Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
111
Рис. 3.17. Функциональная схема выходных каскадов,
формирующих цветовые сигналы
Итак, существует проблема цветовых искажений, которые никак нельзя
решить методом улучшения качественных характеристик, как канала связи,
так и аппаратуры телецентра и телевизионных приемников. В настоящее
время выпускаются интеллектуальные телевизоры, особенность функционирования которых заключается в том, что на переднюю панель телевизора
установлен фотометр, измеряющий яркость внешнего освещения. В этом
случае в зависимости от измеренной яркости в воспроизводящем устройстве
автоматически регулируется яркость и контрастность телевизионного изображения, что в некоторой степени снимает часть обозначенной проблемы.
Для полного решения данной проблемы необходимо знать либо оптический спектр интегрального излучения источника внешней засветки, либо
знать координаты цвета этого излучения (по оптическому спектру легко
можно определить эти координаты). Использовать спектрофотометр в телевизоре неоправданно дорогое решение этой проблемы, да и время измерения
спектра и время расчета координат может оказаться достаточно большим. В
этом отношении лучшего результата можно достичь с помощью обычного
фотоэлектрического трехцветного колориметра параллельного действия,
принцип работы которого будет описан в подразделе 4.3. Особо высокой
точности измерения здесь не требуется, и будет вполне достаточно
0,05…0,1% от измеряемой величины цветности по координатам x и y. Подобный колориметр должен быть непременно параллельного типа, то есть на его
электрических выходах должны всегда присутствовать сигналы текущего
измерения координат цвета внешнего излучения.
Схема выходных каскадов формирования цветовых сигналов будет
иметь вид, представленный на рис. 3.17.
Рассмотрим работу данной схемы. Сигналы с видеодетектора (или с
матрицы) ER, EG и EB поступают на арифметическое устройство для вычисле-
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
112
0
0
0
R G B R
R G B G
R G B B
X x x x E
Y y y y E
Z z z z E
ния координат цвета элемента изображения. Эти вычисления производятся
по формуле, представленной в матричной форме:
. (3.35)
Данное выражение справедливо для воспроизводящего устройства телевизора с линейной градационной характеристикой. В случае наличия нелинейности необходимо значения сигналов ER, EG и EB возвести в степень R, G и B.
Далее, вычисленные координаты цвета X0, Y0 и Z0 поступают в блок вычисления воспринимаемых координат цвета под воздействием влияния
внешнего источника освещения, координаты которого, измеренные колориметром, X, Y, Z также поступают в этот же блок, фактически являющийся моделью устройства хроматической адаптации. На выходе данного блока получаем координаты цвета, которые воспринимаются нашим мозгом при восприятии телевизионного изображения. В зависимости от координат цвета
внешнего источника освещения полученные координаты будут сдвинуты в
любую область цветов, но зрителю необходимо, чтобы были вычислены координаты цвета, сдвинутые в противоположную сторону таким образом, что
они будут находиться в пределах цветового треугольника основных цветов
приемника. В противном случае воспроизвести этот цвет не удается. Эта
«инверсия координат» производится в блоке «Вычисление необходимых координат», на выходе которого получаем значения координат X2, Y2 и Z2.
Зная необходимые координаты цвета, из выражения (3.35) находятся необходимые величины сигналов ER, EG, EB, которые управляют работой экрана
телевизора, воспроизводя при этом несколько другой цвет, а за счет внешней
засветки мозг телезрителя будет воспринимать первоначальный (или почти
первоначальный) цвет. Таким образом, можно в значительной степени скорректировать и уменьшить уровень цветовых искажений, воспринимаемых сознанием человека [29].
Возможен и второй способ решения данной проблемы, состоящей в том,
что вычислительные блоки (рис. 3.18) заменяются блоком постоянной памяти (ПЗУ), в котором записаны значения требуемых величин видеосигнала.
Структурная схема реализации этого способа приведена на рис. 3.18.
При этом очень важным является определение необходимого объема
памяти ПЗУ. Пусть количество цветов, которое воспроизводится телевизором равно пятьсот тысяч, а количество типов источников внешнего освещения не превышает пятидесяти. Тогда при 8-битном кодировании видеосигнала необходимый объем постоянного запоминающего устройства должен
составлять: 500 00050 = 25 000 000 байт или 25 Мегабайт, что вполне приемлемо.
