автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.18, диссертация на тему:Исследование и разработка приборов для анализа цветовых характеристик изображения

005011992

Волков Александр Сергеевич

Исследование и разработка приборов для анализа цветовых характеристик изображения

Специальность 05.11.18 Приборы и методы преобразования изображений и звука

1 2 М ДР ¿612

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-Петербург- 2012

005011992

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения» на кафедре светотехники

Ведущая организация: Научно-исследовательский кинофотоинститут ОАО «НИКФИ» г. Москва.

Защита состоится ¿¿Г марта 2012 г. в 14.30 на заседании диссертационного совета Д210.021.01 Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения по адресу: 191119, г. Санкт- Петербург, ул. Правды, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Автореферат разослан » О ¿С 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

Научный руководитель:

доктор технических наук Кузьмин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор Тарасов Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор Винокур Алексей Иосифович

совета Д 210.021.01

Гласман К.Ф

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Важным аспектом пленочного и цифрового кинопоказа, ТВ вещания является возможность анализа качества цветного изображения.

В настоящее время, согласно ГОСТ 17813, ОСТ 19-155-2000, ОСТ 19238-01, РТМ 19-77-94, ISO 2910:2007, ISO 26428-1:2008, ISO 26431-1:2008, а также ISO/DIS 26431-2 необходимо контролировать следующие параметры экрана:

- яркость экрана в его центральной части;

- координаты белого цвета экрана в его центральной части;

- равномерность яркости и цветности по экрану;

- точность цветопередачи.

С развитием и широким распространением в киноиндустрии цифровых технологий появились новые требования к оценке качества проецируемого изображения. Так в привычной «пленочной» технологии цвет определяется количеством красителей в слоях пленки. При цифровой проекции цветовая информация хранится в цифровом виде, и цвет создается при подаче кодированных значений цветовых координат на систему воспроизведения проектора. При этом даже проекционное оборудование одной фирмы может иметь некоторые различия в воспроизведении одинаковых кодированных значений цветовых координат. Вот почему необходимо регулировать цветовые каналы в цифровом проекторе для обеспечения одинакового цветового восприятия у зрителя в любом кинотеатре.

На практике измерение этих параметров сводится к измерениям яркости и цветовых координат полей различных тестовых изображений, зная которые настраивают систему воспроизведения проектора, пока не достигают желаемых значений. Так происходит согласование параметров цифрового проектора и экрана кинозала с параметрами «эталонной» проекции.

Таким образом, для правильной настройки и эксплуатации кинозалов, в то,м числе и цифровых, необходимо иметь прибор, способный измерять яркость, координаты цвета и цветности в точно заданных точках экрана.

Для этих цепе.'! требуются высокоточные, доступные, малогабаритные.

серийно производимые отечественные приборы в качестве рабочих сре;

измерений. Диссертационная работа Волкова A.C. посвящена исследованию и разработке приборов для анализа цветовых характеристик изображения. В работе речь идет о разработка приборов для количественной оценки качества изображения, таких координаты цвета и цветности в заданных точках, яркости киноэкрана и монитора в том числе и пикселей (субпикселей).

Все сказанное выше определяет актуальность диссертационного исследования, посвященного разработке и исследованию отечественных приборов и методов для анализа качества цветного изображения.

Объект исследования.

Процесс анализа цветовых характеристик изображения. Предмет исследования.

Приборы для проведения анализа цветовых характеристик изображения.

Цель и основные задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка приборов для измерения колориметрических характеристик изображения ТВ и кинопоказа с визуализацией измеряемого элементарного излучающего объекта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Осуществить критический анализ существующих методов измерения характеристик цветного изображения и оценить метрологические характеристики, серийно выпускаемых приборов, в том числе и зарубежных.

2. Выбрать алгоритм работы и схему построения оптико-электронных приборов для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

4. Разработать экспериментальную модель спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта.

5. Исследовать метрологические характеристики спектроколориметра с целью определения правильности выбранной концепции и улучшения характеристик, создаваемых приборов.

6. Разработать программы обработки результатов измерения излучения различных источников, в том числе и с линейчатым спектром излучения..

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались аналитические и численные методы геометрической оптики. Методы цифровой обработки изображений, компьютерные методы расчёта и

моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Новизна работы.

1. Исследованы особенности построения спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта на основе прозрачной дифракционной линейки.

2. Описан способ коррекции спектральной чувствительности спектроколориметра на основе полихроматора с многоэлементным приемником оптического излучения к «эффективному» или «П-образному» виду.

3. Способ учета влияния рассеянного излучения на точность измерения.

4. Разработаны методики калибровки, настройки и поверки метрологических характеристик спектроколориметра.

Практическая значимость работы.

1. Создана схема построения промышленного портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных источников излучения.

2. Разработан алгоритм программы для расчёта коррекции спектральной чувствительности многоэлементного приемника к заданному виду.

3. Проведены исследования метрологических характеристик фотодиодных и п. з. с. линеек.

4. Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, занимающимися измерениями характеристик цветного кино и ТВ изображения в России.

Личный вклад

Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Принцип построения портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для анализа цветовых характеристик элементов изображения.

2. Способ формирования относительной спектральной чувствительности спектроколориметра, состоящего из полихроматора и

многоэлементного гибридного приёмника излучения с помощью функционально заданного вида аппаратной функции.

3. Алгоритм вычисления цветовых величин в разработанном приборе.

