Яркость изображения. Советы пользователю

Главный редактор - Владимир Крылов, к.т.н.
Зам. главного редактора - Михаил Никуличев, к.ф.н.

Первая часть статьи посвящена характеристикам современных светодиодных экранов, влияющим на качество изображения – управления яркостью методами ШИМ, формирование изображения с временным разделением и частоте рефреша экранов. Во второй части статьи рассмотрены - динамический диапазон яркости, цветопередача и контрастность экранов, драйверы и современные системы управления светодиодными экранами, электромагнитная совместимость и индустриальные помехи экранов.

Светодиодный экран – сложное электронное устройство, содержащее большое количество компонентов. Качество изображения и эксплуатационные характеристики светодиодного экрана зависят как от параметров компонентов, используемых в экране, так и от возможностей системы управления данным экраном.

С точки зрения качества изображения важны следующие характеристики экрана:

• разрешение экрана (т.н. пространственное разрешение), в случае светодиодных экранов обычно выражаемое в виде расстояния между пикселями (pitch size);
• максимальная яркость (измеряемая в Нитах);
• динамический диапазон яркости, выражаемый в количестве уровней яркости, которые возможно отобразить на светодиодном экране (эта характеристика носит также название радиометрического или энергетического разрешения);
• частота смены кадров, выражаемая в количестве кадров, показываемых за секунду (fps) (это временное разрешение);
• частота обновления кадра (частота рефреша), измеряемая в Герцах (это тоже временное разрешение);
• спектральное разрешение – насколько много спектральных составляющих формируют изображение;
• однородность цвета по всему экрану;
• баланс белого цвета и возможность его настройки;
• линейность восприятия яркости – субъективная характеристика качества изображения, которая выражается в возможности различать глазом близкие уровни яркости, как на темных участках изображения, так и на ярких;
• контрастность изображения экрана;
• характеристика изменения качества изображения экрана в зависимости от угла обзора;

Кроме качества изображения отметим также такие эксплуатационные характеристики светодиодного экрана:

• наличие системы мониторинга состояния светодиодного экрана;
• развитость ПО (программного обеспечения) системы управления (возможность построения сетей светодиодных экранов, в том числе сетей, содержащих как светодиодные, так и LCD экраны, возможность управления экранами через Internet, наличие встроенной подсистемы информационной безопасности);
• уровень электромагнитного излучения в виде индустриальных радиопомех, создаваемых светодиодным экраном.

Рассмотрим некоторые из вышеперечисленных характеристик подробнее.

Формирование изображения на светодиодном экране и управление яркостью

Широтно-импульсная модуляция (PWM) и частота рефреша (refresh rate)

Исходное изображение для вывода на светодиодный экран формируется в виде компьютерного файла, чаще всего в виде видеоролика в некотором формате (*.avi, *.mpg). Этот файл декодируется управляющим компьютером (или видеоконтроллером), затем преобразуется в специальный цифровой поток, подающийся на микросхемы драйверов постоянного тока, которые, в свою очередь обеспечивают пропускание электрического тока через светодиод, что и вызывает излучение в определенном спектре.

Для формирования различных уровней яркости излучения светодиодов применяют технику широтно-импульсной модуляции - ШИМ (PWM - Pulse-width modulation). Суть этой техники заключается в том, что в зависимости от необходимого уровня яркости ток не постоянно подается на светодиод, а только в течение некоторого времени (зависящего от требуемого уровня яркости), затем прекращает подаваться, затем снова подается и т.д. Например, для формирования яркости в половину от максимальной надо пропускать ток половину времени некоторого цикла, в четверть яркости – четверть времени, и т. д. Иными словами, светодиод работает в режиме “включен-выключен”, причем время включения пропорционально требуемому уровню яркости.

Из этой техники следует, что на светодиоде (а значит и на экране) изображение формируется циклично. Время минимального цикла, за который происходит последовательное «включение» и “выключение” светодиода называется периодом обновления (рефреша, refresh time). Чаще используется обратная величина – частота рефреша (refresh rate).

Рассмотрим пример. Пусть частота рефреша светодиодного экрана равна 100 Гц. Если нам нужно обеспечить полную яркость – 100%, то мы постоянно подаем ток на светодиод весь период рефреша, равный в данном случае 1/100 с = 10 мс. Если требуется яркость 50%, то за это время мы в течение 5 мс подаем ток, в течение следующих 5 мс не подаем, в следующий цикл снова 5 мс подаем, 5 мс – нет и т.д. Если требуется яркость в 1% от максимальной, то ток подается в течение 0,1 мс и не подается в течение 9,9 мс.

Кроме этой техники применяются модифицированные методы PWM: Scrambled PWM (Macroblock), Sequential Split Modulation (Silicon Touch), Adaptive Pulse Density Modulation (MY-Semi). Суть этих техник заключается в “размазывании” времени “включения” светодиода по всему периоду рефреша. Так формирование 50%-ой яркости при частоте рефреша 100 Гц может выглядеть так: 1 мс - светодиод включен, 1 мс – выключен, 1 мс – включен, 1 мс – выключен и т.д. То есть для 50% яркости можно сказать, что период рефреша уменьшился в 5 раз и стал равен 2 мс. Соответственно частота рефреша увеличилась и стала 500 Гц. Но эти цифры справедливы лишь для формирования 50% яркости. Для каждой схемы формирования яркости есть минимальная яркость – 1 импульс (некоторое минимальное время) включения светодиода и остальное время он выключен.

Таким образом, четкая цикличность присущая традиционному PWM при применении модифицированных методов искажается, поскольку, в зависимости от уровня яркости можно выделить периоды с меньшим временем (и следовательно большей частотой рефреша). Можно, например, сказать, что для данного светодиодного экрана частота рефреша изменяется от 100 Гц до 1 кГц. Это означает, что минимальную яркость на светодиодном экране мы показываем с периодом рефреша 100 Гц. А при формировании больших уровней яркости можно выделить периоды (“включения-выключения” светодиодов) с меньшей длительностью.

