Восприятие телевизионного изображения в условиях внешнего освещения

За более чем 40 лет регулярного цветного телевизионного вещания (ТВ) в нашей стране его техника шагнула далеко вперед. Технические изменения произошли как в аппаратуре ТВ центров, так и в модификациях бытовых ТВ приемников. Цветные кинескопы ТВ приемников заменили жидкокристаллические и плазменные панели. Снята проблема сведения лучей, присущая трехлучевому кинескопу. Качество цветного изображения стало значительно лучше, а полный переход на цифровое цветное ТВ еще более повысит качество цветной ТВ репродукции.

Влияние условий просмотра ТВ изображения на цветовые искажения воспринимаемого цвета

Технический прогресс в области ТВ техники способствует улучшению качества ТВ изображения, но существует фактор, ухудшающий цвето-восприятие на экране ТВ приемника. Этим фактором является внешний источник света, который, как правило, присутствует во время просмотра ТВ передач. В некоторых случаях внешняя засветка экрана ТВ приемника практически очень мало зависит от человека, например просмотр ТВ передачи в дневное время суток. Цвет и уровень излучения внешнего источника света в дневное время зачастую зависит от погодных условий. В вечернее время суток человек может в определенной степени регулировать уровень освещения помещения, в котором производится просмотр ТВ передач.

Рассмотрим физический процесс, происходящий во время восприятия цветного ТВ изображения с экрана ТВ приемника при внешнем источнике света. Как правило, это источник белого цвета, будь то естественное дневное освещение либо искусственные источники. На рис. 1 [1]

изображены относительные распределения энергии в спектре дневного солнечного света, а на рис. 2 показаны спектры излучения стандартных источников А, В и С.

Рис. 1. Распределение энергии в спектре дневного солнечного света: кривая 1 – цвет неба; кр. 2 – облачное небо; кр. 3 – безоблачное небо; кр. 4 – прямой солнечный свет [1]

Рис. 2. Распределение энергии в спектре излучения стандартных источников белого света А, B и С [1]

Предположим, для примера, что в помещении, где производится просмотр ТВ передач, в качестве источника света включена лампа накаливания (источник А). Складывая спектральные характеристики синего, зеленого и красного фильтров ЖК-панели (см. рис. 3) со спектром излучения источника А, получим, что изображение на экране ТВ приемника будет окрашиваться в «желтокрасные» тона. Конечно, в этом случае не будет аддитивного процесса сложения цветов экрана ТВ приемника и цвета источника внешнего освещения, здесь процесс несколько сложнее, и его можно назвать аддитивно-субтрактивное сложение цветов, поскольку часть спектра источника внешнего освещения поглощается экраном ТВ приемника, а часть – отражается и при этом складывается с излучением экрана. И тем не менее, в этом случае воспринимаемая цветность изображения на экране ТВ приемника сдвигается в желтую область. Это же показывает и модель цветовоспроизведения на экране ТВ приемника (см. рис. 6).

Рис. 3. Спектральные характеристики синего, зеленого и красного фильтров ЖК-панели

Очевидно, произойдет практически то же самое при внешнем освещении источником S (цвет голубого неба), но в этом случае цвет репродукции на телеэкране будет сдвигаться в синюю область цветов, что и подтверждает модель (см. рис. 7). Малые цветовые искажения, вызванные внешней засветкой источником D7500, можно объяснить тем, что источник D7500 имеет малую контрастность относительно источника D6500 (координаты этих источников очень близки между собой), на который настроен экран телевизора, как на опорную белую цветность, поэтому при засветке ТВ экрана этими источниками мало изменяет цветность ТВ репродукции (см. рис. 8). Но, к сожалению, такая ситуация встречается крайне редко.

В [2] приводится описание компьютерной модели исследования цветовых искажений в телевидении. Впоследствии данная программа была несколько изменена. В частности, в программу была добавлена модель хроматической адаптации, причем в настоящее время существует несколько этих моделей [3], и некоторые из них были включены в программу расчета цветовых искажений.

