Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
щей области, подсвечиваемой сзади, и отражающей области — освещаемой внешним
светом (Silverstein, 2003).
1
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
B.R.E.M.A., Radio and Electronic Engineer, 38, 201 (1969).
DeMarsh, L., SMPTE J., 102, 1095 (1993).
Federman, F., and Pomicter, D., J. Roy. Television Soc., 16, vii (May–June, 1977).
Glenn, W.E., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 79, 788 (1970).
Hirsch, C.J., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 77, 202 (1968).
Hunt, R.W.G., J. Phot. Sci., 13, 108 (1965).
Jesty, L.C., Proc. Inst. Elec. Engnrs., 105B, 425 (1958).
Jones, L.A., and Condit, H.R., J. Opt. Soc. Amer., 31, 651 (1941).
Kays, R., Image Technology, 69, 155 (1987).
Lamont, H.R.L., J. Roy. Television Soc., 12, 62 (1968).
Law, H.B., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 86, 214 (1977).
Lobb, D.R., S.P.I.E. Proc., 18, Advances in laser scanning and recording, Geneva (1983).
MacDonald, L.W., and Lowe, A.C., Display Systems, Design and Applications, Wiley,
Chichester (1997).
Marconi, Marconi Companies and their People, 19, 8 (February 1969).
Matthews, J.A., Private communication (1963).
Mouchel, P., J. Phot. Sci., 11, 291 (1963).
Neate, J., Television, 23, 344 (1973).
Silverstein, L.D. Proceedings of the International Display Manufacturing Conference
(Taipei, Taiwan),
15–18 (2003).
Sproson, W.N., Proc. I.E.E., 125, 603 (1978).
Sproson, W.N., Colour Science in Television and Display Systems, p. 100, Adam Hilger,
Bristol (1983).
Stone, S.M., Schlafer, J., and Fowler, V.J., J. Information Display, p. 41 (January 1969).
Venis, R.J., Brit. Kinematog. Sound Tel., 51, 379 (1969).
Wentworth, J.W., Color Television Engineering, McGraw Hill, New York, p. 153 (1955).
Wright, W.W., J. Roy. Television Soc., 13, 221 (1971).
Younse, J.M. and Monk, D.W., Image Technology, 76, 32 (1994).
Zwick, D.M., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 82, 284 (1973).
521
ГЛАВА 21 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЛЕИЗОБРАЖЕНИЙ
1
Широко применяются в наручных часах, мобильных и стационарных телефонах. — Прим.
пер.
22 NTSC, PAL И SECAM
22.1 ВВЕДЕНИЕ
В
1953 г. Национальный комитет по телевизионным стандартам США (National
Television Standards Committee — NTSC) предложил систему трансляции сиг
налов цветного телевидения, использующую одновременно как принцип перенасыще
ния полосы, так и принцип перенасыщения несущей (Lougren, 1953). В том же 1953 г.
система NTSC была принята Федеральной комиссией по средствам связи США
(Federal Communications Commission — FCC
1
) к общему использованию на всей терри
тории Соединенных Штатов. В настоящей главе мы подробно рассмотрим эту систему,
дабы продемонстрировать то, как ее особенности согласуются с ее основными принци
пами. Колориметрические вычисления будут представлены детально, дабы имелась
возможность оценить взаимосвязь между отдельными системными элементами. Так
же мы рассмотрим две дочерних модификации NTSC — системы PAL и SECAM.
22.2 NTSCIЦВЕТНОСТИ
NTSCсистема ориентирована на использование с телеприемниками, кардиналь
ные стимулы которых имеют следующие координаты цветности:
Красный (R)
x = 0.67 y = 0.33 z = 0.00
¢
u
= 0.477
¢
v
= 0.528
Зеленый (G)
x = 0.21 y = 0.71 z = 0.08
¢
u
= 0.076
¢
v
= 0.576
Синий (B)
x = 0.14 y = 0.08 z = 0.78
¢
u
= 0.152
¢
v
= 0.195
Белый (S
C
) x = 3.10
y = 3.16 z = 0.374
¢
u
= 0.201
¢
v
= 0.461
Позиции кардинальных стимулов и белого стимула на
¢¢
uv
диаграмме даны на рис.
22.1.
Как было показано в 7й главе выбор цветностей воспроизводящих (т.е. кардиналь
ных) стимулов предполагает то, что телекамера отвечает критерию Лютера — Айвса,
т.е. что ее спектральные чувствительности соответствуют трихроматическим кривым
Стандартного наблюдателя (в разделе 19.12 мы описали различные технологические
варианты аппроксимации этих кривых, и в текущей главе будем исходить из того до
пущения, что аппроксимация эта выполнена на должном уровне).
