Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
91
производится с помощью цветных коррекционных светофильтров 5
(рис. 3.6), установленных в выходных окнах призменных компонентов.
В большинстве случаев коррекционные светофильтры изготавливаются
из цветного стекла или стекла с интерференционным покрытием, реже из
окрашенной желатины или пластмассы. Наличие у коррекционного светофильтра определенной (полученной из расчета) спектральной характеристики пропускания достигается за счет выбора марки и толщины цветного оптического стекла (или типа и концентрации красителя в фильтрах из желатины
или пластмассы).
Оптическая схема телевизионной камеры с четырьмя датчиками видеосигналов представлена на рис. 3.9. В подобных камерах для создания яркостного сигнала используется отдельный преобразователь свет-сигнал, в то
время как три светочувствительных датчика формируют видеосигналы основных цветов ER, EG, EB соответственно. Поскольку только яркостный сигнал содержит информацию о мелких деталях передаваемой сцены, разрешающая способность телевизионной камеры в целом определяется каналом
сигнала яркости (оптической системой и светочувствительным датчиком этого канала). Качество цветопередачи в телевизионной камере с четырьмя светочувствительными датчиками приближается к качеству, получаемому в камере с тремя датчиками, при условии правильного выбора спектральных характеристик чувствительности не только каналов цветности, но и канала
сигнала яркости.
Рис. 3.9. Светоделительная система телевизионной камеры
с четырьмя светочувствительными датчиками
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
92
0,3 0,59 0,11Y R G B
Рис. 3.10. Структура мозаичного растра
Для формирования цветоделенных изображений в одноматричных
(однотрубочных) телекамерах на все элементы большеразмерной, например,
однодюймовой ФПМ наносится мозаичный растр Байера (Bayer pattern),
структура которого изображена на рис. 3.10 [22]. Причем каждый элемент
мозаичного растра может соответствовать нескольким пикселям на светочувствительной поверхности ФПМ. Как видно из рис. 3.10, половина элементов растра Байера чувствительна к зеленому цвету, а к красному или синему цвету – только четверть элементов (мозаика полимерных светофильтров по схеме RGGB). Данный алгоритм размещения ячеек мозаичного растра хорошо согласуется с цветовой чувствительностью реального глаза,
описываемой соотношением:
.
Видеосигналы, соответствующие пропущенным элементам основных
цветов R, G, B, восстанавливаются способом интерполяции, причем обычно
применяются адаптивные интерполяционные алгоритмы, позволяющие избежать появления интенсивных муаров и зубчатости наклонных границ. Интерполяция может производиться как внутри телекамеры, так и вне ее в процессе компоновки программы.
Применение мозаичного растра в телекамере позволило обойтись без
достаточно сложного, а, следовательно, и дорогого призменного светоделительного блока.
3.3.5. Цветокоррекция в камерном канале
Цветовые искажения, обусловленные реальными спектральными характеристиками чувствительности датчиков видеосигналов, можно уменьшить
применением специальных схем цветокоррекции.
Функционирование устройства электронной коррекции видеосигналов
матричного типа описывается следующей системой уравнений:
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
93
0 11 12 13
0 21 22 23
0 31 32 33
;
;
,
R R G B
G R G B
B R G B
E a E a E a E
E a E a E a E
E a E a E a E
0 0 0
,,
R G B
E E E
,,
R G B
E E E
R
E
B
E
11 12 13
21 22 23
31 32 33
1;
1;
1.
a a a
a a a
a a a
где
– выходные сигналы цветокорректора;
входные сигналы; коэффициенты а
(i, j = 1…3) называются коэффициента-
i,j
(3.25)
–
ми маскирования.
На выходе такого корректора получают характеристики, близкие по
форме к идеальным спектральным характеристикам чувствительности. Величины двух коэффициентов матрицирования должны быть малыми в сравнении с третьим, в противном случае происходит ухудшение отношения сигнал/шум и увеличение заметности цветных окантовок при неточном совмещении сигналов во времени. Кроме того, возникают заметные искажения
цвета в зонах переходных процессов сигналов
и
.
Члены с коэффициентами а11, а22 и а33 представляют собой основные видеосигналы. Остальные члены системы уравнений (3.25) образуют сигнал
«маски». Процесс линейной цветокоррекции состоит в подборе величин всех
девяти коэффициентов. Для создания баланса белого (неискаженной передачи опорного белого цвета) при изменении коэффициентов маскирования с
целью коррекции цвета необходимо выполнить:
Подставив а11, а22 и а33 из (3.26) в (3.25) получим:
Рис. 3.11. Структурная схема электронного цветокорректора
с отдельным каналом маски:
(3.26)
1, 2, 3 – парафазные усилители; 4‒9 – суммирующие усилители;
10‒12 – выходные усилители
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
94
0 12 13
0 21 23
0 31 32
;
;
.
