В предыдущем параграфе мы видели, что освещенность изображения протяженного предмета повышается с увеличением диаметра линзы и с уменьшением ее фокусного расстояния. Могло бы показаться, что этим путем можно повысить также яркость изображения протяженного предмета и получить изображения, например, более яркие, чем сам источник. Однако подобное заключение оказывается ошибочным.
В наилучшем случае яркость изображения может достигнуть яркости источника; это имеет место при отсутствии потерь, происходящих за счет частичного поглощения света в линзах и частичного отражения его поверхностями линз. При наличии потерь света в системе яркость изображения протяженного объекта всегда меньше яркости самого объекта. Получить яркость изображения протяженного объекта, большую, чем яркость источника, нельзя никакими оптическими приборами.
Невозможность увеличить яркость изображения с помощью оптической системы становится понятной, если вспомнить основное свойство всякой системы, отмеченное в § 102. Оптическая система, не имеющая потерь, не меняет светового потока, но она, уменьшая площадь изображения, во столько же раз увеличивает телесный угол, в который направляется световой поток. При уменьшении площади изображения световой поток, испускаемый единицей поверхности, увеличивается, но зато этот поток направляется в больший телесный угол. Таким образом, световой поток, испускаемый единицей поверхности в единичный телесный угол, т. е, яркость (см. §73), остается неизменным.
Для простого случая образования изображения с помощью линзы мы можем подтвердить этот общий вывод путем несложного расчета.
Поместим перед линзой на расстоянии от нее небольшую светящуюся поверхность с площадью , перпендикулярную к главной оси. Пусть ее изображение находится на расстоянии от линзы и имеет площадь . Тогда, очевидно (рис. 238), , или
Найдем световой поток, направляющийся от источника через линзу. Согласно формуле (73.2) , где - яркость светящейся площадки, - ее площадь, а - телесный угол потока, направляемого к линзе. Из ри. 238 видно, что , где - площадь отверстия линзы. Итак,
Этот световой поток направляется на изображение .
Световой поток, испускаемый изображением, направляется внутрь телесного угла , который, как видно из рис. 238, равен .
Рис. 238. Яркость изображения зависит от произведения телесного угла на площадь изображения и не может превысить яркости источника
Поток, идущий от изображения, равен
Если в линзе не происходит потерь света, то оба световых потока - падающий на линзу (и направляемый ею к изображению) и исходящий от изображения - должны быть равны друг другу:
Отсюда в силу (109.1)
т. е. яркость изображения, даваемого линзой, равна яркости самого объекта. Напомним, что все выводы справедливы лишь для протяженных объектов. Вопрос о яркости изображения точечных объектов мы рассмотрим в следующей главе.
Полученный результат позволяет найти освещенность изображения, даваемого линзой, равна яркости самого объекта. Напомним, что все выводы справедливы лишь для протяженных объектов. Вопрос о яркости изображения точечных объектов мы рассмотрим в следующей главе.
Полученный результат позволяет найти освещенность изображения, даваемого линзой. Для освещенности изображения, согласно формуле (109.3), имеем
Если можно пренебречь потерями света в линзе, то , и, следовательно
Мы видим, что освещенность изображения, получаемого с помощью линзы, такая же, как если бы мы заменили линзу источником той же яркости и с площадью, равной площади линзы. Полученная формула (109.6) применима и к более сложным системам.
Яркость изображения может быть повышена и превзойти яркость источника, если в пространстве между источником и изображением находится активная среда, усиливающая проходящее через нее излучение. (Способы создания активных сред будут рассмотрены позже.) Системы с усилением яркости называются активными оптическими системами. Примером такой системы может служить лазерный проекционный микроскоп, позволяющий получать на экране площади несколько квадратных метров изображения микроскопических объектов с освещенностью, достаточной для восприятия в незатемненном помещении. В активных оптических системах энергия передается изображению из активной среды.
39. Фокусное расстояние оптической системы ; главные плоскости находятся на расстоянии одна от другой. Постройте в этой системе изображения предмета, расположенного от передней главной плоскости на расстояниях: а) ; б) ; в) . В каждом случае найдите линейное и угловое увеличения.
40. Оптическая система состоит из двух линз, находящихся в воздухе на расстоянии одна от другой. Передний фокус находится на расстоянии от первой линзы, а задний фокус - на расстоянии от второй линзы. Увеличенное в три раза изображение находится на расстоянии от заднего фокуса. Найдите фокусное расстояние системы и положение главных плоскостей относительно линз, образующих систему.
Рис. 239. К упражнению 41
41. Для фотографирования удаленных предметов применяется телеобъектив - оптическая система, у которой задняя главная плоскость находится впереди передней линзы (рис. 239).
Объясните, в чем преимущества телеобъектива при фотографировании удаленных предметов по сравнению с обычными объективами.
42. Найдите зависимость между оптической силой и светосилой
43. Объект, освещенность которого равна , а коэффициент диффузного отражения равен 0,70, фотографируют с помощью объектива с относительным отверстием . Найдите освещенность изображения, считая, что оно находится приблизительно в фокальной плоскости объектива.
44. Определите освещенность, даваемую прожектором, зеркало которого имеет диаметр , а дуга прожектора имеет яркость - фокусное расстояние системы. Докажите справедливость этой формулы.
Главный редактор - Владимир Крылов, к.т.н.
Зам. главного редактора - Михаил Никуличев, к.ф.н.
Первая часть статьи посвящена характеристикам современных светодиодных экранов, влияющим на качество изображения – управления яркостью методами ШИМ, формирование изображения с временным разделением и частоте рефреша экранов. Во второй части статьи рассмотрены - динамический диапазон яркости, цветопередача и контрастность экранов, драйверы и современные системы управления светодиодными экранами, электромагнитная совместимость и индустриальные помехи экранов.
