Глава 6 (Учебник - информационные системы), страница 4

Система CMYK, также как и RGB является аппаратно-зависимой. Более того, цветовое изображение, полученное в CMYK (например, при печати на принтере) не совпадает с изображением в RGB (пред­ставленным на мониторе). Указанные недостатки не позволяют количественно оценивать цветовую информацию, содержащуюся в изображении. Следовательно, возникла необходимость разработки аппаратно-независимых моделей кодирования цвета.

В последние 20 лет для цифровой обработки изображений широко используются аппаратно-незави­симые системы кодирования цвета. К наиболее известным относятся система HSV и ее варианты - HSI, HLS, а также телевизионная система YUV (разработанная для стандарта цветного телевидения PAL). Особенностью всех этих систем является раздельность кодиро­вания сигналов яркости и цвета. Применительно к телевидению такой подход получил название компонентного кодирования.

Принцип HSV (HSI) очень напоминает способ, используемый художниками для получения нужных цветов - смешивание белой, черной и серой красок с чистыми красками для получения различных тонов и оттенков (tine, shade и tone). При этом, цвет задается не смесью трех основных составляющих как, например, в системе RGB, а с помощью трех независимых величин - цветового тона (hue), насыщенности (satura­tion) и интенсивности (value, intensity). В качестве геометрической модели используется конус, получаемый как сглаженная проекция цветового куба RGB вдоль его главной диагонали «черный-белый» (рис.6.14). В соответствии с этой моделью цветовой оттенок (тон) H и насыщенность S кодируются как угловая и радиальная характеристики цветового круга - основания конуса. Тон описывается уг­лом цветовой стрелки (например, красный соответствует 0⁰), насыщенность представляется как величина смещения вдоль радиуса круга. Она возрастает по величине от 0 к 1 (или от 0 до 100%) при перемещении от центра круга к его границе соответственно. Насыщенность характеризует насколько тусклым или «соч­ным» является цвет. Чем больше данный цвет разбавлен белым (чем ближе к центру круга), тем он менее насыщен. Естественные (реальные) цвета имеют низкую насыщенность.

Величина интенсивности (или цвета) V указывает яркость цвета. Она также меняется от 0 к 1, но по оси OV и не связана с цветовым кругом. По этой оси располагаются серые цвета, так, например, для белого цвета имеем: S = 0, V = 1. Следовательно, добавление белого в любой цвет уменьшает S, а добавление черного умень­шает V. В системе HSV при S = 0, Н не имеет смысла. Действительно, как следует из рис. 6.14 эта точка соответствует вершине конуса.

Другая цветовая система HLS или HSB (буквы H и S также обозначают тон и насыщенность, L и В - яркость) использует то же координатное пространство, но представленное в виде двух пирамид, соединенных основаниями (рис. 6.15). Эта фигура в большей степени соответствует диагональной проекции куба. В модели HLS, также как и в HSV черный и белый цвета образуются при любых значениях H и разных L и S, например, насыщенный черный при L = 0, S = 1, а белый - при L = 1 и S = 0. Голубые цвета соответствуют значению H = 180⁰. Так, грязно-голубому цвету (смеси серого с голубым) отвечает комбинация: L = 0,5, H = 180⁰ и S = 0, цвету морской волны: L = 0,5, H = 180⁰ , но S = 1, и, наконец, небесно-голубому: H = 180⁰ и L и S = 1.

Поскольку в основе геометрических построений в системе HSV и ей подобных лежит модель RGB, то и пересчет цветов в обе стороны до­статочно прост.

Н аличие большого количества разнообразных моделей, применяемых в различных задачах обработки цветных изображений, привело, в конце концов, к необходимости создания единого описания цвета. В качестве всемирного стандарта для определения цвета в настоящее время утвержден цветовой график МКО (CIE), сочетающий абстрактный характер HSV и практичность RGB и CMYK. Этот график, предложенный еще в 1931 г. охватывает все цвета, которые способен видеть человеческий глаз (рис. 6.16). График МКО строится как функция двух переменных х и y, представляющих собой некоторые гипотетические (несуществующие в природе) основные цвета. Тогда, на линии, которая ограничивает цветовое пространство МКО, будут находиться все чистые цвета видимого света. Их можно получить путем смешения источников x и y. (Например, чистый красный с длиной волны 700 нм понимается как результат сложения 70% x и 25% y). Все цвета, лежащие внутри графика и на его границе являются физически реализуемыми.

Цветовой охват устройства (телекамеры, монитора, сканера, принтера, фотопленки и пр.) характеризует его способность к отображению цветовой гаммы всего цветового диапазона. Для любого устройства он находится внутри пространства МКО. Самый боль­шой цветовой охват имеет фотопленка.

При передаче цветных изображений в большинстве СТЗ применяются устройства аддитивного цветового синтеза, основанные на модели RGB. (К ним относятся и телекамеры и мониторы). Сигнал яркости Y передается непосредственно, а информация о цвете кодируется двухкомпонентным вектором цве­тности (рис. 6.17). В этой системе, получившей название YUV, к уже известной формуле расчета яркости Y добавляются еще две, опреде­ляющие проекции U и V вектора цветности:

Y = 0,59G + 0,30R + 0,11B, U = R - Y, V = B - Y.

