Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
ными линиями даны трихроматические кривые телекамеры, использующей матри
цирование).
Отметим, что практический выбор спектральных чувствительностей обычно осно
вывается на компромиссе, направленном на баланс между несколькими взаимоис
ключающими требованиями, к примеру: если коэффициенты матрицы оказываются
очень высокими, то соотношению «сигнал/шум» можно нанести серьезный урон. Так
же во избежание возникновения паразитных подцветок весьма желательно выровнять
освещенность всех трех сенсоров телекамеры.
Низкая освещенность сенсоров в связке с высокими матричными коэффициентами
могут привести к тому, что кривая фотопической световой эффективности [
y()l
], как
одна из трихроматических кривых Стандартного наблюдателя, окажется неработо
способной (хотя ее использование в качестве базиса яркостного сигнала, предназна
ченного к передаче, весьма заманчиво). Компромиссным выходом из положения слу
жит то, что в камере одного типа для передачи более или менее точной яркостной ин
формации о мелких деталях изображения используется спектральнозаостренная
491
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Âòîðè÷íûé
îáúåêòèâ
Âòîðè÷íûé
îáúåêòèâ
Âòîðè÷íûé
îáúåêòèâ
Ïîëåâîé
îáúåêòèâ
Âòîðè÷íûé
îáúåêòèâ
Âèäèêîí
Âèäèêîí
Âèäèêîí
Âèäèêîí
Рис. 20.10 Схема устройства четырехвидиконовой телекамеры.
кривая
y()l
, с помощью которой в связке с сигналами от красночувствительного и си
нечувствительного сенсоров матрицированием получают трихроматические (RGB)
сигналы низкой четкости (Underhill и Crowley, 1970).
Прочие компромиссы дают несколько иные результаты, однако во избежание «тя
желого» матрицирования, кривые, используемые на практике, обычно спектраль
ноострее, чем заостренные трихроматические кривые Стандартного наблюдателя, по
казанные на рис. 19.10.
Несмотря на то, что использование набора трихроматических кривых Стандартно
го наблюдателя в совокупности с матрицированием по кардинальным стимулам теле
приемника делает возможным колориметрически точное репродуцирование в рамках
цветового охвата этих стимулов, работа системы с общим коэффициентом контрастно
сти (гамма), превышающим 1.0, приводит к погрешностям, показанным на рис. 19.11.
Проще говоря, преимущество в использовании трихроматических кривых Стандарт
ного наблюдателя здесь не столь очевидно как в системе с единичной гамма, а опти
мальные матричные коэффициенты обычно приходится подбирать эмпирически
(Sproson, 1978 и 1983).
Наконец отметим, что равенство спектральных чувствительностей всех телекамер,
используемых в данной студии, очень важно, но, поскольку идеальное выравнивание
труднодостижимо, финальную хроматическую балансировку предпочтительнее прово
дить всетаки по коже человека, нежели по белому или серому тестам (Knight, 1972).
492
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
Ñïåêòðàëüíî ïîëíûé ñòèìóë
(ÿðêîñòíûé êîìïîíåíò)
Êîðîòêîâîëíîâûé
êîìïîíåíò
Äèõðîè÷íîå îòðàæåíèå
êîðîòêîâîëíîâîãî êîìïîíåíòà
Äèõðîè÷íîå îòðàæåíèå
äëèííîâîëíîâîãî êîìïîíåíòà
Ñðåäíåâîëíîâûé
êîìïîíåíò
Äëèííîâîëíîâûé
êîìïîíåíò
Äèõðîè÷íîå îòðàæåíèå
ñïåêòðàëüíî ïîëíîãî ñòèìóëà
Рис. 20.11 Блок дихроичных светоделительных призм, используемый в некоторых четырех
сенсорных телекамерах.
20.12 АПЕРТУРНАЯ КОРРЕКЦИЯ
20.12.1 Горизонтальная апертурная коррекция
Даже когда оптическое изображение на поверхности передающей трубки (и, соот
ветственно, электрическое изображение) идеально резкие, результирующий сигнал,
выданный этой трубкой будет соответствовать изображению пониженной резкости,
поскольку сканирующий пучок имеет некий конечный диаметр сечения — апертуру.
Сие ведет к базовому ограничению количества точек на ширину изображения и сниже
нию контраста на вертикальных краях его элементов.