Итак, для модифицированных методов PWM такое понятие как частота рефреша может трактоваться неоднозначно. Однако, если рассматривать период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всех уровней яркости , то это значение не зависит от схемы формирования PWM.

Чересстрочная развертка или временное разделение (time division) светодиодных экранов

В ряде случаев конструкцией светодиодного экрана предусмотрен такой метод формирования изображения, при котором в один момент времени ток не может быть подан на все светодиоды сразу. Все светодиоды экрана разбиваются на несколько групп (как правило, две, четыре или восемь), которые включаются поочередно. То есть описанные выше методы формирования изображения применяются поочередно к каждой из этих групп. В случае двух таких групп формирование изображения аналогично применяемой в аналоговом телевидении чересстрочной развертке.

Данный способ применяется, в основном, для удешевления светодиодных экранов, так как для его реализации требуется меньше светодиодных драйверов (в два, четыре, восемь раз - в число раз соответствующее количеству поочередно включаемых групп), которые составляют существенную часть стоимости светодиодного экрана. Кроме этого, метод временного деления практически неизбежен при высоком разрешении (то есть малом шаге) светодиодного экрана, так как в этом случае чрезвычайно сложно обеспечить размещение большого количества драйверов и их теплоотвод.

Следует понимать, что при применении этого метода снижается максимальная яркость светодиодного экрана, а также уменьшается частота рефреша (в количество раз соответствующее количеству групп).

Предположим, что мы производим временное деление между двумя группами светодиодов. На одну группу подается ток в соответствии с требуемой яркостью и используемым методом PWM. Другая группа в это время отключена от источника тока. По прошествии периода рефреша группы меняются – теперь на вторую подается ток, а первая отключена. Поэтому, общий период, за который обновляется вся информация на светодиодном экране, увеличивается в два раза.

Понятие частота рефреша в этом случае еще более размывается. Строго говоря, период рефреша как минимальное время, за которое происходит обновление изображения для всего светодиодного экрана, увеличивается. Однако, если для каждой группы рассматривать только период, на котором формируется изображение методом PWM, то частота рефреша – прежняя.

Частота рефреша светодиодного экрана и человеческий глаз

Частота рефреша, в первую очередь, влияет на восприятие изображения глазом человека. Изображение, образно говоря, постоянно “мерцает”, хотя и с достаточно высокой частотой. Восприятие человеком световых образов – явление психофизическое и устроено таким образом, что отдельные вспышки света суммируются во времени. Это суммирование происходит в течение определенного времени (10 мс) и зависит от яркости вспышек (закон Блоха). Если свет “мерцает” достаточно быстро, с частотой выше некоторой пороговой (CFF – Critical Flicker Frequency), то глаз человека воспринимает этот свет так же, как если бы он горел постоянно (закон Тальбо-Плато). Пороговая частота CFF зависит от множества факторов, таких как спектр источника света, расположение источника по отношению к глазу, уровень яркости. Однако, можно с уверенностью сказать, что при обычных условиях эта частота не превышает 100 Гц.

Таким образом, если рассматривать восприятие изображения на светодиодном экране, сформированного методом PWM или модифицированным PWM, человеческим глазом, то изображение с частотой рефреша 100 Гц и 1 кГц будут восприниматься одинаково.

Частота рефреша экрана и видеокамера

Однако, в качестве воспринимающей системы может выступать не только глаз человека, но и видеозаписывающая аппаратура, которая имеет характеристики, отличные от глаза. Это особенно актуально для светодиодных экранов, установленных на стадионах, спортивных сооружениях или концертных площадках, с которых обычно ведется видеотрансляция. Время экспозиции, или выдержка (shutter speed), в современных видеокамерах может меняться от секунд до тысячных долей секунды.

Рассмотрим светодиодный экран, в котором изображение формируется традиционным методом PWM с частотой рефреша 100 Гц. На экране демонстрируется статическое изображение. Предположим также, что мы снимаем светодиодный экран видеокамерой с выдержкой 1/8 с, т.е. время экспозиции 125 мс. За это время на фотосенсор попадет свет от 12,5 периодов рефреша. Когда мы делаем серию кадров с данной выдержкой, то разница в световом потоке, попадающем на светочувствительный элемент, не превышает потока, сформированного светодиодами за 0,5 периода рефреша, т.е. не более 4% от всего потока. Разница образуется за счет того, что видеокамера и светодиодный экран, естественно, не синхронизированы и каждый кадр, сделанный видеокамерой, попадает в разное время относительно начала цикла рефреша светодиода. Таким образом, видеоизображение с камеры будет показывать достаточно ровную картинку со светодиодного экрана.

Теперь уменьшим выдержку, с которой мы снимаем до 1/250 с, время экспозиции равно 4 мс. Это время в 2,5 раза меньше периода рефреша. Теперь соотношение между временем начала кадра видеокамеры и началом цикла PWM будет иметь существенное значение. Одни кадры могут попасть в начало цикла, другие в середину, третьи в конец. Таким образом, образуется значительная погрешность в световом потоке в разных кадрах. То есть, изображение, проигрываемое на видеокамере, будет случайно менять яркость, будет “плыть”. Кроме того, уменьшится яркость изображения, что, впрочем, характерно для всех снимаемых на короткой выдержке объектов. Если еще уменьшить выдержку, то с большей вероятностью будут появляться черные кадры (когда начало кадра видеокамеры попадает на тот участок цикла PWM, где светодиод “выключен”) и изображение с камеры начнет мерцать.