4. Результаты анализа основных источников погрешности в спектроколориметре и пути ослабления их влияния на точность измерения.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях:

Публикации

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, 3 статьи, опубликованы в научных сборниках, 2 публикаций в материалах и тезисах конференций. Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований, содержит 115 страниц основного текста, 53 рисунка и 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе затронуты проблемы создания нового поколения фотометрических приборов для контроля качества киновидеопоказа в Российской Федерации.

Приведены обзор и критический анализ фотометрических приборов и устройств, на основании которого определены наиболее перспективные классы и типы разрабатываемых приборов.

Рассмотрены рекомендованные Международной Комиссией по освещению (МКО) методы исследования метрологических характеристик световых величин.

Проведен обзор нормативных документов регламентирующих качество показа изображений. Определены основные направления развития систем контроля качества теле и киновидеопоказа.

Важным аспектом пленочного, цифрового кинопоказа и ТВ вещания является возможность оценки качества изображения.

Известно, что средства отображения визуальной информации должны отвечать определенным требованиям, изложенным в зарубежных и российских нормативных документа. Для обеспечения качества изображения достаточно строго нормируются такие характеристики как яркость и координаты цветности в определенных точно точках поверхности киноэкранов и дисплеев. Площадь измеряемой поверхности варьируется от нескольких см2 до долей мм2 в зависимости от характера решаемых задач.

На практике измерение этих параметров сводится в основном к измерениям яркости и цветовых координат на различных, достаточно больших участках экрана, зная которые настраивают оптическую систему проектора, пока не достигают желаемого значения. Так происходит согласование параметров цифрового проектора и экрана кинозала. Аналогичная ситуация происходит и с дисплеями.

Отмечается, что для правильной настройки дисплеев и киноэкранов, в том числе и цифровых, необходимо иметь прибор, с помощью которого имеется возможность измерять яркость, координаты цвета и цветности в точно заданных точках экрана малой площади. То есть необходима визуализация измеряемого участка цветного изображения. Для этих целей требуются высокоточные, доступные, малогабаритные, серийно производимые отечественные приборы на уровне рабочих средств измерений.

Цветовые и эффективные характеристики источников оптического излучения, как правило, измеряют двумя способами:

- с помощью интегральных измерений приемниками оптического излучения, спектральная характеристика которых корригирована к заданному виду - приборами интегрального типа;

- с помощью измерения спектрального состава исследуемого источника и последующего вычисления необходимых фотометрических величин -спектроколориметрами.

Оба способа имеют право на жизнь. Выбор того или иного метода вытекает из характера решаемых задач. Приборы, основанные на различных способах измерения, имеют по отношению друг к другу, как преимущества, так и определенные недостатки.

Обобщение и анализ научно - технической литературы позволили сформулировать цель и основные направления работы.

В диссертации делается попытка создать комбинацию преимуществ обоих способов для получения нового измерительного прибора качественно отличающегося от традиционных.

Вторая глава посвящена вопросам теоретического и практического обоснования принципов построения приборов для измерения фотометрических величин с визуализацией измеряемых объектов, в том числе и микрообъектов (пикселей экрана монитора). Основная задача визуализации - сделать невидимое видимым и получить четкие границы контуров изображений измеряемых объектов.

Замечено, что в существующих аналогах приборов для визуализации измеряемого объекта приходится раздваивать падающее на диспергирующее устройство излучение. Это достаточно сложная задача, решение которой приводит к усложнению оптической схемы прибора и, как следствие к удорожанию устройства.

Причина кроется в том, что использование в приборе локальных корригированных к заданному виду сенсоров или отражательной дифракционной решетки не дает возможности по-другому сконструировать устройство визуализации.

Потребовался поиск принципиально новых решений построения оптической схемы прибора.

Принято считать, что прозрачная дифракционная решетка представляет собой несовершенный прибор, так как она обладает малой светосилой вследствие потери света в нулевом максимуме. Этого недостатка не имеют отражательные дифракционные решетки, концентрирующие большую часть света, падающего на решетку, в один ненулевой максимум. Прозрачные дифракционные решетки в настоящее время полностью вышли из употребления, так как в них излучение должно пройти через решетку, и необходимо заботиться о том, чтобы она была прозрачна в рабочей области спектра.

Вместе с тем прозрачная дифракционная решетка обладает свойствами, позволяющими скомпенсировать эти недостатки. Использование такой решетки привлекает в первую очередь простотой конструкции устройства визуализации измеряемого изображения и расширением функциональных возможностей измерительного устройства. Прибор становится компактным и легким без ухудшения своих метрологических характеристик.

На рис. 1. Показана оптическая схема спектроколориметра для измерения колориметрических характеристик элементарного объекта и принцип его визуализации.

Рис. 1. Оптическая схема спектроколориметра.

1 - измеряемый объект, 2 - объектив, 3 - входная щель, 4 - коллиматор, 5 -прозрачная дифракционная решетка, 6 - объектив. 7 - фотодиодная линейка, 8 - видеокамера или глаз наблюдателя.

Работает устройство следующим образом. Щель 3, на которую падает исследуемое излучение от светящегося объекта 1, сфокусированное объективом 2, находится в фокальной плоскости коллиматора 4. Выходящий из коллиматора параллельный пучок света падает на решетку 5. Вследствие дисперсии свет разных длин волн выходит из решетки под разными углами. В фокальной плоскости линзы 6 фокусируется излучение. В результате в разных местах плоскости возникает изображение входной щели 3 в свете разных длин волн разных порядков. Для визуализации изображения использовался нулевой порядок, а первый порядок для исследования спектрально разложенного исследуемого излучения.

