Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

175

1175

Следовательно, можно определить позиции, соответствующие

()/EE E

BY Y

22.6 ВЛИЯНИЕ ГАММАКОРРЕКЦИИ НА

Мы помним, что сигналы, передаваемые в реальных цветных телевизионных сис

темах подвергаются предварительному гаммапредыскажению (см. раздел 19.13), и

интересно отследить то, как это предыскажение влияет на взаимоотношения между

величиной хроматического сигнала и цветностью воспроизводимого стимула.

Как было показано в разделе 19.13, типичное для телевизионного просмотра туск

лое окружение, требует того, чтобы результирующая гамма телесистемы была равной

1.25 (а не 1.0). Коль скоро гамма (коэффициент контрастности) цветных телеприемни

ков обычно равна 2.8, общей практикой является передача телесигналов с гаммой пре

дыскажения равной 2.8/1.25, то есть 2.2. Результирующим эффектом такого подхода

является рост колориметрической чистоты воспроизводимых стимулов (см. рис.

19.11). Вместе с тем, в дальнейшем, тусклое просмотровое окружение может понизить

визуальную чистоту цвета этих стимулов.

Вместе с тем, иногда имеет смысл пересчитать величины хроматических сигналов

таким образом, чтобы при той же величине гаммапредыскажения (2.2) общая гамма

системы оказалась равной 1.0: такое может понадобиться тогда, кода фотометриче

ская яркость просмотрового окружения равна средней фотометрической яркости изо

бражения.

22.6.1 Локусы цветностей при постоянных

()/

¢¢

EE E

RY Y

()/

¢¢

EE E

BY Y

Сетка линий рис. 22.3 демонстрирует цветности стимулов, воспроизводимых при

емником с гаммакомпенсацией сигнала 2.2 при различных величинах

()/

¢¢

EE E

RY Y

()/

¢¢

EE E

BY Y

, где:

1/2.2

0299 058. . 7 0 114

Подчеркнем, что построение такой сетки оправданно только в том случае, когда ка

ждой паре величин

()/

¢¢

EE E

RY Y

()/

¢¢

EE E

BY Y

соответствует уникальная цветность

воспроизводимого стимула.

Заметим, что линии, образующие сетку на рис. 22.3, почти не искривлены в непо

средственной близости от точки S

и весьма сильно изгибаются — вдали от нее, то есть:

сетки рис. 22.1 и 22.3 — не одно и то же. Однако отличия между этими сетками не есть

проявление погрешностей в цветовоспроизведении, но лишь указание на то, что

гаммакоррекция влияет на взаимоотношения между электрическим сигналом и сиг



531

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

налом оптическим

. И стоит отметить при этом, что телеприемниками с гамма 2.2

большинство стимулов воспроизводятся без какихлибо искажений.

Если изза ограничений по полосе пропускания передаваемый паттерн дает слиш

ком маленькую девиацию

, то визуализация пойдет по среднему значению

. При этом если разброс по

достаточен, то цветность воспроизводимых

стимулов будет меняться вдоль одной из пунктирных линий рис. 22.3 (или аналогичной

параллельной линии). Последнее обычно накладывается на колебания фотометриче

ской яркости, вызванной колебаниями

сигнала (при условии, что сие не указывает

на необходимость отрицательного количества зеленого кардинала — см. раздел 19.7).

Аналогично, если передаваемый паттерн дает слишком маленькую девиацию

, то визуализация пойдет по среднему значению

. При этом если разброс

по

достаточен, то цветность воспроизводимых стимулов будет меняться вдоль

одной из сплошных линий рис. 22.3 (или аналогичных параллельных линий). При

этом колебания фотометрической яркости вновь целиком будут зависеть от колебаний

сигнала

Отметим, что приведенные выше аргументы относятся к отличиям по цветности в

горизонтальном направлении изображения (т.е. вдоль строк дисплея); манипулирова

ние цветностями по вертикальному направлению изображения определяемо строчной

структурой этого изображения.

22.7 ВЛИЯНИЕ ГАММАКОРРЕКЦИИ НА

На рис. 22.4 влияние гаммакоррекции на величины

сигнала продемонстриро

вано путем вычерчивания на

¢¢

диаграмме контуров

()

при уровнях светлоты

0.9, 0.8 и 0.7.