Светодиодный экран – сложное электронное устройство, содержащее большое количество компонентов. Качество изображения и эксплуатационные характеристики светодиодного экрана зависят как от параметров компонентов, используемых в экране, так и от возможностей системы управления данным экраном.
С точки зрения качества изображения важны следующие характеристики экрана:
Кроме качества изображения отметим также такие эксплуатационные характеристики светодиодного экрана:
Рассмотрим некоторые из вышеперечисленных характеристик подробнее.
Исходное изображение для вывода на светодиодный экран формируется в виде компьютерного файла, чаще всего в виде видеоролика в некотором формате (*.avi, *.mpg). Этот файл декодируется управляющим компьютером (или видеоконтроллером), затем преобразуется в специальный цифровой поток, подающийся на микросхемы драйверов постоянного тока, которые, в свою очередь обеспечивают пропускание электрического тока через светодиод, что и вызывает излучение в определенном спектре.
Для формирования различных уровней яркости излучения светодиодов применяют технику широтно-импульсной модуляции - ШИМ (PWM - Pulse-width modulation). Суть этой техники заключается в том, что в зависимости от необходимого уровня яркости ток не постоянно подается на светодиод, а только в течение некоторого времени (зависящего от требуемого уровня яркости), затем прекращает подаваться, затем снова подается и т.д. Например, для формирования яркости в половину от максимальной надо пропускать ток половину времени некоторого цикла, в четверть яркости – четверть времени, и т. д. Иными словами, светодиод работает в режиме “включен-выключен”, причем время включения пропорционально требуемому уровню яркости.
Из этой техники следует, что на светодиоде (а значит и на экране) изображение формируется циклично. Время минимального цикла, за который происходит последовательное «включение» и “выключение” светодиода называется периодом обновления (рефреша, refresh time). Чаще используется обратная величина – частота рефреша (refresh rate).
Рассмотрим пример. Пусть частота рефреша светодиодного экрана равна 100 Гц. Если нам нужно обеспечить полную яркость – 100%, то мы постоянно подаем ток на светодиод весь период рефреша, равный в данном случае 1/100 с = 10 мс. Если требуется яркость 50%, то за это время мы в течение 5 мс подаем ток, в течение следующих 5 мс не подаем, в следующий цикл снова 5 мс подаем, 5 мс – нет и т.д. Если требуется яркость в 1% от максимальной, то ток подается в течение 0,1 мс и не подается в течение 9,9 мс.
Кроме этой техники применяются модифицированные методы PWM: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), Adaptive Pulse Density Modulation (MY-Semi). Суть этих техник заключается в “размазывании” времени “включения” светодиода по всему периоду рефреша. Так формирование 50%-ой яркости при частоте рефреша 100 Гц может выглядеть так: 1 мс - светодиод включен, 1 мс – выключен, 1 мс – включен, 1 мс – выключен и т.д. То есть для 50% яркости можно сказать, что период рефреша уменьшился в 5 раз и стал равен 2 мс. Соответственно частота рефреша увеличилась и стала 500 Гц. Но эти цифры справедливы лишь для формирования 50% яркости. Для каждой схемы формирования яркости есть минимальная яркость – 1 импульс (некоторое минимальное время) включения светодиода и остальное время он выключен.
Таким образом, четкая цикличность присущая традиционному PWM при применении модифицированных методов искажается, поскольку, в зависимости от уровня яркости можно выделить периоды с меньшим временем (и следовательно большей частотой рефреша). Можно, например, сказать, что для данного светодиодного экрана частота рефреша изменяется от 100 Гц до 1 кГц. Это означает, что минимальную яркость на светодиодном экране мы показываем с периодом рефреша 100 Гц. А при формировании больших уровней яркости можно выделить периоды (“включения-выключения” светодиодов) с меньшей длительностью.
Итак, для модифицированных методов PWM такое понятие как частота рефреша может трактоваться неоднозначно. Однако, если рассматривать период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всех уровней яркости , то это значение не зависит от схемы формирования PWM.
В ряде случаев конструкцией светодиодного экрана предусмотрен такой метод формирования изображения, при котором в один момент времени ток не может быть подан на все светодиоды сразу. Все светодиоды экрана разбиваются на несколько групп (как правило, две, четыре или восемь), которые включаются поочередно. То есть описанные выше методы формирования изображения применяются поочередно к каждой из этих групп. В случае двух таких групп формирование изображения аналогично применяемой в аналоговом телевидении чересстрочной развертке.
Данный способ применяется, в основном, для удешевления светодиодных экранов, так как для его реализации требуется меньше светодиодных драйверов (в два, четыре, восемь раз - в число раз соответствующее количеству поочередно включаемых групп), которые составляют существенную часть стоимости светодиодного экрана. Кроме этого, метод временного деления практически неизбежен при высоком разрешении (то есть малом шаге) светодиодного экрана, так как в этом случае чрезвычайно сложно обеспечить размещение большого количества драйверов и их теплоотвод.
Следует понимать, что при применении этого метода снижается максимальная яркость светодиодного экрана, а также уменьшается частота рефреша (в количество раз соответствующее количеству групп).
Предположим, что мы производим временное деление между двумя группами светодиодов. На одну группу подается ток в соответствии с требуемой яркостью и используемым методом PWM. Другая группа в это время отключена от источника тока. По прошествии периода рефреша группы меняются – теперь на вторую подается ток, а первая отключена. Поэтому, общий период, за который обновляется вся информация на светодиодном экране, увеличивается в два раза.
Понятие частота рефреша в этом случае еще более размывается. Строго говоря, период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всего светодиодного экрана, увеличивается. Однако, если для каждой группы рассматривать только период, на котором формируется изображение методом PWM, то частота рефреша – прежняя.