В качестве диспергирующего элемента применялась прозрачная дифракционная решетка. Плоская прозрачная дифракционная решетка представляет собой прозрачную полированную пластину, на которую нанесены параллельные штрихи, расположенные на строго одинаковых расстояниях друг от друга. Основные формулы для расчета характеристик прозрачных дифракционных решеток хорошо известны, а свойства изучены.

На рис. 4 представлен реально реализованный ход лучей через решетку согласно схеме дифракции Фраунгофера, то есть когда на решетку падает плоская волна, а точка наблюдения практически находится на бесконечности. Обозначим через с! период дифракционной решетки.

(1 = а + Ь

Дисперсия рассчитывалась по формуле:

Л с1 ■ СОЭф

Где: с! - период решетки связан с числом штрихов на единицу длины соотношением: с! = 1 /п. ш - порядок спектра.

Предложен метод коррекции спектральной чувствительности многоэлементных фотоприемников (диодной линейки), на основе которого может быть создан новый тип колориметра, в котором сочетаются преимущества приборов как спектрального, так и интегрального типа.

Известно, что принцип действия большинства спектральных приборов, в которых световое излучение с помощью призм или дифракционных решёток разлагается пространственно по длинам волн, можно пояснить с помощью графиков, приведённых на рис. 5 - 11. Форма кривой 1 соответствует функции ДЯ), описывающей исследуемый спектр — распределение энергии излучения по длинам волн к. Кривая 2 соответствует функции а(А,—А,'), описывающей способность спектрального прибора выделять из светового потока узкие участки 8Х в окрестности каждой V. Эту важнейшую характеристику спектрального прибора называют функцией пропускания, или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра /(к) прибором с АФ а(к—к') можно имитировать, регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие описываемой кривой 2, при

перемещении (сканировании) относительно кривой 1 (рис. 5). Очевидно, чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектраДЦ тем более тонкая структура может быть в нём обнаружена.

Рис. 5. Исследуемый источник излучения.

| |Ц| Аппаратная с . < шЩ

________________Ш|

и

¡11" ¡1 шм

НЦМ ■ р

■Ир......... 1.1.....- ........................ !

ЙМВаи дщщ ЖШЙйя мшв ж < 1г ^НаЧР^^'Ш4!^® Л^^ЙР1 рЖк «ждя змЛ •

1 Источник

Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном 1 является основной характеристикой спектрального прибора. Она определяет спектральное разрешение 51 и спектральную разрешающую способность Я = Х/8Х. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше К), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптический сигнал.

Рис. 6. Аппаратная функция спектрального прибора.

Рис. 7. Процесс исследования спектрального состава источника.

Результат измерений ^(Л) исследуемого спектра ДА,) прибором с аппаратной функцией а(Х — А') описывается свёрткой функции /с функцией а. Тождество Р(Х) и /(А.) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (ДА, —> 0) [1]. Чем меньше ширина ДА, функции а(X — Г), тем точнее прибор передаёт истинный контур /(А,). Это верно в том случае, когда фотоприемник представляет собой сплошную площадку с равномерной чувствительностью. Сложности появляются, когда фотоприемник представляет собой набор небольших фоточувствительных элементов, расположенных с зазорами в ряд (например, дискретный приемник -ротодиодная линейка), изображенная на рис. 8. ^ ^

Спектры излучения источников и фотодиодная - :

я и н в йка „ рЙ:!^^})^;!!!!^!?!®!^^ ^ 5:!

а*, , 1 » 1шМННЯННННн

Рис. 8. Спектры излучения ртутной лампы высокого давления и белого светодиода на фоне фоточувствительных элементов фотодиодной линейки.

Очевидно, что корректное измерение монохроматического потока возможно лишь в том случае, когда он полностью попадет на приемную площадку. Что касается источников со сплошным спектром излучения, то картина здесь достаточно благополучная. Ту часть излучения, которая не регистрируется фотоприемным элементом можно определить методом аппроксимации функции ДА). Если же источник является не сплошным, а линейчатым, то ситуация усложняется. На фотоприемные площадки попадает произвольная часть излучения источника, в ряде случаев еще и не самая основная (см. Рис. 8). Следствием этого является ошибка в измерениях спектрального состава исследуемого источника.

Для устранения этой неприятной ситуации можно воспользоваться следующей закономерностью. При увеличении ширины входной щели спектрофотометра ширина аппаратной функции спектрального прибора увеличивается - "ухудшается". Нетрудно заметить, что это приводит к изменению области спектральной чувствительности каждого фоточувствительного элемента фотодиодной линейки, от узкой монохроматической до достаточно широкой, достигающей десятков нм (см. Рис. 9).

Рис. 9. Относительная спектральная чувствительность элемента фотодиодной линейки при различных значениях ширины аппаратной

функции а1, а2, аЗ.

Подаем на вход прибора излучение с длиной волны X в интервале ёХ. В плоскости регистрации получаем распределение, описываемое аппаратной функцией а(х-х'), где

х'= Г6 ф (3)

где ^ - фокусное расстояние объектива 6 (см. схему прибора).

