Televisietechniek en beeldversterking

Televisietechniek en

beeldversterking

Bibliotheek TU Delft

2280

352

4

i

IIIU~~lIlllf

•

I

C 3146336

Televisietechniek en

beeldversterking

prof.dr.ir. J. Davidse

Eerste druk 1992

Delftse Uitgevers Maatschappij b.v.

P.O. Box 2851, 2601 CW Delft, The Netherlands Tel. 015-123725

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

All righJs reserved. No part ofthis publicaJion may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photo-,copying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the publisher.

5

Voorwoord

Deze uitgave is een in boekvorm gebrachte collegehandleiding bij het keuzevak 'Elektronische beeldtechniek' van de Faculteit der Elektrotechniek -van de Technische Universiteit Delft Het is gebleken dat voor dit studiemateriaal ook belangstelling bestaat buiten de kring van de studenten die dit vak in hun studieprogramma opnemen. Het voornaamste bestanddeel van de inhoud van deze handleiding kan worden gekarakteriseerd met de benaming 'televisietechniek'. Daarnaast wordt aandacht geschonken aan de hiermee nauw verwante onderwerpen 'beeldversterking' en infraroodbeeldtechniek. De in een beeld aanwezige informatie is van optische aard. Enige kennis van optica en van de eigenschappen van het menselijk visuele zintuig-systeem is dan ook onmisbaar voor de beoefenaar van de elektronische beeldtechniek. Het eerste hoofdstuk geeft een beknopte samenvatting van onmisbare kennis op deze terreinen. Evenzo gaat aan de behandeling van de kleurentelevisietechniek een samen-vatting van de kleurenleer vooraf.

Zoals van een universitaire handleiding verwacht mag worden ligt de nadruk op basisprincipes.

In

elk elektronisch informatieverwerkend systeem kan men drie hoofd-elementen onderssheiden: de verwerving van de informatie, dat wil zeggen de omzetting van de primaire informatie in een elektrisch signaal, de bewerking en het transport van deze signalen en tenslotte de weergave of het gebruik van deze signalen. Aan alle drie aspecten wordt in deze handleiding aandacht geschonken. De verwerving geschiedt in de elektronische beeldtechniek met behulp van beeldopnemers. De kwaliteit van de beeldopnemers is uiteraard van beslissende betekenis voor de kwaliteit vim het beeldsignaal en daarmee ook voor de haalbare kwaliteit van het weergegeven ' beeld. Om deze reden krijgen in deze handleiding de grondslagen van de beeldomzetting en de praktische uitvoeringsvormen relatief veel aandacht De inrichting van beeldversterkers ('nachtkijkers') en infrarood beeldopnemers sluit hier direct op aan. De hoofdstukken 3 tot en met 8 vormen daàrmee als het ware een lang intermezzo in de behandeling van de monochrome (zwart-wit) televisietechniek; dat wil zeggen het tweede deel van de genoemde signaalketen. Bij de bestudering van de stof kan de gebruiker indien gewenst voor een andere volgorde kiezen, daar kem'lis van de beeldopneemtechniek geen noodzakelijke voorwaarde is voor een eerste oriëntatie in de TV -systeemkunde.

De hoofdstukken 10 tot en met 13 behan~len de kleurentelevisietechniek en de thans gangbare TV -systemen. Omdat in een ontvanger het weergeefsysteem een essentiële component is gaat het hoofdstuk over weergeefsystemen vooraf aan dat over ontvangers. Laatstgenoemd hoofdstuk leidt tevens een aantal nieuwe ontwikkelingen in. Aansluitend daarop is het laatste hoofdstuk geheel gewijd aan de thans volop in ontwikkeling verkerende TV-techniek van de nabije toekomst. Uit de aard der zaak is dit hoofdstuk in hoge mate gedateerd; de ontwikkeling is nog lang niet afgesloten en de behandeling beperkt zich dan ook tot een brede oriëntatie.

Elektronische beeldtechniek is een omvangrijk vakgebied en een handleiding met de omvang van de voorliggende tekst moet zich wel beperken tot een selectie uit de tot het terrein te rekenen onderwerpen. Bij de keuze van de te behandelen onderwerpen heb ik mij laten leiden door een aantal overwegingen. Basisprincipes krijgen meer aandacht dan de technische uitwerkingen daarvan, al worden laatstgenoemde dikwijls gebruikt als illustratie van de toepassing van de basisprincipes. Elektronische schakelingen worden alleen in enig

detail

behandeld als deze specifiek zijn voor de beeldtechniek. Voor schakelingen die geacht kunnen worden tot de algemene elektronica te behoren, zoals allerlei versterkerschakelingen, pulsvormers, signaalgeneratoren, enz. wordt verwezen naar de algemene boeken over elektronica. Verder is afgezien van de behandeling van digitale beeldverwerkingstechnieken. Dit is een omvangrijk specialistisch terrein dat sterk in ontwikkeling is en waarover reeds een uitgebreide vakliteratuur ter beschikking staat. Echter, ook bij onderwerpen die wel aan de orde komen zullen sommige lezers met een bijzondere belangstelling voor bepaalde zaken zich wellicht tekort gedaan voelen. Hierop kan ik slechts verklaren dat deze handleiding niet de pretentie heeft een volledige opleiding te bieden in het omvangrijke vakgebied waarop zij betrekking heeft

Wat de benodigde voorkennis betreft: omdat bij de meeste onderwerpen die natuur-kundige kennis veronderstellen, deze eerst kort wordt samengevat, zal kennis van natuurkunde op VWO-niveau veelal toereikend zijn. Kennis van de grondslagen van de elektronica en de signaaltheorie is gewenst en voor de vruchtbare bestudering van sommige' onderwerpen onmisbaar. In het algemeen heb ik getracht de tekst leesbaar te houden voor een brede krin~ van belangstellenden en in elk geval deze zo in te richten dat overslaan van 'te moeilijke' delen niet leidt tot onleesbaarheid van wat daarop volgt

Bij het opnemen van literatuurverwijzingen heb ik het volgende uitgangspunt gehanteerd Bij de behandeling van onderwerpen, waarover de kennis voornamelijk in voorbije decennia is vergaard, beperken de verwijzingen zich in hoofdzaak tot handboeken. Deze bevatten in de regel zelf literatuurlijsten aan de hand waarvan men

Voorwoord 7

verder studiemateriaal kan opdiepen. Bij onderwerpen waarbij deze weg minder goed begaanbaar is wordt zonodig verwezen naar tijdschriftartikelen. In het algemeen betreft het hier onderwerpen die hun oorsprong vinden in tecent onderzoek. Daarbij is wel selectie toegepast Een complete bibliografie zou op zichzelf een heel boek vullen. Voor een aantal onderwerpen is in deze handleiding gebruik gemaakt van stukken tekst uit het in 1973 in de Prisma-Technica reeks verschenen boekje 'Elektronische beeldtechniek' , uitgegeven bij 'Het Spectrum', doch reeds lang niet meer verkrijgbaar. In de jaren tussen 1973 en 1990 heeft de ontwikkeling in het vakgebied allerminst stilgestaan. Met name de laatste tien jaren hebben een grote activiteit te zien gegeven. De drijvende kracht achter deze versnelling is de IC-techniek, die geheel nieuwe mogelijkheden heeft geschapen voor de vervaardiging van elektronische structuren. De beeldtechniek profiteert hiervan op tweeërlei wijze. Ten eerste biedt de IC-techniek mogelijkheden om beeldinformatie te bewerken, die vroeger geheel buiten de horizon lagen. En ten tweede heeft de IC-techniek de aanzet gegeven tot allerlei nieuwe toepassingen van beeldtechniek. Men denke aan beeldstations bij computers en andere informatieverwerkende systemen. Niettemin is voor een aantal onderwerpen de tekst van het bovenvermelde boekje nog steeds bruikbaar en waar dit het geval is, is hiervan dan ook gebruik gemaakt .

