15

Специальность: Бытовая радиоэлектронная аппаратура

Дисциплина: Основы телевидения

Лекция №6 Тема: Принципы передачи цветного изображения

Тема:	Принципы передачи цветного изображения
Вопросы:	Цвет. Характеристики и представление. Формирование сигналов цветности

Вопрос№1

1. Основные способы смешения цветов

Рисунок 1.7  Локальный способ смешения цветов

Воздействие на глаз светового излучения определенной длины волны ощущается в виде цвета. Коротковолновой границе светового диапазона соответствует фиолетовый цвет, который с увеличением длины волны постепенно переходит в синий, затем голубой, зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный, замыкающий длинноволновую границу светового диапазона.

К физиологическим характеристикам цвета относятся светлота, цветовой тон и насыщенность цветового тона. В частности, белый, светло-серый и темно-серый цвета отличаются светлотой, желтый и зеленый — цветовым тоном, красный и розовый — насыщенностью.

Физиологические характеристики субъективны и дают лишь качественную оценку излучения. В качестве объективных характеристик используют:

• яркость, с помощью которой оценивают светлоту;

• доминирующую длину волны (определяет цветовой тон), то есть длину волны того спектрального цвета, который, будучи смешан в определенной пропорции с белым, обеспечивает зрительное тождество цвета смеси с цветом исследуемого излучения;

• чистоту цвета (определяет насыщенность), под которой понимают долю спектрального цвета (для которого ), обеспечивающую в смеси с белым (для которого ) зрительное тождество с исследуемым излучением.

Существует целый ряд гипотез, объясняющих способность человеческого зрения различать цвета. Полагают, что сетчатка человеческого глаза содержит три группы светочувствительных колбочек. При этом одна из групп колбочек чувствительна к красному, другая  к синему, а третья  к зеленому цвету. Однако анатомически предполагаемые группы приемников еще не выделены. В то же время в основе технических решений, используемых в современном цветном телевидении, лежит трехкомпонентная теория цвета.

Ощущение цвета зависит от спектрального состава светового излучения. Наиболее простым спектральным составом обладает монохроматическое излучение, которое всегда создает вполне определенное ощущение цвета, например, излучение с длиной волны нм воспринимается как желтый цвет, с длиной волны нм — как зеленый, с длиной волны нм — как красный и т. д. Однако чаще всего мы имеем дело со световыми излучениями, спектральный состав которых существенно сложнее. Так, световое излучение может попадать на сетчатку глаза как непосредственно от источника излучения, так и после ряда отражений от различных предметов, после прохождения через прозрачные среды. В результате отражения или прохождения света сквозь объект часть энергии излучения теряется. Результирующий спектральный состав излучения, попадающего на сетчатку глаз и вызывающего цветовое ощущение, определяется перемножением спектральных характеристик излучения источника света, а также спектральных характеристик излучения и спектральных характеристик отражения (пропускания) объектов, находящихся на пути света. Таким образом, если наблюдатель ощущает желтый цвет, это еще не значит, что длина волны излучения составляет 580 нм. Существует много спектральных составов, которые могут вызвать ощущение одинакового цвета. Одинаковые цвета, созданные разными спектральными излучениями, называются метамерными.

Соответственно существует несколько способов формирования требуемых цветов. Субтрактивный (вычитательный) способ образования цветов находит широкое применение в цветной фотографии, кинематографии, производстве красок и чернил. К примеру, чтобы получить зеленый цвет можно последовательно пропустить солнечный свет через желтый и голубой светофильтры. В телевидении применяется метод аддитивного (слагательного) образования цветов, при котором происходит смешение (сложение) световых потоков от нескольких источников.

Рисунок 1.9  Диск Максвелла

Различают три способа смешения цветов: локальный, бинокулярный и пространственный. Локальное смешение можно получить, например, направляя на неизбирательный (белый) диффузно-отражающий экран свет от нескольких источников излучения (рисунок 1.7). Результирующий цвет на экране определяется цветами и интенсивностью смешиваемых излучений. При бинокулярном смешении на один глаз действует световой поток одного цвета, а на второй — другого цвета. Цветовое ощущение при этом соответствует смеси обоих излучений. Пространственное смешение цветов основано на слитном восприятии разноцветных точек, штрихов, полос, угловые размеры которых меньше угла разрешения глаза. Примером пространственного смешения цветов является изображение на рисунок 1.8. В зависимости от угла зрения, под которым рассматривать данное изображение, изменяется относительная ширина полос, соответственно изменяется и ощущение цвета.

