Способ получения сигналов изображения цветного телевидения Российский патент 2019 года по МПК H04N7/00 

Изобретение относится к телевидению, и может быть использовано при создании телевизионных камер для систем цветного телевидения.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время для получения сигналов изображения в цветном телевидении в телевизионных камерах осуществляют цветоделение светового потока от передаваемой сцены на три части: красную (R), зеленую (G) и синюю (В). Красная, зеленая и синяя составляющие разделенного светового потока поступают на преобразователи свет-сигнал, на выходе которых получают видеосигналы U_R, U_G, U_B. Для целей настоящего документа термины «сигнал изображения» и «видеосигнал» равнозначны.

Для правильной цветопередачи телевизионная камера должна обеспечивать прямую пропорциональность между видеосигналами U_R, U_G, U_B и координатами цвета передаваемой сцены в одной из колориметрических систем низшей метрики цвета. В большинстве случаев (как правило) телевизионная камера осуществляет цветовой анализ в колориметрической системе телевизионного приемника (монитора) R_ПG_ПB_П (фиг. 1) [Телевидение / Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 616 с. (см. с. 230)]. Это связано с тем, что удобно получать сигналы U_R, U_G и U_B, прямо пропорциональные координатам основных цветов стандартного (эталонного) телевизионного приемника, из которых приемник синтезирует воспроизводимое изображение. В этом случае характеристики спектральной чувствительности трех каналов камеры представляют собой функции удельных координат , , колориметрической системы приемника. Как видно из фиг. 1 эти функции имеют участки отрицательных значений ординат и вторичных максимумов. Практическая реализация трехсигнальной телевизионной камеры с такими характеристиками спектральной чувствительности невозможна. Поэтому на практике используют спектрально несогласованные характеристики чувствительности камеры. Например, в трехсигнальных камерах RGB, RYB и RWB используют спектральные характеристики, представленные на фиг. 2 [Телевизионные передающие камеры / В.А. Петропавловский и др. - М.: Радио и связь, 1988. - 304 с. (см. с. 41)]. Эти спектральные характеристики отличаются от удельных координат колориметрической системы приемника отсутствием отрицательных участков и вторичных максимумов и, выбраны из условий компромисса между ухудшением качества передачи цвета и увеличением чувствительности при условии дополнительной матричной цветокоррекции. Принцип цветокоррекции основан на том, что побочные отрицательные и положительные ветви функций удельных координат , , расположены под основными ветвями и подобны им по форме. Это позволяет, вычитая из каждого видеосигнала основных цветов два других в определенных пропорциях, компенсировать отсутствие отрицательных ветвей.

Рассмотренный способ получения сигналов изображения в цветном телевидении имеет целый ряд существенных недостатков:

1. Разделение спектра светового потока на три части (красную, зеленую и синюю) снижает уровень видеосигнала преобразователей свет-сигнал приблизительно во столько же раз и, следовательно, снижает чувствительность цветной телевизионной системы.

2. Несоответствие спектральных характеристик камер RGB, RYB и RWB удельным координатам соответствующих цветов приемника , , , даже после цветокоррекции, приводит к снижению точности цветопередачи.

3. В цветокорректирующей матрице присутствуют отрицательные коэффициенты [Певзнер Б.М. Качество цветных телевизионных изображений. - М.: Радио и связь, 1988. - 224 с. (см. с. 30)], что приводит к снижению отношения сигнал/шум, поскольку при выполнении матричного преобразования полезные сигналы сохраняют свой размах, а шумы складываются по мощности.

4. Светоделительная система телевизионной камеры, разделяющая световой поток на три цветоделенных световых потока и обеспечивающая требуемые спектральные характеристики, снижает чувствительность камеры и является сложным оптическим устройством [Телевидение / Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 616 с. (см. с. 235-238)].

5. Как правило, для сокращения потерь света в камере используются преобразователи свет-сигнал с разными спектральными характеристиками.

