Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
3.2. Колориметрически правильная цветопередача
81
п п п
,,r g b
2
1
2
1
2
1
;
;
,
R R R
G G G
B B B
E a S P d
E a S P d
E a S P d
,,
R G B
a a a
п п п
;;
R G B
S r S g S b
по по по
;;
R R G G B B
E a R E a G E a B
о о о
по по по
о о о
; ; ;
R G B
R G B
L L L
R G B
L L L
и и и
пи пи пи
и и о
; ; ,
R G B
R G B и
L L L
R G B
L L L
о о о и и и
, , , , ,
R G B R G B
L L L L L L
о о о
, , ,
R G B
L L L
ии
и
,,
RB
G
L L L
пи по пи по пи по
; ; .R k R G k G B k B
где
Р
– спектральная плотность энергии, излучаемой передаваемой сценой.
– удельные координаты спектральных цветов в системе RпGпBп;
Но, с другой стороны, сигналы ER, ЕG, ЕB на выходе видеоусилителей
передающей камеры равны:
. (3.11)
где SR, SG, SB – спектральные характеристики чувствительности камеры,
мкА/Вт;
– масштабные коэффициенты для перехода от микроам-
пер к вольтам. Если
, (3.12)
то можно получить:
. (3.13)
Данные линейные видеосигналы должны быть широкополосными для
того, чтобы как в черно-белых, так и в цветных телеприемниках изображения
воспроизводились с высокой четкостью.
Для передаваемой сцены и ее телевизионного изображения относитель-
ные значения яркостей основных цветов приемника оцениваются следующими соотношениями:
где
– яркости основных цветов приемника Rп, Gп,
(3.14)
(3.15)
Вп, необходимые для согласования с цветами передаваемой сцены и с цвет-
ностью воспроизводимого изображения соответственно;
– яркости единичных количеств основ-
ных цветов Rп, Gп, Вп в системе RпG
равностимульной цветности Цр.
Условия неискаженного воспроизведения цветности в телеприемнике
(3.1) и (3.3) означают необходимость обеспечения следующих равенств:
, установленные для одной и той же
пВп
(3.16)
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
82
пи 1 пи 1 пи 1
; ; ,
R G B
R a E G a E B a E
о
.
R G B
a a a a
1 о
a a k
и
ио
о
и
ио
о
и
ио
о
;
;
.
R
RR
R
G
GG
G
B
BB
B
L
L k L
L
L
L k L
L
L
L k L
L
и
ии
о о о
G
RB
R G B
L
LL
а
L L L
и и и и о о о о
;
R G B R G B
L L L L L L L L
ио
L a k L
п п п
,,r g b
Условие (3.16) выполняется, если (3.12) справедливо, а также если
(3.18)
(3.17)
Действительно, подставив (3.13) в (3.17), получим (3.16), если
Здесь а1 и k – постоянные коэффициенты. Подставим (3.14) в (3.16) и получим при правильной цветопередаче:
(3.19)
Вследствие выбора одной и той же равностимульной цветности Цр для
оригинала и изображения справедливо следующее соотношение:
, (3.20)
.
где а – постоянная величина.
Обозначив полную яркость изображения Lи и полную яркость передава-
емой сцены Lo, можно записать:
Подставив (3.19) в (3.21) и учитывая (3.20), получим:
что соответствует (3.8).
И так, для колориметрически верной цветопередачи необходимо со-
блюдать условие (3.16), для чего должны выполняться условия (3.12), (3.17),
(3.18) и при этом обеспечиваться линейная зависимость между яркостью
передаваемой сцены и яркостью изображения, то есть гарантирование условия (3.8).
Соотношения (3.12) означают, что спектральные характеристики чув-
ствительности датчиков телевизионного сигнала представляют собой зависимости удельных координат цвета от , то есть
стеме определения цвета, в которой за первичные цвета приняты основные
цвета приемника Rп, Gп, Bп, или являться линейно независимыми преобразованиями этих зависимостей.
В цветных телевизорах первых поколений в качестве воспроизводящих
устройств использовались масочные цветные кинескопы, Z -градиент преобразования сигнал-свет которых был равным приблизительно трем, причем
это значение -характеристики различно для каждого из основных цветов.