Elektronische beeldtechniek is een boeiend terrein met een multidisciplinair karakter, zowel met betrekking tot de grondslagen als tot-de toepassingsgebieden. Ik hoop dat deze uitgave de toegankelijkheid van dit interessante vakgebied zal vergroten en de belangstelling er voor zal stimuleren.

Inhoud

VOORWOORD 5

1. BEElDINFURMATIE EN BlEDIECHNIEK 11

1.1. Inleiding 11

1.2. Waarneming van beeldinformatie 12

1.3. Waarneming van licht uitstralende objecten 15

1.4. Contrast 19

1.5. Fotopisch en skotopisch zien, Purkin'ê-verschuiving 20

1.6. Gezichtsschetpte 21

1.7. Onderscheidingsvermogen voor helderheidscontrasten 22 1.8. Onderscheidingsvermogen voor kleurverschillen 24 1.9. Onderscheidend vermogen voor variaties in de tijd 24 1.10. Beeldtechniek in. verband met de eigenschappen van het oog 25

1.11. Ruimtelijk zien 26

2. TECHNISCHE ASPECIEN VAN BEFLDINFORMATIE 28

.2.1. Informatieinhoud van een beeld 28

2.2. Informatiereductie 30

• 2.3. OverdraCht van beeldinformatie 32

2.4. Keuze van de aftastnormen in TV-systemen 33

J 2.5. Televisiesignalen 37

2.6. Correcties op het beeldsignaal 43

3. ALGEMENE PRINCIPES VAN BEELDOPNEMERS 54

3.1. Inleiding 54

3.2. Foto-elektrische verschijnselen 55

3.3. Aan de signaalvorming te stellen eisen 57

3.4. Lichtstipaftasters 59

4. CAMERABUIZEN 63

4.1. Inleiding 63

4.2. Hetvidicon 63

4.3. Loodoxyde-vidicon 67

4A. Saticon en Harpicon 70

4.5. Vidicon met siliciumtrefplaat 71

4.6. Beeldorthicon en beeldisocon 72

4.7 Silicium-vidicon met EBIC-versterking 78

4.8. Bundeltraagheid, gevoeligheid en resolutie 79

Litera1llurverwijzingen 83

5. GEVOEUGHEID EN DYNAMISCH BEREIK VANBEELDOPNEMERS 84

5.1. Gevoeligheid en dynamisch bereik 84

5.2. Ruisoorzaken 84

5.3. Waameembaarheid van ruiseffecten 89

Litera1llurverwij zingen 91

6. V ASfE-STOF BEELDOPNEMERS 92

6.1. Principe van vaste-stof beeldopnemers 92

6.2. Charge-coupled devices 95

6.4. Ruis in CCD-beeldopnemers 6.5. Organisatie van CCD-beeldopnemers 6.6. Geïnterlinieerde aftasting

6.7. Onderdrukking van blooming-effecten 6.8. Praktische vastestof beeldopnemers Literatuurverwijzingen

7. BIEDVERSI'ERKERS·

7.1. Waamerning van lichtzwakke beelden 7.2. Inrichting van beeldversterkers 7.3. Cascaderen van beeldversterkers 7.4. Beeldversterker met multiplicatorpijpen 7.5. Röntgenbeeldversterkers

Literatuurverwijzingen

8. BEELDOPNEMERS VOOR INFRARODE SIRAUNG 8.1. Detectie van infrarode straling

8.2. Foto-elektrische beeldopnemers 8.3. Pyro-elektrische beeldopnemers Literatuurverwijzingen

9. 'fElEVlSIESYSIEMEN .

9.1. Keuze van de systeemparameters

9.2. Opbouw van het televisiesysteem aan de zendzijde 9.3. Opbouw van het televisiesysteem aan de ontvangzijde 9.4. Geluidskanaal

9.5. Automatische afstemcorrectie en automatische versterkingsregeling 9.6. Teletekst

Literatuurverwijzingen

10. KLEURWAARNEMINGENKlEURENLEER

10.1. Inleiding; trichromatisch karakter van de kleurenzin 10.2. Additieve menging; grondkleuren; colorimetrie 10.3. X, Y, Z-stelsel van de CIE (1931)

10.4. De kleurendriehoek

10.5. Dominerende golflengte en kleurverzadiging 10.6. Kleuronderscheidend vermogen van het oog 10.7. Kleurendriehoek op u-v coördinaten 10.8. Afwijkingen van de normale kleure~zin

10.9. Literaniur over kleurenleer Literatuurverwijzingen

11. FlEK1RONISCHE CODERING VAN DE KLEURINFORMATIE 11.1. Principe van kleurentelevisie, keuze der grondkleuren 11.2. Keuze van het witpunt

11.3. Normaliseren van de beeldsignalen: luminantiesignaal Literatuurverwijzingen

12. OVERDRACHf VAN DE VOlLEDIGE BIEDINroRMATIE 12.1. Luminantie- en kleurinformatie

12.2. Keuze der over te dragen signalen

12.3. Chrominantiesignalen en chromaticiteitssignalen 12.4. Overdrachtssystemen, compatibiliteit

12.5. Het principe 'constante luminantie'

12.6. Gammacorrectie: gevolgen voor de lurninantie-overdracht 12.7. Grootte der luminantiedefecten

Literatuurverwijzingen Inhoud 9 103 105 110 112 115 116 118 118 122 124 126 131 134 136 136 138 141 149

iso

150 152 153 158 161 163 167 168 168 170 172 175 178 180 182 183 185 185 187 187 190 192 193 194 194 196 200 202 202 203 205 208

13. OVERDRACHI'SSYS'IEMEN VOOR KlEURENI'FLEVISIE 13.1. Bandbreedte-eis

13.2. NTSC-systeem

13.3. Inrichting van de codeer- en decodeerschakelingen 13.4. Compatibiliteit van het NTSC-signaal

13.5. Onderling overspreken van luminantie- en chrominantiesignalen 13.6. 1-en Q-signalen

13.7. DifferentH!le amplitude- en fasefouten 13.8. PAL-systeem

13.9. Keuze van de hulpdraaggolf in hetPAL-systeem 13.10. Synchronisatie van de fase-omschakeling 13 .11. Vergelijking van PAL-systeem en NTSC-systeem 13.12. SECAM-systeem

Literatuurverwijzingen 14. "WF.ERGFEFSYSIEMEN

14.1. Algemene opzet van systemen voor beeldweergave 14.2. Fysische principes voor lichtopwekking

14.3. Aftasting 14.4. Weergeefbuizen

14.5. Contrast van weergeefbuizen 14.6. Instelling van beeldbuizen 14.7. Kleurenweergeefbuizen

14.8. Weergeefsysten1en voor grote beeldformaten 14.9. Nieuwe ontwikkelingen: toekomstperspectief Literatuurverwijzingen

15. ONIV ANcmS VOOR KlEURENI'FLEVISIE

15.1. Verwerldng en weergave van de kleurinformatie 15.2. Mogelijkhed~n om de beeldkwaliteit te verbeteren 15.3. Kwaliteitsvabetering binnen de vastliggende standaard 15.4. Vlakflikka

