Формирование и первичная обработка видеосигналов презентация

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 М. Радио и связь 2004. Телевидение: лабораторный практикум под.ред. проф.А.А.Гоголя.- СПб: Линк. 2009 Светотехника: методические указания к лабораторным работам. /СПбГУТ.-СПб,2007 Дополнительная Беляева Н.Н., Ерганжиев Н.А. Светотехника, оптика и колориметрия в телевидении: Учебное пособие СПбГУТ.СПб,2004.

Основы светотехники 1.Природа и основные свойства оптического излучения

Оптическая область спектра: λ от 10 нм до 1 мм Спектр оптических излучений делится на три участка: ультрафиолетовые излучения – от 10 до 380 нм; видимые излучения – от 380 до 770 нм; инфракрасные излучения – от 770 до 1 мм.

380–430 нм – фиолетовый, 430–470 нм – синий, 470–490 нм – голубой, 490–565 нм – зеленый, 565–595 нм – желтый, 595–620 нм – оранжевый, 620–770 нм – красный.

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 и единицы измерения света

2.1. Энергетические величины и единицы измерения света Поток излучения Энергетическая сила света (сила излучения) Энергетическая светимость Энергетическая освещенность Энергетическая яркость

Поток излучения Fе Fе - мощность переноса энергии излучения. Для измерения потока излучения используется единица мощности – ватт. Мгновенное значение лучистого потока источника света: Fi = dW / dt. Среднее значение лучистого потока Fe за конечный интервал времени t: Fe = W / t где W – лучистая энергия, излучаемая источником за время t.

Для излучения с линейчатым спектром:

Энергетическая сила света ( сила излучения) Ieα

Энергетическая светимость (излучательность) Me Me = dFe / dSи, Вт/м2 Энергетическая освещенность (облученность) Ee Ee = dFe / dS0, Вт/м2

Энергетическая яркость Le

Le α = dFe / (dS cosα d ω), Вт/(срм2) Le α = dIe α / dS cos α Ie α = Ie 0 cos α = Le S cos α где Ie 0 – сила излучения в направлении α = 0.

2.2 Фотометрические величины и единицы измерения света Величины, предназначенные для оценки излучения по его действию на избирательный приемник излучения, называются эффективными.

Эффективный поток излучения: для однородного излучения F эф (λ) = F e (λ) s (λ), где F e (λ) – однородный поток излучения; s (λ) – спектральная чувствительность приемника к однородному излучению с длиной волны λ для излучения со сплошным спектром

Система эффективных величин и единиц, в которых в качестве функции спектральной чувствительности приемника используется функция относительной спектральной чувствительности глаза V (λ), называется фотометрической. Фотометрические величины: Световой поток Сила света Светимость Освещенность Яркость

Световой поток F Световой поток F представляет поток излучения, оцениваемый по зрительному восприятию. Световой поток F (λ) на длине волны λ F (λ) = Km Fe(λ) V(λ), где Fe (λ) – поток излучения, V(λ) – относительная видность на длине волны λ, Km – максимальное значение световой эффективности глаза, т.е. световой поток (в люменах), создаваемый излучением мощностью в 1 Вт при длине волны λ=555 нм

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

Световой поток выражают в люменах (лм). Один люмен равен световому потоку, излучаемому точечным источником света силой в 1 канделу (кд) внутри телесного угла в 1 ср. Экспериментально установлено, что 1 лм = 1/683 Вт (при длине волны λ=555 нм), что означает: Km = 683 лм/вт

Сила света I α Сила света I α представляет пространственную (угловую) плотность светового потока в направлении α: I α = d F / d ω За единицу силы света принята кандела (кд). Кандела равна силе света, испускаемого в перпендикулярном направлении с поверхности полного излучателя площадью 1/(6105) м2 при температуре затвердевания платины (Т = 2042 К).

Светимость M Светимость M определяет поверхностную плотность светового потока и используется для оценки источников света, имеющих протяженные размеры: M = d F / d S и Единицей светимости является 1 люмен с 1 м2 (лм/м2).

Освещенность E Освещенность E представляет собой величину, характеризующую поверхностную плотность падающего на некоторую плоскость светового потока: E = d F / d S о Единицей освещенности является люкс (лк), представляющий собой освещенность поверхности площадью 1 м2, на которую падает равномерно распределенный световой поток в 1 лм.