. (3.21)
, (3.22)
, в си-
3.2. Колориметрически правильная цветопередача
83
Для обеспечения линейности канала «от света до света» в аппаратуре телецентра (в телевизионных или видеокамерах) устанавливаются гамма‒
корректоры, имеющие нелинейный коэффициент передачи, который изменяется по обратно пропорциональному закону от величины гаммы для каждого
канала R, G и B в зависимости от значений видеосигнала.
Одним из способов получения кривой, соответствующей требуемой
гамма‒характеристике видеокамеры, является использование кусочнолинейной аппроксимации, что иллюстрируется на рис. 3.3, из которого видно, что в области малых освещенностей (значение координаты х мало) коэффициент усиления видеотракта камеры существенно больше, чем в области
средних и, тем более, больших значений видеосигналов на выходе преобразователя свет-сигнал.
Пропорционально увеличению коэффициента усиления расширяется и
разрядная сетка цифрового процессора. Реализация заданной кривой осуществляется путем запоминания в устройстве памяти RAM (Random Access
Memory – память с произвольным доступом к записанной информации) необходимых коэффициентов an, bn и вычисления выходного сигнала y по формуле y = anx + bn.
Рис. 3.3. Схема получения требуемой гамма-характеристики
способом кусочно-линейной аппроксимации
Рис. 3.4. Структурная схема гамма‒корректора
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
84
Реализация этого алгоритма осуществляется гамма-корректором, схема
которого изображена на рис. 3.4. Альтернативным методом формирования
заданной выходной характеристики является табличный способ, когда в отдельных ячейках таблицы по адресам, определяемым входным сигналом х,
хранятся выходные сигналы у. Недостатком такого метода является большой
объем памяти, обусловленный необходимостью плавной регулировки гаммакоэффициента [19].
С появлением воспроизводящих устройств линейного типа, например,
жидкокристаллических экранов, имеющих значения Z 1, необходимость в
гамма-корректорах отпадает, но при этом нарушается цветопередача в телевизорах старого образца, использующих кинескопы. Чтобы качество цветопередачи оставалось на одном уровне, в новых телевизионных приемниках
устанавливаются нелинейные видеоусилители.
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
3.3.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал
В телевидении преобразователи свет-сигнал в основном определяют па-
раметры и качество воспроизводимого телевизионного изображения. В камерах цветного телевидения необходимо одновременно проецировать цветоделенные изображения объекта на светочувствительные поверхности нескольких датчиков видеосигналов. Для этого используют довольно сложные оптические системы, которые выполняют как минимум две функции. Первая –
фокусировка воспринимаемого изображения, и вторая – цветоделение, то
есть из оптического спектра передаваемой сцены выделяются соответственно
красный, зеленый и синий области спектра. Эти цветоделенные изображения
рассматриваемого объекта поступают на светочувствительную поверхность
датчиков видеосигналов, от спектральных характеристик которых, в первую
очередь, зависит качество цветоделенных видеосигналов и возможность их
коррекции.
На заре появления цветного вещательного телевидения в качестве датчиков видеосигналов использовались передающие трубки (видиконы, плюмбиконы, суперортиконы и др.). В настоящее время преимущественно применяются матрицы на основе как приборов с зарядовой связью (ПЗС – CCD –
Charge Coupled Device), так и структур типа комплементарный металлокисел-полупроводник (КМОП – CMOS – Metal-Oxide-Semiconductor).
От типа преобразователя свет‒сигнал зависит принцип построения передающей камеры, наличие отдельных вспомогательных узлов. Поэтому
важнейшим вопросом при построении передающих камер ТВЧ-типа является
правильный выбор устройства, преобразующего оптические изображения в
видеосигнал.
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
85
Специфика построения камер ТВЧ, в которых чаще всего применяются
несколько преобразователей свет-сигнал, предъявляет к последним достаточно высокие требования. Рассмотрим более подробно эти требования [7].
