Srovnání barevné reprodukce různých typů zobrazovačů

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Srováí barevé reprodukce růzých typů zobrazovačů Compariso of color reproductio of differet display types Václav Říčý, Marti Slaia, Tomáš Kratochvíl ricy@feec.vutbr.cz, slaiam@feec.vutbr.cz, kratot@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechiky a komuikačích techologií VUT v Brě. Abstrakt: Čláek se zabývá problematikou měřeí chromatičosti barevých obrazů a srováí věrosti barevé reprodukce růzých techologicky odlišých typů moolitických zobrazovačů stejého výrobce používaých v televizi a videotechice. Abstract: The paper deals with measuremet of cromaticity of color images ad compariso of color fidelity of techologically differet molithic displays produced by oe maufacturer ad used i televisio ad video techology.

2 Srováí barevé reprodukce růzých typů zobrazovačů Václav Říčý, Marti Slaia, Tomáš Kratochvíl Ústav radioelektroiky, Fakulta elektrotechiky a komuikačích techologií VUT v Brě, Purkyňova 118, Bro {ricy, slaiam, kratot}@feec.vutbr.cz Abstrakt Čláek se zabývá problematikou měřeí chromatičosti barevých obrazů a srováí věrosti barevé reprodukce růzých techologicky odlišých typů moolitických zobrazovačů stejého výrobce používaých v televizi a videotechice. 1 Úvod Hodoceí kvality obrazu představuje velmi široký pojem a v této oblasti existuje obrovské možství vědecké literatury. Užší oblast této problematiky představuje hodoceí barevé věrosti reprodukovaého obrazu. Souhré hodoceí barevého vjemu je komplikováo skutečostí, že jde o proces psycho-fyzikálí, protože a barevém vjemu pozorovatele se výzamou měrou podílí fyziologické a psychické vlastosti člověka. I v této oblasti současá věda dosáhla vysokého stupě pozáí a vyprodukovala spoustu speciálí techické a zejméa lékařské literatury. Barevý vjem člověka je vyjadřová růzými, des již relativě velmi kvalitími, modely barevého viděí, které mají do začé míry statistický charakter [2], [5]. Objektivizace tohoto procesu je tedy prakticky emožá. I z těchto důvodů se teto experimetálě zaměřeý čláek zabývá je problematikou zjedodušeého hodoceí věrosti barevé reprodukce - tedy míry shody barevosti símaé scéy (origiálu) a obrazu reprodukovaého zobrazovači růzých techologií při růzém zákazickém astaveí barevého tóu. Ke zjedodušeé kvatifikaci míry barevé shody reprodukce a origiálu byly použity rozdíly trichromatických souřadic x a y barev shodých bodů origiálu a reprodukce v obrazci CIE [2], [3], [4]. V obrazci CIE a obr. 1 je trojúhelík zobrazitelých barev, v jehož vrcholech jsou trichromatické souřadice a domiatí vlové délky λ d složkových světel R o, G o, B o símaého testovacího obrazce. Je v ěm zobraze také způsob vyhodoceí sytosti S M obecého barevého světle M s trichromatickými souřadicemi x rm a y rm. (bod E začí polohu bílého smluvího isoeergetického světla E s ekvivaletí teplotou 5700 K). ME S = M MsE (1) Pro posouzeí barevé shody origiálího a reprodukovaého obrazu byl zavede souhrý faktor barevé shody k Φ, který představuje průměr měřeí barevé shody mezi origiálím a reprodukovaým obrazem v ěkolika () bodech. Je defiová vztahem oi ri 2 oi ri 2 ( ) ( ) i=1 k + i=1 i xoi xri yoi y + + ri, [%] (2) k Φ =100 = 100 x x y y v ěmž začí x oi, y oi trichromatické souřadice měřeé v bodech origiálího símaého obrazu [-], y ri, y ri trichromatické souřadice měřeé v stejých bodech reprodukovaého obrazu [-]. Pro testovací obrazec sedmi vertikálích barevých pruhů (obr. 2a) je = 7 (mimo čerého pruhu). Trichromatické souřadice x a y souvisí s trichromatickými složkami X a Y polohy světla v barevém prostoru XYZ zámým vztahy [4] X x = X + Y + Z Y (3a) a y =. X + Y + Z (3b) V případě ideálí barevé shody origiálu s reprodukcí má faktor k Φ velikost 0. Experimety prokázaly, že pokud pro defiovaý koeficiet barevé shody platí k Φ 5 %, eí subjektivě pozorovatelý barevý rozdíl mezi símaým origiálím a reprodukovaým obrazem. V rámci těchto srovávacích měřeí bylo uskutečěo rověž měřeí rovoměrosti jasové distribuce v celé ploše zobrazovače pro jedotlivé techologie. Obrázek 1: Obrazec CIE 19 1