Частота рефреша, в первую очередь, влияет на восприятие изображения глазом человека. Изображение, образно говоря, постоянно “мерцает”, хотя и с достаточно высокой частотой. Восприятие человеком световых образов – явление психофизическое и устроено таким образом, что отдельные вспышки света суммируются во времени. Это суммирование происходит в течение определенного времени (10 мс) и зависит от яркости вспышек (закон Блоха). Если свет “мерцает” достаточно быстро, с частотой выше некоторой пороговой (CFF – Critical Flicker Frequency), то глаз человека воспринимает этот свет так же, как если бы он горел постоянно (закон Тальбо-Плато). Пороговая частота CFF зависит от множества факторов, таких как спектр источника света, расположение источника по отношению к глазу, уровень яркости. Однако, можно с уверенностью сказать, что при обычных условиях эта частота не превышает 100 Гц.
Таким образом, если рассматривать восприятие изображения на светодиодном экране, сформированного методом PWM или модифицированным PWM, человеческим глазом, то изображение с частотой рефреша 100 Гц и 1 кГц будут восприниматься одинаково.
Однако, в качестве воспринимающей системы может выступать не только глаз человека, но и видеозаписывающая аппаратура, которая имеет характеристики, отличные от глаза. Это особенно актуально для светодиодных экранов, установленных на стадионах, спортивных сооружениях или концертных площадках, с которых обычно ведется видеотрансляция. Время экспозиции, или выдержка (shutter speed), в современных видеокамерах может меняться от секунд до тысячных долей секунды.
Рассмотрим светодиодный экран, в котором изображение формируется традиционным методом PWM с частотой рефреша 100 Гц. На экране демонстрируется статическое изображение. Предположим также, что мы снимаем светодиодный экран видеокамерой с выдержкой 1/8 с, т.е. время экспозиции 125 мс. За это время на фотосенсор попадет свет от 12,5 периодов рефреша. Когда мы делаем серию кадров с данной выдержкой, то разница в световом потоке, попадающем на светочувствительный элемент, не превышает потока, сформированного светодиодами за 0,5 периода рефреша, т.е. не более 4% от всего потока. Разница образуется за счет того, что видеокамера и светодиодный экран, естественно, не синхронизированы и каждый кадр, сделанный видеокамерой, попадает в разное время относительно начала цикла рефреша светодиода. Таким образом, видеоизображение с камеры будет показывать достаточно ровную картинку со светодиодного экрана.
Теперь уменьшим выдержку, с которой мы снимаем до 1/250 с, время экспозиции равно 4 мс. Это время в 2,5 раза меньше периода рефреша. Теперь соотношение между временем начала кадра видеокамеры и началом цикла PWM будет иметь существенное значение. Одни кадры могут попасть в начало цикла, другие в середину, третьи в конец. Таким образом, образуется значительная погрешность в световом потоке в разных кадрах. То есть, изображение, проигрываемое на видеокамере, будет случайно менять яркость, будет “плыть”. Кроме того, уменьшится яркость изображения, что, впрочем, характерно для всех снимаемых на короткой выдержке объектов. Если еще уменьшить выдержку, то с большей вероятностью будут появляться черные кадры (когда начало кадра видеокамеры попадает на тот участок цикла PWM, где светодиод “выключен”) и изображение с камеры начнет мерцать.
Таким образом, если мы хотим снимать на видеокамеру светодиодный экран, на котором изображение формируется с использованием традиционного PWM, то частота рефреша должна быть сопоставимой или превосходить выдержку, с которой снимает камера.
В случае применения модифицированных методов PWM можно провести те же рассуждения. В силу “размазывания” времени включения светодиода по циклу PWM на больших яркостях, изображение, снятое на видеокамеру будет более стабильно, чем при применении традиционного PWM. Но на малых яркостях ситуация остается прежней – картинка будет либо менять яркость, либо мерцать. Поскольку реальное изображение содержит, как правило, различные уровни яркости, то изображение, снятое на видеокамеру также будет иметь погрешности, хотя и иного свойства.
Итак, при видеосъемке избежать наличия искажения изображения при произвольных параметрах съемки не удается. Всегда можно найти значение выдержки, при которой видео будет искажено. Ситуация аналогична съемке аналогового телевизора аналоговой же камерой. В силу различий в частоте развертки при подобной съемке на снимаемом телевизоре видны диагональные черные полосы.
Более важным для видеосъемки светодиодного экрана представляется вопрос однородности изображения, снятого на видеокамеру. Светодиодный экран – конструкция модульная, состоящая из нескольких блоков, изображение на которых непосредственно формируется различными контроллерами. Если эти контроллеры не синхронизируют начало цикла PWM, то есть начало цикла на разных участках светодиодного экрана приходится на разное время, то при съемке может произойти следующая ситуация. На одном участке светодиодного экрана начало кадра видеокамеры может совпасть с началом цикла PWM, а на другом, например, на середину. Если выдержка сопоставима с периодом рефреша, то на одном участке изображение будет светлее, а на другом темнее. Все изображение на светодиодном экране в этом случае будет разбиваться на прямоугольники разной яркости, что представляет больший дискомфорт для зрителя.
Независимо от способа генерации PWM схемы их реализующие имеют общие черты. Схема генерации PWM имеет некоторую тактовую частоту F pwm . Пусть требуется сгенерировать N уровней яркости. В этом случае частота рефреша F r не может превышать F pwm /N .
Для иллюстрации приведем некоторые примеры:
Приведенные цифры предполагают, что существуют независимые схемы формирования PWM для каждого светодиода, то есть схема PWM реализована непосредственно в светодиодных драйверах экрана.
