2.1. Основные характеристики зрительного анализатора

2.2. Колориметрическое определение цвета

2.3. Система цветов RGB

2.4. Цветовая система XYZ

2.5. Особенности восприятия цвета в телевидении

Изучение материала данной темы дает возможность усвоить особенности зрительного восприятия ТВ изображений, основы колориметрии, ознакомиться с требованиями колориметрически точного воспроизведения цветности в ТВ изображениях, позволит выбрать оптимальный вариант построения ТВ систем с требуемыми значениями основных параметров воспроизводимых изображений.

2.1. Основные характеристики зрительного анализатора

Оконечным устройством, принимающим ТВ изображение, является зрительная система человека. Поэтому для рационального построения ТВ систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемника светового излучения - глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную информацию в мозг человека и зрительных участков коры головного мозга, в которых происходит расшифровка информации и формирование зрительного образа.

Рисунок 2.1. Строение человеческого глаза

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рисунок 2.1), покрытое оболочкой – склерой. Передняя часть склеры, называемая роговицей, прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. За роговицей расположены передняя камера, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой, имеющей в центре отверстие – зрачок. Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза. За зрачком находится хрусталик, представляющий собой прозрачное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, охватывающей хрусталик, кривизна последнего может меняться, фокусируя на задней стенке глаза изображения предметов, находящихся примерно от 10 см до бесконечности. С внутренней стороны в глазное яблоко входит зрительный нерв, состоящий из большого количества нервных волокон. Окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой, которая называется сетчаткой. В зависимости от формы нервные окончания подразделяются на палочки и колбочки. Колбочки обладают чувствительностью к свету и цвету, палочки только к свету. Элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдельному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами, они, обладая большой светочувствительностью, обеспечивают сумеречное зрение.

Важнейшей характеристикой зрения, определяемой структурой сетчатки глаза, является разрешающая способность, т.е. способность глаза различать мелкие детали. Количественно она оценивается величиной, обратной минимальному углу, под которым две светящиеся точки наблюдаются раздельно. При нормальном зрении разрешаемый угол составляет примерно 1', в этом случае изображение рассматриваемых точек попадает на отдельные колбочки. Ограниченная величина разрешающей способности глаза позволяет воспроизводить конечное число элементов в ТВ изображениях.

Глаз человека обладает инерционностью, т.е. способностью сохранить зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность зрения используется для получения слитного восприятия движения при последовательной передаче неподвижных изображений. Этот принцип используется в ТВ. Слитность движения наступает при передаче 16-20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощущает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличением частоты смен изображений мелькания яркости уменьшаются, а затем становятся незаметными. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости, называется критической частотой мельканий f _кр. Критическая частота мельканий зависит от средней яркости изображения L и определяется следующим эмпирическим выражением;

f _кр 9,6 lgL + 26,8

Для яркости современных ТВ экранов, равной примерно 100-200 кд/м ² , f_кр 45-48 Гц.

Общий диапазон яркости объекта характеризуется его контрастностью К, равной отношению максимальной яркости объекта L_max к минимальной L_min, т.е. К = L_max/ L_min. Кроме граничных, объект имеет промежуточные значения яркости, т.е. градации яркости, или полутона. От числа воспроизводимых на изображении полутонов зависит степень точности воспроизведения объекта. При плавном изменении яркости объекта число градаций бесконечно велико, а приращение яркости от градации к градации бесконечно мало. Однако глаз не способен обнаруживать сколь угодно малые приращения яркости. Контрастная различительная способность глаз так же дискретна, как и его разрешающая способность. Минимальное (пороговое) значение яркости светового потока L, обнаруживаемое глазом на светлом фоне L _ф , является разностным порогом световой чувствительности L_min, который зависит от яркости фона. В этом случае отношение ( L_min/L_ф )= называют дифференциальным порогом. Экспериментально установлено, что в широком диапазоне яркостей =const=(0,02-0,05). Поэтому в изображениях необходимо ограничиться конечным числом воспроизводимых градаций яркости m, которое оценивается выражением

m=2,3 ^-1 lgK .

Полагая, что К=100, что соответствует максимальной контрастности, ограничиваемой глазом, а 0,05, получаем: m 92, что соответствует максимальному числу градаций яркости, различаемых глазом в реальных условиях в ТВ изображениях.

