автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Методология оценки качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ Р Г б О А И 0ПШЙ (ТШШЕСкт УНИВЕРСИТЕТ)

о 6 янв 1993

На правах рукописи

. ПОЛОСИН Лев Леонидович

МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМИ СИСТЕМАМИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 199?

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте телевидения, г. Санкт-Петербург

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ишанин Г.Г.

доктор физико-математических наук, профессор Гуревич С. Б. доктор технических наук, профессор Тимофеев Б.С.

Ведущая организация:

ВНЦ"Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова" г. Санкт-Петербург.

Защита состоится " ,3 "1998 г. в 15 час. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д.053.26.01 Санкт-Петербургского Государственного института точной механики и оптики (технического университета) по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб ГИТМО ТУ.

Автореферат разослан "/5"" декабря 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного с кандидат технических наук, доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышение качества воспроизведения цветных изображений сос-¡шляет центральную проблему развития и совершенствования опти-электронных систем передачи и воспроизведения цветных изобразили, к которым относятся телевизионные и видеосистемы веща-гльного телевидения, прикладные системы цветного телевидения, ютеш мультимедиа, системы электронного кинематографа, политические электронные системы. В действующих оптико-электрон-ix системах телевидения качество воспроизводимых цветных изб-эажений еще не достигает того уровня, который заложен парэмет-5ми стандарта разложения, вследствие отклонения характеристик 1тико-электронной системы от необходимых для получения потенци-аного достижимого качества. При проектировании и разработке 1ТИК0-электронных систем телевидения повышенной и высокой чет->сти возникает необходимость в количественной оценке достигаемо повышения качества воспроизведения цветных изображений.

Целью диссертационной работы является разработка методов 1,енки качества воспроизведения цветных изображений опти-)-электронными системами и способов его улучшения.

Состояние вопроса и задачи исследования.

Различные подходы к оценке качества воспроизведения изобразим развивались в работах отечественных и зарубежных ученых: Шаде, Я.А.Рыфтина, С.Б.Руревича, М.В.Антипина, М.М. Мирошнико-t, Н.Н.Красильникова, й.М.Цуккермана, Р.Е.Быкова, М.А. Груд-шского, Б.С.Тимофеева, C.B. Новаковского, М.й. Кривошеева, Ф.Гребенникова, Л.И.Хромова, Б.В. Титкова, У.Прзтта, Б.М.Певз-:ра и других. Разработанные для черно-белых телевизионных сис-м и изображений методы оценки качества по существу оказываются применимы при оценке качества воспроизведения цветных изобра-ний оптико-электронными системами. Проблема получения числовых ;енок качества цветных систем передачи изображений обусловлена м, что рекомендованный Международной комиссией по освещению КО) способ представления и количественной оценки цвета в коло-метрии базируется на аффинных векторных пространствах, которые являются метрическими. По этой причине получили широкое при-нение методы субъективных экспертных оценок качества цветных

изображений. Методология оценки качества воспроизведения цветньо изображений оптика-электронными системами по их объективным характеристикам не разработана.'

Для разработки методологии оценки качества воспроизведена цветных изображении аптико-электронными системами решаются следующие задачи:

- доказательство возможности представления откликов в метрическом цветовом пространстве, определение метрической систем световых и цветовых величин цветовой фотометрии, методов их измерений и формулирование законов уравнивания 'и сложения цветов ; цветовой фотометрии;

- определение основных параметров цветных изображений ] систем, сенсорных характеристик их восприятия;

разработку интегрального критерия качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронных систем по их характе ристикам и характеристикам зрительной системы;

- определение условий фотометрически точного воспроизведе кия цветных изображений оптико-электронными системами и рагра ботка новых методов цветового кодирования сигналов и их коррек ции на основе принципа постоянной цветовой яркости; .

- оценку повышения качества воспроизведения цветных изобра жений оптико-электронными системами при увеличении разрешаще способности, контраста и увеличении отношения сигнала к шумам.

Методы исследовании. В диссертационной работе используются

- теоретические методы исследования на основе использовали теории многомерных линейных векторных пространств, гильбертов пространства, теории функциональных преобразований, многомерног преобразования Фурье, теории дискретизации, теории линейны дифференциальных уравнений;

- экспериментальные методы исследования, включая постанови психофизических экспериментов по оценке восприятия световых иг лучений зрительной системой, проведение исследований на эксперт ментальной оптико-электронной системе телевидения повышение четкости, моделирование алгоритмов обработки цветовых сигнале на телевигионно-вычислительном комплексе.

Научная новизна работы состоит:

- в доказательстве корректности представления цвета в метрическом векторном цветовом пространстве;

- в разработке метрической системы световых и цветовых величин цветовой фотометрии и методов их измерения;

- в определении условий фотометрически точного воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами;

- в разработке методов векторного цветового кодирования сигналов изображения и цветового кодирования на основе принципа постоянной цветовой яркости;

- в установлении связи характеристик оптико-электронной системы и зрительной системы с интегральной оценкой качества воспроизведения цветных изображений.

Практическая ценность исследований и их применения. Основные результаты диссертационной работы получены при выполнении научно-исследовательских работ в соответствии с постановлением ГКНТ СССР N555 от 30.10.85 г., государственной научно-технической программой "Перспективные информационные технологии", постановлением СМ СССР N1474 от 30.12.88 г. и постановлением ГКНТ СССР N39 от 02.02.90 г.

Практическая ценность научных результатов диссертационой работы заключается:

- в разработке методов измерения цветовых величин,

- в определении методов реализации фотометрически точного воспроизведения цветных изображений,

- в создании алгоритмов и устройств эффективной цветовой коррекции цветовых сигналов оптико-электронных систем/

- в разработке метода оценки качества воспроизведения цветных изображений по интегральной прозрачности оптико-электронной системы, учитывающей характеристики зрительной системы,

- в определении аналоговых и цифровых параметров оптико-электронной системы цветного телевидения высокой четкости,

- в разработке методов и средств измерения характеристик оптико-электронной системы цветного телевидения высокой четкости.

Результаты диссертационной работы внедрены в ГП НИИ телевидения, ГТРК-5 канал, ЦНИИ "Электрон", МГНШ1 ДИП, ТОО "Телевидеосистемы", "МО МАГИС" и использованы в ОКТБ "Омега", г. Новгород, в учебном процессе ТЭТУ, ГУТ, БГТУ, ИКТ, г. Санкт-Петербург.

Практические применения нашли следующие результаты работы:

1. Методология оценки качества воспроизведения цветных изображений по интегральному критерию использована при оценке технического качества оптико-электронных вещательных комплексов для производства телевизионных и видеопрограмм по шкалам категорий.

2. Методы коррекции качества цветных изображений на основе принципа постоянной цветовой яркости нашли практическое применение в' устройствах цветовой коррекции и коррекции качества цветных изображений КЦ1, КЦИ, СС11 при производстве и передаче телевизионных приграмм и кинофильмов.

3. Предложения по аналоговым и цифровым параметрам оптико-электронной системы телевидения высокой четкости были использованы при разработке экспериментального комплекса аппаратуры оптико-электронной системы телевидения высокой четкости и представлены в качестве вкладов от Администрации СССР в Международную вещательную организацию СЖРТ и от ОИРТ в Международный консультативный комитет по радио Международного союза электросвязи.

'¿¡. Разработанные комплекты испытательных таблиц были применены при измерении характеристик и настройке экспериментального комплекса аппаратуры телевидения высокой четкости, представлены в качестве вклада от Администрации СССР в Международный консультативный комитет по радио Международного союза электросвязи, а также применены для настройки серийных цифровых телекинодатчиков

5". Результаты по улучшении параметров отдельных устройств оптико-электронной системы использованы для повышения качества воспроизведения цветных, изображений и их измерений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Цвет может быть представлен в виде вектора в метрическом векторном пространстве. Модуль цветового вектора равен векторной сумме трех векторов , модули которых пропорциональны амплитудам световых волн, преобразуемых в цветовых каналах зрительной системы. Углы между векторами определяются коэффициентами близости спектральных характеристик цветовых каналов зрительной системы, определяемы^на основе неравенства Буняковского в гильбертовом пространстве эффективных световых излучений цветовых каналов зрительной системы при восприятии равноэнергетического белого света.

2. В метрическом векторном цветовом пространстве однозначно пределявтся основные метрические цветовые величины цветовой фо-ометрии, характеризующие восприятие светового излучения с раз-ичным спектральным составом: световой поток, сила света, цвето-ая освещенность, цветовая яркость, цветовая амплитуда, насьщен-ость цвета, цветовой тон. Метрические цветовые величины, су-ествующие фотометрические величины и координаты цвета в между-ародной системе ХП. связаны между собой. Величины цветовой фо-эметрии определяют параметры цветного ■изображения и опти-з-электронной системы, характеризующие качество воспроизведения ветных изображений: цветовой контраст, четкость и резкость ветного изображения, зашумленность цветного изображения.

3. Точное воспроизведение цветных изображений оптико-элект-энными системами достигается при равенстве цветовых амплитуд, зсыщенностей и цветовых тонов деталей объектов и их изображе-аи, то-есть при фотометрически точном воспроизведении изображе-ай. Оно реализуется' выбором определенных спектральных характе-ястик оптико-электронного преобразования и матрицированием цве-звых сигналов при их передаче и воспроизведении.

4. Качество воспроизведения -цветных изображений оптико-¡гектронными системами может быть выражено числовой оценкой ин-ггральной прозрачности сптико-злектронной системы, зависящей

с ее контрастно-частотных характеристик, контраста и отношения 1гнала к помехам, а также контрастно-частотных характеристик метельной системы по каналу белого и оппонентным цветовым кана-ш. Оно имеет числовую шкалу от нуля до единицы, причем нулевое гачение числовой шкалы определяется по допустимой вероятности шильного обнаружения типовых изображений в шумах, а единично' значению соответствует наблюдение объекта зрительной системой комфортных условиях наблюдения.. Искажения -сигналов изображения ш передаче по каналам связи ухудшают качество воспроизведения юбражений и учитываются коэффициентом ухудшения.

