автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Дифференциальная колориметрия в телевидении

На правах рукописи

Ложкин Леонид Дидимович

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ КОЛОРИМЕТРИЯ В ТЕЛЕВИДЕНИИ

Специальность 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

I и 1,4? 2314

Санкт-Петербург - 2014 005546062

005546062

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» на кафедре основ конструирования и технологий радиотехнических систем.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор, Неганов Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

Лысенко Николай Владимирович, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), проректор по образовательной деятельности

Мамчев Геннадий Владимирович, доктор технических наук, профессор, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, заведующий кафедрой радиовещания и телевидения

Сагдуллаев Юрий Сагдуллаевич, доктор технических наук, профессор, Закрытое акционерное общество «Московский научно-исследовательский телевизионный институт», главный научный сотрудник

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт телевидения», г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 18 июня 2014 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 219.004.01 при Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 193232, Санкт-Петербург, пр. Большевиков, д. 22, корп. 1, ауд. 554.

С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.sut.ru и в библиотеке Федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича» по адресу Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 65.

Автореферат разослан 18 марта 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д219.004.01, д-р техн. наук, профессор

В.В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

На первом этапе развития учения о цвете довольствовались чисто субъективными методами сравнения и оценки. В дальнейшем эти методы перестали удовлетворять требованиям жизни и стали непригодными при развитии точных наук, особенно при внедрении компьютеров. Широкое использование цвета в жизни и технике потребовало решения ряда практических и теоретических задач.

Повышение требований к качеству цветного репродуцирования, т. е. воспроизведения цветного изображения в телевидении, в полиграфии, в цветном кино и цветной фотографии объясняется развитием научно-технического общества в целом. В связи с этим актуальными являются работы, направленные на измерение и контроль качественных характеристик цветопередающих и цветовоспроизводящих систем, а также уточнение критериев на цветотехнические параметры цветовоспроизводящих устройств.

Работы таких ученых как П. В. Шмакова (1885-1982 г.г.), С. И. Катаева (1904-1991 г.г.), С. В. Новаковского (1913-2004 г.г.) и Е. Н. Юстовой (1910-2008 г.г.) легли в основу развития отечественного телевидения и колориметрии.

Современные системы передачи и воспроизведения цвета основываются на трехцветной колориметрии, понимаемой в виде совокупности способов и средств измерения, и математического описания цветов. Необходимость использования колориметрии ощущалась уже с первых попыток реализации, в частности, цветного телевидения. По мере развития систем передачи и воспроизведения цвета все лучше уяснялись колориметрические требования, которым должна удовлетворять вся система для получения качественного цветовоспроизведения.

В телевизионных (ТВ) системах передачи и воспроизведения цвета уточнение критериев качества цветного изображения соответствует, в частности, экспериментальному определению порогов цветоразличения в условиях телевизионного наблюдения и допусков на цветовые искажения, а также создание колориметрической аппаратуры повышенной точности.

С приходом цвета в ТВ, который имеет эстетический характер информации, но только в том случае, если цветовосприятие является верным, в противном случае, эта информация может раздражать телезрителя. Поэтому точность цветопередачи в ТВ - задача весьма актуальная.

Погрешность при измерениях цвета не должна превышать ±0,01 относительных единиц колориметрической системы, рекомендованной Международным Комитетом по Освещению (МКО) 1931 г. (х,у), что соответствует около двух порогов Мак-Адама.

При воспроизведении цветного изображения, будь то репродукция, цветная фотография, изображения на экране телевизора, компьютера и пр., задача несколько усложняется, т. к. увеличивается объем информации, и о верности цветопередачи человек может судить в основном только, опираясь на свою память (при условии, что в этот момент человек не видит оригинал). Поэтому в данном случае необходимо воспроизвести процесс аппаратно-независимого цветовоспроизведения.

Устройство ввода изображения характеризуется колориметрическими характеристиками, позволяющими преобразовать аппаратные координаты, например, RGB в колориметрические координаты, пусть то будут МКО XYZ или МКО LAB, которые принадлежат аппаратно-независимому цветовому пространству, т. е. пространству, в котором колориметрические координаты не зависят от специфики цветовоспроизводящего устройства.

Это аппаратно-независимое цветовое пространство должно в идеале представлять такое пространство, в котором бы разность цветовых координат между двумя различными цветами, имеющими минимальные визуально различимые значения (пороги цветоразличения), была бы одинакова и не зависела бы от цветов сравниваемых стимулов. Такие пространства называются равноконтрастными.

В настоящее время известны некоторые равноконтрастные системы, как рекомендованные МКО, так и не являющиеся системами МКО. В качестве «индикатора равноконтрастности» автор использовал результаты опытов Д. Мак-Адама по определению порогов цветоразличения. Результаты анализа некоторых систем МКО приведены в первой главе диссертации. На основании проведенного анализа равноконтрастных цветовых систем МКО мы назовем эти системы квазиравноконтрастными, так как ни в одной из исследуемых систем эллипсы Д. Мак-Адама не превратились в строгие равные окружности.

Начиная с 1931 г. по сегодняшний день ведутся поиски строго равноконтрастных цветовых систем. Первой «равноконтрастной» системой, рекомендованной МКО, была система МКО 1960 г. (и, v), полученная путем проективного преобразования системы МКО 1931 г. (х, у). Впоследствии были сделаны различные криволинейные преобразования, выполненные разными авторами. К авторам этих преобразований можно отнести следующих ученых: S. Newhall (1939), J. Holmes (1941), W. Stiles (1946), W. Brown (1957), D. Farnsworth (1958), F. Clarke (1967), D.Mac Adam (1970). Д. Джадд совместно с Г. Вышецки в монографии «Цвет в науке и технике» (1978) в главе, описывающей равноконтрастные цветовые системы, предполагали, что создание строго равноконтрастной системы, очевидно, возможно с применением аппарата дифференциальной колориметрии. Группа авторов R. Jimenez, Е. Hita, J. Romero в 1993 г. опубликовала свои преобразования системы МКО 1931 г. (дг, у), применяя метрический тензор для получения равноконтрастной цветовой системы. При этом была достигнута определенная точность преобразования. Также существуют МКО системы, выполненные путем криволинейного преобразования системы МКО 1931 г. (х, у), например, МКО 1976 г. (LAB). Все эти преобразования в строгости не достигли основного результата, хотя есть и определенные достижения. Таким образом, поиск равноконтрастных систем продолжается и в настоящее время. Как нельзя лучше сформулировали актуальность разработки строго равноконтрастного цветового пространства Д. Джадц и Г. Вышецки в работе «Цвет в науке и технике» (1978). В этой работе говорится, что «воспринимаемая равноконтрастная трехмерная цветовая шкала явилась бы не только большим научным достижением, но и оказалась бы полезной с любой точки зрения. Ее применение упростило бы определение цвета и установление цветовых допусков. Была бы ясность в вопросе интерпретации одномерных цветовых шкал для идентификации несколько отличающихся цветов, и она могла бы служить руководством при изготовлении стандартных образцов цвета и оказала бы помощь в выборе гармоничных цветовых сочетаний. К сожалению, попытки создать такую цветовую систему до сих пор не привели к успеху» (конец цитаты).

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка строго равноконтрастного цветового пространства и его математического описания с использованием общей теории относительности (ОТО), позволяющего количественно описать определение цвета и установление однозначных цветовых допусков.

В рамках достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. Произведен численный анализ существующих и наиболее распространенных цветовых систем. На основе введенной эллиптичности поверхности цветовой системы даны характеристики проанализированных цветовых систем.

2. Разработаны методы анализа цветовых искажений в ТВ при использовании различных существующих типов телевизионных экранов, имеющих различные треугольники цветового охвата.

3. Разработан метод получения минимальных цветовых искажений изображения на экране ТВ системы, не зависимо от типа телевизионного экрана. При этом точность воспроизведения цвета определена точностью определения координат цвета телевизионной камерой.

4. Для систем прикладного телевидения, в частности промышленного телевидения, разработана система распознавания цвета на уровне «светло-красный», «ярко-красный», «синий», «бледно-голубой», «серый», «белый» и т. д.

5. Разработана строго равноконтрастная цветовая система с равномерным шкалированием, и на основе анализа кривизны цветового пространства, его метрики, используя ОТО, получено численное подтверждение "строгой равноконтрастности" новой цветовой системы.

6. На основе дифференциальной колориметрии разработана аппаратура с минимальной погрешностью измерения координат цветности.

7. Произведен анализ качества передачи и воспроизведения цвета в ТВ системах при различных внешних условиях ТВ наблюдения.

8. Разработана математическая модель цветового восприятия изображения в телевидении с учетом хроматической адаптации. С учетом разработанной модели хроматической адаптации предложен метод уменьшения цветовых искажений, возникающих на экране ТВ приемника за счет внешнего источника освещения.

На текущий момент состояние техники некоторых вопросов колориметрии заключается в следующем:

- оценка равноконтрастности той или иной колориметрической системы производится субъективно и визуально;

- существует большое количество типов телевизионных экранов, и есть прогноз появление новых типов, все они имеют разную площадь треугольников цветового охвата, при этом никак не регламентируются цветовые искажения, величина которых интуитивно зависит от площадей треугольника основных цветов экрана;

- не существует методов распознавания цвета на экране телеприемника на уровне их названия, как «красный», «темно-красный», «синий», «голубой», «белый», «серый» и т. д., что имело бы существенное значения для разработки «технического зрения»;

- не было создано строго равноконтрастное цветовое пространство, хотя над этим вопросом работало достаточное количество авторов;

- не существует телевизионных приемников, в которых автоматически подстраивается цвет изображения в зависимости от интегрального цвета освещения экрана внешнего источника освещения.

Научная новтна работы состоит в разработке нового научного направления, которое подразумевает следующее:

- дано понятие цветовой поверхности, равноконтрастность которой определяется с помощью её эллиптичности;

- исследована зависимость величины цветовых искажений в телевидении от площади треугольника основных цветов экрана телеприемника;

- предложен метод, осуществляющий практически колориметрически верной цветопередачи в ТВ, при этом погрешность цветовоспроизведения определяется степенью определения цвета телевизионной камеры;

- разработан метод распознавания цвета на экране монитора ТВ приемника (техническое зрение), позволяющий рассчитывать координаты цветности на экране, используя только координаты цветности основных цветов экрана, на основании получения которых на экране может быть дана оценка цвета в виде его наименования, например, «темно-красный», «светло-голубой», «желтый» и т. д., т. е. в терминах «цветовой тон», «насыщенность» и «яркость»;

- разработан спектрально-колориметрический метод цветовых измерений, имеющий высокую точность и скорость измерения. На основе данного метода разработаны два прибора для измерения цвета и цветовых различий между «оригиналом» и его изображением с точностью, на порядок превышающей точность существующих приборов;

- дана математическая модель трехмерной цветовой строго равноконтрастной системы координат, в которой известные эллипсоиды Мак-Адама трансформируются в шары одного размера. В данной модели применено уравнение Эйнштейна для преобразования цветового пространства в строго равноконтрастное цветовое пространств;

- предложена математическая модель искажений при восприятии цвета в телевидении, возникающих за счет источника внешнего освещения.