Закон квадратов расстояний

dω = dS1/l12 = …= dSi/li2 =…= dSn/ln2 Ei = dF / dSi = I dω / dSi = I dω / dω li2 = I / li2 Освещенность поверхности равняется силе света, деленной на квадрат расстояния от источника света до поверхности, если направление этой силы света перпендикулярно поверхности. E1 / E2 = l22 /l12 Освещенность вдоль луча света изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до освещаемой поверхности

Примечание 1. Пучок параллельных лучей: освещенность остается постоянной вдоль пучка и не зависит от расстояния; 2. Источник света конечных размеров: освещенность изменяется с расстоянием в зависимости от очертаний светящейся поверхности и от распределения яркости по ней.

Закон косинусов (для освещения)

E = dF / dS1 Es = dF / dS dS = dS1 cos i E = dF cos i / dS = Es cos i = I cos i / l2 Освещенность пропорциональна косинусу угла падения света на освещаемую поверхность

Яркость L

Яркость L характеризует собой величину светового потока, излучаемого с единицы видимой поверхности в данном направлении. Яркость численно равна отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную заданному направлению Lα= dF / (dS cosα dω) = dIα / dS cosα Единицей яркости является 1 кд на 1 м2 (кд/м2 )

Основные светотехнические величины

Нестандартные фотометрические единицы. Нестандартные единицы освещенности 1 фот = 1лм/см2 = 104 лк 1 фут-свеча = 1лм/кв.фут = 10,76 лк 1 фотон

Нестандартные единицы яркости 1 стильб (сб) =1кд/см2 =104 кд/м2 1 миллистильб (мсб) = 10-3сб 1 децимиллистильб (дмсб) = 10-4сб = = 1 нит (нт) = 1 кд/ м2 1 ламб = 1/π (кд/см2) = 0,318 сб = = 3180 нт 1 апостильб (асб) = 10-4 ламб = 0,318 нт 1 фут-ламберт(фламб) = 1,076 мламб = 10,76 асб =3,425 нт

Единицы длины и площади: 1 дюйм = 25,4 мм 1 фут = 12 дюймов = 30,48 см 1 кв.фут = 929 см2 1 м2 = 10,76 кв.футов

3. Модификации излучения. Светотехнические характеристики тел и сред. Модификации: Отражение Пропускание Поглощение Рассеяние

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

Интегральные коэффициенты: - отражения ρ = F ρ/F - пропускания τ = F τ/F - поглощения α = F α/F ρ + τ + α =1

Зависимости ρ(λ), τ(λ), α(λ) от длины волны излучения называются спектральными характеристиками отражения, пропускания и поглощения. Для однородных излучений: ρ(λ) = F ρ(λ)/F (λ) τ (λ) = F τ(λ)/F (λ) α (λ)= F α(λ)/F (λ)

Для сложных излучений:

D (λ) – оптическая плотность среды Оптическая плотность - мера непрозрачности вещества, равная десятичному логарифму отношения потока излучения F, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения F τ, ослабленного в результате поглощения и рассеяния: D=lg(F /F τ ). Оптическая плотность - логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания. D (λ) =lg [1/τ (λ)] = - lg τ (λ)

Для однородного излучения: τ 0 = τ 1 * τ 2 * … * τ n D1 =lg (1/τ 1) D2 =lg (1/τ 2) Dn =lg (1/τ n) D0 = D1+ D2 +…+ Dn

Светофильтры- пластины с оптически однородной (не рассеивающей) средой, с избирательным поглощением энергии излучения в той или иной части спектра.

Распределение световых потоков в пространстве: направленное отражение (пропускание) рассеянное (диффузное) отражение (пропускание) направленно-рассеянное отражение (пропускание)

Диаграммы яркостей

Направленное отражение (пропускание) При направленном отражении угол падения равен углу отражения, а падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности в точке падения.

При направленном пропускании падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности в точке падения. Ход лучей определяется законом синусов.