На рис. 6-8 цветовые искажения показаны в колориметрической системе МКО 76 (LAB), изображенной в сферической системе координат [4-5]. За исходные цвета (обозначенные цифрами от 1 до 12) взяты цвета из атласа Манселла [6]. Номера цветов, используемые на рис. 6-8, соответственно равны: 2, 13, 24, 35, 46, 57, 68, 79, 90, 101, 112 и 123 [6]. Цифрами от 1 до 12 с одним штрихом обозначены цвета, которые воспроизведены на экране ТВ приемника, а этими же цифрами, но с двумя штрихами – цвета, которые воспринимаются наблюдателем. В качестве модели хроматической адаптации здесь применена Bradford-модель, описываемая следующими выражениями [3]:

где X s ^s^s координаты X , Y , Z стимула; L_s,M_s,S_s – колбочковые ответы на исходный белый;

^WS ' ^WS ’ ^ws   координаты исходного белого

(D6500),

0,8951 0,2664

[A/J= -0,7502 1,7135

0,0389 -0,0685

-0,1614" 0,0367 1,0296

где Х_D , Y_D , Z_D – координаты стимула; ^D ’ ^D ’ ^S – колбочковые ответы на белый;

MD . ^D

^WD

в некоторой степени снимает часть поставленной проблемы, но полного и достаточного решения поставленной проблемы не дает.

Для решения этой проблемы необходимо знать либо оптический спектр интегрального излучения источника внешней засветки, либо знать координаты цвета этого излучения (по оптическому спектру легко можно определить эти координаты). Использовать спектрофотометр в телевизоре неоправданно дорогое решение этой проблемы, да и время измерения спектра и время расчета координат может оказаться весьма большим. В этом отношении лучшего результата можно достичь с помощью обычного фотоэлектрического трехцветного колориметра параллельного действия. Особо высокой точности измерения здесь не требуется и будет вполне достаточно 0,05…0,08 от измеряемой величины цветности по x и y. Подобный колориметр может быть построен по методу с применением «масок» [7]. Но для быстроты измерения фотоэлектрический колориметр должен быть непременно параллельного типа, то есть на его электрических выходах всегда должны присутствовать сигналы текущего измерения координат цвета внешнего излучения, например, соответственно X, Y и Z каналов.

X^d •> Y_TO, Z_WD – координаты целевого белого.

Яркость целевого белого, то есть яркость освещения экрана ТВ приемника, была принята в расчетах соизмеримой с яркостью изображения.

Как видно из рис. 6-8, имеют место достаточно большие искажения как цветового тона, так и насыщенности цвета. Хочу отметить факт, что воспринимаемый цвет (см. рис. 6, цвета 1''…5'') может находиться за пределами треугольника (RGB) цветового охвата экрана ТВ приемника.

Методы цветовой коррекции искажений цвета в телевидении при воздействии различных внешних условиий цветовосприятия

Итак, существует проблема цветовых искажений, которые никак нельзя решить методом улучшения качественных характеристик как аппаратуры телецентра, так и ТВ приемников. В настоящее время выпускаются «интеллектуальные» телевизоры. Суть заключается в том, что на передней панели телевизора установлен фотометр, который позволяет измерять яркость внешнего освещения, и в зависимости от измеренной яркости автоматически регулируются яркость и контрастность ТВ изображения. Это

Рис. 4. Схема выходных каскадов цветовых сигналов

Схема выходных каскадов цветовых сигналов при этом будет иметь вид, как показано на рис. 4. Рассмотрим работу данной схемы. Сигналы с видеодетектора (или с матрицы) ER, EG и EB поступают на арифметическое устройство для вычисления координат цвета элемента изображения. Эти вычисления производятся по формуле

4f0" ^o ^o _ = XR XG XB yR Ус Ув _ZR ZG ZB_ Er Eg _Eb _ ,           (5) где Х К'У R'-R'XG’Уб,ZG’XВ’УВ’ZB – координаты цветности основных цветов ТВ экрана. При этом координаты цветности х -___^____. у ____

° Xo+Yo+Zo’ Xo+Yo+Zo'

Эти формулы справедливы для линейного ТВ приемника. В случае наличия нелинейностей необходимо значения сигналов ^ R ’ ^G ⁵ ^В возводить в степень γ_R, γ_G и γ_B соответственно.

