Modern képmegjelenítők optimálása a látórendszer feltérképezése a technológia által Kutas Gábor Pannon Egyetem Képfeldolgozás és Neuroszámítógépek Tanszék Virtuális Környezetek és Fénytan Laboratórium http://www.knt.vein.hu kutasg@vision.vein.hu
Bevezetés A modern informatika világában a vizuális információ közlésére szolgáló színes képmegjelenítő eszközöket folyamatos kutatás és fejlesztés övezi. Különösen jellemző ez a lapos képmegjelenítő (FPD) eszközökre tömeges előfordulásuk a XX. század végén realizálódott
Bevezetés 2003-ban lapos képmegjelenítők eladásban felülmúlták a 100 éves CRT-t (30 milliárd USD).* Kiélezett verseny folyik ezen eszközök képminőségének (pl. kontraszt, színkészlet, fénysűrűség) információ megjelenítésére alkalmas hasznos felületének növelése terén. A CRT színingermetrika jól ismert. Az FPD-k előfordulásának megnövekedése megköveteli azok színtani vizsgálatát is. A tárgyalt technológiák optimálási céljai szinte végtelenek az információs társadalom létszámának bővülése és gazdagabb rétegződése: időskori színlátási mechanizmusokhoz való hangolás színkészlet növelés al-pixeles képalkotáshoz való optimálás Nem csak a tanulmányozásuk, de a technológiai sajátosságaik kihasználása is számos a színtudományban hasznos lehetőséget rejt magában 2 témakör érintése (mikro és makro világ összekapcsolása) képernyők méretét kihasználva: a színingerek észleletére gyakorolt pszicho-fizikai hatása a színi mérethatás optimálás: al-pixeles képalkotás lehetőségei a többcsatornás színalkotó rendszerek esetén képpontelrendezésének módozatai és lehetséges színalkotási eljárások * Weber LF. Do LCD TVs Really Last Longer than PDP TVs?, SID Information Display 2004;20(8):12-16
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén? A CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszerek műszeres mért értékei, CIELAB, CIECAM rendszerek nem korrelálnak jól a vizuális megfigyelések eredményeivel Sokkszerű hatás, nincs referencia (fehér), pálcikabehatás, perifériális hatások Nagyméretű képmegjelenítőket kihasználva lehetőség nyílt önvilágítók esetén is vizsgálni az extrém nagy színingereket
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén Mérethatás: régóta ismert jelenség (Maxwell, 1856) Kis látószögek (3-5 ): S-csap hiány a foveolában, tritanópia Közepes látószögek (1-10 ): sárga folt, CIE 1931 CIE 1964 Nagy látószögek (>10 ): nő a króma és a világosság Közepes és nagy látószögek (pl. falfelületek) esetén revízió CIE TC1-68 Felületszínekre született méretfüggő korrekciós modell (CIELAB, LMS) Megválaszolandó kérdések önvilágítók esetében: a 2 vagy a 10 -os megfigyelő ad közelebbi eredményt a vizuális eredményekhez? a minta hátterének fénysűrűsége hatással van-e az észleletre? az észleleti eltolódások mennyire szabályszerűek a színészleleti attribútumok tekintetében (világosság, króma, színezet) modellezhetők-e? ha szisztematikus, lehet abból a jelenség eredetére következtetni? perifériás színmegjelenéssel van-e párhuzam: az excentricitás növekedésével a színek elvesztik telítettségüket, csapjel változások miatt színezeti változások is történnek a színi adaptáció szerepe: alapvetően adaptációs hatásról van-e szó??
