Слухо-зрительное восприятие. #4

[kps 22]

Анализ требований к системам электронной проекции на экран при воспроизведении оцифрованных кинодокументов.

Анализ характеристик различных систем преобразования сигнал-свет

Основным элементом систем электронной проекции является преобразователь сигнал - свет.

Световой поток от осветителя, пройдя формирующую оптику попадает на пространственный модулятор светового потока (ПМСП). ПМСП представляет собой устройство, содержащее N оптических элементов (пикселов), каждый из которых управляется электрическим сигналом и формирует элементарный световой поток, пропорциональный управляющему сигналу. Таким образом, каждый пиксел ПМСП формирует соответствующий элемент оптического изображения кадра с яркостью, определяемой управляющим сигналом.

За время развертки одного кадра вся совокупность пикселов ПМСП формирует полное оптическое изображение этого кадра.

Оптическое изображение кадра переносится проекционным объективом на экран с необходимым увеличением.

В настоящее время в электронной проекции используются следующие технологии ПМСП:

1. LCD технология (Liquid Crystal Digital) - жидкокристаллическая цифровая матрица, работающая на просвет.

2.D-ILA технология (Direct Drive Image Light Amplifier) - прямое управление усилителем светового потока - жидкокристаллическая матрица, работающая на отражение светового потока.

3.DMD технология (Digital Micro Mirror Device) - микрозеркальная матрица с цифровой обработкой светового потока - (Digital Light Processing).

Основные характеристики преобразователей сигнал-свет на основе этих технологий приведены в таблице.1.

Таблица 1.

Параметр

Пленка 35мм Пленка 70мм LCD DLP-DMD D-ILA

Световой поток, лм До 12000 До 20000 До 5000 Свыше 12000 До 12000

Контрастность изображения 100:1 100:1 До 100:1 1000:1 1000:1

Разрешающая способность 1120x612 2624x1120 1280x1024 1280x1024 2048x1556

Как видно из таблицы 1. каждая из рассмотренных технологий обеспечивает создание преобразователей сигнал-свет с весьма высокими характеристиками.

Для технологии LCD следует отметить принципиальное ограничение максимальных световых потоков, связанное с допустимым нагревом светомодулирующих матриц.

Для технологий D-ILA и DMD-DLP максимальные световые потоки практически достигают значений, характерных для высококлассной кинопроекционной аппаратуры пленочного кинематографа.

Анализ влияния технологий преобразования сигнал - свет на утомление зрительного анализатора

Кроме отмеченных в таблице 1. технических характеристик преобразователей сигнал-свет различных технологий, для использования в электронном кинематографе весьма важным является степень утомляемости зрителя при просмотре изображений, формируемых этими преобразователями.

Указанная характеристика является наименее изученной в связи с тем, что небольшое время, прошедшее с момента начала массового применения электронного кинематографа (около 5 лет) не позволило накопить достаточное количество данных для статистического анализа.

В связи с этим фактор утомляемости зрителя при просмотре программ электронного кинематографа может оцениваться преимущественно на основе общих закономерностей воздействия импульсных световых потоков на зрительный анализатор, характерных для телевизионных и компьютерных систем отображения визуальной информации.

При этом, как следует из опыта эксплуатации телевизионных систем большое влияние на утомляемость зрительного анализатора оказывает отношение «мгновенной» яркости элемента изображения к средней яркости кадра.

Для дальнейшего анализа примем некоторые произвольные допущения, которые позволяют упростить понимание вопроса утомляемости, не оказывая при этом принципиального влияния на результаты анализа.

Допустим, что каждый элемент изображения «разгорается» и «затухает» за произвольно малый промежуток времени. Тогда, в соответствии с законом Тальбота, визуально воспринимаемая яркость изображения будет пропорциональна произведению «мгновенной» яркости элементов изображения на длительность их свечения.

Очевидно, что необходимая визуальная яркость изображения может быть получена при малой длительности свечения элемента и большой «мгновенной» яркости и, наоборот, при большой длительности и малой «мгновенной» яркости.

В телевизионных и компьютерных системах при наблюдении изображения на экране кинескопа «мгновенная» яркость элемента превышает среднюю яркость в несколько раз при длительности свечения элемента изображения в десятки миллисекунд, при этом обеспечивается достаточно низкая утомляемость зрителя.

Известны эксперименты по формированию телевизионного изображения

при помощи системы сканирующих лучей газовых лазеров, которые

проводились автором в начале 70-х годов в Московском научно-

исследовательском телевизионном институте. Длительность свечения элемента изображения при этом определялась только временем нахождения лазерного луча в геометрическом месте этого элемента и составляла около 50 не. При такой длительности свечения мгновенная яркость элемента изображения превышала среднее значение в 50.000 - 100.000 раз.

Наблюдение такого изображения в условиях, приближенных к типичным условиям просмотра телевизионных программ показало повышенную утомляемость зрителя после нескольких минут просмотра, часто сопровождающееся головной болью и ухудшением общего состояния.