15.5. Lijnflikker en 'line-aawl' 15.6. ZichtbaarlJeid van de lijnstructuur

15.7. Algemene overwegingen met betrekking tot de toepassing van beeldgeheugens 15.8. Cross-colour en cross-Iuminance

15.9. 'Ghostcancellation' Literatuurverwijzingen

16. TEUMsIESYS'IEMEN MEI' HOGE DEFINrrIE 16.1. Waarom HDTV?

16.2. Wat is HDTV? 16.3. Kwaliteitsbeoordeling

16.4. Compatibele verbetaingen van de signaalopbouw 16.5. Frequentiedomein

16.6. Tijddomein

16.7. Compatibele systemen die een extra kanaal gebruiken 16.8. Incompatibele systemen

16.9. Niet-compatibele, convertee"l"bare systemen 16.10. MAC-systeem

16.11. Volledig digitale systemen

16.12. Produktiestandaard en transmissiestandaard Literatuurverwijzingen 'fREfWOORDEN 209 209 212 216 220 ·221 222 228 230 235 237 238 240 243 245 245 246 246 248 250 252 253 257 259 261 263 263 266 267 269 270 270 270 272 277 277 279 279 279 281 283 284 292 . 295 296 299 300 308 311 312 315'

1

beeldtechniek

Beeldinformatie en

1.1. Inleiding

11

Beeldinfonnatie is een vonn van infonnatie waannee we zeer vertrouwd zijn, immers alle infonnatie die ons via onze ogen bereikt behoort tot deze categorie. De mens is bijzonder goed geëquipeerd om met deze vonn van infonnatie om te gaan. Wij beschikken over een verbluffend groot vennogen om in beelden bepaalde structuren of patronen te ontdekkén. Het is dan ook geen toeval dat zelfs bij de presentatie van infonnatie die van nature niet het karakter van beeldinfonnatie heeft, toch vaak gekozen wordt voor wee~gave in beeldvonn, bijvoorbeeld door middel van grafieken, histogrammen, e.d. Als we beeldinformatie technisch willen behandelen is het praktisch te beschikken over een bruikbare defmitie van het begrip 'beeld'. We zullen dit begrip defmiëren als een structuur van lichtuitstralende elementen. In de meest algemene vonn is deze structuur driedimensionaal. Praktisch hebben we echter meestal met tweedimensionale structuren te maken. Ook een op het netvlies van het oog gevonnd beeld is tweedimensionaal.

Beeldtechniek is zo oud als de mensheid. Reeds lang vóór er enig schriftsysteem ontwikkeld was beschikten de mensen over middelen om beelden vast te leggen. De

grafische techniek heeft het lang moeten stellen met middelen die steunden op handvaardigheid, zoals tekenen, schilderen en boetseren. De komst van fotografische technieken betekende een grote doorbraak op het terrein van de beeldtechniek. Eerst ongeveer zestig jaar geleden deed de elektronica haar intrede in de beeldtechniek. De

elektronische beeldtechniek heeft zich vervolgens zeer snel ontwikkeld. Een belangrijke component hierin is de televisietechniek. Maar elektronische beeldtechniek omvat meer dan alleen televisietechniek. Voorbeelden zijn systemen voor waarneming . bij zeer lage lichtniveaus, facsimilesystemen, röntgenbeeldversterkers, radarweergeef-systemen, middelen en systemen voor de opslag van beeldinfonnatie, systemen voor de extractie van specifieke bestanddelen van de beeldinfonnatie, enz. De moderne elektronische beeldtechniek is een veelomvattend terrein. Niet alles kan in het bestek van dit boek aan de orde komen. De nadruk zal liggen op fundamentele aspecten, echter zonder praktisch technische aspecten uit het oog te verliezen. .

1.2. Waarneming van beeldinformatie

Beeldinfonnatie ontleent haar betekenis in hoge mate aan het feit dat deze vonn van infonnatie zeer goed past bij het menselijk waarnemingsvennogen. Het uiteindelijke resultaat van op beeldinformatie uitgevoerde bewerkingsoperaties zal bijna altijd in een voor visuele waarneming geschikte vonn moeten worden gebracht. Kennis van de voornaamste eigenschappen van het visuele zintuigsysteem is dan ook onontbeerlijk voor een ieder die zich bezig houdt met beeldtecbniek.

De eigenschappen van het visuele systeem wprden niet alleen bepaald door de anatomische structuur van het oog, maar ook door de wijze waarop de door het oog opgenomen informatie in het centrale zenuwstelsel wordt verwerkt. In het navolgende wordt een samenvatting gegeven van de voor de beeldtecbniek belangrijkste eigen-schappen van het visuele zintuigsysteem.

iris hoornvlies

netvlies

Figuur 1.1. Opbouw van de oogbol.

De buitenste omhulling van de oogbol (figuur 1.1) wordt gevonnd door een mantel van taak en stevig weefsel, dat voor het grootste deel wit is en vrijwel ondoorzichtig.

In het centrum van de voorzijde bestaat de.mantel uit het zeer goed transparante hoornvlies. Daarachter bevindt zich een kleine met een transparante vloeistof gevulde holte, waarvan de achterzijde gevonnd wordt door de iris waarin zich het diafragma bevindt, waarvan de grootte zich instelt op de hoeveelheid licht die het oog bereikt. Hierachter bevindt zich de ooglens die naar behoefte boller of platter kan worden gemaakt, waardoor focussering op een bepaalde voorwerpafstand mogelijk is. Het brekend vermogen van het hoornvlies (cornea) bedraagt ongeveer 40 dioptrie (een dioptrie is het brekend vermogen van een lens met een brandpuntafstand van 1 meter). Het brekend vermogen van de ooglens is instelbaar tussen ca. 20 en 30 dioptrie. Het instelbereik van ca. 10 dioptrie bepaalt het zogenaamde accomodaJievermogen van het oog. Een instelbereik van 10 dioptrie impliceert dat de kleinste afstand waarop nog scherp kan worden waargenomen 10 cm bedraagt Het accommodatievennogen neemt

Beeldinformatie en beeldtechniek 13

af met de leeftijd. De vennindering van dit vermogen wordt aangeduid met de term presbyopie.

De binnenzijde van het oog is bekleed met het netvlies (retina), dat het afbeeldingsvlak vormt waarop het door de lens gevormde beeld wordt geprojecteerd. Het netvlies is voorzien van een groot aantal lichtgevoelige cellen of receptoren, de staafjes en kegeltjes. Wanneer licht op deze receptoren valt, reageren ze hierop met de vonning van elektrische impulsen die _worden doorgegeven aan de oogzenuw, die deze verder transporteert naar het visuele verwerkingscentrum in ~e hersenen. Een klein gebied, gelegen tegenover de lens, bevat uitsluitend kegeltjes die hier een zeer grote ruimtelijke dichtheid vertonen. Dit gebied heet de fovea of gele vlek. Het grote aantal in dit gebied aanwezige receptoren maakt een optimale waarneming van beelddetails mogelijk; de gezichtsscheIpte is maximaal bij afbeelding op de fovea. In de meest voorkomende kijkomstandigheden stelt het oog zich zo in, dat afbeelding op de fovea plaatsvindt. De ruimte tussen retina en lens is gevuld met een transparante taaie massa, het zogenaamde glasachJige lichaam.