5. Качество воспроизведения цветных изображений опти-I-электронными системами вещательного телевидения при принятых ■андартами допусках на их отклонение составляет 0,35 - 0,4 и вкет быть улучшено при передаче сигналов изображения цифровыми тодами до 0,7 - 0,8 для расстояния наблюдения, равного шести сотам изображения. Дальнейшее повышение качества Еоспроизведе-

ния цветных изображений возможно при реализации фотометрически точного воспроизведения цветных изображений, увеличением числа строк разложения в два раза и увеличением сигнала к шуму до 65-70 дБ.

Апробация результатов работы.

Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях:

6-й Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г.Москва, 1986; Международном научно-техническом семинаре по вопросам кодирования и передачи сигналов телевидения высокой четкости, г. Ленинград, 1990; Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития телевидения", г.Санкт-Петербург, 1991; Мездународвой конференции по оптической обработке информации, г. Санкт-Петербург, 1993; 10-й Вероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г. Москва, 1994; Международной научно-технической конференции "Прикладная оптика - 94", г. Санкт-Петербург, 1994; Международной научно-технической конференции "Оптика - 95", г. Санкт-Петербург, 1995; Шестом Дортмундском телевизионном семинаре " Мультимедиа: применения, технологии, системы", г. Дортмунд, ФРГ, 1995; Второй Международной конференции по оптической обработке информации, г. Санкт-Петербург, 1996; 11-й Всероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", г.Москва, 1996; Симпозиуме "Прикладная оптика - 96", г. Санкт-Петербург и др.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в одной монографии, двух учебных пособиях, 79 публикациях, включая 14 авторских свидетельств на изобретение, 2 патента Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из списков основных обозначений и аббревиатур, введения, шести глав, заключения, списка литературы из 185 наименований на 20 страницах. Она включает в себя 274 страницы машинописного текста, содержит 82 рисунка и иллюстраций на 58 страницах, 26 таблиц. Приложения занимают 28 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности теш, сформули-ованы цель и задачи работы, показаны основные направления и ме-'оды исследовании, научная новизна и практическая ценность Полуниных результатов, представлены основные положения диссертаци-)Ниой работы, выносимые на защиту.

В главе 1 рассмотрены основные ограничения в определении жетовых величин в фотометрии и представлении цветов в аффинном юкторном пространстве принятой колориметрии.

Световые величины в фотометрии определены через кривую от-юсительной световой эффективности зрительной системы при восп-шятии равноэнергетического светового излучения в линейном при-¡лижении. Экспериментальные исследования восприятия яркости зрительной системой тем не менее показывают, что характеристика ¡ригельной системы не явдется линейной. Фотометрическая яркость считывает при восприятии цвета отклик одного ахроматического ка-¡ала и не учитывает отклики в двух цветовых оппонентных каналах фительной системы. В колориметрии используется векторное пред-зтавление цветов в аффинном пространстве. Скалярное произведение аксиомами аффинного пространства не определено. Понятия расстоя-!ия и угла отсутствуют. Поэтому аффинные векторные пространства-1е являются метрическими и изотропными. Указанные обстоятельства зграничиваязт получение корректных числовых оценок качества восл-эоивведения цветных изображений по характеристикам оптико-элект-юнной системы и характеристикам восприятия цветных изображений зрительной системы.

В главе 2 представлена эквивалентная схема преобразования дветовых откликов в зрительной системе при восприятии световых язлучений в условиях дневного зрения, дано доказательство кор-зектности представления цветов в метрическом векторном пространстве, определены основные цветовые величины цветовой фотометрии и уточнены основные законы уравнивания и сложения цветов в цветовой фотометрии.

Преобразование цветовых сигналов в зрительной системе та основе имеющихся психофизиологических данных представлено эк-зивалентной схемой, изображенной на рис. 1. Спектральные характеристики чувствительности цветовых каналов зрительной системы г(А), Ь(\) представлены спектральными характеристиками

Эквивалентная схема преобразования цветовых откликов в зрительной системе

ВМ)

у(х)

в1

А1р

нп

Ве(Х)

ВЛ)

дй) —/вШ

в.

£б

нп

Ш

Ь(Х)

1Ф&

Вв

Ав

НП

¡г

'1С

■ Рис. 1.

пропускания эквивалентных оптических фильтров. На их выходе спектральные распределения,аффективных энергетических яркостей обозначены соответственно ВГШ» Ве(Х), Вь(Х). Отклики фоторецепторов определяются эффективными энергетическим яркостям Вк, В&, Ев, которые находятся интегрированием по спектру спектральных распределений эффективных энергетических яркостей ВГ(Л), Ве(\), Вь(Х). Отклики зрительной системы нелинейно зависят от эффективных яркостей. Нелинейное преобразование откликов на эквивалентной схеме отражено нелинейными преобразователями. Затеи отклики преобразуются согласно многостадийной теории цвета в тщ оппонентных отклика: оппонентный отклик черно-белого Аде, оппо-нентньш отклик желто-синего Аре-в, оппонентный отклик красно-зеленого Аиз-с-

Для определения характеристик нелинейного преобразована откликов в цветовых каналах зрительной системы были проведень экспериментальные исследования цветового восприятия методом непосредственной оценки - величины. Экспериментальные исследовали! проводились в телевизионных условиях наблюдения па цветным пятипольным испытательным изображениям, формируемым на экране цветного видеоконгрольного устройства. Яркость первого поля устанавливалась максимальной, яркость последнего поля устанавливала^ минимальной, а яркости трех полей, расположенных между ними, ус-

ганавливадись наблюдателем независимыми регулировками уровней :оответствущих сигналов так, чтобы получить на экране монитора завноступенную по воспринимаемой яркости пятипольную шкалу одно-'о испытуемого цвета с соотношением светлот

Атак : : 0,БАтах : 0,2БА№ЛХ : Ашп ,

Эксперименты проводились для семи цветов: основных цветов люми-юфоров кинескопа - зеленого, красного и синего-, дополнительных щетов - пурпурного, голубого и желтого, а также белого цвета. 1ля каждого цвета измерения повторялись пять раз, причем ручки югулировки после каждого измерения устанавливались в исходное гулевое положение. Максимальная яркость полей изображения градационной шкалы в белом составила 120 кд/м2. Общее число лредъяв-генных для оценок полей различной яркости и цвета составило

Характеристика нелинейного преобразования цветовых откликов в зрительной системе

Рис. 2.

.050. Усредненная зависимость нормированной светлоты от относи-:елвкой яркости для уровня фона 2-3 люкса приведена на рис. 2. на близка к кореньквадратичной зависимости А = ¡/В, кривая 2.

Если световое излучение представляет собой равноэнергети-ческий белый свет Е с равномерным распределением энергетической яркости по спектру Ево> преобразуемое в отклики световое излучение образует три эффективные спектральные распределения энергетической яркости Вег(Х), BQ£f(X), ВеЬ(Х), которые непрерывны, гак как непрерывны функции спектральной чувствительности г(Х), g(X), b(A). Пространства эффективных спектральных распределений есть вещественное гильбертово пространство, так как удовлетворяет его аксиомам. Для гильбертова пространства справедливо неравенство Буняковского

Ваг Вае"

- 1 < - < 1, (1)

I Ber11 Bee!

Определение скалярного произведения дает возможность найти угол между векторами функций Ber(X), Eög-(X), В0ь(Х). Обозначим через krg- в неравенстве Буняковского отношение скалярного произведения векторов к их нормам

®er®air

- -• (2)

llBarlllUWII

Для равноэнергетического белого света Е это выражение преобразу-'ется- в следующее

со

rr(30sr(x)dx

о

_ -. (3)

СО О)

(Srz(x)dx)1/2(jg2(x)dx)1/2

о о

Поскольку функции г(Х), е(Л) принимают только положительные значения, то из неравенства Буняковского следует

О < krr < 1-0.

По своему физическому смыслу коэффициент kre- представляет собой нормированный коэффициент близости распределений эффективных энергетических яркостей по спектру для равноэнергетического белого Е и согласно выражению (3) он также представляет собой коэффициент близости спектральных характеристик чувствительности

Представление цветовых откликов в метрическом

¡етовых каналов зрительной системы. Нормированный коэффициент •.изости спектральных распределений эффективных энергетических ¡костей определяет угол между векторами откликов в цветовых калах зрительной системы при восприятии световых сигналов, рис.3

ййй = агссоэ кг?, осев = агссоз кгь, (4)

' «"ив = агссоз кгЬ' Так как согласна неравенству Буняковского 0 < к < 1.0, углы жду векторами Ар., Ае, Аб будут изменяться в пределах 0<а <л/2.

В плоскости цветности взаимно перпендикулярные оси Ар^а-в и в-е1 интерпретируются как оппонентные сигналы цветности. Сос-вляющие. вектора равноэнергетического белого в плоскости цвет-сти равны нулю. Это условие означает, что векторная сумма сос-влявдих цветовых векторов откликов основных каналов зрительной стемы в плоскости цветности будет равна нулю. Для этих условий лучена система из шести уравнений, связывающих шесть углов, торые необходимо определить

соз1)рсоз)>с; + з1п1}рз1т}асоз1рге' - созояе = О соа>ссоЭ>в + ~ еазясв = О

СО^БСОБ^К + Б1П1}вз1П1}1гС03!рЬг - СОБсСВК = о АязхпОЙ + ^¿пйасоБФе-г + АВ51П\}ВСОЗФЬГ= 0 (5)

+ Акз1гн>ксозфГе + Авэ^пйвсазфь^ 0 АБЗ1го>Б + АсзШйесозФе'Ь + Айз1га}р.созфгь= О, где 0-к, йв - углы между векторами основных цветов и

вектором равноэнергетического белого в цветовом пространстве; (ргеч ■ Феь> ?Ьг ~ Углы между составляющими основных векторов в плоскости цветности, рис. 3.