Далее везде будем полагать идентичность а(х-х') для любой длины волны:

а(х-х') = const(^) (4) Связь между х' и X определяется положением первого максимума:

sin ф = 1 / d (5)

Из (3) и (5) с учетом малости ср: f

d (б) Таким образом, для каждого монохроматического элемента исходного излучения /(Л)dX на выходе получаем;

dF(x,X)= f{k)a{x-xx)dX (7) В предположении линейности системы распределение энергии в плоскости регистрации выглядит следующим образом:

F(x)=]f(X)a(x-íx)dX

(8)

Определим отклик i-го элемента измерительной линейки на монохроматическое излучение:

dP¡(/l)= ¡dF(x,X)S(X)dx = S(X)f(X)dX ja(x-x')dx

■XI Xf

Для полихроматического излучения отклик i-ro элемента:

(9)

.т, (-Л.Т

P¡= \S(X)f{X) j a(x--^X)dxdX Для гладких непрерывных S(A,) и f(X,)

(10)

Х+Дг

В = S(X')f(X') f f a{x--±X)dxdX = CS{X')f(X') где С - константа, одинаковая для всех i;

(П)

= - Длина волны излучения, имеющего максимум первого

Л ^

порядка в центре ¡-го элемента.

Если известен «сигнал» Р,л(Х) снимаемый с каждого элемента и спектральное распределение падающего потока, т. е. Ф-,а{\), то легко получить спектральную чувствительность Бу каждого элемента. Для этого, например, можно использовать излучение стандартной лампы с известным табулированным значением спектральной плотности потока излучения.

ы №1

Зная реальную чувствительность каждого элемента линейки, можно получить необходимые поправочные коэффициенты для этого элемента, чтобы привести спектральную чувствительность прибора, например, к виду относительной световой эффективности глаза У(Х) (см. Рис. 10), либо к идеальному «ГТ-образному» виду (см. Рис. 11), или любой другой кривой спектральной эффективности, для вычисления спектрозональной освещённости (облученности) входной щели.

Поправочный коэффициент для можно получить из выражения при 5,Д) = У(Х): (12)

<1з)

где ку ~ поправочный коэффициент, учитывающий усиление сигнала для ¿-го элемента линейки, вырабатываемый микропроцессором; Фта ц -

спектральная плотность потока излучения стандартного источника

Рис. 10. Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к виду относительной световой эффективности глаза У(Л).

Поправочный коэффициент для «П-образного» вида можно получить из выражения (13) при £ЦХ) = 1:

Аналогичные операции производятся для других спектральных кривых.

Суммарная чувствительность линейки

Рис. 11 .Приведение спектральной чувствительности фотодиодной линейки к

П - образному виду.

Используя различные коэффициенты усиления ки в электронном тракте, мы можем изменять чувствительность элемента к данной (падающей на него) длине волны, что позволяет корректировать спектральную чувствительность линейки в любом заданном спектральном интервале и приводить её к нужному виду, в зависимости от решаемой задачи. Количество элементов, при этом, подбирается экспериментально.

Таким образом, диспергирующая система полихроматора, основанная на приведённом выше методе коррекции спектральной чувствительности многоэлементных фотоприёмников позволяет получить новый тип фотоколориметра для проведения цветовых измерений практически всех источников оптического излучения, применяемых в кинематографии и осветительной технике. В нём сочетаются преимущества приборов как спектрального, так и интегрального типа.

Иллюстрация проведения практически измерений источников оптического излучения с помощью опытного спектрофотометрического прибора для контроля яркости и колориметрических характеристик киноэкранов и дисплеев с системой точного наведения на элементарный излучающий объект представлены на рис 12. Реальные результаты коррекции показаны на рис. 13.

Рис. 12. Иллюстрация реального соотношения выбранного участка светящейся поверхности дисплея (субпикселя) и входной щели измерительного прибора.

Результаты НИр Нк -ЙЯ тРа " ч) ее т а шпельносши" ары бори

Удельн. коорд. цвета МКО 1931г.

Рис. 13. Результаты коррекции спектральной чувствительности прибора

Выводы по главе.

Технические и метрологические характеристики устройства с визуализацией измеряемого объекта, показали следующее.

1. Реализация спектрального прибора на прозрачной дифракционной решетке существенно упрощает конструкцию визуализации измеряемого объекта и как следствие удешевляет прибор в целом.

2. Метрологические характеристики прибора соответствуют требованиям отечественных и зарубежных нормативных документов.

3. Применение прозрачной дифракционной решетки, особенно в приборах для оперативного контроля качества изображения в кинотеатрах, контроля архитектурных подсветок зданий и других объектов, имеет перспективу.

4. Используя способ формирования относительной спектральной чувствительности спектроколориметра, состоящего из полихроматора и многоэлементного гибридного приёмника излучения с помощью функционально заданного вида аппаратной функции получаем принципиально новый тип фотоколориметра для проведения цветовых измерений. Достоинство прибора перед серийно выпускаемыми в России спектроколориметрами (например ТКА - ВД) заключается в том, что появляется возможность достоверно измерять цветовые характеристики газоразрядных, узкополосных светодиодных и лазерных источников излучения. Кроме того отпадает необходимость проведения коррекции фотоприемника цветными фильтрами к заданному виду. Как недостаток следует отметить достаточно трудоёмкий процесс функционального задания вида аппаратной функции полихроматора.

В третьей главе проведен детальный расчет оптической схемы и электрической схемы прибора. Приводятся результаты исследования физической модели прибора с целью разработки методик 1радуировки и калибровки, выявления и устранения основных систематических погрешностей, ухудшающих метрологические характеристики разрабатываемого прибора.

Приводятся методики градуировки и поверки, а также результаты метрологических исследований разработанного прибора.

1. Алгоритм,ГОЛhCj>0£KM.

Бхяючеиие к тестирован Ht периферии.

Изыррениб и эапоыннанЕе темнйвого сигнала

Включение источника к

Задержка г. для стабилизации источника по току

Серия измерений. Икусредеение.

Вычитание тлынового тока из Г'>лученниГо усреднения

Нахл^дение нормирующего кс^э ффч-ццента для каждая длины волны.

