Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

ТАБЛИЦА 22.1 Величины сигналов телекамеры по предметным стимулам максимально возможной

колориметрической чистоты при максимальной фотометрической яркости

Белый

Желтый

Голубой

Зеленый

Пурпурный

Красный

Синий

Черный

11001100

11110000

10101010

1.000 0.886 0.701 0.587 0.413 0.299 0.114 0

– E

0 0.114 –0.701 –0.587 0.587 0.701 –0.114 0

– E

0 –0.886 0.299 –0.587 0.587 –0.299 0.886 0

541

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Рис. 22.7 Распределение позиций стимулов, E

, E

иE

сигналы которых равны нулю или

единице в координатной системе с осями

. Длина такого отрезка как, к приме

ру, отрезок ОР, зависит от колориметрической чистоты и фотометрической яркости стимула с

позицией «Р». Угол наклона отрезка ОР к оси

(обозначен как f) — есть функция от до

минирующей длины волны стимула с позицией «Р».

ТАБЛИЦА 22.2 Величины E

и E

по предметным стимулам максимально возможной

колориметрической чистоты при максимальной фотометрической яркости

Белый

Желтый

Голубой

Зеленый

Пурпурный

Красный

Синий

Черный

11001100

11110000

10101010

1.000 0.886 0.701 0.587 0.413 0.299 0.114 0

0 0.321 –0.596 –0.275 0.275 0.596 –0.321 0

0 –0.312 –0.212 –0.523 0.523 0.212 0.312 0

542

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Рис. 22.8 Позиции тех же стимулов, что и на ри с. 22.7, но в системе координат

()/.EE

- 114

()/.EE

- 203

. Относительно новых осей оси E

и E

окажутся повернутыми на 33°.

Используя

EEEE

YRGB

=++0299 0587 0114...

, мы получим:

EEEE

GIYQ

=- + -0 272 1000 0 647.. .

Коль скоро

IkE=

LkE=

QkE=

, где k = const (см. раздел 22.5), то:

RILQ

GILQ

=++

=- + -

0 956 1 000 0 621

0 272 1 000 0 647

.. .

.106 1 000 1 703ILQ++..

Следовательно, соответствующие колориметрические уравнения будут выглядеть

так:

10 0 956 0 272 1106

10 1000

.( ) . ( ) . () . ( )

.( ) . ( )

CRGB

º--

º+-

º-+

1000 1 000

10 0621 0647 1703

.().()

.( ) . ( ) . ( ) . (

CRG

Используя преобразование

(R)(G)(B) X)(Y)(Z)® (

(из раздела 22.4), получим:

()

10.( )C = 0.956 0.607(X)+0.299(Y)+0.000(Z)

–0.272 0.174

()

(X)+ 0.587(Y)+0.066(Z)

–1.106 (0.200(X)+ 0.114(Y)+1.11

()

1(Z)

Вычислив аналогичным образом 1.0(S

) и 1.0(C

) и упростив, получим:

10 0 312 0 000 1 247

10 0981

.( ) . ( ) . ( ) . ( )

.( ) . ( )

CXYZ

º+-

º++

1000 1177

10 0 605 0 000 1 849

.().()

.( ) . ( ) . ( ) . (

CXY

Отметим, что в ряде случаев удобно переписать приведенные выше уравнения в

следующий вид:

XILQ

ZIL

=++

=- + +

0312 0981 0605

1000

1247 1177 1 8

...

...49Q

Понятно, что из приведенной выше системы уравнений для (C

), (S

)и(C

)

(XYZвариант) можно легко вычислить позиции этих стимулов на xyи

¢¢

диаграммах:

xyvv

¢¢

() –.

(). . . .

(

C –0.333

003650

0 310 0 316 0 201 0 461

). .0 245 0 0 393 0

543

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

Позиции обсуждаемых стимулов на

¢¢

диаграмме показаны на рис. 22.9: мы ви



дим, что гипотетические стимулы C

,иC

влияют только на фотометрическую яркость

воспроизводимых стимулов, но не на их цветность, поскольку и у C

,иуC

yзначения

(и

значения) равны нулю. У линий, проходящих через C

, постоянным является от

ношение Q/L и, следовательно, E

; у линий, проходящих через C

— I/L, и, следо

вательно E

. Отметим, что по мере роста величины E

, цветность воспроизводи

мых стимулов отклоняется от цветности C

вместо того, чтобы стремиться к ней.