Однако контраст на вертикальных краях, можно вновь повысить, прибегнув к ме
тоду т.н. горизонтальной апертурной коррекции. Одним из путей реализации такой
коррекции является временна\я задержка сигнала (сравнимая со временем, что уходит
на сканирование участка, сопоставимого по размеру с эффективной апертурой элек
тронного луча) и последующим вычитанием из нее корректирующего сигнала, пред
ставляющего собой функцию от среднего незадержанного сигнала и сигнала, задер
жанного вдвое. Таким путем можно достичь эффекта, весьма сходного с нерезкой мас
кой (см. раздел 15.3), поскольку корректирующий сигнал менее четкий, нежели глав
ный, и, следовательно, менее контрастный. Следствием вычитания его из основного
сигнала является снижение контрастности во всех элементах изображения за исклю
чением мелких деталей этого изображения. Следовательно, повышением общей кон
трастности полного сигнала можно восстановить контрастность изображения в круп
ных его деталях.
493
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
400 500 600 700
0.4
0
0.4
0.8
1.2
Äëèíà âîëíû (íì)
×óâñòâèòåëüíîñòü
Рис. 20.12 Пунктирные линии: трихроматические кривые Стандартного наблюдателя по кар
динальным стимулам, воспроизводимым люминофорами типичных телеприемников
(BREMA, 1969). Сплошные линии: типичные кривые спектральной чувствительности телека
мер, полученные матрицированием.
20.12.2 Вертикальная апертурная коррекция
Описанным выше путем можно применять т.н. вертикальную апертурную коррек
цию, позволяющую компенсировать тенденцию электронного пучка камеры (постро
енной на передающих трубках, разумеется) быть в сечении своем больше, чем расстоя
ние между соседними строками. При вертикальной апертурной коррекции основной
сигнал задерживается на время, которое уходит на сканирование одной строки, а кор
ректирующий сигнал, представляет собой функцию от среднего незадержанного сиг
нала и сигнала, задержанного вдвое. В данном случае «нерезкая маска» будет эквива
лентна 3 строкам полукадра (6 строкам изображения).
20.12.3 «Техника повышения четкости без зеленого»
В трех и четырехтрубочных камерах применение апертурной коррекции дает вы
раженный эффект только в том случае, если камера обеспечивает очень хорошую при
водку электронных изображений (напомним, что зрительная система человека очень
чувствительна к хроматическим контурам). Однако вполне возможно получить общий
«маскирующий» сигнал только от одного сенсора телекамеры (к примеру, яркостного
сенсора четырехсенсорной камеры) и использовать его в качестве корректирующего
сигнала для всех главных сигналов.
Таким образом, преимущество четырехсенсорных камер перед трехсенсорными со
стоит в том, что на усиление краевого контраста, реализованное за счет единичного
сенсора, неприводка первичных изображений не оказывает никакого влияния. Дан
ный способ получил название «техники повышения четкости без зеленого» («contours
out of green»), поскольку именно зеленочувствительный сенсор телекамеры (спек
тральная чувствительность которого такова, что сигнал этого сенсора ближе всего к
истинному яркостному сигналу) — это в целом наиболее подходящий источник сигна
ла корректирующего (De Vrijer, Tan и Van Doorn, 1966).
20.13 ВИДЕОЖУРНАЛИСТИКА
Переход с трубок на CCDматрицы позволил конструировать телекамеры весьма и
весьма компактными и легкими, то есть пригодными для съемки «с рук», что в свою
очередь привело к появлению и развитию такого телевизионного жанра как видеожур
налистика.
Отметим также, что легкие носимые камеры позволяют вести репортажи с места
событий и с минимальной задержкой передавать отснятый материал на телестудию.
Легкие портативные телекамеры дают возможность осуществлять как обычную теле
съемку, так и использовать телекамеру в качестве цифровой фотокамеры.
20.14 КАМКОРДЕРЫ
Когда телекамеру конструкционно объединяют с какимто записывающим устрой
ством, она превращается в т.н. камкордер. Действительно, в сфере любительского ви
део комбинация CCDкамеры с компактным видеорекордером стала очень популярной
(см. раздел 24.3 и гл. 31).
494
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
20.15 ЦИФРОВЫЕ ФОТОКАМЕРЫ
Первая цифровая фотокамера, построенная на базе системы Mavica и предназна
ченная для любительской съемки, была разработана компанией Sony (Crawley, 1981).
Матрица камеры представляла собой паттерн из 279300 светочувствительных элемен
тов (570´490). Информация о первичном оптическом изображении сцены заносилась
на перезаписываемый магнитный диск, а полученное цифровое изображение воспро
изводилось на обыкновенном бытовом телевизоре, либо использовалось для печати на
термопринтере Mavigraph.