Van 'constructief' standpunt gezien kan men zeggen dat het lichtopvangende en afbeeldende deel van het gezichtszintuig volgens betrekkelijk eenvoudige principes is opgebouwd. Zo blijkt bijvoorbeeld de compensatie van afbeeldingsfouten (astigmatis-me, sferis~he aberratie, chromatische aberratie) allerminst perfect te zijn. Het genoemde deel, dat men technisch beschouwd als een transducent kan opvatten en_dat in het alledaagse spraakgebruik gewoonlijk 'het oog' wordt genoemd, is voorzien van een groot aantal regelmechanismen ten behoeve van de aanpassing aan de in de natuur sterk wisselende omstandigheden waaronder het zintuig moet functioneren. Deze regelmechanismen zijn ieder voor zich weer vrij eenvoudig in hun werking. De eigenschappen van het zintuigsysteem als geheel doen een veel grotere perfectie vermoeden dan verklaard kan worden aan de hand van de eigenschappen van de 'transducent' alleen. Dit is te danken aan het zeer complexe, in het zenuwstelsel (in het bijzonder in de hersenen) gelokaliseerde informatieverwerkingssysteem, dat tal van operaties en correcties uitvoert op de ontvangen beeldinformatie. Het is vooral dit aspect van het visuele systeem dat het zijn zeer centrale functie geeft in het informatie-contact tussen de mens en zijn omgeving.

Het menselijk oog is gevoelig voor elektromagnetische straling in het golflengregebied van ca. 350 nm (1 nm

=

10-9 m) tot ca. 700 nm. Elektromagnetische straling in dit golflengtegebied duidt men aan met de naam licht. Straling met de kleinste der genoemde golflengten wordt waargenomen als blauw licht, die met de grootste golflengte als rood licht Tussenliggende golflengten worden waargenomen volgens de kleuren van het spectrum in de volgorde violet, blauw, blauwgroen, groen, geel,

oranje, rood. Straling met een golflengte kleiner dan die van violet licht wordt niet door het oog waargenomen, maar men duidt straling in dit golflengtegebied toch wel aan met de naam licht en spreekt dan van ultraviolet licht. Evenzo duidt men straling waarvan de golflengte die van rood licht overtreft, ~ met de naam infrarood licht De natuurkunde leert dat licht ook kan worden opgevat als een stroom van deeltjes met energie hv

=

he/J., (h is de constante van Planck, v de frequentie van de elektro-magnetische straling, edevoortplantingssnelheid van het licht, J., de golflengte). Men spreekt van lichtquanta oflotonen. De intensiteit van een elektromagnetisch stralings-verschijnsel kan op verscheidene wijzen worden aangegeven. De meest directe methode gebruikt een vermogensgrootheid, bijvoorbeeld de watt Goule per seconde). Men kan echter ook opgeven de grootte van de élektrische (of magnetische) veld-sterkte, dan wel het aantal fotonen per seconde. In het laatste geval dient uiteraard ook de frequentie van het stralingsverschijnsel te worden vermeld. _

In vele gevallen zijn we vooral geïnteresseerd

in de

reactie van het oog op een aangeboden lichtprikkel. We zullen deze aanduiden met de term lichtindruk. Deze is groter naarmate de energie van de straling die het oog bereikt, groter is. Echter, de lichtindruk hangt niet alleen af van het vermogen van de ontvangen straling, doch ook van de golflengte. Om een bepaalde lichtindruk tot stand te brengen is een veel geringer vermogen nodig wanneer het om groen licht gaat, dan wanneer het om rood of blauw licht gaat Blijkbaar is het oog niet even gevoelig voor licht van verschillende golflengten. Voor 'licht'· buiten het zichtbare gebied is de gevoeligheid nul. Het verband tussen ooggevoeligheid en golflengte vertoont van waarnemer tot waarnemer geringe verschillen. Ook is het bij een gegeven waarnemer niet geheel constant, doch onder meer afhankelijk van de adaptatietoestand van het oog, vermoeidheidsverschijn-selen en omgevingsinvloeden. Noemen we de gevoeligheid G(J.,), en stellen we deze

=

1 voor de lichtsoort die, per watt lichtvermogen, de sterkste lichtindruk geeft, dan ~ de lichtindruk die een hoeveelheid lichtvermogen E(J.,) opwekt, genoteerd worden als K·q(J.,)·E(J.,), waarin K een nader te kiezen. evenredigheidsconstante voorstelt. Deze lichtindruk blijkt een additieve grootheid te zijn: de lichtindruk die twee tegelijk optredende lichtverschijnselen met golflengten J.,1 en J.,2 opwekken, is gelijk aan de som der beide afzonderlijke lichtindrukken, dus K[G(J.,I)E(J.,I)

+

G(J.,2)E(J.,ûl. Heb-ben we te maken met een continu spectrum, dan kunnen we dit onderverdelen in een (oneindige) reeks van infInitesimaal kleine golflengtegebied jes dÀ.. Aan elke golflengte kan nu een grootheid G(J.,) worden toegevoegd. De totale lichtindruk bedraagt dan

~

B(J.,)

=

K

J

G(J.,)E(J.,) dÄ .\=0

(1.1)

Aangezien G(J.,) voor golflengten buiten het zichtbare gebied nul bedraagt, kan (1.1) ook geschreven worden als

Beeldinformatie en beeldtechniek 15

~70Onm

BOl)

=

K

I

G(Ä)E(Ä) <lA. (1.1a)

~3S0nm

Uit het voorgaande blijkt dat de lichtindruk: in feite een psychologische grootheid is, wellçe niet toegarikelijk is voor fysische metingen en daardoor niet goed bruikbaar voor numerieke en technische beschouwingen. De ingevoerde grootheid G(Ä) is namelijk geen objectieve grootheid. zij hangt immers af van de waarnemer en diens toestand.

Voor numerieke technische beschouwingen heeft men behoefte aan een objectief meetbare grootheid die met behulp van fysische meetmethoden op ondubbelzinnige wijze kan worden bepaald en die toch de gewenste analogie vertoont met de eerder beschouwde lichtindruk. Men spreekt in zo 'n geval van een psychofysische grootheid.

In het aan de orde zijnde probleem is de moeilijkheid gelegen in de onbepaaldheid van G(Ä). Hieraan ontkomt men nu door in plaats van G(Ä) een gestandaardiseerde functie in te voeren. We geven deze aan met V(Ä), de zogenaamde inlernationaJe ooggevoelig-heidskromme, die bepaald is door het gemiddelde te nemen van een groot aantal zorgvuldig uitgevoerde metingen van de individuele ooggevoeligheidskrommen van normale waarnemers. De aldus geobjectiveerde lichtindruk zullen we aanduiden met de naam lichtstroom. De grootte hiervan wordt uitgedrukt in lumen. Voor de lichtstroom

ti) in lumen geldt aldus

A=-t!)

=

K

J

V(Ä)E(Ä) <lA. (1.2)

À=O .

waarin E(À) in watt is uitgedrukt en de constante K de waarde 680 lumen per watt heeft.

Opmerking

De keuze van deze constante is in wezen arbitrair. Men heeft de bovengenoemde waarde .gekozen op grond van de eigenschappen van een bij de invoering van de definitie volgens (l.2) reeds algemeen gebruikte standaardlichtbron ..

V(Ä) ligt vast als de aanvaarde internationale ooggevoeligheidskromme, zoals aangegeven in figuur 1.2.