523
1
Федеральная [правительственная] комиссия США по [средствам] связи. ФКС орган амери
канского правительства, занимающийся нормативными документами в области связи по спут
никовым, телефонным, телеграфным и радиоканалам. Наблюдает за соблюдением стандартов
на электронные и электромагнитные излучения, лицензирует средства радиосвязи и контро
лирует их использование. Создана в 1934 г. http://www.fcc.gov — Прим. пер.
22.3 ЯРКОСТНЫЙ СИГНАЛ
NTSCстандарт позиционирует использование яркостного (E
Y
) и двух цветоразно
стных сигналов (E
R
– E
Y
и E
B
– E
Y
), организуемых так, что последние в ответ на стимул
с цветностью стандартного Сосветителя равны нулю (S
C
)
1
. Явное преимущество тако
го подхода состоит в том, что по черным, серым и белым объектам, освещенным днев
ным светом, сжатая полоса пропускания цветоразностных сигналов используется по
минимуму.
Напомним, что от выбора цветности визуально нейтральных стимулов сцен, при
которой цветоразностные сигналы равны нулю, а также от выбора цветностей карди
нальных красного, зеленого и синего стимулов, зависят коэффициенты «l», «m» и «n»
в уравнении:
ElEmEnE
YR G B
=+ +
,
где l + m + n = 1 (см. раздел 19.8).
Значения коэффициентов можно вычислить, исходя из законов смешения цвето
вых стимулов
2
и с использованием любой подходящей диаграммы цветностей. Мы бу
дем в основном использовать xyдиаграмму, однако отметим, что те же данные можно
получить и с помощью диаграммы
¢¢
uv
(да и с помощью многих других).
Фотометрические яркости L
X
и L
Z
гипотетических кардинальных стимулов X и Z,
взятых в единичном количестве, равны нулю, поэтому фотометрическую яркость L
Y
гипотетического кардинального стимула Y, взятого в единичном количестве, можно
свободно приравнять к 1. Если количества R, G и Bстимулов, измеренных в фотомет
рических единицах (то есть, в канделах на кв. метр), обозначить соответственно как
«R
L
», «G
L
» и «B
L
»,
3
мы можем записать:
033 067 033 000
071 021 0
.( ) .() .() .()
.( ) .()
RXYZ
GX
L
L
º++
º+.() .()
.( ) .() .() .()
71 0 08
008 014 008 078
YZ
BXYZ
L
+
º++
Однако по эталонному белому стимулу сцены (S
C
) отклик телекамеры во всех трех
каналах равновелик (E
R
= E
G
= E
B
), и, следовательно, для воспроизведения белого (S
C
)
соответствующие количества кардинальных R, G и Bстимулов телеприемника так
же должны быть равны между собой. Следовательно, мы можем записать:
().().().()SRGB
C
µ++0 333 0 333 0 333
Однако, когда количества кардинальных R, G и Bстимулов телеприемника выра
жены в фотометрических единицах (количество S
C
стимула, выраженное в фотомет
рических единицах, обозначено как S
CL
), приведенное выше выражение приобретает
следующий вид:
524
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
1
На текущий момент мы не принимаем во внимание необходимость гаммакоррекции, и
сложности, возникающие с ее применением, будут обсуждаться позднее.
2
Т.н. законы Грассмана. — Прим. пер.
3
Подстрочный индекс «L» означает «luminance» — фотометрическая яркость. — Прим. пер.
0 333 0 333 0 333 0 333.(). (). ().( )()lmn lmnRGB S
LLL CL
++º++
,
поскольку l, m и n пропорциональны фотометрическим яркостям (L
R
, L
G
и L
B
) единич
ных колориметрических количеств кардинальных RGBстимулов (см. раздел 19.8).
Но коль скоро l + m + n = 1, уравнение для S
CL
сокращается до:
10.( ) ( ) ( ) ( )SRGB
CL L L L
º+ +lmn
Следовательно:
10.( )S
CL
º
(. . )( ) ( ) (. . )( )
(. . )( )
067 033 000 033
021 071
lll
m
XY Z
X
++
++
mm
nnn
()(. . )()
(. . )( ) ( ) (. .