Вычисленные координаты цвета ^О^О^О поступают в блок вычисления воспринимаемых координат цвета под воздействием влияния внешнего источника освещения, координаты которого, X , Y и Z измеренные колориметром, поступают в этот же блок. Этот блок по своей сути является моделью хроматической адаптации (1)-(4). На выходе этого блока получаем координаты цвета, которые воспринимаются наблюдателем при просмотре ТВ изображения. В зависимости от координат цвета внешнего источника освещения, полученные координаты будут сдвинуты в противоположную сторону, но так, чтобы эти точки с координаты не выходили за пределы цветового треугольника основных цветов, потому что в этом случае воспроизвести этот цвет не удастся. Эта «инверсия координат» производится в блоке «Вычисление необходимых координат», на выходе которого получаем координаты X₂ , Y₂ и Z₂ .

Зная необходимые координаты цвета, из (5) находим необходимые величины сигналов ^ R ^? ^G ⁷ ^ В , которые и управляют экраном ТВ приемника, воспроизводя при этом несколько другой цвет. За счет внешней засветки наблюдатель будет воспринимать цвет, имеющий первоначальный цвет (или почти первоначальный цвет), то есть цвет, который воспроизводит ТВ экран, а не который воспринимается глазом наблюдателя. Таким образом, можно в значительной степени скорректировать и уменьшить цветовые искажения, воспринимаемые наблюдателем.

Возможен и второй способ решения данной проблемы, он состоит в том, что вычислительные блоки (см. рис. 4) заменяются блоком постоянной памяти (ПЗУ), в которой «зашиты» значения необходимых значений видеосигнала. Структурная схема реализации этого способа приведена на рис. 5.

Рис. 5. Способ коррекции цветовых искажений с применением постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)

Можно определить необходимый объем памяти ПЗУ. Пусть количество цветов, которое воспроизводится ТВ-приемником, равно пятистам тысячам, а количество типов источников внешнего освещения не превышает пятидесяти. Тогда при 8-битном кодировании видеосигнала необходимый объем постоянного запоминающего устройства должен составлять: 500000·50 = 25000000 байт, или ~25 Мбайт, что вполне приемлемо.

Рис. 6. Коррекция цветовых искажений, вызванных засветкойэкрана ТВ приемника внешнимисточником света (лампа накаливания – стандартный источник А)

На рис. 6-8 показаны результаты работы данного метода компенсации внешней засветки экрана ТВ приемника. Дополнительные обозначения на этих рисунках состоят в следующем: цифры с тремя штрихами обозначают цвета, которые должен воспроизводить экран ТВ приемника и которые за счет действия внешней засветки воспроизводятся глазом (мозгом наблюдателя) как цвета, обозначенные цифрами со звездочкой.

Необходимо отметить, что воспроизводимые цвета, которые лежать на линии треугольника основных цветов ТВ экрана, требуют отрицательного значения величины видеосигнала основного цвета, определяемого противоположной точкой цветового треугольника основных цветов ТВ экрана.

Рис. 7. Коррекция цветовых искажений, вызванных засветкой экрана телеприемника внешним источником света (цвет голубого неба – стандартный источник S)

Рис. 8. Коррекция цветовых искажений, вызванных засветкой экрана телеприемника внешним источником света (цвет пасмурного неба – стандартный источник D7500)

К примеру, на рис. 6 цвета 6-10 лежат близко к линии GB треугольника цветового охвата телеэкра- на, и эти воспроизводимые цвета с учетом компенсации внешнего источника засветки экрана должны иметь значения видеосигнала ER меньше нуля, что в принципе невозможно, поэтому эти цвета не могут иметь 100% коррекцию. Так как здесь предполагается иметь в ТВ приемнике колориметр, а координата цвета Y есть величина пропорциональная яркости источника внешней засветки, поэтому значением величины Y можно управлять яркостью и контрастностью изображения.

Таким образом, использование прибора, способного измерять координаты цвета и яркости источника внешней засветки, в комплекте с телеприемником может в значительной степени повысить качество восприятия цветного ТВ изображения.

Заключение

Показано, что внешняя засветка телеэкрана вносит цветовые искажения при восприятии изображения. Величина этих искажений зависит от яркости и спектрального распределения энергии источника внешней засветки телеэкрана. Использование трехцветного колориметра параллельного действия в комплекте с телеприемником позволяет произвести коррекцию этих цветовых искажений.