Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
101
Рис. 3.13. Цветовой охват OLED-дисплея в сравнении
с цветовым охватом стандартом США (NTSC)
электронной эмиссией [25]. Проблема создания ненакаливаемого автоэлектронного катода и средств отображения визуальной информации на его основе – одна из центральных в современной электронике. В этом случае
электронная система представляет собой множество (по количеству пикселей) триодов с одним общим эквипотенциальным анодом, который покрыт
низковольтным катодолюминофором. Катодно-«сеточная» система имеет
планарное исполнение, расположена на стеклянной пластине и представляет
собой две взаимно перпендикулярные группы управляющих электродов,
образующих матричную систему адресации. По КПД такие воспроизводящие устройства превосходят ЖКЭ, поскольку они работают по принципу
самовозбуждения, в них не нужна подсветка. Кроме того, в отличие от ЖКЭ
воспроизводящие устройства на автоэлектронных катодах просты в изготовлении. Конструктивно подобные экраны оформляются в стеклянном
плоском оформлении толщиной 2 мм. В перспективе предусмотрено создание сверхэкономичных с высокой яркостью экранов на автоэлектронных катодах, расположенных на активной управляющей подложке, для ТВЧ с диагональю в 1 м с использованием наноконтактов. Примером такой конструкции является плоский базовый элемент, в котором электроны эмитируются с
поверхности тонкой алмазной пленки (рис. 3.14) [26].
На кремниевой подложке формируется тонкая поликристаллическая алмазная пленка толщиной около 10 мкм. Травлением подложки с обратной стороны в кремнии проделывается отверстие диаметром 2 мм. Частично протравливается и алмазная пленка до толщины 2...3 мкм. Затем поверхность алмаза
окисляется и посредством электроразрядной обработки в водородной плазме
на утонченном участке алмазной пленки осаждается водород. Если в глубоком
вакууме между алмазной пленкой и кремниевой подложкой приложить
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
102
напряжение 40 В, то между ними будет течь ток 100 пА, а из тонкой алмазной
пленки – вылетать электроны в количестве, соответствующем току 2 пА.
Несколько лет назад были разработаны дисплеи FED-типа второго поколения, в качестве катодов у которых использовались пучки углеродных нанотрубок, выращиваемых на подложке [27]. Предварительно на нее наносили
графитовый порошок (размеры зерен 3…5 нм), затем подложку с порошком
выдерживали несколько минут в среде под давлением при определенной
температуре. В результате из графитовых зерен формировались нанотрубки
(большие молекулы, состоящие из атомов углерода, образующих каркасные
структуры) диаметром 20 нм и длиной до 100 нм, обладающие свойством холодной эмиссии под действием анодного напряжения. FED второго поколения оказались гораздо более дешевыми в производстве и достаточно стабильными (ресурс более 20 тысяч часов).
К числу основных достоинств приборов этого типа следует отнести высокую яркость воспроизводимого цветного изображения, большой угол диаграммы направленности излучения, малую инерционность.
Дисплей аналогичной конструкции, но с пленочными катодами из оксида палладия и анодом на основе окиси алюминия с люминофорами был разработан специалистами фирмы Canon на базе технологии SED (Surfaceconduction Electron-emitter Display – дисплей на основе эмиссии электронов с
проводящей поверхности).
Конструкция SED-устройства представлена на рис. 3.15 [27]. Главное
преимущество дисплея нового типа заключается в возможности управления
холодной эмиссией низким напряжением Uf. Для этого в катодный слой введены управляющие электроды, расположенные на минимальном (несколько
нанометров) расстоянии от катодов. При подаче управляющего напряжения
Uf = 15 В образуется канал проводимости (Electronic tunneling), по которому
электроны эмитируются к управляющему электроду. Но почти все они захватываются электрическим полем, создаваемым анодным напряжением Ua = 10
кВ и попадают на люминофоры покрытия соответствующих субпикселей (R,
G или B) экрана.
Рис. 3.14. Структура плоского базового элемента для дисплеев
с автоэлектронной эмиссией:
1 – алюминиевый электрод; 2 – тонкая алмазная пленка;
3 – кремниевая подложка; 4 – слой поверхностной проводимости
с осажденным водородом; 5 – электроны; 6 – источник питания
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
103
Рис. 3.15. Конструкция дисплея SED-типа
Поскольку SED-дисплей является самосветящимся устройством, его
энергопотребление сравнительно невелико. Преобразование электрической
энергии в свет происходит в нем с эффективностью 5 люменов на Ватт. При
таком КПД SED-панель потребляет не более трети энергии, необходимой
плазменной панели такого же размера, при этом монитор, изготовленный по
технологии SED, будет тоньше ЖКЭ. Промышленные образцы SEDмониторов имеют очень высокую контрастность (до 100 000:1), хорошую
цветопередачу, угол обзора в 180 практически без каких-либо потерь качества воспроизводимого изображения, минимальное время отклика, при котором не будет смазываться изображение при резких сменах сцен.