Решая данную систему уравнении, находим углы йи, 0-е, Ов, которые задают положение равноэнергетического белого цвета относительно основных цветовых векторов в метрическом цветовом пространстве, проекции основных цветовых векторов на плоскости цветности и углы Фе-Ы <Рьг между ними в плоскости цветности.

Кривая чистых спектральных цветов в метрическом векторном цветовом пространстве находится по принятым кривым спектральной чувствительности цветовых каналов зрительной системы. Она задается цветовой амплитудой Ас, углом между вектором спектрального

Рис. 4.

цвета и вектором равноэнергетического белого й и углом в плоскости цветности ф, которые образуют сферическую систему Цветовы; координат Ас, ф, рис. 4. Проекция кривой чистых спекгральны; цветов на плоскость цветности образует кривую чистых спектраль-

яых цветов в круге на плоскости цветности. Часть круга, ограниченная кривой чистых спектральных цветов и кривой пурпурных цветов, образует локус цветности реальных цветов. Составляющие ра-циус-вектора в плоскости цветности по осям красно-зеленых и жел-го-синих цветов отображают сигналы оппонентных каналов зритель-гай системы и имеют размерность яркостных амплитуд. Цветовой тон сарактеризуется углом в ф плоскости цветности. В центре круга, образованного пересечением единичной сферы и плоскости цветности, лежат так называемые ахроматические цвета, то-есть черные, :ерые и белые цвета. Насыщенность в плоскости цветности пропор-даональна радиус-вектору, являющемуся проекцией единичного век-гора цвета на плоскость цветности. Насыщенность чистых спектральных синих и красных цветов больше насыщенности голубых, зе-шных и желтых цветов. Представление цветов на поверхности сферы ктрического векторного пространства совпадает в своей содержательной интерпретации с психофизиологической сферической моделью кетового зрения E.H. Соколова и Ч.А. Измайлова.

На основе представления цветов в метрическом векторном цветовом пространстве определены основные величины цветовой фото-ктрии. Основной фотометрической величиной является световой по-:ок Фс, оцениваемый по зрительному восприятию в условиях дневно-■о зрения. Он определяется тремя световыми потоками Фя, Фц, Фв, [реобразуемыми в цветовых каналах зрительной системы с относи-■ельными спектральными чувствителькостями г(Х), g(\), b(Ä) в ус-ювиях дневного зрения

М Cv>. CJ

= KRJr(\)P(A)dA, Фе = Kcte(X)P(A)dA, ®В = КвГЬ(Я)Р(\)сЙ,

о о о

где P(X)d\ - поток излучения в узком спектральном интерва-:е от \ до \ + ДА., Kr, Kg, Кв - максимальные световые эффектив-ости светового излучения в цветовых каналах зрительной системы.

Световой Фс поток выражается через световые потоки <5r, Фс, б следующим соотношением

Фс = Фй+ФеКСв+^ФяФасозйяе+зу'Ф^всозйсв+г^ФвФнсозавк, (6) где косинусы углов находятся по выражениям (4). Через световой поток Фс определяются сила света 1с, освещен-ость Ее и цветовая яркость Во

Вс = dEcr/do) = BR-+BG-t-BB+2^RBGCOSotRG+2KBGBBCOSo(GB+2^BBRGOSo!BR (7 ) Яркости Br, Bg, Bb являются составляющими цветовой яркости. Величина, связанная с цветовой яркостью Вс соотношением

А с = /Вс- (8)

названа яркостной амплитудой. Она представляется в цветовом метрическом векторном пространстве двумя взаимно перпендикулярными составляющими - яркостной амплитудой белого равноэнергетического цвета Aw и яркостной амплитудой цветности Ац, вектор которой лежит в плоскости цветности, образуемой векторами откликов оппо-нентных каналов цветности Ш-В и RB-G,

Ас - (AW + Ац)1/2. (9)

Яркостная амплитуда цветности Ац определяется через цветовые амплитуды Arb-g. Arg-b откликов оппонентных каналов цветности, векторы которых ортогональны

Ас = (A2rb-g+ A2rG-B)1/2. ' (10)

Цветовая насыщенность представляет собой отношение яркостной амплитуда цветности к яркостной амплитуде цвета

s = Ац/Ас " cosü, (11)

Измеряется насыщенность в относительных единицах, которые лежат в пределах от 0 до 1,0.

Цветовым тоном называется угол ыезвду направлением вектора цветности и направлением составляющей вектора цвета в плоскости цветности, принятого за опорный. Для опорного цвета, имеющего вектор цветности, который совпадает с положительными значениями цветовых амплитуд в оппонентном канале RB-G, цветовой тон определяется соотношением

q> = (-l)marccos( Arb-g/Ац) + nit, (12)

где ш = 0, n = 0 для Arb-g > 0, Arg-b > 0; ш = 0, n = 1 для Arb-g < 0, Arg-b > 0; m = 1, n = 1 для Arb-g < о, Arg-b < 0; ш = 1, п = 2 для Arb-g > О, Arg-b < О-При апроксимации экспериментальных спектральных характеристик чувствительности зрительной системы, полученных Д.Уолдом, функциями Гаусса с параметрами V= 575 нм,Xff= 545 нм,Хь= 450 нм, Д*ег= 56,8 нм, й\е£-= 52,5 нм, Д\еь= 31 HM, гт~ 0,54, gm= 0,58 и Ьщ= 0,018 постоянные цветовой фотометрии принимают следующие

(начения: кге> = cosorg = 0,858994; кье = cosoîqb = 0,0822557; Ы = cosctBR = 0,0219691; Kr = 368,82; Kg = 396,14; Кв = 12,29. [редложены способы измерения величин цветовой фотометрии. Основные законы уравнивания и сложения цветов в цветовой фото-гетрии сформулированы в следующем виде:

1. Для каждого вектора цвета имеется другой вектор дополни-■ельного цвета, при сложении с которым образуется вектор белого [вета.

2. При смешивании двух цветов, заданных яркостной амплиту-;ой, . насыщенностью и цветовым тоном, образуется множество цве-•ов, лежащих в плоскости, проходящей через начало координат и ¡екторы смешиваемых цветов.

Из второго закона следует:

2.1. Яркостная амплитуда вектора цветовой смеси находится ¡екторным суммированием яркостных амплитуд смешиваемых цветов и ыражается через скалярные яркостные амплитуды выражением

As = (Ai2 + A2Z + 2AiA2coscfi2)1/2, (13)

где «12. - угол между векторами смешиваемых цветов.

2.2. Цветовая яркость смеси цветов равна сумме цветовых яр-:остей смешиваемых цветов и их взаимной яркости

Bs = Bi + В2 + Bi2. (14)

где взаимная яркость

Bi2 = 2AiA2COSi*i2- (15)

3. Вектор любого цвет может быть уравнен смесью трех линей-:о независимых векторов цветов.

Разработана методика Определения смеси цветов, заданных яростной амплитудой, насыщенностью и цветовым тоном. Определена -вязь цветовых величин с координатами цвета в международной сис-еме XYZ.

В главе 3 на основе установленных цветовых фотометрических .еличин определены параметры цветного изображения и сенсорные арактеристики их восприятия.

Сенсорная характеристика зрительной системы при восприятии зетовой яркости зависит от нелинейной характеристики зрительной кстемы. При телевизионных условиях наблюдения она может быть лпроксимирована степенной функцией с показателем степени, близ-ïm к 0,5. В более широком диапазоне изменения яркостей и различил условиях наблюдения нелинейная характеристика зрительной

системы аппроксимируется степенной функцией с показателем степени менее 0,5.

Получена зависимость относительного дифференциального порога эффективной яркости цветового канала с®с/Вс от эффективной цветовой яркости Вс и яркости адаптации Вг^д при обесцвечивании зрительного пигмента в фоторецепторах зрительной системы под действием света

ехр[(Вс/Ваад)1/г]

с!ве/вс = :- » (16)

160И - ехр[-(0,ЗВоад)1/2]>(Во/Всаа)1/2

где минимальное значение относительного дифференциального порога принято равным 0,017 на основе экспериментальных данных, полученных Лоури.

Определены сенсорные характеристики зрительной системы при восприятии эффективной цветовой яркости

' = ?вмШ - ехр[-(В(^Всйд)1/2ЗН1 - ехрЕ- (0,ЗВ^ад) 1/23> Д17) Так как метрическое цветовое пространство изотропно, данные сенсорные характеристики справедливы для любого цвета.

Сенсорную характерстику восприятия констраста по цветовой яркости в психофизическом цветовом пространстве выразим через субъективно воспринимаемый контраст

Кг = Звтах /5вгп1п- (18)

В цветовой фотометрии объективный цветовой контраст выражается соотношением Кдцв ~ ~ ^Атах2 - 2Ап1ахАпип[(1 _ Зтах2)1/2(1 ~ Зпип2)1/2 + + %ахЗщ 1 пС05(Фтах - Фт1п)3 + Атщ2>1/2/^пт + 1- (19) На практике в телевидении широко используется также понятие относительного контраста

кв = (Вшах " ВпипЭВщах = 1 - 1/К. (20)

Относительный субъективный контраст монохроматических изображений выражается соотношением

^ = (Зщах * ^г)1п)5тах = 1" 1/Кз-

Геометрически относительный контраст монохроматических изображений отображается отрезком, соединяющим единичный радиус с точкой, отображающей минимальное нормированное значение амплитуды. Относительный цветовой контраст геометрически представляет собой отрезок, соединяющий нормированные по максимальному модулю

экторы внутри единичного шара.