Обоснованность н достоверность результатов диссертационной работы подтверждается:

- использованием обоснованных физических методов и математического аппарата, используемого для описания этих методов;

- совпадением отдельных полученных в диссертации результатов с данными, приведенными в научной литературе;

- результатами испытаний и моделирования;

- полученными авторскими правами на программу «Цветовые искажения в телевидении» и на прибор, в основе которого лежит предложенный автором оригинальный спектрально-колориметрический метод, а также получен патент на способ преобразования цветового пространства.

Практическая ценность работы состоит в разработке нового научно-технического направления, позволяющего практически решить следующие технические задачи в ТВ:

- разработка достаточно простых и точных приборов, реализующих спектрально-колориметрический метод измерения координат цвета и цветности. Использование этих разработанных приборов в производстве современных телевизионных экранов позволяет осуществлять контроль цветности основных цветов экрана в соответствии с рекомендациями ГОСТ, что позволит уменьшить цветовые искажения при воспроизведении цвета;

- показана возможность колориметрически точного воспроизведения цветов в ТВ, охватываемых треугольником основных цветов телевизионного экрана. Остальные цвета воспроизводятся с минимальными цветовыми искажениями;

- разработка способа распознавания цвета на экране монитора промышленного телевидения;

- разработка строго равноконтрастного криволинейного трехмерного цветового пространства, позволяющего определенно судить о цветовых различиях объектов, на разработку которого получено положительное решение на выдачу патента;

- в математической модели и реализации компьютерной программы по расчету цветовых искажений на экране ТВ приемника за счет действия внешнего источника освещения во время просмотра телепередачи;

- на основе использования математической модели для расчета цветовых искажений на экране телеприемника за счет действия внешних источников освещения во время просмотра ТВ передач была предложена схема модификации бытовых ТВ приемников;

- применение дифференциальной колориметрии в прикладных целях, в частности, для экспертизы давности документов, путем измерения динамики изменения цвета штриха, нанесенного с помощью пишущего инструмента (шариковой ручки). Динамика изменения цвета штриха определялась методом измерения спектров отражения штриха с последующей обработкой и расчетом координат цвета и цветности. Экспериментально показано, что изменение спектров отражения и цветовых координат зависит от времени.

Применяя новую строго равноконтрастную цветовую систему в цифровом телевидении можно решить дополнительно следующие задачи:

- разработка объективных методов и критерия качества телевизионного воспроизведения мелких деталей с учетом порогов цветоразличения;

- разработка объективных критериев и методов интегрального влияния погрешностей алгоритмов сжатия на точность цветопередачи мелких деталей декодированного изображения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Величина эллиптичности цветовой поверхности позволяет оценивать степень равноконтрастности цветовой системы.

2. Модель анализа цветовых искажений в ТВ.

3. Метод минимизации цветовых искажений в ТВ.

4. Алгоритм распознавания цвета на экране компьютера.

5. Кривизна пространства цветоразличения и строго равноконтрастная цветовая система.

6. Колориметрическая аппаратура высокой точности и дифференциальная колориметрия.

7. Качество воспроизведение цвета в ТВ и условия восприятия изображения.

8. Математическая модель цветового восприятия телеизображений и хроматическая адаптация.

Апробация работы.

Результаты работы апробировались на республиканских, всесоюзных и международных конференциях, на выставке достижений народного хозяйства (научно-техническое творчество молодежи), внедрением рабочего макета прибора по измерению координат цветности излучения телевизионного экрана в производственный процесс, защитой прибора и программного продукта авторскими свидетельствами и патентами. Результаты были доложены на: Республиканской научно-технической конференции «Улучшение технического качества телевизионного вещания на территории Украинской ССР в десятой пятилетке» (Одесса, Украина, 1977), Научно-техническом семинаре «Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения» (Челябинск, 1979), Х1-Й международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Екатеринбург, 2012), Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений» (Санкт-Петербург, 2009, 2011-2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 56 работ, в том числе три монографии (одна в двух частях), 1 авторское свидетельство, 2 патента, 2 авторских свидетельства на программные продукты, а также 18 статей в журналах, включенных в перечень ВАК, и 9 работ, опубликованных в других журналах. По материалам диссертации проводились научно-исследовательские работы, и были написаны в соавторстве 7 научно-технических отчетов. Было сделано 14 докладов на научно-технических конференциях различного уровня.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. В приложениях к работе приведены: авторское свидетельство и полученные патенты (приложение П1), свидетельства об отраслевой регистрации разработок (приложение П2), алгоритм формирования модели цветовоспроизведения (приложение ПЗ), акты внедрения результатов диссертационной работы (приложение П4). Список литературы содержит 189 наименований. Объем диссертации составляет 283 страниц (без приложения), в том числе 103 рисунка и 25 таблиц.

Личный вклад автора.

12 статей опубликованы соискателем без соавторов в журналах, рекомендованных ВАК. В остальных работах автором самостоятельно сделаны математические выкладки, численные расчеты и проведен анализ полученных результатов. Все результаты данной диссертационной работы получены автором лично.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследования, показана новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены характеристики цвета, дан обзор существующих колориметрических систем, приведены выражения перехода из одной системы в другую, рассмотрены некоторые равноконтрастные системы координат и дан анализ этих систем.

Для оценки поверхности цветового пространства введен параметр, характеризующий данную цветовую поверхность и названный эллиптичностью поверхности. Эллиптичность цветовой поверхности характеризует ее равноконтрастность и определяется как отношение максимальной оси эллипса к минимальной. При вычислении значения эллиптичности поверхности были использованы известные эллипсы Мак-Адама, которые пересчитывались в требуемую колориметрическую систему. В таблице 1 приведены значения эллиптичности цветовой поверхности для некоторых цветовых систем. В этой же таблице приведено отношение площадей эллипсов Мак-Адама к значениям величины порога цветоразличения для различных цветовых систем.

Из таблицы 1 видно, что ни одна из рассмотренных цветовых систем не имеет значения эллиптичности, равной единице, поэтому такие широко известные равноконтрастные цветовые системы как МКО 1960 (и, у) и ОЕЬАВ (а*, Ь*) можно назвать квазиравноконтрастными системами. Для задач высшей колориметрии эти квазиравноконтрастные цветовые системы координат не всегда подходят.

Таблица 1.Соотношения размеров эллипсов Мак-Адама для различных цветовых систем и эллиптичность поверхности для данных цветовых систем

№ п/п Цветовая система Отношение площадей эллипсов Мак-Адама Величина порога цветоразличения Эллиптичностью

1 МКО 1931 (RGB) 158,8 0,0146 25

2 МКО 1931 (х,у) 83,0 0,0059 26,9

3 МКО 1960 (u, v) 7,2 0,0038 3,2

4 МКО 1976 (и*, V*) 228,8 4,9275 14,9

5 CIELAB (а*, Ь») 22,8 3,0624 16,4

6 Система YIQ 212,7 0,0114 26,5

7 Система CMY 158,8 0,0146 25,0

В связи с этим обстоятельством были разработаны специальные формулы цветовых различий двух и более объектов, которые также были рассмотрены в первой главе диссертационной работы.

В первой главе рассматривается ранее разработанное автором криволинейное цветовое пространство, имеющее поверхность с эллиптичностью 1,2. Это — новое пространство, которое в большей мере удовлетворяет запросам высшей колориметрии, нежели ранее известные.

Во второй главе рассмотрен вопрос качества воспроизведения цвета.

В цветном телевидении принято использовать следующие оценки точности воспроизведения цветов:

1. Колориметрическая точность цветности изображения - для оценки искажения координат цветности х, у системы МКО 1931 г. (или и, \ системы МКО 1960) в изображении относительно оригинала.

2. Психологическое качество (психологическая точность) цветного изображения - для качественной оценки допустимости искажений цвета, относительно оригинала при визуальном сравнении изображения с оригиналом (что далеко не всегда возможно для телезрителя, сравнение происходит, в этом случае, по памяти).

При психологической точности воспроизведения цвета следует учитывать, что восприятие цветности знакомых предметов (цвет лица, воды, неба, травы и т. д.) является более критичным, чем воспроизведение цветности малознакомых или совсем незнакомых предметов.

При воспроизведении цветного изображения следует учитывать влияние цветовой адаптации. Цветовая адаптация наблюдателя в студии зависит от средней освещенности сцены, которая обычно изменяется в процессе наблюдения, а цветовая адаптация телевизионного наблюдателя (зрителя) зависит от условий освещения помещения, которое длительное время сохраняется без изменений.

Во второй главе диссертационной работы приведены характеристики телевизионных систем, влияющие на качество передачи и воспроизведения цвета. К этим характеристикам можно отнести спектральные характеристики чувствительности датчиков телевизионного сигнала, колориметрические характеристики цветовоспроизводящих устройств телеприемника, а также линейность характеристики «свет - свет» всего телевизионного тракта.

В этой главе рассмотрены цветовые искажения телевизионного тракта «от света до света», принципы цветовосприятия и их модели. На рисунке 1. в качестве примера, приведены результаты расчетов цветовых искажений полученных на телевизионном приемнике с жидкокристаллическим экраном с подсветкой полноцветными светодиодами.

Я,

7

а

1

\ \ Г h-

> 1

Л

к "1 _ J

Рисунок 1 - Искажения цветопередачи системы ЦТВ при приеме на LCD экран с подсветкой полноцветными светодиодами

Исследованы вопросы, связывающие площадь треугольника цветового охвата с цветовыми погрешностями воспроизведения цвета на экране телеприемника. Итогом этих исследований стал результат, показанный в таблице 2. Показаны основные проблемы цветного изображения.

Таблица 2

№ п/п Тип экрана Площадь Цветовые искажения

1 ЖК с подсветкой белыми светодиодами 0,082 13,35

2 Экран с использованием люминофоров 0,113 11.73

3 ЖК с подсветкой люминесцентной лампой 0,119 11,61

4 ЖК с подсветкой полноцветными светодиодами 0.163 10,95

5 Экран с максимальным цветовым охватом 0,247 8.87

В этой главе показана возможность колориметрически верной цветопередачи в телевидении, на рисунке 2 показаны результаты этой возможности. Для реализации этого метода, необходимо в телеприемник добавить блок, схема которого изображена на рисунке 3.