Ожидается, что в ближайшем будущем плоские воспроизводящие
устройства нового типа найдут самое широкое применение, как в дисплеях
персональных компьютеров, так и в телевизорах.
Технология производства цифровых видеопроекторов, обеспечивающих
воспроизведение больших по размерам изображений высокой четкости, уже
сегодня достигла высочайшего уровня и продолжает развиваться.
Наиболее широкое применение получили видеопроекторы следующих
типов [24]:
видеопроекторы, основанные на LCoS (Liquid Crystal on Silicon ‒
жидкие кристаллы на кремнии) – технологии. Центральной частью LCoS –
устройства является жидкокристаллическая матрица (микродисплей), изготовленная на кремниевой подложке (там же расположены и управляющие
работой ячеек транзисторы). Однако в отличие от классической проекционной
жидкокристаллической технологии, в данном случае микродисплей работает
на отражение, а не на пропускание. При этом LСoS-технология имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными LCD-матрицами. Например, пиксели
микродисплея LСoS характеризуются меньшим временем реакции, и за счет
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
104
того, что транзисторы микродисплея расположены под ячейками субпикселей
и не препятствуют прохождению света, – и значительно бóльшей апертурой.
По мнению специалистов, реализация технических решений на базе технологий LCoS позволяет создавать относительно недорогие и высококачественные телевизионные проекционные устройства.
Например, фирмой Sony на основе матриц типа LCoS уже разработан
видеопроектор с разрешением воспроизводимых изображений 4К, т. е.
40962160 пикселей соответственно в горизонтальном и вертикальном
направлениях, и контрастом, равным 2000. Разновидностью видеопроекторов, использующих LCoS технологию, являются проекционные устройства
D-ILA (Direct Image Light Amplifier – прямой усилитель света от изображения) типа, разработанные фирмой JVC. Буква D (от слова direct) означает, что
изображение появляется непосредственно на жидкокристаллической панели
без ЭЛТ. Конструкция D-ILA проекторов базируется на новшествах в разработках КМОП-микросхем и жидкокристаллических приборов, что позволяет
уже сегодня воспроизводить изображения, которые по качеству не уступают
лучшим киноизображениям.
Сфера применения видеопроекторов подобных моделей не ограничивается только цифровыми кинотеатрами с большими экранами. Они могут
применяться также в центрах управления различными процессами, ситуационных центрах, в системах визуализации компьютерной графики, планетариях, музеях и т. п. Альтернативным вариантом использования видеопроектора с разрешением 4К является полиэкранное отображение, при котором
четыре HD телевизионных изображения выводятся одновременно в четырех
квадрантах экрана. Размер проекционного экрана для видеопроекторов подобного типа может достигать 1,829…15,497 м по диагонали;
DLP (Digital Light Processing – цифровая обработка света) – проекторы,
основу которых составляет DMD (Digital Micromirror Device – цифровой
микрозеркальный прибор) – матрицы из подвижных микрозеркал, управляемых видеосигналом, которые освещаются мощными источниками света основных цветов RGB и работают на отражение. При сопоставимых яркости и
разрешении с LCD-проектором DLP-устройства лучше воспроизводят черный цвет и в гораздо меньшей степени имеют «мозаичность» изображения,
однако, получаемые в этом случае изображения обладают меньшей насыщенностью.
Видеопроекторы DLP-типа разработаны в США корпорацией Texas Instruments и в настоящее время по лицензионным соглашениям выпускаются
рядом фирм, например Barco (Бельгия), Christie Digital Systems (США) и Nec
Viewtechnology (Япония). Достижения в этом секторе видеопроекторов сводятся к появлению моделей со световым потоком 30 000 лм, использующих
ксеноновую лампу X-6300 мощностью 6,3 кВт.
Конструкция DLP-устройств обеспечивает точность и простоту прецизионного совмещения одинаковых изображений от двух видеопроекторов на
одном экране. Предусмотрена работа проектора без внешнего видеопроцес-
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
105
сора в режимах Picture-in-Picture (PiP – «картинка в картинке»), который позволяет в дополнение к просматриваемой программе одновременно воспроизводить изображение другой программы в углу экрана в небольшом прямоугольном окне (в принципе, DLP-проектор может обеспечить одновременное
отображение на экране изображений от четырех источников информации в
режиме PiP), и Scenergix для обслуживания выбираемой части большого полиэкрана с обеспечением незаметности «склеек» его составных частей
(функция Edge Blending).
