Цветокоррекция в трехцветных устройствах цветовоспроизведения

Введение. Стандартная схема цветокорректора

В эпоху черно-белого телевидения на качество телевизионного изображения влияли контрастность, яркость и четкость изображения, геометрические искажения, а также помехи в виде «снега», муаров и других мешающих (раздражающих) факторов.

С 1976 г. в нашей стране активно стало развиваться цветное телевидение. В связи с этим к качеству телевизионного изображения добавились факторы цветовых искажений, а именно верность воспроизведения цветности на телевизионном экране. Для коррекции цветовых искажений в аппаратуру телецентра, а точнее в камерный канал, было введено специальное устройство — цветокорректор [1 –4].

Схематически цветокорректор включается в схему камерного канала после гамма-корректоров , которые корректируют световые характеристики «красного», «зеленого» и «синего» каналов телевизионного экрана [1].

Математическая модель цветокорректора представляет собой систему линейных алгебраических уравнений, связывающую между собой входные и выходные сигналы (компоненты) цветокорректора через коэффициенты маскирования [1]:

ER O = a ll E R + a 12 E G + a 13 E B ;

E GO = a 21 E R + a 22 E G + a 23 E B ; (1)

EBO = a31 ER + a32EG + a33 EB , где ERo , EGO , EBo — выходные сигналы цветокор-ректора; ER, EG и EB — входные сигналы, коэффициенты aij (i, j = 1,3) называются коэффициентами маскирования.

На выходе такого корректора получают характеристики, близкие по форме к идеальным спектральным характеристикам чувствительности. Величины двух коэффициентов маскирования должны быть малыми в сравнении с третьим, в противном случае происходит ухудшение отношения сигнал/шум и

41-1-88-94.

усиление заметности цветных окантовок при неточном совмещении сигналов во времени. Кроме того, возникают заметные искажения цвета в зонах переходных процессов сигналов E R и E' B .

Члены с коэффициентами a 11 , a 22 и a 33 представляют собой основные видеосигналы. Остальные элементы a ij ( i ^ j ) в системе уравнений (1) образуют так называемый сигнал «маски». Процесс линейной цветокоррекции состоит в подборе величин всех девяти коэффициентов a ij . Для воссоздания баланса белого (неискаженной передачи опорного белого цвета) при изменении коэффициентов маскирования с целью коррекции цвета необходимо добиться выполнения следующих условий:

a ₁₁ + a ₁₂ + a ₁₃ = 1;

a ₂₁ + a 22 + a 23 = 1;                                     (2)

a 31 + a 32 + a 33 = 1.

Подставляя a 11 , a 22 и a 33 из формул (2) в уравнения (1), получаем:

E RO = ER + ^a 12 ( E G - E R ) ^{+ a} 13 ( ^E B- E R ) ;

^E GO = ^E G + a 21 ( ^E R - ^E G ) ⁺ a 23 ( ^E B - ^E G ) ;         ⁽³⁾

EB O = EB + a 31 ( ER- Eb] + a 32 ( EG- Eb).

Из соотношений (3) следует, что в цветокорректо-рах установку выходных видеосигналов можно выполнить шестью независимыми регуляторами.

На рис. 1 показаны цветовые искажения цветов, обозначенных цифрами от 1 до 17 (оригинальные цвета), а линии, проведенные от этих точек, определяют величину искажений цветности изображений на экране.

Точка, обозначенная буквой W, представляет собой координаты цветности опорного «белого» и равна цветности стандартного источника D6500. Из рис. 1 видно, что искажения цветности этого источника равны нулю, что и осуществляется цветокоррек-тором. Таким образом, цветокорректор может осуще- ствить идеальную коррекцию только одного белого цвета, а остальные цвета будут воспроизводиться на телевизионном экране с ошибками, что является су- щественным недостатком.