Рисунок 2 - Цветовые искажения в телевизионной системе, полученные путем передачи сигналов цвета и воспроизведенные на жидкокристаллическом экране с подсветкой полноцветными светодиодами

Принятые координаты цвета X. У. Z

Вычесленные значения величины видеосигналов

Рисунок 3 - Добавляемый узел в телевизионный приемник

Поясним этот рисунок. Рассмотрим эту схему. Принятый сигнал с телецентра поступает на первый вход вычислительного устройства (1), на второй вход этого устройства поступают из постоянного запоминающего устройства (2) девять величин обратной матрицы, описывающей координаты цветности основных цветов телеэкрана. Значения этих коэффициентов определяется единожды, и зависят от типа экрана телевизионного приемника, а еще лучше однажды измеренные координаты цветности основных цветов для конкретного телевизионного экрана и расчета коэффициентов обратной матрицы. В вычислительном устройстве происходит вычисления величин видеосигналов Ик, 1)с, 11в для воспроизведения на экране цвета с координатами X, У, X. В вычислительном устройстве (1) должна быть использована простая логика, а именно, если значение любого вычисленного значения 1}к, Ис, Цв меньше 0, то его значение приравнивается 0. При этом, в камерном канале телецентра удаляется цветокорректор.

Во второй главе предлагается метод распознавания цвета на экране. В некоторых областях промышленного телевидения существует задача, когда некоторые технологические процессы необходимо контролировать и определять окончание того, либо другого технологического процесса по цвету объекта. Так, например, в металлургической промышленности готовность выходного продукта определяется на глаз по его цвету. Если допустить, что некая телевизионная промышленная система телевидения заменит человека в данном процессе, то задача определения готовности выходного продукта позволит автоматизировать технологический процесс.

Сложность опознавания цвета заключается в том, что даже если измерить координаты цвета и (или) цветности, то словесно, как правило, невозможно передать название цвета. Количество цветов, различаемых глазом человека, составляет около 210000. На экране монитора компьютера, возможно, воспроизвести более 16,5 миллионов цветов и

отождествить это количество цветов с известными, например, 16 цветами просто не имеется возможности. Таким образом, задача опознавания цвета - задача достаточно сложная.

Кроме того, например, белый цвет имеет еще зависимость названия цвета от величины яркости (серый, серебристый и т. д.), это же можно сказать и о любом цвете (темно-красный, светло-красный и т. д.). Для опознания цвета можно поступить следующим образом. Согласно рекомендациям МКО (рис. 4) мы знаем наименование двадцати одного цвета, к этому количеству цветов добавим еще 9, например, серый и серебристый цвета, которые имеет одинаковые координаты цветности с белым цветом. Аналогично, добавляем оттенки ко всем цветам, указанным на рисунке 4.

Рисунок 4 - Положения областей цветности различных цветов на графике МКО 1931 г. (в обозначениях системы ISCC-NBS). Обозначения: R - красный, гО - красновато-оранжевый,

О - оранжевый, YO - желто-оранжевый, Y - желтый, YG - желто-зеленый, yG - желтовато-зеленый, G - зеленый, bG - голубовато-зеленый, BG - сине-зеленый, gB - зеленовато-синий.

В - синий. PB - сине-фиолетовый, Р - фиолетовый, гР - красновато-фиолетовый.

|)R - фиолетово-красный, рРк - фиолетово-розовый, Рк - розовый, ОРк - оранжево-розовый, VV - белый

Среди различных названий цветов, разработанных в прошлом, наиболее понятным и доступным является метод обозначения цветов 1SCC - NBS (Межотраслевой совет по цвету -ISCC, а отдельные элементы - Национальным бюро стандартов - NBC). Этот метод разработан на основе требований Американской фармацевтической ассоциации и Фармакологической конвенции Соединенных Штатов Америки. Этот метод называется методом обозначения цветов ISCC - NBS. Обозначения цвета по системе ISCC - NBS позволяет обозначить любой цвет, воспринимаемый как собственный цвет предмета (непрозрачная поверхность или светопропускающий слой) или цвет самосветящихся тел. Обозначения цветов даются в системе Манселла в соответствии с 31 наименованием: для каждой из 31 области цветового тона по Манселлу.

Зная значения количества каждого из основных цветов экрана монитора г, g и b, а также координаты цветности основных цветов xR,yR,zR,xG,yG,zG и xB,yB,zB (значения координат основных цветов экрана лучше измерить с помощью колориметра, так как паспортные значения этих координат весьма неточны), можно по формулам определить координаты цветности в системе МКО 1931 г. (х, у) данного пикселя Хц, Уц:

\хП1 XR Xg XB fUsl

Уп = Vr Ус Ув UG

Un J JR Zg г в Lt/sJ

где модуль цвета - тп = Хп + Уп + Zn, координаты цветности ~Хц = —, Уп = —■

При определении координат цветности, описанных таким образом, необходимо учитывать нелинейность световых характеристик основных цветов (гамма-характеристик). Значения гамма-характеристики можно получить из технических характеристик экрана монитора, либо измерить с помощью фотометра.

Значение Y пропорционально яркости, которая обычно измеряется в кд/м2, но мы будем пользоваться относительными единицами, т. е. значениями от 0 до 255, Очевидно, что при = Uc = UB = 255 (белый цвет): яркость максимальна. В связи с этим удобно нормировать яркость анализируемого пикселя к максимальному значению яркости белого цвета, равной 255, поэтому для 100 % опознавания исследуемого пикселя интервал яркостей от 0 до 255 разобьем на интервалы: 0-32; 33-64; 65-96; 97-128 и т. д. При этом можно опознать любой цвет пикселя, а цветность определяется, в соответствии с рисунком 5.

На рисунке 6 приведен результат работы программы, разработанной автором, по распознаванию цвета.

0.0 0.2 0.4 0.6 о.в

X

Рисунок 5 - Положения областей цветностей в зависимости от количества основных цветов UR, UG и Ubb соответствии с (1)

Рисунок 6 - Пример результата работы программы распознавания цвета (наименование цветов приведено на английском языке) и его процентное содержание в исходном изображении

В третьей главе рассмотрена объективная колориметрия, основанная на методах визуальной колориметрии. Назначение визуальных колориметров состоит в непосредственном получении простым способом трехмерной характеристики цветового стимула (цветовой стимул - объект, который своим оптическим излучением воздействует на глаз человека и при этом вызывает соответствующее ощущение). Эти характеристики, по крайней мере, потенциально могут быть преобразованы в координаты цвета X, У, Z цветового стимула колориметрической системы МКО, поэтому в третьей главе рассмотрены основные идеи построения визуальных колориметров.

В главе рассматриваются методы построения фотоэлектрических колориметров, производится анализ погрешности измерения координат цвета и цветности, указываются факторы, влияющие на погрешность измерения.

Рассматривается предложенный автором спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат (рис. 7).

л«. •ь = I

III

'их

л, Яш

ТП-

- I /М"

X и I

Рисунок 7 - Функциональная схема, поясняющая спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат

Для реализации этого метода поступим следующим образом. Спектральные характеристики чувствительности фотоприемников можно отображать не сплошной кривой, как это производится у трехцветного колориметра, а дискретной выборкой во времени с определенным шагом по длинам волн оптического диапазона. Пусть этот шаг равен ДА. Это условие можно выполнить с помощью узкополосных интерференционных светофильтров, поочередно устанавливая их друг за другом в определенной последовательности (например, по мере возрастания длины волны пропускания светофильтров) перед оптическим входом фотопреобразователя. Шаг ДД не обязательно должен быть постоянным во всем оптическом диапазоне длин волн, но должен быть заранее известен. Далее электрический сигнал фотоприемника подается на вход такого звена, коэффициент передачи которого меняется в соответствии с кривыми сложения выбранной колориметрической системы для тех длин волн, на которые имеются интерференционные светофильтры. Таким образом, производится разложение оптического излучения по ординатам спектра с последующим умножением каждой ординаты спектра излучения на удельные координаты цвета выбранной колориметрической системы координат. Поскольку эти преобразования производятся последовательно во времени, то для получения координат цвета необходимо произвести сложение полученных произведений.

Подобный принцип реализации спектральных характеристик позволяет сформировать любую положительную спектральную характеристику чувствительности фотоприемника. Погрешность формирования спектральной характеристики зависит от числа

интерференционных светофильтров, их полосы пропускания, а в основном от передаточной характеристики усилительного звена, включенного на выходе фотоприемника. Достижимая точность реализации параметров электронных схем достигла высокого уровня. Поэтому можно надеяться, что погрешность измерения цветовых координат с помощью прибора, основанного на спектрально-колориметрическом методе, будет мала. В третьей главе произведен анализ погрешности измерения цветовых координат.

На основе спектрально-колориметрического метода автором разработан прибор для измерения координат цвета и цветности, который был защищен патентом на полезную модель. Структурная схема прибора приведена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Структурная схема колориметра, реализующего спектрально-колориметрический метод

В четвертой главе разработан принцип и математический аппарат построения строго равноконтрасгного цветового пространства.

В начале 40-х годов прошлого столетия появились публикации результатов опытов, проведенных Д. Мак-Адамом по выяснению порогов цветоразличения. Аналогичные опыты были также проведены W. Stiles, G. Wyszecki. Их результаты в целом согласовывались с результатами, полученными изначально Д. Мак-Адамом, и графически отображались в виде эллипсов на цветовой диаграмме МКО 1931 г. (х, у), которые впоследствии получили название «Эллипсы Мак-Адама», изображенные на рисунке 9.

у

о

380

0,4

о.е

0,8

Рисунок 9 - Эллипсы Мак-Адама (для наглядности размеры эллипсов увеличены в 10 раз) (рисунок взят из статьи Mac Adam D.L. Visual sensitivities to color differences. Josa. - 1943. -Vol. 33. -№ 18)

Автором был разработан программный комплекс по измерению порогов цветоразличения, которые проводились при разных значениях яркости Ь излучения сравниваемых цветов (яркости стимула в процентном соотношении). На рисунке 10 показаны качественные результаты эксперимента. Экстраполируя кривую зависимости величины порога п до значения яркости равной нулю, получим величину порога, равную бесконечности, а точнее порог, ограниченный кривой цветового локуса (нижняя часть рис. 10). Известно, что при уменьшении яркости включается механизм ночного или сумеречного зрения, т. е. в процесс зрения включаются палочки глаза, а колбочки выключаются, как имеющие цветочувствительность в отличие от палочек. Имеет место эффект Пуркунье («ночью все кошки серые»).

