CC BY
6
Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodyan-skyum@gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications,
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences docent,, ramiz63@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ada-gaev@list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) «Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation»
УДК 535.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-69-75
РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ЦВЕТОДЕЛЕНИЯ МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ
ДЛЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В.Л. Жбанова
В работе представлены цветовые пространства с широким телом цветового охвата. Цветовые треугольники пространств выбраны таким образом, чтобы были получены кривые сложения с минимальными отрицательными ветвями или второстепенными пиками. Под эти кривые были подобраны различные наборы светофильтров для различных спектральных характеристик монохромных матричных фотоприемников. Такой подход позволит реализовать и исследовать разработанные пространства в системах цветоделения современных измерительных приборов, применяемых в колориметрии, спектроскопии, офтальмологии.
Ключевые слова: фотоприемник, светофильтр, спектр, кривые сложения, цветовой треугольник, цветовая система, RGB, спектроскопия.
Современные научные приборы, работающие на визуализацию, такие как: микроскопы, эндоскопы, колориметры, офтальмологические приборы и др., работают на современных цветовых пространствах RGB. И если в вопросе разрешения достигнут практически максимальный результат, то в вопросах цветопередачи еще есть значительные отклонения.
Современные рабочие цветовые системы цифровых устройств: sRGB (standatRGB), AdobeRGB, DCI-P3 RGB охватывают максимум 70% видимых цветов [1-6]. Альтернативой этим системам могут быть колориметрические системы большого цветового охвата, такие как Wide Gamut RGB и ProPhoto RGB. Однако кривые сложения цветовых треугольников этих систем имеют не только второстепенные пики, но и отрицательные ветви.
Поэтому необходимо разработать цветовое пространство, охватывающее до 100% ло-куса, без отрицательных ветвей либо с их минимальными включениями, чтобы реализовать кривые сложения в системе цветоделения регистрирующих устройств [7-9]. Это поможет получать качественные цветовые снимки, где особенно важна цветовая детализация изображений -спектроскопия, офтальмология.
Подбор цветового пространства. На основе анализа было принято решение разрабатывать треугольники близкие к основной физиологической системе КЗС [5, 6]. Трудность построения такой системы определяется невозможностью непосредственного точного измерения спектральной чувствительности каждого из трех цветовоспринимающих аппаратов. Удельные координаты цвета системы имеют особенности недопустимые при воспроизведении на цифровых устройствах: кривые зеленого и красного каналов пересекаются на длине волны 555 нм и перекрывают друг друга. При построении матриц с такими характеристиками не получается достичь «чистых» спектральных цветов. Поэтому было принято решение разработать треугольник с кривыми сложения приближенными к системе КЗС, но разведенными максимумами кривых зеленого и красного каналов. Это позволит воспроизвести кривые сложения этих систем в цифровых устройствах не только на программном, но и на аппаратном уровнях.
Были разработаны системы КЗС-1, КЗС-2 и КЗС-3 с широким телом цветового охвата (рис. 1), основываясь на рекомендациях [6].
а б 6
Рис. 1. Цветовые треугольники: а-КЗС-1; б-КЗС-2; в -КЗС-З
Цветовые треугольники КЗС-1 и КЗС-З охватывают практически весь видимый диапазон: 97% и 100%, соответственно, и имеют отрицательные координаты основного зеленого цвета (табл. 1). Последняя система включает также отрицательные координаты по синему цвету. У цветового треугольника КЗС-2 все координаты основных цветов положительные, при этом красные и синие расположены на локусе. Если учесть, что в системе ху зеленые цвета несколько растянуты по сравнению красными цветами в равноконтрастных колориметрических системах, то можно сделать вывод, что пространство КЗС-2 охватывает около 94% всех цветов.
Опираясь на методику преобразования цветовых пространств [6, стр. 249-256], были найдены кривые сложения разработанных систем. Кривые сложения у систем КЗС-1 и КЗС-2 имеют небольшие отрицательные ветви, у системы КЗС-3 наблюдается небольшой второстепенный максимум в синей области для кривой красного канала. Все эти ветви составляют не более 5% от интегральной площади под кривой красного канала (рис. 2).