Рис. 1. Искажения цветопередачи телевизионной системы при приеме на телевизор c цветным кинескопом [1, 12]

Треугольник RGB на рис. 1 определяет цветовой охват телевизионного экрана.

Необходимо заметить, что с начала XXI века в ка- честве телевизионных экранов стали применяться приборы, отличные от кинескопов и, как следствие, имеющие различные координаты цветности основных цветов, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Координаты цветностей основных цветов современных приборов для телевизионных экранов [12]

Указанный факт приводит к ещё большим цветовым искажениям. И действительно, любые современные телевизоры различных моделей, как правило, даже при одной и той же воспроизводимой картинке имеют различные цветовые оттенки изображения.

Для коррекции искажений на многоспектральных изображениях предлагается использовать, в частности, корректирующие преобразования в пространстве спектрально-контурных элементов с метрикой Хаусдорфа [5].

Колориметрически точное цветовоспроизведение в телевидении

Профессор Н.Д. Нюберг предложил в 1948 году использовать три вида точности воспроизведения цвета: физический, физиологический и психологический [2]. Согласно Н.Д. Нюбергу, физическая точность воспроизведения цвета при печати не может быть реализована, так как спектральные характеристики используемых красок значительно отличаются от спектральных характеристик оригинальных изображений. Физиологическая точность воспроизведения цвета означает, что цвета, созданные красителями с разными спектральными характеристиками, визуально будут ощущаться одинаково при одинаковой спектральной характеристике освещения. При изменении освещения цвета будут визуально различимыми. Психологическая точность воспроизведения цвета связана с восприятием цвета, обусловленным жизненным опытом человека (деятельностью его головного мозга).

Роберт Хант дал академическое определение шести возможных уровней цветовоспроизведения [11]:

• 1.    Спектральное цветовоспроизведение.

• 2.    Колориметрическое цветовоспроизведение.

• 3.    Точное цветовоспроизведение.

• 4.    Эквивалентное цветовоспроизведение.

• 5.    Согласованное цветовоспроизведение.

• 6.    Выделенное цветовоспроизведение.

Из шести уровней цветовоспроизведения, сформулированных Р. Хантом и приведенных выше, остановимся на втором, связанном с колориметрическим цветовоспроизведением.

Колориметрическое цветовоспроизведение (от англ. – «colorimetric color reproduction») определяется метамерным соответствием репродукции оригинальному изображению, при котором оба имеют одинаковые CIE-трехстимульные значения [6– 10, 13, 14]. Итогом является воспроизведение по восприятию, но только в тех случаях, когда оригинал и его репродукция имеют одинаковый размер, окружение и рассматриваются при освещении источниками с одинаковыми спектральными распределениями энергии и фотометрической яркостью.

Цветовоспроизводящее устройство, например, цветной телевизор, имеет три источника света, создающие основные цвета приемника. Яркость каждого основного цвета должна управляться так, чтобы пропорции смеси основных цветов могли изменяться в широких пределах для получения гаммы цветов. В качестве основных цветов аддитивного воспроизводящего устройства (телеприемника) выбираются красный, зеленый и синий цвета, которые можно обозначить R, G и B соответственно. На диаграмме цветности, например, XYZ [15], (или в любой другой системе) эти основные цвета образуют цветовой треугольник, называемый треугольником цветового охвата [15]. Очевидно, что воспроизводящее устройство может создать только те цветности, которые на диаграмме цветности находятся внутри треугольника цветов R, G, B. Воспроизведение цветов, лежащих вне этого треугольника, не реализуемо. Цвета оригинала, лежащие за пределами треугольника, будут воспроизводиться с искажениями насыщенности и цветового тона. Для коло- риметрически правильного цвета оригинала, находящегося на хроматической диаграмме внутри треугольника цветового охвата, необходимо, чтобы основные цвета имели правильные относительные количества (пропорции смеси) для создания необходимой цветности изображения и обладали правильными абсолютными количествами (яркостями) для создания необходимой яркости изображения.

