Исследование и разработка приборов для анализа цветовых характеристик изображения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.18, кандидат технических наук Волков, Александр Сергеевич

• Волков, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Волков, Александр Сергеевич

Общая характеристика работы.

Актуальность работы.

Объект исследования.

Предмет исследования. ^

Цель и основные задачи исследования. ^

Методы исследования.

Новизна работы.

Практическая значимость работы.

Личный вклад автора.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем работы.

Глава 1. Обзор существующих методов и приборов для 11 измерения оптических параметров и характеристик источников оптического излучения.

1.1. Анализ существующих методов цветовых измерений.

1.2. Анализ существующих методов измерения 18 коррелированной цветовой температуры.

1.3. Обзор существующих колориметров.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Теоретическое обоснование принципов построения приборов для измерения фотометрических величин с визуализацией измеряемых объектов, в том числе и микрообъектов (пикселей экрана монитора).

2.1. Постановка задачи. 3 О

2.2. Выбор функциональной схемы измерительного прибора.

2.3. Экспериментальная установка.

2.4. Выбор объектива.

2.5. Измерение параметров киноэкранов и дисплеев.

2.6. Измерение яркости с нефокусируемым объективом.

2.7. Метод коррекции спектральной чувствительности 52 многоэлементных фотоприемников (диодной линейки).

2.8. Фотоэлектрический колориметр «ТКА - ИЦТ».

2.9. Спектроколориметр «ТКА - ВД».

2.10. Сравнительный анализ колориметров.

2.11. Аппаратная функция спектрального прибора и ее 57 формирование.

2.12. Результаты исследований прибора. 63 2.13 Выводы по главе.

Глава 3. Расчет электрической схемы прибора.

3.1. Выбор типа многоэлементного ПОИ.

3.2. КМОП технология.

3.3. Спектральная чувствительность гибридной линейки.

3.4. Среднеквадратическое значение шумового напряжения 72 на выходе ФПЗС.

3.5. Некоторые особенности ПЗС.

Глава 4. Результаты исследования реальных 87 метрологических характеристик действующего макета прибора.

4.1. Исследование дисперсии полихроматора.

4.2. Исследование алгоритмов вычисления интегральных величин.

4.3. Исследование влияния рассеянного излучения. Алгоритм 92 работы.

4.4. Исследование динамического диапазона измеряемых 95 величин спектроколориметром.

4.5. Температурное смещение и дефокусировка 99 спектральных линий.

4.6. Исследование метрологических характеристик прибора.

4.7. Методика поверки.

4.8. Выводу по главе. 112 Выводы и заключение. 114 Список использованной литературы.

Общая характеристика работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка приборов для анализа цветовых характеристик изображения»

Важным аспектом пленочного и цифрового кинопоказа, ТВ вещания является возможность анализа качества цветного изображения.

В настоящее время, согласно ГОСТ 17813, ОСТ 19-155-2000, ОСТ 19238-01, РТМ 19-77-94, ISO 2910:2007, ISO 26428-1:2008, ISO 26431-1:2008, а также ISO/DIS 26431-2 необходимо контролировать следующие параметры экрана:

- яркость экрана в его центральной части;

- координаты белого цвета экрана в его центральной части;

- равномерность яркости и цветности по экрану;

- точность цветопередачи.

С развитием и широким распространением в киноиндустрии цифровых технологий появились новые требования к оценке качества проецируемого изображения. Так в привычной «пленочной» технологии цвет определяется количеством красителей в слоях пленки. При цифровой проекции цветовая информация хранится в цифровом виде, и цвет создается при подаче кодированных значений цветовых координат на систему воспроизведения проектора. При этом даже проекционное оборудование одной фирмы может иметь некоторые различия в воспроизведении одинаковых кодированных значений цветовых координат. Вот почему необходимо регулировать цветовые каналы в цифровом проекторе для обеспечения одинакового цветового восприятия у зрителя в любом кинотеатре.

На практике измерение этих параметров сводится к измерениям яркости и цветовых координат полей различных тестовых изображений, зная которые, настраивают систему воспроизведения проектора, пока не достигают желаемых значений. Так происходит согласование параметров цифрового проектора и экрана кинозала с параметрами «эталонной» проекции.

Таким образом, для правильной настройки и эксплуатации кинозалов, в том числе и цифровых, необходимо иметь прибор, способный измерять яркость, координаты цвета и цветности в точно заданных точках экрана.

Для этих целей требуются высокоточные, доступные, малогабаритные, серийно производимые отечественные приборы в качестве рабочих средств измерений. Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке приборов для анализа цветовых характеристик изображения. В работе речь идет о разработке приборов для количественной оценки качества изображения, таких как координаты цвета и цветности в заданных точках, яркости киноэкрана и монитора, в том числе и пикселей (субпикселей).