Таким образом, если мы хотим снимать на видеокамеру светодиодный экран, на котором изображение формируется с использованием традиционного PWM, то частота рефреша должна быть сопоставимой или превосходить выдержку, с которой снимает камера.

В случае применения модифицированных методов PWM можно провести те же рассуждения. В силу “размазывания” времени включения светодиода по циклу PWM на больших яркостях, изображение, снятое на видеокамеру будет более стабильно, чем при применении традиционного PWM. Но на малых яркостях ситуация остается прежней – картинка будет либо менять яркость, либо мерцать. Поскольку реальное изображение содержит, как правило, различные уровни яркости, то изображение, снятое на видеокамеру также будет иметь погрешности, хотя и иного свойства.

Итак, при видеосъемке избежать наличия искажения изображения при произвольных параметрах съемки не удается. Всегда можно найти значение выдержки, при которой видео будет искажено. Ситуация аналогична съемке аналогового телевизора аналоговой же камерой. В силу различий в частоте развертки при подобной съемке на снимаемом телевизоре видны диагональные черные полосы.

Более важным для видеосъемки светодиодного экрана представляется вопрос однородности изображения, снятого на видеокамеру. Светодиодный экран – конструкция модульная, состоящая из нескольких блоков, изображение на которых непосредственно формируется различными контроллерами. Если эти контроллеры не синхронизируют начало цикла PWM, то есть начало цикла на разных участках светодиодного экрана приходится на разное время, то при съемке может произойти следующая ситуация. На одном участке светодиодного экрана начало кадра видеокамеры может совпасть с началом цикла PWM, а на другом, например, на середину. Если выдержка сопоставима с периодом рефреша, то на одном участке изображение будет светлее, а на другом темнее. Все изображение на светодиодном экране в этом случае будет разбиваться на прямоугольники разной яркости, что представляет больший дискомфорт для зрителя.

Стоимость увеличения частоты рефреша светодиодных экранов

Независимо от способа генерации PWM схемы их реализующие имеют общие черты. Схема генерации PWM имеет некоторую тактовую частоту F pwm . Пусть требуется сгенерировать N уровней яркости. В этом случае частота рефреша F r не может превышать F pwm /N .

Для иллюстрации приведем некоторые примеры:

Приведенные цифры предполагают, что существуют независимые схемы формирования PWM для каждого светодиода, то есть схема PWM реализована непосредственно в светодиодных драйверах экрана.

В случае применения простых драйверов и формирования PWM на контроллере светодиодного экрана, необходимо учитывать, сколько драйверов соединены последовательно и обслуживаются одной схемой PWM. Если одной схемой PWM обслуживаются M драйверов с 16-ю выходами, то частота рефреша не может превышать F pwm /(N*M*16) , что приводит к значительному уменьшению частоты рефреша либо необходимости существенно увеличивать тактовую частоту.

В случае применения временного деления (чересстрочной развертки), как мы уже говорили, частота рефреша уменьшается пропорционально коэффициенту деления.

Итак, для увеличения частоты рефреша светодиодных экранов возможны следующие варианты:

• применение “интеллектуальных” драйверов;
• увеличение тактовой частоты схемы генерации PWM;
• уменьшение количества уровней яркости (глубины цвета).

Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Так интеллектуальные драйверы дороже обычных, повышение тактовой частоты увеличивает энергопотребление (а значит тепловыделение, необходимость теплоотвода во избежание перегрева), уменьшение количества уровней яркости снижает качество изображения.

Рефреш светодиодных экранов: Выводы

Часто такой параметр как частота рефреша светодиодных экранов используется в маркетинговых целях как один из показателей качества изображения. Предполагается, что чем выше частота рефреша, тем лучше светодиодный экран при прочих равных условиях. Однако, иногда приводятся цифры, вводящие в заблуждение потенциального покупателя. Например, указание частоты рефреша в несколько килогерц, как мы видели, может означать либо применение модифицированных методов PWM, для которых частота рефреша различна для различных уровней яркости, либо уменьшение глубины цвета.

Следует понимать, что высокие значения частоты рефреша и, одновременно, глубины цвета, скорее всего, предполагают, что этот рефреш в светодиодном экране достигается на определенных (высоких) уровнях яркости.

В случае применения чересстрочной развертки может быть указана частота соответствующая одному циклу PWM для одной группы светодиодов, в то время как реальная частота рефреша экрана (которая влияет на восприятие) в несколько раз ниже.

Более информативным, видимо, является указание глубины цвета и тактовой частоты PWM, с возможным добавлением диапазона частоты рефреша экрана (например, 200-1000 Гц) в случае использования модифицированных методов PWM. Если в светодиодном экране применено временное деление, то необходимо явно указать на этот метод формирования изображения (например time division = 1:1 – нет временного деления, time division = 1:2 – одновременно PWM работает на половине экрана и т. д.).

Для восприятия глазом этот параметр светодиодного экрана вообще несущественен. Для частот выше 100 Гц глаз человека не увидит разницу в качестве изображения. Следовательно, необходимо понять, нужна ли высокая частота рефреша и стоит ли за нее платить.

В случае активного использования светодиодного экрана в процессе видеосъемки этот показатель становится существенным, но следует также обратить внимание на однородность изображения при видеосъемке. Для таких светодиодных экранов, возможно, лучше провести тестовые съемки, чем полагаться лишь на такой параметр как частота рефреша.

Как настроить контрастность / яркость изображения монитора (экрана) на ноутбуке?

Контрастность происходит от английского слова «contrast». Она есть у любого монитора, будет то телевизор, компьютер, ноутбук или даже мобильный телефон. Но, чаще всего настраивать контрастность экрана приходится именно для компьютера. Если знать алгоритм действия, то сделать это будет несложно. Контрастность является отношением яркости самого светлого участка экрана к самому темному его участку. Настройку можно проводить с помощью кнопок на мониторе. Правильно настроенная контрастность улучшить восприятие текста и изображения. Также она обеспечит реалистичную передачу цветов, если речь идет о цифровых изображениях.