'ап^танание полненных коэффициентов в ОЗУ.

2. Алгоритму» мер ения. -

Ьыбнраем нсточвик А, С иля Dès и наблюдателя, 31 или 64г.

Серая измерений и их усреднение.

Вычитание те ивового сигнала.

Доыножевие полученных результатов на нсрмлртхицис ковффицвехтн.

На*ожденЕ5 к^ накаадой длине

кие координат X.Y.Z. X.у, Lab, LUV,

Вычисление белизны по ISO

brightnf и IWi7 н ISO CIE Wbiteneii

• 3. Алгоритм вычисления цветовых различий.

Выбираем опцию измерение »талона сравнения.

Измеряем эталон сравнение

Егмгряеи образец. + -

Вычисляем LE.

Рисунок 16. Алгоритмы, заложенные в основу работы прибора

В результате экспериментальных исследований опытного образца были разработаны методики калибровки по длинам волн и градуировки прибора, а также алгоритмы работы всей системы. Алгоритм работы всего спектрофотометрического прибора приведен на блок-схеме рис. 16.

На основе полученных данных было создано программное обеспечение, позволяющее настраивать прибор, и проводить измерения спектрозональной или эффективно облученности.

В четвертой главе изложены результаты апробации созданных макетов приборов для контроля качества киновидеопоказа характеристик дисплеев.

Технические и метрологические характеристики устройства, собранного по схеме рис. 3, рассчитанного по формулам 1 - В и корригированной диодной линейкой показали следующее:

кд_

1. Диапазон измерения яркости, -"'2 , (1 - 2000) с погрешностью 5%

2. Минимальный диаметр фотометрируемого участка экрана, мм, не более -0,05

3. Диапазон измерения координат цветности, х, = (0,15 - 0,75), у = (0,05 -0,85) с погрешностью ± 0,005

4. Реализация спектрального прибора на прозрачной дифракционной решётке существенно упрощает конструкцию визуализации измеряемого объекта и, как следствие, удешевляет прибор в целом.

5. Метрологические характеристики прибора соответствуют нормативным документам.

6. Использование прозрачной дифракционной решётки, в приборах для оперативного контроля качества изображения в кинотеатрах, имеет перспективу широкого практического внедрения..

Заключение

Основные результаты исследований, изложенные в работе.

1. Проведен критический анализ современных методов и средств измерения спектрозональной или эффективной облученности (имеются в виду колориметрические величины) в видимой области спектра от различных источников излучения. Выявлены их достоинства и недостатки. Установлено, что традиционные спектрозональные колориметры сложно использовать для измерения излучения источников с линейчатым спектром излучения из - за повышенной погрешности измерений.

2. Изложены принципы построения приборов для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных источников излучения на основе спектрофотометрического метода, обеспечивающего требуемую точность и спектральную чувствительность.

3. Разработан способ коррекции относительной спектральной чувствительности спектроколориметра с многоэлементным приёмником излучения спектрофотометрическим методом.

4. Разработаны методики калибровки, градуировки и исследования метрологических характеристик спектроколориметров в различных диапазонах, на основе которых были созданы алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее настраивать прибор, и проводить измерения спектрозональной или эффективной облученности излучения различных источников, в т. ч. и «линейчатых».

5. Приведены результаты исследования физической модели, а также стендовые испытания опытного образца спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта для измерения колориметрических характеристик различных типов источников излучения.

Список конференций:

1. International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium. "Spectrocolorimetr for measuring color characteristics of the sources of optical radiation" Круглов, B.H Кузьмин, K.A. Томский,C.E Николаев C.E., Волков A.C.

2. Волков A.C. Кузьмин В.Н. Метод спектральной коррекции фотоприемника. // Конференция. Современное состояние и тенденции развития техники и технологии кинопоказа, май 2011, дом творчества кинематографов, Репино, Санкт-Петербург.

3. Волков A.C., Кузьмин В.Н. Приборы для измерения характеристик и параметров излучения средств отображения информации и светотехнической продукции. Выставка DISPLAY-2011 «День дисплейных технологий в Санкт-Петербурге», 29 сентября 2011 по программе http://www.displav-expo.ru/ddt/programma-lektsii-dnva-displeinykh-tekhnologii.

Список публикаций:

По перечню ВАК РФ:

1. Волков A.C., Кузьмин В.Н. Метод коррекции спектральной чувствительности многоэлементных фотоприёмников для колориметрических измерений.// Ж. Мир техники Кино. 21 - 2011, стр. 8-11.

2. Волков A.C., Кузьмин В.Н. Спектрофотометрический прибор для контроля яркости и колориметрических характеристик киноэкранов и дисплеев.// Ж. Мир техники Кино, 22 - 2011, стр. 8-12

3. Волков A.C., Кузьмин В.Н. Новый тип колориметра для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения.// Ж. Светотехника, 2-2012.

Другие работы:

1. Волков A.C., Кузьмин В.Н. Прибор для измерения колориметрических характеристик излучения средств отображения информации и светотехнической продукции.// Полупроводниковая светотехника №5'2011, стр. 66-68.

2. Aleksander Yavlensky, Aleksander Belousov, Gleb Rocozinsky, Aleksander Volkov. Digital cinema diagnostic system based of spectral analysis and artificial intellicence methods.//Diagnostyka"3(47)/2008, 75 -77, ISSN 1641 -6414

Подписано в печать • 45.02.12 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0 . Тираж 100 экз. Заказ

Подразделение оперативной полиграфии ФГБОУ ВПО СПбГУКиТ. 192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, 22.

