Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

ЦВЕТОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИЗИОННОМ ТРАКТЕ «ОТ СВЕТА ДО СВЕТА»

Ложкин Л.Д. 1 Солдатов А.А. 1
1 Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
В статье приведены результаты математического анализа цветовых искажений телевизионного тракта «от света до света». Показаны цветовые искажения в телевидение, величина которых в большей степени зависят от типа телевизионного экрана, разновидность которых в настоящее время имеет некоторый диапазон. В статье рассмотрены следующие типы телевизионных экранов: трехлучевой цветной кинескоп, жидкокристаллический экран с тремя видами подсветки: люминенцветная лампа, белые светодиоды и полноцветные светодиоды, а также плазменные панели.
телевизионный экран
опорный белый
цветовой охват
система МКО
Ерганжиев Р.А. О допустимых искажений цвета в ЦТ [Текст] / Р.А. Ерганжиев // Техника кино и телевидения.  – 1973.  – № 3.  – С. 39–40.
Ложкин Л.Д. Методы определения и оценки сквозных спектральных храктеристик датчиков ЦТ [Текст] / Л.Д.  Ложкин, Ч.Г. Постарнак, Г.А. Суворов, С.М. Шапиро // Техника кино и телевидения.  – 1980.  – № 6.  – С. 45–49.
Ложкин Л.Д. Цветовые искажения в ТВ [Текст] / Л.Д. Ложкин // Инфокоммуникационные технологии.  – 2008.  – № 3.  – С. 81–86.
Полосин Л.Л. Оценка качества воспроизведения цветных изображений по интегральной прозрачности // Научно-техническая конференция «Прикладная оптика  – 96» Тезисы докладов.  – Санкт-Петербург, 1996.  – С. 314.
ГОСТ 19432  – 76. Телевидение цветное. Основные параметры системы цветного телевидения. – М., Госстандарт.  – 1976.
Epstain D.W. Colorimetric analysis of RCA color television system [Text] / D.W. Epstain //  – RCA Rev.  – 1953, XIV.  – № 2.  – P. 227–258.
Нюберг Н.Д. Цветная кинематография. [Текст] / Н.Д. Нюберг // Пер. с нем. С.В. Немыцкого.  – М.-Л., Госкиноиздат.  – 1039.  – С. 334.
Кривошеев М.И. Световые измерения в телевидении [Текст] / М.И. Кривошеев, А.К. Кустарев  – М.: Связь, 1973.  – C. 224
Ложкин Л.Д. Цветовые искажения в ТВ [Текст] / Л.Д. Ложкин // Инфокоммуникационные технологии.  – 2008.  – № 3.  – С. 81–86.
Epstain D.W. Colorimetric analysis of RCA color television system [Text] / D.W. Epstain //  – RCA Rev.  – 1953, XIV.  – № 2.  – P. 227–258.
Ложкин Л.Д. Образовательный web-сайт по информационным технологиям: свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 12111 / Л.Д. Ложкин №; заявл. 11.01.2009; дата регистр. 2009. [Интернет ресурс].

В наше время невозможно представить жизнь человека, который бы не пользовался услугами цветного телевидения (ЦТ). В связи с этим все большее значение приобретают вопросы качества передачи ТВ изображений телецентрами. В [1, 2, 3] показаны интегральные оценки качества воспроизведения изображения в цветном телевидении. 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 ПЗС. Одной из важнейших характеристик этих датчиков являются сквозные спектральные характеристики, которые можно описать следующим образом:

log01.wmf (1)

где сij  – элементы матрицы цветокоррекции;

τj(λ)  – спектральные характеристики пропускания оптических узлов датчика;

ξj(λ)  – спектральные характеристики чувствительности фотопреобразователя датчика.

Измерение спектральных сквозных характеристик датчиков ЦТ сигналов телецентра необходимо для того, чтобы установить отличие этих характеристик от заданных по [4], определить вариации их во время 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:

log02.wmf (2)

где Ki  – коэффициент передачи цветного канала датчика;

E(λ)  – спектральное распределение энергии источника освещения;

ρ(λ)  – 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(λ)∙ρ(λ):

log04.wmf (3)

где δi(λ)  – поправочный коэффициент.

Известны некоторые методики измерения сквозных спектральных характеристик датчиков ЦТ [7].

При выборе методики и аппаратуры измерений сквозных характеристик необходимо иметь ввиду, что они должны быть определены без введения каких либо дополнительных изменений в существующую аппаратуру телецентра, а также без ее разукомплектования. В [2, 5] приведены несколько методик и результатов измерения.

Некоторые замечания следует сделать по поводу спектральных характеристик, определенных [4]. 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 [4]. Формулы не указаны в ГОСТе, но имеются в технической литературе по цветному ТВ [8, 9]. Они ведут свое начало от работ по цветному воспроизведению, фотографии и кинематографии, опубликованных в 1937 г. [10] и повторенных применительно к ТВ в 1953 г. [9]. Формулы выведены по идеализированной математической модели системы ЦТ «от света до света» и устанавливают строгую «колориметричность» спектральных характеристик ЦТ датчика:

log05.wmf (4)

где log06.wmf  – кривые сложения МКО 1931 г. (x, y),

log07.wmf  – коэффициенты, являющиеся алгебраическими функциями координат цветности треугольника основных цветов эталонного экрана монитора и опорного белого цвета.