Очевидно, что при увеличении яркости излучения до очень больших значений цветочувствительность глаза также будет уменьшаться (верхняя часть рис. 10). Это явление можно объяснить тем, что распад йодопсина (светочувствительное вещество колбочек глаза) будет происходить быстрее, нежели его восстановление. Глаз станет цветослепым, т. е. величина порога цветоразличения будет увеличиваться по мере увеличения яркости излучения, и при очень больших яркостях порог цветоразличения будет равен бесконечности, точнее эта бесконечность будет ограничена цветовым локусом. Конечно, такая яркость в природе, а тем более в телевидении (на экране монитора), не реализуется и может быть рассмотрена только теоретически.

Рисунок 10 в пространстве с вращательной симметрией соответствует фигура, изображенная на рисунке 11, которая называется - однополосный гиперболоид.

Рисунок 11 — Зависимость порогов цветоразличения от яркости излучения

Прежде чем рассуждать далее, введем следующие понятия.

1. Горизонт цвета (аналогично «горизонт событий в ОТО) - под этим термином здесь будем понимать некий объем, в котором, с точки зрения цветоразличения глаза, цвет однородный.

2. Бесконечность - область, ограниченная цветовым локусом.

Рассмотрим некоторые области этого однополосного гиперболоида. О верхней и нижней частях рисунка, окрашенных соответственно в белый и черный цвета, можно сказать, что горизонт цвета уходит в бесконечность. Сами эти поверхности линейные, плоские и имеют евклидовую геометрию. Более сложную структуру имеет пространство, расположенное в центральной части рисунка.

Горизонт цвета имеет малый радиус, а это обстоятельство указывает, что пространство, заключенное под горизонтом цвета, искривлено и замкнуто, аналогично как в пространстве черных дыр в фундаментальной теории эволюции звезд. В связи с этим для решения вопросов, касающихся порогов цветовосприятия, а также для создания новых равноконтрастных цветовых систем, в которых бы все эллипсы Мак-Адама трансформировались в одинаковые окружности (а в трехмерном пространстве - в шары одинакого диаметра), можно использовать уравнение Эйнштейна в тензорном виде для четырехмерного пространства-времени, которое иногда называют уравнением гравитационного поля в ОТО, связывающим между собой метрику искривлённого пространства-времени со свойствами заполняющей его материи.

В тензорном виде уравнение выглядит следующим образом:

8лС I

[Ваь] - \ \3аь\ + Л[0аг>] = "рГ -

(2)

где [йаЬ] - тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени [Д^и,] посредством свёртки его по паре индексов, Л - скалярная кривизна, [§"аг,] - метрический тензор, Л - космологическая постоянная, [ГаЬ] - представляет собой тензор энергии-импульса материи, с - скорость света в вакууме, й - гравитационная постоянная. Так как все входящие в уравнения тензоры симметричны, в четырёхмерном пространстве-времени эти уравнения равносильны в общем случае шестнадцати скалярным уравнениям (произведению а на Ь).

Рассмотрим в отдельности составляющие уравнения (2). Это уравнение предполагает четырехмерное пространство-время, поэтому будем рассматривать его компоненты в четырехмерном пространстве. Согласно литературным данным, в так называемых Шварцшильдовских координатах (£, г, в, <р), из которых 3 последние аналогичны сферическим, наиболее физически важной части пространства-времени Шварцшильда с топологией Я2 х 52 (произведение области двумерного евклидова пространства и двумерной сферы) имеет вид:

О

т=

-С*"?)"

О

О

-г2 О

(3)

где г5 = гя - радиус Шварцшильда, равный гравитационному радиусу.

На рисунке 12 приведена графическая интерпретация пространства Шварцшильдом.

Рисунке 12 - Графическая интерпретация решения Шварцшильда уравнения Эйнштейна (2) (рисунок взят из Шварцшильд К. О гравитационном поле точечной массы в эйнштейновской теории // Альберт Эйнштейн и теория гравитации. - М. : Мир, 1979. - С. 199-207)

Следующим компонентом уравнения (2) - является тензор энергии-импульса. Симметричный тензор энергии-импульса, определенный в пространстве-времени, который одновременно задает плотность энергии и ее потока определяет закон изменения этих величин при переходе от одной системы отчета в другую. Тензор энергии-импульса в общем случае имеет вид:

т =

W SJc Sy/c Sx/c

SJc Kx <>xy dxz

Sy/c дух дуу dyz

Sx/c dzx dzy dZz

(4)

где № - плотность энергии; 5г - поток энергии в направлении, задаваемом = ру£и„ + 6Ю, I, \=х,у,~.

Чтобы не путать этот тензор, введем новое обозначение с новыми компонентами, при этом физический смысл нового тензора энергии-импульса цвета не должен отличатся от тензора энергии-импульса.

Обозначим этот тензор [Су]. Для обозначения новых компонент для этого тензора, обратимся к рисунку 13.

В (5) существует плотность энергии IV. Очевидно, эта плотность энергии будет соответствовать значению плотности яркости эллипса Мак-Адама. Согласно определению Мак-Адама данный эллипс, а с учетом яркости - будет эллипсоид, является порогом цветоразличения и яркости. Значит, с точки зрения глаза, данный эллипсоид будет восприниматься как геометрическая точка, никаких цветовых, так и яркостных различий по области (и внутри тоже) не будет. Поэтому плотность световой энергии будет равна Рисунок 13 - яркости точки, например центра эллипса (рис. 13).

Отдельно взятый Значения Вх, и в (5) будут определяться яркостью в

эллипс Мак-Адама точках а, Ь и й (рис. 13). Точка с1 совпадает с точкой О, но лежит на оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Расстояние от точки О до точки с! равно 0,01 значения яркости в точке О. д^ — тензор напряжений в обычном трехмерном пространстве второго ранга, состоящий из девяти величин, представляющих для нашего случая изменения яркости в этих точках, относительно яркости центра эллипсоида, отнесенные к его площади поверхности.

Площадь поверхности эллипсоида определяется:

Ь2 /а + у!а2 - Ь2\

S = 2 па а +

S = 2па а +

Vа2 - Ьг Ь2

In

, (для а > Ь);

(и . ,_

V у/ь2 - а2

arcsln |-;-) |, (для а < by,

где а, bud- полуоси эллипсоида. Перепишем полученный тензор энергии-импульса цвета:

"¿о Ld La Lb

1й (.Ld-Lо)/ (La - ¿о)/s (Lb ~L°)/S L (La (La - Lq) (Lb ~Lo)/s

(Lb - La)/ (La ~ L0)/^ (Lb - L0)/^

где согласно, п = Ы, анЬ.

Перепишем метрический тензор, в соответствии с нашими данными:

К1-?)

-(1-Й

где г0 = 0,0038/2, 0,0038 - величина порога цветоразличения, г - радиус сферы цветового тела, в - зенитный угол от начала координат, расположенных в центре цветового тела, в направлении центра эллипсоида.

В формулу (2) входит тензор кривизны - тензор Риччи, который можно преобразовать к следующему виду:

ры. (6)

Из тензора Риччи можно построить скаляр Л по следующей формуле:

Я = ъиъиЩгЛ .

(7)

Ш = [Ьц] ■ Ш>

(8)

Выше были описаны все компоненты уравнения (2). Тогда согласно этому, запишем уравнение, которое и требуется решить, при этом заменим ранее определенные величины их значениями:

Мя]---

Го Г0

где [/су] — диагональная матрица констант, пропорциональных коэффициентам «подвижности» репера в базисе подвижного репера и пространстве геометрии Римана, [Е] — единичная диагональная матрица размерностью 4x4.

При численном решении (8) нам и надо определить диагональную матрицу констант . Заменив значения тензоров их матричными компонентами, сделав соответствующие преобразования и упрощения, получим систему, из которой находим неизвестные переменные:

( 2 го - гт„ -

2 го + гто _ ки'с^-^о) . г Го 5 '

2 + гто _ — ¿о)

го г-го 5

2 ^г0 + г2 ■ ЗШ2в = 5

(9)

Гак как в левой части находится разница двух диагональных матриц, а в правой части находится матрица 4x4, то получится всего 4 уравнения, которые имеют решения, а остальные 12 уравнений в (8) либо имеют нулевые решения, либо не имеют его.

Разберем подробнее суть полученного цветового пространства, очевидно, это пространство имеет вид сферы, на поверхности которой находится цветовой локус и, как уже упоминалось, локус цветовой системы МКО 1960 г. (и, v, м>). На этом локусе находятся эллипсоиды Мак-Адама, которые должны превратиться в шары равного радиуса. Размер шаров определяется величиной порога цветоразличения, равной для этой системы координат 0,0038. а это значение определяет диаметр шара цветоразличения, таким образом, радиус г0 = 0,0019.

Рассмотрим, что будет происходить с размером цветового тела при изменении яркости. Очевидно, размер (диаметр) цветового тела будет меняться, и чем больше яркость, тем больше будет радиус цветового тела полученной строго равноконтрастной цветовой системы, т. е. радиус будет динамически отслеживать яркость. При яркости равной нулю

радиус сферы цветового тела будет также равен нулю, что не противоречит для черного цвета. Для черного цвета уравнение координат цветности приобретает сингулярный характер, так как излучения отсутствуют, т. е. координаты цвета X = О, У = 0 и 2 = О, а значит т = 0, и графически это можно проиллюстрировать рисунком (рис. 14).

Зависимость радиуса цветового тела от яркости, на рисунке 13 изображена кривой, и это объясняет ее экспоненциальную зависимость, а значение радиуса Л равно г, указано в вышеприведенных формулах.

Отметим, что полученное цветовое тело представляет собой сферу, радиус которой пропорционален яркости конкретной точки на поверхности этой сферы, т. е. цветовое тело необходимо рассматривать в динамике, цветовое тело «дышит» и изменяет свой радиус в зависимости от яркости конкретной точки.

Как было указано выше, это решение было произведено для четырехмерного пространства, три координаты которого были обычными метрическими координатами пространства и, v и м/. Четвертая координата являлась яркостью конкретной точки на поверхности данного цветового тела. Это, наверное, не совсем удобно для метрики цвета, так как цвет - это трехмерная величина и в обычной жизни, в частности, на экране телевизионного приемника цвет характеризуется следующими тремя величинами: цветовой тон. цветовая насыщенность и яркость. Но, уравнение Эйнштейна не налагают никаких ограничений на используемые для описания координаты, то есть обладают свойством общей ковариантности, более того при появлении теории струн, данное уравнение было решено для 5 и 10-мерного пространства. В связи с этим данное уравнение было решено и для трехмерного пространства.