Таким образом, традиционные способы получения цветоделенных сигналов в цветном телевидении, основанные на трехзональном принципе, ограничены в чувствительности и имеют искажения цветности до 3-х цветовых порогов.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения сигналов изображения цветного телевидения, позволяющего разрабатывать цветные телевизионные камеры с колориметрически точными спектральными характеристиками без отрицательных ветвей и побочных максимумов, связанными линейной зависимостью с удельными координатами , , соответствующих цветов приемника, высокой чувствительностью, высоким отношением сигнал/шум, упрощенной конструкцией светоделительного устройства, с преобразователями свет-сигнал, имеющими одинаковые спектральные характеристики.

Заявляемый способ базируется на предложенной автором новой колориметрической системе - квантовой модели низшей метрики цвета, которую он называет FED(E), с удельными координатами

, , где V(λ) - относительная спектральная световая эффективность зрительной системы (кривая видности), квантовое число, пропорциональное энергии фотона с длиной волны λ в мкм. Предложенная квантовая модель основана на работе М. Планка (М. Планк Теория теплового излучения - М., Теория теплового излучения. Перевод с немецкого. Изд. 2 КомКнига. 2006. 208 с., (см. с. 88), в которой показано, что световой поток фотонов F несет не только энергию Е, но и энтропию Н, которая логарифмически связана с дисперсией энергии светового потока D(E). Эти выводы М. Планка позволили предположить, что световые потоки разного спектрального состава в сравниваемых полях будут неразличимы, т.е. иметь одинаковый цвет, если поглощенные в сетчатке глаза световые потоки от этих полей будут иметь равное число фотонов, равные энергии и равные дисперсии этих энергий. При этом число эффективно поглощенных фотонов считается пропорциональным яркости. Подробно модель описана в работах: [Мазуров А.И., Раевская К.А. Квантовая модель низшей метрики цвета // VIII российско-баварская конференция по биомедицинской инженерии 29-31 мая 2012. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. - с. 10-13;

Мазуров А.И., Раевская К.А. Квантовая модель низшей метрики цвета // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2013. №1. - с. 45-47;

Мазуров А.И. Параметрическая колориметрическая система FED(Е) // 15-я научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья «МЕДТЕХ-2013»: сборник трудов, 20-27 сентября 2013 г., Португалия, о. Мадейра. - М.: ФГБОУ высшего проф. образования МГТУ им Н.Э. Баумана, 2013. - С. 78-80].

Заявляемый способ позволяет получить комплексный технический результат, который выражается в следующем. Система позволяет избежать разделения спектра светового потока на три части - красную, зеленую и синюю. Это увеличивает чувствительность способа по сравнению со способом-прототипом, улучшает точность цветопередачи, увеличивает соотношение сигнал/шум, позволяет упростить конструкцию устройства реализации способа благодаря отсутствию цветоделительной системы, а также использовать преобразователи «свет-сигнал» с одинаковыми спектральными характеристиками.

Колориметрическая система FED(E) линейно связана с колориметрической системой RGB, стандартизированной Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 г., а, следовательно, с любой стандартизованной колориметрической системой низшей метрики цвета (в том числе с системой R_ПG_ПB_П). Эта связь может быть записана в виде системы трех уравнений

Здесь L_r, L_g и L_b - яркостные коэффициенты в колориметрической системе R_ПG_ПB_П;

- удельные координаты соответствующих цветов приемника в колориметрической системе RnGnBn;

Интегрирование осуществляют по всему диапазону длин волн видимого участка спектра электромагнитного излучения; - удельные координаты колориметрической системы FED(E).

Из системы уравнений (1) следует, что в качестве спектральных характеристик чувствительности трех каналов цветной телевизионной камеры без учета светоделения можно использовать функции которые представлены на фиг. 3а.