Из всего спектра электромагнитных колебаний, встречающихся в природе, только узкий участок в пределах от 380 нм до 770 нм является визуальным. Воздействие на глаз разных длин волн данного диапазона вызывает ощущение разных цветов от фиолетового ( 380 нм) до красного ( 770 нм), причем восприимчивость глаза к цветам спектра различна.

Рисунок 2.2. Кривая видности глаза

Зависимость относительной спектральной чувствительности глаза от длины волны , называется кривой видности (рисунок 2.2). При V()одинаковой мощности светового излучения глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому цвету ( ₀ =555 нм). В сторону красного и фиолетового цветов чувствительность глаза понижается и доходит до нуля на границах видимой части спектра. Знание этой зависимости очень важно при воспроизведении изображений в одном цвете, например, черно-белых. В этом случае наблюдатель лишен возможности сравнивать предметы по их окраске. Следовательно, одноцветное ТВ изображение должно воспроизводить яркость всех цветов в соответствии со спектральной чувствительностью глаза. На сетчатке глаза экспериментально установлено наличие трех видов колбочек с различной спектральной чувствительностью (рисунок 2.3). Колбочки одного вида в большей степени чувствительны к красному цвету, другие - к зеленому, а третьи к синему. Поэтому изолированное возбуждение одного вида колбочек дает ощущение насыщенного красного цвета, другого - насыщенного зеленого и третьего - насыщенного синего. В действительности, свет независимо от длины волны действует на все три вида колбочек одновременно. Однако, в зависимости от длины волны колбочки возбуждаются различно, и цветовое ощущение определяется степенью возбуждения каждого вида колбочек. При этом абсолютные значения уровней трех возбуждений создает ощущение яркости, а их соотношение – ощущение цветности.

Рисунок 2.3. Кривая чувствительности глаза к основным цветам:
красному R, зеленому G, синему В

Таким образом, любой цвет, видимый глазом, характеризуется яркостью L и цветностью. Яркость является количественной характеристикой цвета, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, а цветность - характеристикой, отражающей различные зрительные цветовые впечатления. Количественными параметрами цветности являются цветовой тон и чистота цвета. Количественно цветовой тон оценивается длиной волны X соответствующего монохроматического цвета, а чистота цвета - в процентах как степень разбавленности насыщенного цвета белым.

2.2. Колориметрическое определение цвета

Физиологические основы цветового зрения базируются на теории трехкомпонентного зрения, выдвинутой впервые М.В. Ломоносовым в 1756 г. Согласно этой теории мы допускаем существование на сетчатке глаза трех видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает преимущественной чувствительностью к определенному участку видимого спектра – коротковолновому (синему), средневолновому (зеленому), длинноволновому (красному).

Изолированное возбуждение одного из этих аппаратов дает ощущение одного из трех насыщенных цветов — синего, зеленого, красного. Обычно (при наблюдении малонасыщенных цветов) воздействующее излучение содержит весь спектр видимого диапазона волн, но с разной спектральной интенсивностью. Это приводит к раздражению не одного, а двух или трех световоспринимающих аппаратов одновременно. При этом волны различной длины возбуждают эти аппараты в различной степени. Различное соотношение возбуждений световоспринимающих аппаратов вызывает ощущение цвета. Таким образом, анализ воздействующего излучения тремя селективными светочувствительными аппаратами глаза и последующий синтез результатов их возбуждений корой головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов. Теория эта хорошо согласуется с законами смешения цветов, которые косвенно ее подтверждают.

В телевидении используется локальное, пространственное и бинокулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть одновременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируются два или несколько излучений, вызывающие каждый в отдельности ощущение разных цветов, и последовательным, когда аналогичные излучения воздействуют на глаз последовательно одно за другим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате возникает ощущение единого результирующего цвета. При пространственном смешении участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами, имеют достаточно малые размеры и глаз воспринимает их как единое целое. Примером этому могут служить мелкие штрихи, мозаика и др. Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экране в большинстве случаев основано на пространственном смешении цветов. Бинокулярным смешением называется смешение двух или нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета.

В основном законе смешения утверждается, что любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три взаимно-независимых цвета:

f'F = r'R + g'G + b'B ; (2.1)

здесь f'F – излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц – через f'; R, G, В – единичные количества основных цветов; r', g', b' – множители, указывающие количества излучений, соответствующих цветам R, G, В, – или модули этих цветов.