Пусть координаты цветности передаваемого изображения (оригинала) и его изображения связаны линейными зависимостями:

X О = k 1 X И ; Y o = k 2 Y h ; Z o = k 3 Z h ,               (4)

где k 1 , k 2 , k 3 – некоторые константы; индекс «О» относится к оригиналу; индекс «И» – к изображению.

Тогда нормированные координаты цветности бу- дут определяться следующими соотношениями:

x O =

O

X O ⁺ Y o ⁺ Z o

Y O

1 И

У о =

z o =

^k 1 X И ^{+ k} 2 Y H ^{+ k} 3 ^Z И k ₂ Y _И

^X o ^{+ Y} o ^{+ Z} o   ^k 1 X И ^{+ k} 2 ^Y H ^{+ k} 3 ^Z H

Z_O              k ₃ Z _И

X o + Y o + Z o k i X И + k 2 Y h + k 3 Z h

.

Для качественной цветопередачи необходимо, чтобы выполнялось условие:

k 1 = k ₂ = k 3 = k .

При выполнении условия (6) из уравнений (5) получаем:

x o = ^х и ; У о = У и ; z o = ^z h .

Таким образом, при выполнении (4) и (6) цветности передаваемого объекта и его изображение на экране телеприемника колориметрически тождественны. Так как яркости (в абсолютных или относительных величинах) передаваемой сцены и изображения соответственно равны:

L o = Y o ; L h = Y h ,                              (8)

то, подставляя (8) в соотношения (4), получаем:

L o = k 2 L h .                                         (9)

Это следствие из первого условия колориметрически точной цветопередачи (4).

В телевидении зависимость между L O и LИ обычно выражается в виде [16]:

L h = CL o ,                                (10)

где C – константа, Г – градиент передачи яркости.

Функция lg( LИ ) = lg( C )+ Г lg( L O ) является линейной в логарифмическом масштабе.

Следовательно, для выполнения условия (10) необходимо, чтобы:

Г = 1.                                        (11)

При выполнении условия (11) градации яркости воспроизводятся без искажений.

В телевизионной системе: Г = туZ, где у - градиент яркости передающего тракта, включая датчик телевизионного сигнала (передающая камера); уZ - градиент преобразователя «сигнал-свет» (экран телеприемника) вместе с трактом приемника.

Для выполнения условия (11) необходимо иметь:

Y = Y z 1 .

Выполнение условия (12) обычно достигается с помощью гамма-корректора, удовлетворительная работа которого возможна только тогда, когда величина у Z является постоянной во всем диапазоне яркостей изображения (для всех трех основных цветов экрана телеприемника), а величина у - постоянна во всем диапазоне яркостей передаваемого объекта для трех передаваемых основных цветов.

Согласно [16], отклонения величины у Z в цветном телевидении должна быть не более ±4 % от номинальной величины как для трех цветовых каналов одного экрана телеприемника, так и для всех экранов отдельных приемников. На рис. 3 показана схема преобразования света в сигнал и сигнала свет в цветном телевидении для случая, когда экран телеприемника является линейным прибором (т.е. величина у Z для его модуляционной характеристики равна единице). Такой приемник называется линейным.

Рис. 3. Схема преобразования света в сигнал и сигнала в свет в цветном телевидении с линейным приемником

Передающая камера содержит светорасщепляющую оптику (СРО), разделяющую световой поток F O от передаваемой сцены на три световых потока — красный F RO , зеленый F GO и синий F BO Эти световые потоки попадают на преобразователи «свет-сигнал» соответственно красного, зеленого и синего каналов (ПСС R , ПСС G и ПСС B ).