1.3. Waarneming van licht uitstralende objecten;

helderheid en luminantie

Licht dat het oog bereikt is afkomstig van een primaire of secundaire lichtbron. Met de eerste bedoelen we een actieve producent van elektromagnetische straling, met de tweede een (passieve) reflector van zulke straling. Het oppervlak van elk stoffelijk

l

t

1,0 Vel)

I

0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 400

-

V

I

/

/

/

500

\

.

\

\

\

\

"-600 700 golflengte ;._

Figuur 1.2. Internationale ooggevoeligheidskromme.

lichaam reflecteert een deel van de straling en absorbeert een ander deel daarvan. Een lichaam heet transparant als de absorptie zo gering is dat aan de niet-belichte zijde een deel van het niet-gereflecteerde licht weer uittreedt. Voorde meeste stoffelijke objecten

geldt dat hun reflectie, absorptie en transmissie afhangen van de golflengte. Het.

verband tussen golflengte en reflectiefactor noemt men de spectrale remissiekromme.

Treedt aan een oppervlak voor alle golflengten volledige of nagenoeg volledige

reflectie op, dan spreekt men van een wit oppervlak; is de reflectie voor alle

golflengten nul of nagenoeg nul, dan noemt men het oppervlak zwart. Is de reflectie

onvolledig, doch onafhankelijk van de golflengte, dan heet het oppervlak grijs. Is de

spectrale remissiekromme niet vlak, dan spreekt men van een gekleurd oppervlak. Is

de reflectie sterk voor langgolvig licht, doch gering voor kortgolvig licht, dan nemen

we het oppervlak als rood waar, in het tegengestelde geval als blauw, enz. Figuur 1.3

. geeft een voorbeeld van een spectrale remissiekromme voor een oppervlak dat bij

bestraling met wit licht als groen wordt waargenomen.

relatieve • retlectie

I

350 400 600

Figuur 1.3. Voorbeeld van een spectrale remissiekromme.

700

i.

-Onverschillig of een primair of secundair stralend object ongekleurd dan wel gekleurd licht uitstraalt, steeds zal het oog bij de waarneming een lichtstroom ontvangen. Naarmate per eenheid van oppervlak van het object een grotere hoeveelheid licht het

BeeldinforlJlatie en beeldtechniek 17 Men definieert de helderheid van een object in een bepaalde richting nu als de hoeveelheid licht die het per eenheid van oppervlak in die richting uitstraalt. De eigenschappen van de individuele waarnemer kan men weer uitschakelen door gebruik te maken van de internationale ooggevoeligheidskromme. Daarmee gaat de genoemde (subjectieve) grootheid

helderheid

over in een objectieve fysisch meetbare grootheid, die

men

aanduidt met de naam luminantie.

Zij de oppervlakte van een licht uitstralend object S en zij 8 de hoek waaronder dit oppervlak wordt waargenomen door het oog (figuur 1.4). De schijnbare of effectieve oppervlakte in de kijkrichting bedraagt dan S cos 8. Zij verder E(A.) het uitgestraalde ' vermogen bij de golflengte Á. In het algemeen zal het vermogen in alle richtingen uitgestraal,d worden. Voor de helder}leidsindruk is van belang de concentratie van de straling in de richting van het oog, dat wil zeggen het stralingsvermogen per eenheid v'an ruimtehoek liJ, dus E(Á)/liJ. De per eenheid van (schijnbaar) oppervlak en per eenheid van ruimtehoek uitgestraalde energie is nu bepalend voor de helderheids-indruk. Op grond hiervan definiëren we de luminantie als

À=o

L

=

K

J

V(A.) E(Á) dA. Ä,= 0 liJS cos 8 ,

(1.3)

oog

s

normaal op het oppervlak S

Figuur 1.4. Bij de definitie van het begrip luminantie.

Ki~zen we weer K

=

680 lumen per watt, dan vinden we L in stilb of candela per cm2• Men drukt de luminàntie oo~ wel uit in candela per

m2

of nit

=

10-4 candela/cm2• In de Amerikaanse literatuur wordt de luminantie dikwijls

inioot-Iambert

=

3,426 x 10-4 candela per cm2 opgegeven.

, Uit het voorgaand~ blijkt dat de luminantie van een lichtuitstralend oppervlak een eigenschap van dat oppervlak is, die onafhankelijk is van de wijze van waarnemen of meten. Enkele numerieke gegevens kunnen een indruk geven van de grootteorde van de genoemde luminantie-eenheden.

De

luminantie van de zon wanneer deze in het zenit staat, bedraagt ca. 16,5 x 1000stilb, die van de maan bij heldere hemel ca. 0,76 stilb, die van het scherm van een weergeefbuis voor televisie ca. 0,06 stilb, bij fIlrnprojectie bedraagt de luminantie van het scherm ca. 0,003 stilb. De lumen kan worden beschouwd als de fundamentele fotometrische grootheid waarvan de definitie direct is gerelateerd aan het betrokken stralingsvermogen. Alle overige fotometrische

groot-heden kunnen hieruit worden afgeleid. Hoewel we in dit boek geen directe behoefte hebben aan andere begrippen dan de lichtstroom (eenheid lumen) en de luminantie

(eenheid stilb), volgen hier ter wille van de volledigheid nog de definities van de belangrijkste overige fotometrische grootheden.

De lichtsterkte (Eng. luminous intensity) van een licht uitstralend voorwerp in een bepaalde richting wordt gedefinieerd als de lichtstroom per eenheid van ruimtehoek in die richting of, wat op hetzelfde neerkomt, als het produkt van luminantie en oppervlakte (in cm2) in die richting. De eenheid is derhalve lumen per sterradiaaJ of

candela. De candela is dus de lichtsterkte van een vlakje van 1 cm2 met luminantie 1 stilb. De verlichtingssterkte (Eng. illuminance) van een vlakje is de hoeveelheid licht die het per m2 _{ontvangL De eenheid is derhalve lumen per}

mz

_{of lux.}

De door een voorwerp uitgestraalde hoeveelheid licht per eenheid van ruimtehoek (dat is de lichtsterkte van dat voorwerp) is in het algemeen een functie van de richting. Een belangrijk en (althans bij benadering) veel voorkomend geval is dat de lichtsterkte I

cosinusvormig afhangt van de richting, dus 1= 10 cos

a,

als 10 de lichtsterkte voorstelt in de richting loodrecht op het lichtende oppervlak (figuur 1.5). Gemakkelijk leidt men af dat voor een lichtend vlakje dat aan deze zogenaamde cosinuswet van Lambert

voldoet, geldt dat de luminantie in alle richtingen dezelfde is. Zuiver diffuus reflecterende oppervlakken en ook schennen van weergeefbuizen voldoen met goede benadering aan deze wet.

10 cos er:

er:

/

voorwerp

Figuur 1.5. Lichtsterkte als functie van de richting (wet van Lambert).

Praktisch hebben we gewoonlijk niet te maken met een geïsoleerd lichtreflecterend object, doch met een samenstel van vele objecten of delen daarvan. We zullen in zo'n geval spreken van een scène. Wordt een scène volkomen gelijkmatig verlicht en bestaat de scène uitsluitend uit diffuus reflecterende objecten, dan treedt de maximaal mogelijke luminantie op in die delen die volledig het opvallende licht reflecteren. In vele gevallen zijn we nu in hoofdzaak geïnteresseerd in de verhoudingen der luminanties van de delen der scène, niet in de absolute grootten daarvan. Het is dan doelmatig de maximale luminantie

=

1 te stellen en de minimale

=

O. Laatstgenoemde treedt op in die delen van de scène die in het geheel geen licht reflecteren.

Beeldinformatie en beeldtechniek' 19

1.4.