Д лина вектора цветности находится через амплитуды его про­екций U и V; она кодирует насыщенность цвета. Фазовый сдвиг между проекциями описывает цветовой тон. В телевизионной технике эти вектора обычно нормируют, и круг превращается в эллипс: U = (R-Y)/1,44 и V = (B-Y)/2,03. На основе системы YUV построены и другие известные модели. Примером может служить система цифрового цветного телевидения YCbCr. (Здесь цветоразностные сигналы Cr и Cb строятся из R-Y и B-Y соответственно).

Рассмотрим формирование цветного сигнала в телевизионной камере. Обычно применяются три развертывающих луча, формирующих первичные сигналы изображения E_R, E_G, E_B соответствующие красной, зеленой и синей составляющим цвета передаваемого объекта. Первичные сигналы широкополосные, однако, ни один из них не несет яркостной информации об объекте. (Иногда вместо тер­мина «яр­кость» исполь­зуется понятия освещенности ). Поэтому в системе цветного телевидения из трех первичных цветов формируется четвертый - сигнал яркости E_Y, для чего первичные сигналы сначала балансируются, а затем матрицируются. Сущ­­ность данной про­цедуры, учитывающей спектральную чувствительность глаза, описывается уже извес­тной зависимостью: E_Y = 0,30 E_R + 0,59 E_G + 0,11 E_B, где E_R = E_G = E_B. Этот сигнал передается непрерывно на каждой строке развертки во всей полосе частот видеосигнала  6 МГц и позволяет воспроизводить черно-белое изображение на экранах черно-белых и цветных приемников.

Наличие сигнала яркости E_Y освобождает от необходимости передачи всех трех первичных сигналов изображения. Обычно передаются два из них E_R и E_B, а «зеленый» восстанавливается по формуле:

E_G = (E_Y - 0,30 E_R - 0,11 E_B)/0,59

Важной особенностью зрения является зависимость пространственной разрешающей способности глаза от длины волны - она понижена в области красных и синих цветов. Следствием этого является меньшая чувствительность глаза к пространственным изменениям оттенков цвета, чем к изменениям яркости, что позволяет передаваться цветовую информацию с меньшим разрешением. Таким образом, трехкомпонентная модель цветового зрения распространяется только на относительно крупные объекты. Цвет объектов средних размеров является смесью двух цветов: оранжевого и голубого, а мелкие и вовсе различаются только по яркости, т.е. кажутся черно-белыми. Указанные обстоятельства позволяют сократить полосу частот сигнала цветности до 1 ... 1,5 МГц. Поскольку, полная информация о яркости объекта содержится в сигнале E_Y, из сигналов E_R и E_B ее можно исключить, и передать эти компоненты в виде цветоразностных сигналов E_R-Y и E_B-Y. При таком подходе достигается двойной выигрыш. Во-первых, обеспечивается достоверность воспроизведения цветов, т.к. в реальных объектах значительную часть составляют неокрашенные и слабоокрашенные участки. Во вторых, уменьшается ам­плитуда передаваемых сигналов, что увеличивает энергетическую эф­фектив­ность передачи. Таким образом, исходные RGB-видеосигналы с телекамеры перед передачей преобразуют в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала U = E_R-Y и V = E_B-Y (рис. 6.17). Следовательно, полный цветной телевизионный видеосигнал представляет собой композицию трех сигналов Y, U, V и служебных импульсов. Такой сигнал получил название композитного. При приеме в цветном телевизоре осуществляется обратный процесс восстановления (декодирования): R = Y+U (или E_R = E_Y+E_R-Y), B =Y+V (или E_B = E_Y+E_B-Y) и, наконец, G = Y - 0,509U - 0,194V (или E_G = E_Y - 0,509 E_R-Y - 0,194 E_B-Y).

В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимых системы цветного телевидения:

• американская NTSC (National Television System Color) - первая система цветного телевидения 1953 г.;

• германская PAL (Phase Alternation Li­ne - строки с переменной фазой) - разработана фирмой Telefunken в 1963 г;

• французская SECAM (Sequentiel couleur a mem­oire - последовательная цветная с памятью) - предложена А. Франсом в 1954 г.

В каждой из этих систем используется группа из трех составляющих: сигнала яркости и двух цветоразностных. Сигнал яркости частотно уплотняется цветоразностными сигналами, причем спектры цветности переносятся на поднесущую частоту в области высокочастотной части спектра. (Чтобы не возникало путаницы - несущую частоту цветности, в отличие от несущей яркости, называют поднесущей). Методы кодирования и передачи сигналов цветности в этих системах существенно различаются.

В табл. 6.4 представлены основные технические характеристики систем цветного телевидения.

Таблица 6.4. Системы цветного телевидения

Система NTSC принята для вещания в США, Канаде, большинстве стран Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в телевидении. В NTSC каждая телевизионная строка содержит составляющую яркости Y и два сигнала цветности E_I = 0,737U - 0,268V, E_Q=0,478U+0,413V. Здесь переход от осей цветового кодирования U, V к осям I, Q обусловлен необходимостью сужения ширины полос цветовых поднесущих до ± 0.5 МГц (в NTSC используется самая узкая полоса видеосигнала). Цветоразностные сигналы передаются путем АМ поднесущих на одной и той же частоте, но с фазовым сдвигом на 90°. Последнее обстоятельство является принципиально важным для разделения сигналов при приеме. Однако из-за неизбежных нелинейных искажений в канале передачи поднесущие оказываются промодулированными сигналом яркости как по амплитуде, так и по фазе. В результате в зависимости от яркости участков изображений изменяются их цветовой тон. Например, человеческие лица на изображении окрашиваются в красноватый цвет в тенях и в зеленоватый - на освещенных участках. Это и является основным недостатком системы NTSC.