Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

731

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

400 500 600 700

Äëèíà âîëíû (íì)

Ìàòðèöèðîâàíèå

Äëèíà âîëíû (íì)

Îòêëèê



×óâñòâèòåëüíîñòü

BGR

Рис. 31.1 Вверху: спектральные чувствительности типичной электронной камеры. Внизу:то

же, но после матрицирования. Пунктирные линии — трихроматические кривые Стандартного

наблюдателя по уравнивающим (кардинальным) стимулам стандарта ITUR BT.7091993, ука

зывающие на вполне удовлетворительное соответствие спектральных чувствительностей каме



ры условию Лютера — Айвса.

Малый размер матрицы большинства цифровых фотокамер вынуждает применять

объективы с меньшим фокусным расстоянием, чем у 35мм камер, дабы достичь тре

буемой глубины резкости изображения.

31.6 КОЛИЧЕСТВО ПИКСЕЛОВ

Общее количество светочувствительных элементов в матрицах телекамер разных

систем таково:

Система Матрица Общее число

пикселов

VHS

240´360

76800

525строчное телевидение

483´644

311052

625строчное телевидение

575´767

441025

HDTV

1080´1920

2073600

Цифровые фотокамеры по данному критерию можно разделить на три ценовых

группы (см. ниже): количество пикселов результирующего изображения дано как по

ловина от общего числа пикселов в светочувствительной матрице — сие есть следствие

т.н. пространственной пикселинтерполяции, выполняемой с целью формирования

пикселов цифрового изображения из сигналов, полученных от покрытых фильтрами

элементов матрицы. Понятно, что неизбежным следствием такой интерполяции явля

ется падение пространственного разрешения изображения.

Стоимость Матрица Общее колво пикселов

в матрице

Колво пикселов

в результирующем

изображении

Высокая

2036´3060

6230160 3115080

Средняя

1600´2133

3412800 1706400

Низкая

480´640

307200 153600

Оцифровка кадра размером 24´36 мм, снятого обычной пленочной 35мм камерой,

имеет следующие характеристики:

Стоимость Матрица Общее колво пикселов

Очень низкая

(+ обработка)

2400´3600

8640000

На рис. 31.2 в логарифмических шкалах дан график цен на цифровые фотокамеры

как функция от количества пикселов в результирующем изображении, и мы видим,

что рост этой цены слегка нелинеен. Отметим также, что существует весьма выражен

ная разница в соотношении «цена/колво пикселов» у цифровых и у обычных 35мм

пленочных камер (также см. рис. 31.2).

732

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

31.7 ОБЩАЯ СХЕМА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ КАМЕР

Возможные варианты обработки сигналов электронных камер даны на рис. 31.3.

Процесс начинается с того, что экспонирующий свет воздействует на сенсор, сигна

лы которого вначале используются для автоматического экспозамера, после чего про

исходит собственно захват первичного изображения сцены.

На следующем этапе сигналы сенсора линеаризуются путем т.н. вычитающей кор

рекции темнового тока, а также паразитной подсветки первичного изображения сце

ны, сформированного объективом камеры на поверхности этого сенсора.

31.7.1 Аналоговые системы

Аналоговые системы (аналоговые камкордеры и аналоговые телекамеры) для оп

тимизации экранного показа обычно выполняют матрицирование и гаммапредыска



733

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

Рис. 31.2 Цена обычных цифровых фотокамер как функция от числа пикселов в результирую

щем изображении. Для сравнения даны аналогичные данные по обычной пленочной 35мм ка

мере (стрелка указывает на рост общей цены при учете стоимости обработки и сканирования

фотоматериала).

жение своих сигналов и используют последние либо непосредственно, либо через

яркостноцветоразностную стадию.

31.7.2 Цифровые системы

В цифровых системах сигнал дискретизируется посредством АЦП — аналогоци

фрового преобразователя.