В видеопроекторах DLP, D-ILA типов в качестве внешних источников
света применяются три типа ламп: галогенные накапливания, дуговые металлогалогенные низкого или сверхвысокого давления внутри колбы (порядка
100 атмосфер). Срок службы первых (H) обычно 50 часов, вторых (MH) – до
3 тысяч часов, а третьих (UHP – Ultra High Pressure) – до 6 тысяч часов. При
этом последние обеспечивают примерно вчетверо и вдвое бóльшую световую
отдачу (свыше 100 лм/Вт) по сравнению с лампами Н и МН соответственно.
К важнейшим светотехническим параметрам видеопроекторов относится усредненная величина светового потока при проекции белого поля, выражаемая в специально введенной для этого в США и принятой всеми производителями проекторов единице измерения ANSI-лм. Световые потоки в ANSI-
лм вычисляются как полусреднее значение освещенностей в люксах, измеренных в девяти зонах, равномерно распределенных по контрольному экрану
площадью 0,5 м2. При измерениях этот экран должен находиться на расстоянии минимальной дистанции фокусировки от видеопроектора. В зависимости
от условий наблюдения проецируемых изображений световой поток проекторов должен находиться в пределах (200…600) ANSI-лм. Если же в паспортных данных видеопроектора приведена освещенность в люксах, то она
относится только к центру экрана, а на краях может быть в несколько раз
меньше. В большинстве конструкций проекторов светотехнический показатель в ANSI-лм оказывается в 3…5 раз меньше, чем в люксах.
В последние годы объемы продаж плазменных панелей стали уменьшаться, и наметилась тенденция вытеснения большеэкранных (с диагональю
более 50) плазменных телевизоров проекционными, которые как показала
практика, оказались более удобными при инсталляциях и обслуживании. В
современных проекционных телевизорах, как правило, используются одночиповые DLP-проекторы с источником света на основе полупроводниковых
лазеров фирмы Novalux. Такие телевизоры занимают все более заметный
сектор рынка, и их выпускают несколько фирм, например, Mitsubishi, Sony
(Япония) и Arasor (Австралия);
системы полиэкранного отображения. Мониторинг качественных пока-
зателей телевизионного изображения является крайне важной задачей в процессе современного телепроизводства. При этом количество программ,
транслируемых из одного вещательного центра, может исчисляться десятками. По мере роста количества программ, числа источников сигнала растет
потребность и в многочисленных устройствах отображения. Однако установ-
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
106
ка отдельного монитора для каждого сигнала сопряжена со значительными
трудностями. Во-первых, это просто дорого. Во-вторых, видеомониторы занимают много места, а его, как правило, всегда не хватает. Можно также
представить себе количество кабелей, которые нужно подвести к мониторному стеллажу. Нельзя забывать и об энергопотреблении видеомониторной
стены. В случае же с ПТС ситуация становится близкой к критической. Требуется также дополнительный коммутатор видеосигналов, чтобы можно было оперативно менять конфигурацию видеомониторной стены. Причем на
мониторы необходимо выводить не только телевизионные изображения, но и
сопутствующую информацию (метаданные, например, идентификатор источника сигнала).
Совокупность вышеназванных проблем подтолкнула разработчиков телевизионного оборудования к созданию систем полиэкранного оборудования. Различные компании называют их по-разному: Multi-Image Processor,
Multiviewer, Multi-Screen и т. д. Но суть от этого не меняется. Задача такого
устройства – принять на входе несколько видеосигналов и отобразить их на
подключенном мониторе одновременно. В простейшем случае речь идет о
делении экрана монитора на четыре равные части (окна), в каждой из которых отображается один из четырех поданных на процессор сигналов.
По мере развития плоскоэкранных мониторов, особенно выполненных
на базе жидких кристаллов, стало возможным выводить на экран и большее
количество окон, а также динамически менять их размер, положение на
экране и т. д. Поскольку полиэкранные процессоры являются, по сути, компьютерами с платами ввода/вывода сигналов, они дают возможность выводить на экран не только изображения, но и идентификаторы источников
сигналов, а также ассоциированные с видео метаданные и звук. Таким образом, один процессор и большой плоскоэкранный дисплей способны заменить несколько традиционных видеомониторов и коммутатор сигналов.