Основными цветами называются взаимно-независимые цвета, которые нельзя получить смешением двух других, т.е. они не могут быть связаны уравнениями типа

r'R = g'G + b'B; g'G = r'R + b'B; b'B = r'R + g'G,(2.2)

Примером взаимно-независимых цветов являются красный (R), зеленый (G) и синий (В) .

Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно производить путем установления тождества цветов полей сравнения с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из граней которой проецируется излучение исследуемого источника, а на другую грань – излучение от трех источников: красного R, зеленого G и синего В. Зрительная труба, при помощи которой ведутся наблюдения, направлена на ребро призмы, разделяющее освещенные грани. Следовательно, поле зрения трубы разделено на два поля сравнения: одно, освещаемое исследуемым цветом, другое – освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех источников R, G, В и призмой стоит устройство, ослабляющее полное излучение данного источника в определенное число раз. Меняя интенсивность потоков излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника, колориметрист добивается уравнивания цвета (т.е. цветности и яркости) полей сравнения.

Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя получить цветового равенства (2.1) ни при каких значениях основных цветов R, G, В. Согласование для этих цветов наступает лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на сторону исследуемого цвета.

В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например красной составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:

f'F + r'R = g'G + b'B ; (2.3)

или

f'F = – r'R + g'G + b'B ; (2.4)

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения (2.1) коэффициенты r', g', b' могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применимость форм цветового уравнения (2.1), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными r',g',b', что подтверждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r', g', b' полностью определяет воздействующее на глаз излучение и количественно, и качественно. Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов r, g, b, определяемые из выражений

(2.5)

где m = r' + g' + b' — цветовой модуль.

Очевидно,что

r+g+b=1 (2.6)

Символы r, g, b носят название координат цветности.

В уравнении (2.1) множитель указывает f' – количество цвета F, необходимое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яркость смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.

f' = r' + g' + b' = m . (2.7)

Тогда, разделив (2.1) на цветовой модуль, получим

F = rR + gG + bB. (2.8)

Цвет F носит название единичного цвета; сумма его координат равна единице.

Координаты цветности являются зависимыми величинами, так как, зная две из них, третью находим из равенства (2.6). Это подтверждает двумерность параметра цвета – цветности и позволяет отобразить ее точкой в плоскости треугольника основных цветов.

2.3. Системы цветов RGB

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными, заранее согласованными основными цветами. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения цвета в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве основных цветов – основных стимулов – три монохроматических излучения с длинами волн_R=700 нм, _G=546,1 нм и _B=435,8 нм. Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них R и В близки к краям видимого спектра, а третий G — к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свой цветочувствительный аппарат. Кроме того, излучение _G и _B с большой интенсивностью испускается парами ртути, что упрощает проведение колориметрических измерений.

Любой цвет в системе R, G, В определяется по аналогии с (2.1) выражением

f'F = r'R + g'G + b'B, (2.9)

где R,G,B – обозначения выбранных основных цветов, а r', g', b' – их количества, т.е. координаты цвета. Координаты цвета r', g', b' могут быть выражены в энергетических или световых единицах, но удобнее их выражать в количествах единичных цветов R, G, В. При этом символы R, G, В являются наименованием единиц измерения цвета. Абсолютные (количественные) значения единичных цветов колориметрической системы не устанавливают, нормируют лишь их соотношение. Его выбирают таким, чтобы при сложении единичных цветов в численно равных количествах получилось ощущение равноэнергетического белого цвета Е:

E = 1R + 10 + 1B. (2.10)

Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как будет показано ниже, оказывается удобным при представлении цвета точкой в трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения цветов известно, что для получения цветового ощущения белого от равноэнергетического излучения – источника типа Е необходимо к единице цвета R прибавить 4,5907 единицы цвета G и 0,0601 единицы цвета В. Тогда, если через L_R, L_G, L_B обозначить относительные яркостные коэффициенты основных цветов, то количественное соотношение компонентов смеси можно записать как:

L_R r'_E : L_G g'_E : L_B b'_E = 1:4,5907:0,0601 (2.11)

где r'_E, g'_E, b'_E – координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е, которые в системе RGB будут:

(2.12)

