Kolorimetrie nových TV snímacích soustav

Kolorimetrie nových TV snímacích soustav

Ing. Jan Kaiser,
ČVUT, Fakulta elektrotechnická, katedra radioelektroniky

Úvod

Kolorimetrický systém televizních snímacích soustav je způsob rozkladu snímané scény do základních barevných složek, který musí zabezpečit přenos dostatečného objemu informací pro obnovení obrazu barevné scény v zobrazovací soustavě. Zvolený kolorimetrický systém je charakterizován především počtem snímacích kanálů a typem jejich spektrálních citlivostí.

Obr. 1. přerušovaná čára představuje osu vstupního svazku a ukazuje jeho dělení, na výstupní stěny jsou přitmeleny obrazové senzory (dnes CCD), tučné úsečky představují optické filtry Obr. 3. 1, 2, 3, 4 – skleněné hranoly, 5 ,6, 7 – dielektrické multivrstvy (filtry), 8, 9, 10 – obrazové senzory, 11, 12, 13 – vzduchové mezery

Počet snímacích kanálů TV kamery, tři, je minimální a současně i nejvyšší účelný k sejmutí veškeré barevné informace scény. Základní televizní kolorimetrický systém je tedy trichromatický, založený v souhlasu s klasickou kolorimetrií na skutečnosti, že aditivním mísením tří vhodně zvolených základních barev lze vytvořit potřebnou oblast barev (ve smyslu dvojrozměrné oblasti diagramu chromatičností CIE xy [1]). Diskuse ovšem nastává při určení spektrálních citlivostí tří kanálů snímací soustavy, kdy je nutné vzít v úvahu skutečnost, že pouze jediná trojice spektrálních citlivostí je fyzikálně realizovatelná.

Určit (vypočítat) barvu scény snímané objektivem TV kamery je možné jen tehdy, rozdělí-li se světelný svazek za objektivem alespoň do tří barevně dostatečně odlišných cest. Jinými slovy řečeno, barva se určí, změří-li se energie (jas) tří barevných výtažků snímané scény.

Článek stručně popisuje současnou snímací soustavu a hodnotí její výhody a nevýhody. V další části představuje novou snímací soustavu a pojednává o kolorimetrickém (barevném) zkreslení snímacích soustav a degradaci barevného obrazu způsobeného nedokonalostí snímacích soustav.

Současná snímací soustava

Od vzniku barevné televize (1953) až dodnes se pro barevné snímání takřka výhradně používá TV kamera se snímací soustavou pracující v kolorimetrickém systému základních světel R (red, červená), G (green, zelená) a B (blue, modrá), tedy soustava rozkládající vstupní světelný svazek prošlý objektivem do červené, zelené a modré složky. Kvantita těchto složek se přenáší celým televizním řetězcem do TV přijímače, kde velikosti těchto složek řídí jasy luminoforů barevné obrazovky [2]. Snímací soustava, nebo jinak řečeno světlodělící soustava, tak jak je chápána v tomto článku, je sestavena ze skleněných hranolů s napařenými optickými interferenčními filtry. Přesně spočítaná geometrie a propustnost filtrů takové soustavy zajišťuje dobré rozdělení vstupního svazku do požadovaných tří barevných cest. Tím se dostáváme k nejpřesnějšímu pojmenování takové soustavy – hranolová světlodělící soustava pro TV kamery. Dále budeme užívat výstižný a stručný pojem – hranol. Tyto hranoly se nacházejí bezprostředně za objektivem poloprofesionálních a profesionálních TV kamer. Získávání barevných složek scény u „domácích“ kamer je založeno na jiném, jednodušším, ale tím také obraz více degradujícím způsobu, tzv. proužkovém filtru. Náčrtek současné snímací soustavy – hranolu RGB je na obr. 1 a ilustrační fotografie jsou na obr. 2.