Для яркостей: – при отражении L ρ = ρ L – при преломлении L1 / n1 2= L2 / n2 2 =…= const

Рассеянное (диффузное) отражение (пропускание) Идеально рассеивающие (матовые) поверхности – поверхности, яркость которых во всех направлениях одинакова. Lα= dIα / dS cos α = Lo = const

Закон косинусов для светящихся поверхностей. (Излучение по закону Ламберта). dIα / cos α = dIo = const dIα = dIo cos α Iα = Io cos α

Сила света в каком-либо направлении равняется силе света в направлении перпендикуляра к поверхности, умноженной на косинус угла между перпендикуляром и рассматриваемым направлением.

Коэффициент диффузного отражения Коэффициент диффузного отражения или альбедо, ρд=Fд /F, где Fд – диффузно отражаемая часть потока.

Направленно-рассеянное отражение (пропускание) Коэффициент яркости r - отношение яркости L тела в заданном направлении к яркости Lд идеальной диффузно рассеивающей поверхности (с ρ = 1 или τ = 1): r = L / Lд.

При освещенности поверхности Е Светимость: M = ρE (или M = τE) Яркость: L = r E / π  При диффузном отражении r = ρ; при диффузном пропускании r = τ .

Основы колориметриии Колориметрия: Color – цвет; Metrum – мера. Цвет – характеристика зрительного ощущения, позволяющая человеку распознавать качественные различия излучений, обусловленные их различным спектральным составом.

1. Психологические характеристики цвета. Цветовое ощущение: светлота; цветовой тон; насыщенность

Светлота Светлота Е (субъективный параметр)– свойство зрительного ощущения, согласно которому поверхность кажется испускающей больше или меньше света. Яркость L (физический параметр) Закон Вебера – Фехнера: E = k ln L + c

Цветовой тон Цветовой тон (субъективный параметр) – характерное свойство цвета, позволяющее обозначать его как красный, синий, желтый и т.п. Доминирующая (преобладающая) длина волны λД (физический параметр) – длина волны монохроматического излучения того же цветового тона, что и данный цвет.

Насыщенность Насыщенность (субъективный параметр) – свойство цветового ощущения, характеризующее степень удаленности данного цвета по зрительному восприятию от белого. Колориметрическая чистота цвета P (физический параметр) – относительное содержание в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока Fλ) P = Fλ / F = Fλ / ( Fб + Fλ )

Метамеры – визуально одинаковые цвета, имеющие разные спектральные составы. Дополнительные цвета – два цвета, которые при смешении в определенной пропорции создают ощущение белого цвета.

2. Колориметрическое (трехцветное) представление цветов.

Смешение цветов

Законы аддитивного образования цветов (законы Грассмана) Непрерывному изменению излучения соответствует непрерывное изменение цвета. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три линейно независимых цвета. f’ F = r’ R + g’ G + b’ B Здесь R, G, B не могут быть связаны уравнениями вида: r’ R = g’ G + b’ B; g’ G = r’ R + b’ B; b’ B = r’ R + g’ G.

f’ F + r’ R = g’ G + b’ B f’ F = - r’ R + g’ G + b’ B 3. Цвет смеси зависит только от цвета смешиваемых компонентов и не зависит от способа их получения, в частности, от их спектрального состава. 4. Яркость смеси цветов равна сумме яркостей составляющих смеси.

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’, b’, c’ – координаты цвета m = a’ + b’ + c’ – модуль цвета a = a’ / m ; b = b’ / m; c = c’ / m a, b, c – координаты цветности (трехцветные коэффициенты) a + b + c = 1

E – равностимульный (равноинтенсивный) цвет a’ E = b’ E = c’E = 1 a E = b E = cE = 1/3

4. Стандартные колориметрические системы 4.1. Колориметрическая система RGB (МКО-31). R – λR = 700 нм G - λG = 546,1 нм B - λB = 435,8 нм Е – равностимульный цвет (базисный стимул)

Цветовое пространство RGB

f’ F = r’ R + g’ G + b’B где r’ , g’ , b’ – координаты цвета F m = r’ + g’ + b’ – модуль цвета r = r’ / m ; g = g’ / m; b = b’ / m где r, g, b – координаты цветности r + g + b = 1 Для равностимульного цвета Е: r’Е = g’Е = b’Е =1 E = 1R + 1G + 1B mЕ =3 rЕ = gЕ = bЕ = 1/3

Единичная плоскость системы RGB

Цветовой треугольник

Кривые смешения. Удельные координаты – относительные количества основных цветов, образующие в смеси спектральный цвет единичной мощности (координаты цвета монохроматического излучения мощностью 1 Вт) Кривые смешения – графическая зависимость удельных координат от длины волны.

