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        技術專題

        色度學與彩色電視之電視RGB計色制與彩色正確重現

        發布日期:2014-07-08 點擊:2358

        2.4.1 電視RGB計色制

        前面介紹了物理RGB計色制和XYZ計色制,利用它們已經可以解決色度學的各種計算。但在彩色電視中,由于顯象管三種熒光粉發出的紅、綠、藍三原色*并非是物理RGB計色制中的三基色,所以使用上述兩種計色制進行彩色電視的顏色計算時,會感到復雜。為此,提出電視RGB計色制,它的關鍵是直接利用彩色顯象管熒光粉發出的三原色作為三基色單位,從而使彩色電視的顏色計算大為簡化。

        一、電視三基色的選定

        電視RGB計色制的三基色就是顯象管三種熒光粉發出的三原色,它們的選取基于下面的考慮:

        1、在CIE色度圖中,由于自然界所有實色的集合是一舌形面積,任意三基色所組成的三角形是不可能重現所有顏色的。除非選四個以上基色,用多邊形去逼近舌形區域,但這會增加技術上的復雜性,是一種理論上可行、而實際上不可行的方案。所以,只能選取三基色,使基組成三角形面積最大。由于舌形區域與三角形大體相近,且紅、綠、藍三譜色位于它的三個頂端,故選取紅、綠、藍三譜色作為三基色時,所圍三角形面積最大。

        2、在確定顯象管三原色坐標時,還必須考慮熒光粉的發光效率,一般來說,顏色飽和度越高,熒光粉發光效率越低。發光效率將會影響圖象的亮度和對比度。因此,必須兼顧重視顏色的飽和度和亮度。

        3、在實際生活中,鮮艷的紅、橙、黃、綠是常見的并引起美感的顏色,而飽和的藍、綠一帶的顏色則不常見。所以D RGB的RG邊應盡量靠近光譜軌跡,而BG邊可以離光譜軌遠一些。

        4、700nm的紅光,435.8nm的藍光相對視敏函數值很小,這說明要獲得足夠亮度的紅、藍譜色光,所需要的能量相當大。

         

        根據2~4三條原因,顯象三基色不能選取紅、綠、藍三種譜色,而應在非譜色區,適當選取三點。在圖2.4-1中標出了NTSC制和PAL制顯三基色以及物理R、G、B三基色的坐標位置,它們的具體坐標值,如表2-5所示。

        上述做法,雖然犧牲了一些重現的色域,卻換來了較高的彩色亮度。而重現高亮度比重現高飽和度的彩色更為重要,這樣做是合算的。另外,所選顯象三基色能重現的顏色對彩色而言已經相當豐富的了。為了便于理解這一點,在圖2.4-1中,給出彩色膠片,印刷品、繪畫、染料等能夠重現的色域,用W 區表示。它還不及顯象三基色三角形的面積大,而且顯象三基色還能重現更多的引起美感的紅、橙、黃、綠高飽和度的顏色,所以顯象三基色能重現的色域對人眼來說,是已經相當滿意的了。

        二、顯象三基色單位、、的確定

        為了建立電視RGB計色制,必須確定顯象三基色單位、和。上面已經確定了它們的色度坐標,但還得求出它們各自的色模,才能使顯象三基色單位、和確定下來。為此,NTSC制作出規定;顯象三基色各為1單位時,能相混出1光瓦和C白,即

        1+1[+1=(1光瓦) (2.4-1)

        顯象三基色單位是、、,若用XYZ制表示,則

        (2.4-2)

        所以

        (1光瓦) (2.4-3)

        在XYZ計色制中,若已知1光瓦C白的色度坐標的值(見表2-5),則可以求出它的三色系數。令

        (2.4-4)


        將C白的色坐標

        代入式(2.4-4)得

        0.9810[X]+1[Y]+1.1835[Z]= (2.4-5)

        令式(2.4-3)和式(2.4-5)對應相等,并將、、的色坐標(見表2-5)代入式(2.4-3),可以求得

        =0.9060,=0.8286,=1.4320

        所以,式(2.4-2)可用下列矩陣表示

        (2.4-6a)

        (2.4-6b)

        由逆矩陣運算可得

        (2.4-7a)

        (2.4-7b)

        三、不同計色制的轉換與亮度方程

        在電視RGB計色制中,可以用顯象管三基色以任意比例配出某彩色光。其配色方程為

        =+[+ (2.4-8)

        對于同一彩色光,也可用XYZ計色制的配色方程表示

        =X[X]+Y[Y]+Z[Z] (2.4-9)

        類似物理RGB制和XYZ制的轉換關系,可以求出電視RGB制和XYZ制三色系數的轉換關系。

        (2.4-10a)

        (2.4-10b)

        (2.4-11a)

        (2.4-11b)

        在式(2.4-6)、式(2.4-7)、式(2.4-10)和式(2.4-11)中、[B]、和互為逆矩陣,而和[B]、和互為轉置矩陣。這四個矩陣知其一,可求其三。以上轉換關系與式(2.2-26)、式(2.2-27)、式(2.2-29)、式(2.2-30)描述的物理RGB制和XYZ制的轉換關系完全相似。

        綜上所述,所有不同計色制都可以相互轉換,但是一般都與XYZ制進行轉換,以便統一分析比較。假設有任一計色制,例如RGB計色制,它需要同XYZ制進行轉換,兩者必存在下列關系:

        = (2.4-12a)

        =[A] (2.4-12b)

        = (2.4-12c)

        (2.4-12d)

        式中,[A]、、、四個矩陣中存在互逆和互為轉置矩陣的關系,若知其一,可求其在一,由于分布色系數是三色系數的特例,所以式(2.4-12c、d)對分布色系數也成立,即

        = (2.4-13a)

        = (2.4-13b)

        從式(2.4-11)中,可以異出非常有實用價值的亮度方程。

        Y=0.299+0.587+0.114 (2.4-14)

        上述亮度方程表明了電視RGB制中,任一彩色光的在一色系數與其亮度之間的關系。利用這個方程,可進行亮度計算和基色信號的變換,這一點將在第三章中講授。這個公式是在NTSC制中規定1[R]+1[G]+1[B]=的條件下導出來的。

        四、適用于PAL制的電視RGB計色制

        前面所講的不同制式的轉換關系在色度學中是普遍適用的。當顯象三基色和基準白的色度坐標確定后,再附加

        1+1[+1=(1光瓦)

        的條件,式(2.4-12)中矩陣的系數就可求出來,即可確定電視RGB制和XYZ制的相互轉換關系。

        前面是采用NTSC制顯象三基色和C白色度坐標來建立電視RGB計色制的,因此它的具體數據適用于NTSC制彩色電視的色度計算。對于PAL制,應當選用PAL制顯象三基色和白光色度坐標,并假定顯象三基色各有一個單位能配成1光瓦白光,即

        1+1[+1=(1光瓦) (2.4-15)

        由此可導出適當于PAL制的電視RGB計色制與XYZ制的相互轉換關系:

        (2.4-16a)

        (2.4-16b)

        (2.4-17a)

        (2.4-17b)

        由式(2.4-17)可得到適用于PAL制的亮度方程

        Y=0.222+0.707+0.071 (2.4-18)

        它的物理意義及作用與NTSC制的亮度方程(見式2.4-14)完全相同,但是它的導出條件(見式2.4-15)與NTSC制亮度方程的導出條件是不相同的。

        由于NTSC制彩色電視系統比PAL制早十幾年,所以PAL制并沒有采用(2.4-18)的理論亮度方程,仍然習慣地沿用NTSC制的亮度方程。這樣做,雖然有一定的誤差,但是主要特性仍能滿足視覺對亮度的要求,所以,人們就一直沿用下來了。

        2.4.2 彩色的正確重現

        彩色電視的實現基于彩色的分解與合成,2.4.1節又介紹了電視RGB計色制。有了這兩方面的知識,就可以討論彩色電視系統究竟需要滿足什么條件,才能實現彩色的正確重現(即重現圖象的顏色與原景物的顏色一致)。


        彩色顯象管是采用空間混色,它重現的彩色光可用顯象三基色表示:

        =+[+ (2.4-19)

        現有任一景物的彩色光為,它的功率譜為P(l ),若要顯象管重現的彩色和景物色光完全相同,則在電視RGB制中的三色系數應滿足:

        (2.4-20)

        上式中,、、為電視RGB計色制中的分布色系數,即配出一瓦任意譜色光所需要的顯象三基色的數值。它們可由XYZ制的分布色系數求出。NTSC制和PAL制分別按式(2.4-10)和式(2.4-16)計算,從而得到兩種制式的混色曲線分別如圖2.4-3(a)和(b)所示。

        為了使問題簡化,假設顯象管三條電子束的束流正比于三個控制電壓(即視頻圖象信號),而熒光粉輻射光的強弱也正比于束流的大小,因此,要使重現色光,則顯象管的三個控制電壓應分別為、、。進一步假設傳輸通道也是線性的,并且放大倍數等于1。所以三支攝象管的輸出電壓、和應滿足關系

        ,, (2.4-21)

        時,才能實現彩色的正確重現。


        從攝象機看,假如紅、綠、藍三支攝象管的光譜響應特性分別為、和,則三支攝象管對功率譜的P(l )的景物而言,它們的輸出電壓分別為

        (2.4-22)

        在式(2.4-20)和式(2.4-22)中,若要使彩色正確重現,對于任意功率譜P(l ),都要求滿足,,的條件,故必須要求

        =,=,= (2.4-23)

        上式說明,在線性電視系統中,只有當攝象管的光譜響應曲線與顯象管的混色曲線相匹配時,才能實現彩色的正確重現。

        實際的電視系統是非線性的,一般攝象管g=1,顯象管g =2.2~ 2.8,在攝象管后增加g 校正電路來補償顯象管的g 失真,在這種情況下,上述結論也是成立的。

        若用PAL制攝象機攝象,而用NTSC制的顯象管顯象,則重現圖象的彩色必然存在著誤差,此時,必須采用校色矩陣電路來消除彩色失真。

        在圖2.4-3中,顯象管的混色曲線存在著負值,若要實現彩色的正確重現,則攝象機的光譜響應曲線也應存在負值;然而,從鏡頭直到攝象管總的光譜響應曲線只有正值,不可能出現負值。為此,必須采用各種方法對攝象機的光譜響應曲線進行校正,使其顯象管的混色曲線相匹配,這種處理稱為彩色校正。

         

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