На рис. 22.9 также показан веер линий, расходящихся из C

иC

: мы видим, что

преобразование повернуло координатные оси так, как требуется, и колебания E

те

перь меняют цветность воспроизводимых стимулов в целом параллельно

оранжевокрасно/голубому направлению. То есть, очевидно, что редукция полосы

была применена именно к E

сигналу (передается на 1/3 ширины полосы), тогда как

сигнал остался на частоте 1 МГц (как и положено 525строчным системам).

Итак, снижать разрешение можно, но помня о том, что сужение полосы на каждые

0.3 МГц соответствует визуальному размытию изображения по каждой строке на 6 мм

(при диагонали изображения 56 см).

Отметим также, что в некоторых областях применения NTSC полосу и E

сигнала

сокращают до 1/3 МГц, что ведет к ощутимым потерям хроматического разрешения,

но позволяет при этом радикально упростить конструкцию оборудования.

22.10.1 Некоторые алгебраические упрощения

Значения линий рис. 22.9 были выведены из уравнений для E

и E

в показателях

. Помня, что:

EEEE

YRGB

=++0299 0587 0114...

то когда E

= 0:

EEE

RIY

1253

0468

0 509

Следовательно, для получения величины удаления от точки цветности стимула R

точек, лежащих на линии, соединяющей позиции кардинальных стимулов R и G, и со

ответствующих различным значениям

, можно как и ранее воспользоваться вы

ражением (см. раздел 22.5):

180

1180

(Для удобства значения образовавшихся линий отмечены на отрезке RG).

Когда E

= 0, то:

EEE

BQY

0 704

0891

0194

и, следовательно, для получения величины удаления от точки цветности стимула B,

точек на линии, соединяющей позиции кардинальных стимулов G и B, и соответст

вующих различным значениям

, можно воспользоваться выражением:

544

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

175

1175

22.11 ГАММАКОРРЕКЦИЯ В NTSCСИСТЕМЕ

Теперь нам предстоит рассмотреть эффекты гаммакоррекции NTSCсигналов.

Без гаммакоррекции имеем:

EEE EE

EEE

IRY BY

QRY

=---

=-+

0 736 0 268

0478 0413

.( ).( )

.( ).(EE

- )

Но поскольку на практике гаммакоррекция в NTSC всегда имеет место, то переда

ча сигналов идет так:

EEE EE

IRY BY

0 736 0 268

0478

.( ).( )

//gg

). ( )

EEE

YBY

0413

где:

545

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

0.10.20.30.4

Рис. 22.9 Точки C

иC

, представляющие позиции NTSCстимулов (C

,иC

— гипотетиче

ские), соответствующих переменным I, L и Q, где:

IRL BL

QRL BL

=---

=-+-

0 736 0 268

0478 0413

.( ).( )

Линия, идущая из точки C

соответствует постоянному отношению I/L; из точки C

— постоян

ному отношению Q/L. Поскольку I, L и Q пропорциональны E

, E

и E

, существуют линии по

стоянных E

и E

(сетка линий на данном рисунке).

EEE EE

IRY BY

0 736 0 268

0478

.( ).( )

//gg

). ( )

EEE

YBY

0413

Теперь изменения в цветности воспроизводимых стимулов (возникающие тогда,

когда пространственная частота деталей так высока, что передается только цветораз

ностный сигнал) будут зависеть от колебаний

сигнала, но не сигнала E

. Здесь весь

ма поучительно отследить то, как колебания сигналов

будут влиять на цвет

ность воспроизводимых стимулов. Нам это удастся, если, как и ранее, оба сигнала

разделить на третий транслируемый сигнал: в данном случае —

, то есть:

0 736 1 0 268 1

//gg

0478 1 0413 1

//gg

Точки на линиях, соответствующих

¢¢

= const и

¢¢

= const, можно вычис

лить, подставляя различные значения E

, E

и E

в вышеприведенные уравнения. От

ложив на диаграмме соответствующие значения, получим требуемые контуры. Тако

вое представлено на рис. 22.10 при

g=22.