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén 2 kísérletsorozat memóriából történő monitoros színingermegfeleltetés 2 képmegjelenítő együttes használata CRT megfeleltető színinger PDP teszt színinger A PDP körül tükrös fülke a nagyobb stimulus elérése érdekében (képernyő látószöge 50 cm-ről: v 85, f 55 )
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén I. kísérlet 16 színinger, lefedve a színkészletet Faktorok: Megfeleltető minta mérete (2 -os, 10-80 60 b* 80 60 b* os) 40 40 háttér fénysűrűsége (fix középszürke 20 0 a* 20 0 L* L=30cd/m 2, mintával egyező) -60-40 -20 0 20 40 60-20 0 20 40 60 80 100-20 megfigyelők: 3 ép színlátó személy (életkor: 20-30) -40-40
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén II. kísérlet 21 színinger, szisztematikusan megválasztva 2 -os megfeleltetés Faktorok: nagy színinger megjelenésének hossza (2 mp, vagy 8 mp) 30 b * L * =30 L * =50 20 L * =70 10 a * 0-30 -20-10 0 10 20 30-10 CIELAB világossági tényező (L*), színezeti szög (h ab ) hatása -20-30 Megfigyelők: 8 ép színlátó személy (életkor: 20-30)
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén Eredmények I. 10 -os megfeleltetés kisebb eltolódást eredményez (ANOVA, F(1,15)=19,06, p=0,001) a változó háttér kisebb eltolódást eredményez (ANOVA, F(1,15)=14,26, p=0,002) a nagy színingert a megfigyelő világosabbnak látja, mint amilyen valójában, világosságkülönbség nagyobb sötét színingerek esetén a felületszíneknél tapasztalt egyöntetű króma növekedés nem jelentkezett az adathalmazra illesztett korrekciós formulával az átlagos eltérés DE* ab ~5-re csökkenthető fix háttér változó háttér 2 10 2 10 MCDM 6,1 4,5 5,8 5,6 Átlagos színingerkülönbség (16 szín x 3 megf. x 5 ism.) 17,3 15,7 13,0 11,3 tartomány 6,0-32,1 6,2-30,4 7,8-23,2 5,5-17,3 STD 7,8 7,2 4,1 3,5
Színészlelet nagyméretű színingerek esetén Eredmények II. a jelenség nagyságrendje átlagos DE* ab =17,9 (STD=5,6) színingerkülönbség az eltérés jelentős részben világosságbeli, kromatikus eltérések is kimutathatók statisztikailag szignifikáns hatások a színészleletre (ANOVA) az adaptációs idő hatása jelentéktelen 30 25 DE * ab 30 25 DL * faktor DC ab * DL * össz. DE ab * 20 15 10 8 s 2 s 20 15 10 8 s 2 s L* <0,001 <0,001 <0,001 h <0,001 0,039 5 lightness (L * ) 0 20 30 40 50 60 70 80 5 lightness (L * ) 0 20 30 40 50 60 70 80 L h 0,049 30 b* L *=30 30 b* L *=50 30 b* L *=70 idő L 0,019 0,009 10 10 10-30 -10 10 30 original mean adj. -10 a* -30-10 10 30-10 a* -30-10 10 30-10 a* -30-30 -30
adjusted mean adjusted adjusted Színészlelet nagyméretű színingerek esetén A jelenség modellezése CIELAB színingermérő rendszerben a perifériás színmegjelenéssel rokon módon az opponens színingerek mentén (a*-b*) Világosság észlelet Kromatikus észlelet 100 80 60 40 L * y = 100 + 0,6322(x - 100) r 2 = 0,9904 30 y(70) = 1,2383x + 0,5077 a * r 2 = 0,9994 y(50) = 1,1299x - 0,3122 20 r 2 = 0,9956 y(30) = 0,9339x - 1,3596 r 2 10 = 0,9833 test colour a * 0-30 -20-10 0 10 20 30 30 y(70) = 1,1034x - 3,0907 b * r 2 = 0,9931 20 y(50) = 0,9975x - 3,295 r 2 = 0,9891 10 y(30) = 0,9095x - 2,2563 r 2 = 0,9882 test colour b * 0-30 -20-10 0 10 20 30 20 immersive (measured) L* 