1

Videotechnika a multimediální technika - MVDK

Akademický rok 2011 / 2012

Přednáška číslo 1

Základy televizní kolorimetrie

Martin Slanina

6. 2. 2012

Obsah přednášky

MVDK přednáška 1 – Základy TV kolorimetrie str. 2

1. Základy televizní kolorimetrie

• 1.1 Lidský zrak a vnímání světla • 1.2 Veličiny popisující světlo • 1.3 Kolorimetrické vyrovnání, mísení světel

• 1.4 Kolorimetrické systémy RGB, XYZ • 1.5 Mísení barev a znázornění v systému XYZ

• 1.6 Měření barevných souřadnic

Obsah přednášky






Viditelné světelné záření • elektromagnetické záření o vlnové délce v rozmezí asi (380 ÷ 830) nm • odpovídající kmotočet je asi (790 ÷ 360) THz • barevné světlo je charakterizují tři parametry:

psychosenzorické fyzikální

barevný tón dominantní vlnová délka [m] barevná sytost složení spektrálních složek [%] jasnost jas [cd/m2]

Co je světlo?


Lidské oko a fotoaparát

čočka

fotografická čočka

duhovka

clona

cévnatka

černá komora

sítnice

film

rohovka

sklivec

ústřední jamka

optický nerv

uzávěrka


Struktura sítnice oka

gangliová buňka

bipolární buňka

amakrinní buňka

horizontální buňka

tyčinka

čípek

světlo

Tyčinky (rods) – zodpovědné za skotopické (tyčinkové) vidění při slabém osvětlení – vjem jasu nebo jasnosti v relativně tmavých prostředích. Čípky (cones) – zodpovědné za fotopické (čípkové) vidění při silném osvětlení – vjem barvy v relativně jasných prostředích. Pokud k vjemu přispívají čípky i tyčinky současně, mluvíme o mezopickém vidění

pigmentová vrstva

Existují tři typy čípků: L-čípky, M-čípky, S-čípky, citlivé na dlouhé (long), střední (medium) a krátké (short) vlnové délky. Tvoří základ barevného vidění.

Vlnová délka [nm]

Citlivost

S M L


Barevné vidění

Trichromatická teorie (Thomas Young 1802, Hermann von Helmholz 1894) • 3 typy fotoreceptorů (L-, M-, S-čípky), vnímající červenou, zelenou a modrou složku

světla. • Všechny barvy jsou charakterizovány velikostí odezvy těchto receptorů.

Teorie oponentního vnímání barev (Ewald Hering 1878)

• 3 typy fotoreceptorů, vnímající rozdíly červená-zelená (R-G), žlutá-modrá (Y-B) a bílá-černá (W-K).

• Všechny barvy jsou charakterizovány velikostí odezvy těchto receptorů.

Vlnová délka [nm]

400 500 600 700

Rela

tivní spektr

áln

í citlivost

1.0

0.5

0.0

-0.5

W-K

Y-B

R-G

Trichromatická odezva je charakteristická pro čípky. Signály generované v čípcích jsou podrobeny zpracování, které se řídí teorií oponentního vnímání barev (horizonální buňky, amakrinní buňky, atd.).


Poměrná světelná účinnost pro fotopické vidění V(l) a pro skotopické vidění V’(l)

poměr vyzářeného výkonu světla o vlnové délce lm=555 nm a vy-zářeného výkonu světla o vlnové délce l tak, že obě světla vyvolají stejně silný jasový vjem.

Spektrální citlivost lidského oka

400 500 600 700 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

V(l) V’(l)

l [nm]

V [

-]

Spektrální citlivost je určena jasovým vjemem při pozorování světel různých vlnových délek. Stejné množství světelné energie je méně viditelné, měníme-li vlnovou délku směrem nahoru nebo dolů od maxima. Záření se stává pro člověka neviditelným mimo pásmo viditelného záření (asi 380 – 830 nm).


Zdroje barevného světla:

- primární zářiče (samy září). Jsou charakterizovány tzv. chromatičností,

- sekundární zářiče (předměty osvětlené jiným primárním zářičem). Jsou charakterizovány tzv. koloritou. Jejich barevný vjem je dán spektrálním složením primárního zdroje a spektrální závislostí koeficientu odrazu.

