Цветовые искажения в ТВ

В статье рассмотрены вопросы влияния и учета сквозных спектральных характеристик датчиков сигналов телецентра. Показаны влияния сквозных спектральных характеристик на погрешности воспроизведения цвета на экранах современных телевизионных приемников. Показан метод математического моделирования процесса передачи и воспроизведения цвета в телевидении. В статье приводятся краткие сведения о разработанной автором компьютерной программе, моделирующей процесс цветопередачи телецентром и приема на экране телеприемником потребителя. Приведены некоторые результаты моделирования процесса цветопередачи «от света до света», результаты приводятся в графическом виде (на локусе МКО 1931 г.) и в табличном исполнении.

В наше время невозможно представить жизнь человека, который бы не пользовался услугами ТВ. И в связи с этим все большее значение приобретают вопросы качества передачи ТВ изображений телецентрами. Как известно, датчиками сигналов цветных ТВ изображений (кроме специальных измерительных генераторов) являются студийные (и внестудийные) камеры. К настоящему времени преимущественно все цветные телекамеры построены на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Важнейшими характеристиками этих датчиков являются сквозные спектральные характеристики, которые можно описать следующим образом:

ш) = £ CjT, (Л j), (1)

i=R,G,B,Y где I = R, G, B, Y; cij — элементы матрицы цветокоррекции; τ j – спектральные характеристики пропускания оптических узлов датчика; ^j (Л) – спектральные характеристики чувствительности фотопреобразователя датчика.

Измерение спектральных сквозных характеристик датчиков ЦТ сигналов телецентра необходимо для того, чтобы установить отличие этих характеристик от заданных по [1], определить вариации их в течение времени работы фотопреобразователя датчика и в зависимости от изменений режимов работы получить исходные данные для расчетов по определению верности передачи и воспроизведения цвета в системе ЦТ. Последнее особенно полезно для сравнения с результатами непосредственного объективного колориметрирования цветного образца в студии и его изображения на экране монитора телецентра или на экране телеприемника у зрителя.

Сигналы на выходе датчика ЦТ можно представить как

Ui = Ki JE(X)p(X)Si (X)dX,     (2)

где K_i – коэффициент передачи цветного канала датчика; E ( X ) - спектральное распределение энергии источника освещения; р ( X ) - спектральная характеристика отражения объекта.

Измерение сигналов на выходе ЦТ датчика в зависимости от длины волны света дает сквозную спектральную характеристику датчика с точностью до поправочного коэффициента. Этот поправочный коэффициент будет равен обратной величине произведения E(X ) р (X ) :

5i ( Л ) = -1 • р ( Л ) • U , ( A ) ,        (3)

Ki где р(X) - поправочный коэффициент.

Известны методики измерения сквозных спектральных характеристик датчиков ЦТ [2]. При выборе методики и аппаратуры измерений сквозных характеристик необходимо иметь в виду, что они должны быть определены без введения каких-либо дополнительных изменений в существующую аппаратуру телецентра, а также без ее разукомплектования. В [3] приведены несколько методик и результатов измерения.

Некоторые замечания следует сделать по поводу спектральных характеристик, определенных [1]. Эти характеристики в ГОСТе заданы не в явном виде (таблицы, графики), а в косвенном, и подразумевается расчет таких характеристик по некоторым формулам по исходным данным, указанным в [1]. Формулы не указаны в ГОСТе, но имеются в технической литературе по цветному ТВ [2; 4]. Они ведут свое начало от работ по цвет-номувоспроизведению,фотографии и кинематографии, опубликованных в 1937 г. [5] и повторенных применительно к ТВ в 1953 г. [4]. Формулы выведены по идеализированной математической модели системы ЦТ «от света до света» и устанавливают строгую «колориметричность» спектральных характеристик ЦТ датчика:

"5R (X)" ⎡a1 a2 a3 ⎤ "i(X)1 5g (X) ⎥ ⎥= ⎢a4 a5 a6 ⎥ ⎥⋅ y(X) ⎥ ,      (4) _5в (X)_ ⎥ ⎣a7 a8 a9⎦ ⎥ .z(X). ⎥ где x(X), y(X), z(X) - кривые сложения колориметрической системы МКО 1931 г., а1,..., а9 – коэффициенты, являющиеся алгебраическими функциями координат цветности треугольника основных цветов эталонного экрана монитора и опорного белого цвета.