61 12-5/2039

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения»

На правах рукописи

Волков Александр Сергеевич

Исследование и разработка приборов для анализа цветовых

характеристик изображения

Специальность 05.11.18 Приборы и методы преобразования изображений и звука

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук Кузьмин В.Н.

С.-Петербург - 2012 г.

Содержание Страница

Общая характеристика работы. 5

Актуальность работы. 5

Объект исследования. 6

Предмет исследования. ^

Цель и основные задачи исследования. ^

Методы исследования. 7

Новизна работы. 8

Практическая значимость работы. 8

Личный вклад автора. 9

Основные положения и результаты, выносимые на защиту. 9

Апробация работы. 9

Публикации. 9

Структура и объем работы. 10

Глава 1. Обзор существующих методов и приборов для 11 измерения оптических параметров и характеристик источников оптического излучения.

1.1. Анализ существующих методов цветовых измерений. 11

1.2. Анализ существующих методов измерения 18 коррелированной цветовой температуры.

1.3. Обзор существующих колориметров. 23

1.4. Выводы по главе. 29

Глава 2. Теоретическое обоснование принципов 30

построения приборов для измерения фотометрических величин с визуализацией измеряемых объектов, в том числе и микрообъектов (пикселей экрана монитора).

2.1. Постановка задачи. 3 О

2.2. Выбор функциональной схемы измерительного прибора. 33

2.3. Экспериментальная установка. 34

2.4. Выбор объектива. 40

2.5. Измерение параметров киноэкранов и дисплеев. 40

2.6. Измерение яркости с нефокусируемым объективом. 44

2.7. Метод коррекции спектральной чувствительности 52 многоэлементных фотоприемников (диодной линейки).

2.8. Фотоэлектрический колориметр «ТКА - ИЦТ». 52

2.9. Спектроколориметр «ТКА - ВД». 53

2.10. Сравнительный анализ колориметров. 55

2.11. Аппаратная функция спектрального прибора и ее 57 формирование.

2.12. Результаты исследований прибора. 63 2.13 Выводы по главе. 64 Глава 3. Расчет электрической схемы прибора. 65

3.1. Выбор типа многоэлементного ПОИ. 65

3.2. КМОП технология. 66

3.3. Спектральная чувствительность гибридной линейки. 70

3.4. Среднеквадратическое значение шумового напряжения 72 на выходе ФПЗС.

3.5. Некоторые особенности ПЗС. 73

Глава 4. Результаты исследования реальных 87 метрологических характеристик действующего макета прибора.

4.1. Исследование дисперсии полихроматора. 87

4.2. Исследование алгоритмов вычисления интегральных 90

величин.

4.3. Исследование влияния рассеянного излучения. Алгоритм 92 работы.

4.4. Исследование динамического диапазона измеряемых 95 величин спектроколориметром.

4.5. Температурное смещение и дефокусировка 99 спектральных линий.

4.6. Исследование метрологических характеристик прибора. 101

4.7. Методика поверки. 106

4.8. Выводу по главе. 112 Выводы и заключение. 114 Список использованной литературы. 116

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Важным аспектом пленочного и цифрового кинопоказа, ТВ вещания является возможность анализа качества цветного изображения.

В настоящее время, согласно ГОСТ 17813, ОСТ 19-155-2000, ОСТ 19238-01, РТМ 19-77-94, ISO 2910:2007, ISO 26428-1:2008, ISO 26431-1:2008, а также ISO/DIS 26431-2 необходимо контролировать следующие параметры экрана:

- яркость экрана в его центральной части;

- координаты белого цвета экрана в его центральной части;

- равномерность яркости и цветности по экрану;

- точность цветопередачи.

С развитием и широким распространением в киноиндустрии цифровых технологий появились новые требования к оценке качества проецируемого изображения. Так в привычной «пленочной» технологии цвет определяется количеством красителей в слоях пленки. При цифровой проекции цветовая информация хранится в цифровом виде, и цвет создается при подаче кодированных значений цветовых координат на систему воспроизведения проектора. При этом даже проекционное оборудование одной фирмы может иметь некоторые различия в воспроизведении одинаковых кодированных значений цветовых координат. Вот почему необходимо регулировать цветовые каналы в цифровом проекторе для обеспечения одинакового цветового восприятия у зрителя в любом кинотеатре.

На практике измерение этих параметров сводится к измерениям яркости и цветовых координат полей различных тестовых изображений, зная которые, настраивают систему воспроизведения проектора, пока не достигают желаемых значений. Так происходит согласование параметров

цифрового проектора и экрана кинозала с параметрами «эталонной» проекции.

Таким образом, для правильной настройки и эксплуатации кинозалов, в том числе и цифровых, необходимо иметь прибор, способный измерять яркость, координаты цвета и цветности в точно заданных точках экрана.

Для этих целей требуются высокоточные, доступные, малогабаритные, серийно производимые отечественные приборы в качестве рабочих средств измерений. Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке приборов для анализа цветовых характеристик изображения. В работе речь идет о разработке приборов для количественной оценки качества изображения, таких как координаты цвета и цветности в заданных точках, яркости киноэкрана и монитора, в том числе и пикселей (субпикселей).

Все сказанное выше определяет актуальность диссертационного исследования, посвященного разработке и исследованию отечественных приборов и методов для анализа качества цветного изображения.

Объект исследования.

Процесс анализа цветовых характеристик изображения. Предмет исследования.

Приборы для проведения анализа цветовых характеристик изображения.