Все сказанное выше определяет актуальность диссертационного исследования, посвященного разработке и исследованию отечественных приборов и методов для анализа качества цветного изображения.

Объект исследования.

Процесс анализа цветовых характеристик изображения. Предмет исследования.

Приборы для проведения анализа цветовых характеристик изображения.

Цель и основные задачи исследования.

Целью работы является исследование и разработка приборов для измерения колориметрических характеристик изображения ТВ и кинопоказа с визуализацией измеряемого элементарного излучающего объекта. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Осуществить критический анализ существующих методов измерения характеристик цветного изображения и оценить метрологические характеристики серийно выпускаемых приборов, в том числе, и зарубежных.

2. Выбрать алгоритм работы и схему построения оптико-электронных приборов для измерения цветовых характеристик источников оптического излучения.

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

4. Разработать экспериментальную модель спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта.

5. Исследовать метрологические характеристики спектроколориметра с целью определения правильности выбранной концепции и улучшения характеристик создаваемых приборов.

6. Разработать программы обработки результатов измерения излучения различных источников, в том числе и с линейчатым спектром излучения.

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались аналитические и численные методы геометрической оптики, методы цифровой обработки изображений, компьютерные методы расчёта и моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Новизна работы.

1. Исследованы особенности построения спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта на основе прозрачной дифракционной линейки.

2. Описан способ коррекции спектральной чувствительности спектроколориметра на основе полихроматора с многоэлементным приемником оптического излучения к «эффективному» или «П-образному» виду.

3. Способ учета влияния рассеянного излучения на точность измерения.

4. Разработаны методики калибровки, настройки и поверки метрологических характеристик спектроколориметра.

Практическая значимость работы.

1. Создана схема построения промышленного портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных источников излучения.

2. Разработан алгоритм программы для расчёта коррекции спектральной чувствительности многоэлементного приемника к заданному виду.

3. Проведены исследования метрологических характеристик фото диодных и п. з. с. линеек.

4. Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, занимающимися измерениями характеристик цветного кино и ТВ изображения в России.

Личный вклад

Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Принцип построения портативного спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта, для анализа цветовых характеристик элементов изображения.

2. Способ формирования относительной спектральной чувствительности спектроколориметра, состоящего из полихроматора и многоэлементного гибридного приёмника излучения с помощью функционально заданного вида аппаратной функции.

3. Алгоритм вычисления цветовых величин в разработанном приборе.

4. Результаты анализа основных источников погрешности в спектроколориметре и пути ослабления их влияния на точность измерения.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях.

Публикации

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, 3 статьи, опубликованы в научных сборниках, 2 публикаций в материалах и тезисах конференций.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 89 наименований, содержит 115 страниц основного текста, 53 рисунка и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы преобразования изображений и звука», Волков, Александр Сергеевич

Основные результаты исследований, изложенные в работе.

1. Проведен критический анализ современных методов и средств измерения спектрозональной или эффективной облученности (имеются в виду колориметрические величины) в видимой области спектра от различных источников излучения. Выявлены их достоинства и недостатки. Установлено, что традиционные спектрозональные колориметры сложно использовать для измерения излучения источников с линейчатым спектром излучения из-за повышенной погрешности измерений.

2. Изложены принципы построения приборов для измерения спектрозональной или эффективной облученности от различных источников излучения на основе спектрофотометрического метода, обеспечивающего требуемую точность и спектральную чувствительность.

3. Разработан способ коррекции относительной спектральной чувствительности спектроколориметра с многоэлементным приёмником излучения спектрофотометрическим методом.

4. Разработаны методики калибровки, градуировки и исследования метрологических характеристик спектроколориметров в различных диапазонах, на основе которых были созданы алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее настраивать прибор, и проводить измерения спектрозональной или эффективной облученности излучения различных источников, в т. ч. и «линейчатых».

5. Приведены результаты исследования физической модели, а также стендовые испытания опытного образца спектроколориметра с визуализацией измеряемого объекта для измерения колориметрических характеристик различных типов источников излучения.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Волков, Александр Сергеевич, 2012 год

1.OCT 19-238-01 Кинотеатры и видеозалы. Категории. Технические треб ования. Методы контроля и оценки

2. ГОСТ 17813, Кинопроекторы профессионального кинематографа. Методы испытаний

3. ОСТ 19-155-2000, Кинотеатры и киноустановки. Технологические параметры зрительных залов.

4. РТМ 19-77-94, Кинотеатры. Руководящий тех. материал

5. ISO 2910:2007 Cinematography. Screen luminance and chrominance for the projection of motion pictures

6. ISO 26428-1:2008, Digital cinema (D-cinema) distribution master Part 1: Image characteristics

7. ISO 26431-1:2008, Качество звукового кино (Dcinema). Часть 1. Уровень освещенности экрана, хроматичность и единообразие

8. ISO/DIS 26431-2, Digital cinema (D-cinema) quality Part 2: Reference projector and environment

9. Д. Джадд, Г. Вышецки. Цвет в науке и технике. М. «МИР», 1978.