В случае применения простых драйверов и формирования PWM на контроллере светодиодного экрана, необходимо учитывать, сколько драйверов соединены последовательно и обслуживаются одной схемой PWM. Если одной схемой PWM обслуживаются M драйверов с 16-ю выходами, то частота рефреша не может превышать F pwm /(N*M*16) , что приводит к значительному уменьшению частоты рефреша либо необходимости существенно увеличивать тактовую частоту.
В случае применения временного деления (чересстрочной развертки), как мы уже говорили, частота рефреша уменьшается пропорционально коэффициенту деления.
Итак, для увеличения частоты рефреша светодиодных экранов возможны следующие варианты:
Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Так интеллектуальные драйверы дороже обычных, повышение тактовой частоты увеличивает энергопотребление (а значит тепловыделение, необходимость теплоотвода во избежание перегрева), уменьшение количества уровней яркости снижает качество изображения.
Часто такой параметр как частота рефреша светодиодных экранов используется в маркетинговых целях как один из показателей качества изображения. Предполагается, что чем выше частота рефреша, тем лучше светодиодный экран при прочих равных условиях. Однако, иногда приводятся цифры, вводящие в заблуждение потенциального покупателя. Например, указание частоты рефреша в несколько килогерц, как мы видели, может означать либо применение модифицированных методов PWM, для которых частота рефреша различна для различных уровней яркости, либо уменьшение глубины цвета.
Следует понимать, что высокие значения частоты рефреша и, одновременно, глубины цвета, скорее всего, предполагают, что этот рефреш в светодиодном экране достигается на определенных (высоких) уровнях яркости.
В случае применения чересстрочной развертки может быть указана частота соответствующая одному циклу PWM для одной группы светодиодов, в то время как реальная частота рефреша экрана (которая влияет на восприятие) в несколько раз ниже.
Более информативным, видимо, является указание глубины цвета и тактовой частоты PWM, с возможным добавлением диапазона частоты рефреша экрана (например, 200-1000 Гц) в случае использования модифицированных методов PWM. Если в светодиодном экране применено временное деление, то необходимо явно указать на этот метод формирования изображения (например time division = 1:1 – нет временного деления, time division = 1:2 – одновременно PWM работает на половине экрана и т. д.).
Для восприятия глазом этот параметр светодиодного экрана вообще несущественен. Для частот выше 100 Гц глаз человека не увидит разницу в качестве изображения. Следовательно, необходимо понять, нужна ли высокая частота рефреша и стоит ли за нее платить.
В случае активного использования светодиодного экрана в процессе видеосъемки этот показатель становится существенным, но следует также обратить внимание на однородность изображения при видеосъемке. Для таких светодиодных экранов, возможно, лучше провести тестовые съемки, чем полагаться лишь на такой параметр как частота рефреша.
Одной из самых главных характеристик телевизора при выборе является значение контрастности изображения на экране телеприемника. Если вы выбираете телевизор по качеству картинки, то обязательно обратите внимание на значение контрастности у разных моделей.
По определению контрастность равна отношению яркости в самой светлой точке экрана к яркости точки, где самое тёмное изображение. Другими словами уровень белого делим на уровень черного и получаем контрастность. Только вот значения этих уровней можно получить только при специальной проверке телевизора с применением специализированных приборов. Поэтому простому пользователю приходится верить или производителям или различным обзорам на сайтах, где тестируют телевизоры. Кому больше доверять и как проверяют контрастность, и поговорим дальше.
Мы сказали, что контрастность одна из самых важных характеристик телевизора. Поэтому производители стараются максимально повысить это значение для улучшения продаж. Производитель может в лаборатории измерить яркость пикселя, при подаче сигнала, который никогда в реальных условиях не используется. Затем измерить яркость этого пикселя при отсутствии сигнала, что невозможно при обычном просмотре. После этого высчитывается значение контрастности. И вот значения, измеренные в таких условиях, и попадают в паспорт изделия. Из-за этого и видим сегодня, что значения контрастности многих телевизоров просто зашкаливают. Все это возможно, потому что в мире нет обязательных правил по измерению контрастности дисплеев.
Разделяют статическую (естественную) и динамическую контрастность . Естественная контрастность зависит только от возможностей дисплея, а динамическая получается в результате применения дополнительных технологий.
Статическая контрастность измеряется по яркости точек в одном сюжете (самой яркой и самой темной). При измерении динамической контрастности используются технологии для её завышения. Сам телевизор при воспроизведении видео регулирует контрастность в зависимости от сюжета, который в данный момент показан на экране. То есть регулируется подсветка в жк матрице. При показе яркого сюжета световой поток от подсветки увеличивается. А когда сюжет меняется на темный (ночь, темная комната и т.д.), то и подсветка начинает уменьшать свой световой поток. Получается, что на ярких сценах из-за увеличения света от подсветки значение уровня черного плохое, а на темных сценах уровень черного хорош, но световой поток уменьшится. Нам это тяжело заметить, потому что на ярких сценах и подсвеченный черный кажется полностью черным. А на темных сценах яркость светлых объектов кажется достаточной. Такая особенность человеческого зрения.
Такая схема управления подсветкой увеличивает контрастность, хотя и не настолько как заявляют производители. И действительно многие телевизоры с динамической контрастностью выигрывают по качеству изображения у аппаратов, которые не имеют такой схемы регулировки.
Но все равно дисплеи с высокой естественной контрастностью будут цениться выше. Это можно продемонстрировать, если вывести на экран картинку, где будет изображен белый текст на черном фоне. У экрана с высокой статической контрастностью текст действительно будет белым, а фон будет черным. А вот дисплей с высокой динамической контрастностью если и покажет черный фон, то буквы будут уже серыми. Поэтому и при воспроизведении обычного видео на экране с повышенной естественной контрастностью картинка буде максимально приближена к реальному изображению. Например, на фоне вечернего неба будут яркие уличные фонари. А на фоне дневного яркого неба черная машина действительно будет черной. Такое изображение мы видим в кинотеатрах.
