Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
3.4. Восприятие цвета в телевидении
121
2
1
22
2
a
a
a
LL
M C M
SS
22
1
222
22
LL
M A M
SS
22
1
22
22
XL
Y M M
ZS
21
1 1 1
2 2 2 1 1 1
21
XX
Y M A C C A M Y
ZZ
Для определения цветностей согласованных стимулов по вторым адаптирующим условиям, для них должны быть получены матрицы «А» и «С»,
затем инвертированы и применены согласно уравнениям (3.70…3.72).
Результирующую модель можно выразить в виде отдельного матричного
уравнения (3.73)
, (3.70)
, (3.71)
, (3.72)
. (3.73)
Дальнейшие эксперименты [39] показали, что C-матрица создавала до-
полнительную нежелательную зависимость от яркости, что приводило к общему сдвигу светлоты. Данный сдвиг не оказывал влияния на качество репродуцирования изображений, поскольку сдвигалось все изображение целиком. Однако С-матрица вводила серьезную систематическую ошибку в предикторы цветов простых одиночных стимулов. В итоге модель была пересмотрена [40] и эта С-матрица исключена.
Данные изменения, наряду с некоторыми упрощениями в уравнениях,
были объединены и заложены в основу последней версии RLAB-модели цветового восприятия, непосредственно используемой при работе с изображениями [41]. RLAB создавалась как простая по структуре модель, способная к
прогнозированию наиболее важных феноменов восприятия в достаточно
практической обстановке.
3.4.6. Семейство CAT моделей хроматической адаптации
В 1998 году CIE приняла модель цветового восприятия CIECAM97, которая задействует модифицированный вариант расчета смены хроматической
адаптации, известный как «Брэдфорское преобразование». По сути Брэдфорская трансформация – это фонкризовский расчет плюс дополнительная степенная нелинейность по синему каналу и оптимизированные колбочковые
чувствительности. Нелинейность по синему каналу создает ряд практических
проблем в плане инверсии СIЕСАМ97s-модели, поэтому акцент был на простых, линейных расчетах смены хроматической адаптации (CAT), построен-
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
122
ад2 ад1
21
1
2 CAT02 ад2 ад1 CAT02 1
21
ад2 ад1
0,0 0,0 1 0,0 0,0
0,0 0,0 0,0 1 0,0
0,0 0,0 0,0 0,0 1
RR
XX
Y M G G M Y
ZZ
BB
CAT02
0,7328 0,4296 0,1624
0,7036 1,6975 0,0061
0,0030 0,0136 0,9834
M
ных путем оптимизации матричного преобразования XYZ в RGB-значения,
выполненного до фонкризовской нормировки [16].
CIECAM97s является полноценной моделью цветового восприятия, спо-
собной прогнозировать широкий диапазон эффектов, зависящих от степени
адаптации, внешнего окружения и яркости. При этом модель неприменима к
экстремально высоким или низким уровням яркости, то есть к условиям, нетипичным для достоверной цветовой оценки. Данная модель получила широкое применение при решении большого количества практических задач.
В работе [42] опубликован обзор линейных моделей смены хроматиче-
ской адаптации (CAT – Chromatic Adaptation Transform), предназначенных
для детального анализа модели CIECAM97s с целью перехода к более усовершенствованной модели CIECAM02. Одним из наиболее существенных
отличий модели CIECAM02 от CIECAM97s является использование линейного расчета смены хроматической адаптации, в результате чего структура
новой модели стала более простой. Фактически на сегодняшний день
CIECAM02 оценивается специалистами ведущей моделью при анализе особенностей цветового восприятия.
Для получения оптимальной матрицы в расчетах были задействованы
различные методики, но все они давали разные предикторы и у каждой были
свои преимущества и недостатки. Оптимальная схема линейного матричного
преобразования найдена, и результаты оказались также хороши, что и у нелинейной CAT, включенной в CIECAM97s. Столь удачный исход привел к
созданию и утверждению техническим комитетом CIE модели цветового
восприятия СIЕСАМ02, использующей линейную CAT.
Международная комиссия по освещению выбрала линейную CAT, основанную на матрице, оптимизированной к широкому диапазону согласованных цветовых стимулов и поддерживающей приблизительную совместимость с нелинейным CIECAM97s-преобразованием. Расчет смены хроматической адаптации, известный как САТ02 приведен в уравнениях (3.74, 3.75).