Obsah přednášky






Fotometrické postupy se používají pro měření světla – všech vjemů které jsou vlastní lidskému systému vidění a jsou ovlivněny činností lidského vizuálního systému. Fotometrické veličiny proto musí uvažovat:

• Fyzikální vlastnosti vyzařovaného výkonu, kterým je systém podrážděn. • Spektrální citlivost systému vidění.

Fyzikální (radiometrická) veličina:

zářivý tok fe [W] – vyzářená energie za jednotku času (vyzařovaný výkon)

Spektrální citlivost je uvažována definicí světelného toku fv [lm - lumen] – je odvozen ze

zářivého toku s uvažováním vjemu pro standardního fotometrického pozorovatele:

Jakými veličinami lze popsat světlo?

],mW,Wlm [lm; d -1-1

, llffl

lVK emv

d

d,

l

ff l

ee

-1Wlm 368 mK

lV

: spektrální koncentrace zářivého toku : konstanta : poměrná světelná účinnost pro fotopické vidění


Zářivost Ie [W/sr] je vyjádřena zářivým tokem na jednotku prostorového úhlu.

Svítivost Iv [lm/sr (cd)] je světelný tok na jednotku prostorového úhlu.

Kandela (cd) je svítívost zdroje, který v daném směru vyzařuje monochromatické

záření o frekvenci 540 x 1012 Hz (odpovídající vlnová délka ve vzduchu je 555,016nm), a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattů na jeden steradián. Kandela je základní jednotkou SI.

Osvětlení Ev [lm/m2 (lx)] je vyjádřeno světelným tokem dopadajícím na

jednotkovou plochu.

f

d

d eeI

element prostor. úhlu d

f

d

d vVI

SE v

Vd

df

plošný element dS

f

dcosd

d

SL v

V

Jas Lv [cd/m2 (nt)] (jasnost, luminance) je vyjádřena svítivostí (zářivostí)

zdroje na jednotkovou plochu. Je to vlastně svítivost (zářivost) plošného zdroje světla. je úhel svíraný mezi směrem pozorování a normálou plochy plošného zdroje.

N

dS

Jakými veličinami lze popsat světlo?


Obsah přednášky






subtraktivní - barevné světlo se získá z bílého (nepestrého) světla odfiltrováním nežádoucích spektrálních složek (např. v barevné fotografii).

Používá světla C (cyan – modro-zelené), M (magenta - fialová) (soustava CMY). Pro přepočet soustav RGB a CMY platí

R = Y + M - C; G = Y + C - M; B = C + M - Y.

aditivní - barevné světlo se získává mísením různého počtu složkových světel.

V televizní technice se používají tři složková světla: červené R, modré B a zelené G.

Mísení lze (díky nedokonalosti lidského zraku) uskutečnit jako: lokální: složková světla se mísí na stejném místě – technicky

obtížně realizovatelné,

prostorově odlišené: složková světla jsou promítána blízko sebe - využívá se konečné rozlišovací schopnosti lidského zraku,

postupné: složková světla jsou promítána na stejné místo nebo blízko sebe v rychlém časovém sledu působí setrvačnost zrakového vjemu,

binokulární: na každé oko je promítáno jiné složkové světlo.

Mísení barev

Kolorimetrické vyrovnání

Založeno na aditivním mísení barev Barevné světlo označeno hranatými závorkami [ ]:

světlo [F1] odpovídá [F2], [F3] odpovídá [F4]:

[F1] = [F2]; [F3] = [F4]

Grassmannovy zákony:

1. úměrnost a[F1] = a[F2]; a[F3] = a[F4]

2. aditivita [F1] + [F3] = [F2] + [F4];

[F1] + [F4] = [F2] + [F3]

Vyrovnání světla [Fl] s využitím světel [R], [G], [B] :

: trichromatické součinitele

jednotky složkových světel [R], [G], [B]

Výše uvedené platí pro monochromatická světla!