Максимально реальным, по контрастности , изображение было на экранах кинескопных телевизоров. Но с приходом эры HDTV эти телеприемники уступили свое место на рынке другим аппаратам. Сегодня значения высокой естественной контрастности достигаются при использовании домашних проекторов LCOS. Первое место среди этих устройств занимают аппараты фирмы JVC со своей версией D-ILA. Далее можно отметить Sony с технологией SXRD. На третье место уже можно поставить плазменные телевизоры.
Производители жк телевизоров внедрили в последние годы несколько технологий для достижения того уровня контрастности, которая возможна в других моделях. Наилучшие результаты в повышении контрастности дает применение светодиодной подсветки с локальным затемнением. При этом невозможно регулировать подсветку каждого пикселя и не происходит управление каждым светодиодом в отдельности, но все равно результат получается хорошим. Но производители отказались от самого эффективного вида подсветки, когда светодиоды расположены по всей площади экрана. Такое производство оказалось дорогим. Сегодня в основном используется так называемая боковая подсветка. Здесь светодиоды располагаются сверху и снизу. Для боковой подсветки так же разработаны схемы локального затемнения. Телевизоры с такой подсветкой показывают достаточно хорошие результаты по значению контрастности.
Во время выбора телевизора в магазине оценить качество контрастности дисплея тяжело . Мешает внешнее яркое освещение, экраны могут иметь разное покрытие: антибликовое или глянцевое. В паспорте не всегда написано правдивое значение контрастности, потому что производители его измеряют в лабораториях и при подаче на экран специальных сигналов. Даже прочитав несколько обзоров в Интернете не всегда понятно, какое настоящее значение контрастности. Ведь каждый меряет его по-своему.
Есть несколько методик измерения контрастности . Подают на вход сначала черное поле и замеряют яркость, а затем – белое поле и замеряют яркость. Получается хорошая контрастность, но при реальном просмотре никогда не будет полностью белой или полностью черной картинки. При это еще и при показе обычного видеосигнала в телевизоре включается видеообработка, которая так же вносит свои изменения. Более правдивые показания дает тест по методу ANSI, когда на экран подается шахматное поле с белыми и черными полями. Это больше соответствует обычному изображению. Но при этом белые поля будут влиять на измерения значения яркости черных полей. Так что единого правильного метода измерения контрастности нет.
Так что рекомендации по выбору телевизора с хорошей контрастностью остаются те же. Если вы будете смотреть в основном кино в затененной комнате, то лучше всего подойдет плазма. В освещенной комнате хорошие результаты покажет LCD телевизор со светодиодной подсветкой из-за своей большой яркости. Между этими моделями можно поставить жк телевизор при наличии запаса по светоотдачи. И нужно запомнить главное, любой телевизор нуждается в правильной настройке. Отрегулируйте правильно яркость и контрастность аппарата для получения максимально качественного изображения.
Дополнительно:
Алгоритмы улучшения качества изображений, хранящихся в растровых графических форматах, получают всё большее распространение. На сегодняшний день их существует огромное количество и беспрерывно появляются новые. Это связано с появлением новых способов и технических средств получения, передачи и воспроизводства растровых изображений. Алгоритмы обработки изображений, в основном, ориентированы на ликвидацию недоработок в технических средствах и технологиях, работающих с изображениями. Эти недоработки можно идентифицировать не только визуально, но и пользуясь описанием технических характеристик техники и технологий.
Перед тем, как улучшать изображение, необходимо дать оценку его качеству. Человек, бросив один взгляд на изображение, может сказать яркое оно или тёмное, контрастное или нет, чёткое или размытое и т.д. Алгоритмы же работают детально, анализируя изображение попиксельно или небольшими группами пикселей. Поэтому, на основании работы алгоритма, тяжело дать общую оценку качеству изображения.
К показателям, по которым можно оценить изображение как единое целое, относятся следующие:
Прежде чем приступить к выработке критериев и методов оценки качества, необходимо выбрать цветовую модель. Наиболее удобной представляется модель RGB по нескольким причинам:
Требования к критериям оценки качества изображений следующие:
Достаточно наглядно оценка качества изображения может быть представлена с помощью RGB-гистограмм.
Рис. 1. Гистограмма тёмного неконтрастного изображения
Рис. 2. Гистограмма светлого изображения
Рис. 3. Гистограмма сбалансированного полутонового изображения
Рис. 4. Гистограмма высококонтрастного изображения
Рис. 5. Гистограмма постеризованного изображения
Недостатком этого способа является отсутствие численного выражения для показателей качества.
Цветовую модель RGB удобно представить в виде куба в прямоугольной системе координат, где в начале координат расположена точка чёрного цвета (яркость R = G = B = 0), а вдоль осей возрастают значения яркости R, G и B. На главной диагонали куба, выходящей из начала координат, расположены ахроматические цвета.
Рис. 6. Цветовая модель RGB
В вершинах куба расположены основные цвета (красный, зелёный, синий), дополнительные к ним (жёлтый, циан и пурпурный), а также чёрный и белый. На гранях куба находятся так называемые «чистые» тона.
Рис. 7. RGB - куб и его невидимые грани
Отсутствие у цвета третей составляющей - признак «чистого» тона. Появление и увеличение доли третьей составляющей в цвете приводит к снижению насыщенности тона, т.е. к приближению данного цвета к ахроматическим цветам.
Яркость изображения можно выразить как среднюю яркость всех пикселей (математическое ожидание в терминах теории вероятностей).
Яркость пикселя вычисляется по формуле:
Яркость всего изображения Y, содержащего N пикселей будет равна:
Данное выражение характеризует физическую яркость изображения. Поскольку чувствительность человеческого газа к разным частям спектра неодинакова (максимальная в жёлто-зелёной, меньше в красной, ещё меньше в синей), яркость цветного пикселя будет восприниматься субъективно в зависимости от его тональных характеристик.
