 |
3. Особенности преобразования цветовых сигналов
|
|
|
|
3. ОСОБЕННОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЦВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ
3. 1. Восприятие цвета человеком
Ощущение цвета возникает в зрительном анализаторе человека под воздействием светового излучения в диапазоне частот 400–750 нм. На сетчатке глаза имеются три типа цветоощущающих приемников-колбочек, имеющих максимумы чувствительности соответственно в синей, зеленой и красной областях спектра.
Восприятие излучения каждой группой колбочек оценивают, используя кривые смешения. Любой цвет можно представить как векторную сумму трех линейно независимых цветов (иногда третий цвет вычитается). Линейно независимыми называются три цвета, каждый из которых не может быть получен сложением двух других цветов.
Для получения кривых смешения в качестве трех линейно независимых цветов были выбраны излучения с длинами волн 460, 530, 650 нм, соответствующие максимумам спектральной чувствительности каждой группы колбочек. Экспертам предъявляли два цветовых поля. Одно было образовано монохроматическим излучением, другое – суммой трех вышеупомянутых излучений. Яркости последних регулировались таким образом, чтобы эксперт не отличал оба цветовых поля по яркости и цветности. Когда монохроматический цвет не мог быть получен как сумма трех указанных цветов, цветовые поля уравнивали переносом одного из трех излучений на другое цветовое поле – к монохроматическому излучению, что соответствовало вычитанию переносимого цвета.
В [6] подробно описана методика получения кривых смешения и приводятся их графики, схематично показанные на рис. 3. 1. Например, чтобы получить цвет с длиной волны С, необходимо векторно сложить отрезки СК (яркость излучения с длиной волны 530 нм) и CД (яркость излучения с длиной волны 650 нм) и из суммы вычесть вектор СМ (яркость излучения с длиной волны 460 нм).
|
|
|
Кривые спектральной чувствительности каждой группы колбочек можно рассматривать как импульсные реакции колбочек при условии подачи на вход в качестве импульсов монохроматических излучений с длинами волн 460, 530 и 650 нм. Как видно из рис. 3. 1, эти импульсные реакции напоминают " обрезанные" " синковые" функции, т. е. похожи на импульсные реакции идеальных фильтров.
Рис. 3. 1. Кривые смешения для зрительного анализатора человека
В соответствии с предложенной в [16] моделью цветового канала зрительной системы световые потоки интегрируются каждой группой колбочек с учетом спектральной чувствительности колбочек, результат интегрирования нелинейно преобразуется. Затем сигнал подается в 3 сумматора. На выходе первого сумматора образуется сигнал яркости, на выходе второго – разность " красный минус зеленый", на выходе третьего – разность " желтый минус синий". Из полученных сигналов извлекается квадратный корень, и они поступают в кору головного мозга, операции в которой условно можно представить в виде векторного устройства принятия решений. Эксперименты показали, что отклики зрительных каналов яркости и цветности ортогональны.
Дискретность восприятия спектра излучения зрительным анализатором человека обусловливает наличие явления, называемого метамерностью: цвета разного спектрального состава воспринимаются человеком одинаково [6]. Поэтому если система преобразования сигналов предназначена для визуализации изображения, то достаточным требованием к системе является формирование физиологически точного цветовоспроизведения: человек не отличает спектральные составы объекта и изображения, хотя эти спектральные составы неодинаковы. Если же система создана для спектрального анализа излучения, то она должна удовлетворять требованию физически точного цветовоспроизведения: спектральный состав излучения и изображения одинаковы. Практически все системы воспроизведения изображения в настоящее время дают лишь психологически точное воспроизведение: зритель может отличить цвет изображения от цвета объекта при наличии последнего.
|
|
|
3. 2. Способ получения физически и физиологически точных цветных изображений
Как ранее уже было отмечено, оптический сигнал – функция пяти переменных, в том числе длины волны излучения. Носители информации имеют одно, два или три измерения. Чтобы получить физически точное неотличимое от объекта по спектру изображение, желательно обеспечить развертку сигнала по аргументу на носителе. Это может быть достигнуто несколькими способами: голографическим, интегральной фотографией Липмана, растровой системой с дисперсионной призмой. Принципы голографии в полной мере рассматриваются в специальной литературе, два других способа, рассмотренные в [6], не столь известны.