10. Ю.Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию // М.:

11. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1979 г. 480 с.1.. Алексеев С. С. Цветоведение. М., «Искусство», 1952.

12. Ивенс Р. М., Введение в теорию цвета, пер. с англ. М., 1964.

13. Maxwell J. Experiments on colour, as perceived by the eye, with remarks on color blindness, Trans. Roy. Soc. (Edinburgh), 21 (Part 2), (1855); Scientific Papers, Vol. 1 (W. Niven, Ed.), Cambridge University Press, London, 1890, p. 126.

14. Maxwell J., on the theory of compound colours and the relations of the colours of the spectrum, Proc. Roy. Soc. Lon-don, 10, 404, 481, 484 (1860); см. также

15. Phil. Mag. (4), 21 141 (1860), и Scientific Papers (Cambridge, pp. 149, 410 (1890).

16. Wright W. D. Researches on Nrmal and Defective Color Vision. London. H. Kampton, 1946.

17. Guild J. Phil. Trans. Roy. Soc. A, 230, 139 (1931).

18. CIE (Commission Internationale de l'Eclairage). Publication N. 15.2, Colo-rimetry. Official Recommendations of the International Com-mis-sion on Illumination, Second edition. Vienna, Austria. Central Bureau of the CIE, 1986.

19. Wyszecki G., Stiles W., Color Science. Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulas, Willey, New York, 1967.

20. Munsell Book of Color, Munsell Color Co. Baltimore, Md., 1942. Цифровая версия атласа Манселла доступна на сайте компании GretagMacbeth.

21. Maerz A., Paul M. R. A Dictionary of Color, McGraw-Hill, N.Y., 1930.

22. Judd D. В., Kelly K. L. Method of Designating Colors. J of Research of the NBS, 23, 355—385 (1939).

23. D. L. MacAdam. Maximum Visual Efficiency of Colored Materials. Jour. Opt. Soc. Amer. 25, N 11, Nvember, 1935; pp. 361—367.

24. Gretag Macbeth Key Wizard 2.5.

25. CIE (Commission Internationale de l'Eclairage). Publication N. 116. Industrial color difference evaluation. 1995.

26. M. R. Luo, G. Cui and B. Rigg. The Development of the CIE 2000 Colour

27. Difference Formula: CIEDE2000. Colour A Imaging Institute University of1. Derby, UK.

28. CIE (Commission Internationale de l'Eclairage). Publication N. 13-3, Method of Measuring and Specifying Color Rendering Properties of Light Source. 1995.

29. CIE (Commission Internationale de l'Eclairage). Publication N. 135/2:1999. Colour rendering (TC 1-33 closing remarks).

30. W3C (World Wide Web Consortium). Спецификация формата HTML 3.2.

31. Продукция фирмы Pantone и методы формирования цвета при печати.

32. ICC (International Color Consortium). Publication ICC. 1:2003-09. File Format for Color Profiles (Version 4.1.0)

33. ISO 15076-1. Image technology colour management — Architecture, profile format and data structure (2005).

34. Parker Plaisted, Andrew Rodney. How to Create ICC Profiles.Seybold San Francisco/Publishing '98

35. IEC 61966-2.1: Colour measurement and management in Multimedia systems and equipment. Part 2.1: Colour management in multimedia systems — Default RGB colour space — sRGB.

36. Michael Stokes, Matthew Anderson, Srinivasan Chandrasekar, Ricardo Motta. Standard Default Color Space for the Internet — sRGB. Version 1.10, Nvember 5, 1996

37. Ian Lyons. IT8 Calibration Targets

38. BabelColor ColorChecker Page

39. George Wedding. The Darkroom Makes a Comeback

40. ISO 3664:2000. Viewing Conditions for Graphic Technology and Photography (2000).

41. ISO 12646:2004. Graphic Technology — Displays for Color Proofing — Characteristics and Viewing Conditions.

42. Charles Poynton, A Technical Introduction to Digital Video. N.Y., Wiley, 1996. Chapter 6. Gamma

43. Андрей Френкель, Алексей Шадрин. Колориметрическая настройка мониторов. Теория и практика. М., «Август Борг». 2005.

44. Пакет Pantone ColorVision Spyder PhotoCAL/OptiCAL

45. Пакет MonacoEZColor(http://www.monacosys.com/monacoezcolor.html)

46. Пакет GretagMacbeth Eye-One Display()

47. Пакет GretagMacbeth Eye-One Publish/Publish Pro()

48. Программа GretagMacbeth ProfileMaker 5.0.