Длина отрезка, соединяющего нормированные векторы Si и Sa, авна

кз - "CSAmax2 - SSAmaxSAniinCd - ^naxZ)1/2(l - smin2)1/Z + + SmaxSminCOsCipmax - Фпип)Э + SAmin23-1/2/SAmax. (21)

Выражение (21) характеризует субъективный относительный зетовой контраст. Относительный цветовой контраст в фотометрии сражается через основные цветовые величины: амплитуду цвета, зетовой тон и насыщенность. kc--:-tWZ - ¡BAmaxAminCíl - sltóXz)1/z(l - smin2)1/2 + + SmaxSminCOs(q>max " <Pnun)3 + (22)

Общее определение относительного контраста, даваемое формула (22), может быть упрощено в частных случаях.

Если Ащах = Amin» то формула для относительного контраста шсывает цветовой контраст между цветовыми полями е.;равными зетовыми амплитудами кс = 42 - 2Ц1 - Smaxz)1/zCl - W)1'2 +

+ SmaxSminCOS(ftnax " 4>min)]>1/2- (23)

При ipmax = 9min Относительный цветовой контраст равен ks = -С2 - 2С(1 - smaxz)1/2(l - smin2)1/2 + smxsmin]>1/2 (24) описывает цветовой контраст между цветными полями, отдичащи-тся только по насыщенности.

Для Атах = А^щ и s^ax = Smin = s формула для относительно) контраста приобретает, следующий вид:

kt = sil - casOpmax - (fain)}1/2• (25)

ta определяет цветовой контраст между деталями изображения, отдающимися только по цветовому тону.

При Smax = Snun = s и Фтах = 1>min цветовой контраст опреде-[ется только амплитудным контрастом.

Значения относительных цветовых контрастов и относительных штрастов по цветности могут превышать значения, равные единице.

Сенсорные характеристики зрительной системы по четкости и скости зависят от пространственных контрастно-частотных харак-ристик, которые аппроксимированы для канала белого выражением üw(m,n) = 1,67íexp С- (m+n/aL1/8) ] -exp [- (irH-n/42,5) ]}, (26) ;e m и n - пространственная частоты в горизонтальном и верти-льном направлениях, выраженные в телевизионных линиях, а - по-оянная, зависящая от расстояния наблюдения, равная а = 152,83

твл*м2/кд для расстояния наблюдения А = 4Н.

Пространственные контрастно-частотные характеристики зрительной системы для каналов цветности апппроксимированы следующими выражениями в области высоких частот

ÜR-Y/B-Y(m,n) = 1,67ехр[-(ш + n/aL1/6)3 (27)

для ш,п > 47твл в канале R--Y и для ш,п > 24твл в канале B-Y и

öR-Y/B-Y(m,n) =1,0

для m,n < 47твл в канале R-Y и для m,n < 24 твл в канале B-Y, где ше = ne = aL1/B = 83 твл для сигналов Er-y при L = 128 кд/м2, ше = пе = 47 твл для сигналов Ев-у.

Сенсорные характеристики восприятия фяуктуационных цветовых помех аналогичны сенсорным характеристикам восприятия цветовой яркости.

Дана количественная оценка эффекта Гельмгольца-Кольрауша и объяснены другие эффекты восприятия цветов в цветовой фотометрии. Эффект Гельмгольца-Кольрауша проявляется в том, что цвета с большой насыщенностью имеют цветовую яркость больше цветовой яркости мало насыщенных цветов при той же яркости составляющей белого. Количественно он характеризуется числовым отношением яр-костной амплитуды данного цвета к яркостной амплитуде составляющей белого в этом цвете.

В главе 4 сформулированы условия фотометрически точного воспроизведения цветных изображений и разработан метод интегральной оценки качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами на основе выше определенных параметров цветного изображения и сенсорных характеристик их восприятия. Фотометрически точным воспроизведением цвета названо воспроизведение цвета с цветовым тоном и насыщенностью, которые равны цветовому тону и насыщенности цвета объекта передачи. Цветовая яркость и цветовая амплитуда воспроизводимого цвета изображения при этом должны быть пропорциональны цветовой яркости и цветовой амплитуде цвета объекта передачи:

<Риз = Фоб

»из = <>об (28)

АИз = кАоб

¡-из = k L06i

где к - постоянная.

Реализация фотометрической точности воспроизведения цветг

кладывает определенные требования к спектральным характеристи-и оптико-электронного преобразования оптических изображений в левизионных и видеокамерах. Для устранения искажений при восп-изведении цветов, в том числе метамерных, необходимо, чтобы эктральные характеристики чувствительности телевизионных и ви-экамер и спектральные характеристики чувствительности зритель-\ системы совпадали, то-есть

ГзсШ - ггк(Л), £зс(*) = гткСХ), Ьэс(А) = Ьтк(Х) Соотношения между максимальными значениями спектральных ха-стеристик чувствительности телевизионных камер для получения эвичных сигналов телевизионной камеры также должны соответс-звать соотношениям между максимальными значениями спектральных эактеристик чувствительности зрительной системы. Согласование ;товых сигналов телевизионной камеры Ей, Ее, Ев с сигналами ювных цветов воспроизводящих устройств Е'г, Е'е, Еь'.осущест-¡ется нелинейным преобразованием цветовых сигналов в цветовые 'налы Е'и.Е'с.Е'в и последующим их матрицированием. Коэффици-1 х цветовых сигналов универсальной фотометрически точной те-дазионной камеры должен быть близким к 0,5. Для согласования ¡товых сигналов камеры с сигналами действующих вещательных те-¡изионных систем предлагается унифицировать значения коэффици-•а у и принять его равным 0,45. Необходимые дополнительные ¡ма-коррекция и цветокоррекция воспроизводящих устройств проводится в самих воспроизводящих устройствах.

При передаче цветовых сигналов по каналам связи производят товое кодирование первичных цветовых сигналов телевизионной еры с целью сокращения необходимой полосы частот для передачи товых сигналов. С целью лучшего согласования сигналов переда-с характеристиками зрительной системы и использования физио-ической избыточности в процессе обработки цветовых сигналов дует выбирать сигналы передачи равными сигналам откликов Ау/, -й. Аяе-в, ПРИ ж преобразовании в зрительной системе. Сигна-откликов зрительной системы по каналам НВ-Э и ИЗ-В имеют бо-узкую полосу пропускания, чем отклики по каналу У. На прием-стороне происходит декодирование цветовых сигналов обратным рицированием, дополнительная в общем случае гамма-коррекция и мирование сигналов основных цветов воспроизводящего устройс-

Для интегральной оценки качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами вводится понятие интегральной прозрачности оптико-электронной системы. Интегральная прозрачность системы воспроизведения изображений по каналу белого Xw выражается отношением «*»

(Awmax ~ Avfmin "* A^/nop) SJOwoac+ac(и>n)dmdn

oo

%w = -:- (29)

0000

Awl HOwac (m. n) dmdn oo

где %йэс+эс(ш,п) - суммарная пространственная контрастно-частотная характеристика оптико-электронной системы и зрительной системы по каналу белого, OwaC(ni,n) ~ пространственная контрастно-частотная характеристика зрительной системы по каналу белого, Awi - цветовая амплитуда белой составляющей цветовогс вектора объекта передачи, которая соответствует максимальной амплитуде воспроизводимого изображения Awmax, m - частота пространственных гармонических составляющих по оси х, выражаемая : телевизионных линиях на высоту изображения, п - частота пространственных гармонических составляющих по оси у, выражаемая j телевизионных линиях на высоту изображения.

Учитывая сенсорные характеристики зрительной системы пр: восприятии контраста • и шумов прозрачность оптико-электронно: системы воспроизведения изображений по каналу яркости представи в виде

coco

_ ntfvtoac+acOn.njdmdn

1 /«W 00

tW = M1/2(l - —--—-_)- . (30)

И<оэс V* Фоэс ,зссо

П&'а'зс (го. я) dmdn oo

В этом выражении М - коэффициент усиления яркости в канал белого оптико-электронной системы воспроизведения изображена Коэс - контраст оптико-электронной системы по яркости, обеспечу ваемый в данных условиях наблюдения, Фпор~ пороговое ввзешеккс отношение сигнала к шуму по яркости в воспроизводимом изображу

ии, определяющее нижнюю границу шкалы оценки шкалы качества, оэс - взвешенное отношение сигнала к помехам оптико-электронной истемы по яркости, включающим в себя флуктуационные помехи, по-ехи вследствие квантования и дискретизации,

Прозрачность оптико-электронных систем воспроизведения ветных изображений определяется прозрачностью канала белого и розрачностью оппонентных цветовых каналов. По оппонентным цве-DBbM каналам интегральную прозрачность оптико-электронной сис-емы воспроизведения цветных изображений можно представить в ви-е

1 |/фцпор

*(RB-G/RG-B) = М1/2(1----)*

(Sj- Sinop)1/2 /4-RB-G/RG-B

Н»CRB-G/RG-B)оэс+зс(m,n)dmdn

*- , (31)

. По (RB-G/RG-B) зс(т, njdrndn

где Фцпор- пороговое взвешенное отношение сигнала к шуму в тпонентных цветовых каналах RB-Q и RG-B, определяющее нижнюю заницу интегральной прозрачности, fes-g/rg-b - взвешенное отно-гние сигнала к шуму в цветовом канале, Si- насыщенность по ин-5нсивности, Sjпор" пороговая насыщенность по интенсивности, (RB-G/RG-B)o3c+3c(fi,n) - двумерная суммарная контрастно-частот-ая характеристика тракта изображения цветовых каналов опти-з-электронной и зрительной систем, ü(rb-g/rg-b)зсОп.п) - Дву-грная контрастно - частотная характеристика оппонентных цвето-т каналов зрительной системы.