Положение равноярких плоскостей

LRr‘E : LG g‘E : LBb‘E = 1 : 4,5907 : 0,0601 LR, LG, LB – яркостные коэффициенты LF = 683 (LRr’ + LGg’ + LBb’) Достоинство: Удобна для проведения экспериментальных исследований. Недостатки: 1. Наличие отрицательных координат для большой группы реальных цветов. 2. Необходимость расчета всех трех компонентов цвета для определения его яркости.

4.2. Колориметрическая система XYZ (МКО-31). Все реальные цвета должны иметь положительные координаты, т.е. кривых смешения не должны иметь отрицательных ординат. Количественная характеристика цвета (яркость) должна полностью определяться одним его компонентом Координаты белого цвета равноэнергетического излучения должны быть равными, т.е. точка цветности этого излучения должна лежать в центре тяжести цветового треугольника.

Выбор положения координатных плоскостей системы XYZ

f’ F= x’ X + y’ Y + z’ Z где x’ , y’ , z’ – координаты цвета F m = x’ + y’ + z’ – модуль цвета x = x’ / m ; y = y’ / m; z = z’ / m где x, y, z – координаты цветности Для равностимульного цвета Е: x’Е = y’Е = z’Е =1 E = 1X + 1Y + 1Z mЕ =3 xЕ = yЕ = zЕ = 1/3

Аффинные преобразования. Аффинные свойства: 1.Параллельность прямых. 2.Отношения углов. 3.Плоскостность фигур. 4.Отношения параллельных отрезков. Неаффинные свойства 1.Расстояния между параллельными прямыми. 2.Величина углов. 3.Форма фигуры. 4.Отношение длин непараллельных отрезков.

Цвет есть аффинная векторная величина трех измерений, выражающая свойство, общее всем спектральным составам излучения, визуально неразличимым в колориметрических условиях наблюдения.

x`= 0,4900 r` + 0,3100 g` + 0,2000 b` y`= 0,1770 r` + 0,8124 g` + 0,0106 b` z`= 0,0000 r` + 0,0100 g` + 0,9900 b`

Кривые смешения системы XYZ

Определение насыщенности

Стандартные источники света А - Искусственное освещение лампой накаливания; В – Прямое солнечное (дневное) освещение; С – Освещение рассеянным дневным светом; D65- Освещение усредненным дневным светом; Е- равноэнергетический источник.

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 его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение.

4.3. Колориметрическая система приемника Rn Gn Bn.

Переход между колориметрическими системами XYZ и Rn Gn Bn r’n = 3,054 x’ – 1,389 y’ – 0,474 z’ g’n= - 0,970 x’ + 1,978 y’ + 0,042 z’ b’n = 0,068 x’ – 0,229 y’ + 1,070 z’ x’ = 0,432 r’n + 0,341 g’n+ 0,178 b’n y’ = 0,223 r’n + 0,706 g’n+ 0,071 b’n z’ = 0,020 r’n + 0,129 g’n+ 0,938 b’n

Кривые смешения системы приемника

uv - равноконтрастная диаграмма цветности (UCS – Uniform Chromaticity Scale) Колориметрическая система UVW МКО-1960 u’=2/3x’ ; v’ = y’ ; w’= 1,5 y’ -0,5 x’ + 3 z’ u = 4x’/(x’+15y’+3z’) = 2x/(6y-x+1,5) v = 6y’/(x’+15y’+3z’) = 3y/(6y-x+1,5)

Мера цветового различия – порог изменения ощущения Δ nc= (Δ u2 + Δ v2 )1/2 /0,0038 где Δ u = u1- u2 Δ v = v1- v2 1СЦП (средний цветовой порог) = 0,0038 Δ nl = |lg y’1- lg y’2 |/0,0086 Δ n = ( Δ nc2 + Δ nl 2 )1/2

Колориметрическая система U*V*W* МКО-1964 W* =25(Y ’)1/3 –17; U* =13W*(u – u о); V *=13W*(v – v о), где Y  – относительная яркость исследуемого цвета к яркости белого в процентах; u0, v0– координаты цветности опорного белого в системе UVW; u,v - координаты цветности оцениваемых цветов в системе UVW.