3 2 Zjedodušující předpoklady Pro srovávací měřeí je třeba zavést zjedodušující předpoklady, protože výsledé barevé podáí obrazu reprodukovaého zobrazovačem ovlivňuje řada faktorů spektrálí charakteristika osvětlovacího zdroje, spektrálí charakteristika optické soustavy símacího systému (kamera, fotoaparát), spektrálí charakteristika símače (CCD, CMOS aj.), spektrálí charakteristika zobrazovače (LCD, LED LCD, plasma aj.), včetě prosvětlovacího zdroje v případě zobrazovačů s tekutými krystaly, spektrálí charakteristika použitého fotopapíru v případě barevých fotografií. V čláku jsou uvedey výsledky měřeí uskutečěých a třech typech typických televizích zobrazovačů vyšší středí třídy stejého výrobce (fa. Paasoic). Paasoic Viera TX-L37L25E (LCD, rozlišeí Full HD), Paasoic Viera TX-L37V20E (LCD s LED podsvíceím, rozlišeí Full HD), Paasoic Viera TX-P42GT20E (plasma, rozlišeí Full HD). Jako zdrojové obrazové předlohy byly použity kvalití barevé fotografie testovacích obrazců. Pro měřeí trichromatických souřadic růzých barev byl použit obrazec osmi vertikálích pruhů dle obr. 2a. Obrázek 2: Příklady testovacích obrazců: a) vertikálí barevé pruhy, b) TV zkušebí obrazec PAL Výsledky měřeí barevé shody, uskutečěé v sedmi růzě barevých oblastech (mimo čeré) origiálího i reprodukovaého obrazu jsou vyjádřey koeficietem k φ, defiovaým vztahem (2). Jsou uvedey v tabulkách 3.1 až Vyjadřují relativí srováí věrosti reprodukce techologicky odlišých zobrazovačů stejého výrobce. Měřeí umožňuje rověž číselě staovit dosažitelou sytost reprodukce červeé barvy pro astaveí maximálí barevé sytosti zobrazovače. Komplikaci při těchto měřeích představuje skutečost, že prakticky všechy televizory s moderími moolitickými zobrazovači umožňují v širokém rozsahu zákazické astaveí jasu, kotrastu a barevého tóu obrazu. Proto byla před měřeím astavea pokud možo stejá úroveň jasu símaého (B o ) i reprodukovaého (B r ) obrazu (měřeá v oblasti bílého pruhu). Na símací straě se tak dělo regulací osvětlovacího zdroje a a straě zobrazovače astaveím jasu. Pro osvětleí testovacího obrazce bylo použito bílé světlo se spojitým spektrem realizovaé regulovatelým světelým zdrojem se žárovkou s wolframovým vlákem (přibližě bílé světlo A s ekvivaletí teplotou Te 2855 K). Pro omezeí vlivu vějšího osvětleí byla měřeí uskutečěa v zateměém prostoru. Barevá reprodukce měřeých zobrazovačů byla astavea v rámci možostí, které poskytuje zákazíkovi výrobce v meu. Pro měřeí byly použity tyto hodoty: maximálí kotrast i barevá sytost S r zobrazovače a všechy tři možosti astaveí barevého tóu T r (ormálí, chladý a teplý). Vliv spektrálích charakteristik použité kamery ebyl uvažová. V této aplikaci ejsou podstaté, protože se srovává pouze věrost zobrazeí stejého obrazu růzými typy zobrazovačů. Pro všecha měřeí byla použita stejá kvalití Full HD video kamera Paasoic HDC-HS700. Vliv spektrálích charakteristik optické soustavy (růzých objektivů) símací kamery byl ze stejých důvodů rověž zaedbá. Použitá metoda tedy eumožňuje absolutí srováí barevé věrosti reprodukce vůči origiálímu obrazu, ale pouze vzájemé relativí srováí věrosti barevé reprodukce měřeých zobrazovačů růzých techologických provedeí. 3 Výsledky měřeí Blokové schéma měřicího pracoviště je a obr. 3. Pro měřeí trichromatických souřadic byl použit optický měřič chromatičosti Chrome-Meter CS-100A (obr. 4) firmy Koica-Miolta [1]. 3.1 Měřeí barevé reprodukce Zásadí pro měřeí bylo, kromě dodržeí podmíek uvedeých v předchozím odstavci, zajištěí shodého umístěí oblastí símaých měřičem CS-100A v origiálím a reprodukovaém obraze. Souhrý faktor shody k Φ byl vypočte dle vztahu (2) porováím poloh trichromatických souřadic barev všech sedmi pruhů a výsledky jsou uvedey v tabulkách 1 až 3. Z obrazce CIE byly zjištěy také číselé hodoty sytosti S r a domiatích vlových délek λ d tří reprodukovaých složkových barev R r, G r, Br dle obr. 1 a vztahu (1) [3]. Obrázek 3: Blokové schéma měřicího pracoviště 19 2