Светочувствительность системы составляла 200 ASA (см. раздел 14.27).
Разрешение изображения ограничивалось геометрией сенсора и было ниже, чем у
камер широковещательного телевидения.
На сегодняшний день в ходу цифровые фотокамеры с CCDматрицами в миллионы
пикселов (см. раздел 20.5 и гл. 31), а отпечатки можно получить из электронных сиг
налов этих камер посредством самых разных технологий (см. гл. 33).
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
Abrahams, I.C., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 72, 594 (1963).
Benson, K.B., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 90, 708 (1981).
B.R.E.M.A., Radio and Electronic Engineer, 38, 201 (1969).
Crawley, G., Brit. J. Phot., 128, 1112 (1981).
Davenport, F.A., Brit. Kinematog. Sound Tel., 67, 480 (1985).
De Haan, E.F., and Van Doorn, A.G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 73, 473 (1964).
De Haan, E.F., and Van Doorn, A.G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 74, 922 (1965).
De Vrijer, F.W., Tan, A.L., and Van Doorn, A.G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 75, 1080
(1966).
Dillon, P.L.P., Lewis, D.M., and Kaspar, F.G., I.E.E.E. Trans. Electron Devices, 25, 97 and
102 (1978).
James, I.J.P., Private communication (1963).
James, I.J.P., Perkins, D.G., Pyke, P.J., Taylor, E.W., Kent, D.E., and Fairbairn, I.A.,
Radio and Electronic
Engineer, 39, 249 (1970).
James, I.J.P., and Karowski, W.A., J. Brit. Inst. Radio Engrs., 23, 297 (1962).
Jones, A.H., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 77, 108 (1968).
Knight, R.E., Brit. Kinematog. Sound Tel., 54, 272 (1972).
Monteath, G.D., J. Roy. Television Soc., 11, 109 (1966).
Neuhauser, R.G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 65, 636 (1956).
Oshima, S., Image Technology, 70, 11 (1988).
ParkerSmith, N.N., Brit. Kinematog. Sound Tel., 49, 100 (1967).
ParkerSmith, N.N., I.E.E. Conference Publications, No. 69, p. 147 (1970).
Sproson, W.N., Proc. I.E.E., 125, 603 (1978).
Sproson, W.N., Colour Science in Television and Display Systems, p. 27, Adam Hilger,
Bristol (1983).
Underhill, W.T., J. Roy. Television Soc., 11, 167 (1967).
Underhill, W.T., J. Roy. Television Soc., 13, 191 (1971).
Underhill, W.T., and Crowley, V.D., I.E.E. Conference Publications, No. 69, p. 138 (1970).
Van Doorn, A.G., De Lang, H., and Bouwis, G., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 75, 1002 (1966).
Wood, C.B.B., I.E.E. Conference Publications, No. 69, p. 50 (1970).
495
ГЛАВА 20 ТЕЛЕСЪЕМКА
21 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
ТЕЛЕИЗОБРАЖЕНИЙ
21.1 ВВЕДЕНИЕ
М
ы помним, что первые телевизионные системы, строившие захват сцены на
базе механических или оптических устройств (см. рис. 20.1), дробивших изо
бражение на серии строк, при визуализации изображения на экране телеприемника
использовали аналогичные механические устройства. С изобретением иконоскопа и
появлением телевидения приемлемой четкости потребовался способ скоростной «от
рисовки» (развертки) изображений. Способ этот был найден: стала применяться т.н.
электроннолучевая трубка (кинескоп), принцип которой состоит в том, что световое
излучение возникает за счет возбуждения слоя люминесцирующего вещества элек
тронным пучком, быстро скользящим по поверхности этого слоя.
21.1.1 Устройство и принцип действия кинескопа
На рис. 21.1 (а) показаны основные узлы типичной телевизионной электроннолу
чевой трубки (кинескопа).
Т.н. катод устройства покрыт соответствующим электрониспускающим вещест
вом и, по мере нагрева этого вещества, в последнем образуется определенный запас
электронов. Катод помещен в вакуумную колбу, благодаря которой электроны разго
няются в направлении анода, заряд которого по отношению к катоду резко положи
тельный.