(значение, которое принято в качестве стан

дартного в NTSC): мы видим, что вокруг точки S

сетка линий постоянных

¢¢

аналогична той, что построена для

на рис. 22.9. Понятно, что

если цветность интересующего стимула заметно отклоняется от цветности S

, то воз

никают заметные численные отличия между величинами гаммаискаженных и

гамманеискаженных сигналов. Однако особо подчеркнем, что отличия эти имеют ме

сто только в самих сигналах: стимулы, воспроизводимые приемником, работающим с

гамма 2.2, будут ровно такими же, что и те, которые были бы воспроизведены гипоте

тическим линейным приемником, использующим не предыскаженный (линейный)

сигнал и работающим при единичной гамма (при этом, напомним, что реальные при

емники работают при гамма 2.8±0.3 — см. раздел 19.13 и рис. 19.11).

В тех деталях изображения, которые настолько мелки, что

сигнал не в состоя

нии нести полезную информацию, берется среднее значение этого сигнала по данной

области изображения, и колебания цветности воспроизводимых стимулов в горизон

тальном направлении изображения будут демонстрировать отличия только в направ

лении сплошной линии (рис. 22.9), соответствующей специфическому среднему зна

чению

¢¢

Аналогично, когда детали изображения столь мелки, что

сигнал оказывается не

в состоянии нести полезную информацию, цветность воспроизводимых стимулов по

горизонтальному направлению изображения будет соответствовать среднему значе

нию

и

сигналов по данной его области (на которое, кстати говоря, будет накла

дываться колебание

сигнала, дающее отличия по фотометрической яркости у эле

ментов этой области). Мы видим, что направления линий, соответствующих колебани

ям величины отношения

¢¢

, попрежнему в целом параллельны оранжево/голубо

му направлению, но искривляются в направлении красных (и заканчиваются на оран

жевых) и в направлении синих (и заканчиваются на голубых) (см. рис. 22.6).

В вертикальном направлении, воспроизведение отличий по цветности будет зави



сеть, разумеется, от строчной структуры изображения.

546

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

22.12 МАКСИМАЛЬНАЯ АМПЛИТУДА СИГНАЛА

Как уже было показано ранее, во избежание избыточной нагрузки на передатчик

перед формированием сигналов

необходимо уменьшить величину сигнала

в 1.14 раза и сигнала

в 2.03 раза. В табл. 22.3 даны значения

гаммакорректированных сигналов

, которые фактически отвечают за вос

произведение кардинальных стимулов NTSCсистемы, то есть стимулов, соответст

вующих нулевым или единичным величинам E

, E

и E

. Поскольку 1.0 — это, как

правило, максимальное значение этих сигналов, величины в табл. 22.3 демонстриру

ют передаваемый максимум. Нагрузка на передатчик, таким образом, — это функция

от суммы амплитуд яркостного и цветоразностного сигналов. Следовательно, макси

мальные и минимальные значения, это:

[]

EEE

YYQ

()()

547

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. 22.10 Влияние гаммакоррекции трихроматических RGBсигналов на цветоразностные

сигналы I и Q, и, соответственно, на цветность воспроизводимых стимулов. Показаны линии

постоянных

¢¢

при условии, что гамма телепоказа равна 2.2, где:

EEE EE

1/2.2

0 736 0 268

0478

.( ).( )

EE EE

1/2.2

0413

0299 0. .587 0 114EE

1/2.2

Сплошные линии, представляющие

¢¢

, демонстрируют направления изменения цветно

сти тех стимулов, простраственный размер которых настолько мал, что передаются только



сигналы.

Мы видим, что взвешивающие коэффициенты 1.14 и 2.03 ограничивают передавае

мые сигналы диапазоном от –0.333 до +1.333. Строго говоря, для ухода от перегрузки

трансмиттера, диапазон передаваемых сигналов должен лежать в рамках 0.0 – 1.0, но

коль скоро бо\льшие значения цветоразностного сигнала в обычных сценах возникают

только на очень короткое время, допустимо легкое расширение диапазона. Отметим,

что отрицательные значения амплитуды указывают лишь на то, что сигнал использу

ет ту область амплитуд, которую обычно резервируют для сигналов синхронизации

приемника.