Интегральная прозрачность оптико-электронной системы восп-зизведения изображений по каналам яркости и цветности при М=1,0 денивается выражением 1

tc = - (tW2 + 0,76tRG~B2 + 0,67tRB-G2)1/2. (32)

1,56

Числовая оценка качества оптико-электронных систем воспро-»ведения цветных изображений по интегр,альной прозрачности поз-)ляет произвести классификацию систем воспроизведения изображе-ш по шкале категорий. Для четырех категорий качества линейное шбиение шкалы качества представлено следующими интервалами.

Высшей категории качества воспроизведения изображений, оцениваемого психофизической категорией "отлично" соответствует интервал интегрального качества 0,75 < х < 1,0. Категория качества, которой соответствует психофизическая категория "хорошо", оценивается интервалом качества 0,5 < х < 0,75. Психофизической категории "удовлетворительно" соотвествует интервал качества 0,25 < х < 0,5. При качестве х < 0,25 интегральное качество воспроизведения изображений.оценивается психофизической категорией "неудовлетворительно". Произведена оценка качества воспроизведения изображений вещательной .телевизионной системой БЕКАМ и ее звеньями по интегральной прозрачности и параметрам ухудшения по Рекомендации МСЭ-Р - Р.ВТ 654. Для допусков параметров ухудшения,'определенных действующими стандартами значение интегрального коэффициента ухудшения качества составило р = 0,453. Для случзя, когда тракт изображения алпаратно-студийного комплекса, телевизионный радиопередатчик и телевизинный приемник имеют амплитудно-частотную характеристику верности в соответствии с ГОСТ 7845-92 на нижней границе допуска, контраст^ равен К = 50, что соответствует засветке в телевизионной камере 2%, и отношение сигнала к шуму 4> = 58 дБ, интегральная прозрачность по каналу яркости оптико-электронной системы вещательного телевидения составляет х - 0,78 для расстояния наблюдения А = 6Н. Интегральное качество вещательной системы телевидения в этом случае равно ч = "ср =0,35 и по шкале категорий оценивается как удовлетворительное. При отсутствии искажений, вызывающих ухудшение качества воспроизведения изображений, например, при переходе к цифровым методам передачи телевизионных сигналов, интегральное качество воспроизведения изображений возрастает до значения д = 0,78, то-есть примерно в 2 раза. Таким образом в вещательном телевидении, еще имеется большой резерв для.повышения качества воспроизведения изображений. Если полоса частот равна М = 3,8 МГц, а отношение сигнала к шуму равно 34 .дБ, прозрачность падает до значения х = 0,51, а интегральное качество становится равным ч = 0,23, что соответствует категории "неудовлетворительно". Таким образом предложенная методика оценки интегрального качества оптико-электронных систем воспроизведения изображении позволяет нормировать их по качеству на основе измеряемых параметров и характеристик качества и ухудшений по испытательным таблицам и измерительным сигналам испыта-

льных строк, а также оценивать интегральное качество в процес-проектирования оптико-электронных систем воспроизведения етньк изображений.

В главе 5 проведено теоретическое и экспериментальное ис-едование способов повышения качества воспроизведения цветных -Сражений цветовым кодированием на основе сформулированного инципа постоянной цветовой яркости и новых методов цветовой ррекции. Принцип постоянной цветовой яркости заключается в л, что информация о цветовой яркости передается по относитель-широкополосному каналу передачи сигналов телевизионной систе-и характеризует воспринимаемую зрительной системой световую гргию. Информация о цветности передается по более узкополосным *алам передачи телевизионных сигналов и характеризует положе-5 вектора цвета в метрическом векторном цветовом пространстве. л этом моноцветные изображения и детали изображений передаются галной четкостью, так как все изменения цветовой яркости в эбражении передаются по широкополосному каналу. В цветных збражениях по более узкополосным каналам передается информация 1асыщенности цветных деталей синими и красными цветами, а так-изменения пурпурной составляющей цвета. Тем самым лучше пользуются свойства зрительной системы, а также статистика распыления цветных деталей изображения, так как цветные изображе-I содержат Большое число.крупных цветных деталей с мелкими де-шми той же цветности. Принцип постоянной цветовой яркости !БОЛяет приблизить воспроизведение цветных изображений к фото-:рически точным условиям цветопередачи. Предложены модификации (ирования цветовых сигналов на основе принципа постоянной цве-юй яркости. Проведены экспериментальные исследования передачи ¡товых сигналов по принципу постоянной цветовой яркости. Упро-щый способ цветового кодирования по принципу постоянной цве-юй яркости заключается в следующем. Цветовые сигналы телеви-¡нной камеры после гамма-коррекции преобразуются в сигналы пе-¡ачи

Е'с(Ь) - ÍE'x•(t)z + Е'е(Ь)г + Е'ь^)2]172,

Е\(Ь) = е'га)/е'с^) и е'га) = е'Ь(1)/е'с(1:). (33) На приемной стороне происходит восстановление первичных товых сигналов телевизионной камеры с нелинейными предискаже-ми е'гф), е*^), е'ь(Ь). Сигналы е'г(ь) и е'ь^) получаются

перемножением сигналов Е'с(Ъ) и е'х^), Е'г^):

Е'г(Ь) - Е'сШЕ'1(1),

Е'Ь - Е'с(1)Е'2а)ч ^ (34)

Сигнал Е'е(Ь) получается ив сигналов Е'сСЬ), Е'г(^)> Е'ь(Ь) согласно следующему преобразованию

Ee.it) = СЕ'сСЬ)2 - Е'г№)г - Е'Ьа)г31/г. (35) При выполнении принципа постоянной цветовой яркости моноцветные изображения и детали изображений передаются о полной четкостью по широкополосному каналу, так как для моноцветных изображений сигналы Е'1(Ъ) и Е'г СО постоянны. Такую систему можно назвать моноцветно широкополосной.

Экспериментальное исследование передачи цветовых сигналов по принципу постоянной цветовой яркости производилось на телеви-зионно-вычилительном моделирующем комплексе в отделе цифровой обработки изображений Института техники средств связи шлет. Г.Герца, г. Берлин (ФРГ). Моделирование новых методов цветовогс кодирования цветовых сигналов по принципу постоянной цветовое яркости и проведенные экспериментальные оценки качества воспроизведения цветных изображений показали следующие преимущества пс сравнению со стандартным методом кодирования: более высокое разрешение в насыщенных цветах- примерна в 3,5 раза на синих и в £ раза на красных цветах, более высокое качество воспроизводимое изображения, возможность дополнительного сокращения цифровогс потока при передаче телевизионных сигналов в цифровой форме, Цветовая коррекция изображений по принципу постоянной цветовой яркости заключается в том, что из первичных сигналов телевизионной камеры Е'{?(1), Е'а(1), Е'в(0 формируются сигнал цветовой амплитуды Ед(Ь), сигнал цветовой насыщенности Ей№) и сигнал цветового тона Е®(1). Регулируя уровни этих сигналов, мы независимо изменяем амплитуду цвета, насыщенность и цветовой тон Затем цветовые сигналы цветовой амплитуды, цветовой насыщенност: и цветового тона скова преобразуются в первичные цветовые сигналы Е'к(и, Е'с(1), Е'в(Ь). Способ цветовой коррекции упрощается если вместо изменяемых в процессе коррекции сигналов амплитуды насыщенности и цветового тона выбрать сигналы, соответствующими откликам оппонентных цветовых каналов зрительной системы и изме нять их при постоянстве цветовой яркости, что использовано пр разработке цветового корректора КЦ-1, корректора цветных изобра

ений КЦИ и компонентного цветового корректора СС11.

В главе 6 определены параметры оптико-электронных систем елевидения повышенной и высокой четкости и дана количественная ценка улучшения качества воспроизведения цветных изображений птико-электронных систем повышенной и высокой четкости, а также роведено сравнение по качеству систем повышенной и высокой чет-ости с кинематографической системой.

Предложено семейство параметров разложения для перспектив-ых оптико-электронных систем телевидения повышенной и высокой еткости телевидения, таблица 1.

Таблица 1

Параметры оптико-электронных систем телевидения

Число Частота Частота Строчная Формат Полоса строк кадров,Гц полей,Гц частота,Гц кадра частот,МГц

312,5 50 50 15625 4:3 2,875

625 25 • 50 15625 4:3 5,75

625 50 ' 50 31250 4:3 11,5

1250 25 50 31250 4:3 ' 23,0

312,5 50 50 15625 16:9 3,5

625 25 50 15625 16:9 7,0

625 50 50 31250 16:9 15,0

1250 25 50 31250 16:9 30,0

эедложено также семейство цифровых параметров с кратными часто-зми дискретизации для вше приведенного семейства параметров изложения.

Оценка качества оптико-электронных систем телевидения повы-гнной и высокой четкости показывает, что при существующей зле-штной базе и оптических системах возможно достижение интег-эльной прозрачности, позволяющей увеличить качество воспроизве-зния изображений в 2 - 2,5 раза по сравнению с качеством восп-зизведения изображений в стандартной системе цветного телевиде-га при расстоянии наблюдения А = ЗН.

Сравнение кинематографической системы с телевизионной сис-?мой высокой четкости показывает, что телевизионная система еы-ч«ой четкости по интегральному качеству может быть выше кинема-

тографической системы.

