1

Colorimetria e TV a Cores

PTC2547

Princípios de Televisão Digital

Guido Stolfi – EPUSP - 2013

2

Experimento de Newton

branco

3

Cores Opostas

(nm) cor   (nm) cor

590-560 amarelo 470-430 Azul/violeta

605-590 laranja 430-380 azul/verde

780-605 vermelho 500-470 ciano

- - - magenta 560-500 verde

4

Modelo de Oponentes para Percepção Visual

LogLogLog

ConesVermelhos

ConesConesVerdesAzuis

BrilhoOponente OponenteAzul-Amarelo Vermelho-Verde

RGB

5

Sensibilidade Espectral da Visão

r

g

b R P F dR ( ) ( )

G P F dG ( ) ( )

B P F dB ( ) ( )

6

Processos de Colorimetria

F

FW

FG

FB

FR

(a) (b)

Objetivo: Reproduzir os estímulos visuais R, G e B artificialmente

7

Colorimetria de uma Cor Real

FR + FG + FB X

FG

FB

FR

X`()

=

Estímulos R, G, B iguais nos dois casos

Colorímetro Tri-Estímulos

8

9

Funções de Cromaticidade para Observador Padrão

400 500 600 700 800

Comprimento de Onda (nm)

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

B

G

R

Valor tri-estím

ulos

Primários em 700nm (R), 546.1 nm (G) e 435.8 nm (B)

10

Cálculo das Coordenadas Colorimétricas

R P r d

G P g d

B P b d

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

380

780

380

780

380

780

rR

R G B

gG

R G B

bB

R G Br g

1

11

Coordenadas r-g

(0,0) (1,0)

(0,1)

Branco (0.33, 0.33)

Vermelho

Verde

Azul

12

Cores Espectrais nas Coordenadas r-g

13

Colorimetria com primários X,Y,Z

X R G B

Y R G B

Z R G B

0 490 0 310 0 200

0177 0 813 0 011

0 000 0 010 0 990

. . .

. . .

. . .

R X Y Z

G X Y Z

B X Y Z

2 365 0 897 0 468

0 515 1426 0 089

0 005 0 014 1009

. . .

. . .

. . .

14

Funções de Cromaticidade x,y,z

400 500 600 700

Comprimento de Onda (nm)

0.0

0.5

1.0

1.5

ZZZZ

YX

X

15

Coordenadas de Cromaticidade

ZYX

Yy

ZYX

Xx

16

Diagrama de Cromaticidade CIE

17

Linearidade na Superposição de Cores

A

P

y

z

x

w

A = (yG + xB)/(x+y)

P = (wA + zR)/(w+z)

18

Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade

19

Exemplo: Colorimetria de uma Lâmpada de Descarga a Gás

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

398 426 457 487 518 548 579 610 640 671

50.30.05.0002.08.2078.06.439.12.2068.01.1)()(

82.5175.05.087.08.271.06.4012.02.20004.01.1)()(

72.3448.05.0916.08.2063.06.4284.02.2014.01.1)()(

780

380

780

380

780

380

dzPZ

dyPY

dxPX

400 500 600 700Comprimento de Onda (nm)

0.0

0.5

1.0

1.5

ZZZZ

Y X

X

20

Exemplo: Colorimetria de uma Lâmpada de Descarga a Gás

446.004.13

82.5

285.004.13

72.3

ZYX

Yy

ZYX

Xx

Comprimento de onda dominante: ~538 nm

21

Exemplo: Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido

22

Exemplo: Colorimetria de LED’s RGB

LED Nichia NSCM315C

23

LED Comprimento de Onda

Intensidade Luminosa a 20 mA

Vermelho 640 nm 80 mcd

Verde 570 nm 130 mcd

Azul 470 nm 25 mcd

F() Pot X Y Z

R 640 0.175 457 204 80 0

G 570 0.952 137 104 130 0.3

B 470 0.091 274 53 25 353

Aplicando a função de luminância:

Características dos LED’s:

Exemplo: Balanceamento de LED’s

24

r (204 X + 80 Y + 0 Z) ++ g (104 X + 130 Y + 0.3 Z) ++ b (53 X + 25 Y +353 Z) =

= 1000 X + 1000 Y + 1000 ZResolvendo, temos:

r = 0,745 0,112 2,23 mAg = 6,68 1,00 20 mAb = 2,83 0,423 8,47 mA

Intensidade luminosa de R + G + B = branco: 0,112 x 80 + 1 x 130 + 0,423 x 25 = 150 mcd

Exemplo: Balanceamento de LED’s

25

Primários de um Cinescópio (NTSC)

26

Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22)

27

Funções de Cromaticidade Correspondentes aos Primários (NTSC e EBU)

EBU

NTSC

28

Requisitos de Fidelidade Colorimétrica

•     Fidelidade Física (espectral)

•     Fidelidade de Valores Tri-estímulos (R, G, B)

•     Fidelidade Colorimétrica (x, y)

•     Reprodução Correspondente (mesma luminância)

•     Fidelidade Subjetiva (ao gosto do usuário)

29

Diagrama de um Sistema de TV a Cores

MatrizControle de Ganho

Filtros

Separador

Lente

Sensores

Yr

Yg

Yb

Corretor Gama

Codificador

R

G

B

R

G

B

G'

R'

B'

Canal de Transmissão

G'

R'

B'