4 Tabulka 2: Výsledky měřeí zobrazovače TV přijímače LCD s LED podsvíceím Paasoic Viera TX-L37D28ES Obrázek 4: Měřič Miolta-Koica CS-100A Tabulka 1: Výsledky měřeí zobrazovače TV přijímače LCD Paasoic Viera TX-L37L25E símaého λ od R o 620 Jas pro bílou B o měř. zobrazovače: Maximálí kotrast a sytost barev. Tó barvy a jas B r teplý G o 545 ormálí k Φ [%] 6,1 4,2 Změřeé hodoty reprodukovaého pro Sytost barev S r [%] λ rd R r 97,0 620 G r 69,6 544 B r 82,8 472 R r 92,0 621 G r 72,3 544 B r 87,5 471 símaého λ od R o 620 Jas pro bílou B o měř. zobrazovače: Maximálí kotrast a sytost barev. Tó barvy a jas B r G o 545 ormálí 150 B o 470 teplý 150 chladý 150 k Φ [%] 1,9 3,0 4,0 Změřeé hodoty reprodukovaého pro Sytost barev S r [%] λ rd R r 92,1 617 G r 71,4 546 B r 90,0 470 R r 92,0 617 G r 71,4 546 B r 90,0 470 R r 90,1 617 G r 71,2 546 B r 92,1 470 Tabulka 3: Výsledky měřeí plasmového zobrazovače TV přijímače Paasoic Viera TX-P42GT20E B o 470 chladý 3,7 R r 89,8 618 G r 70,8 545 B r 92,7 472 símaého λ od Jas pro bílou B o měř. zobrazovače: Maximálí kotrast a sytost barev. Tó barvy a jas B r k Φ [%] Změřeé hodoty reprodukovaého pro Sytost barev S r [%] λ rd R o 620 teplý ,5 R r 92,0 620 G r 75,5 557 B r 78,1 474 G o 545 ormálí ,4 R r 85,5 621 G r 76,0 556 B r 82,6 474 R r 85,0 621 B o 470 chladý 120 4,8 G r 72,3 555 B r 8,

5 Obrázek 5: Rozmístěí bodů měřeí jasu Tabulka 4: Úrově jasu změřeé a srovávaých zobrazovačích parametrů zobrazovačů: maximálí kotrast a ulová barevá sytost Obrázek 5: Změy trichromatických souřadic símaého a reprodukovaého obrazu plasmovým zobrazovačem televizoru Paasoic Viera P42GT20E Na obrázku č. 5 je pro ilustraci zázorěa změa polohy trichromatických souřadic složkových barev R r, G r, B r (x rr,rg,rb a y rr,rg,rb ) zobrazeých plasmovým zobrazovačem televizoru Paasoic Viera TX-P40GT20E při astaveí ormálího barevého tóu a astaveí maximálího kotrastu i barevé sytosti (viz tab. 3) vůči polohám trichromatických souřadic (x or,og,ob a y or,og,ob ) stejých barev v origiálím obraze. Jak vyplývá z výsledků měřeí uvedeých v tabulkách 1 až 3, dochází při změě zákazického astaveí barevého tóu zobrazovače je k velmi malým změám barevého tóu (trichromatických souřadic) složkových barev Rr, Gr, Br. Tyto změy spadají do mezí systémových chyb měřeí. Měí se však poměr míseí složkových barev, což se projevuje zřetelěji v kombiačích barvách a zejméa v posuu trichromatických souřadic a tím i tóu bílého pruhu. 3.2 Měřeí rovoměrosti jasové distribuce Obraz bílé předlohy ebyl símá kamerou jako v případě srovávacích měřeí barevé reprodukce, ale obrazový sigál bílé byl pro jedotlivé srovávaé zobrazovače elektroicky geerová televizím geerátorem a přivede a jejich video vstupy. Měřeí jasu B i bylo uskutečěo v i = 1 až 9 bodech rozmístěých a zobrazovačích dle obr. 5. Výsledky měřeí jsou uvedey v tab. 4. Při měřeí byl astave a zobrazovačích maximálí kotrast a ulová sytost barev. Jas byl astave ve středu zobrazovače (bod č. 5) a cca 90 % maximálí hodoty. B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 LCD Paasoic Viera TX-L37L25E B 8 B LCD + LED Paasoic Viera TX-L37D28ES Plasma Paasoic Viera TX-P42GT20E Závěr V čláku jsou uvedey kvatifikovaé výsledky srovávacích měřeí a vyhodoceí objektivě měřitelých parametrů barevosti obrazu reprodukovaého techologicky rozdílými typy současých moolitických zobrazovačů jedoho výrobce. Byla proto avržea zjedodušeá metrika vyjadřující míru barevé shody jediým číslem tzv. souhrým faktorem