Contrast

Een scène zal in het algemeen delen omvatten van zeer verschillend luminantieniveau. Geven we de hoogste luminantiewaarde die in de scène voorkomt aan met

Lmax,

de laagste met

Lmm,

dan noemen we de verhouding

LmaJLmin

de COnlraslomvang van de scène. Zou in de scène een deel voorkomen dat in het geheel geen licht reflecteert, dus een ideaal zwart, dan zou de contrastomvang oneindig zijn. Ideaal zwarte delen komen in natuurlijke scènes niet voor, zodat de contrastomvang steeds een eindige waarde heeft. De sterkst reflecterende voorwerpen, dit zijn voorwerpen die we waarnemen als helder wit, reflecteren zelden meer dan 80

à

90% van het opvallende licht; als diep zwart beoordeelde voorwerpen reflecteren in werkelijkheid steeds nog ca. 4% van het opvallende licht. Bij egale belichting zal dus de contrastomvang 20 à 25 bedragen. Deze situatie doet zich onder andere voor bij foto's. De verschillen in transparantie van voorwerpen kunnen aanzienlijk groter zijn; in een goed diapositief laten de donkere delen minder dan 1 % van het opvallende licht door, zodat hier de contrastomvang gemakkelijk ca. 100 kan bedragen. Is de verlichting niet gelijkmatig, dan is de contrastomvang van de verlichte scène gelijk aan de verhouding der reflectiefactoren vermenigvuldigd met de verhouding der voorkomende verlichtingssterkten. In een door zonlicht beschenen landschap kan de verhouding tussen de verlichtingssterkten in het volle licht en in de schaduw gemakkelijk 100 bedragen, zodat de contrastomvang van de scène ca. 2500 kan bedragen. Weergeefsystemen van welke aard ook (fotografie, film, televisie) leveren een veel kleinere contrastomvang op. Dit betekent dat bij het weergeven van zeer contrastrijke scènes aanpassing van de contrast-verhoudingen nodig is. De totale contrastomvang van de oorspronkelijke scène moet daartoe op een passende wijze gecomprimeerd worden tot die van het weergeef-systeem.

Behalve van de verlichtingsverhoudingen envan de reflecterende eigenschappen van de voorwerpen die deel uitmaken van de scène, hangt het contrast ook af van de inhoud van de scène. De oorzaak hiervan is gemakkelijk te begrijpen aan de hand van twee extreme gevallen. Beschouwen we eerst een scène bestaande uit een groot zwart vlak met daarin een klein wit vlakje (figuur 1.6a). De totale hoeveelheid gereflecteerd licht is dan gering en daarmee ook het bij de reflectie optredende strooilicht, dat op de weinig reflecterende delen van de scèlle terechtkomt en daardoor het contrast bederft.

IJ

(a) (b) (c)

Figuur 1.6. Con trastsitua ties. (a) Wit detail in zwart vlak. (b) zwart detail in wit vlak; geschikt voor meting van detailcontrast (c) de helft van het beeldvlak is wit de andere helft zwart; geschikt voor meting van totaalcontrast.

Hebben we ~hter een groot wit vlak met in het midden een klein zwart vlakje (figuur 1.6b), dan zal dit zwarte vlakje sterk belast worden met strooilicht ten gevolge van de

. sterke reflectie van de witte omgeving. Het contrast kan hierdoor aanzienlijk afnemen.

Om deze reden maakt men onderscheid tussen totaalcontrast en detai/contrast. Een geschikte beeldinhoud voor het meten van het detailcontrast van bijvoorbeeld een weergeefsysteem, is die volgens figuur 1.6b. Voor de meting van het totaalcontrast maakt men gewoonlijk gebruik van een beeldinhoud als geschetst in figuur 1.6c. In beide gevallen meet men de luminantie in de zwarte en de witte delen en bepaalt dan de verhouding der gemeten waarden.

1.5. Fotopisch en skotopisch zien, Purkine-verschuiving

Het menselijk oog is in staat tot lichtwaarneming over een zeer groot bereik van lwninantieniveaus. De eigenschappen van de waarneming zijn echter niet onafhanke-lijk van het luminantieniveau. De voornaamste oorzaak hiervan is dat het netVlies van het oog is uitgerust met twee typen receptoren, te weten staafvormige receptoren, kortweg staafjes (Eng. rods) en kegelvormige receptoren, kortweg kegeltjes (Eng.

cones). Bij zeer lage lichtniveaus zijn alleen

de

staafjes werkzaam, bij middelmatige en hoge lichtniveaus worden de eigenschappen van het zien bepaald door de kegeltjes. Het zien bij lage lichtniveaus duidt men wel aan met de naam skotopisch zien (Grieks skotos

=

duisternis); bij de hogere lichtniveaus spreekt men vanfotopisch zien (Grieks phoos

=

licht). De eigenschappen van het skotopisch zien worden bepaald door de staafjes, die van het fotopisch zien door de kegeltjes. Een zeer karakteristiek verschil is dat de kegeltjes kleuren kunnen onderscheiden, de staafjes niet. In bijvoorbeeld maanlicht kunnen wij geen kleuren onderscheiden ('in het donker zijn alle katjes grauw'). Menigeen is zich dit nauwelijks bewust, ten gevolge van de neiging om de ontbrekende informatie automatisch aan te vullen met gegevens uit de herinnering. Ook verschilt de ~ggevoeligheidskromme in het skotopische gebied van die in het fotopische gebied De ooggevoeligheidskromme die wij hebben leren kennen, heeft betrekking op het fotopische gebied dat alle normaal bij daglicht en kunstlicht optredende lichtniveaus omvat. De top van de door de staafjes bepaalde skotopische ooggevoeligheidskromme is aanzienlijk versc~ven in de richting van het kortgolvige (blauwe) deel van het speCtrum. Figuur 1.7 illustreert dit verschil. Naar de Tsjechische fysioloog die als eerste het verschijnsel heeft beschreven, wordt dit verschijnsel wel PlUkinl-effect genoemd. Men kan het gemakkelijk waarnemen, in het bijzonder bij luminantieniveaus in het overgangsgebied tussen staafjes-zien en kegeltjes-zien, waar beide receptoren bijdragen tot de waarneming, zodat ook kleuren nog worden herkend. Zeer duidelijk manifesteert het effect zich wanneer men in een tuin de kleuren van bloemen en bladeren observeert tijdens het invallen van de schemering; blauwe bloemen blijken dan later hun helderheid te verliezen dan rode en gele.

Beeldinformatie en beeldtechniek 21 I, 0

Xi

,

/

\ \ 8 \

/

,

'

\ 6

0/

I

1\

\ a I

_\

4

J

I I

\

\

\ 2

/,

/'

_~'

.... " u 500 600 700 relatieve 0, helderheid 0, 0. 400 golflengte À. (nrn) ..

Figuur 1.7. Vergelijking van de skotopische ooggevoeligheid (kromme b) en de fotopische ooggevoeligheid (kromme aJ.

Ook in andere opzichten blijken de eigenschappen van het oog in het skotopische gebied af te wijken van die in het fotopische gebied, wals bijvoorbeeld de gezichts-scherpte en het vermogen om èontrasten te onderscheiden. De defInitie van laatst-genoemde grootheden komt ter sprake in de volgende paragrafen.