Далее электрические сигналы E i , где i = R , G , B (эти индексы будут сохранены и далее), поступают на соответствующие видеоусилители ВУ i , имеющие коэффициенты передачи b 1 , b 2 и b 3 соответственно. Усиленные сигналы поступают на экран телеприемника и излучают световые потоки F i И . При аддитивном сложении эти световые потоки создают количества основных цветов экрана, равные RПИ , GПИ и BПИ , смесь которых воспроизводит цветность передаваемой сцены. Эти количества должны быть равны (или пропорциональны) координатам цвета RП O , GП O и BП O передаваемой сцены. Последние можно определить по формулам:

^ 2                              ^ 2

^ no = J r n P d ^ ^; G no = J g n P d ^ ^;

• X ,                                      X ,

^ 2

B no = J b n P X d ^X ,

X 1

где гП , gП , ЬП — удельные координаты спектраль ных цветов в системе RnGnBn; P% - спектральная плотность энергии, излучаемая передаваемой сценой.

С другой стороны, сигналы E r , E g , E b на выходе видеоусилителей передающей камеры равны:

% ₂                              % ₂

Er = aR j S.Pd%; Eg = aG j SgPxd%;

%                           % ,

% 2

E„ = a R f S-Pd % , В В J В %    ,

%, где Sr, Sg, Sb - спектральные характеристики чувствительности камеры, мкА/Вт; aR, a'G, a'B — мас-

штабные коэффициенты для перехода от микроампер к вольтам. Если

^S r r n ; ^S G ^g п ; S B b n ,

то можно получить:

E R = a R ^R no ; E G = a G ^G no ; ^E B = a B ^В ПО .          ⁽¹⁶⁾

Эти сигналы называются линейными, и они должны быть широкополосными, чтобы в телеприемниках черно-белого и цветного телевидения изображения имели полную четкость независимо от цвета.

Для передаваемой сцены и ее изображения имеем по определению координат цвета:

LRO         LGO

Rno т    ; Gno т    ; Bno т    ,

L RO ]           L [ go ]           L [ bo ]

L RИ          L GИ

RПИ = .    ; GПИ = .    ; Впм = .    ,

L [ RM ]            L [ GM ]            L [ BM ]

где L ro , L go , L bo , L rm , L gm , L rm - яркости основных цветов приемника Rn , Gn , Bn , необходимые для согласования с цветом передаваемой сцены и с цветом изображения соответственно; L [ ro ] , L [ go ] , L [ bo ] , L [ rm , L [ gm , L [ ви - яркости единичных количеств основных цветов Rn , Gn , Bn в системе RnGnBn , установленные на одной и той же равностимульной цветности Ц_р .

Условия неискаженного воспроизведения цветности в телеприемнике (4) и (6) означает необходимость выполнить следующие равенства:

RnM = kRno; GnM = kGno; Впм = kBno.(19)

Условие (19) выполняется, если (15) справедливо, а также если:

RnM = a Er ; GnM = a Eg ; Впм = a Eb ;(20)

aR = aG = aB = a 0.(21)

Действительно, подставляя выражения (16) в (20), получаем (19) в случае, если a 1 a 0 = k . Здесь a 1 и k -постоянные коэффициенты. Подставим (17) в (19) и получим при правильной цветопередаче:

^L RM = ^{k ( L} [ RM ] / L [ RO ] ) ^LR O ^;

L gm = k ( L [ GM ] / L [ GO ] ) L go ;                            (22)

^L BM = ^{k ( L} [ BM ] / L [ BO ] ) ^L BO .

Вследствие выбора одной и той же равностимульной цветности Цр для оригинала и изображения справедливо следующее:

L [ RM ] / L [ RO ] = L [ GM ] / L [ GO ] = L [ BM ] / L [ BO ] = a ,           ⁽²³⁾

где a - постоянная величина.

Обозначая полную яркость изображения L_M и полную яркость передаваемой сцены L o , можно записать:

^L M = L RM ⁺ L GM ^{+ L} BM ^{; L} O = L RO ⁺ L GO ^{+ L} BO ^.

Подставляя формулы (22) в выражения (24) и учитывая соотношения (23), получаем:

L m = akL o , (25) что соответствует (11).