YZ
XY
+
+++
008 071
014008 078008)()Z
Однако у нас также имеется уравнение по стимулу S
C
, выраженному в фотометри
ческих единицах:
0 316 0 310 0 316 0 374
10 03
.().().().()
.( ) (.
SXYZ
S
CL
CL
º++
º
10 0 316 10 0 374 0 316.)().()(. .)()XY Z++
Сравнивая два выражения для
10.( )S
CL
, получим:
0 67 0 33 0 21 0 71 0 14 0 08 0 310 0 316
1
0
... .. . ./.
.
lmn
lmn
++ =
++ =
00 0 33 0 08 0 71 0 78 0 08 0 374 0 316lmn.. .. . ./.++ =
Обычным путем решив эти три уравнения для l, m и n, придем к:
lmn===0299 0587 0114...
Следовательно, яркостный сигнал в NTSCсистеме можно рассчитать, следующим
образом:
EEEE
YRGB
=++0299 0587 0114...
Отметим, что l, mиnзначения универсальны и используются даже тогда, когда
спектральные чувствительности телекамеры согласованы с иными наборами люмино
форов
1
и белых точек телеприемников.
22.4 УРАВНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ RGB В XYZ
Вычисление l, mиnзначений позволяет написать уравнения преобразования ме
жду RGB и XYZсистемами. Имеем:
525
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
1
Следовательно, с иными наборами кардинальных стимулов — Прим. пер.
0299 10
0587 10
0114 10
.().()
.().()
.().()
RR
GG
BB
L
L
L
º
º
º
Поскольку:
033 067 033 000.( ) .() .() .()RXYZ
L
º++
,
получаем:
10 0299 0299 033 067 033 000.( ) . ( ) (. . )(. ( ) . ( ) . (RR XY
L
ºº ++Z))
Аналогично:
10 0587 0587 071 021 071 008.( ) . ( ) (. . )(. ( ) . ( ) . (GG XY
L
ºº ++Z
BG XY
L
))
.( ) . ( ) (. . )(. ( ) . ( ) .10 0114 0 114 0 08 014 0 08 0ºº ++78( ))Z
Путем алгебраического упрощения получим:
10 0607 0299 0000
10 0174 0
.( ) . ( ) . ( ) . ( )
.( ) . ( )
RXYZ
GX
º++
º+.().()
.( ) . ( ) . ( ) . ( )
587 0 066
10 0 200 0 114 1111
YZ
BXYZ
+
º++
Уравнения обратного преобразования см. в разделе 22.17.
22.5 ДЕВИАЦИЯ ЦВЕТОРАЗНОСТНОГО СИГНАЛА
То, что колебание цветоразностных сигналов (E
R
– E
Y
и E
B
– E
Y
) поразному сказы
вается на цветности воспроизводимых стимулов можно продемонстрировать, постро
ив сетку линий (рис. 22.1). Такое построение легче всего выполнить, нанеся на диа
грамму цветностей позиции стимулов S
C
,C
R
иC
B
, соответствующих переменным E
Y
,
E
R
– E
Y
и E
B
– E
Y
. То, как найти эти позиции, мы опишем ниже.
1
Взаимоотношения между сигналами можно записать как (см. раздел 19.8):
EEEEEE
ElmEE
RRYYBY
GRY
=-++-
=- - +
(. )( ) (. ) ( )
()( )(
10 10 0
1
.) ( )( )
()(.)(.)()
0
01010
EnmEE
EEE E EE
YBY
BRY Y BY
--
=-+ + -
Ежели на сей момент мы сделаем такое допущение, что оптические сигналы R, G, B
и L пропорциональны электрическим сигналам E
R
, E
G
, E
B
и E
Y
соответственно, то мы
можем написать, что R = kE
R
, G=kE
G
, B=kE
B
и L=kE
Y
, где k = const. Следовательно:
526
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
1
Отметим, что стимулы C
R
иC
B
— гипотетические, поскольку позиции их цветностей лежат
за пределами спектрального локуса диаграммы — Прим. пер.
RRLLBL
GlmRL Lnm
=-++-
=- - + -
(. )( ) (. ) ( )
()( )(.)( )
10 10 0
10 ( )
()(.)(.)()
BL
BRL L BL
-
=-+ + -01010
Таким образом, соответствующие уравнения для стимулов S
C
,C
R
иC
B
можно запи
сать как (см. раздел 8.4):
10 10 0
10 10 10
.( ) (.)( ) ( )( ) ( )
.( ) (.)( ) (.