Исходя из результатов описанных экспериментов можно сделать следующий вывод:

Увеличение «мгновенной» яркости элемента изображения при одновременном снижении длительности его свечения может приводить к повышенной утомляемости зрительного анализатора в процессе внутрикадрового синтеза изображения.

Рассмотрим соотношение «мгновенной» и средней яркости элемента изображения в различных преобразователях сигнал-свет.

LCD матрицы современного технологического уровня характеризуются временем «послесвечения» каждого элемента порядка 10 мс, которое определяется инерционностью движения молекул нематика.

Такое относительно большое время послесвечения может привести к появлению ложных изображений (артефактов) при наличии быстрой динамики в сюжете, что является принципиальным недостатком технологии LCD при ее использовании в электронном кинематографе.

С другой стороны, соотношение «мгновенной» и средней яркости элемента изображения в LCD преобразователях близко к единице, что является оптимальным с точки зрения снижения утомляемости зрителя.

D-ILA технологии обеспечивают несколько меньшее время послесвечения (около 5 мс), что немного увеличивает соотношение «мгновенной» и средней яркости, сохраняя впрочем достаточно малую утомляемость зрителя при возможности неискаженного воспроизведения сюжетов с высокой динамикой.

В DMD технологии модуляция яркости элемента изображения осуществляется изменением количества световых импульсов, посылаемых отклоняющимся микрозеркалом в объектив. Длительность таких импульсов составляет единицы микросекунд, при этом «мгновенная» яркость элемента превышает среднюю несколько сотен раз. Очевидно, что столь малая инерционность преобразователей DMD может обеспечить полное отсутствие ложных контуров и смазывания изображения в сюжетах с высокой динамикой, однако утомляемость зрителя при наблюдении изображений, формируемых DMD преобразователями, будет выше, чем у преобразователей LCD и D-ILA технологий.

Таким образом, для всех известных в настоящее время технологий преобразования сигнал-свет автором предложена классификация по степени увеличения нагрузок на зрительный анализатор человека:

LCD и D-ILA технологии -малые нагрузки

DMD технология- увеличенные нагрузки

Лазерная сканирующая технология - высокие нагрузки

Влияние технологий формирования цветного изображения на его восприятие зрительным анализатором.

Технология формирования цветного изображения в преобразователях сигнал-свет оказывает существенное влияние на восприятие цветности изображения в системах электронного кинематографа. В настоящее время в указанных преобразователях используются в основном две технологии:

Технология одновременной передачи всех трех цветовых компонентов каждого элемента изображения.

Эта технология состоит в том, что цветность каждого элемента изображения на экране формируется в один и тот же момент времени и сохраняется неизменной в течение развертки полного кадра изображения. Реализация этой технологии происходит при сложении одновременно формируемых в соответствующих матрицах трех цветоделенных изображений в одно цветное. Такое сложение осуществляется в специальном оптическом элементе - цветоскладывающем кубе.

Куб состоит из четырех склеенных прямоугольных призм, на внутренние грани которых нанесены дихроичные покрытия, имеющие определенные спектральные характеристики пропускания и отражения света. Три цветоделенных световых потока - красный, зеленый и синий пройдя через такой куб складываются в единый поток с минимальными световыми потерями. Таким образом каждый элемент изображения получает свои цветовые характеристики, сохраняющиеся в течение длительности одного кадра изображения.

Технология последовательной цветопередачи каждого элемента изображения.

Такая технология используется исключительно в одноматричных DMD преобразователях сигнал-свет. При последовательной цветопередаче каждый элемент изображения в течение длительности одного кадра последовательно освещается красным, зеленым и синим световыми потоками. Для реализации такого освещения используется вращающийся диск с тремя светофильтрами - красным, зеленым и синим.

Каждый элемент изображения на экране при этом последовательно изменяет свой цвет в течение развертки одного кадра. Синтез цветного изображения в этом случае происходит в зрительном анализаторе человека.

Очевидно, что система последовательной цветопередачи может создавать артефакты в виде тянущихся цветовых окантовок движущихся объектов. Кроме этого цветовая палитра в технологии последовательной цветопередачи в значительной степени определяется субъективными свойствами каждого зрителя (по аналогии с цветоощущеньями в круге Бенхэма) и создает повышенную нагрузку на зрительный анализатор, заставляя его работать в несвойственном для него режиме синтеза цветного изображения из трех следующих друг за другом цветоделенных изображений

Учитывая изложенное можно заключить, что технология последовательной цветопередачи и использующие ее одноматричные DMD преобразователи сигнал-свет не могут быть рекомендованы для применения в электронной проекции кинодокументов.

Контрастность изображения на экране в системах электронной проекции определяется следующими факторами:

1. Технологической контрастностью изображения, формируемого

преобразователем сигнал-свет.

2. Рассеянием света в проекционном объективе.

3. Переотражением рассеянного света в зале от потолка, стен и зрителей

на экран.

Влияние двух последних факторов в системах электронного и пленочного кинематографа аналогично и подробно рассмотрено в главе 2. Рассмотрим зависимость контрастности изображения от используемой технологии преобразователей сигнал-свет.

