Colorimetria e TV a Cores - Moodle USP: e-Disciplinas
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LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 1 / 85
Colorimetria e TV a Cores
PTC3547
Codificação e Transmissão Multimídia
Guido Stolfi – EPUSP – 2021
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 2 / 85
• 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
Tópicos Abordados
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 3 / 85
Experimento de Newton
branco
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EPUSP - Guido Stolfi 4 / 85
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
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EPUSP - Guido Stolfi 5 / 85
Modelo de Oponentes para Percepção Visual
← Tri-estímulos (R, G, B)
← Percepção (R’, G’, B’)
← Componentes (Y’, U’, V’)
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EPUSP - Guido Stolfi 6 / 85
Sensibilidade Espectral da Visão
R P F dR ( ) ( )
G P F dG ( ) ( )
B P F dB ( ) ( )
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 7 / 85
Processos de Colorimetria
F
FW
FG
FB
FR
(a) (b)
Objetivo: Reproduzir os estímulos visuais R, G e B artificialmente
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EPUSP - Guido Stolfi 8 / 85
Colorimetria de uma Cor Real
FR + FG + FB X
FG
FB
FR
X()
=
Metamerismo: Estímulos R, G, B iguais nos dois casos
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EPUSP - Guido Stolfi 9 / 85
Colorímetro Tri-Estímulos
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EPUSP - Guido Stolfi 10 / 85
Coordenadas Colorimétricas
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EPUSP - Guido Stolfi 11 / 85
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
RV
alo
r tr
i-es
tím
ulo
s
Primários em 700nm (R), 546.1 nm (G) e 435.8 nm (B)
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EPUSP - Guido Stolfi 12 / 85
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
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EPUSP - Guido Stolfi 13 / 85
Coordenadas r-g
(0,0) (1,0)
(0,1)
Branco (0.33, 0.33)
Vermelho
Verde
Azul
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EPUSP - Guido Stolfi 14 / 85
Cores Espectrais nas Coordenadas r-g
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Colorimetria com primários X,Y,Z
X R G B
Y R G B
Z R G B
0 490 0310 0 200
0177 0813 0 011
0 000 0 010 0990
. . .
. . .
. . .
R X Y Z
G X Y Z
B X Y Z
2365 0897 0 468
0515 1426 0 089
0 005 0 014 1009
. . .
. . .
. . .
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 16 / 85
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
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EPUSP - Guido Stolfi 17 / 85
Coordenadas de Cromaticidade
ZYX
Yy
ZYX
Xx
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EPUSP - Guido Stolfi 18 / 85
Diagrama de Cromaticidade CIE
CIE: Comission Internationale de l' Eclairage
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EPUSP - Guido Stolfi 19 / 85
Linearidade na Superposição de Cores
A
P
y
z
x
w
A = (yG + xB)/(x+y)
P = (wA + zR)/(w+z)
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EPUSP - Guido Stolfi 20 / 85
Sensibilidade da Visão para Diferenças de Cromaticidade
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EPUSP - Guido Stolfi 21 / 85
Exemplos
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 22 / 85
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
YX
X
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 23 / 85
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
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EPUSP - Guido Stolfi 24 / 85
Exemplo: Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido
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EPUSP - Guido Stolfi 25 / 85
Exemplo: Colorimetria de LED’s RGB
LED Nichia NSCM315C
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EPUSP - Guido Stolfi 26 / 85
Exemplo: Balanceamento de 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
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:
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EPUSP - Guido Stolfi 27 / 85
Exemplo: Balanceamento de LED’s
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 Z
Resolvendo, 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
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Primários de um Cinescópio (NTSC)
NTSC: National Television System Committee
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Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22)
LCSEPUSP
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Funções de Cromaticidade Correspondentes aos Primários (NTSC e EBU)
EBU: European Broadcasting Union
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Transmissão de TV a Cores
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EPUSP - Guido Stolfi 32 / 85
Requisitos de Fidelidade Colorimétrica
• 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)
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EPUSP - Guido Stolfi 33 / 85
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
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EPUSP - Guido Stolfi 34 / 85
Banda Passante Necessária para Sistema RGB
t
L
t
R
t
G
t
B
f
f
f
4.2 MHz
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 35 / 85
Resposta em Frequência Espacial da Visão
1
10
100
0,1 1 10 100
Sen
sib
ilid
ade
de
Co
ntr
aste
Frequencia Espacial - Ciclos por grau
Op. B-Y
Op. R-G
Luminância
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 36 / 85
Banda Passante para Luminância e Oponentes Cromáticas
f
f
f
4.2 MHz
~1.5 MHz
CB
CR
t
L
t
Y
t
t
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EPUSP - Guido Stolfi 37 / 85
Testes Subjetivos de requisitos de Banda Passante
Frequência de Corte, MHz
Imagem Satisfatória
CompletamenteAceitável
Inaceitável
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EPUSP - Guido Stolfi 38 / 85
Componentes de Luminância e Crominância (NTSC)
Y' = 0.299 R' + 0.587 G' + 0.114 B' (4.2 MHz)
(R' - Y') = 0,701 R' - 0.587 G' - 0.114 B'
(B' - Y') = -0.299 R' - 0.587 G' + 0.886 B'
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)
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Modulador NTSC
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 40 / 85
Exemplo: Padrão de Barras Coloridas (RGB)
G
R
B
(100 IRE)
LCSEPUSP
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Padrão de Barras YIQ
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 42 / 85
Formas de Onda na Modulação NTSC
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 43 / 85
Padrão de Barras Modulado em NTSC
