516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 1.16. Удельные координаты цвета в системе RGB

трех компонентов цвета при определении его яркости. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ, которая используется для выполнения всех расчетов, связанных с воспроизведением цвета в телевидении и в видеотехнике.

1.7.2.Цветовая система XYZ

Воснову построения системы XYZ были положены следующие условия:

1.Удельные координаты – кривые смешения не должны иметь отрицательных ординат, то есть все реальные цвета определяются положительными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы.

2.Количественная характеристика цвета – яркость – должна полностью определяться одним его компонентом.

3.Координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е должны быть равными.

Для обеспечения данных требований в качестве основных цветов были выбраны три теоретических (реально не воспроизводимых) цвета XYZ. Координатная система XYZ выбрана так, чтобы векторы основных цветов находились в цветовом пространстве вне тела реальных цветов. Оси X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координат осей в цветовом пространстве – координата Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в плоскости нулевой яркости.

Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:

f′F = x′X + y′Y + z′Z

и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами x′, y′, z′ или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных цветов x′, y′, z′ определяются выражениями, аналогичными (1.9):

Рис. 1.17. Удельные координаты цвета в системе XYZ

2

x P x d ,

z P z d .

1

Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ показаны на рис. 1.17.

Координаты цветности чистых спектральных цветов x, y, z в системе XYZ вычислены и стандартизованы МКО. Например, x = x′/М; y = y′/М; z = z′/М, где М = x′ + y′ + z′ – модуль цвета. Значения координат цветности x, y, z для монохроматических излучений изображены графически на рис. 1.18.

В системе XYZ одна из координат цветности является зависимой от двух других, так как x + y + z = 1. Поэтому для определения цветности достаточно двух координат, например x и y.

Для практических расчетов в системе XYZ рекомендуется использовать известную диаграмму цветности МКО, полученную проекцией диаграммы цветности единичной плоскости на плоскость xy в направлении оси z (рис. 1.19).

Рис. 1.18. Координаты цветности в системе XYZ

Рис. 1.19. Диаграмма цветности МКО

Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее: Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри спектраль-

ного локуса (геометрического места координат цветности чистых спектральных цветов) и определяются положительными значениями x и y.

Равноэнергетический белый цвет Е, имеющий чисто теоретический, расчетный характер, находится в центре тяжести треугольника xoy. Его координатами цветности будут x = 1/3 и y = 1/3.

Цветность смеси двух цветов отображается точкой внутри треугольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.

Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри треугольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.

Цветность сложного излучения помимо координат цветности может быть охарактеризована цветовым тоном и насыщенностью. Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветности МКО определяется длиной волны монохроматического излучения (доминирующей длиной волны λd), соответствующей пересечению кривой спектральных цветов – спектрального локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, например точку М (см. рис. 1.19). Насыщенность численно характеризуется чистотой цвета Pцв, то есть относительным содержанием в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока Fλ):

Pцв = 100 Fλ/( Fλ + Fб), %,

где Fб – световой поток белого цвета, входящего в смесь со спектральным цветом.

Насыщенность максимальна (Pцв = 100%) для чистых спектральных и пурпурных цветов и минимальна (Pцв = 0) для белого цвета.

1.7.3.Равноконтрастная цветовая диаграмма

Сколориметрической точки зрения цвет отображается точкой на диаграмме цветности МКО (см. рис. 1.19). Естественно, что вокруг этой точки имеется окрестность, в которой глаз еще не воспринимает изменение цвета. Поэтому мерой различия цветностей, отображаемых двумя точками на плоскости цветовой диаграммы xy, может служить расстояние между ними. В 1939 г. Мак-Адам провел экспериментальное измерение чувствительности глаза к изменениям цветности, результаты которого представлены на диаграмме цветности xy в соответствии с рис. 1.20. Аналогичные исследования в США были выполнены Джаддом.