0 0 20 40 60 80 100 L' = 100 + 0,6322 L* -100 A modell teljesítménye: DE* ab =4,1 (17,9-ről, p<0,001) -10-20 -30 30 50 70 a ' = m a * c b ' = m b * c m a c a mb cb a a = 0,00648 L* 0,798 = 0,04668 L* 2,722 = 0,004848 L* 0,761 = 0,02086 L* 1,838 1,3 1,2 1,1 1 m x m a m b c a c b r 2 = 0,9951-10 -20-30 b r 2 = 0,9926 r 2 = 0,9972 0,9 r 2 = 0,5748-2,5-3 L * 0,8-3,5 20 40 60 80 30 50 70 b c x 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez CRT foszfor pontok milliói majdnem analóg FPD diszkrét számú építő elem (= pixel) pixel: a képernyő olyan elemi címezhető része, mely képes a készülék színkészletében megtalálható összes szín megjelenítésére al-pixel: egyszínű blokk egy pixel alkotó eleme (általában vörös, zöld és kék), ezek kibocsátott fényének additív keveréke adja a megjelenítendő színt
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez RGB-sáv Technológiailag a legegyszerűbb elrendezés az elrendezésből adódóan lehetőséget ad az ún. al-pixeles képalkotásra vektoros reprezentáció (spline-ok, matematikai görbék)
http://www.grc.com/ Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez Mivel az al-pixelek önálló bemeneti értékekkel rendelkeznek, lehetőség van térben egy finomabb felbontás elérésére A sávos RGB-struktúra esetében ez háromszoros vízszintes felbontást eredményez!!!
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez Több-színcsatornás kijelzők: több, mint 3 alapszín lehetséges módozatok 6 színcsatorna 6 színcsatorna (elforgatott) 7 színcsatorna
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez Arial Times New Roman RGB-sáv 6 színcsatorna 7 színcsatorna 6 színcsatorna (forg.)
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez Az n betűket alkotó al-pixelek százalékos eloszlása Arch. Font al-pixels száma 1 r 2 g 3 b 4 5 6 7 átlag STD (CFE) Max. elt. Arial 80 26.3 27.5 46.3 - - - - 33.3 11.2 12.9 RGB-stripe Times 77 28.6 27.3 44.2 - - - - 33.3 9.4 10.8 Arial 73 19.2 19.2 15.1 15.1 15.1 16.4-16.7 2.0 2.5 6-prim. Times 63 17.5 15.9 17.5 15.9 15.9 17.5-16.7 0.9 0.8 Arial 88 14.8 13.6 14.8 13.6 14.8 13.6 14.8 14.3 0.6 0.6 7- prim. Times 53 15.1 11.3 15.1 15.1 15.1 17.0 11.3 14.3 2.1 3.0 Arial 83 15.7 16.9 15.7 18.1 18.1 15.7-16.7 1.2 1.4 6- prim. forg. Times 67 14.9 13.4 16.4 19.4 19.4 16.4-16.7 2.4 3.2
Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez Képalkotási (renderelési) eljárás al-pixeles képalkotással analóg, CIE XYZ X C1 Y M Z C n wmin 0 0.5 j 1 w n w n min nem egyértelmű előállítás megadható olyan elrendezés ami a fénysűrűségi információt jobban közelíti => al-pixel renderelés 1 j 3 3 6 n1 E col i4,5,6 D i 0, if Ci 0,1 Di Ci, if Ci 0 Ci 1,if Ci 1 E lum Y Y n i i,orig Etot Ecol Elum i1 Y Y orig