barevé shody k φ. Kokrétí hodoty trichromatických souřadic jedotlivých barev origiálího (símaého) i reprodukovaých obrazů jedotlivými zobrazovači ejsou v tabulkách uvedey, protože by výrazě arostl rozsah čláku, sížila se přehledost srováí, ale především proto, že rozdíly mezi imi jsou velmi malé. To lze vysvětlit skutečostí, že eje všechy zobrazovače, ale i použitá kamera byly produkty stejého výrobce a podobé spektrálí charakteristiky barevých filtrů bylo možo očekávat. Případý zájemce může tyto detailí údaje získat u autorů čláku. Rověž epatrá je změa trichromatických souřadic složkových barev R r, G r, B r při změě zákazického astaveí barevého tóu zobrazovače. V tomto případě však dochází ke změě poměru jejich míseí, což se projevuje větší změou trichromatických souřadic kombiačích barev a zejméa bílého pruhu. Poěkud větší změy trichromatických souřadic se projevily až v případě plasmového zobrazovače zřejmě vlivem poěkud odlišých spektrálích vlastostí fosforů v buňkách plasmového zobra- 19 4

6 zovače (viz tab. 3, obr. 5). Při pozorováí běžých scé však eí teto rozdíl příliš patrý. Z uvedeých výsledků měřeí vyplývá, že ejlepší barevou shodu s origiálím obrazem vykazuje v případě tří zkoumaých zobrazovačů zobrazovač LCD s plým LED podsvíceím. Je třeba zdůrazit, že použitá metoda eumožňuje absolutí srováí barevé věrosti reprodukce vůči origiálímu obrazu, ale pouze vzájemé srováí růzých typů zobrazovačů. Výsledou barevost reprodukovaého obrazu totiž ovlivňuje řada faktorů - zejméa spektrálí vlastosti símací videokamery. Měřeí sledovala také kotrolu jasové distribuce v růzých částech obrazu při zobrazeí bílé plochy. Zde jsou již rozdíly mezi jedotlivými techologiemi větší. Největší rozdíly jasu, vztažeé ke středím hodotám, byly aměřey v případě LCD zobrazovače s klasickým podsvíceím výbojkami CCFL (Cold Cathode Fluorescet Lamp) až 18 %. V případě zobrazovače LCD s Full LED podsvíceím byly ejvětší jasové rozdíly 6,6 % a u plasmového zobrazovače cca 5,1 %. V tomto případě byl však maximálí astavitelý jas výrazě ižší. Neměli jsme, bohužel, možost tato měřeí uskutečit pro zobrazovač s podsvíceím LED Edge. Rozdíly kvatifikovaých výsledků měřeí objektivích parametrů růzých typů barevých zobrazovačů byly relativě malé (mohdy spadaly do oblasti systémových chyb měřeí). Subjektivě vímaý rozdíl vjemu odlišé barevosti testovacího obrazce se projevil pouze v případě, že obrazy byly umístěy vedle sebe a pozorováy současě. Ještě meší rozdíly subjektivího barevého vjemu se projevily v případě běžých barevých fotografií a zejméa dyamicky proměých obrazů - videosekvecí. Poděkováí Literatura [1] Mauál měřiče chromatičosti. Dostupé z www: Systems/Koica-Miolta-CS-100A-Lumiace-Color- Meter.htm [2] OHTA,N., ROBERTSON A.R. Colorimetry: Fudametals ad Applicatios. Chichester, Wiley, [3] Bureau Iteratioal des Poids et Mesures. Priciples Goverig Photometry. [Olie] Cited Available at: [4] CIE 1931 Color space. [Olie] Cited Available at: [5] WINKLER, S. Digital Video Quality: Visio Models ad Metrics. New York: Wiley, [6] STONE, M. C. Represetig colors as three umbers. IEEE Computer Graphics ad Applicatios, [7] MAJUMDER, A., STEVENS, R. Color ouiformity i projectio-based displays: Aalysis ad solutios. IEEE Trasactios o Visualizatio ad Computer Graphics, 2004, vol. 10, o. 2, p [8] KWON, O. S., PARK, T. Y., HA, Y. H. High fidelity color reproductio of plasma displays uder ambiet lightig. IEEE Trasactios o Cosumer Electroics, 2009, vol. 55, o. 3, p Experimety popsaé v tomto čláku byly provedey v rámci a s podporou gratového projektu GAČR č. 102/10/1320 Výzkum a modelováí pokročilých metod hodoceí kvality obrazu a výzkumého záměru MSM Elektroické komuikačí systémy a techologie ových geerací. Výzkum popisovaý v tomto čláku byl podpoře Evropskou komisí prostředictvím 7. rámcového programu a základě smlouvy č