Рис. 8. Чувствительность человеческого глаза к различным частям спектра
Оценка как физической (), так и видимой () яркости изображения представлена в абсолютных величинах. Перейти к относительным величинам можно разделив значение яркости на максимально возможное значение яркости:
Тогда будет лежать в диапазоне . Значение 0 будет соответствовать абсолютно чёрному изображению, а значение 1 – абсолютно белому. Изображение оптимальной яркости должно иметь значение близкое к 0.5.
Контрастность изображения бывает яркостная и тоновая.
Яркостная контрастность представляет собой разницу между физической или видимой яркостью отдельных участков изображения. Вообще говоря, вычисление физической или видимой яркости можно рассматривать как конвертацию цветного изображения в ахроматические цвета. Поэтому яркостная контрастность - это сравнение двух участков изображения, приведенных к ахроматическим цветам.
Если проанализировать RGB-гистограммы, то можно сделать вывод, что у контрастного изображения количество тёмных и светлых пикселей должно быть приблизительно одинаковым, разница в их яркости - значительна, а основное место сосредоточения пикселей - возле границ диапазона.
Хорошим критерием оценки яркостной контрастности будет дисперсия яркости пикселей изображения:
Более универсальный безразмерный критерий оценки яркостной контрастности - отношение средне-квадратического отклонения к максимально возможному значению яркости:
C изменяется в диапазоне . Значение 0 соответствует однотонному изображению, значение 1 - максимально контрастному. Оптимальное значение контрастности зависит от типа объекта, представленного на изображении.
Более сложный случай представляет тоновая контрастность. Конвертированные в оттенки серого цвета могут иметь одинаковую яркость, но визуально чётко различаться.
Можно вычислить «средний тон» пикселя для всего изображения. Его удобно выразить через средние значения RGB:
Расстояние в RGB кубе между пикселями изображения и «средним тоном» определяется по формуле:
В качестве оценки тоновой контрастности изображения можно взять среднее расстояние в RGB кубе между пикселями и «средним тоном»:
В RGB-кубе максимальное расстояние между двумя точками равно длине главой диагонали:
Хорошую тоновую контрастность будут иметь пиксели, расположенные на расстоянии , или (длины ребра RGB-куба):
=~R_max"/>Тоновая насыщенность - это отличие цвета от ахроматического при их одинаковой яркости. В RGB-кубе тоновую насыщенность пикселя можно выразить как расстояние до диагонали ахроматических цветов:
Для всего изображения оценка тоновой насыщенности может быть выражена как среднее значение тоновой насыщенности для всех пикселей:
Понятие резкость, как характеристику аппаратных средств и технологий, можно разделить на три составляющие:
Идеальное оборудование должно обеспечить вывод информации о смене цвета в элементе изображения таким образом, чтобы никакого промежутка между цветами не было.
С физической точки зрения нерезкий переход можно рассматривать как диффузное смешение двух контрастных цветов.
С точки зрения человеческого восприятия резкость — это наличие контура контрастного перехода (яркостного или тонового) между двумя соседними частями изображения.
Для оценки резкости изображения в ахроматических цветах удобно использовать яркость пикселей. Такое изображение может быть представлено прямоугольной матрицей (размерностью соответствующей размерам изображения в пикселях), элементами которой являются значения яркости пикселя.
Рис. 9. Контрастный (сверху) и неконтрастный (снизу) переходы между цветами
Поскольку в настоящее время в большинстве случаев используется квадратный пиксель, можно составить другую матрицу (матрицу яркостных контрастов), элементами которой будут разности яркости последующего и предыдущего пикселей по горизонтали или по вертикали (
или 
). Можно учитывать и диагональные разности.
Значения элементов матрицы характеризуются следующим образом:
Далее осуществляется сканирование строк для разностей по горизонтали (столбцов для разностей по вертикали) матрицы яркостных контрастов. Строка (столбец) разбивается на участки, в которые входят элементы, имеющие одинаковый знак (переходые участки) или участки со значениями элементов равными 0.
Для каждого переходного участка оценивается:
Для проведения анализа матрицы яркостных контрастов необходимо определить критерии и их значения: какое значение элемента матрицы считать контрастным переходом, а какое - нет.
Порог «минимальной заметной разницы» контрастной чувствительности (JND) или дифференциальный порог определяют согласно закона Вебера-Фехнера, который формулируется следующим образом: субъективная величина ощущения, измеренная в единицах минимальной заметной разницы, пропорциональна логарифму физической величины стимула:
Закон утверждает: ощущение разницы между близкими по величине стимулами пропорциональна величине стимулов, т.е.:
Это отношение называется пороговым контрастом, а - дифференциальным порогом. В средине дифференциального порога изменения интенсивности стимула не ощутимы.
Отношение Вебера-Фехнера (пороговый контраст) составляет 1-3%.
Таким образом, для каждого переходного участка матрицы яркостных контрастов в идеальном случае или , 
~0.03"/> (здесь и далее - крутизна участка).
Поскольку критерии оценки резкости связаны с локальными участками изображения, общая оценка резкости по этим критериям будет сильно зависеть от типа объекта на изображении (документ, пейзаж и т.д.). И всё же в качестве оценки резкости всего изображения можно предложить средние значения длины и крутизны для всех n переходных участков.
Для оценки резкости цветных изображений вместо разности яркости соседних пикселей можно использовать расстояние в RGB-кубе между цветами этих пикселей:
При сканировании матрицы тоновых контрастов, подобно сканированию матрицы яркостных контрастов, необходимо контролировать тенденцию изменения тона: отрезки, соединяющие пиксели в RGB-кубе должны лежать на одной прямой. Реально они могут иметь некоторое незначительное отклонение ε. Осуществить такой контроль можно сравнивая сумму длин расстояний между цветами в RGB-кубе с расстоянием между крайними точками этой ломаной линии:
Прекращение выполнения данного условия можно считать границей участка.