В результате применения гаммапредыскаженного

сигнала вместо истинного

сигнала

возникают три эффекта, описанные в разделе 19.13:

— вопервых, нарушается принцип постоянства фотометрической яркости, вслед

ствие чего последняя у мелких деталей изображения оказывается слишком низкой (в

результате на величину фотометрической яркости сильно влияет шум хроматическо

го сигнала);

— вовторых, монохромными дисплеями высокохроматичные объекты сцены ком

понентом тоже воспроизводятся слишком темными;

— втретьих, снижается деталировка в малых, но высокохроматичных областях

изображений, поскольку яркостная информация идет по редуцированной полосе хро

матических сигналов.

Из рис. 22.4 ясно, однако, что хотя величины

()

в углах RGBтреугольника

всего лишь 0.24 по R, 0.53 по G и 0.074 по B, очевидно, что по большей части этого тре

угольника соотношение не опускается ниже 0.80. Поскольку дальние углы и края тре

угольника представляют цветности стимулов, редко встречающихся в обычных сце

нах, паразитные эффекты от передачи

сигнала (вместо нативного линейного сигна

ла

) в реальной практике крайне невелики. Однако, коль скоро гамма фактических

телеприемников составляет порядка 2.8 (а не 2.2), то нежелательный эффект все же

чуть больше, чем следует из рис. 22.4.

532

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

В данном случае под оптическим сигналом подразумевается фотометрическая яркость кар



динальных (воспроизводящих) RGBстимулов. — Прим. пер.

22.8 СИСТЕМЫ «PAL» И «SECAM»

Прежде чем приступить к подробному разбору NTSCсистемы, мы рассмотрим ее

производные: системы PAL и SECAM. Дело в том, что NTSC, хоть и является их исто

рической предшественницей, задействует дополнительные операции кодирования

сигналов.

PAL и SECAMверсии NTSCсистемы передают сигналы

(Roizen и Lipkin, 1965):

сигнал идет по полной полосе, а сигналы

— по четверти ширины полосы

сигнала (см. рис. 19.2). К последним приме

няется метод перенасыщения несущей, в результате чего для идентификации теле

приемником цветоразностных сигналов требуется ряд приемов.

22.8.1 SECAMсистема

В SECAMсистеме (Sequence and Memory) перенасыщение несущей реализуется за

счет передачи

через строку в каждом полукадре совместно со специ

альным сигналом опознавания, в результате чего приемник «знает», какой из двух сиг

налов был пущен по каждой из строк.

533

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

+1.99

+0.6

+0.4

0.2

+2.71

+0.2

0.4

0.6

2.82

+0.6

+0.4

+0.2

0.2

0.4

0.6

0.89

Рис. 22.3 Влияние гаммакоррекции трихроматических RGBсигналов телекамеры на цвето

разностные сигналы и, соответственно, на цветность воспроизводимых стимулов. Показаны

линии постоянных

()/

¢¢

EE E

RY Y

()/

¢¢

EE E

BY Y

, где

=EE

1/2.2

=EE

1/2.2

=EE

1/2.2

EEEE

YRGB

0299 0587 0114...

, а также при условии, что величина гаммакомпенсации при

телепоказе равна 2.2.

22.8.1.1 Строчная задержка

Электронная схема, задерживающая сигнал на время развертки одной строки,

именуется схемой строчной задержки и используется при генерации цветоразностного

сигнала на предыдущей строке полукадра. Несмотря на то, что таким путем за раз пе

редается только один из двух цветоразностных сигналов — формируется полноценное

цветное изображение. При этом имеют место потери хроматической информации по

вертикальному направлению, поскольку применение схемы строчной задержки ведет

к усреднению данных в соседних парах строк. В результате вертикальное хроматиче

ское разрешение становится равным половине вертикального яркостного разрешения

по каждому полукадру и, соответственно, четверти вертикального разрешения полно

го изображения; однако сие не столь значимо, как потери разрешения по горизонталь

ному направлению и не столь заметно визуально.