Как настроить контрастность на Windows

Итак, техника у вас может быть любой марки (торговый производитель), но должна быть установлена операционная система Windows. Когда компьютер грузиться, то логотип этой системы появляется на экране. Также, уже при включенном компьютере, он отображается на кнопке «Пуск». У большинства жителей нашей страны установлена именно такая операционная система.

Итак, необходимо воспользоваться калибровкой цветов монитора. Калибровка поможет настроить не только контрастность, но и другие параметры передачи цвета по необходимости. Все необходимо подбирать исключительно под себя, но ориентироваться на усредненные показатели.

Способ настройки будет зависеть от монитора:

На передней панели некоторых мониторов находится кнопка яркости и контрастности. На некоторых мониторах эти регуляторы могут быть на задней панели. Будут использоваться стандартные обозначения для каждой характеристики.

Экранное меню. Для некоторых типов мониторов, а также для ноутбуков, настройка происходит с помощью экранного меню. Найти его можно в «Меню», которое откроется при нажатии на кнопку «Пуск». Можно посмотреть исходные значения и задать свои.

Экран ноутбука. Можно будет воспользоваться кнопка яркости на передней панели, но в старых моделях. В современных моделях нет элемента управления контрастностью. Поэтому, нужно будет использовать клавишу Fn и и нажимать на значки и для уменьшения или, соответственно, увеличения контрастности.

Какие настройки оптимальные?

Для экрана компьютера есть свои стандартные настройки контрастности, которых нужно придерживаться для комфортной работы. Несмотря даже на то, что все люди разные и требования к изображениям может быть разным.

Частота изображения на современных мониторах рекомендована в пределах от 60 до 85 Гц. Что касается яркости, она не должна быть выше 80 канделах на квадратный метр. Высокая контрастность (это, как мы уже выяснили, соотношение яркости черного и белого цвета) способна сделать изображение максимально четким. Чем показатель контрастности выше, тем быстрее будут уставать глаза. Оптимальную настройку надо производит с учетом середины на шкале, которая предлагается производителем.

Интересно! С помощью программы NTest можно подобрать наиболее точные настройки экрана под себя, а потом задать их на своем компьютере.

Это основные моменты, как нужно настраивать изображение на своем компьютере. Чаще всего, при установке операционной системы, применяются усредненные показатели. Но, для более комфортной работы необходимо покрутить их в ту или другую сторону. Кстати, восприятие изображения также может зависеть от времени суток и от того, как освещение падает на экран. Все это необходимо учитывать, подбирая характеристики под себя. Разобраться с контрастностью не сложно, хотя, придется потратить немного личного времени.

И еще полезные статьи о контрастности:

Добавить комментарий (можно с фото)

Currently you have JavaScript disabled. In order to post comments, please make sure JavaScript and Cookies are enabled, and reload the page. on how to enable JavaScript in your browser.

Вы можете добавить свое фото (jpg)

• 

  Ремонт кофеварки своими руками — проблемы, разбираем самостоятельно.

• 

  Как пользоваться соковыжималкой, инструкция и схема по эксплуатации.

• 

  Какое разрешение экрана для просмотра жк телевизора оптимальное и лучшее?

• 

  Про телевизоры с форматом сверхвысокой четкости UHDTV.

• 

  Где и как лучше купить холодильник в кредит (в рассрочку) без переплаты?

Перевод с CNET

Хотите узнать, почему такой важный параметр изображения, как контрастность, бесконечно растет и остается непонятным для многих?

Понимание того, что такое контрастность и как ее оценить, поможет выбрать лучший телевизор, исходя из ваших возможностей. Но это несколько сложнее, чем может показаться.

По сути, контрастность определяется разницей между самым ярким и наиболее темным изображением, которые телевизор может воспроизвести. Более точная формула:

уровень белого / уровень черного = контрастность.

Если телевизор может излучать яркость 45 фут-ламберт при белом экране и только 0,01 фут-ламберт с черным экраном, он имеет коэффициент контрастности 4 500:1. К сожалению, в реальности все становится сложнее.

Есть несколько способов измерения контрастности. Например, производитель может измерить максимальную светоотдачу одного пикселя на некотором, недоступном в обычном режиме, максимуме, затем измерить светоотдачу от того же пикселя при полном отсутствии сигнала. Такая ситуация вряд ли возможно при обычном просмотре фильмов и телепрограмм, но без общепринятого стандарта для измерения такие мелочи не волнуют производителей телевизоров.

Более того, показатели контрастности в последнее время доросли до таких экстремальных значений, что иногда нет буквально никакой возможности измерить их. Почему же сложилась такая ситуация? Отдел маркетинга заявляет численные значения, с которыми он сможет продать товар. Специалистам-разработчикам, в конце концов, приходится хитрить и, о чудо, телевизор получает необходимую контрастность. Единственной возможностью узнать реальные способности телевизоров остается чтение обзоров, но даже и они не всегда точны, как мы увидим далее.

Коэффициент контрастности: хороший и плохой

Поскольку вы читаете эту статью с дисплея, который имеет ​​свой коэффициент контрастности, нельзя дать вам реальные примеры, как выглядит хорошая и плохая контрастность, так что придется искать другие способы.

Проверить, насколько хорошо настроен ваш монитор можно, прочитав специальные статьи. А ниже приведены два изображения, слева с хорошей контрастностью, справа с плохой.

Левое изображение более точное, с хорошей контрастностью. Справа контрастность хуже, уровень черного более высокий.