V době návrhu první barevné soustavy NTSC (1953) byla jako jediný zobrazovací prvek k dispozici klasická třítrysková vakuová obrazovka s červenými, zelenými a modrými luminofory. Z tohoto důvodu všechny kolorimetrické vlastnosti současných televizních soustav vycházejí z vlastností klasické obrazovky [3]. To se tedy týká i snímacích soustav. Proto snímací soustavy dělí vstupní svazek na červený, zelený a modrý dílčí svazek, i se všemi nevýhodami. Nejzávažnějším nedostatkem hranolů RGB je nemožná korektní realizace optických filtrů. Další nevýhodou je užívání barvivového filtru k vytvoření zelené složky (zeleného obrazu). Takový filtr je absorpční, a tedy ztrátový. Třetím nedostatkem je absence „odpadového“ kanálu. Tím je myšlena skutečnost, že ačkoliv k vytvoření tří barevných výtažků není třeba celé spektrum vstupujícího svazku, „nadbytečné“ (nevyužitelné) spektrální složky se korektně nepohlcují. Tyto nedostatky vedou k degradaci barevné reprodukce na TV přijímači, přičemž nejvíce je zkreslena sytost reprodukovaných barevných obrazů.

V současné době se na trhu objevují jiné zobrazovací prvky. Jsou to displeje LCD, plazmové displeje nebo zobrazovače DMD. Ty mají jiné, mnohdy i výhodnější kolorimetrické vlastnosti, ale vzhledem k vazbě na stávající televizní normy tyto vlastnosti nelze využít. Naopak vlivem nutné konverze signálů klasické soustavy na signály vhodné pro buzení těchto prvků často bývá výsledné podání barev méně věrné než při zobrazení klasickou obrazovkou.

Tyto úvahy vedly k návrhu nové, nyní již patentované snímací soustavy – hranolové světlodělící soustavy XYZ, tedy soustavy dělící vstupní svazek do purpurové (X), zelené (Y, neshoduje se s G u hranolu RGB) a modré (Z, neshoduje se s B u hranolu RGB) složky [3].

Hranolová světlodělící soustava XYZ – hranol XYZ

Navržená snímací soustava nabízí podstatně korektněji realizovatelné optické filtry, které jsou výhradně interferenční, a tedy bezeztrátové. Disponuje „odpadovým“ kanálem a její vlastnosti nejsou předem určeny žádným typem reprodukčního zařízení. To je důležité zejména vzhledem k postupnému zániku klasické vakuové obrazovky a vzhledem k uplatnění nových typů displejů (plazmové, LCD). Geometrii hranolu XYZ ukazuje obr. 3 a spektrální charakteristiky optických interferenčních filtrů (ideální a reálně dosažitelné) jsou na obr. 4. Technické řešení optických interferenčních filtrů spočívá v realizaci dichroických struktur. Dichroické struktury jsou soustavy tenkých vrstev z dielektrických neabsorpčních materiálů. Část spektra odrazí, zbytek bezeztrátově propustí podle zákonitostí interference. Dichroické vrstvy tedy způsobují selektivní činitele odrazu, resp. prostupu ve viditelné části spektra. Technologicky jde o povlečení (napaření) masivního průzračného substrátu (skla) vrstvami, jejichž tloušťka je srovnatelná s vlnovou délkou světla, tedy stovky nanometrů.

Kolorimetrické zkreslení a jeho vyhodnocení

Kritériem úspěšnosti řešení světlodělící soustavy je její výsledné barevné zkreslení. Je tedy třeba objektivně (číselně) určit, jak se snímací soustava svými vadami podílí na degradaci barevného obrazu. Degradací se zde myslí barevné zkreslení, tedy rozdíl mezi barevností skutečného reálného obrazu a obrazu sejmutého TV kamerou se světlodělící soustavou. Jako kritérium vyhodnocující věrnost podání barev hranolové soustavy byla zvolena veličina JND (just noticeable difference – právě pozorovatelná diference) a grafické vyjádření v diagramu chromatičností CIEu´v´ [1].