Любой точке на цветовом локусе можно сопоставить некий цветовой вектор. Для начала, свяжем такие понятия как цветовая насыщенность и цветовой тон с системой координат МКО 1931 г. (х, у). Для чего сделаем параллельный перенос осей х, у так, чтобы начало координат совпадало с координатами «белого» цвета. Очевидно, для системы МКО 1931 г. (х, у) это будет цветность равноэнергетического источника Е с координатами хЕ = уЕ = Д.

Эту «трансформированную» систему назовем системой МКО 1931 (х', у').

На рисунке 15 длина вектора 05 отображает цветовую насыщенность (Цн) центра

/ /

X-.

Рисунок 14 - Размер радиуса Я цветового тела строго равноконтрастното цветового пространства от значения яркости !.

Поскольку все векторы вида 05 (рис. 14) начинаются из нулевой точки, то длина этих векторов (цветовая насыщенность) определяется простым выражением типа:

О = л[х2Ту2 + 1?,

где х, у - координаты конца вектора в системе координат х' у', Ь - яркость точки конца вектора, причем Ь является отношением текущей яркости в данной точке пространства к пороговой и не имеет размерности.

Тогда цветовой вектор С может быть представлен следующей матрицей (рис. 14):

С =

Уц

ч.

/к

V(*¿)2 + Cy¿)2+£'a

(Ю)

где Цт - цветовой тон; Цн - цветовая насыщенность; ¿ц - приведенная яркость. При этом

з[7

Ьц = 116 -— 16. Разложив вектор (10) по ортам базиса ё^, е2, е3, получаем

'о

двухвалентный симметричный цветовой тензор \Саъ\. Суть этого тензора заключается в задании координат для метрического тензора в конкретной точке на цветовой диаграмме:

[&»] =

цт о о о ц„ о .0 0 1.

arctg

©

0

о

0 Jw'+W+Ij 0

о О Lr

(И)

5 =

(12)

Введя обозначения: F1 = b2d2; F2 = a2d2-, F3 = a2b2(l — cíz), получаем матрицу перехода из декартовых в сферическую систему координат:

о2?1 0 0

0 Tq F2 0 0 0 r2F3

Компоненты метрического тензора в сферических координатах определяются для трехмерного пространства, согласно литературным данным:

10 0

0 р2 0 0 0 p2sin2(e)

[дц

(13)

[р = V(х1)2 + Сх2У + (х3)2, ГДе (0 = arceos (xVVC*1)2 + (*2)2 + (*3)2) ■

С учетом (12) метрический тензор в базисе подвижного репера Е можно определить как:

glj = gi¡ • s. (14)

Таким образом, искомый метрический тензор для сферической системы координат (13) можно переписать в виде:

т =

21

0 roF1 0 0

0 0 r0F2 0

sind 0 0 r0F

(15)

Для начала перепишем уравнение (2) с учетом замены тензора Риччи его скаляром. Эта замена является оправданной, так как известно, что сфера обладает равной кривизной в

2

любом направлении и в любой точке поверхности. Итак, с учетом Д = — и Л = 0, имеем:

го

(¡б)

где [е] - единичная диагональная матрица; [¿Г(;] — метрический тензор, определяемый (4.56); [Ку] — диагональная матрица коэффициентов «подвижности» базиса подвижного репера; [Су] — цветовой тензор, определяемый (11). Перепишем (16) в матричной форме: гг-тр-г1

О

Z-r03-F2 Го

о о

-sin2(0)

К1Х ■ Цт О О

О

К22 ' Дн О

(17)

где Цт = -f — цветовой тон; Цн =

— цветовая насыщенность; индексы S и

S' имеют значения, изображенные на рисунке 15; F1, F2 и F3-те же величины, что ив (12); [fey] - диагональная матрица констант, пропорциональных коэффициентам «подвижности» репера в базисе подвижного репера и пространстве геометрии Римана (искомые величины); [£] — единичная диагональная матрица.

Из (17) получаем систему уравнений относительно [fcy]:

(18)

Ь, но МКО

(2-г0-Р')-Цт

Га ' (2-Г„3-Г2>Цн Го

Го

Смысл величин а, Ь показан на рисунок 12. Величина Ы - то же, что а и перпендикулярно плоскости чертежа (рис. 13).

На рисунке 16 приведены результаты преобразования эллипсов системы 1960 г. (и, v). Очевидно, применяя вышеуказанную методику, можно пребразовать цветовое пространство (цветовой локус) в пространство Римана. Так, например, если изобразить сферу радиусом, равным величине максимальной яркости (яркость «белого» цвета) для системы МКО 1960 г. (иу'), а на поверхность этой сферы нанести цветовой локус, причем сохраняя переход от метрического плоского пространства к пространству Риммана, используя при этом базис подвижного репера, то получим криволинейное цветовое пространство, на котором можно изобразить в этом же базисе подвижного репера пространства цветоразличения (шары Мак-Адама). Вышесказанное иллюстрирует рисунок 17. На этом рисунке ось яркости перпендикулярна плоскости рисунка.

Отметим, что цветовая разница между двумя цветами до сих пор определялась как чисто геометрическая длина отрезка между точками цветов на цветовой диаграмме (для ТВ -обычно используют колориметрическую систему МКО 1960 г. (и, у)), то в новой

разработанной строго равноконтрастной цветовой системе эта разница будет определяться несколько сложнее. На рисунке 18 показана цветовая разница между двумя цветами.

а) 6)

Рисунок 16 - Сечение эллипсоидов плоскостью и '01 (а) и их пребразование в равновеликие шары (сечение той же плоскостью б). Размер эллипсоидов и шаров увеличен в 10 раз

Рисунок 17 - Цветовой локус с эллипсами Мак-Адама в пространстве геометрии Римана в системе МКО 1960 г. (и'. V')

Рисунок 18 - Определение цветового различия двух цветов Ц1 и Ц2, имеющих отличные яркости и находящихся на разных сферических поверхностях, радиус которых однозначно определяется яркостью цвета

В пятой главе рассмотрены процессы цветовосприятия. Выше упоминалось, что высшая колориметрия рассматривает вопросы сравнения двух и более цветов, т е. непосредственное цветовосприятие.

В этой главе рассмотрены вопросы влияния источников освещения на цветовосприятие объектов, от типов стандартных источников, показана концепция аппаратно-независимого цветовоспроизведения, которая состоит в обеспечении системы полной цветовой информацией об изображении, позволяющей, в случае необходимости, описать данные изображения в показателях, которые не относятся к какому-либо специфическому устройству. В дальнейшем для передачи аппаратно-независимых данных (цветовых координат) какому-либо другому устройству открытой системы выполняются определенные математические преобразования.

В главе показаны модели цветового восприятия и модели хроматической адаптации. Структура хроматической адаптации показана на рисунке 19.

Рисунок 19 - Структура «хроматической адаптации» (рисунок взят из книги Фершильд М. Д. Ф. Модели цветового восприятия. Второе издание. - М., 2004. С. 438)

В этой главе разработана модель цветовых искажений с учетом хроматической адаптации в зависимости от условий восприятия телевизионного изображения. Покажем результаты работы созданной модели цветовоспроизведения. Входные данные модели составляли следующие параметры:

1. За исходные стимулы, предъявляемые телекамере, использовались цвета из атласа Манселла, причем номера цветов в модели можно было менять,

2. Телевизионная камера - трехканальная со спектральными характеристиками чувствительности, имеющими вид кривых сложения, т. е. с идеальными характеристиками.

3. Опорный белый для телеприемника - D6500, этот же источник белого является «равносигнальным» для каналов RGB телекамеры (европейский стандарт (ЕС)).

4. Стандарт телеприемника ЕС с координатами цветности основных цветов экрана: xR = 0,64; yR = 0,33; xG = 0-29; yG = 0,60; хв = 0,15; ув = 0,06.

5. Целевой источник света для адаптации может меняться по желанию.

6. Модель хроматической адаптации - Bradford-модель, описываемая следующими выражениями:

0

jd /

>и

Мо/

/1

Me

0

'S

Ш

= [Мл]"

где XS,YS,ZS - координаты X, Y, белый;

где Х1у5, Уц-х, - координаты исходного белого (Э6500).

0.8951 0.2664 [МА] = -0.7502 1.7135 . 0.0389 -0.0685

где \0,- координаты стимула; М0,5С - колбочковые ответы на белый;

(19)

Z стимула; Ls,Ms,Ss - колбочковые ответы на исходный

(20)

Г ¿si

Ms = Шл]- Yws

\-Ss Zws-

-0.1614 0.0367 1.0296

XWD

MD = [Мл] ■ YWD

LsflJ 2 WD

(21)

(22)

где Х^-о, Ущо^мп - координаты целевого белого.

На рисунке 20 показаны результаты работы модели цветовых искажений в телевидении «от света до света» с учетом хроматической адаптации при внешнем освещении источником типа А (лампа накаливания), т. е. целевой источник типа А, Обозначения на рисунке: точки с цифрами означают цвета оригинала; цифры с одним штрихом - цвета, воспроизводимые на экране; цифры с двумя штрихами - цвета, воспринимаемые глазом. Для цвета 6, в качестве примера, показана разница цветового тона между воспроизведенным и воспринимаемым цветами. Здесь яркость внешнего освещения экрана сопоставима с яркостью изображения.

Как видно из рисунка 20, за счет внешнего источника освещения во время просмотра телепередачи существуют значительные цветовые искажения, величина которых зависит только от самого источника (спектрального распределения световой энергии) и его яркости. Для компенсации этих цветовых искажений предлагается в телеприемник установить колориметр, который бы измерял координаты цвета внешнего освещения экрана телевизора. Тогда сигналы колориметра будут корректировать цветовые видеосигналы. Сигнал

координаты цвета У пропорционален яркости внешнего освещения может управлять яркостью и контрастностью изображения. Предлагаются две схемы реализации данного метода, которые изображены на рисунках 21 и 22.

Рисунок 20 - Искажение воспроизведенной цветности за счет внешней засветки источником типа А (лампа накаливания)

Сигналы управления экран»

Сигналы колориметра

Рисунок 21 - Схема выходных каскадов цветовых сигналов

'Значения адреса

Сигналы управления экрана

Сигналы колориметра

Рисунок 22 - Способ коррекции цветовых искажений с применением постоянного запоминающего устройства (ПЗУ)

Принцип работы этих схем особых пояснений не требует. Результат цветокоррекции показан на рисунке 23. Обозначения на рисунке: точки с цифрами означают цвета оригинала; цифры с одним штрихом - цвета, воспроизводимые на экране; цифры с двумя штрихами -цвета, воспринимаемые глазом, цифры с тремя штрихами - цвета, воспроизводимые экраном телеприемника после коррекции величины видеосигнала, цифры со звездочкой означают воспринимаемые цвета глазом наблюдателя. Видно, что основная масса воспринимаемых цветов после коррекции совпадает с первоначальными воспроизводимыми цветами. Здесь яркость внешнего освещения экрана также сопоставима с яркостью изображения.