Координаты цвета r', g', b' любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излучения Р():

(2.13)

Величины представляют собой цветовые свойства среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (2.9), которые были стандартизованы в 1931 г. МКО на основе экспериментальных результатов, полученных Райтом и Гилдом. Цветовые свойства наблюдателей были стандартизованы для монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены удельные координаты или удельные цветовые коэффициенты, которыми называются коэффициенты цветового уравнения (2.9) необходимые для получения ощущения цвета, соответствующего монохроматическому излучению мощностью в 1 Вт. Графическая зависимость удельных координат длины волны или кривые смешения изображены на рисунке 2.4. Они связывают воздействующее на глаз излучение данного спектрального состава с результатом этого воздействия – ощущением цвета, выраженным в цветовых координатах r', g', b'.

Рисунок 2.4. Удельные координаты цвета в системе RGB

Для равноэнергетического белого цвета и Р_Еλ = const и r'_E=g'_E=b'_E, откуда

(2.14)

а следовательно, площади под кривыми равны.

Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (2.9) величины r', g', b' для чистых спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это подтверждает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB.

На рисунке 2.5 представлен конус реальных цветов – цветовое тело, построенное на векторах основных цветов колориметрической системы RGB. Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точках, соответствующих единичным количествам основных цветов, и, следовательно, является единичной плоскостью. Вектор равноэнергетического белого цвета Е равноудален от векторов основных цветов, чем достигается равномерность заполнения цветового пространства.

След пересечения плоскости Q с конической поверхностью цветового тела образует локус чистых спектральных цветов. Следы пересечения этой плоскости с координатными плоскостями образуют цветовой треугольник RGB. Любой точке в плоскости треугольника RGB соответствует вполне определенная цветность, координаты которой определяются путем деления модулей цвета r', g', b' на их сумму в соответствии с (2.5).

Для опорного равносигнального цвета Е координаты цветности

r_E=g_E=b_E=1/3

Следовательно, точка белого цвета E является центром тяжести треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматривая положение цветового конуса в пространстве координат RGB, видим, что значительная часть цветового тела, содержащая векторы монохроматических зеленых, голубых, синих и фиолетовых цветов, выходит за пределы пирамиды OBGR, т.е. оказывается с внешней стороны плоскости GOB. Соответственно и след сечения цветового конуса плоскостью Q – спектральный локус выходит за пределы цветового треугольника RGB. Следовательно, чистые спектральные цвета не могут быть получены смешением основных цветов RGB и входящие в цветовые уравнения модули r', g', b' для этих цветов могут иметь отрицательные значения. Кривые смешения (рисунок 2.4) подтверждают это положение.

Колориметрическая система RGB удобна для проведения экспериментальных исследований, так как её основные цвета являются реальными, физически существующими цветами. Однако наличие в кривых смешения RGB (рисунок 2.4) положительных и отрицательных ветвей значительно затрудняет их реализацию при создании цветоизмерительных приборов – колориметров. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его яркости:

L = 683(L_RR + L_GG + L_BB),

где R, G, В — координаты цвета; L_R, L_G, L_B – яркостные коэффициенты основных цветов системы RGB. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ.

Рисунок 2.5 Цветовое тело, построенное на векторах реальных цветов RGB

Рисунок 2.6 Цветовое пространство XYZ и получение диаграммы цветности МКО

2.4. Цветовая система XYZ

В основу построения системы XYZ были положены следующие условия.

1. Удельные координаты – кривые смешения не должны иметь отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета определяются положи-тельными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы и, следовательно, координаты цветности всех реальных цветов должны лежать внутри координатного треугольника основных цветов.
2. Количественная характеристика цвета – яркость – должна полностью определяться одним его компонентом.
3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения должны быть равными, т.е. точка цветности этого излучения должна лежать в центре тяжести треугольника основных цветов.

Для обеспечения первого требования 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, т.е. тело реальных цветов находится внутри координатной системы XYZ, которая может быть пояснена с помощью рисунка 2.6. Оси X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координатных осей в цветовом пространстве – координата Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в плоскости нулевой яркости. Вектор координаты перпендикулярен равноярким плоскостям, и в частности, плоскости нулевой яркости XOZ, что обеспечивает выполнение второго условия.

Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:

f'F = x'X + y'Y + z'Z,(2.15)

и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами х', у', z' или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных цветов х', у', z' определяются выражениями, аналогичными (2.13):

(2.16)

Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ показаны на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7. Удельные координаты цвета в системе XYZ

Рисунок 2.8. Координаты цветности в системе XYZ

Кривая у(λ) тождественна кривой стандартной относительной видности глаза V(λ). Две другие кривые х(λ) и z(λ) получены в результате пересчета удельных координат z'(λ), g(λ), b(λ) системы RGB в координатную систему XYZ. Подынтегральные площади всех трех кривых равны между собой, что обеспечивает выполнение третьего условия построения системы.

Цветовое пространство XYZ (рисунок 2.6) рассечено единичной плоскостью, определяемой уравнением

Х + Y + Z=1

и отсекающей на осях координат отрезки, равные Х=1, Y=1, Z=l. Линии пересечения координатных плоскостей с единичной плоскостью образуют на последней равносторонний треугольник. Точка m пересечения вектора D с единичной плоскостью характеризует направление этого вектора, а следовательно, и цветность описываемого цвета. Координаты точки m определяются выражениями

х = х'/М; у = у'/М; z = z'/M,

где М = х' + у' + z' – модуль цвета, а х, у, z – координаты цветности. Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены и стандартизованы МКО. Значения х, у, z для монохроматических излучений изображены графически на рисунке 2.8.

Геометрическое место координат цветности чистых спектральных цветов представляет собой кривую, лежащую на единичной плоскости и именуемую спектральным локусом (рисунок 2.6). Прямолинейный участок, замыкающий эту кривую в точках В и R, представляет цветности пурпурных цветов. Изображение цветностей на единичной плоскости или ее проекции называется диаграммой цветности – цветовым графиком. Таким образом, в единичной плоскости можно получить диаграмму цветности, показанную на рисунке 2.9, и представить на ней цветность любого цвета его координатами цветности.

Замкнутая коническая поверхность (рисунок 2.6), образуемая векторами чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в себе ту часть цветового пространства, где располагаются векторы всех реальных цветов, визуально воспринимаемых глазом. Все остальные векторы, расположенные за пределами этой конической поверхности, представляют формальные цвета, которые не могут быть визуально восприняты. Такими являются и сами первичные цвета XYZ МКО. Благодаря такому выбору первичных цветов цветовые компоненты всех реальных цветов в системе XYZ выражаются только положительными величинами. Соответственно на диаграмме цветности все точки, заключенные внутри спектрального локуса, представляют реальные цветности. Все точки вне спектрального локуса соответствуют формальным цветностям.

Так как одна из координат цветности является зависимой от двух других (x+y+z=l), то для определения цветности достаточно двух координат, например х и у. Тогда, проектируя диаграмму цветности единичной плоскости на плоскость ху в направлении оси z (рисунок 2.6), получим известную диаграмму цветности МКО (рисунок 2.10).

Рисунок 2.9. Диаграммы цветности в единичной плоскости XYZ

Рисунок 2.10. Диаграмма цветности МКО

Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее.

1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри спектрального локуса и определяются положительными значениями х и у.
2. Равноэнергетический белый цвет Е находится в центре тяжести треугольника хоу. Его координаты цветности будут х=1/3, y=1/3.
3. Дополнительные цвета лежат на отрезке прямой, проходящей через точку Е с кривой спектральных цветов.
4. Цветность смеси двух цветов отображается точкой, лежащей на прямой, соединяющей смешиваемые цвета.
5. Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри треугольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.

Выше указывалось, что 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 λ_d), соответствующей пересечению кривой спектральных цветов – спектрального локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, например точку М. Насыщенность численно характеризуется чистотой цвета Р, т.е. относительным содержанием в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока F_λ):

где F_δ – световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. Насыщенность максимальна (Р = 100%) для чистых спектральных и пурпурных цветов и минимальна (Р = 0) для белого цвета

2.5. Особенности восприятия цвета в телевидении

При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы важно установить, к какому идеалу верности цветовоспроизведения следует стремиться. Качество телевизионного изображения, как и любой репродукции, определяется степенью соответствия этой репродукции оригиналу. Вопрос о точности воспроизведения изображения оригинала детально рассмотрен Н.Д. Нюбергом, который предложил три критерия точности соответствий изображения оригиналу:

1. физическая точность, при которой спектральные составы и мощности излучения оригинала и изображения одинаковы;
2. физиологическая точность, при которой зрительные ощущения, вызываемые оригиналом и его репродукцией, одинаковы;
3. психологическая точность, при которой изображение оценивается наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точность не соблюдается.