. (3.75)
, (3.74)
В целом процесс представляет собой фонкризовский расчет, но с тем отличием, что конверсия производится из CIE-трехстимульных значений XYZ в
заостренные колбочковые чувствительности (RGB) по М
CAT02
-матрице.
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ
КООРДИНАТ ЦВЕТА
4.1. Общие сведения об измерении цвета
Различные способы измерения цвета подразделяются на визуальные и
фотоэлектрические. При визуальных способах измерения цвета (визуальной
колориметрии) осуществляется уравнивание двух цветов наблюдателем до
исчезновения их зрительного различия. Назначение визуальных колориметров состоит в непосредственном получении простым способом трехмерной
характеристики цветового стимула (цветовой стимул – это объект, который
своим оптическим излучением воздействует на глаз человека и при этом вызывает соответствующее ощущение).
В фотоэлектрических способах (часто называемых объективными) лицо,
производящее измерение, участвует лишь в снятии показаний прибора.
Измерение цвета заключается в определении трех чисел, являющихся
его цветовыми координатами в некоторой цветовой координатной системе,
то есть в системе координат, линейно связанных с цветовыми координатами
стандартной колориметрической системы МКО XYZ. Цветовая система в
каждом случае выбирается наиболее удобной для данного способа измерения
или использования его результатов.
4.2. Конструктивные особенности визуальных колориметров
В соответствии с основами трехкомпонентной теории цветового зрения
цвет анализируемого образца может быть уравнен с цветом смеси трех эталонных цветов, количества которых, входящие в смесь, могут регулироваться. После уравнивания эти количества могут быть определены благодаря
предварительной калибровке прибора. Найденные величины являются цветовыми координатами измеряемого цвета в цветовой системе данного колориметра. Зная основные цвета колориметра, можно найти выражения для пересчета измеренных цветовых координат в другие цветовые системы.
Приборы, служащие для измерения цвета путем зрительного уравнивания его со смесью трех основных цветов, называются визуальными (субъективными) аддитивными колориметрами. Принцип действия аддитивного колориметра поясняется рис. 4.1. [12]. Световые потоки трех основных цветов
смешиваются на одной половине поля сравнения. На рис. 4.1 показаны три
отдельных источника света основных цветов. Практически обычно имеется
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
124
один источник света со сплошным широким спектром излучения (например,
лампа накаливания). Свет от этого источника проходит через три цветных
светофильтра, которые создают три световых потока основных цветов прибора; обычно это красный, зеленый и синий (фиолетовый) цвета. Независимая регулировка количества света, проходящего через светофильтры, может
осуществляться, например, при помощи подвижных заслонок на пути световых лучей. Смешивание света после прохождения через светофильтры выполняется в интегрирующей сфере, покрытой изнутри окисью магния.
На вторую половину поля сравнения (рис. 4.1) поступает свет от измеряемого образца. Если оценивается свет источника после прохождения через
прозрачную сферу или после отражения от непрозрачного предмета, то последние освещаются калиброванной лампой с известным спектральным распределением излучения. Обычно это стандартный источник А, представляющий собой вольфрамовую лампу накаливания при определенном фиксированном напряжении накала. При добавлении к этой лампе специальных светофильтров (жидкостных или стеклянных) можно получить стандартные источники типа В или С. МКО рекомендует использовать поля сравнения с угловым размером 10.
Показания колориметра снимаются с трех шкал, проградуированных,
например, от 0 до 100 по степени открытия соответствующей заслонки.
Обычно полученные величины не используются непосредственно в качестве
цветовых координат системы колориметра. Снятые показания приводятся к
определенной исходной цветности системы колориметра. За исходную цветность обычно принимается цветность источника, используемого при измерениях цветов несамосветящихся предметов. Цвет этого источника оценивается
с помощью колориметра, и полученные показания трех шкал прибора принимаются за единичные значения соответствующих цветовых координат.