Стоит сказать, что за счет чередования сигналов

вертикальное хро

матическое разрешение неподвижных и медленно движущихся элементов изображе

ния (т.е., в данном контексте рассуждений — паре полукадров) увеличивается.

22.8.1.2 Модуляция

Вместо популярной амплитудной модуляции SECAMсистема использует частот

ную модуляцию

и

сигналов. При этом

сигнал модулируетсятаки

амплитудно, и разница в способах модуляции помогает приемнику корректно отли

чать яркостный сигнал от цветоразностных.

Отметим также, что поднесущая

сигнала на 4.40625 МГц выше, чем несу

щая сигнала яркостного, а поднесущая сигнала

выше яркостной несущей на

4.250 МГц (см. рис. 22.12(с)).

22.8.1.3 Область распространения

SECAMсистема принята во Франции (где широковещательное цветное телевиде

ние начало работу в 1967 г.), в России и ряде других стран (см. табл. 22.5 в конце дан

ной главы).

22.8.2 PALIсистема

PALсистема (Phase Alternation Line) одновременно передает гаммапредыска

женные амплитудномодулированные сигналы

на одной несущей, но

со сдвигом на четверть фазы между этими сигналами. То есть, приемником сигналы

распознаются именно за счет сдвига фаз.

Сигнал т.н. опорной фазы, именуемый сигналом цветосинхронизации, несет в себе

короткую импульсную метку синхронизации на поднесущей цветоразностных сигна

лов. Однако, коль скоро один из цветоразностных сигналов, скажем

, сдвинут

на полфазы между последовательными строками полукадра, сигналы, передаваемые

на двух последовательных строках, выглядят так:

Строка

Строка (

RY BY

¢¢

EE EE

EE EE)

Сигналы по первой строке проходят затем через схему строчной задержки, в ре



зультате чего можно усреднить информацию по двум строкам. Коль скоро

534

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

сигналы в двух строках сдвинуты на полфазы, они гасят друг друга и, следова

тельно,

получается сам собой:

()()()()

EE EE EE EE E

RY BY RY BY BY

Передавая сигналы по третьей строке через схему, сдвигающую их на полфазы, и

взяв затем другое среднее с задержанным сигналом по строке 1, сигналы

вос

станавливаются:

()()()()

EE EE EE EE E

RY BY RY BY RY

Поскольку усреднение касается последовательных строк полукадров, в каждом по

лукадре вертикальное хроматическое разрешение равно половине вертикального яр

костного разрешения, и его четверти в каждом полном изображении (что эквивалент

но горизонтальному хроматическому разрешению).

Также как и SECAM, PALсистеме для эффективной передачи требуется отдель

ный сигнал, позволяющий приемнику распознавать то, какой из двух типов сигналов

передан по каждой строке; в данном случае маркирующим отличием между цветораз

ностными сигналами является противоположность их фаз, что и представляет собой

собственно цветосинхронизирующий сигнал, обеспечивающий соответствующую

идентификацию по каждой строке. Строки с противофазами перемежаются в последо



535

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Рис. 22.4 Девиация цветностей воспроизводимых стимулов внутри RGBтреугольника при ко

лебании соотношения

()/

. Несмотря на то, что возле точки цветности кардинального

Bстимула отношение это падает ниже 0.1, по большей части поверхности треугольника оно

выше 0.8.

вательных изображениях (парах полукадров), так что также как и в SECAMсистеме

только каждые четвертые полукадры идентичны по данному критерию.

Особенность PALсистемы состоит в том, что когда имеет место легкое нарушение

фазовых отношений между эталонным сигналом и цветоразностными сигналами (при

том факте, что фазы противоположны через строку, это нарушение почти полностью

компенсируется), то есть система является весьма малочувствительной к легким фазо

вым сдвигам (в частности тем, что могут возникнуть при передаче сигнала на большие

расстояния).

Фазовые сдвиги преобразуются в небольшие погрешности по колориметрической

чистоте воспроизводимых стимулов, причем практически при полном отсутствии не

дочетов по цветовому тону (при этом недостаток насыщенности можно компенсиро

вать самим приемником, когда в том имеется необходимость) (Sproson, 1983).