1.6. Gezichtsscherpte

Het vermogen van het oog om ruimtelijk van elkaar gescheiden in het gezichtsveld gelegen objecten te onderscheiden, duiden we aan met de term gezichtsscherpte. Deze is beperkt, onder andere door de anatomie van het oog. De ooglens is geen ideaal afbeeldingsinstrument en het netvlies bevat een eindig aantal lichtgevoelige receptoren (staafjes en kegeltjes). Het totaal aantal receptoren bedraagt meer dan 108, doch het aantal zenuwdraden in de oogzenuw is aanzienlijk geringer, waarschijnlijk in de orde van 800 000. Blijkbaar zijn groepen receptoren verbonden met dezelfde zenuwvezel. De gezichtsscherpte hangt overigens af van vele factoren, onder andere de adaptatietoestand van het oog, de vermoeidheid van de waarnemer, de kleur der waargenomen objecten en het luminantieinveau. In het skotopische gebied is de gezichtsscherpte aanzienlijk geringer dan In het fotopische gebied. We zullen ons beperken tot het laatstgenoemde gebied.

Een moeilijkheid bij de bepaling van de gezichtsscherpte is voorts dat deze ook afhangt

van de vorm van het waar te nemen object Een zwarte lijn op een witte achtergrond is onder gunstige omstandigheden reeds waarneembaar als de breedte, uitgedrukt in hoekmaat, ca. 1/2 boogseconde bedraagt, dat wil zeggen w'nlijn met een breedte b van 1 mm zou reeds worden waargenomen op een afstand d van ca. 400 m (fIguur 1.8). Dit is echter geen reële maatstaf voor de gezichtsscherpte. De zeer goede zichtbaarheid van de lijn is namelijk te danken aan het feit, dat de lijn in feite reeds herkend wordt als slechts enkele punten met zekerheid worden waargenomen, met . andere woorden het beeld van de volledige lijn bevat een grote hoeveelheid overmaat aan informatie (zogenaamde redundantie). Een betere maatstaf voor de

gezichts-L

22 Televisietechniek en beeldversterking

scherpte is de kleinste hoek waaronder een object met gelijke afmetingen in horizontale en verticale richting kan worden waargeno.men. Een algemeen gebruikt testobject is de zogenaamde ring van Landoll. Dit is een ring die op één plaats onderbroken is (figuur 1.9). De o.nderbreking fungeert als het eigenlijke testobject. De waarnemer wo.rdt nu gevraagd van een aantal verschillend georiënteerde ringen aan te geven waar zich de o.pening bevindt. Men bepàaIt dan de kijkafstand waarbij 50% van de o.peningen o.p de juiste wijze wordt waargeno.men. Is de breedte van de o.pening b en de aldus bepaalde kijkafstand d, dan is de gezichtsscherpte gedefinieerd als de hoek

a,

waarbij tan

a

=

bM

De o.p deze wijze bepaalde gezichtsscherpte blijkt ca. 1 boogminuut te bedragen. Zij vertoont o.verigens belangrijke individuele verschillen en hangt o.nder meer sterk af van de leeftijd van de waarnemer. Bij het klimmen der jaren neemt de gezichtsscherpte aanzienlijk af. De genoemde waarde van 1 boogminuut wo.rdt algemeen als reken-grootheid gebruikt voor berekeningen, die betrekking hebben op situaties waarin

beschikt moet wo.rden over een numerieke maat voor de gezichtsscherpte.

oog

\

.

hoek ex

b 2n

tan ex = d = I 296 000

Figuur 1.8. Zichtbaarheid van een zwarte lijn in een wit veld.

000

Figuur 1.9. Ringen van Landolt.

1.7.0nderscheidingsvermogen voor helderheidscontrasten

~

In de vo.rige paragraaf kwam het o.nderscheidend vermo.gen van het o.o.g voor de ruimtelijke aspecten van het waargeno.men beeld ter sprake. We moeten o.ns nu bezigho.uden met een tweede aspect van het o.nderscheidend vermo.gen, namelijk het waarnemen van helderheidsverschillen. Meer algemeen geformuleerd kan deze vraag teruggebracht worden tot die naar het verband tussen de (fysisch meetbare) intensiteit van een zintuigprikkel (stimulus) en de als gevolg daarvan o.ptredende zintuigreactie. Hierover is veel o.nderzoek verricht, waaraan in het bijzonder de namen zijn verbonden

Beeldinformatie en beeldtechniek . 23

van ER. Weber (1795 - 1878) en G.T. Fechner (1801 - 1887). Het onderzoek bracht aan het licht dat in het algemeen het verband tussen prikkel en gewaarwording logaritmisch is. Er is een bepaalde minimumtoename van de prikkel nodig om een juist waarneembare toename van de zintuigreactie tot stand te brengen. Men noemt dit het juist waarneembare prikkelverschil. We zullen dit voortaan aangeven met de aflcorting

JND (just noticeable difference). Op grond van het genoemde logaritmische verband is het JND een vast percentage van de prikkel, de absolute waarde van het JND neemt dus toe met het prikkelniveau. Het JND voor de helderheidsstimulus blijkt geen vaste waarde te hebben, doch afhankelijk te zijn van het algemene helderheidsniveau, hetgeen in feite een afwijking impliceert van het zuiver logaritmische verband over het gehele contrastbereik van het gezichtszintuig, dat we in het vervolg kortweg zullen aanduiden met de term 'het oog'. Bovendien blijkt het JND af te hangen van de afmetingen van het waargenomen object. Figuur 1.10 toont het resultaat van door Blackwell (Ref. 1.1) uitgevoerde metingen over het JND als functie van het helderheidsniveau en de in boogminuten gemeten afmeting van het waargenomen object. Uit figuur 1.10 blijkt dat het minimaal waarneembare contrastverschil in het skotopiscbe gebied veel groter is dan in het fotopische gebied. Bovendien blijkt dat het voor grote objecten (2°) aanzienlijk kleiner is dan voor kleine objecten (3,6'). Voor een object van 55', (dus ca. 1°) is in het skotopische gebied een toename van de helderheid van ca. 100% nodig om een juist waarneembaar verschil te produceren. Dit betekent dat in een beeld waarvan de contrastomvang 50 bedraagt, het aantal onderscheidbare helderheidsniveaus (het aantal JND's + 1), 1 + log 50/log 2 bedraagt, dit is ca. 7 niveaus. In het fotopische gebied geldt voor een object van dezelfde omvang dat het

1000

A:

1'00

t--p.oc---po~-+---t---+--+--f--+--+-~

10r---~~~~~--~--+---+-~~--~--~--~

O,QII-~~=b~:!:=J~-1~~~ê~~~~~-~

I

~---~v~----~

fotopisch gebied O.OOI ... -"'---..&..._..&..._...L..._...L.._...L.._...J...._...L_...L_...I 10-7 10-6 _{IO-! 10-}4 _10-3 _10-2 _{0.1 10 \00 1000} B = luminantie in footIamberts

-Figuur 1.10: Minimaal waarneembare luminantie verschillen voor 90% trefzekerheid (naar Blackwell, Ref. 1.1). !lBIB

=

minimaal waarneembaar relatief luminantieverschil.

JND ca. 2% bedraagt Het aantal onderscheidbare helderheidsniveaus bedraagt nu 1 + log 50/log 1,02", 200.