Каждый эллипс, построенный в 25 точках диаграммы xy, представляет собой геометрическое место точек одинаково воспринимаемых цветностей. Полуоси эллипсов равны среднеквадратическим ошибкам установки цветовых равенств наблюдателями при одинаковых яркостях для всех эллипсов. Их длину можно принять за порог цветоразличения. На рис. 1.20 все пороги увеличены в 10 раз. Из рассматриваемого рис. 1.20 видно, что пороги в разных участках диаграммы цветности в значительной степени различаются. Например, порог по

цветовому току Δλ, как правило, меньше, чем порог по насыщенности p. Это подтверждено также результатами прямых измерений таких порогов. Опытным путем было найдено, что человек различает примерно 150 спектральных и

Рис. 1.20. Пороги цветоразличения по Мак-Адаму (эллипсы изображены с десятикратным увеличением)

30…50 пурпурных тонов, а число различаемых порогов насыщенности колеблется от 25 для красного до 4 для желтого цвета. Значительно большее число различаемых нами порогов яркости белого: оно составляет несколько сотен (например, порядка 610). Так как все пороги взаимосвязаны, то общее число различаемых цветов определить чрезвычайно трудно. Число различаемых цветностей можно весьма приблизительно оценить в 1300, а общее число цветов – порядка нескольких десятков тысяч [7].

Особо следует отметить, что вышеприведенные результаты были получены в условиях точных колориметрических измерений, значительно отличающихся от условий наблюдения телевизионных измерений (соседство сравниваемых цветов, ровные цветовые поля и пр.). Практические допуски на точность цветопередачи в телевидении могут быть значительно бóльшими, чем пороги Мак-Адама, но здесь дело осложняется их зависимостью от сюжета передачи. Наиболее критично воспроизведение ровных неокрашенных полей (например, шкалы градаций серого), здесь порог заметности появления окраски равен всего двум-трем порогам Мак-Адама для белого цвета: он соответствует изменениям размаха сигналов основных цветов всего на 0,3…0,5%. При переходе к сюжетным цветным изображениям острота цветоразличения резко падает; наиболее критичным объектом является кожа лица; требования к точности сигналов основных цветов снижается до 2…3% или даже до 5%.

Неоднородность цветовой диаграммы xy объясняется тем, что наш глаз воспринимает изменения координат цветности x, y не по линейному закону. Таким образом, хотя на цветовой диаграмме xy расстояние между двумя точками всегда является критерием различия цветностей, соответствующих этим точкам, по величине этого расстояния нельзя точно судить о количестве содержащихся в нем порогов цветоразличения.

В целях устранения этого недостатка целесообразно построить такую цветовую диаграмму, в которой пороги цветоразличения (при неизменной яркости) во всех направлениях выражаются отрезками прямых линий постоянной длины, независимо от их места на этой диаграмме. Такая цветовая диаграмма получила название равноконтрастной диаграммой цветности (в зарубежной литературе используются обозначения UCS – Uniform Chromaticity Scale).

На равноконтрастной диаграмме цветности расстояние между цветами на пороге различения оказывается почти одинаковым. Поэтому окружность представляет собой зону равнозаметных изменений цветности, причем в пределах этой зоны изменения цветового тона и насыщенности цвета являются одинаково различимыми.

Равноконтрастная диаграмма цветности может быть получена из диаграммы цветности xy путем замены основных цветов X, Y, Z другими основными цветами U, V, W с тем, чтобы сократить область зеленых цветов, где эллипсы Мак-Адама (Джадда) имеют большие размеры и расширить область синих цветов, где эти эллипсы имеют малые размеры.

Выбирают такое расстояние единичной плоскости в системе новых основных цветов U, V, W, чтобы все эллипсы на диаграмме цветности в системе XYZ

проецировались на этой плоскости из центра проекции в окружности одинакового диаметра (проективное преобразование).

Равноконтрастную диаграмму цветности в прямоугольных координатах u, v можно построить, используя известные линейные преобразования [8]:

откуда модуль цвета в системе U, V, W равен:

На основании выражений (1.10), (1.11) координаты цветности в системе U, V, W округляются следующими дробно – линейными зависимостями:

Из соотношений (1.12) достаточно легко получить обратные преобразования:

1,5u ,

u 4v 2

v ,

u 4v 2

z 1 x y .

Иногда на практике для выполнения цветовых расчетов целесообразно применить следующие линейные уравнения:

U0,405R 0,116G 0,133B,

V0,299R 0,587G 0,114B,

W0,145R 0,827G 0,627B,

которые устанавливают непосредственную связь между основными цветами систем цветности RGB и UVW.

Для примера на рис. 1.21 приведена диаграмма цветности в прямоугольной системе координат u, v равноконтрастной системы UVW, основанной на работах Мак-Адама и Джадда. Данная диаграмма построена путем проективного преобразования диаграмм цветности xy. Рассматриваемая равноконтрастная диаграммы цветности, получившая название МКО-1960, является достаточно точной. Например, длина отрезка, представляющего один цветовой порог, в тех же единицах, в которых оцениваются координаты u и v, равна в среднем 0,0038.

