Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)
Г. В. МАМЧЕВ
ЦВЕТОВЕДЕНИЕ
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СИСТЕМ
Монография СибГУТИ
Новосибирск 2015
УДК 621.397.6
Мамчев Г.В. Цветоведение телевизионных систем : Монография СибГУТИ. –
Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2015. – 152 с.
ISBN 978-5-91434-025-1
В монографии излагаются особенности зрительного восприятия телевизионных изображений. Рассматриваются основы учения о цвете и цветовом зрении, принципы колориметрии и теория воспроизведения цвета в телевидении.
Описаны различные колориметрические системы, методы и приборы измерения
цвета. Особое внимание в книге уделено анализу качественных показателей
воспринимаемых изображений с учетом явления хроматической адаптации.
Монография предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевидения, видеотехники.
Кафедра радиовещания и телевидения
8 таблиц, 61 рисунок, список литературы – 53 наименования
Рецензенты д-р техн. наук, проф. Новицкий С.П.
д-р техн. наук, проф. Спектор А.А.
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве монографии СибГУТИ.
© Мамчев Г.В., 2015
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................ 5
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ .......................................................................................... 9
1.1. Устройство зрительной системы человека ......................................... 9
1.2. Световая чувствительность глаза ........................................................ 12
1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых
градаций яркости ................................................................................... 17
1.4. Особенности восприятия цвета ............................................................ 19
1.4.1. Трехкомпонентная теория цветового зрения ............................. 19
1.4.2. Законы аддитивного смешения цветов ....................................... 23
1.4.3. Цвет мелких деталей .................................................................... 26
1.4.4. Количество воспринимаемых глазом цветов ............................. 27
1.4.5. Субъективные и физические характеристики цвета ................. 29
1.5. Энергетические и фотометрические характеристики лучистой
энергии .................................................................................................... 30
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЦВЕТНОСТИ ................................................................................................ 34
2.1. Принципы систематизации и количественного выражения цветов .... 34
2.2. Колориметрическая система координат основных цветов R, G, B ...... 37
2.3. Колориметрическая система XYZ (МКО-1931 г.) .............................. 39
2.3.1. Общая характеристика стандартной системы основных
цветов XYZ ..................................................................................... 39
2.3.2. Аналитический переход между цветовыми системами XYZ
и RGB с использованием разных стандартов основных цветов . 42
2.3.3. Векторное представление цвета .................................................. 43
2.3.4. Методика цветовых расчетов в системе XYZ ............................. 46
2.3.5. Стандартные источники белого цвета ........................................ 50
2.3.6. Особенности зрительного цветоразличения на цветовом
графике МКО-1931 г. ................................................................... 53
2.3.7. Восприятие цветности предметов малых размеров .................. 60
2.4. Равноконтрастные цветовые системы МКО ....................................... 61
2.5. Цветовые системы, неявляющиеся разработкой МКО ..................... 67
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА
В ТЕЛЕВИДЕНИИ ...................................................................................... 75
3.1. Качество воспроизведения цвета ......................................................... 75
3.2. Колориметрически правильная цветопередача .................................. 77
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов ...................... 84
3.3.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал ........... 84
ЦВЕТОВЕДЕНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
4
3.3.2. Сравнение характеристик фотоприемных матриц ПЗС-
и КМОП-типов .............................................................................. 85
3.3.3. Спектральные характеристики чувствительности датчиков
видеосигналов ............................................................................... 86
3.3.4. Конструктивные особенности светоделительных систем
современных телекамер ............................................................... 88
3.3.5. Цветокоррекция в камерном канале ........................................... 92
3.3.6. Классификация телевизионных преобразователей
электрических сигналов в оптическое изображение ................ 95
3.3.7. Цветовые искажения в тракте «от света до света» .................... 107
3.3.8. Способы уменьшения влияния внешней засветки на
качественные показатели телевизионных изображений .......... 110
3.4. Восприятие цвета в телевидении ......................................................... 113
3.4.1. Модели хроматической адаптации ............................................. 113
3.4.2. Модель хроматической адаптации фон Криза ........................... 114
3.4.3. Модель хроматической адаптации Наятани ............................... 116
3.4.4. Модель хроматической адаптации Гута ..................................... 117
3.4.5. Модель хроматической адаптации Фершильда ......................... 119
3.4.6. Семейство САТ моделей хроматической адаптации ................ 121
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ
КООРДИНАТ ЦВЕТА ................................................................................ 123
4.1. Общие сведения об измерении цвета .................................................. 123
4.2. Конструктивные особенности визуальных колориметров ............... 123
4.3. Фотоэлектрические колориметры ....................................................... 126
4.4. Спектральный метод измерения цветовых координат ...................... 129
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения цветовых
координат ............................................................................................... 129
4.5.1. Механическая схема реализации метода ................................... 129
4.5.2. Электронная схема реализации метода ...................................... 131
4.5.3. Анализ погрешности измерения цветовых координат
спектрально-колориметрическим методом ............................... 133
4.5.4. Практическая реализация спектрально-колориметрического
метода измерения цветовых координат ..................................... 134
4.5.5. Модернизация прибора для измерения цветовых координат,
реализованного по электронной схеме ....................................... 136
5. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КОЛОРИМЕТРИИ ........................................ 138
5.1. Методы экспертизы подлинности документов .................................. 138
5.2. Диагностика заболеваний колориметрическим способом ................ 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 143
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 145
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ .............................................................................. 148
ВВЕДЕНИЕ
Данная монография посвящена науке о цвете, его измерении, анализу
особенностей воспроизведения и восприятия цветных телевизионных изображений.