R R G R B R
G G R G B G
B B R B G B
E E a E E a E E
E E a E E a E E
E E a E E a E E
Рис. 3.12. Структурная схема электронного цветокорректора Кинга с матрицами:
1, 2, 3 – парафазные усилители: 4 – регулятор цветового тона;
5 – регулятор насыщенности; 6, 7, 8 – пассивные матрицы.
Штриховые линии означают механическую связь
(3.27)
Тогда, согласно (3.27), в цветокорректорах установку выходных видеосигналов можно выполнить шестью независимыми регуляторами. Структурная схема электронного цветокорректора, выполняющего указанные регулировки показана на рис. 3.11.
Для раздельного регулирования цветового тона и насыщенности цвета
при сохранении баланса белого используют другие схемы цветокорректора.
На рис. 3.12 приведена структурная схема электронного цветокорректора,
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
95
предложенная Кингом. В этой схеме цветовые сигналы подаются на входы
парафазных усилителей 1, 2, 3, на выходах которых появляются разнополярные сигналы. Регуляторы цветового тона 4 и насыщенности цвета 5 включены попарно так, что вращение их ручек не меняет размах видеосигналов при
передаче изображения белых объектов [23].
3.3.6. Классификация телевизионных преобразователей
электрических сигналов в оптическое изображение
Важнейшим функциональным узлом современных систем телевидения,
во многом определяющим качественные показатели отображаемых изображений, являются воспроизводящие устройства с разрешением не менее чем
19201080 пикселей (более 2 000 000 пикселей в каждом кадре).
Разрешающую способность как изображений, так и воспроизводящих
устройств очень часто условно измеряют в единицах К (К = 210 = 1024).
Например, 1К (фактически можно назвать килопикселем) – это разрешение
изображения в 1024576 пикселей при формате кадра 16:9. Соответственно
2К – это 20481152 пикселей, что соответствует требованиям стандарта ТВЧ.
В целом воспроизводящие телевизионные устройства можно классифицировать на две основные группы. Во-первых, это устройства индивидуального назначения, предназначенные для использования одним или небольшой
группой телезрителей. Ко второй группе относятся воспроизводящие устройства проекционного типа (видеопроекторы), позволяющие получать изображения высокой четкости достаточно больших размеров, площадь которых
может достигать от нескольких квадратных метров до нескольких десятков.
Сегодня существуют несколько основных технологий производства воспроизводящих устройств индивидуального назначения [24]:
для воспроизведения высококачественных цветных изображений вы-
сокой четкости используются компланарные кинескопы с цветоделительной
маской (электронно-лучевые трубки, то есть ЭЛТ) с соотношением сторон
экрана 16:9, в которых цветные изображения формируются из трех цветоделенных методом пространственного смешения цветов. «Кинескоп» (kinescope) – это название отображающим (приемным) катодно-лучевым трубкам в
далеком 1928 году дал наш соотечественник В.К. Зворыкин, являющийся одним из основоположников электронного телевидения. До сих пор во всем
мире их так и называют.
Высокое качество воспроизводимых цветных телевизионных изображений предопределило обязательное использование цветных кинескопов в
профессиональных средствах отображения, применяемых в качестве видеомониторов, то есть устройств, обеспечивающих сопоставительный анализ
параметров цвета изображений в режиме визуального контроля. Именно такими являются видеомониторы в режиссерских и технических аппаратных
современных телецентров.
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
96
Однако в последнее время появился ряд серьезных проблем, связанных с
использованием кинескопов в современных телевизионных устройствах.
Например, в системах ТВЧ требуется увеличение размеров кинескопов, что
влечет за собой резкое (квадратичное) возрастание их массы, объема, не говоря уже об увеличенной потребляемой мощности. Причем создание высококачественных телевизионных приемников с размерами экрана по диагонали в 100 см и более на базе обычного кинескопа становится вообще проблематичным из-за ограниченной прочности вакуумных баллонов. При этом
надо помнить, что традиционные кинескопы излучают. Собственно, излучают две части ЭЛТ-трубки: электромагнитная энергия генерируется электронной пушкой, которая является источником электронов и расположена в задней части горловины колбы, а рентгеновское излучение возникает в момент
бомбардировки электронами люминофорного покрытия. Конечно, современные кинескопы имеют противорадиационную защиту, но полностью подавить возникающее излучение не представляется возможным, так что телезритель или пользователь ПК подвергаются неблагоприятному воздействию
электромагнитных полей и рентгеновского излучения. Кроме того, ЭЛТ имеет еще один вредный для здоровья недостаток – эффект мерцания изображения, особенно хорошо заметный на частотах кадровой развертки 50…60 Гц.