Особо следует заметить, что рассмотренные принципы цветовых измерений и расчетов относятся к условию наблюдения цветовых полей достаточного крупного размера (более 30…40′) и яркости, соответствующей оптимальным условиям восприятия изображения.

Рис. 1.21. Равноконтрастная диаграмма цветности МКО-1960 (равные линейные отрезки на диаграмме соответствуют равному различению между цветами одинаковой яркости)

Оценка цвета мелких деталей отличается от восприятия цвета крупных деталей, а цвета деталей изображения, размеры которых соизмеримы с разрешаемыми глазом, не различаются совсем, и они воспринимаются как серые. Эти свойства зрения используются при построении систем воспроизведения изображений.

1.8.Основы теории стереоскопического зрения человека

1.8.1.Особенности функционирования зрительной системы при рассматривании стереоизображения

Наука, занимающаяся изучением особенностей зрительного восприятия объемности, получила название стереоскопии (от греческих слов «стерео», то есть объемный, и «скопия» – смотреть, видеть). Естественно, что основные принципы воспроизведения трехмерных изображений должны соответствовать законам стереоскопии.

Конечным звеном стереотелевизионной системы воспроизведения изображений являются глаза наблюдателя. Поэтому стереотелевизионные системы должны строиться таким образом, чтобы по возможности наиболее полно выполнялись привычные для глаз условия наблюдения, соответствующие непосредственному рассматриванию трехмерных физических объектов.

Различные объекты и их пространственное расположение зрительно воспринимаются как при монокулярном (одним глазом), так и при бинокулярном зрении (двумя глазами) в случае восприятия левого и правого изображений объекта, то есть его стереопары. В первом случае главную роль играют такие факторы монокулярного зрения, как зрительная память, линейная и воздушная

перспективы, видимая величина объектов, заполненность промежутков пространства между объектами, загораживание одних объектов другими, распределение светотени на поверхности объектов, контраст и цветность объектов, временнóй параллакс, ощущения различия в напряжении мышц глаза при изменении кривизны хрусталика, учет мышечной работы глаз при их поворотах.

Однако наиболее устойчивое восприятие стереоэффекта возникает при бинокулярном зрении. Появление стереоэффекта при бинокулярном видении объекта объясняется теорией корреспондирующих точек [9]. Экспериментально установлено, что в сетчатке каждого глаза содержится три слоя нервных клеток: фоторецепторы – палочки и колбочки, биполярные и ганглиозные клетки. Биполярные клетки обеспечивают сложные взаимные соединения между фоторецепторами и ганглиозными клетками. Из ганглиозных клеток образован зрительный нерв, по которому визуальная информация передается в мозг человека. Причем к каждой клетке зрительного центра коры головного мозга подходят два обособленных зрительных волокна от колбочек в левом и правом глазах. Следовательно, каждой колбочке одного глаза соответствует вполне определенная колбочка другого глаза. Эти соответствующие точки сетчаток и называются корреспондирующими. Таким образом, корреспондирующими точками будут центральные ямки сетчаток и все точки, лежащие на сетчатках в одном и том же направлении от центральных ямок и находящиеся на одинаковом расстоянии. При раздражении корреспондирующих точек обоих глаз возникает единичное изображение объекта. Все другие точки сетчаток называются несоответствующими или диспаратными. Ощущение диспаратности отдельных точек изображений стереопары на сетчатках глаз и является одной из главных причин восприятия объемности физических объектов. При этом основную роль играет расстояние между зрительными осями при рассматривании удаленных предметов (у различных людей от 52 до 74 мм), называемое глазным базисом b0. Средним стереоскопическим базисом считается межзрачковое расстояние, равное 65 мм. Левый и правый глаза человека смотрят на объект в этом случае с разных позиций, то есть с разных ракурсов. При этом изображения одного и того же объемного объекта для левого и правого глаз будут несколько отличаться из-за их пространственного сдвига. Например, расстояние между одними и теми же точками объекта A1 и A2 в изображениях на сетчатках глаз будет раз-

личным, то есть a1 a2 a1 a2 (рис. 1.22).