– Высокая идентичность характеристик преобразователей свет-сигнал и
независимость этих характеристик от передаваемого сигнала. При различии
данного параметра более чем на 2% не удается обеспечить в камере цветного
телевидения динамический баланс белого.
– Возможность получения высокой точности совмещения растров и их
эксплуатационной стабильности. Точность совмещения должна быть не хуже
долей элемента разложения по всему полю изображения.
– Отсутствие паразитных сигналов и высокая однородность чувствительности по полю растра.
– Высокая чувствительность во всем видимом спектре, что необходимо
из-за больших потерь света в оптической системе камеры цветного телевидения.
– Малая инерционность сигнала и ее идентичность для всех преобразователей, применяемых в передающей камере. Различие в инерционности
сигналов, при которой остаточный сигнал в преобразователях отличается более чем на 2%, приводит к разноцветным тянущимся продолжениям в изображении, что резко снижает его качество.
– Способность работать в широком диапазоне освещенностей передаваемых сцен.
– Высокая разрешающая способность.
– Малый уровень собственных шумов в сигнале на выходе, причем
структура шумового рисунка должна быть малозаметной, то есть мелкой.
– Малые габариты и простота управления.
3.3.2. Сравнение характеристик фотоприемных
матриц ПЗС- и КМОП-типов
Существует несколько значимых различий между ПЗС- и КМОП-
датчиками [7]:
ПЗС-матрицы обеспечивают создание высококачественных изображений с
низким уровнем шума;
ПЗС-датчики имеют 100% коэффициент заполнения, то есть они обладают
более высокой чувствительностью;
ФПМ ПЗС-типа способны обеспечить намного более высокое разрешение,
достигающее 3…16 и более мегапикселей на кадр;
ПЗС-датчики изображения, используемые в большинстве современных
цифровых камер, в значительной степени более дорогостоящие и потребляют в несколько раз больше электроэнергии по сравнению с матрицами
КМОП-типа;
КМОП-датчики являются более восприимчивыми к шуму;
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
86
каждый пиксель КМОП-матрицы содержит несколько транзисторов, по-
этому часть падающих на датчик фотонов попадает на транзисторы, а не
на фотодиоды. Следовательно, коэффициент заполнения КМОП-матриц
далек от 100%, что сказывается на их относительно более низкой чувствительности, требующей большей длительности экспозиции. Для компенсации низкого значения коэффициента заполнения рекомендуется устанавливать миниатюрные прецизионные собирательные линзочки на каждый
пиксель светочувствительной матрицы. В этом случае весь падающий на
сенсор свет будет сконцентрирован в пределах светочувствительных областей матрицы;
КМОП-сенсоры обладают гораздо меньшим разрешением, достигающим
1,3 мегапикселей на кадр;
КМОП-датчики характеризуются малым энергопотреблением (10…50
мВт) и имеют в несколько раз более низкую стоимость изготовления по
сравнению с ПЗС-устройствами;
КМОП-матрица имеет прямой цифровой выход, имеет небольшие разме-
ры и мало дополнительных схем поддержки, достаточно проста, при стыковке с другими приборами.
Из анализа основных характеристик светочувствительных матриц сле-
дует, что ФПМ ПЗС-типа предпочтительнее использовать в тех случаях, когда качественные показатели сформированных изображений являются
наиболее важными факторами, например, видео- и телевизионные камеры,
биомедицинские приборы.
ФПМ КМОП-типа, в первую очередь, целесообразно применять в
устройствах видеонаблюдения или компьютерной обработки изображений,
где высокое разрешение вторично по сравнению со стоимостью матриц и
степенью их интеграции.
3.3.3. Спектральные характеристики чувствительности
датчиков видеосигналов
Идеальные спектральные характеристики чувствительности rп, gп, bп ка-
мер цветного телевидения (оптическая система с датчиком) обычно рассчитываются для случая, когда в телевизионном приемнике применяются основные теоретические цвета NTSC (National Television Standard Committee –
Национальный комитет телевизионных стандартов США) (треугольник основных цветов NTSC охватывает гамму большинства окружающих нас цветов и обеспечивает высокую яркость изображения). При расчетах непосредственно используются координаты цветности основных цветов NTSC: красный (Rп) x = 0,67, y = 0,33; зеленый (Gп) x = 0,21, y = 0,71; синий (Bп) x = 0,14,
y = 0,08, а в качестве эталонного и равносигнального цвета (равностимульно-
го в системе основных цветов Rп, Gп, Bп) выбран стандартный белый цвет С с
координатами цветности x = 0,310, y = 0,316 [6].