Истоки понятия цвета, играющего большую роль в художественном (эстетическом) восприятии каждого человека и общества в целом, а также в информационном описании окружающего нас мира, упоминаются в древнем,
античном мире, о чем свидетельствуют научные трактаты таких философов
древности, как Демокрит (460‒370 до н.э.), Платон (427‒347 до н.э.), Аристотель (384‒322 до н.э.) и др. Например, Демокритом был написан целый трактат под названием «О цветах».
В средние века, точнее в 1666 году великий английский ученый Исаак
Ньютон провел в Кембридже первый в истории опыт разложения белого цвета призмой – опыт, который познакомил человечество с истинной природой
цвета. Гениальный русский ученый М.В. Ломоносов в 1756 году сформулировал трехкомпонентную (трехрецепторную) теорию восприятия глазом цвета. М.В. Ломоносов пришел к выводу, что глаз человека имеет три вида рецепторов, по-разному реагирующих на свет разного спектрального состава.
Данная трехцветная теория цветового зрения после М.В. Ломоносова была в
значительной степени развита английским исследователем Томасом Юнгом и
немецким физиком и физиологом Германом фон Гельмгольцем и полностью
подтверждена экспериментальными фактами оптического смешения цветов.
На рубеже XIX века английский физик Юнг (1773‒1829) установил
принцип интерференции света, согласно которому можно, сложив свет со
светом, получить темноту, то есть взаимно погасить свет. Томас Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. В дальнейшем
волновая теория света нашла отражение в работах таких известных ученых,
как Христиан Гюйгенс (1629‒1695), Роберт Гук (1635‒1703), Огюстен Жан
Френель (1788‒1817). В начале XX века трудами выдающегося французского
физика, лауреата Нобелевской премии Луи де Бройля (1892‒1987) доказано,
что «свет сочетает в себе свойства и волн и корпускул, это особая совокупность электромагнитных волн и квантов».
Широкое использование цвета в современной жизни, науке и технике
потребовало решения ряда новых практических и теоретических задач. На
первом этапе развития учения о цвете довольствовались чисто субъективными методами сравнения и оценки цветовых соотношений. В дальнейшем эти
ЦВЕТОВЕДЕНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
6
методы перестали удовлетворять требованиям жизни и стали непригодными
при развитии точных наук, особенно при внедрении компьютеров.
В результате возникла наука о цвете, с каждым годом все глубже и шире
проникающая в разнообразные отрасли знаний. Эта наука получила название
цветоведение, которое объединяет в себе общие закономерности цветового
восприятия, специальный раздел экспериментальной оптики, названный колориметрией – термин составлен из латинского корня «колер» (цвет) и греческого «метрон» (мера) и особенности воспроизведения цвета. Причем колориметрия представляет собой искусство измерения цвета, позволяющее любой цвет выразить в виде некоторого числа или, точнее, комбинации чисел.
Таким образом, в цветоведении объединились данные о цвете, изучаемые физикой, психофизикой и психологией. Физика дает возможность познать законы распространения, отражения, поглощения и рассеяния световых излучений, возбуждающих нервную систему сетчатки глаза. Психофизика рассматривает процессы, происходящие в сетчатке глаза. Психология изучает законы, управляющие чувственным восприятием в целом, передаваемым по первым окончаниям (нейронам) в мозг человека. При этом связываются ощущения цвета с ощущениями, поступающими по другим каналам информации.