Таким образом, использованием прибора, способного измерить координаты цвета и яркость источника внешней засветки, можно в значительной степени повысить качество восприятия цветного телевизионного изображения.
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
113
Рис. 3.18. Функциональная схема устройства коррекции цветовых искажений
с применением постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)
3.4. Восприятие цвета в телевидении
3.4.1. Модели хроматической адаптации
Цветовое восприятие означает не сам процесс зрительной перцепции
цветовых стимулов, а конечный результат этого процесса.
Прежде чем рассматривать модели хроматической адаптации, определим смысл термина адаптация. Адаптация – это способность организма менять чувствительность к стимулу в ответ на изменения в условиях стимуляции. Общая концепция адаптации охватывает все области восприятия.
Механизмы адаптации по продолжительности могут быть сверхкороткими (порядка нескольких мсек) или наоборот – сверхдлинными, тянущимися недели, месяцы и даже годы. В целом механизмы адаптации служат понижению чувствительности наблюдателя к стимулу при росте физической интенсивности последнего.
В отношении зрения важны три вида адаптации: световая, темновая и
хроматическая.
Световая адаптация – это процесс понижения чувствительности зрения
по мере роста общего уровня освещения.
Темновая адаптация подобно световой, за исключением того, что процесс идет в обратном направлении, то есть темновая адаптация – это процесс
повышения чувствительности зрения по мере снижения уровня фотометрической яркости.
Процессы световой и темновой адаптации радикально влияют на цветовое восприятие стимула и поэтому учитываются многими моделями цветового восприятия. Однако хроматическая адаптация – самый важный процесс, и
его обязательно должны учитывать все модели цветового восприятия.
Рис. 3.19 иллюстрирует основной механизм «хроматической адаптации».
Хроматическая адаптация – это процесс в значительной мере независимой регулировки чувствительности механизмов цветового зрения [30].
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
114
Рис. 3.19. Функциональная схема процесса
«хроматической адаптации»
Хроматическая адаптация – это одно из важнейших свойств зрительной
системы человека. Это имеет непосредственное отношение к моделированию
цветового восприятия.
Отметим, что модели хроматической адаптации, описание которых приведено в данной главе, хоть и позволяют вычислять согласованные цветовые
стимулы, но при этом не являются моделями цветового восприятия, поскольку не оперируют предикторами, то есть предсказателями его атрибутов
(признаков), которыми являются величины светлоты, насыщенности и цвето-
вого тона. В тоже время, модели пригодны для прогноза цветовых соответствий при изменении условий просмотра. Таким образом, модели хроматической адаптации – это серьезное расширение трехстимульной колориметрии,
востребованное во многих областях науки и техники, и основа всех существующих моделей цветового восприятия.
Любая физиологически правдоподобная модель хроматической адаптации должна работать с величинами, представляющими колбочковые ответы.
Это означает, в приложениях, для которых критично использование МКОтрехстимульной колориметрии, прежде всего, необходимо выполнить преобразование МКО-трехстимульных значений (XYZ) в колбочковые ответы
(обычно обозначаются как LMS, RGB или – в зависимости от той или
иной конкретной модели).
3.4.2. Модель хроматической адаптации фон Криза
Все действующие современные модели хроматической адаптации концептуально и математически уходят к идеям Иоганнеса фон Криза (1902). В
3.4. Восприятие цвета в телевидении
115
aL
L k L
aM
M k M
aS
S k S
на max на белый
1 или 1
LL
k L k L
на max на белый
1 или 1
MM
k M k M
на max на белый
1 или 1
SS
k S k S
21на max1 на max2
L L L L
21на max1 на max2
M M M M
21на max1 на max2
S S S S
свое время фон Криз высказал ряд гипотез, которые сегодня переживают
возрождение.
Ученый предложил простую модель хроматической адаптации. На самом деле фон Криз не предлагал, какого-то ни было набора уравнений. Свои
идеи он выразил лишь словесно [16]: «Можно полагать, что отдельные компоненты органа зрения полностью независимы друг от друга, и каждый
утомлен или адаптирован исключительно в рамках своей функции».