Итак, для колориметрически верной цветопередачи необходимо соблюдать условие (19), для чего должны выполняться условия (15), (20) и (21) и при этом обеспечивается линейная зависимость между яркостью передаваемой сцены и яркостью изображения, то есть выполняется условие (11).

Условие (15) означает, что спектральные характеристики чувствительности датчиков телевизионного сигнала представляют собой зависимости от модулей удельных коэффициентов г_п , g_П , Ь_П в системе определения цвета, в которой за основные цвета приняты основные цвета приемника Rn, Gn, Bn .

В существующей телевизионной системе телевизионная трехцветная камера формирует три видеосигнала, которые некоторым образом кодируются и передаются на телевизионный приемник. Но по сути сама телевизионная камера является прибором для измерения цвета (колориметром) параллельного действия. Поэтому можно считать видеосигналы видеокамеры пропорциональными координатам цвета. Тогда необходимые значения видеосигнала можно определить из матричного уравнения:

координатами X , Y , Z необходимы видеосигналы U_R , U G и U B , а значит, и координаты цветности. При расчете величин видеосигналов U R , U G и U B для передаваемых цветов, цветности которых находятся за пределами цветового охвата экрана телевизионного приемника, будет иметь место отрицательное значение величин видеосигнала, и чтобы избежать этого, необходимо приравнять отрицательные значения нулю. На рис. 4 показаны цветовые искажения при использовании идеальной цветной трехцветной камеры, а в телевизионном приемнике в качестве экрана применен кинескоп стандарта ЕС.

Как видно из рис. 4, цветности оригинала изображения, находящиеся внутри цветового треугольника основных цветов экрана телевизионного приемника, совпадают с воспроизводимым изображением на экране телевизионного приемника. Остальные координаты воспроизводимых цветов (за пределами тре- угольника цветового охвата) находятся на наиболее кратчайшем расстоянии от стороны треугольника основных цветов экрана телевизионного приемника.

Рис. 4. Цветовые искажения в телевизионной системе, полученные путем передачи сигналов цвета и воспроизведенные на экране, имеющем прибор с использованием люминофоров (кинескоп стандарта EC) [17]

На рис. 5 показана предлагаемая в данной работе добавляемая схема. Рассмотрим данную схему. Принятый сигнал с телецентра поступает на первый вход вычислительного устройства 1, на второй вход этого устройства поступают из постоянного запоминающего устройства 2 девять величин обратной матрицы, приведенной в выражении 5. Значения этих коэффициентов определяются один раз и зависят от типа экрана телевизионного приемника. В вычислительном устройстве происходит расчет величин видеосигналов UR, UG UB для воспроизведения на экране цвета с цветовыми координатами X, Y, Z. В вычислительном устройстве 1 должна быть использована простая логика, а именно: если любое вычисленное значение UR, UG, UB меньше 0, то оно при- равнивается нулю.

Принятые координаты цвета X, Y, Z

Вычисленные значения величины видеосигналов

Рис. 5. Добавляемый в телевизионный приемник узел

Заключение

В современной системе телевидения можно значительно повысить качество цветовоспроизведения, т.е. уменьшить цветовые искажения. При этом цветовая картинка на множестве телевизионных приемниках будет восприниматься одинаково. Для этого достаточно принять, что видеосигнал телецентра содержит координаты цвета каждого пикселя изображения. Эти координаты цвета представляются в некой колориметрической системе телевизионной ка- меры. Они линейно отличаются от колориметрической системы МКО, например, XYZ, поэтому, сделав необходимые вычисления требуемой величины видеосигнала для управления телевизионным экраном, можно добиться воспроизведения цвета, колориметрически совпадающего с передаваемым телевизионной камерой. Таким образом, на экране будет воспроизводиться цвет без искажений, т.е. произойдет цветокоррекция для всех цветов, координаты цветности которых находятся внутри треугольника цветового охвата телевизионного приемника.