На Фиг. 3б видно, что приведенные по максимуму к единице функции близки к V(λ). Поэтому спектральные характеристики преобразователей свет-сигнал могут быть выбраны одинаковыми и равными относительной спектральной световой эффективности зрительной системы V(λ), если множители ε(λ) и ε²(λ) в функциях отнести к светоделительному устройству. Тогда функции с учетом светоделения можно записать в виде:

Для решения поставленной задачи с достижением вышеуказанных результатов предлагается способ получения сигналов изображения цветного телевидения в трехканальной телевизионной системе, в котором световой поток I(λ) (перед светоделительным блоком) всего видимого участка спектра направляют в каждый из трех каналов в полном диапазоне длин волн λ,

в первом канале со спектральной характеристикой световой эффективности формируют видеосигнал, пропорциональный яркости изображения в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал

во втором канале со спектральной характеристикой

формируют видеосигнал, пропорциональный поглощенной в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал энергии света

в третьем канале со спектральной характеристикой формируют видеосигнал, пропорциональный дисперсии поглощенной энергии в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал

где спектральные характеристики светоделительного блока τ₁(λ), τ₂(λ), τ₃(λ) во всем диапазоне видимого спектра всех оптических элементов светоделительной системы, стоящих на пути света от передаваемой сцены до светочувствительной поверки преобразователей свет-сигнал рассчитывают по формулам:

причем τ₁(λ)+τ₂(λ)+τ₃(λ)=1.

Затем получаемые в каналах видеосигналы подвергают матрицированию для перехода в колориметрическую систему телевизионного приемника R_ПG_ПB_П:

и получения из системы уравнений (2) красного U_R, зеленого U_G и синего U_B видеосигналов телевизионного приемника.

Преобразователи свет-сигнал могут быть выбраны с одинаковыми спектральными характеристиками, которые равны относительной спектральной световой эффективности зрительной системы V(λ).

В отличие от способа-прототипа RYB, в котором осуществляется цветоделение светового потока от объекта и только одна спектральная характеристика канала G (см. фиг. 2б - кривая Y) близка к стандартной кривой V(λ), в предлагаемом способе отсутствует цветоделение и все три преобразователя свет - сигнал имеют спектральные характеристики Существенным отличием в способе является то, что светоделительная система не разделяет световой поток на три спектральных зоны: красную, зеленую и синюю, а световой поток всего видимого участка спектра поступает во все три канала в полном диапазоне длин волн, что позволяет избежать потерь в светоделительном устройстве и тем самым увеличить чувствительность способа по сравнению со способом-прототипом.

В отличие от прототипа спектральные характеристики не имеют отрицательных ветвей и побочных максимумов. Колориметрическая система FED(E) линейно связана с колориметрической системой приемника R_ПG_ПB_П и, следовательно, передает все цветности, заключенные в треугольнике основных цветов телевизионного приемника без искажений.

В отличие от способа-прототипа световой поток разделяется на три канала без потерь.

Также существенным отличительным фактором от ранее известных способов является то, что во всех трех каналах используется преобразователь свет-сигнал с одинаковыми спектральными характеристиками V(λ).

В отличие от матрицирования в способе-прототипе, в котором матрицирование состоит в том, что в каждом канале из его видеосигнала вычитаются доли сигналов двух других каналов, в предлагаемом способе матрицы не содержит отрицательных коэффициентов (см. (2)), что не приводит к снижению отношения сигнал/шум.

Способ - прототип поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг. 1 [Телевидение / Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 616 с. (см. с. 230)] - удельные координаты колориметрических систем приемника.

а) - для треугольника основных цветов приемника типа NTSC с опорным белым С

б) - для треугольника основных цветов приемника типа ЕС с опорным белым D6500.

Фиг. 2 [Телевизионные передающие камеры / В.А. Петропавловский и др. - М.: Радио и связь, 1988. - 304 с. (см. с. 41)] - Спектральные характеристики чувствительности цветных телевизионных камер: а - RGB, б - RYB, в - RWB.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:

Фиг. 3. Удельные координаты колориметрической системы FED(E):

а - абсолютные значения координат

b - значения координат приведенные по максимуму к 1.