Принято считать, что идеи фон Криза – это распространение гроссмановских законов аддитивного смешения цветовых стимулов на ситуацию перехода от одних условий просмотра к другим.
Современное толкование гипотез фон Криза в контексте моделей хроматической адаптации выражается следующими уравнениями (3.36…3.38) [13]:
, (3.36)
, (3.37)
, (3.38)
где L, M и S – исходные колбочковые ответы; kL, kM, kS – коэффициенты шкалирования исходных колбочковых сигналов; Lа, Mа, Sа – постадапционные
колбочковые сигналы.
Уравнения (3.36…3.38) – простая модель хроматической адаптации, основанная на том, что каждый из трех типов колбочек имеет персональный
коэффициент контроля усиления.
Ключевым аспектом подобных моделей является получение специфических значений kL, kM и kS. В большинстве современных интерпретаций фонкризовской модели коэффициенты получены путем инверсии L, М и S-колбочковых ответов на белый стимул (или на стимул максимальной яркости)
данной сцены, как это показано в выражениях (3.39…3.41):
, (3.39)
, (3.40)
. (3.41)
Уравнения (3.39…3.41) – это математическое представление фонкризовского тезиса о том, что «каждый утомлен или адаптирован исключительно в
рамках своей функции» [16]. Эта интерпретация фонкризовских коэффициентов усиления может быть использована при вычислении согласованных
цветовых стимулов для двух разных условий наблюдения путем расчета постадапционных сигналов для первых условий, последующей установки равенства с постадапционными сигналами для вторых условий просмотра и
финальной инверсии модели для вторых условий (формулы 3.42…3.44 ) [13].
, (3.42)
, (3.43)
. (3.44)
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
116
на max
на max
на max
1 0,0 0,0
0,0 1 0,0
0,0 0,0 1
a
a
a
L L L
M M M
S S S
2 на max2
1
2 на max2
2 на max2
на max1 1
на max1 1
на max1 1
0,0 0,0
0,0 0,0
0,0 0,0
1 0,0 0,0
0,0 1 0,0 .
0,0 0,0 1
XL
Y M M
ZS
LX
M M Y
SZ
В ряде случаев модель хроматической адаптации удобнее выражать в
виде матричных преобразований. Матричную интерпретацию фонкризовской
модели показывает уравнение:
В целях вычисления согласованных цветовых стимулов для двух разных
условий просмотра матричное представление можно расширить путем включения в него преобразования МКО-трехстимульных значений XYZ в относительные колбочковые ответы LMS (М-матрица):
Фонкризовский расчет смены хроматической адаптации при переходе от
одних условий просмотра к другим использовался Бренеманом (1987) для
прогнозирования визуальных данных его экспериментов [31].
3.4.3. Модель хроматической адаптации Наятани
Одним из важнейших расширений фонкризовской гипотезы является
нелинейная модель хроматической адаптации, разработанная научной командой Наятани в 1980‒1981 годах. Данная модель была создана на основе
фоновой колориметрии, лежащей в сфере интересов светотехники. Корни
модели берут начало в исследованиях Мак-Адама [32, 33].
Модель Наятани – это универсальная модель, способная к прогнозированию полного набора параметров цветового восприятия в достаточно широком диапазоне условий простора изображений или непосредственно физических объектов.
Нелинейная модель группы Наятани [34] начинается с управлением усиления, идущим по степенной функции. В этой модели фонкризовские коэффициенты пропорциональны максимумам длинно-, средне- и коротковолновых колбочковых ответов, а степень функции зависит от фотометрической яркости адаптирующего поля. Впервые нелинейная функция была заявлена в классической работе Стивенсов [35], посвященной субъективной яркости.
Другой важной и интересной особенностью нелинейной модели является добавка к колбочковым ответам понятие шума, что позволяет моделировать пороговое поведение зрительной системы.
В общем виде модель выражается уравнениями (3.47…3.49).
. (3.45)
(3.46)
3.4. Восприятие цвета в телевидении
117
0
L
n
aL
n
LL
La
LL
0
M
n
aM
n
MM
Ma
MM
0
S
n
aS
n
SS
Sa
SS
, (3.47)
, (3.48)
, (3.49)
где La, Ma и Sa – колбочковые сигналы после адаптации; L, М и S ‒
колбочковые возбуждения; Ln, Мn и Sn – шум; L0, М0 и S0 – колбочковые воз-
буждения по адаптирующему полю; L, M и S – степени монотонно растущих функций соответствующих колбочковых возбуждений по адаптирующему полю; aL, аM и aS – коэффициенты, определенные принципом, что точное цветовое постоянство немаркированного манселловского образца сохраняется, если его коэффициент яркости равен коэффициенту яркости адаптирующего поля.