Разогнанные электроны бомбардируют экран, покрытый изнутри слоем люмино
фора, в результате чего последний испускает свет. Количество испущенного света ре
гулируется изменением разности потенциалов между катодом и т.н. модуляторной
сеткой (часто называемой «управляющей сеткой» или просто «сеткой»), а экранная
позиция свечения регулируется с помощью фокусирующих и отклоняющих уст
ройств.
Фокусирующие устройства, создающие в горловине колбы электростатические
(либо электромагнитные) поля, собирают электронный пучок на люминофоре в ма
ленькую точку, а т.н. дефлекторы (отклоняющие устройства), представляющие собой
обычно проволочные катушки, создают магнитные поля, заставляющие электронный
пучок быстро перемещаться по поверхности трубки, проходя ее строка за строкой в оп
ределенном режиме, и воспроизводя тем самым требуемое изображение (или, как го
ворят, выполняя развертку этого изображения).
Точности развертки содействует покрытие внутренней конической части трубки
проводящим слоем, имеющим тот же потенциал, что и у анода: сие создает электронно
му пучку пространство, условно свободное от какихлибо электростатических полей.
Люминофор со своей внутренней стороны обычно покрыт тончайшим слоем алюми
ния, удерживающим анодный потенциал и не только избавляющим от электростатиче
ских полей, но и предотвращающим вторичную эмиссию электронов из люминофора.
497
Плюс к тому, слой алюминия отражает свет, испущенный люминофором в заднем на
правлении (т.е., в сторону катода), и перенаправляет его в общий световой поток.
Типичные величины напряжения в электроннолучевых трубках таковы:
— диапазон напряжений на аноде — до 16 кВ (киловольт) у чернобелых кинеско
пов;
— до 25 кВ — у цветных;
— до 100 кВ — у проекционных.
Разность потенциалов между управляющей сеткой и катодом может составлять
несколько порядков. Когда разность эта отрицательна (напряжение на управляю
щей сетке ниже, чем напряжение на катоде), то есть, когда в идеале ни один электрон
не попадает на слой люминофора, то воспроизводится «черный» стимул; когда раз
ность напряжений между сеткой и катодом положительна и максимальна, то воспро
498
ГЛАВА 21 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЛЕИЗОБРАЖЕНИЙ
Рис. 21.1 а — схематичное
представление основных уз
лов телевизионного кине
скопа; b — типичная харак
теристика отклика кине
скопа.
изводятся стимулы максимально высокой фотометрической яркости («белая точ
ка», «точка белого»).
Разность потенциалов, воспроизводящая черный, именуется «точкой черного»
(или «точкой гашения»), и регулируется потенциометром, который в домашних теле
приемниках обычно обозначен как «Яркость».
Отметим, что разность потенциалов между управляющей сеткой и катодом удобно
выражать в виде разности от точки черного, что получило название «эффективного на
пряжения сигнала» (регулируемого потенциометром, который в домашних телеприем
никах обычно обозначен как «Контраст»).
Отметим также, что сила тока электронов (т.н. ток пучка) обычно меняется от нуля
(черная точка) до нескольких сотен микроампер (белая точка).
Фотометрическая яркость белой точки при обычном просмотре составляет пример
но 100 кд/м
2
, но у проекционных трубок (напряжение на катоде которых составляет
примерно 100 кВ) она может быть в несколько раз больше. Высокие фотометрические
яркости могут оказаться нежелательными при прямом просмотре (то есть, непроекци
онном — Прим. пер.), поскольку при частоте смены полукадров 5060 Гц мелькание не
заметно только на малых уровнях фотометрической яркости.
Стоит сказать, что кинескопы, используемые на практике, устроены много слож
нее того, что показан на рис. 21.1 (а), и в их состав входят дополнительные сетки и
электроды, к примеру: т.н. анодная (экранирующая) сетка (напряжение на которой на
несколько сот вольт выше, чем на катоде), а также фокусирующие электроды (напря
жение на которых на несколько тысяч вольт выше, чем на катоде). Последние позво
ляют разогнать электроны за счет нескольких последовательных скачков напряже
ния между катодом и анодом.
21.1.2 Светоотдача люминофоров
Когда эффективное напряжение (Е) равно нулю, ток пучка по определению равен
нулю. По мере роста Е ток пучка (I) растет, что ведет к возникновению эффекта, сход
ного с увеличением просвета диафрагмы в объективе. Если эффективный диаметр
электронной диафрагмы примерно пропорционален Е, то площадь диафрагмы будет
пропорциональна Е
2
и, следовательно, ток пучка (I) будет примерно пропорционален
Е
2
. Мощность пучка, соответственно, равна силе тока, умноженной на ускоряющее на
пряжение (V), то есть: VI.