При частотах 75 Гц и более мерцание визуально уже не заметно, но изображение все равно дрожит, что хотя и в меньшей степени, но все же приводит к
дополнительной зрительной нагрузке.
Совокупность электромагнитного и рентгеновского излучения наряду с
мерцанием изображения оказывают достаточно вредное воздействие – при
длительном нахождении перед телевизионным экраном или за монитором
ПК утомляется зрение и создается дополнительное нервное напряжение.
Достаточно долго имел место и такой недостаток, как криволинейная
поверхность экрана кинескопа, но в последнее время его удалось преодолеть,
создав трубки с плоским экраном. Но от аберраций избавиться не удается:
достижение равномерности отображения по всему полю остается сложной
задачей. Кроме того, мониторы на основе ЭЛТ очень чувствительны к внешним электромагнитным полям, воздействие которых приводит к намагничиванию маски кинескопа и, как следствие, – к искаженному воспроизведению
цветов. Намагничивание маски происходит и в процессе эксплуатации, поэтому все мониторы снабжаются функцией размагничивания маски
(Degauss).
Надо отметить, что мониторы на основе кинескопа страдают и от механических воздействий. Тряска и вибрации могут привести к деформации
маски, после чего добиться корректного отображения изображения просто
невозможно.
Тенденция последних лет говорит о том, что мониторы на основе ЭЛТ
постепенно уступают место плоскоэкранным дисплеям на основе жидких
кристаллов (ЖК);
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
97
в ближайшие годы доминирующую роль на рынках сбыта, как телеви-
зионных устройств, так и устройств отображения визуальной информации
различного назначения, например, мониторов ПК, будут играть жидкокристаллические экраны (ЖКЭ) плоского типа ввиду их компактности, высокого качества изображения, низкого энергопотребления, сравнительно невысокой стоимости и отсутствия излучения. Реальные ЖКЭ имеют фиксированный набор физических пикселей, обеспечивают высокую четкость воспроизводимых без геометрических искажений изображений, которые не
мерцают. Это объясняется тем, что изображение обновляется построчно,
поэтому оно не дрожит практически при любом разумном значении частоты
кадровой развертки. ЖКЭ фактически являются полностью цифровыми
устройствами, поэтому облегчается их использование в мониторах ПК.
Однако производство ЖКЭ с увеличением размеров воспроизводимых
изображений сильно дорожает. Это объясняется тем, что матрицы для ЖКЭ
изготавливаются в виде больших по площади пластин, которые затем разрезаются на требуемый размер. Чем дальше от центра, тем хуже качество матриц, поэтому на изготовление ЖКЭ идут матрицы только из центральной части этих пластин. При этом, чем больше размеры ЖКЭ, тем больше в нем
дефектных пикселей. Вследствие этого, т. е. по технологическим ограничениям, до последнего времени не удавалось изготавливать тонкопленочные
ЖКЭ с размером по диагонали более 74 см, то есть 29. Пытаясь преодолеть
этот барьер, японская фирма Sharp пошла по пути высокоточного бесшовного соединения отдельных ЖКЭ. В результате удалось создать жидкокристаллический дисплей с размером диагонали 1м (39). По новой технологии можно соединить несколько ЖКЭ небольших размеров, что позволяет создавать
жидкокристаллические дисплеи еще большей площади и одновременно удешевлять их.
Размер экрана жидкокристаллической панели в самое последнее время
уже добрался до диагонали в 57 (144 см). Рекорд принадлежит компании
Samsung, создавшей ЖК панель с диагональю в 95 (241 см).
Для генерации светового потока в ЖКЭ применяют устройство задней
подсветки, содержащее источник излучения (в настоящее время это в основном светодиоды), светораспределитель или светорассеиватель и отражатель.
Использование светодиодов дает возможность избавиться от вредной для
окружающей среды ртути, находящейся в электролюминесцентных лампах
подсветки. Сегодня известно два варианта устройств светодиодной подсветки. Первый – это прямая подсветка, когда светодиоды расположены по всей
тыльной стороне ЖК-панели, а второй – контурный, когда светодиоды размещены по контуру панели, а свет распределяется по площади экрана через
световоды. Очевидно, дисплеи с контурной подсветкой могут быть тоньше,
но прямая подсветка обеспечивает более точное локальное распределение
светового потока, что повышает контрастность и улучшает общее качество
изображения.