548

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

ТАБЛИЦА 22.3 Величины гаммакорректированных сигналов по пространственно крупным

стимулам максимально возможной колориметрической чистоты при максимальной фотометрической

яркости

Белый

Желтый

Голубой

Зеленый

Пурпурный

Красный

Синий

Черный

11001100

11110000

11001100

1/g

11110000

1/g

10101010

1/g

10101010

1.000 0.886 0.701 0.587 0.413 0.299 0.114 0

0 0.114 –0.701 –0.587 0.587 0.701 –0.114 0

0 –0.886 0.299 –0.587 0.587 –0.299 0.886 0

VE E=-

()/.

114

0 0.100 –0.615 –0.515 0.515 0.615 –0.100 0

UE E=-

()/.

203

0 –0.436 0.147 –0.289 0.289 –0.147 0.436 0

++EVU

()

1.000 1.333 1.333 1.178 1.004 0.931 0.561 0

-+EVU

()

1.000 0.439 0.069 –0.004 –0.178 –0.333 –0.333 0

0 0.321 –0.596 –0.275 0.275 0.596 –0.321 0

0 –0.312 –0.212 –0.523 0.523 0.212 0.312 0

[]

() ()

0 0.447 0.632 0.591 0.591 0.632 0.447 0

[]

EEE

YIQ

() ()

1.000 1.333 1.333 1.178 1.004 0.931 0.561 0

[]

EEE

YIQ

() ()

1.000 0.439 0.069 –0.004 –0.178 –0.333 –0.333 0

Отметим также, что во избежание избыточной нагрузки на передатчик т.н. приве



денные (сокращенные) по амплитуде сигналы (

)/1.14 и (

)/2.03 исполь

зуются и в PALсистеме (эти сигналы иногда именуют как VиUсигналы соответст

венно, и их нельзя путать с

¢¢ ¢

UVW

цветовыми координатами).

На рис. 22.11 в графическом виде дан комплект амплитуд из таблицы 22.3: вверху

в виде набора вертикальных полос (именуемого тестовым сигналом цветовых полос),

даны различные цветовые образцы. Колориметрия полосок тестсигнала соответству

ет восьми стимулам, при которых величины E

, E

и E

единичны или равны нулю, и,

следовательно, соответствующие сигналы будут иметь значения из табл. 22.3.

В нижней части рисунка дан диапазон значений от

[]

EEE

YYQ

()()

до

[]

EEE

YYQ

()()

по каждому из стимулов.

В нижней части рисунка мы видим изменения амплитуды сигнала по мере разверт

ки одной строки: ее значение в любой момент времени будет находиться гдето между

максимумом и минимумом по каждому выбранному участку и согласно фазе цветораз

ностного сигнала. При этом, конечно, фазы, на которых возникает экстремум сигнала,

разные по разным стимулам.

Если колебания амплитуды сигнала отследить с помощью осциллоскопа, синхро

низированного по частоте строчной развертки, то картина на его экране будет пример

но той, что показана на рис. 22.11: выделенная область будет восприниматься как об

ласть колебаний очень высокой частоты, наложенная на амплитуду яркостного сигна

ла. Если тест заменить на серую шкалу, у которой

EEE

RGB

, а величина

та же,

что и у восьми тестовых хроматических стимулов, то осциллограмма будет выглядеть

просто как жирная линия (рис. 22.11), представляющая амплитуду яркостного сигна

ла; при этом цветоразностный сигнал на всем протяжении графика будет равен нулю.