Довольно легко отметить, что картинка слева более правильная. Изображение справа имеет более высокий уровень черного, и если выбирать из двух телевизоров, поставленных рядом, выбор однозначен.

Контрастность: естественная и динамическая

Есть два типа контрастности. Чаще всего их называют естественной (родной) и динамической. Естественная контрастность та, которую позволяет без ухищрений представлять технология дисплея. У LCD дисплея эту возможность определяет жидкокристаллическая панель. В случае DLP технологии все определяется одним или тремя DMD чипами.

Представьте представленные выше изображения на экране вашего телевизора. Естественная контрастность определяется сравнением наиболее темной части изображения с самыми яркими элементами в этом же сюжете. Назовем это "внутренней контрастностью сюжета", хотя, у кого- то может быть есть и более удачные определения на этот счет?

Подобная контрастность отличается от той, что сегодня приписывают большинству телевизоров и которая называется динамической. Динамическая контрастность – расширенный термин для описания технологии, который позволяет беспредельно завышать показания, в сравнении с естественной контрастностью. При воспроизведении фильма или телепрограммы телевизор регулирует общий световой поток в соответствии с характером отображаемого сюжета. Возможно вам доводилось вручную регулировать подсветку ЖК дисплея, телевизор делает то же самое автоматически, анализируя в режиме реального времени воспроизводимый видеосюжет.

Эта шкала серого пример относительной яркости дисплея. С установленной на максимум подсветкой ЖК дисплей демонстрирует наибольшую яркость, но имеет плохой уровень черного цвета. Если уровень подсветки установить на минимум, будет приличный уровень черного, а общий световой поток станет недостаточным.

Автоматическая регулировка подсветки (аналогично у проектора регулировка отверстия диафрагмы) выполняется схемой контроля видеосигнала и позволяет в режиме реального времени корректировать общий световой поток в зависимости от того, что в это время на экране. Пример изображения с использованием динамической контрастности:

В темном сюжете телевизор затемняет подсветку (или прикрывает отверстие диафрагмы проектор), поэтому изображение становится темнее. При этом проигрывают яркие области на экране, которые тоже темнеют.

В светлом сюжете телевизор повышает общий световой поток, но, как вы можете заметить по серой шкале, повышенная яркость достигается за счет потери достойного уровня черного.

Светлые сюжеты становятся ярче, а темные чернее. Это очень хорошо, и действительно увеличивает видимый контраст дисплея, но не настолько сильно, как хотелось бы предположить, исходя из заявленных параметров контрастности. Телевизор с коэффициентом контрастности 5000000:1 это фантастика. Очень хотелось бы посмотреть на него, жаль, что он не существует. HDTV с высоким коэффициентом динамической контрастности может смотреться лучше, в сравнении с телевизором, который не имеет такой схемы, но он не будет также хорош, как дисплей с высокой естественной контрастностью.

Да, LED источники подсветки LCD панели можно отключить, создав истинный черный цвет, но это далеко не всегда можно делать в процессе воспроизведения реального фильма. Дисплей с высокой естественной контрастностью покажет яркий белый текст на глубоком черном фоне. Дисплей с высокой динамической контрастностью может иметь такой же темный фон, но текст не будет таким ярким.

Сравнительно, это выглядит вот так:

Изображение слева имитирует дисплей с высокой естественной контрастностью. То, что справа имеет пониженную естественную контрастность, но расширенную динамическую. Правое изображение способно представить низкий уровень черного, но делает это за счет снижения общего светового потока. Высокая естественная контрастность дисплея (слева) позволяет без технических ухищрений воспроизводить максимально черный, и в то же время яркий белый цвет.

Как вы можете видеть, дисплей с высокой естественной контрастностью – это то, что нужно. На фоне чернильно-черного неба ясно различимы блики уличных фонарей. Днем небо яркое, но черная куртка достаточно темная. Это больше похоже на картинку на экранах ЭЛТ телевизоров, больше похоже на фильм в кинотеатре, более соответствует реальному изображению.

Сегодня технология с наиболее высокой естественной контрастностью – используемая в домашних проекторах LCOS . В настоящее время в проекторах JVC используется фирменная версия этой технологии (D-ILA). Такие проекторы обладают самым высоким измеренным коэффициентом естественной контрастности. Версия от Sony (SXRD) достаточно отстает, но занимает второе место. Третьими по уровню естественной контрастности можно считать плазменные HDTV, хотя и некоторые DLP проекторы близки к ним.

ЖК (LCD) телевизоры достигли большого прогресса за последнее десятилетие, но все еще отстают от других технологий по ряду параметров. К счастью, лучшие производители знают об этом и придумали несколько способов, чтобы имитировать свойственную другим технологиям высокую естественную контрастность.

Лучший способ для LCD телевизоров добиться высокой контрастности внутри сюжета – использовать локальное затемнение. В этом случае подсветка дисплея представляет собой массив из светодиодов (LED источников), яркость каждого из них может меняться в зависимости от того, что показывается на экране. Хотя это не сделано и не на уровне пикселей, а светодиоды управляются не индивидуально, а по зонам, как правило, общий эффект очень хороший.

К сожалению, сегодня большинство производителей отказались от использования полной LED подсветки, которая является единственным типом хорошего локального затемнения. Такие телевизоры дороже обходятся в производстве.

Большинство LCD LED дисплеев сегодня используют боковую (краевую) подсветку, при которой светодиоды подсветки размещаются сверху и снизу LCD панели. Несколько компаний разработали методы для затемнения отдельных областей экрана и для такой подсветки (Edge LED), но эффект не так хорош, как при использовании полного LED массива позади экрана. Хотя многие телевизоры с боковой подсветкой и выглядят великолепно.