В результате подобраны комбинации наиболее оптимальных трех основных цветов, т.к. не дают второстепенных пиков по каналам синего и зеленого спектра, наиболее важным для восприятия цветов человеком.
V
О о ля » 0 ) № /.. нм. 0 690 7< 0 750
0 Л 5 вО ЦО 60О «50 ?«<> 84
а б
Рис. 2. Кривые сложения цветовых треугольников: а - КЗС-1; б - КЗС-2; в - КЗС-З
Для количественной оценки разработанных систем были определены координаты рав-ноэнергетического спектра Е, который должен составлять х=0,33333, у=0,33333. Координаты каждого цвета в диапазоне от 380 до 770 нм рассчитываются по следующим формулам:
770_
К „г = | к^ (!)йЛ,
380 770_
ЗN =| зN (Л)йЛ,
380
770_
С N =| с N (Л)йЛ .
380
(1) (2) (3)
где кN(!),зN(Л),см(!) - удельные координаты цвета системы К^лС, N - номер системы. Далее интегрирование заменяют суммированием. Методика описана в источнике [10-12].
в
Полученные координаты цвета переводятся в систему XYZ МКО 1931 г. по рассчитанным коэффициентам перехода, найденным по методике [6]. Далее находятся координаты цветности (х; у) по формулам:
х = ; (4)
у = -
X + У + Z У
(5)
X + У + Z
где X, У, Z - координаты цвета; х, у - координаты цветности в системе ху.
Рассчитанные координаты х и у должны соответствовать источнику с равноэнергети-ческим спектром Е. У обеих систем КЗС-1 и КЗС-2 координаты Е (0,33337; 0,33346). Эти координаты отличаются от теоретических не более чем на 0,05%. Для системы КЗС-3 координаты Е составили х=0,33333, у=0,33333. Таким образом, можно считать проведенные колориметрические преобразования цветовых пространств успешными.
Подбор корректирующих светофильтров. При разработке согласованной системы цветоделения, как на программном, так и на аппаратном уровнях, было решено придерживаться ранее проведенных исследований [13]. Для внедрения разработанных систем применялись два метода:
1) создание приемников под кривые сложения цветовых пространств;
2) подбор цветового пространства под кривые разработанной системы цветоделения.
В качестве корректирующих светофильтров были выбраны цветные оптические стекла по ГОСТ 9411-91 из соответствующего каталога. Для реализации системы цветоделения под кривые сложения матричных фотоприемников были подобраны наборы светофильтров для корректировки спектральной характеристики матричного фотоприемника по следующему выражению [13]:
$Лт= ^Л!..^^ (6)
где «Я - спектральная чувствительность матричного фотоприемника; тхь ..., т%„ - коэффициенты пропускания корректирующих светофильтров на определенной длине волны.
Для воспроизведения характеристик светофильтров в математической форме были найдены коэффициенты пропускания всех цветных оптических стекол из набора. Исследование проводилось с шагом 10 нм на спектрофотометре СПЕКОЛ 210.
Спектральные характеристик выбранных камер отличаются по расположению максимумов и ширине кривых, что влияет на качество системы цветоделения (рис. 3).
■ Р1.-В959
-ШО АБтОММ-З
■ КРС-ЕХ20ВН
400 420 440 4« 450 500 5 20 540 560 550 600 620 640 660 650 700 720 740 760
Рис. 3. Спектральные характеристики камер
По первой методике для каждого разработанного цветового пространства и под каждую выбранную матрицу были подобраны наборы корректирующих светофильтров (табл. 1, 2).
В ходе работы были поставлены следующие критерии при отборе корректирующих цветных оптических стекол:
- количество светофильтров по одному каналу должно быть ограниченно до 4 шт. - с целью уменьшения поглощения светового потока в стеклах и предотвращение цветовых потерь;
- соотношение кривых всех трех каналов должно соответствовать соотношению кривым сложения систем.
Для камер PL-B959 и mono ZWO ASI120MM-S были найдены несколько наборов корректирующих светофильтров. Для камеры KPC-EX20BH хорошо согласуются наборы первых двух.