Были проведены измерения и произведена оценка качестве воспроизведения изображений экспериментальной видеосистемой повышенной четкости с параметрами разложения: число строк разложения - 625/1250, кратность чересстрочного разложения 1:1 и 2:1, формат кадра 16:9, частота смены полей 50 Гц, строчная частоте 31250 Гц. Для проведения измерений были разработаны комплект испытательных телевизионных таблиц высокой четкости и генерато! телевизионных испытательных сигналов повышенной и высокой четкости. Экспериментальная видеосистема повышенной четкости, выполненная на отечественной элементной базе, имела интегрально« качество в два раза выше стандартного для А = 4Н.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Показано, что пространство эффективных световых излучений, преобразуемых в цветовых каналах зрительной системы в уело виях дневного зрения удовлетворяет аксиомам метрического гиль бертова пространства, в котором определено скалярное произведе ние. Введен коэффициент близости спектральных распределений эф фективных световых излучений цветовых каналов зрительной систем при наблюдении равноэнегетического белого, что позволило опреде лить углы между векторами, представляющими эффективные световы излучения цветовых каналов в метрическом векторном гильбертово пространстве. Данные углы не изменяются в евклидовом векторно цветовом пространстве откликов цветовых каналов зрительной сис темы, возникающих в процессе нелинейного функционального преоб разования эффективных световых излучений фоторецепторами. Прове дены эксперименты, подтверждающие изотропность метрического цве тового пространства.

2. Предложена система метрических световых и цветовых веж чин цветовой фотометрии, основанная на представлении цветов метрическом векторном пространстве и нелинейном преобразоваш откликов в зрительной системе, определены соотношения между ве личинами и методы их измерения. Система метрических велите включает в себя световой поток оптического излучения, воспршн маемого зрительной системой цветным, силу света, цветовую осв( ценность, цветовую яркость, цветовую амплитуду, насыщенноси цветовой тон. Предложены способы измерения цветовых величин.

3. Уточнены ¡законы уравнивания и сложения цветов и их едствия, учитывающие представление цветов в метрическом век-• рном пространстве, разработана методика сложения цветов, за-нных своими цветовыми амплитудами, цветовым тоном и насыщен-стыо.

4. На основе метрических световых и цветовых величин опре-лены основные параметры цветных изображений и оптико-электрон-х систем воспроизведения цветных изображений. Получены сен-рные характеристики восприятия параметров цветных изображений, торые подтверждены экспериментальными исследованиями.

5. Определены условия фотометрически точного воспроизведе-я цветных изображений и способы их реализации. Они создают едпосылки для принятия единых цветовых параметров для опти--электронных систем воспроизведения цветных изображений.

6. Сформулирован принцип, постоянной цветовой яркости, пред-жен и экспериментальна опробован на его основе метод передачи етовых сигналов в оптико-электроньк системах, при котором мо-цветные изображения, и моноцветные детали' изображений воспроиэ-дятся с полной четкостью. Экспериментальное исследование цве-вого кодирования цветовых телевизионных сигналов по принципу стоянной цветовой яркости моделированием на телевизионно-вы-слительном комплексе с воспроизведением цветных изображений в андарте с построчным разложением повышенной четкости, а также

макетах аналоговых цветовых кодера и декодера подтвердили вы-цы о повышении четкости цветных изображений при моноцветно ирокополосном методе передачи цветных изображений по принципу зтоянной цветовой яркости в 2-4 раза. При цифровой передаче девизионных сигналов одновременно сокращается скорость цифро-го потока на 252. Цветовые корректоры, использующие принцип зтоянной цветовой яркости, показали в эксплуатации эффектив- ■ :ть применения при телевизионной передаче кинофильмов и теле-эионных программ.

7. Разработан интегральный критерий качества воспроиаведе-г цветных изображений, учитывающий двумерные контрастно-частные характеристики, контраст и отношение сигнала к помехам, гнка качества воспроизведения цветных изображений опти--электронными системами вэпцйбльного телевидения по кктеграль-<у прозрачности и показала, что качества воспроизведения в

стандартных системах телевизионного вещания возрастает примерно в два раза при переходе к цифровому методу передачи телевизионных сигналов по каналам связи в вещательной системе. Введение телевидения высокой четкости с предложенными аналоговыми и цифровыми параметрами увеличивает качество воспроизведения цветных изображений в три раза при наблюдении изображений с расстояния, равного трем высотам изображения. Сравнение по интегральному критерию качества кинематографической системы с кинопленкой шириной 35 мм й телевизионной системы высокой четкости показывет, что качество воспроизведения цветных изображений телевизионной системы высокой четкости может быть выше качества воспроизведения цветных изображений кинематографической системы.

Совокупность предложенных методов составляет методология: оценки качества воспроизведения изображений оптико-злектронныш системами.

Материалы диссертации опубликованы в следующих основных работах:

1. Антипин М.В., Полосин Л. Л. Функциональные показатели качества телевизионного изображения// Запись звука и изображения. -Труды ЛИКИ.- Л.: ЛИКИ, 1980 - С. 170 - 174.

2. Полосин Л.Л. Усредненная пространственно-частотная характеристика системы передачи изображений с дискретизацией/Исследование преобразований изображения и звука в сквозном кинематографическом процессе.- Труды ЛИКИ.- Л.: ЛИКИ, 1982.-С.105-112

3. Полосин Л.Л., Шкуто Е.Ф. Формат кадра телевизионной системы высокой четкости для кинематографа// Исследование преобразований изображения и звука в сквозном кинематографически процессе.- Труды ЛИКИ.- Л.: ЛИКИ, 1982. - С. 137 - 140.

4. Полосин Л.Л. Об аппроксимации характеристики "яркость-светлота" цветового канала зрительной системы//Отечествен ная кинотехника, современные методы и аппаратура фильмопроиз водства.- Сборник трудов ЛИКИ. Л.: ЛИКИ, 1983. - С. 55-61.

5. Кинотелевизионная техника /Антипин М.В., Косарский Ю.С. Полосин Л.Л., Таранец Д.А. Под ред. Антипина М.В.- М.: Искусство, 1984. - 324 с.

6. Полосин Л.Л. Цветовой- контраст изображения// Цветовоспроизведение в кинематографе.-Труды ЛИКИ.-Л. :ЖКИ,1984.-С.З-19.

7. Полосин Л.Л. Количественная оценка эффекта Гельмгольца

Кольрауша// Цветовоспроизведение в кинематографе. Груды ЛИКИ. , 1984. - С. 50 - 53.

8. Полосин Л.Л. Качественные показатели цветного изображе-И. - Л.: ЛИКИ, 1984. - 55 с.

9. Антипин М.В., Полосин Л.Л. О требованиях к параметрам девивионпой системы высокой четкости для кинематографа// Техаса кино и телевидения. - 1984. - N 1. - С. 14-20.

10. Росселевич И.А., Борисов A.A., Подосин Л.Л. и др. Перс-етивные параметры системы телевидения высокого разрешения// хника кино и телевидения. - 1987. - N1. - С. 5 - 11.

. 11. Борисов A.A., Певзнер Б.М., Полосин Л.Л. Параметры те-Еидения высокой четкости, совместимые с Рекомендацией 601 и йствующим стандартом// Всесоюзная научно-техническая конферен-я "Развитие и совершенствование технических средств телевизи-ного вещания". Тезисы докладов. - М.: Радио и связь, 1988. -7.

12. Иванов В.В., Полосин Л.Л. Научные и технические пробле-телевидения высокой четкости// Техника средств"связи. Сер.

ехника телевидения". - 1989. - Вып. 7. - С. 3 - 14-.

13. Антипин М.В., Полосин Л.Л. Будущая телевизионная систе-: чересстрочная иди построчная?// Техника кино и телевидения.-90. - N4. - С. 13 - 16.

14. Полосин Л.Л., Шугалей С.М. Методы и устройства цвето-ррекции в телевизионной аппаратуре// Техника кино и телевиде-я. - 1991. - N8. - С. 23 - 31.

15. Грудзинский М.А., Кованько В.В., Крылков В.Ф., Борисов А., Полосин Л.Л. Подходы к стандартизации параметров телевиде-я высокой четкости// ВНТК НТО РиЭС им. А.С.Попоев "Проблемы и рспективы развития телевидения". Тезисы докладов. - М.: Радио

связь, 1991. - С. 3.

15. Борисов A.A., Крылков В.Ф., Кучеров Г.И., Полосин,Л.Л. развитии работ по созданию студийной аппаратуры телевидения :окой четкости// ВНТК НГ0 РиЭС им. А.С.Попова "Проблемы и пер-гктивы развития телевидения". Тезисы докладов. - М.: Радио и ?зь, 1991. - С. 5.

17. Полосин Л.Л. Параметры цветного изображения в метрикам цветовом пространстве // ВНТК НТО РиЭС им. А.С.Попова юблемы и перспективы развития телевидения". Тезисы докладов.-

М.: Радио и связь, 1991. - С. 30.

18. Подосин Л.Л. Новый подход к определению метрическоп цветового пространства/'/ Техника средств связи. Сэр."Техника телевидения", 1991. - Вып.2. - С. 3 - 12.

19. Kauff P.. Schaefer R., Orrakov I., Polossin L.L. Nei Method of TV Signals Colour Coding// Abstracts of Conference oi High Definition Video. - Berlin, 1992.

ED. Polosin L.L. Parameters of the Image in the Metric Co lour Space// International Conference on Optical Informatic: Processing. Technical Program and Abstracts.- 2-7 August 1993 St. Petersburg. - P. 107.

21. Полосин Л. JI. Цветовая фотометрия световых излучений/ 10-я научно-технической конференция "Фотометрия и ее метрологи ческое обеспечение". Тезисы докладов.- М.,29 - 30 ноября 1994. С. 31.

22. Полосин Л. Л. Основные величины цветовой фотометрии/Сии позиум "Прикладная оптика - 94". Тезисы докладов. - Санкт-Петер бург, 15 - 18 ноября 1994. - С. 108.

23. Полосин Л.Л. Параметры цветного изображения// 50-я юб* лейная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию иг бретения радио. Теэисы докладов. - Санкт-Петербург: НТО РЭиС m А.С.Попова, апрель 1995 г. - С. 38.