Физический смысл характеристик (4) состоит в том, что их ординаты 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 δi(λ). 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), в 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 тоже время цветные видеоконтрольные устройства (или телеприемник) настраивают на эталонный опорный белый цвет (например, D6500).

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:

log08.wmf (5)

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

log09.wmf (6)

log10.wmf.

где

log11.wmf

log12.wmf

log13.wmf

и т.д.

Коэффициенты α0, β0, и α, β определяются из следующих выражений:

log14.wmf

log15.wmf

log16.wmf

Для определения зависимостей коэффициентов log17.wmf от координат цветности основных цветов экрана монитора и опорного белого цвета log18.wmf можно воспользоваться выражением для α0, и β0, приведенных в [7], тогда:

log19.wmf

log20.wmf

log21.wmf

log22.wmf

и т.д.

Программа разработана так, что после цветокоррекции телевизионной камеры производится балансировка под опорный белый цвет D6500, спектр которого приводится в литературе, например, [5]. После балансировки телевизионной камеры, выходные сигналы равны между собой, т.е. log23.wmf При расчете с помощью этой программы использовалась некая идеальная телекамера, имеющая спектральные характеристики чувствительности равные кривым сложения цветов МКО 1931 г.

В программе также производилась балансировка телевизионного экрана. При этом при подачи видеосигналов log24.wmf, на экране должен воспроизведен белый цвет, с цветностью источника D6500, применяемого в соответствии с европейским стандартом (ЕС).

В программе предусмотрено менять указанный источник на любой другой стандартный источник, например А, С, Е и другие.

Балансировка экрана телеприемника под «опорный белый» в разработанной программе производилась в соответствии следующих формул:

log25.wmf (7)

где xR, yR, zR, xG, yG, zG, xB, yB, zB  – координаты цветности вершин треугольника цветового охвата (основных цветов) экрана;

log26.wmf координаты цветности опорного «белого»;

log27.wmf коэффициенты передачи усилителей видеосигналов R, G и Β 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.

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;

– жидкокристаллическая панель, с освещением люмцетной лампы;

– прибор, использующий люминофоры;

– экран с максимальным цветовым охватом (лазерный).

На рис. 1, 3, 5, 7 и 9 приведены результаты расчетов, а на рис. 2, 4, 6, 8 и 10 приведены числовые значения.

 

logkin1.tif

Рис. 1. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой белыми светодиодами

 

На этих рисунках результаты вычислений даны в более привычной системе МКО 1931 г. (x, y), но, тем не менее, разработанная программа позволяет 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, приведенными в [2, 4].

В обоих случаях расчетов в выходную таблицу результаты даются в двух системах координат. Разработанная программа была зарегистрирована в ОФАП [11].

 

logkin2.tifРис. 2. Таблица результатов расчетов цветовых искажений системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой белыми светодиодами

logkin3.tif

Рис. 3. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на экран, имеющий прибор с использованием люминофоров

logkin4.tif

Рис. 4. Таблица результатов расчетов цветовых искажений системы ЦТВ при приеме на экран, имеющий прибор с использованием люминофоров

logkin5.tif

Рис. 5. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой люмцетной лампой

logkin6.tif

Рис. 6. Таблица результатов расчетов цветовых искажений системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой люмцетной лампой

logkin7.tif

Рис. 7. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой полноцветными светодиодами

logkin8.tif

Рис. 8. Таблица результатов расчетов цветовых искажений системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подцветкой полноцветными светодиодами

logkin9.tif

Рис. 9. Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на экране с максимальным цветовых охватом

Рассмотрим влияние величины площади треугольника цветового охвата телевизионного экрана значения цветовых искажений. На цветовых диаграммах (рис. 1, 3, 5, 7, 9) приведены значения площади треугольника цветового охвата (треугольник основных цветов) и значения средней ошибки цветовоспроизведения, выраженной в количестве порогов Мак-Адама. Сведем эти данные в таблицу.

№ п/п

Тип экрана

Площадь

Цветовые искажения

1

ЖК с подцветкой белыми светодиодами

0,082

13,35

2

Экран с использованием люминофоров

0,113

11,73

3

ЖК с подцветкой люмененцветной лампы

0,119

11,61

4

ЖК с подцветкой полноцветными светодиодами

0,163

10,95

5

Экран с максимальным цветовым охватом

0,247

8.87

На рис. 11 изображена зависимость величины цветовых искажений от площади треугольника цветового охвата телевизионного экрана. Эта зависимость весьма очевидна и подтверждает интуитивную зависимость значений цветовых искажений от величины площади цветового охвата цветового треугольника экрана телеприемника.

 

logkin10.tif

Рис. 10. Таблица результатов расчетов цветовых искажений системы ЦТВ при приеме на экране с максимальным цветовых охватом

logkin11.tif

Рис. 11. Влияние площади треугольника цветового охвата телевизионного экрана на величину цветовых искажений. Номера точек соответствуют порядковым номерам таблицы

Как и следовало ожидать, при воспроизведении на экран, имеющий максимальный цветовой охват, средняя величина цветовых искажений имеет минимальную величину. И очевидна, эта минимальная величина (< 9 порогов Мак Адама) является ошибкой непосредственно технических средств телевизионной системы.


Библиографическая ссылка

Ложкин Л.Д., Солдатов А.А. ЦВЕТОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИЗИОННОМ ТРАКТЕ «ОТ СВЕТА ДО СВЕТА» // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-6. – С. 964-969;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8062 (дата обращения: 23.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074