Рис. 4.1. Функциональная схема визуального аддитивного колориметра
4.2. Конструктивные особенности визуальных колориметров
125
Практические приборы содержат элементы, служащие для обеспечения
лучшего перемешивания световых потоков, создания темного или светлого с
желаемым цветом фона, окружающего поле сравнения. Оптическая схема
прибора предусматривает также возможность переноса каждого из основных
цветов на измеряемую половину поля сравнения, как показано штриховыми
линиями на рис. 4.1. Это необходимо при измерении большинства высоконасыщенных цветов, имеющих в колориметрической системе колориметра отрицательные цветовые координаты.
Результаты измерений с помощью визуальных колориметров зависят
естественно от индивидуальных свойств конкретного наблюдателя и будут
различаться для разных наблюдателей.
Результаты измерений для одного и того же наблюдателя также будут
различаться из-за ограниченной цветовой чувствительности глаза и состояния наблюдателя. Для повышения точности оценки обычно при каждом измерении выполняется несколько уравниваний (обычно 5…10) и берутся
средние значения показаний.
Наряду с аддитивными колориметрами, использующими смешение (сложение) цветов, существуют визуальные субтрактивные колориметры, в которых осуществляется «вычитание» цветов. В субтрактивном колориметре зрительное уравнивание с цветом образца достигается благодаря помещению на
пути света от источника к полю сравнения последовательно трех светофильтров. Величина избирательного поглощения света каждым из этих светофильтров может регулироваться путем изменения его оптической плотности.
Субтрактивные колориметры играют в колориметрии гораздо меньшую
роль, чем аддитивные. Одной из главных причин этого является то, что расчет цвета в субтрактивном колориметре, если нужно перейти от обозначений,
используемых в данном приборе, к международным цветовым системам, значительно сложнее, чем в аддитивном. Но конструкция субтрактивного прибора гораздо проще. Здесь не нужно разделение светового потока от источника на три части. Последовательное вычитание выполняется с помощью
трех светофильтров в виде клиньев. При перемещении клина меняется его
толщина в месте прохождения через него пучка света, а, следовательно, и оптическая плотность.
Спектральные области поглощения различных фильтров перекрываются,
поэтому независимое изменение количеств вычитаемых цветов делается невозможным. Вследствие этого градуировка субтрактивного прибора весьма трудоемка и может быть выполнена путем многих расчетов или измерений цветов
излучений, проходящих через различные комбинации положений клиньев.
К методам визуальной колориметрии относится также измерение цвета
путем сравнения его с заранее заготовленными известными образцами и подбора наиболее близкого по цвету образца.
В настоящее время способы визуальной колориметрии применяются
сравнительно редко вследствие достаточно высокой погрешности результатов оценки координат цвета.
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
126
x
y
z
r
g
b
r
g
b
x
y
z
Рис. 4.2. Функциональная схема фотоэлектрического
колориметра параллельного действия:
X, Y, Z – светофильтры
4.3. Фотоэлектрические колориметры
Фотоэлектрический колориметр представляет собой цветоанализирующее устройство, аналогичное по принципу действия передающей телевизионной камере цветного телевидения. При помощи фотоэлектрического колориметра измеряют значения трех цветовых координат цвета в некоторой цветовой координатной системе. Для этого в колориметре необходимо реализовать кривые спектральной чувствительности, совпадающие с кривыми сложения цветовой координатной системы, выбранной для колориметра, в
большинстве случаев это система МКО XYZ.
Классический метод измерения цвета заключается в следующем. Перед
оптическим входом фотоприемника устанавливается цветной светофильтр
так, чтобы общая спектральная характеристика чувствительности совпадала с
кривыми сложения, например, с кривыми
отметить, что кривые
,
и
использовать нельзя, так как кри-
,
и
. Необходимо
вая r() имеет участок с отрицательными значениями. Это свойство кривых
,
,
и
и
стало одной из причин пересчета этих кривых в кривые
. Для измерения цветовых координат на выходе прибора
должно быть получено три значения X, Y и Z, то есть для реализации практически действующего колориметра необходимо в приборе иметь три независимых канала – прибор параллельного действия (рис. 4.2), либо один канал,
но сменные светофильтры – прибор последовательного действия (рис. 4.3).
В любом случае такой прибор является самым простым устройством для измерения координат цвета, так как на выходе каждого канала этого типа колориметра электрический сигнал будет пропорционален координатам цвета.