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
87
п
п
п
1,910 0,532 0,288 ,
0,985 1,999 0,028 ,
0,058 0,118 0,898 ,
r x y z
g x y z
b x y z
,,x y z
R G B
E E E
7,2630 3,3036 1,128 ,
1,3104 2,5363 0,0562 ,
0,0910 0,3070 1,4350 ,
r x y z
g x y z
b x y z
,,x y z
Рис. 3.5. Идеальные спектральные характеристики
чувствительности преобразователей свет-сигнал
Эти характеристики, описываемые уравнениями (3.23) обеспечивают
верное воспроизведение цветов, лежащих в пределах треугольника основных
цветов NTSC.
где
– удельные координаты спектральных цветов.
(3.23)
В Европейском стандарте, утвержденном в 1970 г. [20], рекомендуется
производить выбор спектральных характеристик чувствительности передающих устройств, исходя из реального треугольника основных цветов приемника с координатами; красный (Rп) х = 0,640, у = 0,330; зеленый (Gп)
х = 0,290, у = 0,600; синий (Вп) х = 0,150, у = 0,060 при эталонном белом цвете
D
. На входе кодирующего устройства должно быть
6500
, в пол-
ном сигнале на его выходе цветоразностные сигналы равны нулю и на экране
телеприемника воспроизводится белый цвет D
. Таким образом, этот бе-
6500
лый цвет является эталонным равносигнальным цветом. Тогда спектральные
характеристики чувствительности описываются следующим образом [6]:
где удельные координаты
На рис. 3.5 показаны идеальные спектральные характеристики чувствительности, рассчитанные по (3.24).
Как видно из этого рисунка, идеальные спектральные характеристики
чувствительности камеры имеют отрицательные участки и вторичный максимум (красный канал R), что практически не представляет возможности их
(3.24)
умножены на 100.
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
88
реализации в аппаратуре оптическим способом. Это обстоятельство, приводит на практике к отказу от обеспечения теоретических идеальных кривых.
Используются полностью либо только положительные (главные) ветви кривых спектральных характеристик, либо их сужают в целях компенсации отброшенных отрицательных участков. В обоих случаях имеют место небольшие ошибки в цветопередаче, а колориметрически верная цветопередача выполняется лишь для эталонного цвета на передающей и приемной сторонах.
3.3.4. Конструктивные особенности светоделительных
систем современных телекамер
Для практической реализации спектральных характеристик чувстви-
тельности телевизионной камеры применяют специальную светоделительную оптику. Благодаря применению в современных теле- и видеокамерах малогабаритных преобразователей свет-сигнал, а также разработке вариообъективов с удлиненным задним отрезком стало возможным в качестве светоделительной системы использовать призменные блоки в совокупности с дихроическими зеркалами и коррекционными фильтрами.
Поскольку профессиональные телевизионные и видеокамеры в настоящее время строятся в основном по двум вариантам: с тремя и с четырьмя
датчиками видеосигналов, то их оптические схемы в значительной степени
различаются между собой.
Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком представлена на рис. 3.6 [20]. Работа такой оптической системы отличается простотой и состоит в следующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через общий нейтральный или приводной светофильтр (который ставится в случае избытка света), падает на светоделительные слои 4, нанесенные на грани призм 3 в местах расщепления светового
луча, и вследствие избирательного отражения и пропускания образует цветоделенные изображения на светочувствительных поверхностях ФПМ 6. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани призм в непосредственной
близости от ФПМ.
Основными преимуществами светоделительных систем в заднем рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно небольшие габариты
и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше
аберрационных искажений и светорассеяния), больший коэффициент пропускания (за счет меньшего поглощения света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).