Рисунок 23 - Коррекция цветовых искажений, вызванных засветкой экрана телеприемника внешним источником света типа А (лампа накаливания)

В шестой главе рассмотрены две задачи применения дифференциальной колориметрии в прикладных целях. В частности, здесь рассмотрен метод экспертизы давности документа, основанный на измерении динамики изменения цвета штриха, нанесенного шариковой ручкой на документе (реквизиты документа). В этой главе приводятся результаты экспериментов.

Зависимость временного интервала от отношения ЛЕ/АЬ имеет линейный характер (или почти линейный), и эту функцию можно аппроксимировать прямой вида:

где к — коэффициент, зависящий от типа пасты шариковой ручки, который определяется экспериментально; ЛЕ — разность координат цветности; ЛЬ — разность яркости.

Известно, что спектр отражения от штриха, нанесенного авторучкой, с течением времени расширяется, а это означает, что он выцветает, т. е. становится менее насыщенным. На этом

основании можно определить время нанесения штриха, что и показано в диссертационной работе.

Вторая задача - проведение бесконтактной диагностики заболеваний у человека, основанной на облучении, измерении и последующем анализе спектра терагерцового излучения. Согласно литературным данным терагерцовым излучением называется электромагнитное излучение в интервале частот от 0,3 до 10 ТГц, т.е. 0,3 • 1012 - 101012Гц (длина волны 1 мм - 30 мкм). Этот частотный интервал занимает часть электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и микроволновым диапазонами, поэтому его часто также называют дальним ИК или субмиллиметровым диапазоном.

До настоящего времени терагерцовый диапазон остается малоизученным по сравнению с соседними - инфракрасным и микроволновым.

Тем или другим способом мы можем получить спектр либо отражения, либо пропускания (в зависимости от того, где будет установлен приемник излучения) терагерцового излучения исследуемого объекта. «Для раскрашивания» изображения объекта на экране монитора компьютера, с целью его визуализации, проводится «колориметрическая обработка» спектра терагерцового диапазона. Этот процесс является чисто математическим и заключается в сдвиге терагерцового спектра в оптический диапазон. Далее производятся цветовые расчеты. Для получения строго линейной цветовой шкалы (это даст возможность однозначно определить цветовые различия областей изображаемого объекта на экране монитора компьютера вне зависимости от его цветности), полученные координаты цвета, наблюдаемые области исследуемого объекта на экране монитора пересчитываются в строго равноконтрастное цветовое пространство.

Для объемного изображения исследуемых областей человеческого тела на экране монитора в терагерцовом диапазоне длин волн достаточно с систему установить два детектора.

При наличии статистики диагностирования болезни по значению цвета нездоровых органов человека возможно применение разработанного программного продукта распознавания цвета. Это позволит несколько автоматизировать процесс диагностирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенный обзор и количественный анализ существующих и используемых цветовых систем показал, что результаты сравнения цветов (оригинального и его репродукции) не могут быть однозначными, так как они в сильной степени зависят от сравниваемых цветов.

2. Показано, что в современных телевизионных системах существуют различия в зависимости от применяемого стандарта ТВ приемника, а также существенные отклонения реальных цветотехнических характеристик от стандарта.

3. Разработан принцип получения минимальных цветовых искажений на экране ТВ приемника в не зависимости от типа экра.

4. Разработан универсальный метод распознавания цвета на экране монитора, что позволяет создавать устройства «технического зрения» для систем промышленного телевидения.

5. Разработан универсальный прибор, позволяющий проводить измерение колориметрических характеристик, как оригинала объекта сцены, так и его репродукции на ТВ экране.

6. На основе измененных формул Эйнштейна была построена теория пространства цветоразличения, поверхность которого имеет эллиптичность равную единице, а сама цветовая поверхность имеет строго равноконтрастное шкалирование; на этот материал подана заявка на получение патента, и получено положительное решение Роспатента.

7. Доказано, что разработанная теория построения цветового пространства с эллиптичностью равной единице не зависит от исходной метрической цветовой системы

и позволяет однозначно определять цветовые отклонения между цветами двух и более объектов.

8. Разработана модель цветовоспроизведения на экране ТВ приемника (и/или экране монитора компьютера), позволяющая менять некоторые характеристики ТВ системы, а также вводить различные модели хроматической адаптации глаза под конкретный целевой «белый».

9. Предложен метод позволяющий уменьшить цветовые искажения, связанные с внешней засветкой ТВ экрана. На данный метод подана заявка на патент РФ.

10. На основе колориметрических измерений динамики выцветания красителя пасты шариковых ручек возможно определение срока давности исследуемых документов

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

1. Ложкин, JI. Д. Дифференциальная колориметрия [Текст] / Л. Д. Ложкин. - Самара: ИУНЛ ПГУТИ, 2010. - 320 с. - ISBN 978-5-904029-15-9.

2. Ложкин, Л. Д. Цвет, его измерение, воспроизведение и восприятие в телевидении. Часть I [Текст] / Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов. - Самара: ИУНЛ ПГУТИ, 2013. - 286 с. - ISBN 978-5904029-36-4.

3. Ложкин, Л. Д. Цвет, его измерение, воспроизведение и восприятие в телевидении. Часть II [Текст] / Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов. - Самара : ИУНЛ ПГУТИ, 2013. - 303 с. - ISBN 978-5904029-36-4.

4. Ложкин, Л. Д. Колориметрия в телевидении [Текст] /Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов. -Германия : LAP LAMBER Academic Publishing, 2013. - 429 с. - ISBN 978-3-659-48050-8.

Авторское свидетельство, патенты и свидетельства об отраслевой регистрации

5. Ложкин Л. Д. Колориметр // Авторское свидетельство СССР № 881539, кл. G 01J3/50 - опубл. 15.11.1981.

6. Ложкин Л. Д., Тяжев А. И. Многоцветный колориметр // Патент на полезную модель № 93977 от 10.05.2010, бюл. № 13. МПК G01J 3/50 (2006.01) Заявка № 2008132343 от 5.08.2008. Приоритет от 05.08.2008.

7. Ложкин Л. Д., Неганов В. А. Способ преобразования цветового пространства // Патент на изобретение № 2494461 от 27.09.2013г. Приоритет от 08.07.2011 г. бюл. № 27 от 27.09.2013. МПК J06K 9/68 (2006.01).

8. Ложкин Л. Д. Образовательный web-сайт по информационным технологиям для студентов: свидетельство об отраслевой регистрации разработки № ОФАП117Ю / Л. Д. Ложкин. № ВНТИЦ 50200802240; заявл. 10.11.2008; дата регистр. URL: http://ofap.ru/rto_files/U710.doc от

14.11.2008.

9. Ложкин Л. Д. Образовательный web-сайт по информационным технологиям для студентов: свидетельство об отраслевой регистрации разработки № ОФАП 12111 / Л. Д. Ложкин. № ВНТИЦ 50200900117 заявл. 11.01.2009; дата peracTp.URL: http://ofap.ru/rto_files/12111.doc от

16.01.2009.

Статьи в журналах, включенные в перечень ВАК

10. Ложкин, Л. Д. Цветовые искажения в ТВ [Текст] / Л. Д. Ложкин // Инфокоммуникационные технологии. -2008. -№3. - С. 81-86.

11. Ложкин, Л. Д. Равноконтрастная трехмерная система цветовых координат [Текст] /Л. Д. Ложкин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13. - № 1,- С. 82-86.

12. Ложкин, Л. Д. Опыты Мак-Адама в условиях аддитивного сложения цветов и возможности уплотнения канала связи (статья) [Текст] / Л. Д. Ложкин // Инфокоммуникационные технологии. - 2010. - № 2. - С. 68-73.

13. Ложкин, Л. Д. Обмен информацией в промышленной сети PLCNET [Текст] / В. В. Кангин, Л. Д. Ложкин, Д. Н. Ямолдинов // Инфокоммуникационные технологии. - 2010. - № 3. - С. 4954.

14. Ложкин, Л. Д. Программная реализация межсетевого шлюза сетей ETHERNET и PLCNET [Текст] / В. В. Кангин, Л. Д. Ложкин, Д. Н. Ямолдинов // Инфокоммуникационные технологии. - 2011. - № 2. - С. 36-40.

15. Ложкин, Л. Д. Нетрадиционный метод разработки равноконтрастного цветового пространства для телевидения [Текст] /Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. -2011,- Том 14. - № 2. - С. 102-109.

16. Ложкин, Л. Д. Пороги цветоразличения и уравнения Энштейна [Текст] / Л. Д. Ложкин // Инфокоммуникационные технологии. - 2011. - № 3. - С. 86-89.

17. Ложкин, Л. Д. Цветовые пространства и методы уменьшения эллиптичности их поверхностей [Текст] / Л. Д. Ложкин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2011 -Том 14.-№4.-С. 20-28.

18. Ложкин, Л. Д. Восприятие телевизионного изображения в условиях внешнего освещения [Текст] / Л. Д. Ложкин //Инфокоммуникационные технологии. - 2012. - № 1. - С. 73-78.

19. Ложкин, Л. Д. Пороги цветоразличения и дифференциальная геометрия [Текст] / Л. Д. Ложкин // Оптический журнал. - 2012. - Том 79. - № 2. - С. 22-28.

20. Lozhkin, L. D. Color-discrimination thresholds and differential geometry [Text] / L. D. Lozhkin // Journal of Optical Technology. - Vol. 79. - Lss. 2. - Feb. 1,2012. - PP. 75-79.

21. Ложкин, Л. Д. Равноконтрастное цветовое пространство для телевидения [Текст] /Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов // Нелинейный мир. - 2012. - Том 10. - № 5. - С. 277-286.

22. Ложкин, Л. Д. Цветовые искажения при цветовосприятии телевизионного изображения [Текст] / Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы - 2012. - № 1 (5). - С. 38-42.

23. Ложкин, Л. Д. Искажения цвета на экране телеприемника в зависимости от внешней засветки и метод коррекции этих искажений [Текст] /Л. Д. Ложкин // Радиотехника и электроника -2013.-Том 58.-№ 1.-С. 91-96.

24. Lozhkin, L. D. Color distortion on the screen of TV set, depending on the ambient light and a method of correcting these distortions [Text] / L. D. Lozhkin // Journal of Communications Technology and Electronics. -2013. -№ 1. - PP. 82-86.

25. Ложкин, Л. Д. Экспертиза давности документов по динамике выцветания цвета штрихов, с использованием спектрального анализа [Текст] /Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - Том 15. -№ 2. - С. 77-83.

