Анализ и разработка систем объективной колориметрии в цветном телевидении

Постановка задачи. Повышение требований к качеству цветного репро-дуктирования, т. е. воспроизведения цветного изображения, в телевидении, в полиграфии, в цветном кино и цветной фотографии объясняется развитием научно-технического общества в целом. В связи с этим актуальными являются работы, направленные на измерение и контроль качественных характеристик цветопередающих и цветовоспроизводящих систем. Для количественной оценки качества передачи и воспроизведения цвета системой необходимо иметь устройство для измерения цвета.

Современные системы передачи и воспроизведения цвета основываются на трехцветной колориметрии, понимаемой как вся совокупность способов и средств измерения и математического описания цветов. Необходимость использования колориметрии ощущалась уже с первых попыток реализации в частности цветного телевидения [1]. По мере развития систем передачи и воспроизведения цвета все лучше уяснялись колориметрические требования, которым должна удовлетворять вся система для получения качественного цветовоспроизведения при условии эффективного использования канала связи.

В телевизионных системах передачи и воспроизведения цвета уточнение критериев качества цветного изображения соответствует, в частности, экспериментальному определению порогов цветоразличения в условиях телевизионного наблюдения и допусков на цветовые искажения [2 — 7], а также создание колориметрической аппаратуры повышенной точности.

Согласно [8] погрешность при измерениях цвета не должна превышать ±0,01 относительных единиц колориметрической системы МКО 1931 г. (х, у), что не противоречит исследованиям [9 — 12] по определению допустимых искажений цветопередачи. Измерение цветности экранов воспроизводящих устройств необходимо также при определении допусков на качест5 венные показатели выпускаемых жидкокристаллических (ЖК) и плазменных панелей, а также панелей с люминофорами, применяемых в FED и SED панелях.

Известно, что цветоразличение по Мак Адаму [13 — 17] отличается от цве-торазличения в условиях просмотра кино и телевидения, а среднее значение порога на равноконтрастной диаграмме МКО 1960 г. приблизительно равно 0,0038 [18]. При определении допусков на цветовые искажения следует стремиться к погрешности измерения в (3*5)-ю-3 относительных единиц МКО 1931 г. (х, у). Для метрологической поверки колориметрической аппаратуры, имеющей указанную погрешность измерения, необходимо располагать устройством, как минимум раза в три с меньшей погрешностью измерения, т. е. (l-^2)-10~3 единиц МКО 1931 г. (л,^). Измерения с такой малой погрешностью можно назвать прецизионными, т.к. точность соизмерима с цветораз-личительной способностью стандартного наблюдателя МКО.

В связи с этим, основные научные задачи диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Произвести численный анализ существующих и наиболее распространенных цветовых систем.

2. Разработка новой равноконтрастной цветовой системы для цветного телевидения и практическое подтверждение «равноконтрастности» новой цветовой системы.

3. Исследование точности колориметрии, присущей известным методам определения координат цветности.

4. Разработка математической модели цветовых искажений в телевидении.

5. Разработка аппаратуры с минимальной погрешностью измерения координат цветности.

6. Измерения и оценка цветовых различий цветной репродукции.

Состояние вопроса. В настоящее время известно несколько методов колориметрических измерений. Одним из основных методов является визуальный (на нем основана вся колориметрия). Суть этого метода заключается в зрительном уравнивании цветов (цветовых стимулов). Визуальные колориметры могут быть аддитивного и субтрактивного типов. С помощью визуального колориметра наблюдатель видит поле, разделенное пополам, одну половину поля заполняет измеряемое излучение, а вторую — смесь, обычно трех потоков, например, красного, зеленого и синего цвета. Наблюдатель, регулируя величины этих потоков, добивается одноцветности поля с измеряемым полем. Такая установка двух цветов на равенство, т. е. на зрительную неразличимость, называется согласованием цветов [19]. В описываемом процессе согласования цветов не обеспечивается одинаковость спектральных составов двух сравниваемых излучений, и эти два согласованных цвета в общем случае являются метамерами, т. е. оптические спектры излучения различны, но вызывают одинаковые цветовые ощущения.