Цель и основные задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка приборов для измерения колориметрических характеристик изображения ТВ и кинопоказа с визуализацией измеряемого элементарного излучающего объекта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Осуществить критический анализ существующих методов измерения характеристик цветного изображения и оценить метрологические

характеристики серийно выпускаемых приборов, в том числе, и зарубежных.

2. Выбрать алгоритм работы и схему построения оптико-электронных приборов для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

4. Разработать экспериментальную модель спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта.

5. Исследовать метрологические характеристики спектроколориметра с целью определения правильности выбранной концепции и улучшения характеристик создаваемых приборов.

6. Разработать программы обработки результатов измерения излучения различных источников, в том числе и с линейчатым спектром излучения.

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались аналитические и численные методы геометрической оптики, методы цифровой обработки изображений, компьютерные методы расчёта и моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Новизна работы.

1. Исследованы особенности построения спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта на основе прозрачной дифракционной линейки.

2. Описан способ коррекции спектральной чувствительности спектроколориметра на основе полихроматора с многоэлементным приемником оптического излучения к «эффективному» или «П-образному» виду.

3. Способ учета влияния рассеянного излучения на точность измерения.

4. Разработаны методики калибровки, настройки и поверки метрологических характеристик спектроколориметра.

Практическая значимость работы.

1. Создана схема построения промышленного портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных источников излучения.

2. Разработан алгоритм программы для расчёта коррекции спектральной чувствительности многоэлементного приемника к заданному виду.

3. Проведены исследования метрологических характеристик фото диодных и п. з. с. линеек.

4. Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, занимающимися измерениями характеристик цветного кино и ТВ изображения в России.

Личный вклад

Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Принцип построения портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для анализа цветовых характеристик элементов изображения.

2. Способ формирования относительной спектральной чувствительности спектроколориметра, состоящего из полихроматора и многоэлементного гибридного приёмника излучения с помощью функционально заданного вида аппаратной функции.

3. Алгоритм вычисления цветовых величин в разработанном приборе.

4. Результаты анализа основных источников погрешности в спектроколориметре и пути ослабления их влияния на точность измерения.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях.

Публикации

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, 3 статьи, опубликованы в научных сборниках, 2 публикаций в материалах и тезисах конференций.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований, содержит 115 страниц основного текста, 53 рисунка и 7 таблиц.

Глава 1. Обзор существующих методов и приборов для измерения оптических параметров и характеристик источников оптического излучения.

1.1. Анализ существующих методов цветовых измерений.

Как известно, всякое измерение состоит в определении числа эталонных единиц, содержащихся в измеряемой величине. В отличие от большинства известных нам величин, значения которых выражается одним числом (метров, секунд, и т.п.), результат измерения цвета представляется набором трех чисел, т.е. цвет - величина трехмерная. Обусловлено это тем, что глаз человека содержит три типа рецепторов, каждый из которых реагирует на световое излучение по-разному.

В светотехнической практике для оценки цвета используется преимущественно колориметрическая система XYZ, рекомендованная международной осветительной комиссией (МОК, CIE) в 1931 г. для вычисления координат цвета [1 - 9]. Яркость в этой системе зависит только от координаты Y, а цветовой тон и насыщенность определяются координатами цветности х и у, вычисляемых уравнениями:

х = X / (X + Y + Z), у = Y / (X + Y + Z). (1)

где: X, Y, Z - координаты цвета.

Не вдаваясь в рассмотрение остальных существующих цветовых систем, являющихся производными рассмотренной, остановимся на особенностях построения спектрофотометрических колориметров, и колориметров, основанных на использовании корригированных фотоприемников.

Координаты цвета в этой системе определяются значениями трех интегралов, взятых в пределах видимого спектра:

Х = К Jcp(A.)p(k) x(X)dk,

Y = Kj<p(A.)p(A,) y(X)áX, (2)

Z = K Jcp(A,)p(A,) z(X)cü

Где: ср(А,) - относительная спектральная плотность потока излучения источника света;

р(А,) - спектральный коэффициент отражения измеряемого образца, (при расчете цвета излучения источника света принимается р(А.) = 1);

х(А-), у(А,), г(Х) - координаты цвета монохроматического излучения единичной мощности.

К - нормирующий коэффициент.

Координаты цвета монохроматических излучений единичной мощности были определены из серии экспериментов [9] в 1931 году при угле наблюдения объектов, равном 2 градусам. В 1964 году подобные эксперименты были продолжены, но при угле наблюдения, равном 10 градусам. Полученные результаты несколько отличались от данных предыдущей серии. Совокупные данные были положены в основу так называемого «стандартного наблюдателя 2° (1931)» и «стандартного наблюдателя 10° (1964)» (Рис. 1). Эти характеристики в табличной форме содержатся в современных спектрофотометрах для дальнейшего использования в расчетах.

Таблица 1. Стандартный колориметрический наблюдатель МКО 1931г. и дополнительный, стандартный колориметрический наблюдатель МКО 1964 г.

Удельные координаты 1931 г. Удельные координаты 1964 г.