Измерение и все прочие проблемы

Однако у вас естественно давно уже возник вопрос: Как же, выяснить какой телевизор в магазине имеет лучшую контрастность? Вопрос хороший. Однако повышенная яркость освещения искажает реальные возможности телевизора. К тому же, одни модели могут иметь глянцевое покрытие экрана, а другие антибликовое, что тоже затрудняет сравнение. Как уже упоминалось, все производители дают завышенные показатели контрастности, которое имеют мало общего с реальными возможностями телевизоров. Поэтому не стоит особо доверять спецификациям.

Так что остается читать обзоры. К сожалению, лишь на немногих сайтах в процессе тестирования делают измерения контрастности. А полученные показатели порой могут сильно различаться, что объяснимо, к тому же нет единого стандарта для измерения контрастности. Кто-то может оценить контрастность в 20000:1, в то время как другой тестировщик получит только 1000:1.

Многое зависит от того, что измерять. Можно взять черное поле (яркость 0 IRE) с настроечного диска или генератора сигналов, а потом белое поле (100 IRE) из тех же источников. При этом получим приличную общую контрастность, но она не очень актуальна при реальном просмотре видео (которое никогда не бывает полностью темным или полностью белым). Кроме того, на реальном материале начинают работать многочисленные системы видеообработки, которые оказывают влияние на яркость отдельных участков изображения.

Хорошим дополнением будет измерение контрастности по методике ANSI. В этом случае на экран в шахматном порядке выводится восемь черных и белых полей. Все измерения усредняются. Это дает хорошее представление о возможностях дисплея, и гораздо более актуальное для фактического видео. Определенной проблемой является то, что яркость белых полей может влиять на показатели измерений черных квадратов. Таким образом, чтобы все сделать правильно придется потратить очень много времени.

Заключение

В данном случае однозначного ответа нет. Именно такой вывод можно сделать из всего написанного выше. Лучшее, на что сегодня можно надеяться с тем, чтобы получить общее представление о приглянувшихся моделях HDTV – достаточно точные измерения, приводимые в обзорах телевизоров с компетентных сайтов. А также очень пригодятся и почерпнутые из этой статьи познания, чтобы представить, какие потенциальные возможности телевизора наилучшим образом раскроются в условиях просмотра в вашем доме.

Как и во многих руководствах по выбору телевизора можно сказать следующее. Многое зависит от условий, в которых предполагается смотреть телевизор. Если вы любитель кино и смотрите телевизор в темной комнате или в ночное время, повышенная контрастность плазм будет смотреться очень кинематографично.

Если же вы чаще смотрите телевизор в дневное время, по яркости с LED LCD ничто не может сравниться. Где-то между ними располагаются LCD телевизоры с системой местного или зонного затемнения светодиодной (LED) подсветки. Они могут представить лучшую "внутреннюю контрастность сюжета", в сравнении с обычными LCD дисплеями, но при наличии достаточного запаса по уровню светоотдачи.

Независимо от того, какой у вас дома телевизор, очень важно правильно его настроить, так как начальные заводские настройки не могут полностью раскрыть весь потенциал телевизора.

Алгоритмы улучшения качества изображений, хранящихся в растровых графических форматах, получают всё большее распространение. На сегодняшний день их существует огромное количество и беспрерывно появляются новые. Это связано с появлением новых способов и технических средств получения, передачи и воспроизводства растровых изображений. Алгоритмы обработки изображений, в основном, ориентированы на ликвидацию недоработок в технических средствах и технологиях, работающих с изображениями. Эти недоработки можно идентифицировать не только визуально, но и пользуясь описанием технических характеристик техники и технологий.

Перед тем, как улучшать изображение, необходимо дать оценку его качеству. Человек, бросив один взгляд на изображение, может сказать яркое оно или тёмное, контрастное или нет, чёткое или размытое и т.д. Алгоритмы же работают детально, анализируя изображение попиксельно или небольшими группами пикселей. Поэтому, на основании работы алгоритма, тяжело дать общую оценку качеству изображения.

К показателям, по которым можно оценить изображение как единое целое, относятся следующие:

• яркость;
• контрастность;
• преобладающий тон;
• резкость.

Прежде чем приступить к выработке критериев и методов оценки качества, необходимо выбрать цветовую модель. Наиболее удобной представляется модель RGB по нескольким причинам:

• эта модель достаточна проста как для понимания, так и для математического описания;
• она применяется во многих технических устройствах и, при необходимости, преобразуется в другие цветовые модели;
• она близка к представлениям о природе чувствительности к цвету человеческого глаза.

Требования к критериям оценки качества изображений следующие:

• показатели качества для сравнения с критериями должны вычисляться;
• значения критериев должны иметь относительный характер (не зависеть от диапазона яркости RGB);
• критерии должны быть понятны и наглядны для человека.

Достаточно наглядно оценка качества изображения может быть представлена с помощью RGB-гистограмм.

Рис. 1. Гистограмма тёмного неконтрастного изображения

Рис. 2. Гистограмма светлого изображения

Рис. 3. Гистограмма сбалансированного полутонового изображения

Рис. 4. Гистограмма высококонтрастного изображения

Рис. 5. Гистограмма постеризованного изображения

Недостатком этого способа является отсутствие численного выражения для показателей качества.

Цветовую модель RGB удобно представить в виде куба в прямоугольной системе координат, где в начале координат расположена точка чёрного цвета (яркость R = G = B = 0), а вдоль осей возрастают значения яркости R, G и B. На главной диагонали куба, выходящей из начала координат, расположены ахроматические цвета.

Рис. 6. Цветовая модель RGB

В вершинах куба расположены основные цвета (красный, зелёный, синий), дополнительные к ним (жёлтый, циан и пурпурный), а также чёрный и белый. На гранях куба находятся так называемые «чистые» тона.

