Цветовые искажения в телевидении и методы их уменьшения

С 1967 г. в нашей стране ведутся регулярные цветные ТВ-передачи. За этот период техника цветного ТВ широко шагнула в перед. Цветные трехлучевые кинескопы ТВ-приемников заменили панели на жидких кристаллах и плазме. Яркость и контрастность цветного ТВ-изображения значительно превосходит эти же параметры у цветных кинескопов. Снята проблема сведения лучей, присущая трехлучевому кинескопу. Качество цветного изображения стало значительно лучше, а с полным переходом на цифровое цветное ТВ-вещание качество цветной репродукции повысится еще больше. Но разнообразие устройств, на основе которых построены современные экраны ТВ-приемников, приводит к цветовым различиям воспроизводимых на различных приемниках. Покажем, каким образом можно получить колориметрически точные воспроизведения цвета на экране ТВ-приемника.

Искажение цвета в телевидении

Для уменьшения цветовых искажений, особенно в области «белых цветов», в ТВ-системах осуществляется балансировка камерного канала под «опорный» белый цвет. Суть этой балансировки заключается в следующем. При передаче «опорного» белого цвета камерный канал настраивается так, что цветовые сигналы трехцветной ТВ-камеры были бы равны между собой и со ставляли значения, равные единице. При этом экран ТВ-приемника должен воспроизвести цветность «опорного» белого. Источники «опорного» белого для разных стандартов несколько различаются. В нашей стране принят европейский стандарт, который предполагает стандартный источник D6500 с координатами цветности x = 0,313 и y = 0,329 [1].

Указанные настройки камерного канала осуществляют устройства, называемые цвето-корректорами камерного канала. Недостаток такой системы заключается в том, что происходит точное цветовоспроизведение только одной цветности, равной цветности «опорного» белого, а остальные цвета воспроизводятся с ошибками.

Известно, что сигналы трехцветной ТВ-камеры определяются согласно следующему выражению

U_t = K_s J E^X) • p(x) • 5; (X^X, (1) 380

где i = R,G,B; K, – коэффициент передачи цветного канала датчика; jE^.^^ – спектральное распределение энергии источника освещения; p(x) – спектральная характеристика отражения объекта; S^X) – спектральная характеристика чувствительности i канала ТВ-камеры. Для расчетов цветовых искажений была разработана компьютерная программа, моделирующая процесс передачи и воспроизведения цвета в ТВ «от света до света» [4].

Балансировка экрана ТВ-приемника под «опорный белый» в разработанной программе производилась в соответствии со следующими формулами:

"Kr" XR XG XB -1 x0 KG = Yr yG Ув To ’           (2) KB_ _ZR ZG ZB _ _z0_ где хв’Ув^в’ХС’Ус’ zgx в ’У в^ в – координаты цветности вершин треугольника цветового охвата (основных цветов) экрана; XO ’ Уо ’ “О - координаты цветности «опорного белого»; KR,KG,KB – коэффициенты передачи усилителей видеосигналов R, G и Β ТВ-приемника.

Очевидно, что спектр воспроизведенной цветности на экране ТВ-приемника «опорного белого» (в нашем случае это цветность источника D6500) не будет равен спектру стандартного источника, который освещает ТВ-камеру. В этом случае эти два излучения (передаваемый источник и его изображение на экране) являются метамерами и воспринимаются глазом как источники одинаковой цветности [4]. Для определения цветности, воспроизводимой на экране ТВ-приемника, в программе были использованы следующие выражения [5]:

где X, Y, Z – координаты цвета в системе МКО 1931 г. (x, y); XR ’ Ул ’ ZR ’XG ,Ус ZGXB ’ У В ’ ZB – по-прежнему координаты цветности основных цветов экрана ТВ-приемника; ^^ R ^ ^^ G ^ ^^ В – значения величин видеосигнала, определенные согласно (1).