26. Ложкин, Л. Д. Цвет, его измерение и восприятие [Текст] / Л. Д. Ложкин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.-2012. - Том 15. - № 3. - С. 110-122.

27. Ложкин, Л. Д. Передача цвета и его точное воспроизведение на экране телевизионного приемника [Текст] / Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов, Л. Г. Шатов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2013. - Том 16. - № 3. - С. 34-38.

Публикации в других изданиях

28. Ложкин, Л. Д. Автоматическое устройство измерения спектров излучения для цветного ТВ [Текст] /Л. Д. Ложкин, Н. М. Мазур, Ч. Г. Постарнак, Г. А. Суворов // Техника кино и телевидения. - 1977. -JV» 8. - С. 41^3.

29. Ложкин, Л. Д. Вопросы спектрального измерения цветности [Текст] /Л. Д. Ложкин, Г. А. Суворов // Техника кино и телевидения. - 1979. - № 3. - С. 35-39.

30. Ложкин, Л. Д. О точности измерения координат цветности в ТВ [Текст] /Л. Д. Ложкин // Техника кино и телевидения. - 1980. -№2. - С. 34-38.

31. Ложкин, Л. Д. Методы определения и оценки сквозных спектральных характеристик датчиков [Текст] /Л. Д. Ложкин, Ч. Г. Постарнак, Г. А. Суворов, С. М. Шапиро // Техника кино и телевидения. - 1980. - № 6. - С. 45^19.

32. Ложкин, Л. Д. Влияние нелинейности сквозной характеристики «свет-сигнал» колориметра на точность измерения координат цвета [Текст] / Л. Д. Ложкин // Техника кино и телевидения -1981,-№6.-С. 45-47.

33. Ложкин, Л. Д. Новая цветовая система [Текст] /Л. Д. Ложкин // Вестник СОНИИР - 2008 -№ 4. - С. 69-74.

34. Ложкин, Л. Д. Измерение порогов цветоразличения в условиях телевизионного наблюдения [Текст] / Л. Д. Ложкин // Вестник СОНИИР. - 2009. - № 1. - С. 74-78.

35. Ложкин, Л. Д. Анализ и разработка систем объективной колориметрии в цветном телевидении [Текст] / Л. Д. Ложкин // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук. - Самара, апрель, 2009.

36. Ложкин, JI. Д. Экспертиза подлинности документов, художественных картин и старинных икон. [Текст] /Л. Д. Ложкин, В. А. Неганов // Методы и устройства передачи и обработки информации. Телевизионные системы, передача и обработка изображений. - 2012. - Вып. 14. -С. 75-83.

37. Ложкин, Л. Д. Малогабаритная установка спектрального измерения координат цвета: тезисы докладов // Республиканская научно-техническая конференция «Улучшение технического качества телевизионного вещания на территории Украинской ССР в десятой пятилетке». -Одесса, сентябрь, 1977. - Киев, 1977,-С. 6-7.

38. Ложкин, Л. Д. Измерение порогов цветоразличения в условиях телевизионного наблюдения: тезисы докладов // Республиканская научно-техническая конференция «Улучшение технического качества телевизионного вещания на территории Украинской ССР в десятой пятилетке». - Одесса, сентябрь, 1977. - Киев, 1977. - С. 7-8.

39. Ложкин, Л. Д. Установка спектрального измерения координат цвета и цветности в ТВ // Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения: тезисы докладов научно-технический семинар. Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения. -Челябинск, ноябрь 1979. - Челябинск, 1979. - С. 48^9.

40. Ложкин, Л. Д. Вопросы точности измерения координат цветности в телевидении спектральным методом // Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения: тезисы докладов научно-технический семинар. Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения. - Челябинск, ноябрь 1979. - Челябинск, 1979. - С. 49-50.

41. Ложкин, Л. Д. Влияние нелинейности характеристики фотоэлектрического тракта прибора для измерения цветовых координат на точность их определения // Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения: тезисы докладов научно-технический семинар. Вопросы повышения качества и надежности студийного и внестудийного оборудования цветного телевидения. - Челябинск, ноябрь 1979. -Челябинск, 1979. - С. 50-51.

42. Ложкин, Л. Д. Новая равноконтрастная цветовая система: тезисы докладов // НТК ПГУТИ. -Самара, 2009.-С. 91.

43. Ложкин, Л. Д. Равноконтрастное цветовое пространство и пороги цветоразличения труды конференции // 7-я международная конференция «Телевидение: передача и обработка изображений». - СПб. : ЛЭТИ, 2009. - С. 85-90.

44. Ложкин, Л. Д. Разработка равноконтрастной колориметрической системы с применением математического аппарата дифференциальной геометрии: материалы конференции // XVII Российская научная конференция профессорского-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - 2-4 февраля 2010 г. - Самара, 2010. - С. 123-124.

45. Ложкин, Л. Д. Равноконтрастное цветовое пространство: труды конференции // 8-я Международная конференция «Телевидение: передача и обработка изображения». - СПб. : ЛЭТИ,2011.-С. 31-34.

46. Ложкин, Л. Д. Цветовосприятия телевизионной репродукции, цветовые искажения и метод их уменьшения: материалы конференции // XVII Российская научная конференция профессорского-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - 31 января -4 февраля 2012 г. - Самара, 2010. - С. 123-124.

47. Ложкин, Л. Д. Эллиптичность поверхностей цветовых пространств и метод построения строго равноконтрастного цветового пространства: материалы конференции // XVII Российская научная конференция профессорского-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. - 31 января - 4 февраля 2012 г. - Самара, 2010. - С. 125-126.

48. Ложкин, Л. Д. Зависимость цветовых искажений на экране телеприемника от внешнего освещения и метод их коррекции: труды конференции // 9-я Международная конференция «Телевидение: передача и обработка изображения». - СПб. : ЛЭТИ. - С. 168-172.

49. Ложкин, Л. Д. Цвет, его измерение, воспроизведение и восприятие в телевидение: пленарный доклад // XI-я Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». - Екатеринбург, Россия, 26-28 сентября 2012.

50. Ложкин, Л. Д. Воспроизведение и восприятие цвета в телевидении: труды конференции //10-я Международная конференция «Телевидение: передача и обработка изображения». - СПб. : ЛЭТИ, 2013.

Научно-технические отчеты

51. Исследование допустимых отклонений цвета свечения экранов черно-белых кинескопов: отчет о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 1. - Куйбышев, 1973. - № гос. per. 74003307.

52. Исследование допустимых отклонений цвета свечения экранов черно-белых кинескопов: отчёт о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. / Научно-технический отчет: этап 2. - Куйбышев, 1974. - № гос. per. 74003307.

53. Исследование допустимых отклонений цвета свечения экранов черно-белых кинескопов: отчет о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 3. - Куйбышев, 1974. - № гос. per. 74003307.

54. Разработка аппаратуры для измерения цветности и неравномерности по цвету экранов черно-белых и цветных кинескопов: отчёт о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 1. - Куйбышев, 1975. - № гос. per. 75015020.

55. Разработка аппаратуры для измерения цветности и неравномерности по цвету экранов черно-белых и цветных кинескопов: отчёт о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 2. - Куйбышев, 1975. - № гос. per. 75015020.

56. Ложкин Л. Д., Постарнак Ч.Г., Суворов Г.А., Матвеев В.А. Разработка аппаратуры для измерения цветности и неравномерности по цвету экранов черно-белых и цветных кинескопов: отчёт о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 3. - Куйбышев, 1975. -№ гос. per. 75015020.

57. Ложкин Л.Д., Постарнак Ч.Г., Суворов Г.А., Матвеев В.А. Разработка аппаратуры для измерения цветности и неравномерности по цвету экранов черно-белых и цветных кинескопов: отчёт о НИР [Текст] / Ложкин Л. Д., Постарнак Ч. Г., Суворов Г. А., Матвеев В. А. // Научно-технический отчет: этап 4. - Куйбышев, 1975. - № roc. per. 75015020.

Подписано в печать 19.02.2014. Формат 60x84 1/16. _Печ. л. 2,0. Тираж 100 экз._

Отпечатано в СПбГУТ, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

ЛОЖКИН ЛЕОНИД ДИДИМОВИЧ

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ КОЛОРИМЕТРИЯ В ТЕЛЕВИДЕНИИ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по научной специальности 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

На правах рукописи

05201-451159

Научный консультант:

Заслуженный работник высшей школы, доктор физико-математических наук, профессор Неганов В. А.

САМАРА 2014 г.

Оглавление

Введение....................................................................................................................................................................5

Глава 1. Цветовые системы. Обзор и анализ. Методы построения равноконтрастных цветовых систем.....................................................................................................................................................14

1.1. Характеристики цвета...........................................................................................................................14

1.2. Колориметрические системы...........................................................................................................24

1.2.1. Системы МКО......................................................................................................................................25

1.2.2. Системы, не являющиеся системами МКО.......................................................................31

1.3. Анализ цветовых систем......................................................................................................................31

1.4. Формулы цветовых различий...........................................................................................................37

1.5. Разработка нового равноконтрастного цветового пространства.............................42

Выводы по главе 1.................................................................................................................................................55

Глава 2. Передача и воспроизведение цвета в телевидении......................................................56

2.1. Визуализация телеизображений....................................................................................................56

2.2. Цветовые искажения в тракте «от света до света».............................................................63

2.3. Колориметрически верное цветовоспроизведение............................................................75

2.4. Цветовосприятие. Модели цветовосприятия.........................................................................79

2.4.1. Основные проблемы цветного изображения.................................................................79

2.4.2. Модели восприятия изображения.........................................................................................90

2.5. Распознавание цвета..............................................................................................................................92

Выводы к главе 2.................................................................................................................................................100

Глава 3. Методы и приборы объективного измерения координат цвета........................102

3.1. Фотоэлектрические колориметры.............................................................................................102

3.2. Спектральный метод измерения цветовых координат.................................................110

3.3. Спектрально-колориметрический метод измерения цветовых координат.... 111

3.3.1. Механическая схема реализации метода.......................................................................111

3.3.2. Электронная схема реализации метода..........................................................................114

3.4. Анализ погрешности измерения цветовых координат спектрально-колориметрическим методом................................................................................................................115

3.5. Реализация спектрально-колориметрического метода измерения цветовых координат............................................................................................................................................................125

3.6. Измерение и оценка цветовых различий...............................................................................128

3.7. Модернизация прибора, реализованного по электронной схеме...........................131

Выводы по главе 3..............................................................................................................................................135

Глава 4. Дифференциальная колориметрия.......................................................................................136

4.1. Постановка задачи................................................................................................................................137

4.2. Цветовое пространство......................................................................................................................140

4.3. Кривизна пространства цветоразличения............................................................................145