Версия модели Наятани от 1987 г. [36] была принята МКО в качестве
пробной.
Нелинейная модель Наятани способна прогнозировать эффекты Ханта
(рост полноты цвета по мере роста адаптирующей яркости), Стивенса (рост
светлотного контраста по мере роста яркости) и Хельсона – Д. Джадда (появление цветового тона у немаркированных манселловских образцов при резкохроматичном освещении). Таким образом, модель Наятани – это полноценная модель, способная к прогнозированию полного набора параметров
цветового восприятия в весьма широком диапазоне условий просмотра.
3.4.4. Модель хроматической адаптации Гута
В науке о зрении популярна одна из разновидностей модели Наятани,
разработанная в 1995 году, – модель, описанная Гутом [37, 38].
Гутовская модель не имеет прямого отношения к трехстимульной колориметрии МКО, поскольку колбочковые чувствительности не представлены в
виде линейной трансформации МКО-функций цветового соответствия. Этот
факт создает определенные трудности в реализации модели.
Гутовская модель – это фрагмент зрительной модели ATD, созданной в
результате многолетних усилий по согласованию прогнозов с данными визуальных экспериментов. Большинство этих экспериментов вместо шкалирования по размерностям цветового восприятия основаны на классической пороговой психофизике.
ATD – это модель цветового зрения, учитывающая хроматическую адаптацию, позволяющая прогнозировать субъективно воспринимаемую яркость,
чистоту цвета и цветовой тон. Непосредственно ATD – это аббревиатура от
ахроматического (Achromatic), тританопического (Tritanopic) и дейтеранопи-
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
118
00
1
a r r r
L L L L
0,7
0,66 0,002
r
LL
00
1
a r r r
M M M M
0,7
0,003
r
MM
00
1
a r r r
S S S S
0,7
0,45 0,00135
r
SS
00
1
L r r
k L L
0 0 0 0L r r r r
k L L L L
00L r r
k L L
0Lr
kL
ческого (Deuteranopic) механизмов зрительного восприятия. При этом под
ахроматическим зрением понимается потеря способности различать цвета,
когда окружающий мир воспринимается в сером цвете, имеющем лишь различия яркости в зависимости от спектра воспринимаемого цвета. Под тританопией понимается отклонение от нормального цветовосприятия, которое
проявляется в резком нарушении цветового зрения, характеризующемся
ослаблением восприятия синего цвета. В этом случае человек не различает
синий и зеленый цвета. Дейтеранопия, то есть форма частичной цветовой
слепоты, заключающаяся в понимании чувствительности к некоторым цветам, в основном зеленым встречается у одного процента людей.
В общем виде гутовская модель хроматической адаптации сводится в
уравнения (3.50…3.55):
, (3.53)
, (3.50)
, (3.51)
, (3.52)
, (3.54)
, (3.55)
где La, Ma и Sa – колбочковые сигналы после адаптации; L, М и S – колбочковые возбуждения; Lr0, Мr0 и Sr0 – колбочковые возбуждения по адаптирующему полю после нелинейной компрессии; – некая постоянная, характери-
зующая шумовой фактор. Согласно [16] = 300. Нужно отметить, что колбочковые ответы в этой модели должны выражаться в абсолютных единицах,
поскольку уровень фотометрической яркости не учитывается.
Взаимоотношение гутовской модели с фонкризовской можно выразить с
помощью некой математической манипуляции: если проигнорировать изначальную нелинейность, фонкризовский коэффициент усиления для гутовской
модели может быть выведен из уравнения (3.48) по формуле (3.56)
Взаимоотношения гутовской модели с традиционными фонкризовскими
коэффициентами становятся понятными, если выполнить алгебраическую
замену согласно следующим уравнениям (3.57…3.59):
Разница между моделью Гута и фон Криза в принципе заключена в
наличии шумового фактора .