22.13 ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ МЕЖДУ

I И

IСИГНАЛАМИ

На рис. 22.12 и в табл. 22.4 показано точное распределение частот 525строчной

NTSCсистемы, а также 625строчных PAL и SECAMсистем. Понятно, что стандар

тизация полос в 1 МГц (для

) и 1/3 МГц (для

) несущей цветоразностных сигналов

предполагает то, что верхняя боковая полоса

сигнала частично отсекается верхним

пределом общей полосы. Следовательно

сигнал не занимает собой полностью двух

боковых полос. Следствием сего являются т.н. перекрестные помехи (интерференция)

между двумя сигналами. При этом, коль скоро

идет по двум боковым, то он не мо

жет интерферировать с

; также, когда

, передается по двойной боковой полосе,

расширенной до полосы

, низкочастотные компоненты

не интерферируют с

Однако же отсечка свыше

ведет к возникновению упомянутых давеча перекрест

ных помех между

. Вместе с тем, коль скоро частоты эти удалены из

канала с

помощью фильтра, пропускающего сигналы только тех частот, что лежат в рамках

диапазона, отведенного для

, перекрестных помех между

практически нет.

22.14 ЭФФЕКТЫ ПОДНЕСУЩЕЙ ЦВЕТОРАЗНОСТНЫХ

СИГНАЛОВ

До передачи частота поднесущей цветоразностных сигналов подавлена и имеет ме



сто только на боковых частотах. Таким образом, когда нам необходимо передать и вос



549

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM

произвести некую серую область изображения, оба цветоразностных сигнала равны

нулю и, следовательно, не оказывают влияния ни на цветное изображение, ни на

чернобелое. Однако, когда речь идет о передаче информации о хроматических стиму

лах, но при этом их воспроизведении на монохромных приемниках, боковые частоты

цветоразностных сигналов выглядят как модуляции яркости вдоль каждой из строк с

промежутками эквивалентными частотам, лежащим возле частоты поднесущей. Эти

модуляции инициируют появление паразитных пар точек, которые смещаются вдоль

последовательных строк каждого полукадра на расстояние, равное половине (или чет

верти) этих пар. Поскольку общее число строк в каждом изображении нечетное, пат

терн точек будет инвертным в парах последовательных полных изображений.

Стоит сказать, что благодаря определенной инертности зрительного восприятия

визуальный эффект от паразитных точек не столь высок, но их присутствие, тем не ме

нее, может искажать монохромные изображения, особенно если последние склонны

«ползти» в горизонтальном или вертикальном направлениях.

Когда приемник воспроизводит хроматический (несерый) стимул, интенсивность

каждого из трех электронных пучков такова, что упомянутые выше паразитные точки

не воспроизводятся, поскольку поднесущая боковых частот демодулирована в узкопо

лосные цветоразностные сигналы. Результатом сего является и то, что хроматическая

поднесущая имеет меньшее т.н. возмущающее действие на цветной дисплей, нежели

на монохромный.

22.15 СРАВНЕНИЕ NTSCI, PALI И SECAMIСИСТЕМ

Все три описанных выше телевизионных системы (NTSC, PAL и SECAM) на прак

тике продемонстрировали то, что способны давать вполне удовлетворительные и очень

схожие между собой результаты; отличия между этими системами можно выявить

только лишь при просмотре изображения с расстояния ощутимо меньшего, чем обыч

ное расстояние телевизионного просмотра. Однако отличия эти все же имеют место и

мы их опишем ниже.

22.15.1 PAL и SECAM

PAL и SECAMсистемы, задерживая хроматическую информацию по строкам раз

вертки, снижают хроматическое разрешение в вертикальном направлении. Но по

скольку передача информации о цветности стимулов в любом случае жестко ограниче

на по полосе пропускания, падение хроматического разрешения по вертикальному на

правлению не выше, чем по горизонтальному. Обычная чересстрочная развертка в по

следовательных полукадрах помогает равномерно усреднить хроматическую инфор

мацию в последовательных строках этих полукадров, и, за счет перемежения сигналов

в любой данной строке в последовательных полных изображениях (парах полукад

ров), разрешение и плавность хроматических переходов в результирующем изображе

нии улучшаются (за исключением быстро движущихся объектов).

22.15.2 NTSC и PAL

В NTSC и PALсистемах при передаче высокодеталированных паттернов яркост

ный сигнал по мелким деталям изображения можно ошибочно истолковать как сиг

нал хроматический. Так, к примеру, чернобелые паттерны могут воспроизводиться с

550

ГЛАВА 22 NTSC, PAL И SECAM