Разность между цветами (цветовое различие): E = [(U *)2 + (V *)2 + (W *)2]1/2 где U *, V *, W * – разности соответствующих координат сравниваемых цветов в системе U *,V *,W *.

Модификация 1973 г. L* = 116(y`/y`0)1/3 – 16 U* = 13L*(u-u0) V* = 13L*(v-v0) E (L*U*V*)= [(L *)2 + (U*)2 + (V *)2]1/2

Система L* a* b* L* = 116(y`/y`0)1/3 – 16 a* = 500[(x`/x`0)1/3 – (y`/y`0)1/3] b* = 200 [(y`/y`0)1/3 – (z`/z`0)1/3] E (L*a*b*)= [(L *)2 + (a *)2 + (b *)2]1/2

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

Алгоритм расчета цветовых различий (ошибок цветопередачи) Расчет nc; nL; n

Исходные данные для колориметрического расчета: – спектральные характеристики отражения испытательных цветов Pn(λ); – спектральное распределение мощности источника опорного белого PD(λ); – спектральные характеристики чувствительности цветоделенных каналов камеры R(λ), G(λ), B(λ); – кривые смешения в системе основных цветов приемника

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’ = 0,223 r’n + 0,706 g’n+ 0,071 b’n z’ = 0,020 r’n + 0,129 g’n+ 0,938 b’n

Вычисление цветовых различий (ошибок цветопередачи) Δ u = u1- u2 Δ v = v1- v2 Δ nc= (Δ u2 + Δ v2 )1/2 /0,0038 Δ nl = |lg y’1- lg y’2 |/0,0086 Δ n = ( Δ nc2 + Δ nl 2 )1/2

Оценка качества цветопередачи

Кривые смешения системы приемника

Матричная цветокоррекция R1 = a11R + a12G + a13B G1 = a21R + a22G + a23B B1 = a31R + a32G + a33B

Кривые смешения системы XYZ

Условие сохранения цветового баланса

Критерии оптимизации коэффициентов цветокорректирующей матрицы: Минимум средней ошибки при воспроизведении опорных цветов Минимум отклонения спектральных характеристик чувствительности цветной телевизионной камеры от кривых смешения.

Формирование цветоделенных сигналов

Светоделительная система ЦТ камеры

Формирование сигналов изображения

Схема оптической системы трехтрубочной WRB ТВ камеры

Разделение световых потоков дихроической призмой

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Преобразователи «Свет-сигнал» Электровакуумные передающие трубки Твердотельные ПЗС (CCD) датчики КМОП (CMOS) датчики

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

Структура датчика

Управление переносом зарядов

Матрица с кадровым переносом (F T)

Матрица со строчным переносом (I T)

Матрица со строчно-кадровым переносом (F I T)

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

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 кадров/с).   Низкое энергопотребление. Дешевле и проще в производстве.   Перспективность технологии

Архитектура КМОП датчика

Преимущества и недостатки CCD матриц Преимущества CCD матриц: Низкий уровень шумов.     Высокий коэффициент заполнения    Высокая эффективность     Большой динамический диапазон (чувствительность).

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Спектральные характеристики чувствительности ПЗС

Камерный канал аналоговой ТВ системы

Структурная схема трехматричной цветной телевизионной камеры

Апертурная коррекция

Муары (разностные частоты)    

fs - шаг дискретизации

Апертурная коррекция направлена на компенсацию спада ЧКХ в пределах полосы частотот от нуля до частоты Найквиста

Гамма-коррекция Гамма-коррекция – нелинейное преобразование характеристики свет-сигнал с целью согласования условий наблюдения и модуляционной характеристики кинескопа с контрастной чувствительностью зрения.

K = L max / L min = 1011 - 1012

ln K = (m-1) ln (1 +σ ) ln (1 +σ ) ≈ σ ln K = (m-1) σ ≈ m σ m = ln K / σ = 2,3 lg K / σ K=10 m ≈ 80 K=40 m ≈ 130 K=100 m ≈ 160

Градационные (нелинейные) искажения