Передача цвета и его точное воспроизведение на экране телевизионного приемника

С 1967 г. в нашей стране ведутся регулярные цветные телепередачи. За этот период техника цветного телевидения широко шагнула вперед. Цветные трехлучевые кинескопы телеприемников заменили панели на жидких кристаллах и плазме. Яркость и контрастность цветного телевизионного изображения значительно превосходит эти же параметры у цветных кинескопов. Снята проблема сведения лучей, присущая трехлучевому кинескопу. Качество цветного изображения стало значительно лучше, а полный переход на цифровое цветное телевещание еще более повысит качество цветной телевизионной репродукции.

Но это разнообразие устройств, на основе которых построены современные экраны телеприемников, приводит к цветовым различиям воспроизводимых сцен различных телеприемников.

Далее покажем, каким образом можно получить колориметрически точное воспроизведение цвета на экране телеприемника.

• 1.    Искажение цвета в телевидении

Рассмотрим существующую систему телевидения в аспекте цветовых искажений. В телевизионных 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 телевизионной камеры были равны между собой и составляли значения, равные единице. При этом экран телеприемника должен воспроизвести цветность «опорного» белого. Источники «опорного» белого для разных стандартов несколько отличаются. 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 осуществляется устройствами, называемыми цве-токорректоры 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 телевизионной камеры определяются согласно следующему выражению:

U i = K i ∫ E ( λ ) ρ ( λ ) δ i ( λ ) ∂λ , (1) 380

где i = R , G , B ; K_i – коэффициент передачи цветного канала датчика; E ( λ ) – спектральное распределение энергии источника освещения; ρ ( λ ) – спектральная характеристика отражения объекта; δ _i ( λ ) – спектральная характеристика чувствительности i канала телевизионной камеры.

Для расчетов цветовых искажений была разработана компьютерная программа, моделирую

щая процесс передачи и воспроизведения цвета в телевидении «от света до света» [3].

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

Г KR 1 Г xR xG xB 1 -1 Г x01 KG = yR yG yB ■ У0 ,                    (2) _ Kb . L ZR zG zB _ _ zo _ где xR, yR, zR , xG, yG, zG, xB, yB , zB – координаты цветности вершин треугольника цветового охвата (основных цветов) экрана; x0, y0, z0 – координаты цветности опорного «белого»; KR , KG , KB – коэффициенты передачи усилителей видеосигналов R, G и B телеприемника.

Очевидно, что спектр воспроизведенной цветности на экране телеприемника опорного «белого» (в нашем случае цветность источника D6500 ) не будет равен спектру стандартного источника, который освещает телекамеру. В этом случае эти два излучения (передаваемый источник и его изображение на экране) являются метамерами и воспринимаются глазом как источники одинаковой цветности.

Эта программа была зарегистрирована в ОФАП [4].

Для определения цветности, воспроизводимой на экране телевизионного приемника, в программе были использованы следующие выражения [5]:

где X , Y , Z – координаты цвета в системе МКО 1931 г. ( x , y ); x_R , y_R , z_R , x_G , y_G , z_G , x_B , y_B , z_B – координаты цветности основных цветов экрана телевизионного приемника; U_R , U_G , U_B – значения величин видеосигнала, определенные по (1).

Из (3) легко определяются координаты цветности изображения на экране телевизионного приемника по формулам:

x = X /(X + Y + Z ), y = Y/(X + Y + Z ).

Из (3) видно, что цвет (а значит, и цветность), воспроизводимый на экране телевизионного приемника, зависит от координат вершин основных цветов экрана. В настоящее время существует несколько типов устройств, на основе которых изготовляются телевизионные экраны.

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

С помощью разработанной программы были рассчитаны ожидаемые цветовые искажения в системе «от света до света» при идеальной телевизионной 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 телевизионных приемников.

Для примера на рис. 2 приведены результаты расчетов цветовых искажений при воспроизведении на экране стандарта EC.

Поясним этот рисунок. Точки с числами 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 телеприемника. 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. 2. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на экран, имеющий прибор с использованием люминофоров (кинескоп стандарт EC)

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

• а )    спектральные характеристики чувствительности каналов R , G и B телевизионной камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы МКО 1931 г. ( x , y , z ), изображенных на рис. 3. При этом кривая x ( λ ) совпадает с кривой спектральной характеристикой чувствительности красного канала δ _R ( λ ), кривая y ( λ ) - δ _G ( λ ) и кривая z ( λ ) - δ _B ( λ ). Такую камеру будем называть идеальной. На практике такие телевизионные камеры не применяются ввиду сложности получения двухгорбной кривой спектральной характеристики чувствительности;

• б )    спектральные характеристики чувствительности каналов G и B телевизионной камеры совпадают с кривыми сложения колориметрической системы МКО 1931 г. ( x , y , z ), причем для зеленого канала кривая y ( λ ) совпадает с кривой чувствительности зеленого канала δ _G ( λ ); кривая z ( λ ) - δ _B ( λ ). Кривая красного канала R совпадает с кривой, предложенной Д.А. Шкловером, которая является одногорбой и определяется как [6]

x _III( λ ) = 0.833 x ( λ ) + 0.333 y ( λ ) - 0.1;

• в )    то же самое, что и вариант б , но кривая красного канала совпадает с частью кривой x ( λ ) (рис. 4).