При выборе структуры призменного светоделительного блока принимается во внимание ряд условий: а) в каждом световом канале призмы должны
действовать как плоскопараллельная пластинка; б) должна допускаться возможность нанесения многослойных пленок дихроических зеркал при соответствующей их ориентации; в) проходящие через светоделительный блок
световые пучки не должны виньетироваться.
3.3. Оптические характеристики датчиков видеосигналов
89
Рис. 3.6. Схема оптической системы трехматричной телекамеры
с призменным светоделительным блоком:
1 – вариообъектив; 2 – приводной (нейтральный) светофильтр; 3 – призмы;
4 – светоделительные слои; 5 – коррекционные светофильтры; 6 – ФПМ
Дихроические (интерференционные) зеркала, применяемые в телекамерах, представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев) со слоями
различной толщины и разными показателями преломления, нанесенные на
грани стеклянных призм, функционирующих как плоскопараллельные пластинки. Толщина каждого слоя равна части длины волны светового излучения. Световой поток белого цвета J1, попадая на дихроическое зеркало, частично отражается (лучи J2 и J3), а частично проходит через него (J4)
(рис. 3.7). В зависимости от толщины пленки, коэффициентов преломления
стекла n1 и пленки n2 лучи, отраженные от границы стекло-пленка (J2) и
пленка-воздух (J3), могут в зависимости от длины волны, т. е. цвета, оказаться либо в фазе, либо в противофазе или промежуточном состоянии. Это означает, что их энергия может либо складываться, либо частично или полностью
взаимно компенсироваться. Следовательно, интенсивность отраженного света зависит от его длины волны . Типичные графики зависимости коэффициента отражения = (J2 + J3)/J1 и коэффициента пропускания = J4/J1 представлены на рис. 3.8 [21]. Из анализа данных графических зависимостей следует, что сумма прошедшего и отраженного света примерно равна падающему на зеркало световому потоку: + = 1.
Рис. 3.7. Устройство дихроического зеркала с одной пленкой
3. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ВОСПРИЯТИЕ ЦВЕТА В ТЕЛЕВИДЕНИИ
90
Рис. 3.8. Зависимости коэффициентов пропускания и отражения
от длины волны света
Для лучшей цветовой избирательности дихроического зеркала нанесенная на него пленка делается многослойной. Подбором коэффициентов преломления в этих пленках, их толщины и порядка расположения удается добиться значительно лучшей зависимости коэффициентов отражения и про-
пускания от длины волны, т. е. большей крутизны среза на участке bc и
лучшей равномерности характеристики на участках пропускания ab и отражения cd (рис. 3.8). Выбор нужной толщины интерференционных слоев позволяет получить красноотражающее и синеотражающее покрытия, предназначенные для разделения общего светового потока на три составляющие –
красную R, зеленую G и синию B.
Интерференционный характер процессов в дихроических зеркалах является причиной существенной зависимости их спектральных характеристик от
угла наклона и поляризации входящих лучей. Так, для наиболее распространенного варианта конструкции светоделительной системы телекамеры (угол
падения осевого луча центрального пучка лучей составляет 38) сдвиг характеристики спектрального отражения в сторону коротковолновой области
спектра относительно характеристики отражения при нормальном падении
луча на дихроическое зеркало (под углом 0) составляет вдоль оси длин волн
75 нм для синеотражающего и 30 нм для красноотражающего зеркал. Это
может приводить к появлению искажений цветности по полю объекта передачи. Основная мера борьбы с такими искажениями – уменьшение отклонения световых лучей от номинального направления, для чего дихроические
зеркала помещают в параллельные или слабо сходящиеся (или расходящиеся) световые пучки. Для ослабления искажений, вызываемых частичной поляризацией света на поверхности воды, стекла, перед вариообъективом устанавливается специальный электрически управляемый поляризующий жидкокристаллический фильтр.
Практически ввиду сложности технологии нанесения многослойных
светоделительных пленок и ограниченного количества, пригодных для этих
целей материалов не всегда удается получить желаемую форму их спектральных характеристик. Поэтому точная доводка спектральных характеристик цветовых каналов до требуемой в светоделительной системе телекамеры
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]