•24. Полосин Л.Л., Шугалей С.М. Сенсорная характеристик "цветовая яркость-светлота" зрительной системы в телевизионш условиях наблюдения// 50-я юбилейная научно-техническая конф( ренция, посвященная 100-летию изобретения радио. Теэисы докд; дов.- Санкт-Петербург: НТО РЭиС им. А.С.Попова, 1995.- С.38 - :

25. Гребенников О.Ф., Полосин Л.Л., Гудинов К.К. Сравн тельная оценка качества изображения в кинематографе и телевид! нш//Пробдеыы развития техники и технологии кинематографа. Обо; ник научных трудов СПЖТ. - Санкт-Петербург. 1995. - Вып. 5. С. 3 - 15.

26. Полосин Л.Л., Шугалей С.М. Оперативная студийная цвет коррекция цветных отреставрированных фильмокопий//Проблемы ра вития техники и технологии кинематографа. Сборник научных тр дое СПИКТ. - Санкт-Петербург, 1995. - Вып. 5. - С. 126 - 131.

27. Полосин Л. Л. Проблемы телевидения высокой четкости//И вестия СПбГБТУ. Проблемы телевидения и видеотехники. - Санкт-П

ербург, 1995. - Вып. 478. - С. 80 - 86.

28. Polossin L.L. Harmonisierung der Multimediafarbenwand-ung// IIB-Fachbericht, 136. Multimedia: Aiwendungen, Technolo-ie, System». Vortraege des 6.Dortmunder Fernsehseminars vom 4. is 6.October 1995. - VDE - VERLAG GMBH, Berlin, Offenbach. -

. 227 - 230.

29. Полосин Л.JI. Принцип передачи постоянной цветовой ярости в телевидении//Телевиеионная техника и связь. - С.- Петер-ург: НИИТ. - 1995. - С. 28-37.

• 30. Полосин Л.Л. Передача ТВ сигналов на основе принципа эстоянной цветовой яркости// 49-я научно-техническая конферен-ия СПбГУТ им. проф. М.А.Бонч-Еруевича. Тезисы докладов.- Санкт-этербург, 1996. С. 54.

31. Полосин Л.Л. Интегральная оценка качества воспроизведет цветных изображений// Телевидение и видеотехника.. Теория и рактика. - Сборник научных трудов под ред. д.т.н. проф. Тимофе-заБ.С.. - Санкт-Петербург: СПбГААП, 1996. - С. 28 - 35.

32. Полосин Л.Л. Оценка качества воспроизведения цветных зображений по интегральной прозрачности// Научно-техническая знференция "Прикладная оптика - 96". Тезисы докладов. - Санкт-гтербург, 1996. - С. 314.

33. Polosin L.L. Colour Photometry by Image Optical Proces-Lng// Second International Conference on Optical Information -ooessing: Advance Technical Program and Abstracts. St.Peters-lrg: St.Petersburg State Academy of Aerospace Instrumetation, '-20 June 1996. - P. 76.

34. Polosin L.L. Colour Photometry by Image Optical Proces-.ng// Proceeding of the SPIE. - 1996.- Vol. 3969.- P. 630-633.

35. Полосин Л.Л. Функции относительной спектральной свето->й эффективности цветовых каналов зрительной системы// 11-ая 1учно-техническая конференция'"Фотометрия и ее метрологическое ¡еспечение". Тезисы докладов. - М.: ВНИИОФИ, 17 - 18 декабря >96. - С. 29.

36. Полосин Л.Л. Цветовая фотометрия в телевидении//50 - ая ,учно-техническая конференция. Тезисы докладов. - Санкт- Петер-рг: СПбГУТ км. проф. М.А.Бонч-Бруевича, 20 - 24 января 1997. -

82.

37. Передающая телевизионная камера. А. С. >5720803, 1980/

Полосин Л.Л. Лобов H.H., Оборин В.Н. (СССР).

38. Устройство преобразования стандартов. А. С. N1601779, 1990 /Полосин Л.Л.. (СССР).

39. Способ и устройство цветокоррекции. А. С. N1823151, 1993 / Полосин Л.Л., Щугалей С.М. (СССР).

40. Способ передачи цветовых сигналов. Патент N2024216, 1995 / Полосин Л.Л. (РФ).

41. Способ измерения световых и цветовых величин в фотометрии и колориметрии. Патент N2087879, 1997 / Полосин Л.Л. (РФ).

42. Комплект испытательных таблиц для телевидения высокой четкости. Свидетельство Госкомизобретений на промышленный образец N34369. Зарегистрирован в Государственном реестре промышленных образцов СССР 29 марта 1991 г. / Полосин Л.Л., Семенов В.Н., Вексдер А.Ф. и др. (СССР).

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕЛЕВИДЕНИЯ

На правах рукописи

ПОЛОСИН Лев Леонидович

МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЬМИ СИСТЕМАМИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные

приборы

Диссертация на соискание ученой степени -—_ - ——дект-ора -.технических наук

Санкт-Петербург 1997

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

Стр

Список условных обозначений и аббревиатур..................6

Введение..................................................12

Глава 1. Ограничения в использовании фотометрических величин и методов колориметрии при оценке качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами...............................21

1.1. Основные величины фотометрии...................21

1.2. Методы колориметрии............................26

1.3. Ограничения при применении основных величин фотометрии и методов принятой колориметрии для оценки качества воспроизведения цветных изображений.......................................41

Выводы.........................................50

Глава 2. Представление и количественная оценка цвета в

цветовой фотометрии..............................52

2.1. Аксиомы метрических векторных пространств......52

2.2. Характеристики преобразования откликов в зрительной системе................................57

2.3. Представление цветов в метрическом векторном цветовом пространстве..........................71

2.4. Основные величины цветовой фотометрии..........89

2.5. Измерение основных величин цветовой фотометрии 98

2.6. Основные законы уравнивания и сложения цветов

в цветовой фотометрии.........................106

2.7. Связь между координатами цветов в метрическом векторном цветовом пространстве и в международной системе цветовых координат ............110

Выводы........................................114

Глава 3. Параметры цветного изображения и сенсорные характеристики их восприятия.........................116

3.1. Основные параметры цветного изображения.......116

3.2. Сенсорные характеристики зрительной системы при восприятии цветовой яркости и цветовой амплитуды.......................................118

3.3. Контраст и сенсорная характеристика его восприятия.......................................132

3. 4. Сенсорные характеристики по четкости и резкости...........................................140

3.5. Сенсорная характеристика зашумленности........149

3.6. Количественная оценка эффекта Гельмгольца -

Кольрауша в цветовой фотометрии...............154

Выводы........................................157

Глава 4. Новый подход к интегральной оценке качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами..................................160

4.1. Фотометрическая точность воспроизведения цветных изображений...............................160

4.2. Оценка качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами по интегральной прозрачности.........................169

4.3. Усредненные контрастно-частотные характеристики оптикоэлектронной системы с дискретизацией 187

4.4 Качество воспроизведения цветных изображений оптико-электронной системой телевидения со

стандартными параметрами разложения...........193

Выводы........................................205

Глава 5. Повышение качества воспроизведения цветных изображений новыми методами цветового кодирования сигналов и цветовой коррекции..................207

5.1. Принцип постоянной яркости с векторным кодированием цветовых сигналов......................207

5.2. Принцип постоянной цветовой яркости...........212

5.3. Передача цветовых сигналов в оптико-электронных системах телевидения повышенной и высокой четкости......................................216

5.4. Экспериментальное исследование передачи цветовых сигналов по принципу постоянной цветовой яркости.......................................220

5.5. Цветовая коррекция изображений по принципу постоянной цветовой яркости.....................240

Выводы........................................250

Глава 6. Повышение качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами увеличением четкости.....................................252

6.1. Параметры оптико-электронных систем цветного телевидения высокой четкости..................252

6.2. Цифровые параметры оптико-электронных систем цветного телевидения высокой четкости.........260

6.3. Экспериментальная оптико-электронная система цветного телевидения повышенной четкости......266

6.4. Оценка качества воспроизведения цветных изображений оптико-электронной системы телевидения высокой четкости..........................285

6.5. Сравнительная оценка качества воспроизведения изображений оптико-электронной системой высо-

кой четкости и кинематографической системой...295

Выводы........................................308

Заключение...............................................310

Литература...............................................313

Приложения ..............................................333

- 6 -

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И АББРЕВИАТУР

А - расстояние от наблюдаемого изображения до зрителя; Ас - амплитуда цвета;

Ак, Ас, Ав - амплитуды откликов цветовых каналов зрительной системы; Аг, Аё, Аь - составляющие амплитуд откликов в плоскости цветности;

, Акс_в, Акв_с - амплитуды откликов оппонентных каналов зрительной системы; В - обозначение синего цвета, цифровой поток; Вс - цветовая яркость;

Ве- плотность распределения энергетической яркости

излучения по длинам волн; ЬШ - спектральная характеристика чувствительности канала синего зрительной системы; С!,с2 - постоянные; С - обозначение цвета;

Е - освещенность, обозначение равноэнергетического белого цвета; Ее - энергетическая освещенность; Ек, Ес, Ев - цветовые сигналы; Еу - сигнал яркости; ЕН_У)ЕВ_У - цветоразностные сигналы; Ег, Её, Еь - первичные цветовые сигналы колориметра и

телевизионной камеры; е - энергетический индекс; Е - обозначение цвета; Г - частота;

- 7 -

:ГД - частота дискретизации; Гс - строчная частота; Гк - частота смены кадров; Гп - частота смены полей; С - обозначение зеленого цвета;

g - индекс, относящийся к зеленым цветам, коэффициент; ё(Х) - спектральная характеристика чувствительности ка