Összegzés (Színészlelet nagyméretű színingerek esetén) 1. A nagy méretű felületszínekhez hasonlóan színingermegfeleltetés esetén észleleti eltérés mutatkozik egy nagyméretű önvilágító színinger és a vele színingermetrikailag azonos CIE 1931 és CIE 1964 színingermérő észlelők által rögzített látószög alatt megfigyelt színinger között is. Az eltérés mind világossági, mind pedig színi információban jelentkezik. Kísérletileg igazolódott, hogy bár a 10 fokos mintával való egyeztetés esetén a méret okozta észleleti eltérés csekélyebb, a hiba nagyságrendjéből eredően ez az elrendezés sem alkalmas nagyméretű homogén színingerek észleletének előrejelzésére. 2. A nagy színinger megfigyelésének hossza (2 vagy 8 s) nincs szignifikáns hatással a nagy színinger színészleletére. Ez azt jelenti, hogy a mérethatás jelensége nem tulajdonítható pusztán adaptációs hatásnak. 3. CIELAB színingermérő rendszerben a nagy minta észlelete CIE L*, a* és b* értékeken alapuló korrekciós formulával átlagos DE* ab =4,1 hibával előrejelezhető. Folyóirat cikk: G. Kutas, P. Bodrogi, Colour appearance of a large homogenous visual field, Color Res. Appl. (Megjelenés alatt) Konferencia kivonatok: Bodrogi P, Kutas G, Unique Hues of Large Stimuli: The Colour Size Effect Proc of CGIV 2002. pp. 116-121 Kutas G, Bodrogi P, Schanda J, Effect of the lateral size of the colour stimulus on colour perception CIE Expert Symposium, Veszprém, 2002 G. Kutas, K. Gócza, P. Bodrogi, J. Schanda, Colour Size Effect, in Proc. of CGIV 2004 The Second European Conference on Color in Graphics Imaging and Vision, Aachen, 2004. pp. 70-73 G. Kutas, P. Bodrogi, Colorimetric Characterisation of a HD-PDP Device, in Proc. of CGIV 2004 The Second European Conference on Color in Graphics Imaging and Vision, Aachen, 2004. pp. 65-69 G. Kutas, K. Gócza, P. Bodrogi, J. Schanda, Colour Size Effect, Proc. of AIC Color 05, Granada, Spain, 8-13 May 2005. Kutas G, Bodrogi P, Schanda J, Color perception changes of self-luminous immersive scenes, CIE Expert Symposium, Paris, France, Oct 19-20, 2006.
Összegzés (Képpont-elrendezések módozatai és al-pixeles képalkotás többcsatornás színalkotó rendszerekhez) 1. Al-pixeles képalkotás esetén a különösen akromatikus objektumok ábrázolásánál fellépő színi hiba (CFE) az RGB-sávos struktúra átformálásával csökkenthető. 2. Az emberi látórendszer azon tulajdonságát kihasználva, miszerint érzékenyebb az intenzitásra, mint a színi információra, többcsatornás elrendezésekre megadható olyan al-pixeles képalkotással ekvivalens algoritmus, mely a képernyő egy adott területén úgy határozza meg az al-pixelek intenzitási értékét, hogy azok kimenetének additív fénye az adott területen elvárt színi információt míg az intenzitások önmagukban a részletesebb fénysűrűségi információt közelítsék. Folyóirat cikk: G Kutas, HK Choh, Y Kwak, P Bodrogi, L Czuni, Subpixel arrangements and color image rendering methods for multiprimary displays, Journal of Electronic Imaging 15, 023002, (Apr. 20, 2006) Szabadalom: Youngshin Kwak, Péter Bodrogi, Heui-keun Choh, Gábor Kutas, János Schanda, Apparatus and method for rendering image, and computerreadable recording media for storing computer program controlling the apparatus, Patent Number (Korea): KR 0634507, Patent Number (European Patent Office): EP 1619650 A2 (2006.01.25), Publication Number: JP 2006-048037 A (2006.02.16), Publication Number (US Patent): US 20060017745 A1 (2006.01.26) Youngshin Kwak, Heuikeun Choh, Péter Bodrogi, Gábor Kutas, Péter Csuti, Apparatus and method for rendering image, Publication Number: KR 2006-0008132 (2006.01.26)
Köszönöm a figyelmet!