Из (3) легко определяются координаты цвет- ности изображения на экране ТВ-приемника:

_ x _ Y

X~ X + Y + Z'y~ X + Y + Z'

Из (3)-(4) видно, что цвет (а значит, и цветность, воспроизводимая на экране ТВ-приемника) зависит от координат вершин основных цветов экрана. Поскольку в настоящее время существуют несколько типов устройств, на основе которых изготовляются ТВ-экраны, с помощью разработанной программы были рассчитаны ожидаемые цветовые искажения в системе «от света до света» при идеальной ТВ-камере со следующими экранами:

• -    жидкокристаллическая панель, с освещением белыми светодиодами;

• -    жидкокристаллическая панель, с освещением полноцветными светодиодами;

• -    с освещением люминесцентной лампой;

• -    прибор, использующий люминофоры (стандарт NTSC);

• -    экран с максимальным цветовым охватом (лазерный).

На рис. 1 приведены треугольники основных цветов современных экранов ТВ-приемников. На рис. 2 для примера приведены результаты расчетов цветовых искажений, при воспроизведении на экране стандарта EC.

Поясним рис. 2: точки с числами от 1 до 17 обозначают исходные цвета, оптические спектры которых были предварительно подобраны так, чтобы координаты цветности находились в различных участках цветового локуса. От этих точек проведены штриховые линии к точкам цветности, которые воспроизводятся на экране ТВ-приемника.

Рис. 2. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на экран, имеющий прибор с использованием люминофоров (кинескоп)

Результаты вычислений даны в более привычной системе координат МКО 1931 г. ( x , y ), но, тем не менее, разработанная программа позволяет производить расчеты и в равноконтрастной системе координат МКО 1960 г. ( u , v ). В обоих случаях расчетов в выходную таблицу результаты даются в двух системах координат.

Рис. 1. Цветовой охват NTSC, кинескопа, плазменной панели и ЖК

Рис. 3. Кривые сложения цветов в системе XYZ МКО при источнике Е. Яркостные коэффициенты LX: LY: LZ = 0: 1 : 0 [1]

Спектральная характеристика чувствительности каналов R , G и B ТВ-камеры, в расчетах принималось три варианта:

а) спектральные характеристики чувствительности каналов R , G и B ТВ-камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы

МКО 1931 г. ( x , y , z ), изображенных на рис. 3. На практике такие ТВ-камеры (будем называть их идеальными) не применяются ввиду сложности получения двугорбой кривой спектральной характеристики чувствительности;

• б)    спектральные характеристики чувствительности каналов R , G и B ТВ-камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы МКО 1931 г. ( x , y , z ), причем для зеленого канала кривая совпадает с кривой у(Л), для синего – ^(Л), а кривая красного канала R совпадает с кривой, предложенной Д.А. Шкловером, которая является одногорбой и определяется согласно [6]:

"x^ = 0,833 • х(1)+0,333 • у(Я)- 0,167 ■ "z^.

• в)    – то же самое, что и предыдущий вариант б), но кривая красного канала совпадает с частью кривой х(2) – см. рис. 4.

Рис. 4. Спектральная характеристика чувствительности «реальной» ТВ-камеры [2]

Итак, нами показано, что координаты воспроизводимой цветности на экране ТВ-приемника зависят от цветового охвата экрана, а значит, цветовые искажения телевизионного изображения будут различны в зависимости от типа экрана телевизора. И только одна цветность воспроизводится в телевидении без искажений – эта цветность «опорного» белого.

Колориметрически точное цветовоспроизведения в ТВ

Профессор Н.Д. Нюберг в 1948 г. предложил использовать три понятия точности воспроизведения цвета [8]. Роберт Хант дал академическое определение возможных уровней цветовоспроизведения [9]:

• -    спектральное цветовоспроизведение;

• -    колориметрическое цветовоспроизведение;

• -    точное цветовоспроизведение;

• -    эквивалентное цветовоспроизведение;

• -    согласованное цветовоспроизведение;

• -    выделенное цветовоспроизведение.

Из шести определений, сформулированных Р. Хантом, остановимся на втором, а именно «Колориметрическое цветовоспроизведение».