При соответствующем выборе цветов колориметра и регулировании заслонками можно получить зрительное согласование с большинством цветов, но не со всеми [19]. Для согласования большего числа цветов необходимо выбрать такие основные цвета колориметра, чтобы их многоугольник (часто треугольник) охватывал по возможности наибольшую площадь цветового локуса. Известны треугольники цветов, предложенные Райтом и Гилдом [20] (см. рис. 11), с практически максимальным цветовым обхватом для трехцветного колориметра. Для построения трехцветного колориметра, имеющего широкий цветовой охват, основные цвета должны быть спектрально чистыми. В 1955 г. Стайлс предложил схему колориметра, в котором имеются три монохроматора, каждый из которых выделяет свой основной цвет [21].

Известен шестицветный колориметр Дональдсона с полем зрения 10° [22]. Шесть основных цветов прибора имеют спектральное распределение, охватывающие весь видимый спектр с некоторым перекрытием. Эти цвета создаются лампой накаливания в сочетании с каждым из шести светофильтров. Кроме того, в приборе имеется вторая группа таких же фильтров, расположенных на турели с семью отверстиями, установленной в пучке наблюдения (седьмое отверстие не заполнено фильтром). Сначала производится грубое уравнивание по цвету через шесть фильтров, установленных на турели. 7

Поскольку отдельные части спектра обеих излучений уже приблизительно уравнены, то будет иметь место приближенное цветовое равенство. Окончательная установка точного цветового равенства достигается изменением красного, зеленого и синего основных цветов. Цветовая гамма прибора охватывает почти все достижимые цвета.

В субтрактивных колориметрах зрительное согласование с цветом достигается помещением на пути света одного или нескольких калиброванных светофильтров. Цвет исследуемого излучения в некоторой цветовой системе выражается с помощью специальных таблиц или графиков.

В субтрактивном колориметре Джонса [23] цветовой стимул в поле сравнениярегулируется последовательным введением в пучок излучения ламп трех цветовых желатиновых клиньев, окрашенных сине-зеленым, пурпурным и желтым красителями. Цветовое равенство достигается регулировкой положения этих клиньев, поглощающих в основном красное, зеленое и синее излучение соответственно.

К методам субъективной колориметрии относится также измерение цвета путем сравнения его с заранее заготовленными эталонами. Набор таких эталонов образует цветовой атлас. Цвета атласа располагаются в систематизированном по определенным признакам порядке. Наиболее известны атласы Манселла, Оствальда, Рабкина, Юстовой.

Достоинством субъективной колориметрии является простота. К недостаткам можно отнести: низкую точность (она зависит от субъективных свойств наблюдателя), достаточно длительный и утомительный процесс измерения и получения координат в стандартных цветовых системах.

В объективной колориметрии наиболее широкое распространение получили трехцветные колориметры. Эти колориметры бывают как одновременного действия (параллельного типа), так и поочередного действия (последовательного типа) [1].

Принцип работы такого колориметра заключается в следующем. Оптическое излучение через корригирующие светофильтры (КСФ) попадают на фо8 топриемник (ФП) (в колориметре последовательного типа используется один ФП, а КСФ поочередно меняются), сигналы, с которых, после усиления регистрируются гальванометром. КСФ подбираются так, чтобы спектральные характеристики чувствительности ФП были бы пропорциональны по всему видимому спектру (с определенным приближением), например, кривым сложения х (Л), у (Л), z (A) МКО 1931 г. Тогда гальванометры зарегистрируют сигналы, пропорциональные координатам цвета.

В колориметрах последовательного типа можно заменить КСФ на моно-хроматор с поочередно вставляемыми в плоскость оптического спектра масками. Маски изготовлены так, что отверстия в них сделаны в форме кривых сложения выбранной колориметрической системы с учетом спектральной характеристики чувствительности ФП. Такая коррекция спектральной чувствительности ФП проще коррекции с помощью КСФ.

Известно достаточное количество приборов, работающие по таким схемам [24 — 40], различие в них состоит в методах обработки сигналов ФП.