Длина волны, нм х(Х), У (Я.), у(Л)>

380 0.0014 0.0000 0.0065 0.0002 0.0000 0.0007

390 0.0042 0.0001 0.0201 0.0024 0.0003 0.0105

400 0.0143 0.0004 0.0679 0.0191 0.0020 0.0860

410 0.0435 0.0012 0.2074 0.0847 0.0088 0.3894

420 0.1344 0.0040 0.6456 0.2045 0.0214 0.9725

430 0.2839 0.0116 1.3856 0.3147 0.0387 1.5535

440 0.3483 0.0230 1.7471 0.3837 0.0621 1.9673

450 0.3362 0.0380 1.7721 0.3707 0.0895 1.9948

460 0.2908 0.0600 1.6692 0.3023 0.1282 1.7454

470 0.1954 0.0910 1.2876 0.1956 0.1852 1.3176

480 0.0956 0.1390 0.8130 0.0805 0.2536 0.7721

490 0.0320 0.2080 0.4652 0.0162 0.3391 0.4153

500 0.0049 0.3230 0.2720 0.0038 0.4608 0.2185

510 0.0093 0.5030 0.1582 0.0375 0.6067 0.1120

520 0.0633 0.7100 0.0782 0.1177 0.7618 0.0607

530 0.1655 0.9620 0.0422 0.2365 0.8752 0.0305

540 0.2904 0.9540 0.0203 0.3768 0.9620 0.0137

550 0.4334 0.9950 0.0087 0.5298 0.9918 0.00040

560 0.5945 0.9950 0.0039 0.7052 0.9973 0.0000

570 0.7621 0.9520 0.0021 0.8787 0.9556 0.0000

580 0.9163 0.8700 0.0017 1.0142 0.8689 0.0000

590 1.0263 0.7570 0.0011 1.1185 0.7774 0.0000

600 1.0622 0.6310 0.0008 1.1240 0.6583 0.0000

610 1.0026 0.5030 0.0003 1.0305 0.5280 0.0000

620 0.8544 0.3810 0.0002 0.8563 0.3981 0.0000

630 0.6424 0.2650 0.0000 0.6475 0.2835 0.0000

640 0.4479 0.1750 0.0000 0.4316 0.1798 0.0000

650 0.2835 0.1070 0.0000 0.2683 1.1076 0.0000

660 0.1649 0.0610 0.0000 0.1526 0.0603 0.0000

670 0.0874 0.0320 0.0000 0.0813 0.0318 0.0000

680 0.0468 0.0170 0.0000 0.0409 0.0159 0.0000

690 0.0227 0.0082 0.0000 0.0199 0.0077 0.0000

700 0.0114 0.0041 0.0000 0.0096 0.0037 0.0000

710 0.0058 0.0021 0.0000 0.0046 0.0018 0.0000

720 0.0029 0.0010 0.0000 0.0022 0.0008 0.0000

730 0.0014 0.0005 0.0000 0.00010 0.0004 0.0000

740 0.0007 0.0002 0.0000 0.0005 0.0002 0.0000

750 0.0003 0.0001 0.0000 0.0003 0.0001 0.0000

760 0.0002 0.0001 0.0000 0.0001 0.0000 0.0000

770 0.0001 0.0000 0.0000 0.0001 0.0000 0.0000

780 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

С£ 0)

X

н О

Стандартный колориметрический наблюдатель

2,5

-0,5

сроооооооооо осмсоо^оосмсоо-^-ор

Длина волны, нм

Рис. 1 Удельные координаты.

Существует два принципиально различных объективных метода определения координат цвета: спектрофотометрический метод и метод фотоэлектрической колориметрии [9, 63].

При первом методе с помощью спектральной аппаратуры определяют спектральное распределение мощности измеряемого источника света или кривые спектральных коэффициентов отражения (пропускания) светотехнических материалов. Принципиальная схема прибора показана на рис. 2.

Рис. 2 Принципиальная схема спектрофотометрического колориметра. 1 - источник излучения, 2 - монохроматор (или полихроматор), 3-фотоприемник.

Исследуемое излучение от источника 1 после спектрального разложения регистрируется фотоприемником 3. В качестве фотоприемника в последнее время используется ПЗС линейка, размер которой, как правило, равен длине разложенного спектра. Дальнейшая обработка сигналов производится с помощью компьютера или микропроцессора.

Координаты цвета при этом определяются расчетным путем из соотношений 2. Интегрирование ведется путем суммирования произведений подынтегральных функций, взятых через равные интервалы длин волн АХ — 5

нм или ДА = 10 нм. Значение координат цвета монохроматических излучений х(А), у(А), г(А) для равноэнергетического спектра приведены в табл. 1.

Определение координат цвета спектрофотометрическим методом позволяет теоретически получить высокую точность, так как измерения в монохроматическом свете не зависят от селективных свойств источников и приемников излучения, а при расчете используются стандартизованные данные координат цвета монохроматических излучений для среднего наблюдателя МОК. Вместе с тем следует заметить, что точные измерения спектральных характеристик источников излучения возможны лишь при двойной монохроматизации излучения для исключения ошибки измерения, определяемой рассеянным излучением монохроматора света (более 3%). Установка для двойной монохроматизации в портативной аппаратуре в настоящее время весьма проблематична из-за резкого снижения чувствительности и увеличения габаритов системы. В качестве недостатка метода также следует отметить сложность спектральной аппаратуры и системы обработки результатов измерений и, как следствие, дороговизны аппаратуры.

Второй метод определения координат цвета основан на применении фотоэлектрических колориметров, построенный на трех приемников излучения, кривые спектральной чувствительности которых подобны х(А), у(А), г(А) - координатам цвета монохроматического излучения единичной мощности и связаны с ними линейными соотношениями. Для приведения кривых спектральной чувствительности фотоприемников к требуемым кривым используются специально рассчитанные комбинации стеклянных светофильтров. При этом может быть использован один фотоприемник, перед которым последовательно вводятся три комбинации светофильтров со светофильтрами (Рис. 3). Координаты цвета излучения определяются по величинам фототоков �