Колориметрическое цветовоспроизведение (colorimetric color reproduction) определяется метамерным соответствием репродукции оригинальному изображению, при котором оба имеют одинаковые CIE-трехстимульные значения. Итогом является воспроизведение по восприятию, но только в тех случаях, когда оригинал и его репродукция имеют одинаковый размер, окружение и рассматриваются при свете источников с одинаковыми спектральным распределением энергии и фотометрической яркостью. Однако автор [10] не считает равенство яркости обязательным требованием колориметрического цветовоспроизведения.

В существующей телевизионной системе ТВ трехцветная камера формирует три видеосигнала, которые некоторым образом кодируются и передаются на ТВ-приемник. Но, по сути, сама ТВ-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 (3), а именно:

Из (5) следует, что для воспроизведения цвета с координатами Χ , Υ , Ζ необходимы видеосигналы Ur , U_G И U _в , а значит, и координаты цветности в соответствии с (4). При расчете величин видеосигналов U_R,U_G,U_B для передаваемых цветов, цветности которых находятся за пределами цветового охвата экрана ТВ-приемника, будет иметь место отрицательное значение величин видеосигнала, и, чтобы избежать этого, необходимо приравнять отрицательные значению нулю.

На рис. 5 показаны цветовые искажения при использовании идеальной цветной трехцветной камеры, а в ТВ-приемнике в качестве экрана применен тот же кинескоп стандарта ЕС. Обозначения на рис. 5 те же, что и на рис. 2. Как видно из рис. 2, цветности, находящиеся внутри цветового треугольника основных цветов экрана ТВ-приемника, оригинала изображения совпадают с воспроизводимым изображением на экране ТВ- приемника. Остальные координаты воспроизводимых цветов (за пределами треугольника цветового охвата) находятся на наиболее кратчайшем расстоянии от стороны треугольника основных цветов экрана ТВ-приемника.

Рис. 5. Цветовые искажения в ТВ-системе, полученные путем передачи сигналов цвета и воспроизведенные на экране, имеющей прибор с люминофорами (кинескоп стандарт EC)

Рис. 6. Добавляемый узел в ТВ-приемнике

На рис. 6 показана добавляемая схема: принятый сигнал с ТВ-центра 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 единожды и зависят от типа экрана ТВ-приемника, а еще лучше однажды измеренные координаты цветности основных цветов для конкретного ТВ-экрана и расчета коэффициентов обратной матрицы. В вычислительном устройстве происходит вычисления величин видеосигналов UR,UG,UB для воспроизведения на экране цвета с координатами X, Y, Z. В вычислительном устройстве (1) должна быть использована простая логика, а именно: если значение любого вычисленного значения uR,uG,u меньше 0, то его значение приравнивается 0.

Выше было сказано, что практическая реализация двугорбой кривой спектральной чувствительности затруднена, и на практике гораздо легче реализовать одногорбую кривую спектральной характеристики чувствительности, например с кривой, предложенной Д А. Шкловером, в этом случае будем иметь искаженные координаты цвета на определенную величину.

Обычно измерение координат цветности с помощью классического колориметра параллельного действия (в нашем случае мы предложили считать трехцветную ТВ-камеру именно таким прибором) производится с точностью ±(0,01…0,05), что составляет в пределах от 1,75 до 8,7 порогов Мак Адама.

Необходимо также учесть, что согласно [7] допустимые отклонения координат цветности основных цветов составляют ±0,01, что также приводит к дополнительным цветовым искажениям порядка двух порогов Мак Адама.

Заключение

Показано, что практически можно значительно уменьшить цветовые искажение в ТВ, при этом упрощается схема камерного канала телецентра, но повышаются требования к спектральным характеристикам чувствительности самой трехцветной ТВ-камеры.

Также должны быть повышены требования на уменьшение разброса координат цветности однотипных ТВ-экранов при их массовом изготовлении либо их измерении с точностью рекомендованных ГОСТом. При этом незначительно усложняется схема самого ТВ-приемника.