В зрительном аппарате человека происходит трехкратное преобразование энергии: преобразование падающей световой энергии в химическую
энергию распада молекул светочувствительного вещества сетчатки; преобразование химической энергии распада молекул в электрическую энергию волокон зрительных нервов, связывающих глаз с мозгом; преобразование энергии движения электронов в энергию биологических процессов зрительного
ощущения в зрительных участках коры головного мозга человека. Отсюда
возникает двойственность терминологии цвета: воспринимаемый цвет как
свойство зрительного восприятия, и цвет с точки зрения психофизического
определения цветового стимула с помощью экспериментально установленных значений основных параметров цвета. Цвет может быть вычислен и измерен независимо от каких-либо визуальных наблюдений и, следовательно,
на полученное значение цвета и цветности не повлияют ни индивидуальные
особенности наблюдателя, ни состояние адаптации его зрения.
Ощущение цвета зависит от спектрального состава излучения, попадающего на сетчатку глаза непосредственно от источника света или после ряда
отражений от различных предметов, а также после прохождения через прозрачные среды. Чаще всего мы имеем дело именно с наблюдением несамосветящихся предметов, которые лишь отражают или пропускают свет от какого-либо внешнего источника. Ясно, что нельзя говорить о цвете несамосветящихся предметов; один и тот же предмет при освещении его различными
источниками света будет выглядеть имеющим разный цвет.
Цвет – это оптическое явление, чувственное ощущение, создаваемое
глазом и мозгом человека. Цвет не является физической переменной и, следовательно, не имеет физических единиц измерения. Сами по себе предметы
не являются цветными: ощущение цветности возникает как результат воздей-
ВВЕДЕНИЕ
7
ствия световых излучений. Видимый солнечный свет, который воспринимается как белый, освещает предмет и частично отражается. Следовательно,
объект, который находится в красной зоне видимого спектра, воспринимается окрашенным в красный цвет. Объект, полностью отражающий излучение
всего видимого спектрального диапазона, как правило, кажется белым, а объект, полностью поглощающий излучение, – черным.
При рассмотрении вопросов ощущения и описания цвета всегда выделяют физические и физиологические аспекты. Физические параметры определяются объективными методами, а физиологические – нет. С помощью колориметра можно оценить физические характеристики цвета (цветового возбуждения), но как их интерпретирует мозг человека (восприятие цвета),
можно только рассчитать.
Результирующий спектральный состав излучения, попадающего в глаз и
вызывающего цветовое ощущение, определяется перемножением спектральных характеристик излучения источника света и спектральных характеристик
отражения или пропускания физических объектов, находящихся на пути света от источника к глазу.
Повышение требований к качеству репродуцирования, то есть воспроизведения цветного изображения, в телевидении, в полиграфии, в цветном кинематографе и цветной фотографии объясняется уровнем научнотехнического развития современного общества в целом. В связи с эти актуальными являются работы, направленные на измерение и контроль цветотехнических параметров, влияющих на качественные показатели цветоанализирующих и цветовоспроизводящих систем.
Современные системы анализа, измерения и воспроизведения цвета основываются на трехцветной колориметрии, включающей в себя всю совокупность способов, средств измерения и математическое описание цветов.
Необходимость использования колориметрии ощущалась уже с первых попыток реализации систем цветного телевидения. По мере развития систем
анализа и воспроизведения цвета все в бóльшей степени уточнялись колориметрические требования, которым должна удовлетворить система в целом
для обеспечения высококачественного цветовоспроизведения.
В основу развития современного цветоведения и цветного телевидения
легли фундаментальные работы как зарубежных ученых в области фотометрии и колориметрии Д. Мак-Адама, Д. Джадда, Г. Вышецки, А. Манселла,
так и отечественных исследователей в области колориметрии, биофизики и
телевидения П.В. Шмакова (1885‒1982), Н.Д. Нюберга (1898‒1967),
Е.Н. Юстовой (1910‒2008), М.М. Гуревича (1903‒1990), С.В. Новаковского
(1913‒2004), А.К. Кустарева, Л.Ф. Артюшина.
В связи с широким развитием в большинстве стран мира цветного цифрового телевизионного вещания возникла необходимость издания монографии, в которой были бы систематизированы основополагающие вопросы
теории цветного телевидения, независимо от того, какая цифровая система
передачи выбрана в качестве стандарта. К таким вопросам следует, в первую
ЦВЕТОВЕДЕНИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
8
очередь, отнести основы учения о цвете и цветовом зрении, принципы колориметрии, теорию воспроизведения и восприятия цвета в телевизионном
изображении.
Для колориметрии и цветного телевидения очень важным вопросом является преобразование координат цвета и цветности (переход от одной системы основных цветов к другой). Этому вопросу в монографии уделено
большое внимание и для удобства и наглядности изложения при рассмотрении указанных преобразований используется теория матриц.