При анализе полученных характеристик наборов было выделено следующее:
- кривые корректирующих наборов для камеры PL-B959 имеют сниженную интенсивность - в среднем менее 35% по синему каналу, что может привести в дальнейшем к потерям цветовой информации при исследовании объектов насыщенных цветов;
- характеристики наборов для KPC-EX20BH имеют отклонения в соотношениях кривых цветовых пространств, которые можно исправить только в ущерб интенсивности этих кривых, что может явиться ограничением при исследовании насыщенных объектов.
Таблица 1
Наборы корректирующих светофильтров под спектральную характеристику
камеры PL-B959
Система Канал К Канал З Канал С
КЗС-1 ОС17 ЗС10 СС15
ОС5 ЗС8 ЖС3
C3C23 НС1 СЗС22
C3C23
КЗС-2 ОС6 ЗС10 СС5
C3C23 ЖЗС9 ЖС3
ОС17 ЗС8 C3C23
ОС11 ЗС8
КЗС-3 ОС17 ЗС10 СС15
ОС5 ЖЗС9 ЖС4
C3C23 СЗС7 ЖС4
Таблица 2
Наборы корректирующих светофильтров под спектральную характеристику _камер MONO ZWO ASI120MM-S и KPC-EX20BH_
Система Канал К Канал З Канал С
КЗС-1 ОС17 ОС6 СЗС23 НС1 ЗС10 СЗС7 ЗС8 СС5 ЖС3 СЗС23
КЗС-2 ОС17 СЗС23 ОС11 ОС11 ЖЗС1 ЗС8 ЖЗС18 СС5 ЖС4 СЗС23
кзс-з ОС17 ОС6 СЗС23 НС1 ЖЗС1 ЗС8 ЖЗС18 СС5 ЖС10 СЗС23
В результате для дальнейших исследований были выбраны наборы для камеры mono ZWO ASI120MM-S, как наиболее полно отвечающие приведенным требованиям.
По второй методике был предложен универсальный набор корректирующих светофильтров, под который в дальнейшем подобрана одна из разработанных систем. В результате были получены наборы для реализации максимальной одинаковой интенсивности спектральных характеристик (табл. 3).
Таблица 3
Наборы корректирующих светофильтров
Наборы К З С
Набор-1 СЗС23 ЗС10 СС5
ОС11 СЗС23 ЖС4
ОС17 СЗС23 / СЗС21
Набор-2 СЗС23 ЗС10 СС5
ОС11 СЗС23 ЖС3
ОС17 СЗС23 / СЗС21
Набор-3 СЗС23 ЗС10 СС5
ОС11 СЗС23 ЖС10
ОС17 СЗС23 / СЗС21
Характеристики наборов имеют ровные куполообразные кривые с максимумами на 450 нм, 540 нм и 580 нм, что является удовлетворительным показателем (рис. 4).
А // V'' \ \
\\ ч /А\ \ V Л и b \\ \ \
Л п / V, \ V ч\ // // Jk V.
Л J // \\ ч 1/1 \4 ч
1 J s f \Ч V Х-У ^__
80 -100 420 440 Ч5<3" *500 520 540 560 550 600 620 640 660 680 700 720 740 760
3» 100 4:0 >л -.г-* <>: зд до но «о д;: до ш -!>■ -:о тло ... „
а б
Рис. 4. Характеристики наборов для камеры MONO ZWO ASI120MM-S относительно кривых системы КЗС-1 (пунктирные линии): а - набор-1; б - набор-2
Реализация кривой красного канала ограничена набором цветных оптических стекол. При попытке перенести максимум характеристики ближе к 600 нм, происходит уменьшение интенсивности кривой. Поэтому было принято решение оставить разработанный набор без изменений в пользу большей интенсивности. Для реализации куполообразной характеристики по синему каналу со светофильтров СС5 необходимо применять C3C23, который исключает «хвост» этой кривой в длинноволновой части спектра. Возможно, использовать вместо пары СС5+СЗС23 светофильтр СС15 - в этом случае характеристика совпадает с максимумом кривой синего канала систем КЗС, но становится широкой в коротковолновой области, что приводит к расширению всех характеристики.
Для камер PL-B959 и KPC-EX20BH подобные наборы снижают интенсивность спектральных характеристик до 37% или искажают соотношение максимумов самих кривых. Это напрямую связано с формами спектральных характеристик камер. Другие комбинации светофильтров приводят либо к еще более заниженным значениям, либо к расширению и искривлению куполообразных кривых.