4.4. Тензор энергии-импульса цвета..................................................................................................147

4.5. Решение уравнения..............................................................................................................................152

4.6. Цветовой вектор. Тензор порога цветоразличения.........................................................160

4.7. Разработка строго равноконтрастного цветового пространства...........................166

4.7.1. Матрица перехода из декартовой в сферическую систему координат для порогов цветоразличения....................................................................................................................168

4.7.2. Решение тензорного уравнения и результаты..........................................................171

Выводы по главе 4..............................................................................................................................................179

Глава 5. Модели цветопередачи и цветовосприятия....................................................................180

5.1. Высшая колориметрия и ее задачи............................................................................................180

5.2.Цветопередача источников освещения....................................................................................186

5.3. Цветовоспроизведение......................................................................................................................188

5.4. Модель цветопередачи.......................................................................................................................199

5.4.1. Постановка задачи.......................................................................................................................199

5.4.2. Модель цветопередачи и ее алгоритм.............................................................................201

5.4.3. Модели хроматической адаптации....................................................................................206

5.5. Результаты и анализ работы модели цветопередачи....................................................215

5.6. Предложения по уменьшению влияния внешней засветки во время просмотра телепередачи.....................................................................................................................................................224

Выводы по главе 5.........................................................................................................................................235

Глава 6. Прикладные задачи дифференциальной колориметрии.......................................237

6.1. Методы экспертизы.............................................................................................................................237

6.1.1. Структурная схема установки проведения экспертизы.......................................241

6.1.2. Результаты практических измерений.............................................................................243

6.2. Дифференциальная колориметрия в диагностике заболеваний............................254

6.2.1.3адача создания равноконтрастной шкалы в терагерцовом диапазоне длин волн....................................................................................................................................................................258

6.2.2. Определение геометрических размеров больной области тела человека 260

6.2.3. Определение давности образования очага заболевания спектральным методом...........................................................................................................................................................260

Выводы по главе 6..............................................................................................................................................262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................263

Литература..............................................................................................................................................................265

Поиложения............................................................................................................................................................283

Приложение П1. Авторское свидетельства и патенты...........................................................283

Приложение П2. Свидетельства об отраслевой регистрации разработки.................287

Приложение ПЗ. Алгоритм программы модели цветовоспроизведения....................295

Приложение П4. Акт внедрения результатов диссертации................................................301

Введение

Постановка задачи. Широкое использование цвета в жизни и технике потребовало решения ряда практических и теоретических задач. На первом этапе развития учения о цвете довольствовались чисто субъективными методами сравнения и оценки. В дальнейшем эти методы перестали удовлетворять требованиям жизни и стали непригодными при развитии точных наук, особенно при внедрении электронно-вычислительных машин, известных нам как компьютеры.

В результате возникла наука о цвете, с каждым годом всё глубже и шире проникающая в разнообразные отрасли знаний. Эта наука получила название цветоведение, которое объединяет в себе восприятие, колориметрию, т.е. измерение цвета и воспроизведение цвета. При этом объединяются данные о цвете, изучаемые физикой, психофизикой и психологией. Физика даёт возможность познать законы распространения, отражения, поглощения и рассеяния излучений, возбуждающих нервную систему сетчатки глаза. Психофизика рассматривает процессы, происходящие в сетчатке глаза. Психология изучает законы, управляющие чувственным восприятием в целом, передаваемым по нервным окончаниям (нейронам) в мозг человека. При этом связываются ощущение цвета с ощущениями, поступающими по другим каналам информации.

В глазу происходит трёхкратное преобразование энергии: преобразование падающей энергии в химическую энергию распада молекул светочувствительного вещества; преобразование химической энергии распада молекул в электрическую энергию волокон зрительных нервов, связывающих глаз с мозгом; преобразование энергии движения электронов в энергию биологических процессов зрительного ощущения. Отсюда возникает двойственность терминологии цвета: воспринимаемый цвет как свойство зрительного вос-

приятия, и цвет с точки зрения психофизически — определение цветового стимула с помощью экспериментально- установленных значений величин. Цвет может быть вычислен и измерен независимо от каких-либо визуальных наблюдений и, следовательно, на полученное значение цвета и цветности не повлияют ни индивидуальные особенности наблюдателя, ни состояние адаптации его зрения.

Повышение требований к качеству цветного репродуцирования, т.е. воспроизведения цветного изображения, в телевидении, в полиграфии, в цветном кино и цветной фотографии объясняется развитием научно-технического общества в целом. В связи с этим актуальными являются работы, направленные на измерение и контроль качественных характеристик цветопередающих и цветовоспроизводящих систем, а также уточнение критериев на цветотех-нические параметры цветовоспроизводящих устройств.

Современные системы передачи и воспроизведения цвета основываются на трехцветной колориметрии, включающей в себя всю совокупность способов, средств измерения и математическое описание цветов. Необходимость использования колориметрии ощущалась уже с первых попыток реализации цветного телевидения [1]. По мере развития систем передачи и воспроизведения цвета все лучше уяснялись колориметрические требования, которым должна удовлетворять вся система для получения качественного цветовоспроизведения.

В телевизионных системах передачи и воспроизведения цвета уточнение критериев качества цветного изображения соответствует, в частности, экспериментальному определению порогов цветоразличения в условиях телевизионного наблюдения и допусков на цветовые искажения [2 - 7], а также создание колориметрической аппаратуры повышенной точности.

Согласно [8] погрешность при измерениях цвета не должна превышать ±0,01 относительных единиц колориметрической системы МКО 1931 г. (*,>>), что не противоречит исследованиям [9-12] по определению допустимых искажений цветопередачи. Измерение цветности экранов воспроизво-

дящих устройств необходимо также при определении допусков на качественные показатели выпускаемых жидкокристаллических (ЖК) и плазменных панелей, а также панелей с люминофорами, применяемых в FED и SED панелях.

Известно, что цветоразличение по Мак-Адаму [13-17] отличается от цве-торазличения в условиях просмотра кино и телевидения, а среднее значение порога на равноконтрастной диаграмме МКО 1960 г. (и, v) приблизительно равно 0,0038 [18].

Существуют два принципиально различных объективных способа измерения цвета: спектрофотометрический метод и метод интегральной колориметрии. Низшая метрика цвета - это чисто физическая наука колориметрии. Высшая метрика цвета тесно связана с ощущениями и восприятием цвета и более запутана.

Г. Вышецки разделил колориметрию на базовую и высшую. Он указал существенные различия между базовой и высшей колориметрией. В [18] Вышецки так характеризует базовую колориметрию:

«Колориметрия в строгом смысле — это инструмент прогнозирования того, будут ли соответствовать друг другу по цвету два световых потока (визуальных стимулов) с разным спектральным распределением энергии при заданных условиях наблюдений. Прогноз определения трехстимульными значениями (tristimulus values) двух визуальных стимулов, и если трехстимульные значения у одного стимула точно такие же, как и у другого, - цветовое соответствие будет констатировано усредненным наблюдателем с нормальным цветовым зрением».

Область высшей колориметрии Вышецки описывает следующим образом [18]:

«Колориметрия в более широком смысле включает в себя методы оценки восприятия цветового стимула, предъявленного наблюдателю в сложном окружении, которое мы наблюдаем в повседневной жизни. Оценку восприятия считают конечной целью колориметрии, но из-за своей невероятной сложно-

ста эта цель очень далека от своего достижения. С другой стороны, некоторые аспекты общей проблемы прогнозирования цветового восприятия стимулов не кажутся столь неуловимыми: известные примеры - измерение цветовых различий, белизны и хроматической адаптации (хотя по большому счету и эти проблемы все еще не решены, и дальнейшая работа в этих областях весьма интересна и практически важна)».

Согласно высказыванию Г. Вышецки - высшая колориметрия рассматривает вопросы сравнения двух и более цветов, т.е. непосредственно- цветовос-приятие.

При воспроизведении цветного изображения, будь то репродукция, цветная фотография, изображение на экране телевизора, компьютера и пр., задача несколько усложняется, т.к. увеличивается объем информации, и о верности цветопередачи человек может судить в основном только, опираясь на свою память (при условии, что в этот момент человек не видит оригинал). Поэтому в данном случае необходимо воспроизвести процесс аппаратно-независимого цветовоспроизведения [19].

Устройство ввода изображения характеризуется колориметрическими характеристиками, позволяющими преобразовать аппаратные координаты, например RGB в колориметрические координаты, пусть то будут МКО XYZ или МКО UVW, которые принадлежат аппаратно-независимому цветовому пространству, т.е. пространству, в котором колориметрические координаты не зависят от специфики цветовоспроизводящего устройства.

Это аппаратно-независимое цветовое пространство должно в идеале представлять такое пространство, в котором бы разность цветовых координат между двумя различными цветами, имеющими минимальные визуально- различимые значения, (пороги цветоразличения) была бы одинаковой и не зависела бы от цветов сравниваемых стимулов. Такие пространства называются равноконтрастными.

В настоящее время известны некоторые равноконтрастные системы как рекомендованные МКО, так и не являющимися системами МКО. Автором

были исследованы некоторые колориметрические системы. В качестве «индикатора равноконтрастности» автор использовал результаты опытов МакАдама по определению порогов цветоразличения [17]. Результаты анализа некоторых систем МКО приведены в [19]. На основании проведенного анализа равноконтрастных цветовых систем МКО я бы назвал эти системы квази равноконтрастными, так как ни в одной из исследуемых систем эллипсы Мак-Адама не превратились в строгие равновеликие окружности.

На текущий момент состояние техники некоторых вопросов колориметрии заключается в следующем:

- оценка равноконтрастности той или иной колориметрической системы производится субъективно и визуально;

- существует большое количество типов телевизионных экранов, и есть прогноз появления новых типов, все они имеют разную площадь треугольников цветового охвата, при этом никак не регламентируются цветовые искажения, величина которых интуитивно зависит от площадей треугольника основных цветов экрана;

- не существует методов распознавания цвета на экране телеприемника на уровне их названия, как «красный», «темно-красный», «синий», «голубой», «белый», «серый» и т.д., что имело бы существенное значение для разработки «технического зрения»;

- не было создано строго равноконтрастное цветовое пространство, хотя над этим вопросом работало достаточное количество авторов;

- не существует телевизионных приемников, в которых автоматически подстраивался бы цвет изображения в зависимости от интегрального цвета освещения экрана внешним источником освещения.

В связи с этим основные научные задачи диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Произведен численный анализ существующих и наиболее распространенных цветовых систем. На основе введенной эллиптичности по-

верхности цветовой системы даны характеристики проанализированных цветовых систем.

2. Разработаны методы анализа цветовых искажений в ТВ при использовании разл