Метод интегральной фотографии Липмана предусматривает запись оптического изображения на оригинальный светочувствительный материал, схема которого представлена на рис. 3. 2. Внутри эмульсионного слоя 2, нанесенного на стеклянную пластинку 1, складываются 2 световых потока: падающий и отраженный от зеркальной поверхности 3. Распределение интенсивности образованных стоячих волн вдоль толщины эмульсионного слоя есть преобразование Фурье спектра излучения. Для сохранения линейности сигнала химико-фотографическая обработка должна обеспечить пропорциональность количества восстановленного серебра от интенсивности волн. При освещении обработанной пластины белым светом за счет интерференции происходит восстановление спектра излучения.
Рис. 3. 2. Схема строения светочувствительного материала для интегральной фотографии Липпмана:
1 – стеклянная пластинка; 2 – светочувствительный слой; 3 – зеркальная поверхность
Обеспечить физически точное цветовоспроизведение можно и с использованием двумерного носителя, но при этом придется производить дискретизацию по одному из пространственных аргументов Х или У. Схема получения такого изображения с применением дисперсионной призмы и цилиндрического линзового растра представлена на рис. 3. 3. Оптическое изображение, формируемое объективом 1 и разложенное по спектру дисперсионной призмой 2, создается в плоскости светочувствительного слоя 5, причем каждая цилиндрическая линза растра образует отдельный участок разложенного в спектр цветного изображения. Восстановление обработанного изображения происходит в белом свете такой же системой.
|
|
|
Рис. 3. 3. Схема для получения физически точного цветного изображения
с дисперсионной призмой:
1 – объектив; 2 – дисперсионная призма; 3 – цилиндрический линзовый растр;
4 – основа; 5 – светочувствительный слой
Чтобы получить физически точное цветовоспроизведение, не обязательно проводить развертку сигнала по длине волны λ на носителе. Теоретически можно создать систему с дискретизацией по λ, удовлетворяющую требованиям
теоремы Котельникова. Для этого на входе и выходе дискретизатора требуются идеальные фильтры, не пропускающие частот, вдвое меньших частоты дискретизации. Если реализовывать такую систему непосредственно для оптических сигналов, то требуется запись на большое, стремящееся к бесконечности, количество носителей, перед которыми установлены оптические фильтры с характеристиками пропускания в виде " синковых" функций. Рассмотренная в [6] практическая реализация вышеописанной системы достаточно сложна.
В настоящее время в медицинской технике осуществляются первые попытки получения голографических изображений.
В [6] обоснованы требования к системе передачи сигналов для физиологически точного цветовоспроизведения, когда цвет изображения не отличен для человека от цвета объекта.
1. Дискретизация по длине волны λ должна осуществляться по трем каналам, на входе каждого канала должен находиться светофильтр или приемник, спектральная чувствительность которого повторяет кривую смешения для соответствующей группы колбочек.
|
|
|
2. Соотношения между интенсивностями сигналов в каналах передачи должны быть сохранены.
3. На выходе системы должны применяться монохроматические фильтры или излучатели, с длинами волн пропускания 460, 530, 650 нм, соответствующими максимумам спектральной чувствительности колбочек. При этом нуждается в изучении вопрос о влиянии монохроматических излучений на зрительный сигнализатор человека.
Так как кривые смешения имеют отрицательные участки, для их реализации используются методы маскирования, называемые в телевидении матрицированием.
На основе вышеизложенного очевидно, что техническая реализация систем для физически и физиологически точного цветовоспроизведения в настоящее время достаточно сложна, поэтому большинство цветных изображений являются психологически точными, т. е. содержат цветовые искажения приемлемого уровня. Объективно оценить степень этих искажений возможно с использованием количественных характеристик цвета.
|
|
|