нала зеленого зрительной системы; Н - высота воспроизводимого изображения; 11 - высота кадра на фоточувствительной мишени; I - сила света;

1е - энергетическая сила света;

1С - ток сигнала;

К - контраст изображения;

К(Г) - контрастно-частотная характеристика;

Кт - максимальная спектральная световая эффективность;

к - относительный контраст изображения;

кф - формат кадра;

кГё> кеЬ- кгЬ - коэффициенты близости кривых спектральной чувствительности цветовых каналов зрительной системы;

кс - относительный цветовой контраст; кц - относительный контраст по цветности; Ь - фотометрическая яркость; М - увеличение, масштаб, глубина модуляции; т - число телевизионных линий, приходящихся на высоту кадра;

пс - число элементов изображения в строке; Р - мощность;

PÜ) - спектральное распределение мощности излучения; р - число разрядов квантования; q - качество;

R - основной цвет сложения красный; г - индекс, относящийся к красным цветам; г (А,) - кривая сложения основного цвета R; SB - ощущение цветовой яркости; SA - ощущение цветовой амплитуды; s - насыщенность; Тк - длительность кадра; Тс - длительность строки; Тас - активная длительность строки; Тп - длительность поля; t - переменная времени; U" - координата равноконтрастной системы; и - координата равноконтрастного графика, напряжение; V - потенциал, обьем; V" - координата равноконтрастной системы; V(X) - относительная спектральная эффективность монохроматического излучения для дневного зрения; v - координата цветности равноконтрастного графика,

скорость движения; W - энергия;

W" - координата равноконтрастной системы; w - белизна, кратность чересстрочного разложения; X - координата цвета в стандартной колориметрической

системе МКО 1931; Х0 - координата цвета в стандартной колориметрической системе МКО 1964;

х - координата цветности в колориметрической системе

МКО 1931, координата декартовой системы; х(Х),х0(Х) - кривые сложения колориметрических систем

МКО 1931 и МКО 1964; Y, Y0 - координаты цвета колориметрических систем МКО

1931 и МКО 1964; у - координата цветности в колориметрической системе

МКО 1931, координата декартовой системы; ут - координата цветности монохроматического излучения

колориметрической системы МКО 1931; уе _ координата цветности ахроматического излучения колориметрической системы МКО 1931; уШ,у0(Х) - ординаты кривых сложения в колориметрических системах МКО 1931 и МКО 1964; Z - координата цвета в стандартной колориметрической

системе МКО 1931, комплексное сопротивление; Z0 - координата цвета в стандартной колориметрической

системе МКО 1964; z - число строк, координата цветности в колориметрической системе МКО 1931, координата декартовой системы; za - активное число строк;

z0 - координата цветности в колориметрической системе МКО 1964;

ISO - международная организация по стандартизации; MPEG - экспертная группа по цифровой передаче телевизионных сигналов; MUSE - японская система телевидения высокой четкости; NTSC - стандартная телевизионная вещательная система;

РАЬ - стандартная вещательная телевизионная система; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; ГЦП - генератор цветных полос; ЕВС - европейский вещательный союз; КЧХ - контрастно-частотная характеристика; МККР - международный консультативный комитет по радио; МКО - международная комиссия по освещению; МСЭ - международный союз элетросвязи; МСЭ-Р - комитет по телевидению и радиовещанию международного союза электросвязи; ОИРТ - интернациональная организация радио и телевидения;

СЕКАМ - стандартная вещательная телевизионная система; ТВЧ - телевидение высокой четкости; ТПЧ - телевидение повышенной четкости; ТИТ - телевизионная испытательная таблица; ФСТР - федеральная служба телевидения и радиовещания России;

ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; ЦВКУ - цветное видеоконтрольное устройство; а - угол в метрической системе цветовых координат; (3 - угол зрения телевизионной камеры; "У - коэффициент, характеризующий нелинейность амплитудной характеристики; А0 - отсчетный уровень при определении разрешающей

способности; АГ - полоса пропускания по частоте; 0 - угол между вектором цвета и вектором равноэнергети-ческого белого в метрическом цветовом пространстве;

- и -

X - длина волны;

г|) - отношение сигнала к шуму;

х - интегральная прозрачность;

тэ - время передачи элемента;

т( ) - спектральный коэффициент пропускания;

Ф - световой поток;

Фе - лучистый поток;

Ф - угол в плоскости цветности метрической цветовой

системы, фаза; у - частота;

ух,уу - пространственные частоты в 1/ мм; А - глубина модуляции; б - площадь поверхности;

бх,бу - среднеквадратичные отклонения положения кинокадра от номинального положения; со - круговая частота, телесный угол; о)хо)у - пространственные круговые частоты по горизонтали и вертикали; Ц - обозначение плоскости цветности.

- 12 -ВВЕДЕНИЕ

Совокупность технических средств для формирования цветных изображений, их оптико-электронного преобразования в электрические сигналы, обработки электрических сигналов, передачи сигналов по каналам связи и воспроизведения цветных изображений посредством электронно-оптического преобразования будем называть оптико-электронной системой передачи и воспроизведения цветных изображений. Наблюдение воспроизводимых цветных изображений осуществляется зрительной системой. Зрительную систему образует совокупность глаза, нервных сетей обработки и передачи зрительной информации и коры головного мозга. Глаз представляет собой часть зрительной системы, в которой происходит преобразование световых сигналов в сигналы нервной сети, формирующие в коре головного мозга зрительный образ.

Назначением оптико-электронных систем передачи и вое- ^ произведения цветных изображений является передача световых сигналов, несущих информацию об объекте. Световой сигнал, представленный в виде, удобном для восприятия зрительной системой, образует изображение. Изображения разделяются на монохромные, например черно-белые, и цветные.

Цветные оптические изображения объектов преобразуются в электрические сигналы, которые обрабатываются, записываются на носитель для его хранения, передаются по каналам связи или на носителе и преобразуются снова в световой сигнал в виде цветных изображений. Преобразование светового сигнала в электрический сигнал осуществляют различного рода фотоэлектрические преобразователи, к которым относятся телевизионные

передающие трубки и приборы с зарядовой связью. Электрические сигналы подвергаются различным преобразованиям и могут передаваться в различных диапазонах частот. Преобразование электрических сигналов в световые сигналы при воспроизведении изображений осуществляется с помощью кинескопов или других устройств воспроизведения.

В оптико-электронных системах обычно осуществляется дискретная по спектру, во времени и в пространстве передача цветных изображений. Она сопровождается искажениями, которые зависят от параметров системы, характеристик преобразования световых сигналов в электрические сигналы, характеристик передачи сигналов, а также характеристик преобразования сигналов в цветные изображения. Заметность искажений определяется характеристиками зрительной системы как оконечного приемника цветных изображений.

Повышение качества воспроизведения цветных изображений составляет центральную проблему развития и совершенствования оптико-электронных систем передачи и воспроизведения цветных изображений, к которым относятся телевизионные и видеосистемы вещательного телевидения, прикладные системы цветного телевидения, системы обработки цветных изображений, системы мультимедиа, системы электронного кинематографа, полиграфические электронные системы. Качество воспроизведения цветных изображений характеризует качество оптико-электронной системы.

Имеются следующие пути повышения качества воспроизведения цветных изображений в наиболее массовых вещательных оптико-электронных системах воспроизведения цветных изображений или близких к ним оптико-электронных системах телевиде-

ния:

- повышение качества воспроизведения изображений в действующих стандартах улучшением параметров оптико-электронной системы и устранением имеющихся искажений;

- разработка новых оптико-электронных систем воспроизведения цветных изображений повышенной и высокой четкости и качества с улучшенными параметрами.

В действующих оптико-электронных системах вещательного телевидения качество воспроизводимых цветных изображений еще не достигает того уровня, который заложен параметрами стандарта разложения, вследствие отклонения характеристик телевизионной аппаратуры, используемой при производстве программ и при доставке их зрителям, от необходимых для получения потенциального качества. Для контроля качества необходима сертификация технического качества телевизионной аппаратуры по производству телевизионных программ и контроль ее характеристик в процессе эксплуатации.

При разработке новых перспективных оптико-электронных систем цветного телевидения повышенной и высокой четкости, цифровых систем передачи цветных изображений со сжатием цифрового потока, систем мультимедиа и прикладных оптико-электронных систем возникает необходимость в количественной оценке достигаемого качества воспроизведения цветных изображений, получаемого зрителем, и оценке эффективности разрабатываемых систем.

В оптико-электронных системах цветные изображения объектов, характеризуемые многомерной плотностью распределения энергии, могут быть различными. Они имеют разнообразные пространственно-временные и оптические спектры. По воспроиз-

водимым цветным изображениям объектов трудно оценить качество оптико-электронных систем.

Для определенных изображений искажения, вносимые оптико-электронной системой, оказываются малы и воспроизводимое изображение может получить высокую оценку качества. На других изображениях могут наблюдаться заметные искажения и качество их воспроизведения оказывается невысоким. Судить о качестве воспроизведения цветных изображений оптико-электронными системами на основе экспертной оценки наблюдателями достаточно сложно, а определить количественные технические требования к характеристикам оптико-электронных систем и ее звеньев для получения минимальных искажений при воспроизведении реальных цветных изображений практически невозможно.

Другой подход к оценке качества оптико-электронных систем воспроизведения цветных изображений заключается в следующем. На основе характеристик восприятия световых сигналов строится модель их преобразования в зрительной системе. Эта модель описывается параметрами и характеристиками, которые идентичны параметрам и характеристикам телевизионных и видеосистем. Она включается последовательно с оптико-электронной системой передачи изображений в качестве оконечного устройства. Выбор унифицированных условий восприятия воспроизводимых изображений и условий восприятия световых сигналов объекта, использование идентичных характеристик системы передачи изображений и зрительной