Важнейшим вопросом в цветном телевидении является качество воспроизведения цветности и яркости в изображениях, которое зависит от многих факторов. К ним, в первую очередь, относятся основные цвета воспроизводящего устройства, спектральные характеристики передающей камеры, характеристики видеосигналов яркости и цветности, уровень гамма-коррекции.
При рассмотрении вышеперечисленных вопросов автор стремился ограничить объем излагаемого материала таким образом, чтобы результаты анализа
соответствовали потребностям современной цифровой техники цветного телевидения.
Монография предназначена для инженерно-технических работников,
аспирантов, студентов, занимающихся вопросами телевещания, видеотехники, аудиовизуальной техники.
Рис. 1.1. Строение человеческого глаза
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
1.1. Устройство зрительной системы человека
Телевизионное изображение воспринимается непосредственно зрительной системой человека, оконечным устройством которой является глаз. Поэтому для рационального построения телевизионных систем необходимо
учитывать свойства и характеристики зрения.
Зрительная система состоит из приемников светового излучения – двух
глаз, нервных волокон, преобразующих и передающих визуальную информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головного мозга, в которых
происходит расшифровка информации и формирование зрительных образов.
Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело
примерно шарообразной формы диаметром около 24 мм (глазное яблоко)
(рис. 1.1), покрытое оболочкой из плотных волокон, то есть склерой 1. Передняя часть склеры 2, называемая роговицей, прозрачна для света и имеет
несколько более выпуклую форму. Диаметр роговой оболочки около 12 мм.
За роговицей расположена передняя камера 3, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой 4,
имеющей в центре отверстие – зрачок 5, играющий роль диафрагмы. Размер
зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза в пределах от 2 до
8 мм. За зрачком находится хрусталик 6, представляющий собой прозрачное
тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью глазных мышц 7, охватывающих хрусталик, кривизна которого может меняться,
на задней стенке глаза фокусируется перевернутое изображение предметов,
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
10
находящихся по отношению к человеку на расстоянии от 10 см до бесконечности. Такое свойство зрения называется аккомодацией. Пространство
между хрусталиком и задней внутренней поверхностью глаза заполнено
прозрачной студенистой массой (стекловидным телом).
С задней стороны в глазное яблоко входит зрительный нерв 8, состоящий из большого количества нервных волокон. Светочувствительные окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой 9, которая называется сетчаткой. Между склерой и сетчаткой располагается сосудистая оболочка 10, содержащая капилляры, которые снабжают глаз кровью,
обеспечивая обменные процессы в активных тканях глаза. В зависимости от
формы нервные окончания подразделяются на палочки и колбочки. Палочки –
это длинные тонкие рецепторы, а колбочки – более короткие и толстые. Размеры их очень малы: длина палочек 0,06 мм, диаметр 0,002 мм, длина и диаметр колбочек – 0, 035 мм и 0,006 мм соответственно. Данные рецепторы
функционируют различным способом. Колбочки обладают чувствительностью к свету и цвету, палочки – только к свету. Цветные элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдельному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами, они, обладая большей светочувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение. В целом сетчатка содержит около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек.
Распределены палочки и колбочки по поверхности сетчатки неравномерно. Для примера на рис. 1.2 представлено распределение палочек (кривая 1) и
колбочек (кривая 2) на 1мм2 сетчатки. Колбочки концентрируются в основном в центральной части сетчатки (фовеа), называемой также желтым пятном. Фовеа, обладающее свойством наилучшего видения, имеет овальную
форму длиной около 2 мм и шириной примерно 0,8 мм, что соответствует угловым размерам 1…3°. В области желтого пятна фактически располагаются
только колбочки с плотностью до 1,5·105 на 1 мм2. Причем средний диаметр
колбочки в центре фовеа примерно равен 3 мкм. Плотность расположения
колбочек значительно уменьшается к краям желтого пятна, а размер их возрастает. Палочки имеют максимальную концентрацию 1,7·105 на 1 мм2 на
расстоянии 10…12° от зрительной (оптической) оси глаза. Плотность палочек уменьшается как к центру глаза, так и к периферии [1].
Палочки и колбочки различаются между собой содержащимися в них
светочувствительными веществами. Вещество палочек – родопсин (зрительный пурпур). Максимальное светопоглощение родопсина соответствует
длине волны примерно 500 нм (зеленый свет). Значит палочки имеют максимальную чувствительность к излучению с длиной волны 500 нм. Предполагают, что светочувствительное вещество колбочек (йодопсин) состоит из
смеси трех веществ, каждое из которых имеет максимальное поглощение, а
следовательно, и максимальную светочувствительность в коротко-, средне- и
длинноволновой зонах спектра.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]