И для всего цветного изображения вычисляются также, как и для ахроматического изображения.
Несмотря на грубость и приблизительность предложенных критериев и методов оценки, их можно успешно использовать для предварительного отбора изображений из больших массивов в автоматическом режиме; для предварительной оценки качества изображений с целью выбора более детальных методов оценки и т.п.
Литература:
Перевод с CNET
Хотите узнать, почему такой важный параметр изображения, как контрастность, бесконечно растет и остается непонятным для многих?
Понимание того, что такое контрастность и как ее оценить, поможет выбрать лучший телевизор, исходя из ваших возможностей. Но это несколько сложнее, чем может показаться.
По сути, контрастность определяется разницей между самым ярким и наиболее темным изображением, которые телевизор может воспроизвести. Более точная формула:
уровень белого / уровень черного = контрастность.
Если телевизор может излучать яркость 45 фут-ламберт при белом экране и только 0,01 фут-ламберт с черным экраном, он имеет коэффициент контрастности 4 500:1. К сожалению, в реальности все становится сложнее.
Есть несколько способов измерения контрастности. Например, производитель может измерить максимальную светоотдачу одного пикселя на некотором, недоступном в обычном режиме, максимуме, затем измерить светоотдачу от того же пикселя при полном отсутствии сигнала. Такая ситуация вряд ли возможно при обычном просмотре фильмов и телепрограмм, но без общепринятого стандарта для измерения такие мелочи не волнуют производителей телевизоров.
Более того, показатели контрастности в последнее время доросли до таких экстремальных значений, что иногда нет буквально никакой возможности измерить их. Почему же сложилась такая ситуация? Отдел маркетинга заявляет численные значения, с которыми он сможет продать товар. Специалистам-разработчикам, в конце концов, приходится хитрить и, о чудо, телевизор получает необходимую контрастность. Единственной возможностью узнать реальные способности телевизоров остается чтение обзоров, но даже и они не всегда точны, как мы увидим далее.
Коэффициент контрастности: хороший и плохой
Поскольку вы читаете эту статью с дисплея, который имеет свой коэффициент контрастности, нельзя дать вам реальные примеры, как выглядит хорошая и плохая контрастность, так что придется искать другие способы.
Проверить, насколько хорошо настроен ваш монитор можно, прочитав специальные статьи. А ниже приведены два изображения, слева с хорошей контрастностью, справа с плохой.
Левое изображение более точное, с хорошей контрастностью. Справа контрастность хуже, уровень черного более высокий.
Довольно легко отметить, что картинка слева более правильная. Изображение справа имеет более высокий уровень черного, и если выбирать из двух телевизоров, поставленных рядом, выбор однозначен.
Контрастность: естественная и динамическая
Есть два типа контрастности. Чаще всего их называют естественной (родной) и динамической. Естественная контрастность та, которую позволяет без ухищрений представлять технология дисплея. У LCD дисплея эту возможность определяет жидкокристаллическая панель. В случае DLP технологии все определяется одним или тремя DMD чипами.
Представьте представленные выше изображения на экране вашего телевизора. Естественная контрастность определяется сравнением наиболее темной части изображения с самыми яркими элементами в этом же сюжете. Назовем это "внутренней контрастностью сюжета", хотя, у кого- то может быть есть и более удачные определения на этот счет?
Подобная контрастность отличается от той, что сегодня приписывают большинству телевизоров и которая называется динамической. Динамическая контрастность – расширенный термин для описания технологии, который позволяет беспредельно завышать показания, в сравнении с естественной контрастностью. При воспроизведении фильма или телепрограммы телевизор регулирует общий световой поток в соответствии с характером отображаемого сюжета. Возможно вам доводилось вручную регулировать подсветку ЖК дисплея, телевизор делает то же самое автоматически, анализируя в режиме реального времени воспроизводимый видеосюжет.
Эта шкала серого пример относительной яркости дисплея. С установленной на максимум подсветкой ЖК дисплей демонстрирует наибольшую яркость, но имеет плохой уровень черного цвета. Если уровень подсветки установить на минимум, будет приличный уровень черного, а общий световой поток станет недостаточным.
Автоматическая регулировка подсветки (аналогично у проектора регулировка отверстия диафрагмы) выполняется схемой контроля видеосигнала и позволяет в режиме реального времени корректировать общий световой поток в зависимости от того, что в это время на экране. Пример изображения с использованием динамической контрастности:
В темном сюжете телевизор затемняет подсветку (или прикрывает отверстие диафрагмы проектор), поэтому изображение становится темнее. При этом проигрывают яркие области на экране, которые тоже темнеют.
В светлом сюжете телевизор повышает общий световой поток, но, как вы можете заметить по серой шкале, повышенная яркость достигается за счет потери достойного уровня черного.
Светлые сюжеты становятся ярче, а темные чернее. Это очень хорошо, и действительно увеличивает видимый контраст дисплея, но не настолько сильно, как хотелось бы предположить, исходя из заявленных параметров контрастности. Телевизор с коэффициентом контрастности 5000000:1 это фантастика. Очень хотелось бы посмотреть на него, жаль, что он не существует. HDTV с высоким коэффициентом динамической контрастности может смотреться лучше, в сравнении с телевизором, который не имеет такой схемы, но он не будет также хорош, как дисплей с высокой естественной контрастностью.