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
98
Ценность использования жидких кристаллов (ЖК) для отдельных применений в телепроизводстве несколько снижается из-за достаточно большого
времени релаксации, достигающего нескольких мс.
Дальнейшее развитие воспроизводящих телевизионных устройств плоского типа, в первую очередь, связано с усовершенствованием ЖКЭ, которое
направлено на увеличение их геометрических размеров, расширение интервала рабочих температур, упрощение технологии изготовления. Одним из
способов усовершенствования подобных экранов является использование сегнетоэлектрического ЖК, который получают путем смешивания различных
жидкокристаллических соединений (в основном на основе фтора). Молекулы
сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала сохраняют свою
ориентацию после снятия приложенного напряжения, благодаря чему в экранах на их основе можно использовать простую матричную схему адресации и
тем самым упростить устройство управления ЖКЭ. Сегнетоэлектрические
ЖКЭ характеризуются высокими быстродействием (время отклика в пределах
10 мкс) и контрастом, который достигает значение 100. В целом сегнетоэлектрические ЖКЭ обеспечат более высокое качество воспроизводимых телевизионных изображений по сравнению с ЖКЭ с активной матричной адресацией
на тонкопленочных транзисторах при гораздо более низкой стоимости.
Если говорить о новых важных технологиях, используемых при изготовлении ЖКЭ, то это, в первую очередь, применение IGZO слоя. Данная аббревиатура обозначает Indium gallium zinc oxide, или оксид индия, галлия и
цинка. IGZO – это полупроводниковый материал, совместно разработанный
корпорацией Sharp и компанией Semiconductor Energy Laboratories. Его можно использовать как слой для изготовления прозрачных тонкопленочных
транзисторов. Он заменяет аморфный кремний в активном слое ЖКЭ, а поскольку движение электронов в нем более активно, чем в аморфном кремнии,
современная технология позволяет улучшить энергоэффективность устройства отображения в целом за счет уменьшения энергии, требуемой для
управления жидкими кристаллами во время отображения считанных изображений. Кроме того, панель на основе IGZO может содержать уменьшенные
по размеру тонкопленочные транзисторы, обеспечивающие лучшее светопропускание и увеличенную плотность пикселей, что в значительной степени
сказывается на общем качестве изображения.
Весьма перспективным является применение в телевизионных экранах
капсулированных ЖК, т. е. специальных пленок, в которых ЖК диспергированы в полимерной матрице. При этом средний размер капель ЖК составляет
3…4 мкм, форма капель практически сферическая. Воспроизводящие
устройства на подобных пленках успешно конкурируют с ЖКЭ, использующими сплошной слой ЖК. Особенно это относится к случаям, когда необходимо получить телевизионные экраны большой площади с малым (порядка
мс) временем срабатывания.
Тем не менее, уже сейчас ЖКЭ в общем количестве только телевизионных воспроизводящих устройств плоского типа составляют более 50%. Если
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
99
исключить дополнительные источники света, то сам по себе ЖКЭ, работа которого основана на электрооптических эффектах в ЖК, является пассивным
устройством, индицирующим изображение за счет модуляции внешнего светового потока. Выбор конкретного конструктивно-технологического варианта ЖКЭ зависит от вида используемого ЖК и электрооптического эффекта в
нем, а также способа адресации элементов отображаемой матрицы.
Типовой плоский ЖК-дисплей сегодня имеет яркость 300…350 кд/м2.
В зарубежной литературе для обозначения воспроизводящих устройств
на основе ЖК используется аббревиатура LCD – Liquid Crystal Display;
для создания воспроизводящих устройств большого размера достаточ-
но эффективным является использование современной плазменной технологии, которая позволяет конструировать плоские и достаточно легкие мониторы толщиной всего около 10 см. Например, в бытовых телевизорах с размерами экрана 35…60 дюймов (т. е. 90…152 см) по диагонали все чаще начинают применяться плазменные панели (PDP – Plasma Display Panel). Кроме
того, плазменная техника используется и для изготовления больших плоских
экранов, подвешиваемых на стену, как картина. Первые промышленные модели плазменных панелей (ПП) были разработаны японской компанией Fujitsu десять лет назад и сначала использовались как информационные табло.