Рис. 7. RGB - куб и его невидимые грани

Отсутствие у цвета третей составляющей - признак «чистого» тона. Появление и увеличение доли третьей составляющей в цвете приводит к снижению насыщенности тона, т.е. к приближению данного цвета к ахроматическим цветам.

Оценка яркости изображения

Яркость изображения можно выразить как среднюю яркость всех пикселей (математическое ожидание в терминах теории вероятностей).

Яркость пикселя вычисляется по формуле:

Яркость всего изображения Y, содержащего N пикселей будет равна:

Данное выражение характеризует физическую яркость изображения. Поскольку чувствительность человеческого газа к разным частям спектра неодинакова (максимальная в жёлто-зелёной, меньше в красной, ещё меньше в синей), яркость цветного пикселя будет восприниматься субъективно в зависимости от его тональных характеристик.

Рис. 8. Чувствительность человеческого глаза к различным частям спектра

Оценка как физической (), так и видимой () яркости изображения представлена в абсолютных величинах. Перейти к относительным величинам можно разделив значение яркости на максимально возможное значение яркости:

Тогда будет лежать в диапазоне . Значение 0 будет соответствовать абсолютно чёрному изображению, а значение 1 – абсолютно белому. Изображение оптимальной яркости должно иметь значение близкое к 0.5.

Оценка контрастности изображения

Контрастность изображения бывает яркостная и тоновая.

Яркостная контрастность представляет собой разницу между физической или видимой яркостью отдельных участков изображения. Вообще говоря, вычисление физической или видимой яркости можно рассматривать как конвертацию цветного изображения в ахроматические цвета. Поэтому яркостная контрастность - это сравнение двух участков изображения, приведенных к ахроматическим цветам.

Если проанализировать RGB-гистограммы, то можно сделать вывод, что у контрастного изображения количество тёмных и светлых пикселей должно быть приблизительно одинаковым, разница в их яркости - значительна, а основное место сосредоточения пикселей - возле границ диапазона.

Хорошим критерием оценки яркостной контрастности будет дисперсия яркости пикселей изображения:

Более универсальный безразмерный критерий оценки яркостной контрастности - отношение средне-квадратического отклонения к максимально возможному значению яркости:

C изменяется в диапазоне . Значение 0 соответствует однотонному изображению, значение 1 - максимально контрастному. Оптимальное значение контрастности зависит от типа объекта, представленного на изображении.

Более сложный случай представляет тоновая контрастность. Конвертированные в оттенки серого цвета могут иметь одинаковую яркость, но визуально чётко различаться.

Можно вычислить «средний тон» пикселя для всего изображения. Его удобно выразить через средние значения RGB:

Расстояние в RGB кубе между пикселями изображения и «средним тоном» определяется по формуле:

В качестве оценки тоновой контрастности изображения можно взять среднее расстояние в RGB кубе между пикселями и «средним тоном»:

В RGB-кубе максимальное расстояние между двумя точками равно длине главой диагонали:

Хорошую тоновую контрастность будут иметь пиксели, расположенные на расстоянии , или (длины ребра RGB-куба):

=~R_max"/>

Оценка преобладающего тона

Оценка тоновой насыщенности

Тоновая насыщенность - это отличие цвета от ахроматического при их одинаковой яркости. В RGB-кубе тоновую насыщенность пикселя можно выразить как расстояние до диагонали ахроматических цветов:

Для всего изображения оценка тоновой насыщенности может быть выражена как среднее значение тоновой насыщенности для всех пикселей:

Оценка резкости изображения

Понятие резкость, как характеристику аппаратных средств и технологий, можно разделить на три составляющие:

• резкость, как характеристика фокусировки объектива на объект;
• резкость как характеристика оборудования, позволяющая воспроизводить без искажений яркостный переход максимального контраста;
• резкость как результат специальной обработки исходного изображения.

Идеальное оборудование должно обеспечить вывод информации о смене цвета в элементе изображения таким образом, чтобы никакого промежутка между цветами не было.

С физической точки зрения нерезкий переход можно рассматривать как диффузное смешение двух контрастных цветов.

С точки зрения человеческого восприятия резкость — это наличие контура контрастного перехода (яркостного или тонового) между двумя соседними частями изображения.

Для оценки резкости изображения в ахроматических цветах удобно использовать яркость пикселей. Такое изображение может быть представлено прямоугольной матрицей (размерностью соответствующей размерам изображения в пикселях), элементами которой являются значения яркости пикселя.

Рис. 9. Контрастный (сверху) и неконтрастный (снизу) переходы между цветами

Поскольку в настоящее время в большинстве случаев используется квадратный пиксель, можно составить другую матрицу (матрицу яркостных контрастов), элементами которой будут разности яркости последующего и предыдущего пикселей по горизонтали или по вертикали ( или ). Можно учитывать и диагональные разности.

Значения элементов матрицы характеризуются следующим образом:

Далее осуществляется сканирование строк для разностей по горизонтали (столбцов для разностей по вертикали) матрицы яркостных контрастов. Строка (столбец) разбивается на участки, в которые входят элементы, имеющие одинаковый знак (переходые участки) или участки со значениями элементов равными 0.

Для каждого переходного участка оценивается:

Для проведения анализа матрицы яркостных контрастов необходимо определить критерии и их значения: какое значение элемента матрицы считать контрастным переходом, а какое - нет.

Порог «минимальной заметной разницы» контрастной чувствительности (JND) или дифференциальный порог определяют согласно закона Вебера-Фехнера, который формулируется следующим образом: субъективная величина ощущения, измеренная в единицах минимальной заметной разницы, пропорциональна логарифму физической величины стимула:

Закон утверждает: ощущение разницы между близкими по величине стимулами пропорциональна величине стимулов, т.е.:

Это отношение называется пороговым контрастом, а - дифференциальным порогом. В средине дифференциального порога изменения интенсивности стимула не ощутимы.

