосветящихся предметов или цвета свечения экрана цветного ки­ нескопа. Таким цветам, как правило, соответствуют сплошные и довольно широкие спектральные распределения излучения. Приме­ нение метода спектральных метамеров в этом случае приводит к очень большим зонам ошибок цветности и, следовательно, к необо­ снованно жестким допускам на точность осуществления спектраль­ ных характеристик чувствительности колориметра.

Применение для оценки ошибок в цветовых измерениях неко­

Желательная простота расчетов сочетается с требуемой близо­ стью к результатам для обычно встречающихся на практике цве­ тов в «методе оптимальных метамеров» [9].

В этом методе для каждой опорной 'цветности подбирается оп­ тимальный цвет, т. е. такой, спектральное распределение излуче­ ния для которого равномерно и имеет не 'более одной полосы излу­ чения (или отсутствия излучения) в пределах видимого спектра. Мощность излучения в пределах полосы целесообразно принять равной 1; расчеты цветовых координат при этом максимально уп­ рощаются, сводясь к суммированию ординат кривых сложения в заданных пределах.

Допуск на точность осуществления спектральных характерис­ тик чувствительности колориметра будем устанавливать в виде процента, который может составлять площадь участков между реализованной и требуемой кривыми от площади под требуемой кривой, когда обе кривые приведены к одному уровню по максиму­

мых значений). Положительное расхождение для одних цветов мо­ жет быть скомпенсировано отрицательным, а для других не может.

— 79 —