Да, LED источники подсветки LCD панели можно отключить, создав истинный черный цвет, но это далеко не всегда можно делать в процессе воспроизведения реального фильма. Дисплей с высокой естественной контрастностью покажет яркий белый текст на глубоком черном фоне. Дисплей с высокой динамической контрастностью может иметь такой же темный фон, но текст не будет таким ярким.
Сравнительно, это выглядит вот так:
Изображение слева имитирует дисплей с высокой естественной контрастностью. То, что справа имеет пониженную естественную контрастность, но расширенную динамическую. Правое изображение способно представить низкий уровень черного, но делает это за счет снижения общего светового потока. Высокая естественная контрастность дисплея (слева) позволяет без технических ухищрений воспроизводить максимально черный, и в то же время яркий белый цвет.
Как вы можете видеть, дисплей с высокой естественной контрастностью – это то, что нужно. На фоне чернильно-черного неба ясно различимы блики уличных фонарей. Днем небо яркое, но черная куртка достаточно темная. Это больше похоже на картинку на экранах ЭЛТ телевизоров, больше похоже на фильм в кинотеатре, более соответствует реальному изображению.
Сегодня технология с наиболее высокой естественной контрастностью – используемая в домашних проекторах LCOS . В настоящее время в проекторах JVC используется фирменная версия этой технологии (D-ILA). Такие проекторы обладают самым высоким измеренным коэффициентом естественной контрастности. Версия от Sony (SXRD) достаточно отстает, но занимает второе место. Третьими по уровню естественной контрастности можно считать плазменные HDTV, хотя и некоторые DLP проекторы близки к ним.
ЖК (LCD) телевизоры достигли большого прогресса за последнее десятилетие, но все еще отстают от других технологий по ряду параметров. К счастью, лучшие производители знают об этом и придумали несколько способов, чтобы имитировать свойственную другим технологиям высокую естественную контрастность.
Лучший способ для LCD телевизоров добиться высокой контрастности внутри сюжета – использовать локальное затемнение. В этом случае подсветка дисплея представляет собой массив из светодиодов (LED источников), яркость каждого из них может меняться в зависимости от того, что показывается на экране. Хотя это не сделано и не на уровне пикселей, а светодиоды управляются не индивидуально, а по зонам, как правило, общий эффект очень хороший.
К сожалению, сегодня большинство производителей отказались от использования полной LED подсветки, которая является единственным типом хорошего локального затемнения. Такие телевизоры дороже обходятся в производстве.
Большинство LCD LED дисплеев сегодня используют боковую (краевую) подсветку, при которой светодиоды подсветки размещаются сверху и снизу LCD панели. Несколько компаний разработали методы для затемнения отдельных областей экрана и для такой подсветки (Edge LED), но эффект не так хорош, как при использовании полного LED массива позади экрана. Хотя многие телевизоры с боковой подсветкой и выглядят великолепно.
Измерение и все прочие проблемы
Однако у вас естественно давно уже возник вопрос: Как же, выяснить какой телевизор в магазине имеет лучшую контрастность? Вопрос хороший. Однако повышенная яркость освещения искажает реальные возможности телевизора. К тому же, одни модели могут иметь глянцевое покрытие экрана, а другие антибликовое, что тоже затрудняет сравнение. Как уже упоминалось, все производители дают завышенные показатели контрастности, которое имеют мало общего с реальными возможностями телевизоров. Поэтому не стоит особо доверять спецификациям.
Так что остается читать обзоры. К сожалению, лишь на немногих сайтах в процессе тестирования делают измерения контрастности. А полученные показатели порой могут сильно различаться, что объяснимо, к тому же нет единого стандарта для измерения контрастности. Кто-то может оценить контрастность в 20000:1, в то время как другой тестировщик получит только 1000:1.
Многое зависит от того, что измерять. Можно взять черное поле (яркость 0 IRE) с настроечного диска или генератора сигналов, а потом белое поле (100 IRE) из тех же источников. При этом получим приличную общую контрастность, но она не очень актуальна при реальном просмотре видео (которое никогда не бывает полностью темным или полностью белым). Кроме того, на реальном материале начинают работать многочисленные системы видеообработки, которые оказывают влияние на яркость отдельных участков изображения.
Хорошим дополнением будет измерение контрастности по методике ANSI. В этом случае на экран в шахматном порядке выводится восемь черных и белых полей. Все измерения усредняются. Это дает хорошее представление о возможностях дисплея, и гораздо более актуальное для фактического видео. Определенной проблемой является то, что яркость белых полей может влиять на показатели измерений черных квадратов. Таким образом, чтобы все сделать правильно придется потратить очень много времени.
Заключение
В данном случае однозначного ответа нет. Именно такой вывод можно сделать из всего написанного выше. Лучшее, на что сегодня можно надеяться с тем, чтобы получить общее представление о приглянувшихся моделях HDTV – достаточно точные измерения, приводимые в обзорах телевизоров с компетентных сайтов. А также очень пригодятся и почерпнутые из этой статьи познания, чтобы представить, какие потенциальные возможности телевизора наилучшим образом раскроются в условиях просмотра в вашем доме.
Как и во многих руководствах по выбору телевизора можно сказать следующее. Многое зависит от условий, в которых предполагается смотреть телевизор. Если вы любитель кино и смотрите телевизор в темной комнате или в ночное время, повышенная контрастность плазм будет смотреться очень кинематографично.
Если же вы чаще смотрите телевизор в дневное время, по яркости с LED LCD ничто не может сравниться. Где-то между ними располагаются LCD телевизоры с системой местного или зонного затемнения светодиодной (LED) подсветки. Они могут представить лучшую "внутреннюю контрастность сюжета", в сравнении с обычными LCD дисплеями, но при наличии достаточного запаса по уровню светоотдачи.
Независимо от того, какой у вас дома телевизор, очень важно правильно его настроить, так как начальные заводские настройки не могут полностью раскрыть весь потенциал телевизора.