Физический смысл характеристик (4) состоит в том, что ординаты их для каждой длины волны света указывают количества, в которых нужно смешать первичные цвета эталонного экрана монитора, чтобы получить цвет передаваемого объекта, который предполагается в виде монохроматического источника на той же длине волны. Как показывают расчеты, проведенные по (4), на характеристиках нет ни одной длины волны, где не было бы ординат с отрицательными значениями каких-либо кривых § i ( X ) . Это и понятно: нельзя получить насыщенный цвет монохроматического источника, смешивая световые потоки широкополосных излучателей (основных цветов экрана монитора). В подобном случае в классических визуальных колориметрах необходимо «разбавлять» монохроматическое излучение одним из широкополосных.

Понятно, что никакие реальные ЦТ датчики не могут реализовать спектральные характеристики (4), во-первых, из-за наличия отрицательных участков, а во-вторых, из-за вариаций формы сквозных спектральных характеристик. Следует отметить, что характеристики (4) предполагают наличие одного и того же опорного белого цвета на приемной и передающей сторонах. Практически камеры настраивают на «студийный» или «внестудийный» опорный белый цвет. В то же время цветные видеоконтрольные устройства (или телеприемник) настраивают на эталонный опорный белый цвет (например, Д6500).

К неравенству опорного белого цвета приводит также процесс расстройки ЦТ камер, когда регулируются уровни черного и коэффициенты передачи цветовых каналов, а на приемной стороне – уровень яркости и контрастности.

Наиболее распространенной математической моделью для оценки цветовых искажений является матрица перехода от сигналов датчика (2)

к цветовых координатам МКО 1960, в которой и происходит оценка цветовых искажений. Эта матрица имеет следующий вид:

⎡U ⎤		⎡b 1	b 2	b3 ⎤		⎡ UR ⎤
⎢⎢V	⎥ ⎥=	⎢⎢b 4	b 5	b 6	⎥ ⎥⋅	⎢⎢U G	⎥⎥            (5)
⎢⎣W ⎦	⎥	⎢⎣b 7	b 8	b9 ⎦	⎥	⎢⎣U B ⎦	⎥

Однако при расчетах лучше задаваться не сигналами ЦТ датчика (2), а их отношениями. В связи с этим более удобна модель, где можно сразу найти координаты цветности (в любой колориметрической системе) по отношению сигналов. Выразим (4) в координатах цветности u и v . После преобразований получим

U = ( U R • a 0 • a + U G + U в • в о • в ) • §

V = ( V r • а о • a + V g + V b • в о • в ) • £ , где £ = a 0 • a + 1 + в 0 • в ;

^U r • ^a о = bi • ^(b2 ^{+ b}5 ^{+ b}8) ;

V r • а о = b 4 • ( b 2 + b 5 + b 8 ) ; и т.д.

Коэффициенты a 0 , в 0 и а , в определяются из следующих выражений:

а о = (b + b4 + b7) • (b2 + b5 + b8);

в о = (Ьз + Ьб + b9) • (b2 + b5 + b8);

a = U r • U g ;    в = Vr • Vg .

Для определения зависимостей коэффициентов b₁ ⋅ ⋅ ⋅ b₉ от координат цветности основных цветов экрана монитора и опорного белого цвета u_i,v_i,u_w,v_w можно воспользоваться выражением для α ₀ и β₀ , приведенных в [6], тогда

bi = (vB - vG) • u w;

^b 2 = ( v R - vB ) • u w ;

и т.д.

b 3 = ^{( v} G - v R ) • u w ;

^b 4 = ^{( u} G - u B ) • v w ;