Несмотря на кажущуюся простоту, реализация таких приборов затруднена из-за сложности получения спектральных характеристик чувствительности в соответствии с кривыми сложения. Неточное совпадение спектральных характеристик чувствительности каналов прибора приводит к погрешности измерения координат цвета, и как следствие координат цветности. Согласно литературным данным, погрешность измерения координат цветности
у лучших образцов колориметров составляет 10…15 порогов цветоразличе-
4.3. Фотоэлектрические колориметры
127
Рис. 4.3. Функциональная схема фотоэлектрического
колориметра последовательного действия:
X, Y, Z – сменные светофильтры
ния по Мак-Адаму, что соответствует 0,05…0,06 от измеряемой величины
в колориметрической системе МКО 1931 (x, y) [43].
В качестве фотоприемников (ФП) излучения в колориметрах применяются фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ) и фотосопротивления. Для создания переносных (портативных) приборов наиболее удобны
селеновые фотоэлементы, так как они не требуют дополнительных источников питания, которые необходимы для фотоэлементов с внешним фотоэффектом. В последнее время появились колориметры с использованием в качестве светоприемников сернисто-кадмиевых фотосопротивлений, которые
имеют достаточно высокую чувствительность в видимой области спектра.
Однако недостатком таких приборов является их значительная инерционность (обычно несколько секунд при малых уровнях освещения), зависимость показаний от температуры, а также некоторое утомление светоприемника при измерении малых яркостей вслед за большими.
Спектральная чувствительность фотоэлектрического цветоизмерительного прибора должна быть согласована со спектральной чувствительностью
используемого приемника светового излучения. Для этой цели применяются
корректирующие светофильтры, обеспечивающие совпадение общей спектральной характеристики чувствительности прибора с кривой видности стандартного наблюдателя V().
Правильная настройка фотоприемника может быть выполнена (приближенно) с использованием одного из двух методов. В первом методе используется монохроматор – спектральный оптико-механический прибор, предназначенный для выделения монохроматического излучения, принцип работы которого основан на дисперсии света. Классический монохроматор состоит из следующих основных частей и узлов: входная спектральная цель, коллиматорный
объектив, диспергирующий элемент (призма или дифракционная решетка),
фокусирующий объектив и выходная спектральная щель, которая выделяет
излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. Возможность сканирования спектра (выбор нужного спектрального диапазона) обеспечивается
путем поворота диспергирующего элемента. Для обеспечения требуемой точности поворот осуществляется с помощью специального передаточного механизма, управление последним в различных моделях может осуществляться
вручную (последовательно перебирая необходимые длины волн) или автоматически (с помощью готового или собственного программного обеспечения).
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
128
x
y
z
x
y
z
x
Рис. 4.4. Оптическая схема фотоэлектрического колориметра с масками
В плоскости выходной спектральной щели монохроматора попеременно
устанавливаются три спектральные маски, приводящие функцию спектральной чувствительности единственного фотоэлектрического приемника к требуемым функциям
,
,
стандартного наблюдателя.
Во втором методе коррекция спектральной характеристики чувствительности фотоприемника выполняется с помощью цветных стеклянных или
желатиновых светофильтров, устанавливаемых перед светочувствительной
поверхностью ФП. В первом случае получается колориметр с масками, во
втором – со светофильтрами.
На рис. 4.4 показана схема фотоэлектрического колориметра с масками.
Лучистый поток от образца проходит через входную щель монохроматора и
диспергируется в спектр, в плоскости которого устанавливается одна из трех
масок – X, Y и Z. Каждая маска предназначена для селективного изменения
равноэнергетического спектра, при этом кривые спектральной чувствительности приемника приводится к форме одной из трех кривых сложения стандартного наблюдателя. При введенной маске Х реакция приемника будет соответствовать координате цвета Х комбинации источник‒образец независимо
от спектрального состава излучения этой комбинации. Аналогично и для масок Y и Z получаются координаты цвета Y и Z. К настоящему времени разработан ряд колориметров с масками, позволяющими измерить координаты
цвета самосветящихся и несамосветящихся образцов [12].
