Colorimetria e TV a Cores

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1 Colorimetria e TV a Cores PTC2547 Princípios de Televisão Digital Guido Stolfi EPUSP EPUSP - Guido Stolfi 1 / 78

2 Tópicos Abordados Oponentes cromáticas Modelo da Percepção Cromática Processos de Colorimetria Funções de Cromaticidade Coordenadas r-g e x-y Exemplos de Cálculos Colorimétricos Transmissão de TV a Cores Codificadores NTSC, PAL-M Outros Codificadores Analógicos Colorimetria para HDTV e UHDV Equipamentos de Teste para sinais de Vídeo EPUSP - Guido Stolfi 2 / 78

3 Experimento de Newton EPUSP - Guido Stolfi 3 / 78 branco

4 Cores Opostas EPUSP - Guido Stolfi 4 / 78 (nm) cor (nm) cor amarelo Azul/violeta laranja azul/verde vermelho ciano magenta verde

5 Modelo de Oponentes para Percepção Visual EPUSP - Guido Stolfi 5 / 78 Cones Azuis Cones Verdes Cones Vermelhos B G R Log Log Log Oponente Azul-Amarelo Brilho Oponente Vermelho-Verde

6 Sensibilidade Espectral da Visão EPUSP - Guido Stolfi 6 / 78 b R P ( ) F ( ) R d g r G P ( ) F ( ) G d B P ( ) F ( ) B d

7 Processos de Colorimetria EPUSP - Guido Stolfi 7 / 78 Objetivo: Reproduzir os estímulos visuais R, G e B artificialmente F F W (a) F G F R F B (b)

8 Colorimetria de uma Cor Real EPUSP - Guido Stolfi 8 / 78 F R + F G + F B = X F G F R F B X ( ) Estímulos R, G, B iguais nos dois casos

9 Colorímetro Tri-Estímulos EPUSP - Guido Stolfi 9 / 78

10 EPUSP - Guido Stolfi 10 / 78 Coordenadas Colorimétricas

11 Funções de Cromaticidade para Observador Padrão Valor tri-estímulos EPUSP - Guido Stolfi 11 / B G R Comprimento de Onda (nm) Primários em 700nm (R), nm (G) e nm (B)

12 Cálculo das Coordenadas Colorimétricas EPUSP - Guido Stolfi 12 / 78 R P( ) r( ) d G P( ) g( ) d B P( ) b( ) d 380 r g b R R G B G R G B B R G B 1 r g

13 Coordenadas r-g EPUSP - Guido Stolfi 13 / 78 (0,1) Verde Branco (0.33, 0.33) Azul Vermelho (0,0) (1,0)

14 Cores Espectrais nas Coordenadas r-g EPUSP - Guido Stolfi 14 / 78

15 Colorimetria com primários X,Y,Z EPUSP - Guido Stolfi 15 / 78 X R G B Y R G B Z R G B R X Y Z G X Y Z B X Y Z

16 Funções de Cromaticidade x,y,z EPUSP - Guido Stolfi 16 / 78 Z Y X 0.5 X Comprimento de Onda (nm)

17 Coordenadas de Cromaticidade x X X Y Z y X Y Y Z EPUSP - Guido Stolfi 17 / 78

18 Diagrama de Cromaticidade CIE CIE: Comission Internationale de l' Eclairage EPUSP - Guido Stolfi 18 / 78

19 Linearidade na Superposição de Cores EPUSP - Guido Stolfi 19 / 78 A = (yg + xb)/(x+y) A x z P w P = (wa + zr)/(w+z) y

20 Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade EPUSP - Guido Stolfi 20 / 78

21 EPUSP - Guido Stolfi 21 / 78 Exemplos

22 Exemplo: Colorimetria de uma Lâmpada de Descarga a Gás EPUSP - Guido Stolfi 22 / Z Y X X Comprimento de Onda (nm) X Y Z P( ) x( ) d P( ) y( ) d P( ) z( ) d

23 Exemplo: Colorimetria de uma Lâmpada de Descarga a Gás x X X Y Z y X Y Y Z Comprimento de onda dominante: ~538 nm EPUSP - Guido Stolfi 23 / 78

24 Exemplo: Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido EPUSP - Guido Stolfi 24 / 78

25 Exemplo: Colorimetria de LED s RGB EPUSP - Guido Stolfi 25 / 78 LED Nichia NSCM315C

26 Exemplo: Balanceamento de LED s EPUSP - Guido Stolfi 26 / 78 Características dos LED s: LED Comprimento de Onda Intensidade Luminosa a 20 ma Vermelho 640 nm 80 mcd Verde 570 nm 130 mcd Azul 470 nm 25 mcd Aplicando a função de luminância: F( ) Pot X Y Z R G B