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 44 / 85
Intercalamento Espectral
fH
fH / 2fH
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 45 / 85
Intercalamento Espectral no Tempo
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 46 / 85
Diagrama Fasorial da Sub-portadora de Crominância
AMARELO
VERMELHO
MAGENTA
VERDECIANO
AZUL
A
A
A
A
A
A
FASE
0.30 A 270
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 47 / 85
Referência de Fase: “Burst”
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 48 / 85
Frequência da Sub-portadora de Cor
Intercalamento Espectral:
fSC = (2n+1)/2 fH
fSC – 4.5 MHz = (2p+1)/2 fH
frequências multiplicadas por 1000/1001
fH = 15734,265... Hz fV = 59.94 HzfSC = 455/2 fh = 5 7 13 / 2 fH = 3.579545 MHzfQ = ½ fV = 29.97 Hz
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Espectro de um Canal NTSC
6 MHz
4,5 MHz
3,58 MHz1,25 MHz
Som (FM)Luminância (AM-VSB)
Croma (Q-DSB)
Limitação de Banda dos sinais Y, I e Q
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Espectro Real de um Canal de TV
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 51 / 85
Erro de Fase Diferencial
AMARELO
VERMELHO
MAGENTA
VERDECIANO
AZUL
A
A
A
A
A
A
FASE
0.30 A 270
Luminância (corrente média) afeta a defasagem da sub-portadora pela variação de Cb
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 52 / 85
Modulador PAL-M
PAL-M: Phase Alternating Line-rate, padrão M
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 53 / 85
Inversão de Fase com Alternância
Linha Par
Linha Ímpar
Linha Par
Linha Ímpar
Linha Par
Média 2 Linhas
Linha Ímpar
Fasor Transmitido com inversão
Fasores Recebidos com Erro de Fase
Fasores Recebidos após Des-inversão
Fasor Médio sobre 2 linhas Consecutivas
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Intercalamento Espectral no PAL-M
fH
fH / 2 fH / 4
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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)
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Formas de Onda na Modulação PAL-M
(Padrão de Barras com 75% do Fundo de Escala)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 57 / 85
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
PAL: Phase Alternating Line-rate
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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)
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Outros Sistemas de Codificação
SECAM (França, URSS)
SECAM: Séquential Coleur Avec Mémoire
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Formas de Onda no Sistema SECAM
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 61 / 85
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, DVD, Blu-Ray etc.
S-VHS: Super Video Home System
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 62 / 85
Colorimetria para HDTV e UHDV
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 63 / 85
Aproximação da Curva de Percepção de Brilho
1018,0099,0099,1
018,005,4
'
45,0 VV
VV
V
RecomendaçãoITU-R BT.709
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 64 / 85
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 / ITU-R BT.709
Y’ = 0.2126 R’ + 0.7152 G’ + 0.0722 B’
''5748.1
1'
''8556.1
1'
YRP
YBP
R
B
SMPTE: Society of Motion Picture and Television EngineersITU-R: International Telecommunications Union - Radiocommunication
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 65 / 85
Representação de Cores por Oponentes
Luminância:Y’ = 0.2627 R’ + 0.6780 G’ + 0.0593 B’
''8814.1
1'
''4746.1
1'
YBP
YRP
B
R
Crominância:
RecomendaçãoITU-R BT.709
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 66 / 85
Decimação das Oponentes Cromáticas
64 pixels
64 amostras de Luminância
16 + 16amostras deCrominância
RecomendaçãoITU-R BT.709
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 67 / 85
Componentes Analógicas para HDTV
SMPTE 274M / ITU-R BT.709
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 68 / 85
Colorimetria para UHDV (WCG - “Wider Color Gamut”)
Primário x (CIE) y (CIE)
R 0.708 0.292
G 0.170 0.797
B 0.131 0.046
Branco 0.3127 0.3290
ITU-R BT.2020
10181.00993.00993.1
0181.005.4'
45.0 VV
VVV
Y’ = 0.2627 R’ + 0.6780 G’ + 0.0593 B’
''4746.1
1'
''8814.1
1'
YRC
YBC
R
B
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 69 / 85
Colorimetria para UHDV (WCG - “Wider Color Gamut”)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 70 / 85
Equipamentos e Sinais de Teste para TV
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 71 / 85
Equipamentos para Testes de Vídeo
Monitor de Forma de Onda
2H
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 72 / 85
Equipamentos para Testes de Vídeo
Vetorscópio
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 73 / 85
Vetorscópio
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 74 / 85
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
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 75 / 85
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:
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 76 / 85
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 frequência:
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 77 / 85
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):
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 78 / 85
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):
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 79 / 85
GCR (Ghost Cancelling Reference)
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
-50
0
50
100
Efeito de multipercurso na recepção do GCR:
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 80 / 85
Rampa Modulada
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
-50
0
50
Efeito de não-linearidade(filtro de croma ativado):
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 81 / 85
Sinal de Teste para TV de Alta Definição
Padrão de barras SMPTE RP219 / ARIB STD-B28
ARIB: Association of Radio Industries and Businesses (Jp.)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 82 / 85
Sinal de Teste para TV de Alta Definição
Padrão de Teste de Resolução
(Tektronix)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 83 / 85
Sinal de Teste para TV de Alta Definição
Padrão “Zone Plate” com varredura de frequência vertical e horizontal
(Tektronix)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 84 / 85
Sinal de Teste para TV Digital
Diagrama de Olho para interfaces digitais
(Tektronix)
LCSEPUSP
EPUSP - Guido Stolfi 85 / 85
Apelidos...
NTSC = Never Twice the Same Color
SECAM = System Essentially Contrary to American Methods
PAL = Peace, At Last
PAL-M = Pay a Little More
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