DecodificadorMatrizControles deImagem

Cinescópio

Rd

Gd

Bd

30

Banda Passante Necessária para Sistema RGB

t

L

t

R

t

G

t

B

f

f

f

4.2 MHz

31

Banda Passante para Luminância e Oponentes Cromáticas

f

f

f

4.2 MHz

~1.5 MHz

t

L

t

Y

t

CB

t

CR

32

Testes Subjetivos de requisitos de Banda Passante

Nu

mero

de O

bse

wrv

açõ

es

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.1 0.15

0.2 0.25

0.3 0.4 0.5 0.75

1 1.5 2 2.5 3 4

Freqüência de Corte, MHz

Imagem Satisfatória

Completa-menteAceitável

Inaceitável

33

Componentes de Luminância e Crominância (NTSC)

Y' = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B‘ (4.2 MHz)

I' = 0.74 (R' - Y') - 0.27 (B' - Y') = = 0.60 R' - 0.28 G' - 0.32 B‘ (1.5

MHz)

Q' = 0.48 (R' - Y') + 0.41 (B' - Y') = = 0.21 R' - 0.52 G' + 0.31 B' (0.5

MHz)

34

Modulador NTSC

Q'

I'

0.5 MHz

1.5 MHz 4.2 MHz

R'

G'

B'

Y'

R' - Y'

B' - Y'

Matriz

Matriz

Oscilador Sub-portadora

90o

Croma

VideoComposto

Sincronismo Composto

3.579545 MHz

35

Exemplo: Padrão de Barras Coloridas (RGB)

G

R

B

(100 IRE)

36

Padrão de Barras YUV

G

R

B

Y=0.299R+0.578G+0.114B

100 89

70 59

41 38

11 0

0 9.6

-61 --52

52 61

-9.6

0 V=0.877(R-Y)

0

-44

44

0 15

-15 -20

20 U=0.493(B-Y)

(100 IRE)

37

Formas de Onda na Modulação NTSC

38

Padrão de Barras Modulado em NTSC

39

Intercalamento Espectral

40

Intercalamento Espectral no Tempo

41

Freqüência da Sub-portadora de Cor

Intercalamento Espectral:

fsc = (2n+1)/2 fhfsc – 4.5 MHz = (2p+1)/2 fhfh = 15734 Hz fv = 59.94 Hzfsc = 455/2 fh = 5 7 13 / 2 fh = 3.579545 MHz

42

Diagrama Fasorial da Sub-portadora de Crominância

AMARELO

VERMELHO

MAGENTA

VERDECIANO

AZUL

A

A

A

A

A

A

FASE

0.30 A 270

43

Referência de Fase: “Burst”

44

Espectro de um Canal NTSC

6 MHz

4,5 MHz

3,58 MHz1,25 MHz

Som (FM)Luminância (AM-VSB)

Croma (Q-DSB)

45

Espectro Real de um Canal de TV

46

Modulador PAL-M

U'

V'

1.5 MHz

1.5 MHz 4.2 MHz

R'

G'

B'

Y'

R' - Y'

B' - Y'

Matriz

Oscilador Sub-portadora

90o

Croma

VideoComposto

Sincronismo Composto

3.575611 MHz

0.493

0.877

fh/2

47

Formas de Onda na Modulação PAL-M

48

Outros Sistemas de Codificação

PAL-B/G/H/I (Europa)

50 Hz / 625 linhasfsc = 4,433618 MHz BW (Y) = 5 MHz (padrões B/G/H) ou 5,5 MHz (padrão I)BW(canal) = 7 MHz (B) ou 8 MHz (G/H/I)

f f fSC H V 1135

4

1

2

49

Outros Sistemas de Codificação

PAL-N (Argentina, Paraguai, Uruguai)

50 Hz / 625 linhasfsc = 3,582056 MHz BW (Y) = 4,2 MHzBW(canal) = 6 MHz

(Resolução diferente na Vertical e Horizontal)

50

Outros Sistemas de Codificação

SECAM (França, URSS)

51

Formas de Onda no Sistema SECAM

52

Outros Sistemas de Codificação

S-VHS (Super-Video)

Sinais separados para Luminância (Y’ + Sync)e crominância ( I’, Q’ e “burst” modulados em 3,58 MHz)

Componentes (YUV)

Sinais Y’, (R’-Y’) e (B’- Y’) separadosAplicação profissional

53

Colorimetria para HDTV

Primário x (CIE) y (CIE)

R 0.640 0.330

G 0.300 0.600

B 0.150 0.060

Branco 0.3127 0.3290

SMPTE 274M

1018.0099.0099.1

018.005.4' 45.0 VV

VVV

Y’ = 0.2126 R’ + 0.7152 G’ + 0.0722 B’

''2126.01

5.0'

''0722.01

5.0'

YRP

YBP

R

B

54

Equipamentos para Testes de Vídeo

Monitor de Forma de Onda

2H

55

Equipamentos para Testes de Vídeo

Vetorscópio

56

Vetorscópio

57

Sinais de Teste: “Black Burst”

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Sinal com presença de ruído aditivo

58

Pulso e Barra

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50

0

50

100

-100

0

100

200

Atenuação do sinal de croma: Atraso do sinal de croma:

59

Multiburst (0.5, 1, 2, 3, 3.58, 4.2 MHz)

-40

-20

0

20

40

60

80

-50

0

50

100

Efeito da limitação da resposta em freqüência:

60

Combinado NTC7 (Multiburst + Escada)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50

0

50

100

Efeito de intermodulação luma-croma (Filtro de rejeição de croma ativado):

61

Escada de Luminância

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-40

-20

0

20

40

60

80

Efeito de não-linearidade (Filtro de rejeição de croma ativado):

62

GCR (Ghost Cancelling Reference)

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50

0

50

100

Efeito de multipercurso na recepção do GCR:

63

Rampa Modulada

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

-50

0

50

Efeito de não-linearidade (filtro de croma ativado):