31.7.2.1 Цифровое телевидение

В тех цифровых системах, в которых сенсоры не покрыты мозаикой фильтров, то

есть в варианте «светоделитель + три отдельных сенсора» (например, в ситуации циф



734

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

Ýêñïîíèðóþùèé

ñâåò

Ýêñïîçàìåð

Ñåíñîð

Ïîïðàâêà íà

òåìíîâîé òîê

Ïîïðàâêà íà

ïàðàçèòíóþ

ïîäñâåòêó

ÀÖÏ

Ïðîñòðàíñòâåííàÿ

ïèêñåë-

èíòåðïîëÿöèÿ

Ïðîôàéë

êàìåðû

JPEG-

êîìïðåññèÿ

Âõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

Ìàòðèöèðîâàíèå â

ITU-R BT.709-1993

Ãàììà-ïðåäûñêàæåíèå

Ýëåêòðîííûé

íîñèòåëü

Ìàòðèöèðîâàíèå â

ITU-R BT.709-1993

Ãàììà-ïðåäûñêàæåíèå

Ìàòðèöèðîâàíèå â

ITU-R BT.709-1993

Ãàììà-ïðåäûñêàæåíèå

ßðêîñòíûé

è öâåòîðàçíîñòíûå

ñèãíàëû

ßðêîñòíûé

è öâåòîðàçíîñòíûå

ñèãíàëû

ßðêîñòíûé

è öâåòîðàçíîñòíûå

ñèãíàëû

Àíàëîãîâîå

òåëåâåùàíèå

MPEG-

êîìïðåññèÿ

MPEG-

êîìïðåññèÿ

Öèôðîâîå

òåëåâåùàíèå

Ìàãíèòíàÿ

ëåíòà

ÖÀÏ

Àíàëîãîâûé

òåëåïðèåìíèê

Öèôðîâîé

òåëåïðèåìíèê

Ìîíèòîð

Ìàãíèòíàÿ

ëåíòà

Àíàëîãîâûé

òåëåïðèåìíèê

Ìîäóëü

öâåòîïåðåäà÷è (RIM)

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

Ïðîôàéë

ìîíèòîðà, ïðîåêòîðà

èëè ïðèíòåðà

Ìîíèòîð, ïðîåêòîð

èëè ïðèíòåð

Àíàëîãîâûé

êàìêîðäåð

Àíàëîãîâîå

òåëåâèäåíèå

Öèôðîâîå

òåëåâèäåíèå

Öèôðîâîé

êàìêîðäåð

Öèôðîâàÿ

ôîòîêàìåðà

ÎÁÙÀß ÑÕÅÌÀ ÐÀÁÎÒÛ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÕ ÊÀÌÅÐ

(PCS  Ïðîñòðàíñòâî ñâÿçè ïðîôàéëîâ)

ÑÖÅÍÀ

Рис. 31.3 Общая схема возможного функционирования электронных камер.

рового широковещательного телевидения), сигналы матрицируются, гаммапредыс



кажаются, преобразуются в яркостноцветоразностные сигналы, сжимаются по

MPEGалгоритмам и, наконец, визуализируются на цифровых устройствах отображе

ния. Для воспроизведения изображений, сформированных этими сигналами, на ана

логовых устройствах отображения требуется т.н. ТАП — телевизионная абонентская

приставка, конвертирующая цифровой сигнал в аналоговый (т.е. цифроаналоговый

преобразователь — ЦАП).

31.7.2.2 Цифровые камкордеры

В тех цифровых системах, в которых сенсор покрыт матрицей фильтров, после вы

полнения аналоговоцифрового преобразования сигналы проходят через упомянутый

выше пикселинтерполятор, компенсирующий некоторую потерю пространственного

разрешения изображения при его попиксельной сборке из сигналов сенсора. Сие ти

пично для цифровых фотокамер и камкордеров.

31.7.2.3 Цифровые фотокамеры

Выходной сигнал цифровых фотокамер можно отправить на монитор, принтер или

слайдпринтер либо на любое иное устройство, в частности цифровой проектор или

компьютер. Стало быть, ситуация несколько сложнее, чем описанные ранее, и поэто

му ей будет посвящен отдельный раздел.

31.8 ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЦФК

Этапы обработки сигналов цифровой фотокамеры схематично представлены на

рис. 31.4. Сразу оговоримся, что «sRGB» на схеме — это стандартное абстрактное три

хроматическое пространство, о котором мы поговорим в разделе 31.10.

Итак, мы видим, что начальные этапы, показанные на рис. 31.4, те же, что и на рис.

31.3, однако перед стадией пикселинтерполяции вводится процедура балансировки

белого, и касается он как камкордеров, так и цифровых фотокамер (подробнее в разде

ле 31.9).