Отношение Вебера-Фехнера (пороговый контраст) составляет 1-3%.

Таким образом, для каждого переходного участка матрицы яркостных контрастов в идеальном случае или , ~0.03"/> (здесь и далее - крутизна участка).

Поскольку критерии оценки резкости связаны с локальными участками изображения, общая оценка резкости по этим критериям будет сильно зависеть от типа объекта на изображении (документ, пейзаж и т.д.). И всё же в качестве оценки резкости всего изображения можно предложить средние значения длины и крутизны для всех n переходных участков.

Для оценки резкости цветных изображений вместо разности яркости соседних пикселей можно использовать расстояние в RGB-кубе между цветами этих пикселей:

При сканировании матрицы тоновых контрастов, подобно сканированию матрицы яркостных контрастов, необходимо контролировать тенденцию изменения тона: отрезки, соединяющие пиксели в RGB-кубе должны лежать на одной прямой. Реально они могут иметь некоторое незначительное отклонение ε. Осуществить такой контроль можно сравнивая сумму длин расстояний между цветами в RGB-кубе с расстоянием между крайними точками этой ломаной линии:

Прекращение выполнения данного условия можно считать границей участка.

И для всего цветного изображения вычисляются также, как и для ахроматического изображения.

Несмотря на грубость и приблизительность предложенных критериев и методов оценки, их можно успешно использовать для предварительного отбора изображений из больших массивов в автоматическом режиме; для предварительной оценки качества изображений с целью выбора более детальных методов оценки и т.п.

Литература:

• David H. Hubel. Eye, blain and vision. – Scientific American library a division of help. – New York.
• А.Гонта, Е.Седов Резкость изображения и оборудование CCTV.

Когда речь заходит об измерении тех или иных параметров изображения, сразу возникает неприятная тонкость. Человек и компьютер воспринимают изображения по-разному. Человек вычленяет объекты из шума, может рассмотреть что-то при слабом освещении, а компьютер понимает картинку как набор координат с соответствующими яркостями. И когда человека и компьютер спросят о каких-нибудь отличительных чертах изображения, они сразу разойдутся в показаниях. Нужно каким-то образом сделать так, чтобы выводы, которые они делали, были схожи.
Рассмотрим методы, которые используются для анализа контраста в черно-белых изображениях, и постараемся выбрать что-то более-менее объективное.

Метод первый

Метод канонический, от 1977 года .

Контраст определяется отношением разности яркостей объекта наблюдения 1 и фона 2 к одной из этих яркостей. Диапазон выводимых значений - от 0 до 1.
По факту - не показывает ничего. Идем дальше.

Метод второй

Был предложен отечественными учеными в 1979 году, для разбора сюжетных изображений.
Суть в следующем: поскольку изображение имеет сложный сюжетный характер, это порождает необходимость при определении его контрастности исходить из контраста отдельных комбинаций элементов изображения. При этом все элементы считаются равнозначными, и контраст каждой их пары вычисляется по формуле:

где элементы числителя и знаменателя - яркости элементов сюжетного изображения. Сюжетность изображения предполагает возможность его использования человеком. Поэтому при оценке контраста, как одного из параметров качества изображения, необходимо учитывать ряд особенностей зрительного восприятия человека. Далее, применяя правило суммирования контрастов, вычисляют набор величин, которые определяют восприятие каждой пары элементов изображения. Проводя усреднение матрицы локальных контрастов, получают суммарный контраст .
Метод слишком сложный, не подойдет.

Метод третий

Изложен в ГОСТ 18862-73 от 1983 года:

Яркости участков изображения измеряются фотометром в канделлах на метр квадратный, погрешность 10%, что многовато. И если есть фотометр (я вот его вживую не видел никогда). В отсутствии такового лично имел опыт измерения осциллографом:
берется провод, куда выведен сигнал (допустим, композит), подается тестовый сигнал (полосы или шахматная доска), выводится осциллограмма, и, сравниваясь со стандартом на видеосигнал, измеряется перепад, потом нормируется относительно максимального. Точность - думаю, где-то 20-25%, что за гранью рациональности использования. Диапазон выводимых значений - от 0 до 1. Необъективен.
Очевидно, не подходит, идем дальше.

Метод четвертый

Аналогично федеральный стандарт США 1037C от 1996 года:
гласит лишь о том, что «контраст есть отношение яркости некоторого элемента изображения (пикселя) к яркости всего остального изображения». Стоит отметить также, что этот стандарт определяет яркость, как неизмеримую величину.
Совсем нам не подходит. Лишь отметим, что и такое есть.

Метод пятый

Обоснован Воробелем в 1999, упомянут на таком солидном ресурсе, как MATLAB.Exponenta.

Уже интересно, потому что нормировано в диапазоне яркостей от 0 до 1, и оно весьма объективное.

С вычислением контраста имеется одна тонкость. Есть два объекта рядом, у одного яркость 10, у другого 20, по первому и третьему методу получим 0.5, во второму - 0.3. Яркости 100 и 200, по первому и третьему методу получаем те же 0.5, по второму - опять 0.3, однако при яркостях 10 и 20 разницу можно и не увидеть.

Контраст, на мой взгляд, объективнее считать по методу Воробеля, если качество плохое и много шумов, брать в расчет области объектов, и с них усреднять значения яркостей объектов.

Теперь посмотрим на это в действии:

Подряд идут три изображения - обычное, с эквализованной гистограммой, и идеальное. Анализировались выделенные области, в формате.bmp, диапазон яркостей 0 - 255.

Контраст обычного изображения К = 0,67.
- контраст эквализованного изображения К = 0,88.
- контраст идеального изображения К = 1.

Вот такая история, спасибо за внимание!