По этому способу оценки сквозных спектральных характеристик датчиков ЦТ была проведена математическая обработка спектральных характеристик типичной камеры на ПЗС – матрицей с rGb стандартнымиполосами , приведенына рис. 1 [7]. Для этой цели была специально разработана компьютерная программа. Задание спектрального распределения энергии светового потока производилось отдельным модулем. Этот модуль генерирует спектр трапецеидальной формы единичной амплитуды, причем его ширина варьируется от 5 нм до полного светового диапазона 380

– 780 нм с шагом 25 нм. Предусмотрено также изменение спектра путем сдвига по оси длин волн с шагом 5 нм. Для пурпурной области цветового локуса, не охватываемой этими вариациями спектра, вырабатывался спектр в виде двух трапеций на красном и фиолетовом концах видимого диапазона длин волн.

Рис. 1 Типичная спектральная характеристика чувствительности цветной ПЗС-матрицы с rGb стандартными полосами

Эти спектры аналогично варьируются по ширине и амплитуде с шагом 5. Таким образом, последовательно генерируются спектры, моделирующие излучения с различными цветностями, в целом охватывающие все поле цветового локуса (см. рис. 2).

Рис. 2. Цветовой локус. В качестве примера на поле цветового локуса приведены координаты стандартного равноэнергетического источника W с координатами цветности x=y=1/3 и дан цветовой треугольник rGb

Расчет выходных напряжений датчика производился по соотношению (2). В этой программе в качестве монитора использовались:

• -    телевизор на жидких кристаллах марки Samsung LW-32A23W,

• -    телевизор с плазменной панелью типа Sony KE-32TS2E.

Обеспечение баланса белого цвета под цвет D6500 производился программным путем. Координаты цвета изображения на экране телевизоров можно рассчитывать по спектральному распределению энергии излучения S( X ) с помощью следующего выражения:

S ( λ ) = B_R · S_R ( λ ) + B_G · S_G ( λ ) + B_B · S_B ( λ ), где SR (2), SG (2), SB (2) - относительные спектральные распределения энергии излучения основных цветов экрана телевизора; B_R ,B_G ,B_B – яркости, соответственно, в красном, зеленом и синем цветоделительных изображениях в зависимости от сигналов U_R,U_G и U_B в соответствии со световыми характеристиками панели экрана телевизора.

При отсутствии спектральных характеристик излучения основных цветов экрана телеприемника можно использовать следующие формулы для вычисления цветности на экране в зависимости от сигналов датчиков телевизионного сигнала:

x = Xr -Ur + Xg-Ug + Xb-Ub y — yR -UR + yG -UG + yB -UB     (6)

z — z R ^- U R + z G ^- U G + z B ^- U B

m = x + y + z;

x ц

x

m ^;

y ц

y

m

где x_R,y R,z_R,x_G,y_G,z_G x_B,y_B,z_B – координаты цветности основных цветов экрана телеприемника; x_ц , y_ц – координаты цветности изображения.

Далее этой же программой производился расчет координат цветностей объекта и его изображения,а также оценка цветовых искажений в системе МКО 1960 г. (в числе порогов цветоразличения Мак-Адама). В указанной программе производится цветокоррекция камеры (рассчитываются коэффициенты передачи каналов r Gb, а также вычисляются идеализированные спектральные характеристики корректирующей оптики,для примера на рис. 3. приведены скорректированные спектральные характеристики датчиков телевизионного сигнала, а на рис. 4 показаны спектральные характеристики корректирующей оптики).

Спектральные характеристики цветной ПЗС-камеры и этой же ПЗС-камеры с корректирующей оптикой (утолщенными линиями)

380        420       460       500       540       580       620       660       7Q0

Рис. 3. Спектральные характеристики каналов rGb телекамеры после цветокоррекции (жирные линии), тонкими линиями изображены спектральные характеристики этой же камеры до цветокоррекции

Рис. 4. Спектральные характеристики корректирующей оптики

Программа разработана так, что после цветокоррекции телевизионной камеры производится балансировка по опорный белый цвет D6500, спектр которого рассчитывается, как спектр излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры 6500 К ^о.

На рис. 5-6 приведены результаты расчетов; в таблице 1 приведены числовые значения одного из вариантов расчета.