Заключение. По приведенным характеристикам можно наблюдать влияние выбора спектральной характеристики камеры на формы кривых системы цветоделения. Поэтому при анализе разработанных характеристик было принято решение исследовать все наборы корректирующих светофильтров для камеры mono ZWO ASI120MM-S и выявить наилучшую комбинацию для проведения экспериментального исследования.
Таким образом, реализовано несколько наборов корректирующих светофильтров для реализации разработанных цветовых пространств КЗС-1, КЗС-2 и КЗС-3 с широким телом цветового охвата, включающие более 90% видимых цветов, на основе трех выбранных камер. Предложено два метода подбора корректирующих светофильтров. В результате анализа кривых разработанных систем цветоделения выбрана камера mono ZWO ASI120MM-S с наиболее оптимальными наборами как по форме, так и по максимумам характеристик. Разработанная система цветоделения на основе матричного фотоприемника будет внедрена в цифровой микроскоп и исследована на улучшение цветных изображений в спектроскопии.
Исследование выполнено при финансовой поддержке стипендии Президента Российской Федерации в 2022-2024 годах для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики СП-748.2022.4.
Список литературы
1. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике. М.: Мир. 1978. 592 с.
2. Жбанова В.Л. Вопросы применения цифровой колориметрии в современных научных исследованиях // Светотехника. 2021. №2. C. 5-14.
3. Домасев М., Гнатюк С. Цвет, управление цветом, цветовые расчеты и измерения. СПб.: Питер. 2009. 224 с.
4. Кирилловский В.К. Современные оптические исследования и измерения: учеб. пособие. СПб.: изд. «Лань». 2010. 304 с.
5. Кривошеев М.И., Кустарев А.К. Цветовые измерения. М.: Энергоатомиздат. 1990.
240 с.
6. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники: учеб. пособие для вузов в 2-х ч. Ч. 2. Физиологическая оптика и колориметрия. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат. 1989. 432 с.
7. Новаковский С.В. Цвет на экране телевизора (Основы телевизионной колориметрии). М.: Радио и связь. 1997. 168 с.
8. Лурье А.А., Косиков А.Г. Теория и практика цифровой обработки изображений. М.: Научный мир. 2003. 168 с.
9. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга, Логос. 2007. 192 с.
10. Жбанова В.Л., Нюбин В.В. Метод улучшения цветопередачи цифровых фото- и видеокамер // Светотехника. 2014. №4. C. 73-74.
11. Zhbanova V.L. Evaluation and selection of color spaces for digital systems // Light & Engineering. T. 28. №6. 2020. P. 86-94. DOI: 10.33383/2020-024.
12. Жбанова В.Л. Система цветоделения с характеристиками близкими к XYZ МКО 1931 г. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2019. Том 74. № 1. С. 167-180. D0I:10.17212/1814-1196-2019-1-167-180.
13. Zhbanova V.L., Parvuyusov Y.B. Experimental investigation of the color-separation system of photodetector array // Journal of Optical Technology (A Translation of Opticheskii Zhurnal). 2019. V. 86. № 3. P. 177-182. D0I:10.1364/J0T.86.000177.
Жбанова Вера Леонидовна, канд. техн. наук, доцент, vera-zhbanova@,yandex. ru, Россия, Смоленск, Филиал «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
DEVELOPMENT OF COLOR SEPARATION SYSTEMS FOR MATRIXPHOTODETECTORS FOR
SCIENTIFIC RESEARCH
V.L. Zhbanova
The paper presents color spaces with a wide body of color gamut. The color triangles of the spaces are chosen in such a way that addition curves with minimal negative branches or minor peaks are obtained. Under these curves, different sets of light filters were selected for different spectral characteristics of monochrome matrix photodetectors. This approach will make it possible to implement and explore the developed spaces in the color separation systems of modern measuring instruments used in colorimetry, spectroscopy, and ophthalmology.
Key words: photodetector, light filter, spectrum, addition curves, color triangle, color system, RGB, spectroscopy.
Zhbanova Vera Leonidovna, candidate of technical sciences, docent, vera-zhbanova@yandex.ru, Russia, Smolensk, The Department of Optoelectronic Systems of The Branch of National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