При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполнению физической точности нет необходимости, так как одинаковые ощущения цвета могут быть получены при воздействии различных спектральных составов; требование точности изображения оригиналу не может быть в полной мере выполнено в телевизионной системе из-за ограничений, наложенных синтезирующим воспроизводящим устройством, которые обусловлены двумя основными причинами:

 

а) диапазон абсолютных значений яркостей Y_и, воспроизводимых синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как диапазон абсолютных значений яркости Y₀ передаваемых объектов, т.е. телевизионное воспроизводящее устройство не может практически воспроизвести столь большие абсолютные значения яркости, какие имеют место на объекте;

б) телевизионное устройство не может воспроизвести цветности, находящиеся вне треугольника его первичных цветов.

При разработке вещательных систем цветного телевидения следует иметь в виду, что ЦТ изображение имеет меньшие размеры деталей, чем объект, заключено в ограничивающую рамку, которой нет в передаваемом объекте, яркость фона, окружающего изображение, обычно мала по сравнению с яркостью изображения. В этих условиях важную роль играют адаптация глаза и относительность наших зрительных оценок, что и позволяет не воспроизводить абсолютное значение яркостей отдельных элементов изображений, соответствующих оригиналу, и сохранить лишь соотношение между яркостями отдельных элементов изображения и цветности.

Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании понятие колориметрической тождественности изображения оригиналу, которое означает выполнение следующих условий:

 

- цветность каждого элемента изображения не должна отличаться от цветности элемента оригинала, т.е. х_и=х₀; у_и=у₀; z_и =z₀;

- отношение яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветностей, т.е. Y_и=nY₀, где n=const при любой цветности.

Необходимо отметить, что требование колориметрически точного воспроизведения цветности выполнимо лишь в пределах треугольника первичных цветов воспроизводящего устройства. Цветности оригинала, лежащие вне треугольника, будут воспроизведены с искажениями насыщенности и цветового тона. Для качественной оценки допустимости цветовых искажений относительно оригинала пользуются критерием; психологической точности цветного изображения. При этом учитывают, что. восприятие цветности знакомых предметов(кожи лица и рук, волос, воды, листьев, травы, хорошо известных цветов фруктов и овощей, мяса, различных белых поверхностей и др.) является более критичным, чем восприятие цветности малознакомых предметов. Эти особенности широко используются при выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы.

Колориметрические требования справедливы для однородно окрашенных цветовых полей при восприятии их углом зрения 2°. При переходе к меньшим углам зрения цветовые свойства глаза существенно меняются. Так, при уменьшении угловых размеров предметов до 10...25° их цвета воспринимаются как цвета смеси оранжевого и голубого цветов. Полная потеря ощущения цветности происходит при углах зрения 6...10°. Учитывая, что телевизионное изображение обычно воспринимается в пределах угла ясного зрения (12...15°), детали, меньшие, чем 4–6 элементов, могут воспроизводиться в черно-белом виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, позволяет уменьшить ширину требуемой полосы частот канала связи.

Вопросы для самоконтроля

2.1. Перечислите основные характеристики зрительного анализатора.

2.2. Поясните основные принципы трехкомпонентной теории цветового зрения.

2.3. Какие способы смешения цветов используются в телевидении?

2.4. Какой физический смысл имеют основные цвета?

2.5. Как определяются координаты цветности?

2.6. Охарактеризуйте систему реальных цветов RGB.

2.7. Поясните принцип построения цветовой системы XYZ.

2.8. Как получить диаграмму цветности МКО.

2.9. Перечислите главные особенности цветового графика МКО.

2.10. В чем заключается преобразование колориметрически точного воспроизведения цветности, реализуемые в телевидении?

Список рекомендуемой литературы

1. Телевидение /Под ред. В.Е. Джаконии. – М.: Радио и связь, 1997. – 640 с.

2. Новаковский С.В. Цветное телевидение. – М.: Связь 1975, – 376 с.

3. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. – Основы цветного телевидения. М.: Радио и связь, 1982. – 160 с.