По умолчанию цифровые фотокамеры в качестве т.н. входного пространства связи

профайлов (PCS — Profile Connection Space) используют матрицу для 709 возможных

люминофоров, позволяющую выполнить учет входных факторов: динамического диа

пазона первичного изображения сцены на сенсоре, охвата цветностей этого изображе

ния и условий просмотра.

Затем, после выполнения компрессии и сохранения данных в оперативной памяти,

выполняется конверсия сигналов в трихроматическое пространство sRGB, что пред

шествует собственно экранному отображению или отправке команд на вход принтера.

В работе топовых моделей цифровых камер упомянутые выше процедуры иногда

дополняются колориметрией цены, отрицательными значениями в RGBсигналах и

некоторыми опорными значениями помимо значений по белой точке. После чего дан

ные преобразуются в т.н. аппаратнонезависимые показатели, в частности, в трехсти

мульные — колориметрические (CIEXYZ), либо перцепционные (CIELAB).

После преобразования информации в аппаратнонезависимое пространство связи

профайлов (PCS), компрессии и сохранения на электронный носитель, к работе может

подключиться т.н. RIM— Rendering Intent Module — модуль цветопередачи, выпол

няющий учет динамического диапазона изображения, коррекцию тонопередачи, ими



735

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

тацию эффектов локальной адаптации по типу «затенения» и «пропечатки», а также

т.н. гамутмэппинг (см. раздел 33.16).

Наконец, данные поступают на обработку т.н. выходным модулем управления цве

товоспроизведением (output CMM — Color Management Module), рассчитывающим

сигналы для отправки их на монитор, принтер или проектор.

31.9 БАЛАНС БЕЛОГО В ЭЛЕКТРОННЫХ КАМЕРАХ

Мы знаем, что зрительная система человека адаптируется к текущим условиям

просмотра сцен и изображений. Одним из проявлений адаптации является то, что, при

смене характера освещения объектов сцены, изменения в восприятии последних, воз



никающие в первый момент, довольно быстро и полностью (или почти полностью) ис



736

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

Ýêñïîíèðóþùèé

ñâåò

Ñåíñîð

Ñèãíàëû

ñåíñîðà

Ïîïðàâêà íà

òåìíîâîé òîê

Ïîïðàâêà íà

ïàðàçèòíóþ

ïîäñâåòêó

Ëèíåéíûå

RGB-ñèãíàëû

ÀÖÏ

Áàëàíñ áåëîãî

Ïðîñòðàíñòâåííàÿ

ïèêñåë-

èíòåðïîëÿöèÿ

Ìàòðèöèðîâàíèå â

ITU-R BT.709-1993

Âõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

JPEG-êîìïðåññèÿ

Ýëåêòðîííûé íîñèòåëü

(ôëýø-êàðòà, äèñê è ïð.)

Ãàììà-

ïðåäûñêàæåíèå

sRGB

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé

ïðîñìîòðà

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé

ïðîñìîòðà

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé

ïðîñìîòðà

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé

ïðîñìîòðà

Âûõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé

ïðîñìîòðà

Âõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

JPEG-êîìïðåññèÿ

Âõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

JPEG-êîìïðåññèÿ

Âõîä PCS

Ó÷åò óñëîâèé ïðîñìîòðà

Ìîäóëü öâåòîïåðåäà÷è (RIM)

Äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí

Òîíîïåðåäà÷à

Ýôôåêòû ëîêàëüíîé àäàïòàöèè

Ãàìóò-ìýïïèíã

Ïðîôàéë êàìåðû,

ÑÌÌ, L*a*b*

Ïðîôàéë êàìåðû, ÑÌÌ, êîëîðèìåòðèÿ ñöåíû,

îòðèöàòåëüíûå ó÷àñòêè òðèõðîìàòè÷ñåêèõ êðèâûõ

Ñòàíäàðòíîãî íàáëþäàòåëÿ, L*a*b* (èëè äðóãèå

àïïàðàòíî-íåçàâèñèìûå ñèãíàëû)