Kritérium kolorimetrického zkreslení JND
Nelineární transformací souřadnicové soustavy x, y diagramu barev CIE xy do nové souřadnicové soustavy u´, v´ podle vztahů

byl vytvořen rovnoměrný diagram chromatičností CIEu´v´ 1976. V tomto diagramu stejné geometrické vzdálenosti představují stejné rozlišitelné barevné diference. Odpovídající matematické vyjádření kolorimetrických diferencí se uvádí výpočtem jednotek JND podle vztahu

kde N_b je barevná diference vyjádřená souřadnicemi u´, v´ podle vztahu

a člen Ny v (2) představuje vliv jasové diference, který je definován

Ve výrazu (3) představují (u´_r – u´_o) a (v´_r – v´_o) diference souřadnic originální a reprodukované barvy. Jedna jednotka právě pozorovatelné barevné diference JND podle výrazu (3) v rovnoměrném diagramu CIEu´v´ představuje vzdálenost 0,00384, která se považuje za realistickou míru téměř postřehnutelné barevné diference.

Ve výrazu (4) jsou Y_o a Y_r jasové hodnoty originálního a reprodukovaného barevného vzorku. Jedna jednotka rozlišitelné jasové diference podle výrazu (4) je vyjádřena 2% diferencí jasu srovnávaných vzorků.

Uvedené vyhodnocování kolorimetrických diferencí v souřadnicové soustavě u´, v´ prostřednictvím jednotek JND se nejčastěji používá pro účely barevné televize.

Ke stanovení kolorimetrického zkreslení byly zvoleny dvě sady barevných testovacích vzorků – profesionální sada 1 269 Munsellových spekter a vlastní sada dvanácti vzorků generovaných v programovém prostředí Matlab. Více o barevných vzorcích pojednává článek [4], [5].

Obě snímací soustavy (konvenční RGB a navržená XYZ) byly podrobeny testům kolorimetrického zkreslení podle kritéria JND pro obě zmíněné sady testovacích vzorků.

Výsledky testů uvádí tab. 1 a obr. 5 a obr. 6.

Tab. 1. Výsledky testů kolorimetrického zkreslení

Srovnání barevných zkreslení snímacích soustav XYZ a RGB

Pozastavme se podrobněji nad výsledky vypočtených barevných zkreslení. Čím je hodnota zkreslení JND vyšší, tím soustava více barevně degraduje vstupní obraz. Srovnejme obrázky s výsledky odpovídajících testů – obr. 5a) s obr. 6a) a obr. 5b) s obr. 6b). Čím je vzdálenost bodu originálního a reprodukovaného vzorku větší, tím soustava více barevně degraduje vstupní obraz. Je vidět, že reprodukované vzorky hranolem XYZ jsou méně vzdáleny od odpovídajících originálních vzorků oproti hranolu RGB, což je nejvíce patrné ze vzorku 1 až 7 z obr. 5b) a obr. 6b). Navržená hranolová světlodělící soustava XYZ prokazatelně méně barevně zkresluje než konvenční soustava RGB.

Závěr

Představená snímací soustava XYZ je první návrh světlodělící soustavy jakožto bezeztrátového řešení. Uvedené řešení, první svého druhu, je koncipováno jako nezávislé na konkrétním fyzikálním principu vizuální prezentace, čímž odstraňuje historickou determinovanost stavem výrobních technologií.

Hranolová světlodělící soustava XYZ pro televizní kamery byla podána doc. Ing. Emilem Košťálem, CSc., Janem Kaiserem a Ing. Jiřím Slavíkem jako přihláška užitného vzoru a vynálezu [6]. Osvědčení o zápisu užitného vzoru bylo uděleno 29. 5. 2000 (číslo užitného vzoru je 10026). Patentová listina byla udělena 19. 4. 2001 (číslo patentu je 288456).