]B[]G[]R[]F[ llll bgr

lll bgr , ,barevná metamerie: každé barevné světlo lze reprodukovat s využitím různých barevných světel různého, ale přesně určeného jasu – metamerní světla vyvolávají stejný vjem barvy, ale mají jiné spektrální složení


Vlnová délka [nm] 400 500 600 700

Spektr

áln

í tr

ichro

matické č

lenitele

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

lb

lg

lr

Barevné světlo [F] získané mísením stejného množství monochromatických světel [F1], [F2]

n

i

ii

n

i

ii

n

i

ii bfBgfGrfR111

, , lll

R, G, B : trichromatické součinitele

výsledného barevného světla fi : vyzařované výkony

monochromatických světel

Graf: Průběh trichromatických součinitelů pro vyrovnání všech čistých spektrálních barev se stejným světelným výkonem: spektrální trichromatické členitele

bgr , ,

“kolik jednotlivých složkových světel je potřeba k vyrovnání monochromatického světla dané vlnové délky”

lll bgr , ,

]B[]G[[R]

]B)[(]G)[(]R)[(

][F][F[F]

]B[]G[]R[][F

]B[]G[]R[][F

212121

21

2222

1111

BGR

bbggrr

bgr

bgr

llllll

lll

lll



Stanovení velikosti složkového světla RM pro vyrovnání světla [M] se známou spektrální zářivostí SM

0

M

0

M

0

M

dλ)λ()λ(

dλ)λ()λ(

dλ)λ()λ(

bSB

gSG

rSR

M

M

M



Obsah přednášky






CIE 1931 RGB specifikační systém

Průběhy spektrálních trichromatických členitelů byly definovány CIE (Commission Internationale de l’Eclairage / MKO – Mezinárodní komise pro osvětlování) v r. 1931 na základě následujících principů:

• Vlnové délky: Referenční světla [R], [G], [B] jsou monochromatická světla o vlnových délkách lR=700.0 nm, lG=546.1 nm and lB=435.8 nm.

• Množství: Základním světlem je světlo bílé barvy. Množství referenčních světel [R], [G], [B] potřebných k vyrovnání základního světla je v poměru:

1.00 : 4.59 : 0.06 ve fotometrických jednotkách, 72.09 : 1.38 : 1.00 v radiometrických jednotkách.


. 1

,)(

,)(

,)(

bgr

BGR

Bb

BGR

Gg

BGR

Rr

trichromatické souřadnice r, g, b: [B]

(0, 0, 1) [F]

(R, G, B)

[G]

(0, 1, 0)

[R]

(1, 0, 0)

r g

g

r

1.0

1.0

r + g = 1.0

g

r

[F]

diagram barev: všechny skutečné barvy (tj. takové které mohou reálně existovat) se nalézají uvnitř oblasti ohraničené křivkou. Barvy mimo tuto oblast jsou tzv. imaginární barvy.

CIE 1931 RGB specifikační systém


CIE 1931 RGB: Shrnutí

• Založen na reálných barvách • Vyrovnání barev je realizováno mísením základních barevných světel [R][G][B]

Nevýhody

• Trichromatické členitele dosahují negativních hodnot => negativní hodnoty trichromatických souřadnic

• Jas výsledné barvy je obtížné spočítat. • Je obtížné znázornit proces mísení v barevném prostoru.

Místo systému RGB je nejčastěji používán systém XYZ.


Podmínky: 1. Základním světlem je bílé světlo s konstantní energií v celém spektru.

2. Světelné jednotky světel [X] a [Z] jsou nulové (nezáří), světla [Y] je 1.

3. Přímá čára spojující [X] a [Y] se dotýká spektrální křivky na straně dlouhých

vlnových délek..

4. Přímá čára spojující [Y] a [Z] se přibližně dotýká spektrální křivky v bodě l = 504 nm, kde je její zakřivení minimální.