LCD-технология

Основой LCD технологии является использование в качестве светомодулирующей среды жидких кристаллов, способных поворачивать плоскость поляризации проходящего света в зависимости от напряженности приложенного электрического поля. Обязательными элементами в LCD матрице являются два поляроидных фильтра, один из которых служит для линейной поляризации падающего на матрицу светового потока (поляризатор), а другой - для преобразования фазовой модуляции светового потока в амплитудную (анализатор). Плоскости поляризации поляризатора и анализатора устанавливаются таким образом, чтобы при отсутствии управляющего электрического сигнала выходящий из матрицы световой поток имел минимальное значение.

Теоретически можно подобрать такие материалы поляроидных фильтров, для которых выходной световой поток будет сколь угодно мал, однако при этом полезный световой поток при максимальном управляющем сигнале также будет очень малым. Таким образом, в LCD преобразователях приходится искать компромисс между остаточным световым потоком при отсутствии управляющего сигнала и максимальным световым потоком при наибольшем управляющем сигнале (сигнал «белого поля»).

Как показали многочисленные исследования, в современной «просветной» LCD технологии наибольшая величина отношения максимального и минимального световых потоков не превышает 100:1-150:1. Очевидно, что максимальная контрастность изображения для этих технологий не может превышать 100:1-150:1. При этом воспроизведение темных сюжетов происходит на фоне остаточных световых потоков, которые по своей величине сравнимы с полезными световыми потоками, формирующими изображение на экране, что приводит к снижению контрастности в таких сюжетах.

Известны исследования, направленные на увеличение контрастности в LCD технологии. В экспериментальных образцах новейших LCD проекторов удается повысить контрастность до 200:1 и выше, однако эти исследования пока находятся в лабораторной стадии.

D-ILA - технология

D-ILA технология, являясь усовершенствованным вариантом LCD -технологии, обеспечивает значительно более высокую контрастность изображения при одновременном снижении остаточных световых потоков. Так, фирма JVC на выставке Showiest 2001 продемонстрировала «суперконтрастные» D-ILA видеопроекторы с контрастностью изображения более 1000:1 /54/. Аналогичные значения контрастности демонстрировали в своих моделях D-ILA видеопроекторов SONY и другие разработчики аппаратуры электронного кинематографа.

DLP-технология

DLP технология не содержит поляроидных элементов, формирующих изображение, поэтому в ней нет ограничений в контрастности изображения, связанных с поляризацией светового потока. Теоретически контрастность изображения, формируемого DLP преобразователями ограничена только дифракционным рассеянием света на краях микрозеркальных элементов. Относительная величина рассеянного светового потока на краях микро зеркала размером 16х16мкм не превышает 0,001 - 0,0001, поэтому теоретическая величина контрастности микрозеркального преобразователя сигнал-свет может составлять 1000:1 и более. В настоящее время известны модели DLP видеопроекторов с контрастностью более 800:1. Резюмируя изложенное можно сделать следующие выводы:

1. LCD технологии обеспечивают создание преобразователей сигнал-свет с контрастностью изображения не более 100:1 - 150:1. Эти преобразователи характеризуются большими остаточными световыми потоками, что существенно снижает контрастность изображения в темных сюжетах.

2. D-ILA и DLP технологии обеспечивают получение контрастности порядка 1000:1 и позволяют воспроизводить без яркостных искажений любые Сюжеты.

Специфические искажения изображений в системах электронной проекции

Характерной чертой систем электронного кинематографа является использование в преобразователях свет-сигнал и сигнал- свет преобразующих матричных структур с определенным количеством, формой и расположением чувствительных элементов (пикселов). В общем случае указанные характеристики преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет в рамках одной системы электронного кинематографа могут отличаться друг от друга.

Наложение двух дискретных структур в сквозном процессе электронного кинематографа может привести к возникновению искажений типа муаров, особенно хорошо заметных при наблюдении изображений на больших экранах.

Полностью исключить муаровые искажения возможно только при соблюдении точечно-точечного соответствия матричных структур преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет и при сохранении в канале связи информации о точных координатах каждого пиксела.

Современные цифровые системы обработки видеоинформации позволяют преобразовывать дискретные структуры изображения с изменением количества отсчетов в каждой строке изображения и количества строк в кадре. Таким образом, можно привести в соответствие различные дискретные структуры преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет, что позволит принципиально избавиться от возникновения муаровых искажений. Кроме того, только в полностью цифровом канале связи преобразователей свет-сигнал и сигнал-свет может быть сохранена информация о пространственных координатах каждого пиксела и соответственно, обеспечено условие точечно-точечного соответствия дискретных структур этих преобразователей.

При наличии хотя бы одного аналогового звена в канале связи между преобразователями свет-сигнал и сигнал-свет теряется информация о точных координатах каждого пиксела изображения и становится невозможным обеспечить точечно-точечное соответствие дискретных структур этих преобразователей. В этом случае принципиально невозможно избежать появления муаровых искажений без соответствующей оптической и электронной фильтрации.