Для реализации функций спектральной характеристики чувствительности фотоприемников колориметра, совпадающих с кривыми сложения
,
стеклянных корригирующих светофильтров. Так как функция
применяют специально рассчитанные на компьютере наборы
имеет
форму двугорбой кривой, и для ее реализации должен применяться сложный
набор светофильтров, то часто для фотоэлектрического колориметра применяют одногорбую, трансформируемую кривую.
Отклонения спектральных характеристик чувствительности трактов колориметра существенно влияют на точность измерения координат цвета. Для
построения образцовых приборов необходимо обеспечить совпадение анализирующих функций прибора с кривыми сложения с погрешностью не более
0,1…0,2 нм. Очевидно, что при таких жестких требованиях на спектральные
характеристики чувствительности невозможно изготовить прибор для образ-
,
4.3. Фотоэлектрические колориметры
129
x
y
z
цовых цветовых измерений. Согласно [12], для селено-кадмиевых (окрашенных селеном и сернистым кадмием) стекол допуск на длину волны границы
пропускания составляет 15 нм (третья категория) до 5 нм (первая категория) при неоднородности по площади стекла, характеризуемой наибольшей
разностью длин волн границы пропускания до 2 нм. Подобные отклонения, в
особенности последнее (это отклонение затруднительно проконтролировать
спектральным прибором по всей площади стекла), могут вызвать значительные изменения удельных координат, что приведет к большой погрешности
измерения координат цвета и цветности.
4.4. Спектральный метод измерения цветовых координат
Спектральный метод измерения цветовых координат является косвенным методом измерения, в котором точность определения координат цвета и
цветности зависит от погрешности оценки спектральной плотности лучистой
энергии. Это обстоятельство доказывает принципиально достижимую наиболее высокую точность измерения цветовых координат, так как последние являются по существу функцией одной переменной, а при расчете используются точные значения кривых сложения, например,
того при спектральном методе измерения существует возможность оперативного и точного контроля всех звеньев и этапов измерения [44].
Суть спектрального метода измерения цветовых координат состоит в
оценке ординат оптического спектра излучения (или отражения) исследуемого изображения (объекта) по длинам волн, и далее производятся вычисления
координат цвета и цветности по известным формулам (3.31, 3.32).
Спектральный метод требует применения сложной аппаратуры и связан
с большой трудоемкостью измерения и расчетов, чем и ограничивается его
применение.
,
,
. Кроме
4.5. Спектрально-колориметрический метод измерения
4.5.1. Механическая схема реализации метода
Для достижения погрешности измерения координат цветности порядка
х = y = 10–3…210–3 практически невозможно изготовить трехцветный колориметр ввиду жестких требований на спектральные характеристики прибора. Спектральный метод измерения координат цветности обеспечивает малую погрешность измерения. При этом предъявляемые требования к параметрам измерительного прибора технически выполнимы.
Объединив два этих метода, можно получить преимущества обоих методов: оперативность и простоту, присущие трехцветному классическому колориметру и малую погрешность измерения спектрального метода. Такой
объединенный метод измерения можно назвать спектрально-колориметрическим методом [45].
4. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ОБЪЕКТИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА
130
Рис. 4.5. Функциональная схема устройства измерения цветовых
координат спектрально-колориметрическим методом
Для реализации спектрально-колориметрического метода целесообразно
поступить следующим образом. Спектральные характеристики чувствительности фотоприемников можно сделать не сплошной кривой, как это делается
у трехцветного колориметра, а дискретной, с определенным шагом по длинам волн оптического диапазона. Пусть этот шаг равен x. Это условие можно выполнить с помощью узкополосных интерференционных светофильтров,
поочередно устанавливая их, друг за другом в определенной последовательности (например, по мере возрастания длины волны пропускания светофильтров) перед оптическим входом фотопреобразователя. Промышленностью
хорошо освоено производство и серийный выпуск интерференционных светофильтров с полосой пропускания порядка 1 нм и менее при коэффициенте
прозрачности в 20…30% [46]. Шаг необязательно должен быть постоянным во всем оптическом диапазоне длин волн. Необходимо, чтобы он был
заранее известным. Далее электрический сигнал фотоприемника подается на
вход такого звена, коэффициент передачи которого меняется в соответствии
с кривыми сложения выбранной колориметрической системы для тех длин
волн, на которые имеются интерференционные светофильтры. Таким образом, производится разложение оптического излучения по ординатам спектра
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]