22.8.2.1 Фазовая детекция

Важно отметить, что вполне возможно сконструировать телеприемник PALстан

дарта, в устройстве которого нет схемы строчной задержки. В этом случае приемник

использует т.н. фазочувствительный детектор, раздельно демодулирующий цвето

разностные сигналы по двум фазам, смещенным друг от друга на четверть цикла. Од

нако когда в приемнике нет схемы строчной задержки, возникают фазовые погрешно

сти в детекции цветоразностных сигналов, и погрешности эти ведут к искажению цве

тового тона воспроизводимых стимулов. Вместе с тем, фазовые погрешности в смеж

ных строках каждого полукадра взаимнопротивоположны и, следовательно, когда не

дочеты эти невелики, зрение легко усредняет реакцию на стимулы, цветовой тон кото

рых сдвинут от нормального в противоположных направлениях (вследствие чего об

щий результат в целом удовлетворителен).

Если же фазовые погрешности достаточно велики и искажение цветового тона ста

новится заметным, то изображение приобретает грубую строчную структуру, в кото

рой строки резко отличаются друг от друга по цветовому тону. Такой эффект принято

называть «ганноверским частоколом» (Hanover bars

), поскольку первый раз его обна

ружили на экранах ганноверских телевизоров.

22.8.2.2 Перекрестные помехи

Частота поднесущей в PALсистеме в 283

раза выше частоты строк (см. рис.

22.12(b)). Использовать величину, нечетнократную половине частоты строк (скажем,

283

) невозможно, поскольку обратные фазы

сигнала на чередующихся

строках сдвигают его боковую полосу на половинное значение частоты строк. Таким

образом когда при том, что сигнал

, идущий по боковой полосе, перемежается с

яркостным сигналом (как и требуется), выбрана величина 283

, то сигнал

также идущий по боковой полосе, будет совпадать с ним, вызывая взаимные помехи.

Однако выбрав величину, нечетнократную четверти частоты строк, скажем 283

сигналы

будут устойчиво отделяться от яркостного сигнала.

Разнос яркостного сигнала и сигналов цветоразностных можно усилить, используя

т.н. узкополосный режекторный фильтр, удаляющий из яркостного сигнала те часто

ты, на которых цветоразностные сигналы имеют выраженную амплитуду. Возникаю

536

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Официальный перевод термина «Hanover bars» звучит как «паразитные горизонтальные

окрашенные полосы на экране ТВприемника системы PAL». — Прим. пер.

щее при этом легкое падение разрешения весьма мало\ в сравнении с ростом качества

изоляции цветоразностных сигналов, и, соответственно, качества их детекции (со все

ми вытекающими из этого результатами).

22.8.2.3 Область распространения

PALсистему, разработанную Вальтером Брюхом (Townsend, 1978), приняли в Ве

ликобритании и Германии, где широковещательное телевидение начало работу в 1967

г (а также во многих других странах).

22.9 NTSCIСИСТЕМА

NTSCсистема, также как и система PAL, использует метод перенасыщения несу

щей цветоразностных сигналов, передаваемых одновременно и смещенных на чет

верть фазы один относительно другого. Однако в отличие от SECAM и PALсистем,

сигналы NTSC интерпретируются одинаково по каждой строке. Сигнал цветосинхро

низации задает т.н. эталонную фазу, а приемник с фазочувствительным детектором

восстанавливает цветоразностные сигналы на основании различия их фаз. Отметим,

что NTSCсистеме требуется более высокий уровень точности фазовой идентифика

ции, чем системе PAL, поскольку рассогласование по фазе в данном случае ничем не

компенсируется, а именно: фаза сигналов в NTSCсистеме должна держаться в кори

доре

±°5

, тогда как в системе PAL —

±°25

Эффективному разделению цветоразностных сигналов содействует то, что каждый

передается на «своей» боковой полосе; однако, чтобы обе боковых полосы занимали

лишь четверть ширины полосы яркостного сигнала, необходимо, чтобы частота подне

сущих была ощутимо ближе к частоте несущей, чем того хотелось бы. В NTSCсистеме

данная проблема решается за счет передачи цветоразностных сигналов при полосах

разной ширины: один сигнал занимает четверть ширины полосы яркостного сигнала,

а второй — лишь одну десятую. Цветоразностный сигнал высокого разрешения идет в

этом случае по двум боковым полосам (то есть там, где работают оба сигнала), но толь

ко по одной боковой полосе оставшейся части частотного диапазона (см. рис. 22.12(а)).