Ãàììà-

êîìïåíñàöèÿ

Ïðåîáðàçîâàíèå

ïî ïðîôàéëó

ìîíèòîðà

Ïðåîáðàçîâàíèå

ïî ïðîôàéëó

ïðèíòåðà

Ïðåîáðàçîâàíèå

ïî ïðîôàéëó

ìîíèòîðà

Ïðåîáðàçîâàíèå

ïî ïðîôàéëó

ïðèíòåðà

Ïðåîáðàçîâàíèå

ïî ïðîôàéëó

ïðîåêòîðà

Ìîíèòîð Ïðèíòåð Ìîíèòîð Ïðèíòåð Ìîíèòîð Ïðèíòåð Ïðîåêòîð

Ïðîñòåéøèå êàìåðû Îáû÷íûå êàìåðû Òîïîâûå ìîäåëè êàìåð

ÎÁÐÀÁÎÒÊÀ ÑÈÃÍÀËÎÂ ÖÈÔÐÎÂÛÕ ÔÎÒÎÊÀÌÅÐ

(PCS  Ïðîñòðàíñòâî ñâÿçè ïðîôàéëîâ; ÑÌÌ  Color Management Module)

Ýëåêòðîííûé íîñèòåëü

(ôëýø-êàðòà, äèñê è ïð.)

Ýëåêòðîííûé íîñèòåëü

(ôëýø-êàðòà, äèñê è ïð.)

ÑÖÅÍÀ

Рис. 31.4 Общая схема обработки сигналов цифровых фотокамер (этап экспозамера опущен).

чезают (см. гл. 34). Очевидно, что по аналогии со зрительной системой к смене харак



тера освещения приходится «адаптировать» и цифровые цветорегистрирующие

(и цветовоспроизводящие) устройства.

В классической аналоговой слайдфотографии сего добиваются либо путем выбора

пленки подходящего типа (см. раздел 5.7), либо за счет компенсационных фильтров

(см. разделы 10.4 и 10.5). В негативнопозитивном процессе «адаптация» реализуется

путем управления эффективной цветностью света, экспонирующего позитивный фо

томатериал (бумагу) (см. гл. 16). В электронных камерах эффект «адаптации» дости

гается путем умножения RGBсигналов сенсора камеры (аппаратных сигналов каме

ры) на определенные коэффициенты. Величины этих коэффициентов подбирают, ру

ководствуясь тремя принципами:

Принцип Эванса (баланс по серому). Усредненные RGBсигналы уравниваются ме

жду собой. Напомним, что данный принцип был весьма эффективен при аналоговой

печати негативов (см. раздел 16.7).

Ретинекс. Максимальные RGBсигналы уравниваются между собой. Принцип по

лучил название исходя из т.н. ретинексной теории цветовой константности, кото

рая предполагает, что ощущение белого обязано максимуму отклика колбочек всех

трех типов (Land и McCann, 1971). Паразитное влияние отдельных особо ярких пик

селов снижают путем усреднения по группе пикселов или во времени (камкордеры).

Корреляция. Наиболее вероятная цветность освещения идентифицируется путем

сравнения rgоткликов сенсора камеры на предметные стимулы сцены при факти

ческом освещении (несколько десятков стимулов) с rgоткликами при нескольких

возможных вариантах освещения (Finlayson, Hubel и Hordley, 1997). На рис. 31.5

единицы указывают на то, что стимулы, вызывающие тот или иной отклик, пред

ставлены при данном освещении, а нули — на то, что не представлены. Наиболее

вероятным (из ряда возможных) явится то освещение, при котором картина нулей

и единиц окажется максимально близка к фактической. Метод можно усовершен

ствовать заменой нулей и единиц на ряд дискретных значений от 0 до 1, представ

ляющих вероятности появления стимулов той или иной цветности при данном ос

вещении.

31.10 СТАНДАРТНОЕ ТРИХРОМАТИЧЕСКОЕ

ПРОСТРАНСТВО SRGB

На тех этапах цифрового цветовоспроизведения, на которых использование инди

видуальных профайлов устройств нецелесообразно или неосуществимо, можно реко

мендовать применение стандартного трихроматического пространства sRGB

(Anderson, Motta, Chandrasekar и Stokes, 1996). Трихроматическое sRGBпростран

ство аналогично пространствам, много лет применявшимся в цветном широковеща

тельном телевидении.

Пространство sRGB предполагает, что цветности кардинальных (воспроизводя

щих) стимулов те же, что и у стандартных 709 люминофоров (см. раздел 21.13), то

есть:

RGBD

0.64

0 30 015 0 3127

033 060 006 03290

003 0

...

. ...