На фиг. 4. Показана светоделительная система с коэффициентами отражения

и коэффициентом пропускания

На фиг. 5 показаны зависимости коэффициентов пропускания светоделительной системы от длины волны.

На фиг. 6 показано устройство для реализации заявляемого способа. Способ осуществляют следующим образом. Первый канал телевизионной камеры со спектральной характеристикой регистрирует сигнал, пропорциональный яркости изображения в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал, второй канал со спектральной характеристикой регистрирует сигнал пропорциональный поглощенной в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал энергии света и третий канал со спектральной характеристикой регистрирует сигнал, пропорциональный дисперсии поглощенной энергии в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал. В каналах получают видеосигналы и

Матричным методом решают систему уравнений (2) для перехода из системы FED(E) в колориметрическую систему телевизионного приемника R_ПG_ПB_П.

Промышленная применимость

Способ получения сигналов изображения цветного телевидения реализуют в устройстве, схема которого показана на (фиг. 6).

Световой поток I₀(λ) от передаваемой сцены 1, пройдя через объектив 2 и сменные приводные фильтры 3, корректирующие при необходимости источник освещения, преобразуется в световой поток I(λ), который поступает в светоделительный блок 4 на дихроический фильтр 5. Фильтр 5 расщепляет световой поток на два, один из которых отражается во всем диапазоне видимого участка спектра с коэффициентом отражения

а второй полностью без потерь пропускает на дихроический фильтр 6, который отражает часть потока с коэффициентом отражения

и пропускает часть потока с коэффициентом пропускания

Световые потоки поступают на фоточувствительные поверхности преобразователей «свет-сигнал» 7, 8, 9 с одинаковыми спектральными характеристиками V(λ), которые преобразуют каждый элемент передаваемой сцены в видеосигналы U_F, U_E, U_D.

Полученные видеосигналы в матрице 10 преобразуют в сигналы колориметрической системы приемника U_R, U_G и U_B.

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании телевизионных камер для систем цветного телевидения с повышенным качеством цветного изображения. Техническим результатом является повышение точности цветопередачи. Результат достигается тем, что в первом канале телевизионной камеры регистрируют сигнал, пропорциональный яркости изображения в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал, во втором канале регистрируют сигнал, пропорциональный поглощенной в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал энергии света, и в третьем канале регистрируют сигнал, пропорциональный дисперсии поглощенной энергии в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал. Полученные видеосигналы матрицируют для перехода в колориметрическую систему телевизионного приемника R_ПG_ПB_П. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения сигналов изображения цветного телевидения в трехканальной телевизионной системе, отличающийся тем, что:

световой поток I(λ) всего видимого участка спектра направляют в каждый из трех каналов в полном диапазоне длин волн λ,

в первом канале со спектральной характеристикой световой эффективности формируют видеосигнал, пропорциональный яркости изображения в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал

во втором канале со спектральной характеристикой формируют видеосигнал, пропорциональный поглощенной в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал энергии света

в третьем канале со спектральной характеристикой формируют видеосигнал, пропорциональный дисперсии поглощенной энергии в каждом пикселе преобразователя свет-сигнал

затем получаемые в каналах видеосигналы подвергают матрицированию для перехода в колориметрическую систему телевизионного приемника R_ПG_ПB_П:

и получения красного U_R, зеленого U_G и синего U_B видеосигналов телевизионного приемника,

при этом спектральные характеристики пропускания τ₁(λ), τ₂(λ), τ₃(λ) во всем диапазоне видимого спектра всех оптических элементов светоделительной системы, стоящих на пути света от входа в светоделительную систему до светочувствительной поверхности преобразователей свет-сигнал рассчитывают по формулам:

причем τ₁(λ)+τ₂(λ)+τ₃(λ)=1.

2. Способ по п. 1, в котором спектральные характеристики преобразователей свет-сигнал одинаковые и равны относительной спектральной световой эффективности зрительной системы V(λ).