Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Цветовые системы. Обзор и анализ 13
Предмет измерения. Цвет, как многомерная величина 13
Системы координат измерения цвета и цветности 14
СистемакоординатІЮВСМКО-ЗІ) 14
Система координат XYZ МКО 1931 15
Переход между цветовыми системами XYZ и RGB с использование разных стандартов рабочих цветов 20
Система координат МКО 1960 22
Цветности стандартных излучателей 23
Определение положения различных цветов на цветовом графике МКО 1931 25
Области различных цветов на графике ху 27
Определение границ охвата основных цветов 28
Равноконтрастные цветовые пространства 29
1.3. Анализ цветовых систем 36
Выводы к главе 1 41
Глава 2. Цветовоспроизведение 42
Формулы цветовых различий 43
Разработка нового равноконтрастного цветового пространства 48
Выводы к главе 2 68
Глава 3. Цветовые искажения в технике цветопередачи 69
Основные проблемы цветного изображения 69
Оконечные устройства систем передачи и воспроизведения цветных изображений 78
3.2.1. Экраны цветовоспроизводящих устройств 78
3.2.2. Датчики сигналов цветного изображения 84
3.3. Цветовые искажения в электронных системах переда
чи и воспроизведения цветного изображения 89
Выводы к главе 3 99
Глава 4. Методы и приборы объективного измерения
координат цвета 100
Спектральный метод измерения цветовых координат 100
Спектрально-колориметрический метод измерения координат 101
Механическая схема реализации метода 101
Электронная схема реализации метода 104
Анализ погрешности измерения цветовых координат спектрально-колориметрическим методом 106
Реализация спектрально-колориметрического метода измерения цветовых координат 115
Измерение и оценка цветовых различий 120
Модернизация прибора, реализованного по электронной схеме 122
Выводы к главе 4 126
Заключение 127
Литература 129
Приложение Ш. Алгоритм программы расчета равноконтра-
стного цветового пространства 138
Приложение П2. Алгоритм, результаты работы программы,
свидетельство, информационная карта АИП и извещение о го
сударственной регистрации комплекса программ «Экспери
ментальное измерение порогов цветоразличения» в ОФАП 143
Приложение ГО. Алгоритм программы «Цветовые искажения
в TV», результаты ее работы, свидетельство, информационная
карта АИП и извещение о государственной регистрации в
ОФАП 154
Приложение П4. Авторское свидетельство № 881539 и акты 171
внедрения
Введение к работе
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 качест-
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 (з + 5)-1(Г3 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. (1-^-2)-10"3 единиц МКО 1931 г. (х,у). 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:
Произвести численный анализ существующих и наиболее распространенных цветовых систем.
Разработка новой равноконтрастной цветовой системы для цветного телевидения и практическое подтверждение "равноконтрастности" новой цветовой системы.
Исследование точности колориметрии, присущей известным методам определения координат цветности.
Разработка математической модели цветовых искажений в телевидении.
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 колори-
метры 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. И), 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.
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.
Всубтрактивном колориметре Джонса [23] цветовой стимул в поле сравнения-регулируется 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 фо-
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(X) МКО 1931 г. Тогда гальванометры зарегистрируют сигналы, пропорциональные координатам цвета.
В колориметрах последовательного типа можно заменить КСФ на монохроматор 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 основ-
ного 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.
Во второй главе приведены известные формулы определения цветовых
различий. Показано, что эти формулы нельзя использовать для определения
цветовых различий в аддитивных условиях восприятия цветного изображения.
Используя теорию поверхности, тензорное исчисление и на основе закона Вебера - Фехнера, точнее обратного значения этого закона, автором разработано и определено криволинейное цветовое пространство, в котором эллипсы Мак Адама были трансформированы в окружности почти равного диаметра. Разработанное криволинейное цветовое пространство можно использовать с ощутимым преимуществом для определения цветовых различий, при этом результат определения цветовых различий будет более однозначен, нежели в любой известной системе МКО.
В третьей главе рассмотрены вопросы и проблемы восприятия цветной репродукции, современные технические средства воспроизведения, а также датчики цветного изображения. Получены формулы расчета координат цветности различных типов экранов телевизионного приемника, используя не оптические спектры излучения, а координаты цветности основных цветов.
В этой же главе приведены результаты моделирования погрешности воспроизведения цвета в телевидении. Разработана программа моделирования воспроизведения цвета в телевидении, которая внедрена в учебный процесс (как лабораторная работа) на кафедре телевидения Поволжского Государственного университета телекомунникаций и информатики.
В четвертой главе разработан спектрально-колориметрический метод измерения координат цвета и цветности, предложены приборы, основанные на этом методе высокоточного измерения координат цветности, дан анализ погрешности измерения.
Все главы заканчиваются выводами.
В заключении диссертационной работы приведены основные полученные научные результаты.
В приложении к работе приведены некоторые алгоритмы компьютерных программ и результаты их работы, а также свидетельства, информационные
карты АИП и извещения о государственной регистрации программных продуктов, а также авторское свидетельство об изобретении. Список литературы содержит 92 наименования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Криволинейная равноконтрастная цветовая поверхность, на которой эллипсы Мак Адама трансформируются в равновеликие окружности. Криволинейная равноконтрастная цветовая поверхность создана на основе теории поверхностей, тензорного исчисления и закона Вебера-Фехнера. В координатах этой цветовой поверхности можно однозначно и объективно определять цветовые различия.
Программный комплекс, позволяющий экспериментально измерять пороги цветоразличения.
Математические формулы, позволяющие определять цветность на экране цветного монитора, не прибегая к измерению оптического спектра излучения. Для этого достаточно знать только координаты, цветности основных цветов монитора.
Оригинальный спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат, обладающий простотой и высокой точностью измерения цветовых координат по сравнению с классическими методами.
Компьютерная программа на основе математической модели передачи и воспроизведениЯ'Цвета в телевидении.