CRGB
SR
R
C
º-+
º+
lm
)( ) . ( )
.( ) ()( )()(.)()
GB
CR G B
B
+
º- +
10
10 0 10nm
Следовательно, используя формулу преобразования
RGB XYZ®
, получим:
527
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
v
Рис. 22.1 Треугольник, образованный точками, представляющими цветности кардинальных
(воспроизводящих) RGBстимулов телеприемника NTSCстандарта. S
C
— цветность Стандрат
ного Сосветителя: стимул уравнен равными колориметрическими количествами кардиналь
ных RGBстимулов. Точка S
C
представляет позицию стимула, соответствующую переменной
L. Точки C
R
,иC
B
представляют позиции гипотетических стимулов, соответствующих пере
менным R–L, L и B–L, где L = 0.299R + 0.587G + 0.114B. Линии, которые при своем графиче
ском продолжении за границы NTSCохвата, пересекутся в точке C
B
, представляют цветности
стимулов, воспроизводимых при (R–L)/L = const; аналогично те линии, что пересекутся в точ
ке C
R
(лежит за пределами рисунка), представляют цветности стимулов, воспроизводимых при
(B–L)/L = const. Поскольку E
R
, E
G
, E
B
и E
Y
пропорциональны R, G, B и L соответственно, то су
ществуют также линии, характеризующие цветности стимулов, воспроизводимых при (E
R
–
E
Y
)/E
Y
= const и (E
B
– E
Y
)/E
Y
= const (сетка линий).
10 0607 0299 0000 0299 0587 0.( ) . ( ) . ( ) . ( ) (. . )(.CXYZ
R
º++- 174 0587 0066
10 0 607 0174 0 20
() . () . ())
.( ) (. . .
XYZ
S
C
++
º++0 0 299 0 578 0114 0 000 0 066 1111)( ) ( . . . )( ) ( . . . )(XYZ+++ +++
)
. ( ) ( . . )( . ( ) . ( ) . ( ))10 0114 0 587 0 174 0 587 0 066CXYZ
B
º- + + + + +0 200 0 114 1111.().().()XYZ
Уравнение можно упростить до:
10 0 518 0 000 0 034
10 0981
.( ) . ( ) . ( ) . ( )
.( ) . ( )
CXYZ
SX
R
C
º+-
º++
º++
1000 1177
10 0166 0000 1098
.().()
.( ) . ( ) . ( ) . (
YZ
CXY
B
Z)
Значения «x»и«y» можно вычислить, разделив каждый из коэффициентов на
X+Y+Z, а из полученных величин получить затем соответствующие
¢¢
uv
!значения:
xyuv
¢¢
() .
() . . . .
()
C 1.070
S
C
R
C
B
049810
0 310 0 316 0 201 0 461
0131 0 0 191 0..
Позиции стимулов на
¢¢
uv
!диаграмме даны на рис. 22.1.
Как и ожидалось полученные значения указывают на то, что S
C
находится в позиции
Стандартного С!осветителя. Для C
R
иC
B
значения y (и
¢
v
) равны нулю; то есть, стимулы
X, Z,
¢
U
, а также стимулы C
R
иC
B
влияют только на цветность, но не на фотометрическую
яркость стимулов результирующих. Данный тезис доказывается уравнением:
10 10.( ) .( ) ()CRG
R
º-lm
,
которое в том случае, когда величины R и G даны в фотометрических единицах, пре!
вращается в:
10.( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )CR G RG
RL L LL
º- º--llmml l
Таким образом, фотометрическая яркость
10.( )C
R
равна l–l, то есть — нулю. Анало!
гично:
10.() ( )()() ()()CGBGB
BLLLL
º- + º- +nmm n n n
Следовательно, фотометрическая яркость
10.( )C
B
тоже равна нулю.
22.5.1 Локусы цветностей при постоянных
EE
RY
-
и
EE
BY
-
Из рис. 22.1 видно, что точка C
B
лежит на бесконечной линии, образованной точка!
миGиB.Такполучается потому, что позиция C
B
соответствует тому случаю, когда ве!
личины сигналов
EE
RY
-
и E
Y
обе равны нулю, при условии, что величина E
R
тоже рав!
на нулю. Следовательно, гипотетический стимул C
B
представляет собой смесь лишь
двух стимулов —GиB;тоесть, позиция этого стимула будет лежать либо на отрезке
GB, либо где!то за пределами этого отрезка, но на линии, образованной точками G и B.