Такой прием позволяет вполне удовлетворительно отделить цветоразностные сигналы

друг от друга, и поднесущая цветоразностного сигнала будет уверенно отделенной от

несущей.

Чтобы передача одного из цветоразностных сигналов на полосе равной всего лишь

одной десятой полосы пропускания яркостного сигнала была устойчивой,

NTSCсистема использует не только перенасыщение полосы и перенасыщение несу

щей, но также и метод редукции синего канала (см. разделы 19.6 и 22.10).

Наконец отметим, что NTSCсистема была принята в качестве стандарта не только

в США (1953 г.), но также в Японии и некоторых других странах (см. табл 22.5 в конце

главы).

22.10 РЕДУКЦИЯ СИНЕГО КАНАЛА В NTSCIСИСТЕМЕ

Как уже отмечалось (см. раздел 19.6) зрение человека гораздо хуже различает мел

кие синие детали изображения, нежели красные или зеленые. К примеру, паттернам

мелких синих и желтых стимулов одинаковых фотометрических яркостей свойстве



нен перцепционный «конфликт», в результате которого визуальные отличия между

537

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

этими стимулами исчезают. Сей феномен именуется физиологической фовеальной три



танопией (или физиологической синей слепотой), объясняемой полным отсутствием

bколбочек в центральной ямке сетчатки (Willmer, 1944; Willmer и Wright, 1945;

Thomson и Wright, 1947; Wright, 1952). Следовательно, имеет смысл передавать

сигнал на меньшей полосе, нежели сигнал

На рис. 22.5 показаны линии, соединяющие точки, представляющие цветности

стимулов одинаковой фотометрической яркости, которые чаще всего (и легче всего)

при малых пространственных размерах воспринимаются искаженно (Thomson и

Wright, 1953). Сравнив линии рис. 22.3 и рис. 22.5, легко убедиться в том, что направ

ление линий последнего в целом повторяет результат колебания величины одного

лишь

сигнала (и что лишний раз указывает на возможность сокращения толь

ко его полосы).

Однако, в NTSCсистеме редукция полосы синего канала выполняется несколько

иначе: когда в изображении появляется большое количество мелких деталей, то есть

когда работает только один цветоразностный сигнал, диапазон воспроизводимых сти

мулов отклоняется от параллели краснозеленому направлению (колебание

сигнала), и становится параллельным приблизительно оранжево/синезе

леному направлению. Приоритетность такой методики была выявлена в серии прак

тических тестов, в частности, Мидлетон и Холмс (Middleton and Holmes), эксперимен

тируя с кусочками окрашенных бумаг весьма малого углового размера, обнаружили,

что в этом случае диапазон цветоразличения падает до оранжево/синезеленых отли

чий (Middleton и Holmes, 1949; Hacking, 1957) (см. рис. 22.6).

Для понимания того, как физиологическая фовеальная тританопия эксплуатиру

ется NTSCсистемой рассмотрим диаграмму, на которой результат колебания

сигнала дан как функция от колебания сигнала

(рис. 22.7). При этом

сразу отметим, что эффекты гаммакоррекции будут обсуждаться позднее.

На данной диаграмме точка начала координат представляет стимулы с цветностью

Стандартного Сосветителя, какой бы при этом ни была их фотометрическая яркость,

то есть: координаты цветности черных, серых и белых стимулов одни и те же. Удале

ние точки «Р» от нулевой отметки — суть функция от колориметрической чистоты ин

тересующего стимула, умноженной на его фотометрическую яркость.