)V()( ll y

0)( lznm 650 pro l

Vlnová délka [nm]

Trichro

matické č

lenitele

lz

ly lx

Volba referenčních světel [X] [Y] [Z]

Barevný specifikační systém XYZ



6022.11409.07431.0]Z[

0279.07671.27392.1 ]Y[

0028.02778.02750.1 [X]

ZZZ

YYY

XXX

bgr

bgr

bgr

Barevné souřadnice referenčních světel [X][Y][Z]


B.G.R.Z

B.G.R.Y

B.G.R.X

594505700000

060059140001

130175217702

Z.Y.X.B

Z.Y.X).(G

Z.Y.X.R

179000300010

016025200910

083015904190

Transformace z RGB do XYZ

Transformace z XYZ do RGB

Barevné souřadnice

1

zyx

ZYX

Zz

ZYX

Yy

ZYX

Xx

Y reprezentuje

fotometrickou veličinu (jas)

Pozn.: transformační koeficienty lze odvodit z barevných souřadnic světel [X], [Y], [Z].




3 veličiny jsou nutné pro popsání barvy: nejčastěji barevné souřadnice x, y +

fotometrická veličina Y

(Y,x,y)

xy diagram barev


Obsah přednášky






Mísení barev

Mísení dvou barevných světel, [M1] (XM1, YM1, ZM1) (xM1, yM1) a [M2] (XM2, YM2, ZM2) (xM2, yM2).

Podle Grassmannových zákonů:

21

21

21

MMM

MMM

MMM

ZBZAZ

YBYAY

XBXAX

A, B – množství

mísených světel

Příklad

Mísení [M1]: XM1 = 20, YM1 = 10, ZM1 = 3

[M2]: XM2 = 2, YM2 = 10, ZM2 = 3

A = B = 0.5

6667.0

1333.0

3030.031020

10

6061.031020

20

2

2

111

11

111

11

M

M

MMM

MM

MMM

MM

y

x

ZYX

Yy

ZYX

Xx


Mísení barev

335.035.0

10105.0105.0

1125.0205.0

21

21

21

MMM

MMM

MMM

ZBZAZ

YBYAY

XBXAX

4167.031011

10

4583.031011

11

MMM

MM

MMM

MM

ZYX

Yy

ZYX

Xx

[M2]

[M1]

[M]

! Přestože jsou mísena stejná množství světel [M1] a [M2], výsledek není uprostřed spojnice v diagramu barev !


Mísení barev

1613.0732031

20

2500.0732031

31

M

M

y

x

Při použití tří světel [M1], [M2], [M3], se všechna dosažitelná barevná světla nacházejí uvnitř trojúhelníku, jehož vrcholy odpovídají souřadnicím základních světel.

Přidání 1∙[M3]: XM3 = 20, YM3 = 10, ZM3 = 70

=> xM3 = 0.2000, yM3 =0.1000

7370311

20101011

31201111

31

3

3

MMM

MMM

MMM

ZZZ

YYY

XXX

[M2]

[M1]

[M]

[M3]

[M’]


Barevná světla používaná v TV technice

PAL, SECAM, 576i, 576p: [R] xr = 0.64 yr = 0.33

[G] xg = 0.29 yg = 0.60

[B] xb = 0.15 yb = 0.06

Pro jiné TV systémy (NTSC, sRGB, HDTV, ...) jsou

rozdíly všech hodnot v rozmezí ±(0.00 ÷ 0.01)

[G]

[R]

[B] Referenční bílé světlo D65: Denní světlo.

Tc = 6504 K,

xD65 = 0.3127, yD65 = 0.3290

[D65]


Dominantní vlnová délka a čistota barev

Světlo [F]:

1. Nalezení průsečíku D spektrální křivky a

přímé čáry směřující z W skrz F

(F lze dosáhnout mísením D a W)

2. Poměr vzdáleností WF/WD se nazývá čistota barvy pe:

3. Vlnová délka monochromatického světla na průsečíku D se nazývá dominantní vlnová délka světla F, označovná jako ld.

wd

wf

wd

wf

eyy

yy

xx

xxp

WD

WF

Světlo [F2] v oblasti fialových světel (čárkovaný

trojúhelník): Vlnová délka monochromatického světla na

průsečíku P’ se nazývá komplementární vlnová délka, označovaná jako lc.