Угол между визирными линиями глаз называется углом конвергенции (угол к на рис. 1.22), а их направление определяется фиксируемой точкой объекта. При смещении наблюдаемого объекта происходят как изменение угла конвергенции, так и аккомодация, то есть изменение кривизны глазных хрусталиков. Аккомодация обеспечивает резкость изображений объектов на сетчатках при различных расстояниях их от наблюдателя. При бинокулярном зрении происходит одновременность двух процессов – конвергенции и аккомодации, то есть каждому углу конвергенции соответствует определенное состояние аккомодации глаз.

Рис. 1.22. Схема бинокулярного видения объекта:

1 – объект рассматривания; 2 – левый глаз; 3 – правый глаз

В случае наблюдения стереотелевизионных изображений идентичные (в информационном смысле) точки левого и правого изображений, то есть стереопары, как правило, попадают на диспаратные элементы сетчаток глаз. Вследствие этого основные особенности бинокулярного зрения при восприятии стереоскопических изображений заключаются в следующем: прекращается влияние двигательного аппарата глаз на восприятие стереоэффекта; создается разрыв между плоскостями конвергенции и аккомодации зрительного аппарата, при котором часть стереоскопической модели объекта воспринимается за стереоэкраном – в заэкранном пространстве, а часть – в предэкранном пространстве; поля зрения обоих глаз очень часто находятся объективно в разных местах пространства; бинокулярное поле зрения, возникающее после слияния полей зрения обоих глаз локализуется в точках пространства, несоответствующих реальному положению точек в монокулярных полях.

Разрыв между конвергенцией и аккомодацией при наблюдении стереотелевизионных изображений объясняется тем, что глаза всегда аккомодированы на плоскость стереоэкрана, а конвергированы на различные точки воспринимаемого трехмерного пространства. Причем угол конвергенции зависит от глубинных размеров объектов наблюдения и от расстояния зрителя до стереоэкрана. Зрительный аппарат человека допускает небольшой разрыв между плоскостями

конвергенции и аккомодации в пределах 1 дптр [10]. Превышение этого предела приводит к относительной слабости зрения (астенопии), которая проявляется в снижении зрительной работоспособности (утомлении), в мышечных расстройствах зрительного аппарата, в постепенном ухудшении остроты зрения.

1.8.2. Основные параметры бинокулярного зрения

Смещение какой-либо точки объекта наблюдения, например A1 на рис. 1.22, в изображении на сетчатке одного глаза относительно соответствующей точки изображения на сетчатке другого глаза носит название бинокулярного параллакса, значение которого можно оценить как в угловых, так и в линейных единицах. Бинокулярный параллакс п , измеряемый в угловых единицах, определяется разностью параллактических углов п1 и п2, образуемых визирными линиями глаз, то есть п п2 п1. При этом, чем больше глубинные размеры наблюдаемых объектов, тем больше бинокулярный параллакс.

Оцениваемый в линейных единицах бинокулярный параллакс p часто называют линейным или физиологическим параллаксом и определяют разностью расстояний между проекциями одних и тех же точек объекта, например,

изображений физиологические параллаксы определяются, в конечном счете, глубинными размерами рассматриваемых объектов, геометрическими размерами стереоэкрана, а также расстоянием наблюдателя от стереоэкрана.

Разность параллактических углов п , соответствующая минимально кажущемуся смещению двух деталей объекта по глубине, называется порогом глубинного зрения. Значение порога глубинного зрения , характеризующее его остроту, зависит от особенностей наблюдения, его продолжительности, временнόй задержки между моментами предъявления изображений стереопары зрительному аппарату (рис. 1.23) [11], яркости фона, контраста объектов, соотношения kp между горизонтальными и вертикальными размерами объектов наблюдения (рис. 1.24) [12].

Если задержка между моментами предъявления изображений стереопары не превышает 30 мс, то среднее значение порога глубинного зрения соответствует 10…20 . Принципиальная возможность несинхронного предъявления изображений стереопары объясняется наличием в зрительной системе кратковременной иконической памяти, в которой на 50…70 мс сохраняется ощущение изображения после прекращения его восприятия. При яркости объектов от 0,4 до 38 кд/м2 порог глубинного зрения человека практически постоянный и соответствует среднему значению. Порог глубинного зрения наблюдателей тем меньше, чем больше преобладает вертикальный размер объекта над горизонтальным. Физиологическое обоснование этой закономерности следует искать в устройстве сетчатки глаза, в различной чувствительности отдельных ее участ-