• 2.    Колориметрически точное цветовоспроизведения в ТВ

  Профессор Н.Д. Нюберг предложил в 1948 г. использовать три понятия точности воспроизведения цвета [8].

Итак показано, что координаты воспроизводимой цветности на экране телеприемника зависят

Рис. 3. Кривые сложения цветов в системе XYZ МКО при источнике Е . Яркостные коэффициенты L_X : L_Y : L_Z = 0 :1 :0

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 – это цветность «опорного» белого.

Роберт Хант дал академическое определение шести возможных уровней цветовоспроизведения [9]:

• 1.    Спектральное цветовоспроизведение;

• 2.    Колориметрическое цветовоспроизведение;

• 3.    Точное цветовоспроизведение;

• 4.    Эквивалентное цветовоспроизведение;

• 5.    Согласованное цветовоспроизведение;

• 6.    Выделенное цветовоспроизведение.

Из шести определений, сформулированных Р. Хантом, остановимся на втором, а именно колориметрическом цветовоспроизведении.

Колориметрическое цветовоспроизведение (colorimetric color reproduction) опреде л яется ме-томерным 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 телевизионная трехцветная камера формирует

Рис. 4. Спектральная характеристика чувствительности «реальной» телекамеры

Рис. 5. Цветовые искажения в телевизионной системе, полученные путем передачи сигналов цвета и воспроизведенные на экране, имеющем прибор с использованием люминофоров (кинескоп стандарт EC)

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, что видеосигналы видеокамеры пропорциональны координатам цвета. Тогда необхо-

димые значения видеосигнала можно определить

из матричного уравнения (3), а именно:

UR

UG

U B

x R ^yR

_ z R

xG yG zG

xB

- 1

X

У в   ■ Y

Z b J   L Z

Из (5) следует, что для воспроизведения цвета с координатами X , Y , Z необходимы видеосигналы U_R , U_G , U_B , а значит, и координаты цветности в соответствии с (4). При расчете величин видеосигналов U_R , U_G , U_B для передава-

емых 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 значению к нулю. На рис. 5 показаны

цветовые искажения при использовании идеальной цветной трехцветной камеры, а в телевизионном приемнике в качестве экрана применена тот же кинескоп стандарта ЕС. Обозначение на этом рисунке то же, что и на рис. 2.

Как видно из рис. 2, цветности, находящиеся в внутри цветового треугольника основных цветов экрана телевизионного приемника, оригинала изображения совпадают с воспроизводимым изображением на экране телевизионного приемника. Остальные координаты воспроизводимых цветов (за пределами треугольника цветового

Рис. 6. Добавляемый узел в телевизионный приемник

охвата) находятся на наиболее кратчайшем расстоянии от стороны треугольника основных цветов экрана телевизионного приемника.

На рис. 6 показана добавляемая схема. Рассмотрим эту 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 единожды и зависят от типа экрана телевизионного приемника, а еще лучше однажды измеренные координаты цветности основных цветов для конкретного телевизионного экрана и расчета коэффициентов обратной матрицы. В вычислительном устройстве происходит вычисление величин видеосигналов U_R , U_G , U_B 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 U_R , U_G , U_B меньше 0, то его значение приравнивается 0.

Выше было сказано, что практическая реализация двухгорбной кривой спектральной

чувствительности затруднена, и на практике гораздо легче реализовать одногорбую кривую спектральной характеристики чувствительности, например, с кривой, предложенной Д.А. Шкловером, или кривую красного канала, как это показано на рис. 3, и в этом случае бу д ем иметь искаженные координаты цвета на определенную величину. Обычно измерение координат цветности с помощью классического колориметра параллельного действия (в нашем случае мы предложили считать трехцветную телевизионную камеру именно таким прибором) производится с точностью + 0.01 + 0.05, что составляет в пределах от 1.75 до 8.7 порогов МакАдама.

Необходимо также учесть, что, согласно [7], допустимые отклонения координат цветности основных цветов составляют + 0.01, что также приводит к дополнительным цветовым искажениям порядка 2 порогов МакАдама.

Заключение

Показано, что практически можно значительно уменьшить цветовые искажения в телевидении, при этом упрощается схема камерного канала телецентра, но повышаются требования к спектральным характеристикам чувствительности самой трехцветной телевизионной камеры. Также должны быть повышены требования на уменьшение разброса координат цветности однотипных телевизионных экранов при их массовом изготовлении либо их измерение с точностью, рекомендованной ГОСТом. При этом незначительно усложняется схема самого телевизионного приемника.