Рисунок 1.8  Пространственный способ смешения цветов

Возможно одновременное и последовательное сложение цветов. При одновременном сложении смешиваемые световые потоки предъявляются наблюдателю одновременно, например, как показано на рисунок 1.7, а при последовательном — один за другим, но с частотой, выше критической так, чтобы не были заметны мерцания.

Последовательное смешение может быть проиллюстрировано с помощью диска Максвелла (рисунок 1.9). При достаточно быстром вращении видимый цвет диска будет зависеть от цвета и угловых размеров его секторов.

0. Основные законы смешения цветов

Смешение цветов подчиняется определенным законам, которые были установлены экспериментально и сформулированы в середине XIX в. Данные законы относятся к нормальному цветовому зрению в нормальных условиях, они составляют основу теоретической колориметрии и могут быть сформулированы следующим образом:

1. непрерывному изменению излучения соответствует непрерывное изменение цвета.

2. два цвета при смешении всегда дают один и тот же цвет независимо от того, из каких цветов составлен каждый из них.

3. яркость смеси цветов равна сумме яркостей составляющих смеси.

4. любой цвет может быть выражен через любые три линейно независимые цвета.

Второй закон определяет независимость цветовых смесей от спектральных составов смешиваемых цветов. Это позволяет не рассматривать каждый раз спектральный состав того или иного цвета, а оперировать с заданным цветом. Данный закон допускает существование метамерных цветов, что позволяет упростить описание цветов.

Первый и второй законы характеризуют качественную сторону смешения цветов. В отличие от них третий закон устанавливает количественные закономерности смешения цветов.

Основным законом смешения цветов является четвертый закон, который определяет математическую основу для описания цветов. В литературе именно четвертый закон часто называется законом Грассмана, который сформулировал законы смешения цветов. В соответствием с четвертым законом любой цвет может быть выражен одной из комбинаций трех линейно-независимых цветов, которые в данной колориметрической системе называются основными. В 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве основных цветов красный ( нм), зеленый ( нм) и синий ( нм).

Таким образом, цвет представляется функцией трех аргументов и может быть представлен точкой в трехмерном пространстве. Остальные законы смешения цветов устанавливают, что такое пространство является афинным. Понятие афинного пространства является более общим, чем евклидово или метрическое пространства. Основное отличие афинного пространства от метрических пространств состоит в отсутствии определения расстояния между его элементами (точками). Вместе с тем в афинном пространстве сохраняются понятия параллельности прямых и плоскостей. Трехмерное афинное пространство, каждая точка которого представляет собой определенный цвет называется цветовым пространством.

Цветовое пространство является удобной абстракцией для наглядного представления всего множества цветов. Для того, чтобы в цветовом пространстве представить алгебраические преобразования цветов, в цветовом пространстве вводится цветовая координатная система (рисунок 1.10). Начало координат соответствует точке нулевого (черного) цвета. Из начала координат исходят три координатные оси, каждая из которых задает направление упорядочивания одного из основных цветов. В общем случае масштабы по координатным осям различны, а ориентация осей  произвольна. Основным требованием к выбору основных цветов является их линейная независимость.

Выбор масштабов по трем координатным осям цветовой координатной системы устанавливается косвенным методом. Для этого устанавливается опорный цвет, который должен получаться при сложении трех единичных основных цветов. Таким образом, опорный цвет располагается в противоположной началу системы координат вершине параллелепипеда, построенного на трех единичных отрезках координатных осей (рисунок 1.10). Выбор осей и масштабов по осям совершенно произволен, но если этот выбор сделан, то все цветовое пространство является упорядоченным. Основные цвета выражаются координатами (1,0,0), (0,1,0) и (0,0,1), а опорный цвет  (1,1,1). В стандартной системе , , в качестве опорного используется белый цвет .