Рис. 5. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на цветной телевизор c плазменной панелью Sony KE-32TS2E

Рис. 6. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на LCD телевизор Samsung LW-32A23W

На рис. 5-6 результаты вычислений даны в более привычной системе МКО 1931 г. ( x , y ), но, тем не менее, разработанная программа позволяет

Таблица 1. Цветовые искажения в цветном ТВ, выраженные в единицах МКО 1931г. ( x , y ) и МКО 1960г. ( u , v ), а также в числе порогов Мак Адама

Координаты цветностей в системе МКО 1931 г. Координаты цветностей в системе МКО 1960 г. Число порогов Мак Адама «Исходная» цветность Воспроизводимая цветность «Исходная» цветность Воспроизводимая цветность x0 y0 xэ yэ u0 v0 uэ vэ Опорный белый D6500 0,3137 0,3239 0,3141 0,3246 0,2004 0,3104 0,2005 0,3108 0,08 Цвет 1 0,3790 0,1644 0,3914 0,3509 0,3596 0,2340 0,2435 0,3275 3,30 Цвет 2 0,4330 0,3123 0,3688 0,5080 0,2944 0,3186 0,1764 0,3646 17,81 Цвет 3 0,3447 0,4918 0,5010 0,5884 0,1679 0,3593 0,2212 0,3897 14,08 Цвет 4 0,3841 0,5451 0,3804 0,6905 0,1751 0,3728 0,1445 0,3936 28,73 Цвет 5 0,3843 0,6109 0,5755 0,4640 0,1607 0,3833 0,3103 0,3753 20,96 Цвет 6 0,6071 0,3923 0,2976 0,2886 0,3739 0,3625 0,2028 0,2951 15,08 Цвет 7 0,3188 0,2810 0,3271 0,2879 0,2223 0,2940 0,2256 0,2978 11,51 Цвет 8 0,3715 0,2766 0,3130 0,3669 0,2664 0,2976 0,1847 0,3248 14,85 Цвет 9 0,3297 0,3564 0,2297 0,2421 0,1993 0,3231 0,1687 0,2667 26,64 Цвет 10 0,2531 0,2346 0,2549 0,4272 0,1906 0,2651 0,1338 0,3365 27,75 Цвет 11 0,2019 0,4668 0,3778 0,5912 0,0985 0,3416 0,1618 0,3798 23,00 Цвет 12 0,3363 0,5485 0,4686 0,6067 0,1509 0,3693 0,2006 0,3896 16,68 Цвет 13 0,4320 0,5354 0,4874 0,5890 0,2018 0,3752 0,2144 0,3886 14,52 Цвет 14 0,4728 0,5180 0,3052 0,2820 0,2287 0,3758 0,2114 0,2930 14,21 Цвет 15 0,2586 0,2621 0,1840 0,1669 0,1837 0,2794 0,1587 0,2161 38,74 Цвет 16 0,1618 0,1574 0,4396 0,4184 0,1418 0,2069 0,2462 0,3515 3,68 Цвет 17 0,4070 0,3848 0,3721 0,3215 0,2392 0,3393 0,2434 0,3155 6,37 производить расчеты и в равноконтрастной системе координат МКО 1960 г (u, v). Переход от системы координат цветностей МКО 1931 г. к системе МКО 1960 г. производился по формулам [8]:

2 • x                   3 • y u =------------; v =------------

6 • y - x +1,5        6 • y - x +1,5

.

В обоих случаях расчетов в выходную таблицу результаты даются в двух системах координат.

Выводы

• 1.    Сквозные спектральные характеристики датчиков ЦТ сигналов, определяющие верность цветопередачи датчиков, в реальных условиях значительно отличаются от требуемых.

• 2.    Необходимо более жестко выдерживать допустимые отклонения спектральных характеристик от требуемых по ГОСТ.

• 3.    Математическое моделирование системы цветного телевидения позволяет в более точной мере оценить цветопередачу и, в частности, предварительно измеренные сквозные спектральные характеристики датчиков цветного телевидения.