wp

wf

wp

wf

eyy

yy

xx

xxp

222

WP

WF

W(xw,yw)

D(xd,yd)

F(xf,yf)

F2(xf2,yf2)

P(xp,yp)

P’(xp,yp)


Teplota barvy

Barevná teplota Tc vyjadřuje chromatičnost daného záření pomocí teploty černého tělesa, při

které má černé těleso stejnou chromatičnost jako uvažované záření. Korelovaná barevná teplota Tcp (pro záření jehož chromatičnost není přesně shodná s

chromatičností černého tělesa) je teplota černého tělesa, jehož chromatičnost je nejblíže chromatičnosti uvažovaného záření. Tyto teploty se uvažují v jednotkách absolutní teploty (v Kelvinech - K)

! Tc a Tcp neznamenají že světelný zdroj musí mít nutně tuto teplotu !

Planckova křivka (teplota barvy) s křivkami konstantní barevné teploty (korelovaná barevná teplota) (Planckova křivka a křivky konstantní barevné teploty jsou vzájemně kolmé v uv diagramu)


Obsah přednášky






Měření barev

Měřicí metody pro barevná světla

Přímé měření trichromatických hodnot Spektrální kolorimetrie

Čtení kolorimetrických hodnot (trichromatické hodnoty, barevné souřadnice, atd.) přímo z výstupu fotoelektrických receptorů. Lutherova podmínka: Součin spektrální citlivosti fotoreceptoru a spektrální propustnosti korekčního filtru musí být úměrný některé z CIE funkcí spektrálních trichromatických členitelů (nebo jejich lineární kombinaci).

Kolorimetrické hodnoty jsou vypočteny ze spektrální distribuce světelného zdroje nebo spektrální odrazivosti objektu zdroje => spektroradiometr objekty => spektrofotometr Monochromátor rozptyluje polychromatické záření na monochromatické složky a fotoreceptor měří velikost záření na každé vlnové délce.


Přímé měření

Metoda vzoru (template) • Použit vzor (šablona) ve spektru. • Není příliš rozšířeno. Teoreticky jednoduché, ale náročné a drahé na realizaci.

Zdroj světla

Měřený objekt

čočka

čočka

čočka

štěrbina

hranol

spektrum čočka fotoreceptor

vzor X vzor Y vzor Z


Přímé měření

Metoda optického filtru • Optické filtry jsou použity místo hranolu a šablon. • Jednoduchá struktura, “levné”.

Zdroj světla

Měřený objekt

fotoreceptor

filtr

X

filtr

Z

filtr

Y


Spektrální kolorimetrie

• Kolorimetrické hodnoty jsou vypočteny ze spektrální distribuce světelného zdroje nebo spektrální odrazivosti objektu

• Monochromátor rozptyluje polychromatické záření na monochromatické složky a fotoreceptor měří velikost záření na každé vlnové délce.

vstupní štěrbina

čočka

čočka

Hranol = monochromátor

apertura

výstupní štěrbina

foto

recepto

r


Literatura


[1] VÍT, V. Televizní technika: přenosové barevné soustavy. Praha: BEN, 1997. [2] ŘÍČNÝ, V. Videotechnika. Skriptum FEKT VUT v Brně. Brno: FEKT VUT, 2003. [3] OHTA, N.; ROBERTSON, A. R.; Colorimetry: Fundamentals and Applications.

Chichester: Wiley, 2005. [4] Bureau International des Poids et Mesures; The International System of Units (SI).

8th Ed. [online] Paris: Stedi Media, 2006. [cit. 25.11.2008] Dostupné z WWW: http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf

[5] Bureau International des Poids et Mesures; Principles Governing Photometry. [online]

Luisant: Imprimerie Durand, 1983. [cit. 26.11.2008] Dostupné z WWW: www.bipm.org/utils/en/pdf/Monographie1983-1.pdf

[6] WINKLER, S. Digital Video Quality: Vision Models and Metrics. Chichester: Wiley,

2005.

Date post:	22-Oct-2014
Category:	Documents
Upload:	hubert-herencsar
View:	21 times
Download:	1 times

1

Documents