Траектория, по которой позиции стимулов распределяются на данной диаграмме,

можно отследить, рассмотрев те случаи, при которых E

, E

и E

меняются в диапазоне

от 0 до 1 (см. табл. 22.1). Поскольку в NTSCсистеме максимальное значение сигналов

, E

и E

телекамеры равно примерно 1В, позиции кардинальных стимулов будут со

ответствовать своим максимальной колориметрической чистоте и фотометрической

яркости (разумеется, когда по осям диаграммы отложены величины сигналов телека

меры).

В NTSCсистеме поднесущая амплитудномодулирована двумя цветоразностными

сигналами, сдвинутыми друг относительно друга на четверть фазы. Для любого цвето

вого стимула общий результат двух отдельных модуляций можно рассматривать как

единичную амплитудную модуляцию некоего сигнала по некоей специфической фазе.

Амплитуда этого условного сигнала, в свою очередь, будет зависеть от фотометриче

ской яркости и колориметрической чистоты воспроизводимого стимула, а фаза будет

указывать на доминирующую длину волны. Таким образом, стимул «Р» (рис. 22.7),

при данной схеме перенасыщения несущей, будет передан с амплитудой, представлен

ной отрезком «0Р» и фазой, представленной углом f.

Корреляция между доминирующей длиной волны стимула и фазой сигнала в NTSC

538

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

используется для изменения направлений осей, представляющих цветоразностные

сигналы. Однако, как будет показано позже, дабы уйти от перегрузки передатчика

при трансляции цветоразностных сигналов с максимальной амплитудой, сигналы эти

в начале редуцируются по амплитуде в 1.14 раза для

и 2.03 раза для

Следовательно, возникает необходимость в перерисовке данных рис. 22.7, и использо!

вании при этом в качестве переменных (

)/1.14 и (

)/2.03 (рис. 22.8).

Два цветоразностных сигнала — E

и E

— сдвигаются затем по фазе на 33° относи!

тельно

!и

!осей. Сигнал E

при этом представляет собой т.н. синфазную

составляющую поднесущей

, в то время как сигнал E

— ее т.н. квадратурную состав

ляющую, т.е. сдвинутую от E

на четверть фазы. Таким образом, отношения между дву!

мя обсуждавшимися наборами сигналов, описываются следующими уравнениями

(уравнениями поворота координатных осей):

EE EE

RY BY

°-

114

203

114

cos

sin

203

33°+

cos

которые легко сокращаются до:

539

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Рис. 22.5 Локусы хроматического «конфликта»: восприятие любой пары стимулов одинаковой

фотометрической яркости, цветность которых лежит на на одной из линий, при малых углах

обзора будет «конфликтным» (Thomson и Wright, 1953).

То есть совпадающей с ней по фазе. — Прим. пер.

EEE EE

EEE

IRY BY

QRY

=---

=-+

0 736 0 268

0478 0413

.( ).( )

.( ).(EE

- )

Новые цветоразностные сигналы (E

и E

) используются в связке с прежним яркост

ным сигналом (E

) (см. рис. 22.6).

Величины E

иE

сигналов для стимулов, рассматривавшихся ранее, даны в табл.

22.2.

Уравнения, описывающие отношения между E

иE

сигналами и сигналами

позволяют определить на диаграмме цветности позиции гипотетиче

ских стимулов C

иC

, соответствующие сигналам E

и E

. Таким образом, решив эти

уравнения для

, мы получим:

EE E E

RY I Q

BY I Q

-= +

-=- +

0956 0621

1106 1703

из чего следует, что:

EEEE

EEE

RIYQ

BIY

=++

=- + +

0 956 1000 0 621

1106 1000 1 70

.. .

.. .3E

540

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Рис. 22.6 Цветной NTSCтелепоказ: а — только яркостный сигнал; b — яркостный сигнал и

NTSCIсигнал; с — яркостный сигнал и NTSCQсигнал; d — полный NTSCсигнал, состоящий

из яркостного, I и Qсигналов. Iсигнал, отвечающий за воспроизведение стимулов, цветность

которых меняется по оранжево/голубому направлению, занимает примерно четверть ширины

полосы яркостного сигнала. Qсигнал, отвечающий за воспроизведение стимулов, цветность

которых меняется по желтозелено/пурпурному направлению, занимает всего одну десятую

ширины полосы яркостного сигнала (см. разделы 22.10 и 22.1).