Сейчас лидирующее место в производстве плазменных панелей занимает
японская корпорация Pioneer, которая продолжает совершенствовать продукцию, предназначенную для массового производства. Дальнейшее увеличение
размеров плазменных панелей в принципе возможно, но сдерживается быстро
нарастающим энергопотреблением и прогрессирующим нарастанием массы.
Срок службы плазменных панелей практически достигает 30 000 часов.
Современная плазменная технология позволяет воспроизводить изображения абсолютно лишенные мерцания, так как каждый элемент (пиксель)
изображения светится практически постоянно в соответствии с управляющим сигналом (а не тогда, когда на него попадает поток электронов, как в
ЭЛT). Плазменные панели нечувствительны к электромагнитным полям, их
яркость значительно выше, чем яркость ЭЛТ. Плазменные панели совершенно плоские, что устраняет проблемы с геометрическими искажениями. Благодаря линейной матричной структуре экрана плазменной панели и не пропускающей ультрафиолетовое излучение пленки, покрывающей переднюю
поверхность, на мониторе отсутствуют нелинейные искажения изображения
и вредные для глаз излучения, характерные для традиционных, кинескопных
мониторов. Плазменные панели выгодно отличаются от них широтой комфортного просмотра (угол обзора 160°), более контрастным изображением.
Нет и спада яркости изображения от центра к краям экрана, характерного для
проекционных телевизоров.
В настоящее время изображение на плазменном экране считается одним
из наиболее ярких (до 900 кд/м2) с контрастом, достигающим 400…1000.
К недостаткам ПП, в первую очередь, следует отнести высокое энергопотребление. От собственного аккумулятора устройство воспроизведения изоб-
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
100
ражений с таким экраном вряд ли проработает даже час. Применение плазменного экрана само собой подразумевает наличие электрической розетки в
радиусе нескольких метров. Кроме того, существенным недостатком плазменных устройств воспроизведения является относительно большой размер
единичного элемента изображения (пикселя). Размер пикселя в плазменной
панели определяется минимальными физическими размерами газоразрядной
ячейки и не может быть менее 0,80,8 мм. К сожалению, высокое энергопотребление ограничивает использование PDP в мобильных устройствах;
наконец, к самым последним разработкам в области воспроизводящих
устройств с размерами экрана в пределах одного метра по диагонали относятся более тонкие по сравнению с ЖК-панелями, и даже гибкие OLED (Organic Light Emitting Display) устройства, то есть дисплеи на органических
светодиодах. OLED-устройства – это очень тонкие воспроизводящие устройства, испускающие свет за счет электролюминесценции. По мнению специалистов OLED-технология имеет значительно бóльший потенциал для увеличения разрешающей способности по сравнению с ЖКЭ. Например, разработанная специалистами компании EPSON технология производства OLEDдисплеев методом струйной печати уже на начальном этапе своего развития
позволяет достичь разрешающей способности в 8 пикселей на 1 мм – и это не
предел. Следует также отметить, что и по другим качественным показателям
воспроизводимых изображений OLED-дисплеи превосходят ЖКЭ. Например, OLED-технология обеспечивает высокую яркость и контрастность получаемых изображений, а также очень большой эффективный угол обзора
(как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости) приближающийся к
идеальному значению в 180º. При этом полноцветные OLED-дисплеи имеют
цветовой охват на уровне лучших кинескопов и обеспечивают значительно
более точное воспроизведение цветов по сравнению даже с самыми современными моделями ЖКЭ (рис. 3.13).
Основным конкурентом для ЖКЭ на ближайшее время являются OLEDдисплеи. Они светоэмиссионные по природе и не требуют задней подсветки.
Для OLED-дисплеев не нужны встроенные цветные фильтры и поляризационные пленки. Их конструкция может быть очень тонкой и легкой, а технология производства – дешевле, чем технология жидкокристаллических дисплеев. OLED-дисплеи имеют высокую яркость, контраст и разрешение. Лучшее, чем у жидкокристаллических дисплеев, быстродействие и бóльший
(свыше 160) угол обзора. Потребляемая OLED-дисплеями мощность меньше, чем у аналогичных по площади жидкокристаллических дисплеев с задней
подсветкой, а изображение сохраняет высокий контраст, как в темноте, так и
на свету.
Особый интерес представляют плоские воспроизводящие устройства
телевизионного типа на основе матричных автоэлектронных катодов, в которых, как и в обычных ЭЛТ, используется люминофор, светящийся под
воздействием электронного луча. Для обозначения подобных дисплеев используется аббревиатура FED (Field Emission Display – дисплей с авто-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]