27 Exemplo: Balanceamento de LED s EPUSP - Guido Stolfi 27 / 78 r (204 X + 80 Y + 0 Z) + + g (104 X Y Z) + + b (53 X + 25 Y +353 Z) = = 1000 X Y Z Resolvendo, temos: r = 0,745 0,112 2,23 ma g = 6,68 1,00 20 ma b = 2,83 0,423 8,47 ma Intensidade luminosa de R + G + B = branco: 0,112 x x ,423 x 25 = 150 mcd

28 Primários de um Cinescópio (NTSC) NTSC: National Television System Committee EPUSP - Guido Stolfi 28 / 78

29 Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22) EPUSP - Guido Stolfi 29 / 78

30 Funções de Cromaticidade Correspondentes aos Primários (NTSC e EBU) EBU N T S C EBU: European Broadcasting Union EPUSP - Guido Stolfi 30 / 78

31 EPUSP - Guido Stolfi 31 / 78 Transmissão de TV a Cores

32 Requisitos de Fidelidade Colorimétrica EPUSP - Guido Stolfi 32 / 78 Fidelidade Física (espectral) Fidelidade de Valores Tri-estímulos (R, G, B) Fidelidade Colorimétrica (x, y) Reprodução Correspondente (mesma iluminação) Fidelidade Subjetiva (ao gosto do usuário)

33 Diagrama de um Sistema de TV a Cores EPUSP - Guido Stolfi 33 / 78 Filtros Lente R G Yr Yg Yb R G B R' G' B' Separador B Sensores Controle de Ganho Matriz Corretor Gama Codificador Canal de Transmissão Cinescópio Rd Gd Bd R' G' B' Controles de Imagem Matriz Decodificador

34 Banda Passante Necessária para Sistema RGB EPUSP - Guido Stolfi 34 / 78 L R G B t t t 4.2 MHz f f t f

35 Banda Passante para Luminância e Oponentes Cromáticas EPUSP - Guido Stolfi 35 / 78 L Y t 4.2 MHz C B t t ~1.5 MHz f f C R t f

36 Testes Subjetivos de requisitos de Banda Passante Numero de Observações EPUSP - Guido Stolfi 36 / 78 Inaceitável Imagem Satisfatória Completamente Aceitável Frequência de Corte, MHz

37 Componentes de Luminância e Crominância (NTSC) EPUSP - Guido Stolfi 37 / 78 Y' = R' G' B (4.2 MHz) I' = 0.74 (R' - Y') (B' - Y') = = 0.60 R' G' B (1.5 MHz) Q' = 0.48 (R' - Y') (B' - Y') = = 0.21 R' G' B' (0.5 MHz)

38 Modulador NTSC EPUSP - Guido Stolfi 38 / 78 Sincronismo Composto R' Y' G' B' Matriz R' - Y' I' 1.5 MHz 4.2 MHz Video Composto Q' B' - Y' Matriz 0.5 MHz MHz Oscilador Sub-portadora 90 o Croma

39 Exemplo: Padrão de Barras Coloridas (RGB) EPUSP - Guido Stolfi 39 / 78 G (100 IRE) R B

40 Padrão de Barras YUV G (100 IRE) R B Y=0.299R+0.578G+0.114B V=0.877(R-Y) U=0.493(B-Y) EPUSP - Guido Stolfi 40 / 78

41 Formas de Onda na Modulação NTSC EPUSP - Guido Stolfi 41 / 78

42 Padrão de Barras Modulado em NTSC EPUSP - Guido Stolfi 42 / 78

43 Intercalamento Espectral EPUSP - Guido Stolfi 43 / 78 f H f H f H / 2

44 Intercalamento Espectral no Tempo EPUSP - Guido Stolfi 44 / 78

45 Frequência da Sub-portadora de Cor EPUSP - Guido Stolfi 45 / 78 Intercalamento Espectral: f SC = (2n+1)/2 f H f SC 4.5 MHz = (2p+1)/2 f H frequências multiplicadas por 1000/1001 f H = 15734, Hz f V = Hz f SC = 455/2 fh = / 2 f H = MHz

46 Diagrama Fasorial da Sub-portadora de Crominância EPUSP - Guido Stolfi 46 / 78 VERMELHO A AMARELO A MAGENTA A FASE 0.30 A 270 AZUL A VERDE A CIANO A

47 Referência de Fase: Burst EPUSP - Guido Stolfi 47 / 78

48 Espectro de um Canal NTSC EPUSP - Guido Stolfi 48 / 78 Luminância (AM-VSB) Croma (Q-DSB) Som (FM) 1,25 MHz 3,58 MHz 4,5 MHz Limitação de Banda dos sinais Y, I e Q 6 MHz

49 Espectro Real de um Canal de TV EPUSP - Guido Stolfi 49 / 78

50 Modulador PAL-M Sincronismo Composto R' Y' fh/2 G' B' Matriz B' - Y' R' - Y' MHz 4.2 MHz V' Croma U' Video Composto MHz Oscilador Sub-portadora 1.5 MHz 90 o PAL-M: Phase Alternating Line-rate, padrão M EPUSP - Guido Stolfi 50 / 78