. ...10 0 79 0 3583

737

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

Следовательно, уравнения перехода к соответствующим XYZзначениям и обратно

выглядят следующим образом:

RYZ

GXYZ

=- -

=- + +

32410 1 5374 0 4986

0 9692 18760 0 0416

.. .

...

BXYZ=-+0 0556 0 2040 1 0570...

XRGB

YRGB

=++

0 4127 0 3586 0 1808

0 2132 0 7172 0 0724

...

ZRGB=++0 0195 01197 0 9517...

Плюс к тому в sRGBпространстве по RGBзначениям, лежащим выше 0.00304,

имеет место гаммапредыскажение со степенью 1/2.4:

1055 0 055

1055

124

0 055-

Поправка на 0.55 облегчает дискретизацию, когда уровень сигнала слишком мал.

По значениям, меньшим 0.0034, гаммапредыскажение не выполняется и действу

ет выражение:

738

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА

Îñâåòèòåëü Â Îñâåòèòåëü À

rg-îòêëèêè ñåíñîðà íà ïðåäìåòíûå ñòèìóëû ñöåíû,

âîçíèêàþùèå ïðè èçâåñòíûõ èñòî÷íèêàõ ñâåòà

rg-îòêëèêè ñåíñîðà íà ïðåäìåòíûå

ñòèìóëû ñöåíû, âîçíèêàþùèå ïðè

èäåíòèôèöèðóåìîì îñâåùåíèè

Ìàêñèìàëüíî ïîõîæèé

âàðèàíò îñâåùåíèÿ

(7 ñîâïàäåíèé)

Èäåíòèôèöèðóåìûé

îñâåòèòåëü

r r

Рис. 31.5 Балансировка белого по методу корреляции. В таблице представлены данные по ше

стнадцати предметным стимулам разных цветностей, но на практике можно использовать

много большее их количество.

12 92

Значения по черной точке R =0,G =0,B = 0, по белой R = 255, G = 255, B = 255 при

кодировании в 8 бит на канал (что отлично от телевидения, в котором по черному

R = 16, G = 16, B = 16, по белому R = 235, G = 235, B = 235).

При этом sRGBкодирование предполагает, что монитор компьютера отвечает сле

дующим параметрам:

Фотометрическая яркость белой точки 80 кд/м

Освещенность окружения 64 лк

Цветность освещения Цветность D

осветителя

Уровень паразитной просмотровой подсветки 1%

Условия просмотра изображений на экране монитора должны иметь такие пара

метры всегда, когда только возможно. Однако в типичных условиях просмотра осве

щенность окружения составляет порядка 200 лк, а уровень паразитной просмотровой

подсветки порядка 5%. В таких условиях неизбежно возникают отклонения в цвето

вом восприятии стимулов, воспроизводимых монитором, но отклонения эти можно

компенсировать путем применения специальных моделей цветового восприятия (см.

Часть VI).

Наконец, отметим, что существует аналогичное sRGB линейное (т.е. не использую

щее гаммапредыскажения) трихроматическое пространство scRGB.

ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ

Anderson, M., Motta, R., Chandrasekar, S., and Stokes, M., Fourth Color Imaging

Conference: Color Science, Systems and Applications, pages 238 to 246. IS&T and SID,

Springfield, VA, U.S.A. (1996).

Finlayson, G.D., Hubel, P.M., and Hordley, S., Fifth Color Imaging Conference: Color

Science, Systems and Applications, pages 6 to 11. IS&T and SID, Springfield, Va, U.S.A.

(1997).

Hubel, P.M., Sherman, D., and Farrell, J.E., Second Color Imaging Conference: Color

Science, Systems and Applications, pages 45 to 48. IS&T and SID, Springfield, VA, U.S.A.

(1994).

Katoh, N., Mizukara, T., Nishio, K., and Quan, S. Eleventh Color Imaging Conference:

Color Science, Systems and Applications, Late breaking news special papers session. IS&T

and SID, Springfield, Va, U.S.A. (2003).

Land, E.H., and McCann, J.J., J. Opt. Soc. Amer., 61, 1 (1971).

Lyon, R.F., and Hubel, P.M. Tenth Color Imaging Conference: Color Science, Systems and

Applications, pages 349–355. IS&T and SID, Springfield, Va, U.S.A. (2002).

739

ГЛАВА 31 ОЦИФРОВЫВАЮЩИЕ ФОТО И ВИДЕОСЪЕМКА