528
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
Аналогично гипотетический стимул C
R
, который соответствует
EE
BY
-=0
и E
Y
=0
(при том, что E
B
равен нулю), является смесью только R и Gстимулов. Несмотря на
то, что позиция стимула C
R
далека от правой части рис. 22.1, точка эта фактически на
ходится на бесконечной линии, образованной точками G и R.
Стоит сказать, что, вычертив веер линий, исходящих из точки C
B
, мы получим ло
кусы изменений цветности, согласующиеся только с изменениями величины
EE
BY
-
.
Аналогичный веер, расходящийся из точки C
R
, образует локусы изменений цветности,
согласующиеся только с изменениями величины сигналов
EE
RY
-
.
Полный смысл обоих вееров можно продемонстрировать, взяв любой треугольник
цветностей (в частности тот, что показан на рис. 22.2): мы видим, что для любой ли
нии, проходящей через точку B, величина r будет пропорциональна g, и, следователь
но, если s — это наклон этой линии, то:
g = sr
Следовательно, все точки на всех линиях, проходящих через позицию B, обладают
тем свойством, что r/g = const. Однако коль скоро r = R/(R+G+B)иg = R/(R+G+B) вер
ным окажется и то, что ежели r/g = const, то и R/G = const. По линиям, проходящим
через точку R:
gsr
sr g b r
sg sb
=-
=++-
=+
()
()
1
Следовательно:
G/B = g/b = s/(1 – s)
Аналогично по линиям, проходящим через точку G:
B/R = b/r = (1 – s)/s
Таким образом, по линиям, радиально расходящимся:
— из точки R ® G/B = const;
— из точки G ® R/B = const;
— из точки B ® R/G = const.
Взяв систему R–L,L,R–Lи треугольник цветностей, в котором возможные отно
шения
()/( )RL RLLBL- -++-
отложены по оси ординат, а
()/( )BL RLLBL- -++-
—по
оси абсцисс, тем же путем можно показать, что по линиям, расходящимся:
— из точки C
B
, отношение
()/RL L-=const
, и, следовательно, отношение
()/EE E
RY Y
-
тоже постоянно;
— из точки C
R
, отношение
()/BL L-=const
, и, соответственно, отношение
()/EE E
BY Y
-
также постоянно;
— из точки S
C
— постоянно отношение
()/()RL BL--
, следовательно
()/()EE EE
RY BY
const--=
.
Особо отметим, что свойства линий, проходящих через точки цветностей смесевых
стимулов, фундаментальны и позиции этих линий нельзя линейно преобразовать в со
ответствующие позиции другого треугольника цветностей.
Итак, каждой линии веера рис. 22.1 можно назначить значение, выраженное через
()/EE E
RY Y
-
или
()/EE E
BY Y
-
. Мы видим, при этом, что линиям, проходящим через
529
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
позицию S
C
, соответствует нулевое значение (что и требуется). Прочие линии можно рас
считать, вычислив позиции точек на отрезке RG при разных значениях
()/EE E
RY Y
-
и
позиции на отрезке GB при разных значениях
()/EE E
BY Y
-
. На отрезке RG сигнал E
B
=0
и, следовательно, исходя из того, что
EEEE
YRGB
=++0299 0587 0114...
, получим:
E
E
EE
E
G
R
RY
Y
=
-
+
æ
è
ç
ç
ö
ø
÷
÷
-1704 1 0 509..
22.5.2 Закон центра тяжести
Точки на линии, связующей позиции кардинальных стимулов R и G, будут делить
эту линию согласно ранее упоминавшемуся закону центра тяжести (см. раздел 7.6), то
есть в том же соотношении, что центр тяжести весов
Rl v/
¢
R
и
Gm v/
¢
G
, где
¢
v
R
и
¢
v
G
— это
¢
v
координаты цветностей соответственно R и G кардинальных стимулов. Поскольку
RkE=
R
и
GkE=
G
тот же результат получаем с
El v
RR
/
¢
и
Em v
GG
/
¢
. Весовое отношение в
этом случае сокращается до:
¢
¢
=´´=
vmE
vlE
E
E
E
E
RG
GR
G
R
G
R
0528
0 576
0587
0299
180
.
.
.
.
.
Если l
GB
длина линии, соединяющей точки G и B, то удаление от B будет соответст
вовать различным смесям E
R
и E
G
, то есть:
530
ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM
0
0
1.0
1.0
(G)
(B)
(R)
R/G = constant
G/B = constant
R/B = const ant
Рис. 22.2 Свойства прямых линий, проходящих через точки, представляющие цветности вос
производящих (кардинальных) RGBстимулов.