51 Intercalamento Espectral no PAL-M EPUSP - Guido Stolfi 51 / 78 f H f H / 2 f H / 4

52 Formas de Onda na Modulação PAL-M EPUSP - Guido Stolfi 52 / 78

53 Outros Sistemas de Codificação PAL-B/G/H/I (Europa) 50 Hz / 625 linhas f sc = 4, MHz B W (Y) = 5 MHz (padrões B/G/H) ou 5,5 MHz (padrão I) B W (canal) = 7 MHz (B) ou 8 MHz (G/H/I) f f f 4 2 SC H V PAL: Phase Alternating Line-rate EPUSP - Guido Stolfi 53 / 78

54 Outros Sistemas de Codificação EPUSP - Guido Stolfi 54 / 78 PAL-N (Argentina, Paraguai, Uruguai) 50 Hz / 625 linhas f sc = 3, MHz B W (Y) = 4,2 MHz B W (canal) = 6 MHz (Resolução diferente na Vertical e Horizontal)

55 Outros Sistemas de Codificação SECAM (França, URSS) SECAM: Séquential Coleur Avec Mémoire EPUSP - Guido Stolfi 55 / 78

56 Formas de Onda no Sistema SECAM EPUSP - Guido Stolfi 56 / 78

57 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 ) separados Aplicação profissional, DVD, Blu-Ray etc. S-VHS: Super Video Home System EPUSP - Guido Stolfi 57 / 78

58 EPUSP - Guido Stolfi 58 / 78 Colorimetria para HDTV e UHDV

59 Colorimetria para HDTV SMPTE 274M / ITU-R BT.709 Primário x (CIE) y (CIE) R G B Branco V 4.5 V V ' 45 0 V V 1 Y = R G B P P B R 1 ' ' B' Y ' R' Y ' SMPTE: Society of Motion Picture and Television Engineers ITU-R: International Telecommunications Union - Radiocommunication EPUSP - Guido Stolfi 59 / 78

60 Componentes Analógicas para HDTV EPUSP - Guido Stolfi 60 / 78 SMPTE 274M / ITU-R BT.709

61 Colorimetria para UHDV (WCG - Wider Color Gamut ) EPUSP - Guido Stolfi 61 / 78 ITU-R BT.2020 Primário x (CIE) y (CIE) R G B Branco V 4.5 V V ' 45 0 V V Y = R G B 1 C C B R 1 ' ' B' Y ' R' Y '

62 Colorimetria para UHDV (WCG - Wider Color Gamut ) EPUSP - Guido Stolfi 62 / 78

63 EPUSP - Guido Stolfi 63 / 78 Equipamentos e Sinais de Teste para TV

64 Equipamentos para Testes de Vídeo EPUSP - Guido Stolfi 64 / 78 Monitor de Forma de Onda 2H

65 Equipamentos para Testes de Vídeo EPUSP - Guido Stolfi 65 / 78 Vetorscópio

66 Vetorscópio EPUSP - Guido Stolfi 66 / 78

67 Sinais de Teste: Black Burst EPUSP - Guido Stolfi 67 / Sinal com presença de ruído aditivo

68 Pulso e Barra EPUSP - Guido Stolfi 68 / Atenuação do sinal de croma: Atraso do sinal de croma:

69 Multiburst (0.5, 1, 2, 3, 3.58, 4.2 MHz) EPUSP - Guido Stolfi 69 / Efeito da limitação da resposta em frequência:

70 Combinado NTC7 (Multiburst + Escada) EPUSP - Guido Stolfi 70 / Efeito de intermodulação luma-croma (Filtro de rejeição de croma ativado):

71 Escada de Luminância EPUSP - Guido Stolfi 71 / Efeito de não-linearidade (Filtro de rejeição de croma ativado):

72 GCR (Ghost Cancelling Reference) EPUSP - Guido Stolfi 72 / Efeito de multipercurso na recepção do GCR:

73 Rampa Modulada EPUSP - Guido Stolfi 73 / Efeito de não-linearidade (filtro de croma ativado): 0-50

74 Sinal de Teste para TV de Alta Definição Padrão de barras SMPTE RP219 / ARIB STD-B28 ARIB: Association of Radio Industries and Businesses (Jp.) EPUSP - Guido Stolfi 74 / 78

75 Sinal de Teste para TV de Alta Definição Padrão de Teste de Resolução (Tektronix) EPUSP - Guido Stolfi 75 / 78

76 Sinal de Teste para TV de Alta Definição Padrão Zone Plate com varredura de frequência vertical e horizontal (Tektronix) EPUSP - Guido Stolfi 76 / 78

77 Sinal de Teste para TV Digital Diagrama de Olho para interfaces digitais (Tektronix) EPUSP - Guido Stolfi 77 / 78

78 Apelidos... EPUSP - Guido Stolfi 78 / 78 NTSC = Never Twice the Same Color SECAM = System Essentially Contrary to American Methods PAL = Peace, At Last PAL-M = Pay a Little More