Несомненно, необходимость в подобных системах возникла одновременно с появлением многоканальных вещательных центров, потребовавших
достаточно широких возможностей мониторинга, в том числе и гибкости в
конфигурировании системы отображения по мере изменения числа транслируемых программ. Все это привело к тому, что в настоящее время технология полиэкранного отображения широко применяется практически во
всех современных вещательных комплексах. Она особенно эффективна для
операторов централизованного вещания, когда в один большой центр поступают телепрограммы от многочисленных малых станций.
Наиболее совершенные полиэкранные процессоры к тому же хорошо
интегрируются с системами управления комплексом, позволяя оператору
осуществлять детальный мониторинг каждого из имеющихся сигналов в
любой точке тракта, по которому он проходит в рамках технологической
цепи. Некоторые процессоры обладают еще более широкими функциями,
поскольку способны взаимодействовать с системами автоматизации вещания, от которых они получают соответствующую информацию о транслиру-
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
107
, , ,i i R G B Y ij j j
c
ij
c
j
j
780
380
i i i
U K E d
1
ii
i
U
K
i
емой программе и отображают ее. Это может быть название клипа и его
хронометраж. Причем используемый в производственной телевизионной
инфраструктуре процессор должен обеспечить отображение видео с минимальной задержкой, высокой точностью и без артефактов обработки.
3.3.7. Цветовые искажения в тракте «от света до света»
Датчиками сигналов цветных телевизионных изображений (кроме специальных измерительных генераторов) являются студийные телевизионные и
внестудийные видеокамеры. К настоящему времени преимущественно все
цветные телекамеры построены на ПЗС-матрицах или КМОП-структурах.
Одной из важнейших характеристик этих датчиков являются сквозные спектральные характеристики, которые можно описать следующим образом:
где
– элементы матрицы цветокоррекции;
ристики пропускания оптических узлов датчика;
, (3.28)
– спектральные характе-
– спектральные ха-
рактеристики чувствительности фотопреобразователя датчика.
Измерение спектральных сквозных характеристик датчиков ЦТ сигналов
телецентра необходимо для того, чтобы установить отличие этих характеристик от заданных, определить вариации их во время работы фотопреобразователя датчика и в зависимости от изменений режимов работы получить
исходные данные для расчетов по определению верности передачи и воспроизведения цвета в системе ЦТ. Последнее особенно полезно для сравнения с
результатами непосредственного объективного колориметрирования цветного образца в студии и его изображения на экране монитора телецентра или на
экране телеприемника у зрителя.
Сигналы на выходе датчика ЦТ можно представить как:
, (3.29)
где Кi – коэффициент передачи цветного канала датчика; Е() – спектральное
распределение энергии источника освещения; () – спектральная характеристика отражения объекта.
Измерение сигналов на выходе ЦТ датчика в зависимости от длины волны света дает сквозную спектральную характеристику датчика с точностью
до поправочного коэффициента.
Этот поправочный коэффициент будет равен обратной величине произведения Е()():
где
– поправочный коэффициент.
, (3.30)
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
108
1 2 3
4 5 6
7 8 9
R
G
B
x
a a a
a a a y
a a a
z
,,x y z
19
aa
i
Известны некоторые методики измерения сквозных спектральных ха-
рактеристик датчиков ЦТ [28].
При выборе методики и аппаратуры измерений сквозных характеристик
необходимо иметь в виду, что они должны быть определены без введения каких-либо дополнительных изменений в существующую аппаратуру телецентра.
Соотношения (3.28) выведены по идеализированной математической
модели системы ЦТ «от света до света» и устанавливают строгую «колориметричность» спектральных характеристик ЦТ датчика:
где
1931 г. (х, у);
циями координат цветности треугольника основных цветов эталонного экрана монитора и опорного белого цвета.
Физический смысл характеристик (3.31) состоит в том, что их ординаты
для каждой длины волны света указывают количества, в которых нужно
смешать первичные цвета эталонного экрана монитора, чтобы получить цвет
передаваемого объекта, который предполагается в виде монохроматического
источника на той же длине волны. Как показывают расчеты, проведенные по
(3.31), на характеристиках нет ни одной длины волны, где не было бы орди-
нат с отрицательными значениями каких-либо кривых
нельзя получить насыщенный цвет монохроматического источника, смеши-
вая световые потоки широкополосных излучателей (основных цветов экрана
монитора). В подобном случае в классических визуальных колориметрах
необходимо «разбавлять» монохроматическое излучение одним из широкополосных.