Ускоряющее напряжение (V) равно отношению напряжения на аноде к напряже
нию на катоде, и, хотя последнее может меняться по мере изменения Е, максималь
ный разброс обычно не превышает 100 В (что несравнимо с анодным напряжением в
десятки тысяч вольт). Следовательно, ускоряющее напряжение (V) можно полагать
константным, а мощность пучка — пропорциональной току пучка (I).
Если люминофор линеен, то есть таков, что его светоотдача пропорциональна мощ
ности пучка (и, следовательно, пропорциональна его току — I), то, поскольку I про
порционален Е
2
, величина светоотдачи такого гипотетического кинескопа будет так
же пропорциональна Е
2
.
21.1.3 ТонIрепродукционные характеристики люминофоров
Тонрепродукционные характеристики реальных электроннолучевых трубок та
ковы, что светоотдача люминофоров примерно пропорциональна функции, лежащей
между квадратом и кубом эффективного напряжения сигнала. Следовательно, если
499
ГЛАВА 21 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЛЕИЗОБРАЖЕНИЙ
логарифм светоотдачи взять как функцию от логарифма эффективного напряжения
сигнала, то получится прямая линия (рис. 21.1 [b]). Тангенс угла наклона этой прямой
(гамма) будет равен 2.8±0.3, что в 1969 г. было принято в качестве единого стандарта
цветного телевидения (BREMA, 1969).
21.1.4 Динамический диапазон кинескопа
Динамический диапазон электроннолучевой трубки при отсутствии паразитной
(внешней) подсветки зависит от величины т.н. «светоизбытка» в самоей трубке. По
следний может привести к тому, что кинескоп окажется не в состоянии обеспечить
диапазон яркостей воспроизводимых стимулов даже 100:1 (2.0D). Однако на практике
внешнее просмотровое освещение осветляет черную точку до уровня, при котором она
выходит на фотометрическую яркость по меньшей мере 2% от фотометрической ярко
сти белой точки, в результате чего динамический диапазон снижается до 50:1 (1.7D).
Когда речь идет об условиях тусклого окружения последнее будет эквивалентно
1.7/1.25, то есть — 1.4D, что много меньше, чем 2.2D типичных уличных сцен (Jones и
Condit, 1941; Hunt, 1965).
Если величины паразитной внешней подсветки и внутреннего светоизбытка в сум
ме составляют примерно 5%, то динамический диапазон трубки падает до 20:1 (1.3D),
что свойственно отражающим отпечаткам (см. раздел 13.10). В реальной практике эта
сумма держится в диапазоне 25% от общего диапазона (Wentworth, 1955) (см. также
разделы 19.13 и 21.15).
***
Итак, реализация принципа электроннолучевой трубки (напомним — свечение,
вызываемое электронной бомбардировкой люминесцирующей поверхности) в сфере
цветного телевидения потребовала очень серьезных технологических усилий, и, что
бы запустить в серию недорогие бытовые телеприемники, понадобилась колоссальная
изобретательность конструкторов. Некоторые из бытовых аппаратов, а также ряд уст
ройств, предназначенных для специфического применения, будут описаны ниже
(Sproson, 1983; MacDonald и Lowe, 1997).
21.2 ТРИНОСКОП
В т.н. триноскопе кардинальные трихроматические изображения воспроизводятся
тремя отдельными электроннолучевыми трубками, после чего мнимые изображения
от двух из них объединяются с третьим при помощи полупрозрачных дихроичных зер
кал. С целью повышения световой эффективности устройства применяются красно
светящийся, зеленосветящийся и синесветящийся люминофоры (дополнительно
можно использовать специальные корректирующие фильтры).
Главными проблемами триноскопа являются обеспечение высокоточной приводки
воспроизводящих трихроматических изображений и согласование их тонре
продукционных характеристик; очевидно также и то,что в данном контексте характер
проблем будет тем же, что и в светоделительных цветных телекамерах. Следователь
но, на практике приходится использовать электроннолучевые трубки только очень
высокого качества, а также разнообразное вспомогательное оборудование и сверхточ
ные зеркала, расположенные в строго фиксированном пространственном положении.
В результате себестоимость триноскопа оказывается очень высокой, но, несмотря на
500
ГЛАВА 21 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЛЕИЗОБРАЖЕНИЙ