Формирование и первичная обработка видеосигналов

Кафедра телевидения и метрологии
Беляева Наталия Николаевна
а.427 (кафедра)
а.448 (деканат РТС)

Литература

Основная
Телевидение. Учебник для вузов под ред. проф. В.Е. Джаконии

Основы светотехники

1.Природа и основные свойства оптического излучения

Оптическая область спектра:
λ от 10 нм до 1 мм
Спектр оптических

380–430 нм – фиолетовый,
430–470 нм – синий,
470–490 нм – голубой,
490–565 нм

Функция, описывающая зависимость чувствительности глаза от длины волны излучения

Спектральное распределение сложных излучений

2. Единицы измерения света

Энергетические величины и единицы измерения света
Фотометрические величины

2.1. Энергетические величины и единицы измерения света

Поток излучения
Энергетическая сила света

Поток излучения Fе

Fе - мощность переноса энергии излучения.
Для измерения потока

Для излучения с линейчатым спектром:

где плотность потока излучения p(λ), Вт/нм

Для

Энергетическая сила света ( сила излучения) Ieα

Ieα = dFe /

Энергетическая светимость (излучательность) Me

Me = dFe / dSи, Вт/м2
Энергетическая освещенность

Энергетическая яркость Le

Le α = dFe / (dS cosα d ω), Вт/(ср⋅м2)

Le

2.2 Фотометрические величины и единицы измерения света

Величины, предназначенные для оценки

Эффективный поток излучения:
для однородного излучения
F эф (λ) = F

Система эффективных величин и единиц, в которых в
качестве функции спектральной

Световой поток F

Световой поток F представляет поток излучения, оцениваемый по

Световой поток сложного излучения
где λ min и λ max соответствуют границам

Световой поток выражают в люменах (лм).
Один люмен равен световому потоку, излучаемому
точечным

Сила света I α

Сила света I α представляет пространственную
(угловую) плотность

Светимость M

Светимость M определяет поверхностную плотность
светового потока и используется для

Освещенность E

Освещенность E представляет собой величину,
характеризующую поверхностную плотность падающего
на некоторую

Закон квадратов расстояний

dω = dS1/l12 = …= dSi/li2 =…= dSn/ln2

Ei = dF

Примечание

1. Пучок параллельных лучей:
освещенность остается постоянной вдоль пучка и

Закон косинусов (для освещения)

E = dF / dS1

Es = dF / dS
dS = dS1

Яркость L

Яркость L характеризует собой величину светового
потока, излучаемого с единицы видимой

Основные светотехнические величины

Нестандартные фотометрические единицы.

Нестандартные единицы освещенности
1 фот = 1лм/см2 = 104 лк
1

Нестандартные единицы яркости

1 стильб (сб) =1кд/см2 =104 кд/м2
1 миллистильб (мсб) =

Единицы длины и площади:
1 дюйм = 25,4 мм
1 фут = 12

3. Модификации излучения. Светотехнические характеристики тел и сред.

Модификации:
Отражение
Пропускание
Поглощение
Рассеяние

F - падающий cветовой поток:
Fρ - отраженный
Fτ - пропущенный
Fα - поглощенный

Интегральные коэффициенты:

- отражения
ρ = F ρ/F
- пропускания

Зависимости ρ(λ), τ(λ), α(λ) от длины волны
излучения называются спектральными
характеристиками отражения,

Для сложных излучений:

D (λ) – оптическая плотность среды

Оптическая плотность - мера непрозрачности вещества,

Для однородного излучения:

τ 0 = τ 1 * τ 2 *

Светофильтры- пластины с оптически однородной (не рассеивающей) средой, с избирательным поглощением

Распределение световых потоков в пространстве:

направленное отражение (пропускание)
рассеянное (диффузное)

Диаграммы яркостей

Направленное отражение (пропускание)

При направленном отражении угол падения равен углу
отражения, а падающий

При направленном пропускании падающий и
преломленный лучи лежат в одной плоскости

Для яркостей:

– при отражении
L ρ = ρ L
– при преломлении
L1 /

Рассеянное (диффузное) отражение (пропускание)
Идеально рассеивающие (матовые) поверхности –
поверхности, яркость которых

Закон косинусов для светящихся поверхностей. (Излучение по закону Ламберта).
dIα / cos

Сила света в каком-либо направлении равняется силе света в направлении перпендикуляра

Коэффициент диффузного отражения

Коэффициент диффузного отражения или альбедо,
ρд=Fд /F,
где Fд

Направленно-рассеянное отражение (пропускание)

Коэффициент яркости r - отношение яркости L
тела

При освещенности поверхности Е

Светимость:
M = ρE (или M = τE)
Яркость:
L = r

Основы колориметриии

Колориметрия:
Color – цвет;
Metrum – мера.
Цвет – характеристика зрительного ощущения, позволяющая

1. Психологические характеристики цвета.

Цветовое ощущение:
светлота;
цветовой тон;
насыщенность

Светлота

Светлота Е (субъективный параметр)– свойство зрительного ощущения, согласно которому поверхность кажется

Цветовой тон

Цветовой тон (субъективный параметр) – характерное свойство цвета, позволяющее

Насыщенность

Насыщенность (субъективный параметр) – свойство цветового ощущения, характеризующее степень удаленности данного

Метамеры – визуально одинаковые цвета, имеющие разные спектральные составы.
Дополнительные цвета –

2. Колориметрическое (трехцветное) представление цветов.

Смешение цветов

Законы аддитивного образования цветов (законы Грассмана)

Непрерывному изменению излучения соответствует непрерывное изменение цвета.

f’ F + r’ R = g’ G + b’ B

Способы аддитивного смешения цветов:

Локальное ( одновременное и последовательное)
Пространственное
Бинокулярное

Одновременное (оптическое) локальное смешение

Последовательное локальное смешение

Пространственное смешение

3.Графическое представление цвета

Цветовое пространство

d’ D = a’ A + b’ B + c’ C

a’,

E – равностимульный (равноинтенсивный) цвет

a’ E = b’ E = c’E

4. Стандартные колориметрические системы

4.1. Колориметрическая система RGB
(МКО-31).
R – λR = 700

Цветовое пространство RGB

f’ F = r’ R + g’ G + b’B

где r’

Единичная плоскость системы RGB

Цветовой треугольник

Кривые смешения.

Удельные координаты – относительные количества основных цветов, образующие в смеси

0,1

0,2

0,3

b(λ)

g(λ)

r(λ)

g(λ)

r(λ)

b(λ)

400

500

600

700

λ, нм

r, g, b

m`F(475)= -0,06R+0,075G+0,22B

Положение равноярких плоскостей

LRr‘E : LG g‘E : LBb‘E = 1 : 4,5907 :

4.2. Колориметрическая система XYZ (МКО-31).

Все реальные цвета должны иметь положительные координаты, т.е.

Выбор положения координатных плоскостей системы XYZ

f’ F= x’ X + y’ Y + z’ Z

где x’

Аффинные преобразования.
Аффинные свойства:
1.Параллельность прямых.
2.Отношения углов.
3.Плоскостность фигур.
4.Отношения параллельных отрезков.
Неаффинные свойства
1.Расстояния между параллельными

Цвет есть аффинная векторная величина трех измерений, выражающая свойство, общее всем

x`= 0,4900 r` + 0,3100 g` + 0,2000 b`
y`= 0,1770 r`

Кривые смешения системы XYZ

Определение насыщенности

Стандартные источники света

А - Искусственное освещение лампой накаливания;
В – Прямое солнечное

Спектральные характеристики распределения мощности стандартных источников света

Цветовая температура источника света
λmax* T = const – формула Вина
λmax(мкм)=2896/Т

Цветовая температура Тц – температура абсолютно черного тела (АЧТ), при которой

4.3. Колориметрическая система приемника Rn Gn Bn.

Переход между колориметрическими системами XYZ и Rn Gn Bn

r’n = 3,054

Кривые смешения системы приемника

Ц1(x’1;y’1;z’1) ; Ц2(x’2;y’2;z’2)
Δ x’ = x’1- x’2
Δ y’ = y’1-

uv - равноконтрастная диаграмма цветности (UCS – Uniform Chromaticity Scale)

Колориметрическая

Мера цветового различия – порог изменения ощущения

Δ nc= (Δ u2 +

Колориметрическая система U*V*W* МКО-1964

W* =25(Y ’)1/3 –17;
U* =13W*(u – u

Разность между цветами (цветовое различие):

ΔE = [(ΔU *)2 + (ΔV *)2 +

Модификация 1973 г.

L* = 116(y`/y`0)1/3 – 16
U* = 13L*(u-u0)

Система L* a* b*

L* = 116(y`/y`0)1/3 – 16
a* = 500[(x`/x`0)1/3 –

Индекс цветопередачи: R=100 – 4,6ΔE Общий индекс цветопередачи:

Алгоритм расчета цветовых различий (ошибок цветопередачи)

Ввод информации

Расчет
nc; nL; n

Расчет
r’oi;g’oi;b’oi

Расчет
x’oi;y’oi;z’oi

Расчет
r’ui;g’ui;b’ui
Расчет
x’ui;y’ui;z’ui
Расчет
uui;vui
Расчет
uoi;voi

Исходные данные для колориметрического расчета:

– спектральные характеристики отражения испытательных цветов Pn(λ);
–

Расчет координат испытательных цветов:

Расчет по методу «взвешенных ординат»

Баланс на белом

Сигналы на белом
Оригинала Изображения

Коэффициенты баланса

Преобразование координат

x’ = 0,432 r’n + 0,341 g’n+ 0,178 b’n
y’ =

Вычисление цветовых различий (ошибок цветопередачи)

Δ u = u1- u2
Δ v

Оценка качества цветопередачи

Кривые смешения системы приемника

Матричная цветокоррекция

R1 = a11R + a12G + a13B
G1 = a21R +

Кривые смешения системы XYZ

Условие сохранения цветового баланса

Критерии оптимизации коэффициентов цветокорректирующей матрицы:

Минимум средней ошибки при воспроизведении опорных цветов
Минимум

Формирование цветоделенных сигналов

Трехматричная камера

Одноматричная камера

Светоделительная система ЦТ камеры

Формирование сигналов изображения

Схема оптической системы трехтрубочной WRB ТВ камеры

Вариообъектив
2 , 3. Сменные, нейтральные

Разделение световых потоков дихроической призмой

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Преобразователи «Свет-сигнал»

Электровакуумные
передающие трубки
Твердотельные
ПЗС (CCD) датчики
КМОП (CMOS) датчики

Преобразование L в iс (uc)
2. Развертка изображения

Uc

Rн

+
-

Видикон

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) Charge Couple Device (CCD)

Структура датчика

Элементарная ячейка

Управление переносом зарядов

Процесс переноса зарядов в трехфазной схеме ПЗС

Матрица с кадровым переносом (F T)

1 - Секция накопления
2 - Секция

Матрица со строчным переносом (I T)

1 – Вертикальный сдвиговый регистр
2 –

Матрица со строчно-кадровым переносом (F I T)

1 – Вертикальный сдвиговый регистр
2

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Матрицы на основе КМОП технологий Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor (CMOS)

Структура датчика

Сравнение структур ПЗС и МОП

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы

1 - светочувствительный элемент (диод); 2 — затвор;
3 —

КМОП сенсор с пассивным пикселем

КМОП сенсор с пассивным пикселем и активным столбцом

КМОП сенсор с активным пикселем и активным столбцом

КМОП сенсор с активным пикселем и АЦП на каждый столбец

КМОП сенсор с активным цифровым пикселем

Преимущества и недостатки CMOS матриц

Преимущества CMOS матриц:
Высокое быстродействие(до 500

Архитектура КМОП датчика

Преимущества и недостатки CCD матриц

Преимущества CCD матриц:
Низкий уровень шумов.
    Высокий коэффициент заполнения

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Спектральные характеристики чувствительности ПЗС

Двумерный массив цветных фильтров, которыми накрыты фотодиоды матриц ,и состоящий из 25 % красных

Камерный канал аналоговой ТВ системы

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Апертурная коррекция

L2

L2

L1

a

t

x

d = a

d > a

Uс

d << a

Ур.белого(L1)

Ур.черного(L2)

Влияние размера

Муары (разностные частоты)

fs - шаг дискретизации

Апертурная коррекция направлена на компенсацию спада ЧКХ в пределах полосы частотот

Гамма-коррекция

Гамма-коррекция – нелинейное преобразование характеристики свет-сигнал с целью согласования условий наблюдения

K = L max / L min = 1011 - 1012

Градации

ln K = (m-1) ln (1 +σ ) ln (1 +σ

Градационные (нелинейные) искажения

Um

iA; L

x

iA = k Um

= 2,0 ÷ 2,8