Понятно, что никакие реальные ЦТ датчики не могут реализовать спектральные характеристики (3.31), во-первых, из-за наличия отрицательных
участков, а во-вторых, из-за вариаций формы сквозных спектральных характеристик. Следует отметить, что характеристики (3.31) предполагают наличие одного и того же опорного белого цвета на приемной и передающей сторонах. Практически камеры настраивают на «студийный» или «внестудийный» опорный белый цвет. В тоже время цветные видеоконтрольные устройства (или телеприемник) настраивают на эталонный опорный белый цвет
(например, D
6500
).
К неравенству опорного белого цвета приводит также процесс расстройки
ЦТ камер, когда регулируются уровни черного и коэффициенты передачи цветовых каналов, а на приемной стороне – уровень яркости и контрастности.
Наиболее распространенной математической моделью для оценки цветовых искажений является матрица перехода от сигналов датчика (3.29) к
цветовым координатам МКО 1960, в которой и происходит оценка цветовых
искажений. Эта матрица имеет следующий вид:
, (3.31)
– кривые сложения колориметрической системы МКО
– коэффициенты, являющиеся алгебраическими функ-
. Это и понятно:
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
109
1 2 3
4 5 6
7 8 9
R
G
B
U b b b U
V b b b U
W b b b U
00
00
,
.
R G B
R G B
U U U U
V V V V
00
1
0 1 2 5 8R
U b b b b
0 4 2 5 8R
V b b b b
0 1 4 7 2 5 8
0 3 6 9 2 5 8
.
,
,
,
R G R G
b b b b b b
b b b b b b
U U V U
1
2
3
4
,
,
,
B G w
R B w
G R w
G B w
b v v u
b v v u
b v v u
b v v u
н
н
н
нн
и н н н ц ц
ии
,
,
,
, , ,
R R G G B B
R R G G B B
R R G G B B
X x U x U x U
Y y U y U y U
Z z U z U z U
XY
m X Y Z x y
mm
. (3.32)
Однако при расчетах лучше задаваться не сигналами ЦТ датчика (3.29),
а их отношениями. В связи с этим более удобна математическая модель, где
можно сразу найти координаты цветности (в любой колориметрической системе) по отношению сигналов. Выразим (3.31) в координатах цветности u и
v. После некоторых преобразований получим:
где
;
;
(3.33)
и т. д.
Коэффициенты 0, 0 и , определяются из следующих выражений:
Для определения зависимостей коэффициентов b1…b9, от координат
цветности основных цветов экрана монитора и опорного белого цвета ui, vi,
uw, vw можно воспользоваться выражениями для 0 и 0 приведенными в [28],
тогда:
и т. д.
При отсутствии спектральных характеристик излучения основных цветов экрана телевизионного приемника можно использовать следующие формулы для вычисления значений цветности на экране в зависимости от сигналов датчиков видеосигналов:
(3.34)
где xR, yR, zR, xG, yG, zG, xB, yB, zB – координаты цветности основных цветов
экрана телевизора; xц, yц – координаты цветности «изображения».
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
110
3.3.8. Способы уменьшения влияния внешней засветки
на качественные показатели телевизионных изображений
Несмотря на технический прогресс в области телевизионной техники,
который улучшает качество воспроизводимых изображений, существует
фактор, ухудшающий цветовосприятие с экрана телевизора. Этим фактором
является внешняя засветка во время просмотра телепередач в дневное время
суток, очень мало зависимая от человека. В то же время уровень засветки и
цветовая температура ее оптического спектра зависят от погодных условий.
В вечернее время суток человек может в определенной степени регулировать
уровень освещения помещения, в котором производится просмотр телепередач. Рассмотрим физический процесс, возникающий при этом.
На рис. 3.16 изображены относительные распределения энергии в спектре дневного солнечного света [6].
Для примера, предположим, что в помещении, где производится просмотр телепередач, в качестве источника света включена лампа накаливания
(источник белого цвета А). Учитывая спектральные характеристики синего,
зеленого и красного фильтров жидкокристаллической панели (рис. 3.13) и
спектр излучения источника «А», можно установить, что воспроизводимые
на экране телевизора изображения будут окрашиваться в «желто-красные»
тона. Конечно, в этом случае не будет аддитивного процесса сложения цветов экрана телеприемника и цвета источника внешнего освещения. Происходящий здесь процесс будет значительно более сложным. Его можно назвать
аддитивно-субтрактивным сложением цветов, поскольку часть спектра источника внешнего освещения поглощается экраном телевизора, а часть – отражается и при этом складывается с излучением экрана. При этом цветность
изображения на экране телеприемника сдвигается в желтую область.
Рис. 3.16. Распределение энергии в спектре дневного солнечного света:
1 – цвет неба; 2 – облачное небо; 3 – безоблачное небо; 4 – прямой солнечный свет
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]