Достоинство этих колориметров состоит в том, что с их помощью можно измерять цвет практически любого излучения достаточно легко и быстро. Основной трудностью при создании трехцветных колориметров является реализация КСФ так, чтобы приближение спектральных характеристик чувствительности ФП к кривым сложения выбранной цветовой системы было максимально.

Для измерения координат цвета и цветности на экране цветного телеприемника, где отсутствуют метамерные цвета, а спектры излучения экранов практически не меняются, в [41] предложен прибор с произвольными анализирующими функциями (спектральные характеристики чувствительности произвольны, но не одинаковы). В [42] предложен спектрально-координатный метод измерения координат цветности на экране цветного телеприемника. Этот метод заключается в том, что вырезаются три участка спектра, каждый из которых принадлежит только излучению одного основного цвета из трех (красный, зеленый и синий). В [43] приведена схема прибора, реализующего спектрально-координатный метод измерения.

Недостатком этих двух методов является то, что приборы «привязаны» к экрану телевизора, т. е. с их помощью можно производить измерение цветовых координат только на том экране монитора, на котором была произведена калибровка. Техническая реализация таких приборов проще по сравнению с реализацией трехцветного колориметра (при одинаковой погрешности измерения), что является их достоинством.

Известен спектральный метод измерения цветовых координат (косвенная колориметрия), сущность которого заключается в измерении плотности энергии излучения по спектру с последующим расчетам по известным формулам [1, 18, 20]. Большая трудоемкость процесса измерения, несмотря на высокую точность определения цветовых координат, в сильной степени ограничивает применение этого метода в практике колориметрии. В [44 — 53] дано описание и схемы автоматических установок спектрального измерения координат цвета и цветности. Такая рабочая автоматическая установка экспонировалась на ВДНХ СССР в 1976 г. и автор данной диссертационной работы был награжден бронзовой медалью и дипломом лауреата [54, 55]. В [56] автором диссертации предложен прибор, основанный на спектрально-колориметрическом методе измерения координат цвета и цветности любого как самосветящегося, так и отражающего свет объекта.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. В первой главе дан обзор и анализ существующих цветовых систем, которые рекомендованы к применению Международным Консультативным Комитетом (МКО). В этой же главе произведен анализ существующих цветовых систем, который показал, что в настоящее время не существует системы, пригодной для измерения цветовых различий.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный количественный анализ широко известных цветовых систем показал, что для объективного определения величины цветовых различий эти системы не обеспечивают однозначности этих различий в зависимости от значений исследуемых цветностей объекта.

2. На основе теории поверхностей, тензорного исчисления, закона Вебера — Фехнера, а также опытов Мак Адама по определению порогов цветоразличения была разработана теория и выведены соответствующие математические модели новой криволинейной цветовой равноконтрастной системы координат, в которой эллипсы Мак Адама трансфомировались практически в равновеликие окружности. Эта новая разработанная система координат позволяет количественно, а значит объективно, определять цветовые различия.

3. Экспериментальное подтверждение равноконтрастности новой цветовой системы координат было опробовано на специально разработанном программном комплексе «Экспериментальное измерение порогов цветоразличения». Этот программный комплекс был зарегистрирован в ОФАП.

4. Получены новые математические выражения, позволяющие расчитывать координаты цветности на экране монитора, не прибегая к измерениям и расчетам оптического спектра излучения, а используя только координаты цветности основных цветов экрана.

5. Разработана математическая модель для вычисления искажений воспроизведения цвета в телевидении и на основании этой модели была реализована компьютерная программа «Цветовые искажения в

TV". Эта программа была зарегистрирована в ОФАП и внедрена в

127 учебный процесс в качестве лабораторных работ по колориметрии цветного телевидения.

6. Разработан новый метод измерения цветовых координат и названн автором спектрально-колориметрическим методом.

7. Предложены две схемы колориметров, реализующих спектрально-колориметрический метод, схема одного из которых защищена авторским свидетельством. Оба этих прибора имеют высокую точность измерения, присущую спектральному методу и простоту измерения — присущую классическому колориметру.

ЗАКЛЮЧЕНЕ