49. Matlab. The Language of Technical Computing. Using Matlab Graphics. Version 7. The MathWorks, Inc., 2004.

50. Matlab. The Language of Technical Computing. Image Processing Toolbox. Version 7. The MathWorks, Inc., 2004.

51. Matlab. The Language of Technical Computing. Mathematics. Version 7. The MathWorks, Inc., 2004.

52. Karl Guyler. Visualization of Expanded Printing Gamuts Using 3-Dimensional Convex Hulls.

53. Barber, С. В., D.P. Dobkin, and H.T. Huhdanpaa, "The Quickhull Algorithm for Convex Hulls," ACM Transactions on Mathematical Software, Vol. 22, N. 4 (Dec. 1996), p. 469—483.

54. David Bourgin. Color Space FAQ.

55. R.S. Berns, Methods for Characterizing CRT Displays, Displays, N16 (1996), p. 173—182.

56. Mark D. Fairchild, David R. Wyble. Colorimetric Characterization of the Apple Studio Display

57. Сибил Айринг, Эмил Айринг. Подготовка цифровых изображений к печати. Профессиональный подход. Минск, «Поппури», 1999.

58. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. // Издательство Московского университета, 1994 г.

59. Тарасов К.И. Спектральные приборы // 2-е изд., доп. и перераб. Л.: «Машиностроение». 1974 г., 368 с.58. http://www.konicaminolta.com/59. http://www.konicaminolta.p-d-o.ru

60. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. «Машиностроение», Л., 1975.

61. Савельев В.И.Курс общей физики. Книга 4. Волны. Оптика. М.: Наука, 2003. глава 13, с. 378 . 413.

62. Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 2002. т. 4, Оптика, глава 4, с. 262.396

63. Кузьмин В.Н. Разработка и исследование приборов для измерения параметров и характеристик источников оптического излучения // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, СПб., 2007 г.

64. Черниловской Г.В., Черниловская Г. 3. Приборы светотехнического контроля кинопроекционных установок, //Техника кино и телевидения, 1980, №6, с. 61-65.

65. Замбржицкий О.Н. Методы исследований и гигиеническая оценка влияния на организм человека инфракрасного и ультрафиолетового излучений: Учеб.-метод, пособие / О.Н. Замбржицкий Мн.: БГМУ, 2002. - 19 с.

66. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Знак, 2006. 972 с.

67. Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике // 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., 254 с.

68. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы // М.: Машиностроение, 1984 г., 239 с.

69. Thomas C.L., Christopher L.C. Sources of Error in UV Radiation Measurements // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2001. Vol. 106, N 4, P. 649-656.

70. Гуревич M.M. Фотометрия (теория, методы и приборы) // Л.: Энергоатомиздат, 1983 г., 272 е., ил.

71. ГОСТ 26148 84 Фотометрия, термины и определения, с. 8.72. ГОСТ 7601 78 Фотометрия

72. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. Учебник для вузов -М.: Высш. шк., 2001. 573с.: ил.

73. Кузьмин В.Н. Измерение спектральных и спектрозональных характеристик источников оптического излучения. Известия вузов, приборостроение, 2006, №8.

74. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радаткан B.C., Потемин А.Э. Теория и расчет элементов приборов. С.-Пб.: «Политехника», 1993 г., 318 с.

75. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приёмники излучения. СПб, Папирус, 2003.

76. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев A.JI., Полыциков Г.В. Источники и приёмники излучения. Санкт-Петербург «Политехника». 1991.

77. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация М. Мир книги. 2002г.

78. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов // Учебник для студентов ВУЗов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос , 1999 г., 480 с.

79. Рабинер JI., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов // Перевод с английского Зайцева A.JL, Назаренко Э.Г., Тетекина H.H. под редакцией Александрова Ю.Н. М.: Мир, 1978 г.

80. Раутиан С.Г. Реальные спектральные приборы // Ж. Успехи физических наук Т. LXVI, вып. 3, ноябрь 1958 г. с. 475-517

81. Топорец A.C. Монохроматоры // Ж. Успехи физических наук Т. LX, вып. 2, февраль 1950 г. с. 256-300

82. Уваров Н. Секреты высокой чувствительности ТВ камер // Алгоритм безопасности №6, 2002.

83. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits — 2-е изд. — М.: «Вильяме», 2007. — С. 912. — ISBN 0-13090996-3.

84. Точчи, Рональд, Дж., Уидмер, Нил, С. Цифровые системы. Теория и практика = Digital Systems: Principles and Applications — 8-е изд. — M.: «Вильяме», 2004. — С. 1024. — ISBN 5-8459-0586-9.

85. Справочник по низкочастотным КМОП микросхемам

86. Справочник по стандартным цифровым КМОП микросхемам

87. Микросхемы ТТЛ и КМОП. Справочник

88. Микросхемы КМОП— идеальное семейство логических схем. Перевод статьи.