. (3.56)
, (3.57)
, (3.58)
. (3.59)
3.4. Восприятие цвета в телевидении
119
11
11
11
LX
M M Y
SZ
0,4002 0,7076 0,0808
0,2263 1,1653 0,0457
0,0 0,0 0,9182
M
11
11
11
LL
M A M
SS
В качестве структуры общей зрительной модели, модель Гута вполне
способна к удовлетворительному прогнозированию визуальных данных. Однако для разных условий просмотра и разнообразных визуальных экспериментов модель зачастую требует малых значений в управлении своими параметрами, что привлекательно при попытках прогнозирования различных феноменов зрительного восприятия, но модель совершенно неприемлема в
большинстве прикладных сфер [13].
3.4.5. Модель хроматической адаптации Фершильда
Бренемановские результаты, демонстрирующие неполноту хроматической адаптации, подтолкнули исследователей к проведению ряда экспериментов, целью которых было выявление степени хроматической адаптации к
стимулам различных видов и это было поводом к очередной модификации
фонкризовской гипотезы [38]. Эта модель приобрела способность прогнозировать степень адаптации, основываясь непосредственно на адаптирующем
стимуле.
Эта модель, подобна модели Наятани, полностью совместима с МКОколориметрией, но ориентирована скорее на науку об изображении, нежели
на светотехнику. Приведем краткое описание этой модели Фершильда согласно [16]. Модель сконструирована так, чтобы, с одной стороны, быть простой в обращении, а с другой – включить в себя и когнитивное обесцвечивание осветителя, и эффект Ханта, и неполноту хроматической адаптации.
Математически модель Фершильда формулируется в виде серии матричных преобразований.
Первое преобразование это преобразование CIE-трехстимульных значений XYZ в фундаментальные трехстимульные значения LMS для первых
условий просмотра, как это показано в уравнениях (3.60, 3.61) (преобразование Ханта – Поинтера – Эстевец [16] c нормировкой на D65-осветитель):
хроматической адаптации, учитывающего неполноту последней (уравнения
(3.62…3.66):
, (3.60)
. (3.61)
Далее – применение модифицированного фонкризовского расчета смены
, (3.62)
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
120
0,0 0,0
0,0 0,0
0,0 0,0
L
M
S
a
Aa
a
M M n
a P M
3
nE
E
n E n E n E
MM
m
L L M M S S
1
1
1
a
a
a
LL
M C M
SS
1,0
1,0
1,0
cc
C c c
cc
0,219 0,0784log
n
cY
, (3.63)
, (3.64)
, (3.65)
, (3.66)
где Yn – фотометрическая яркость адаптирующего стимула в кд/м2 (подстрочные индексы n относятся к адаптирующему стимулу, а подстрочные
индексы Е – к равноэнергетическому осветителю); показатель степени v = 1/3.
Переменные р и а для коротко- (S) и длинно- (L) волновых колбочковых
чувствительностей рассчитываются аналогичным образом.
Уравнения неполной хроматической адаптации основаны на аналогич-
ных уравнениях хантовской модели цветового восприятия [39].
Переменные а – это модифицированные фонкризовские коэффициенты;
переменные р представляют долю от полной фонкризовской адаптации и, когда адаптация неполна, то есть не равна единице; p‒значения зависят от яркости адаптирующего стимула и его цвета: если яркость растет – степень
полноты адаптации выше, если цветность адаптирующего стимула удаляется
от нормальной точки (равноэнергетический осветитель) – степень адаптации
снижается [33]. В случае наступления когнитивного обесцвечивания осветителя, переменные pL, рМ и pS равны единице [34].
Уравнения (3.65, 3.66) реализуют данный механизм внутри модели, и
выдаваемые им предикторы вполне адекватны визуальным экспериментальным данным [30, 38, 39].
Завершающим шагом в вычислении постадаптационных сигналов является преобразование, которое по уравнениям (3.67…3.69) позволяет рассчитать яркостно-зависимое взаимодействие между колбочками трех типов:
дели переменные взаимодействия были введены для прогнозирования яркостно-зависимых эффектов. С той же целью С-матрица была включена в
модель Фершильда.
, (3.67)
, (3.68)
. (3.69)
Переменная с, известная как «цепная модель», взята из [39]. В этой мо-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]