·Deze wetenschap heeft een belangrijke praktische consequentie. Gaat het bij de interpretatie van een gegeven beeld vooral om het onderscheiden van kleine contrast-verschillen, dan moet er naar gestreefd worden de luminantie van het beeld zo groot te doen zijn dat waarneming in het fotopisch gebied bereikt wordt. Voldoet de primair beschikbare beeldinformatie niet aan deze eis, dan dient men een passende versterking

. yan de intensiteit te realiseren. De mogelijkheden deze tot stand te brengen met behulp van elektronische middelen komen later aan de orde. Belangrijke voorbeelden van beeldinformatie waarbij de contrastverhoudingen van grote betekenis zijn, vindt men in de röntgentechniek.

1.8.

Onderscheidingsvermogen voor kleurverschillen

Verschilt de spectrale samenstelling van twee lichtsoorten, dan zullen in het algemeen de waargenomen kleuren verschillen. Dit levert een derde discriminerende eigenschap van het oog op. Het verschijnsel kleur en de waarneming daarvan vereist een aparte behandeling. We stellen deze voorlopig uit, daar vele in de praktische beeldtechniek voorkomende situaties betrekking hebben op éénkleurige (zogenaamde qlOnochrome) beelden. We volstaan hier met de opmerking dat het discriminerend vermogen van het oog voor kleurverschillen aanzienlijk is. Later zal blijken dat het aantal gescheiden waar te nemen kleuren het aantal gescheiden ,,:aar te nemen helderheidsniveaus belangrijk overtreft.

1.9.

Onderscheidend vermogen voor variaties in de tijd

Het vierde en laatste aspect van het discriminerend vermogen van het oog heeft betrekking op variaties van de aangeboden beeldinformatie in de tijd. Bieden we het oog een reeks in de tijd gescheiden lichtprikkels aan en verkleinen we de tijdsruimte tussen de prikkels, dan blijkt dat beneden een bepaalde tijdsruimte de prikkels niet gescheiden worden waargenomen: Er vindt dan versmelting plaats. Zolang dit niet het geval is, waardeert het oog het intermitterende" licht als flikker, die in het algemeen als hinderlijk wordt ondervonden. De frequentie waarbij nog juist flikker wordt waar-genomen, noemt men de kritische flikkerfrequentie. Deze is individueel verschillend en hangt bovendien af van verscheidene karakteristieke grootheden van de aangeboden reeks lichtprikkels. Met name dienen te worden genoemd de intensite.it van het licht (bij toenemende intensiteit neemt de kritische flikkerfrequentie toe), de 'duty-cycle' van de pulsreeks en trouwens algemeen de vorm van de functie die het verloop van de intensiteit in de tijd beschrijft, de grootte van het gezichtsveld en de plaats op het netvlies die door het licht wordt getroffen (aan de periferie van het netvlies is de kritische flikkerfrequentie hoger dan in het centrum). Voor helderheidsniveaus in het

Beeldinformatie en beeldtechniek 25

fotopische gebied ligt de kritisChe flikkerfrequentie in de regel tussen 50 en 70 perioden per seconde. De kritische flikkerfrequentie is een maat voor de traagheid van het oog, of anders gezegd: voor de persistentie van de lichtindruk.

Het (hinderlijke) flikkereffect wordt alleen waargenomen bij periodieke stimuli. Langzaam verlopende, niet periodieke intensiteitsvariaties, zoals die in natuurlijke scènes voorkomen, geven geen aanleiding tot flikkereffecten.

1.10. 8eeldtechniek in verband met de eigenschappen v.an

het oog

In het voorgaande zijn verschillende aspecten van het discriminerend vermogen van het menselijke visuele zintuig aan de orde gekomen. Zij zijn in tweeërlei opzicht van belang voor de beeldtechniek. In de eerste plaats bepalen ze de eisen die moeten worden gesteld aan op beeldtechniek gebaseerde waarnemingssystemen en de daarmee verbonden systemen voor signaalbehandeling. Zo is bijvoorbeeld de gezichtsscherpte een maatstaf voor het aantal afzonderlijke beeldelementen waaruit een weergegeven beeld moet zijn opgebouwd. De ]NO ~oor luminantieverschillen is een beslissende grootheid voor de vereiste minimale signaal-ruisverhouding; immers, ruisamplituden die kleiner zijn dan de JND leiden niet tot waarneembare ruisverschijnselen. De kritische flikkerfrequentie is een bepalende grootheid voor de verversingssnelheid van weer te geven beeldinformatie. Met betrekking tot deze laatste grootheid is het van belang te weten dat zij afhangt van het luminantieniveau: heldere beelden vragen om een hogere verversingssnelheid.

In de tweede plaats geven de discriminerende eigensclJappen van het oog aanleiding tot de formulering van eisen met betrekking tot speciale beeldtechnische systemen. Zo is het bijvoorbeeld van belang te weten dat het discriminerend vermogen in het fotopische gebied veel beter is dan in het skotopische gebied. Ongeacht het luminantieniveau van de oorspronkelijke beeldinformatie moet bij de weergave een fotopisch presentatieniveau worden nagestreefd Op grond hiervan bestaat er behoefte aan systemen voor versterking van het lichtniveau. Dit is onder andere van belang bij nachtzichtapparatuur en bij de presentatie van röntgenbeelden. Het eindige discrimi-nerend vermogen voor luminantiecontrasten kan aanleiding zijn tot het streven naar contrastexpansie van bepaalde delen van de beeldinformatie. De eindige gezichts-scherpte kan aanleiding zijn tot de wens beelddetails vergroot weer te geven en het beperkte vermogen tot discriminatie van temporele variaties kan aanleiding zijn tot het ontwikkelen van systemen waarin tijdexpansie gerealiseerd wordt ('slow motion'). Dit alles stelt nog eens het belang in het licht van kennis over de eigenschappen van het visuele zintuigsysteem;

1.11. Ruimtelijk zien; beperking tot vlakke beelden

In paragraaf 1.1 hebben we een beeld gedefinieerd als een structuur van optische

elementen, waarin de geometrische samenhang een essentiële functie heeft. In het meest algemene geval heeft het beeld een driedimensionale structuur. Fungeert dit als informatiebron, dan wordt de informatie bepaald door de optische emissie van elk punt in dit ruimtelijke beeld. Het gezichtszintuig beschikt over vele hulpmiddelen die het in staat stellen tot ruimtelijke waarneming. Het belangrijkste hulpmiddel IS de analyse van het onderlinge verschil der door beide ogen waargenomen beelden. Figuur 1.11 illustreert de situatie. Het linkeroog L ziet de afstand tussen de punten P en

Q

onder een hoek 810 het rechteroog R onder een hoek (h. Het is gebleken dat een verschil van

2 boogseconden tussen beide hoeken reeds voldoende is om het diepteverschil waarneembaar te maken. De op deze wijze verkregen informatie wordt aangevuld met gegevens ontleend aan de accomodatietoestand van het oog (scherpstelling van de ooglens), veranderingen in het waargenomen beeld bij geringe oogverplaatsing en met in het geheugen beschikbare gegevens over de grootteverhoudingen van bekende objecten. Hieruit blijkt wel dat voor het technisch vastleggen van een ruimtelijk beeld het vormen van vlakke afbeeldingen van twee verschillende posities uit, in feite niet toereikend is. Volledig vastleggen van het ruimtelijke beeld vereist het vastleggen van alle informatie die aanw~zig is in de golffronten der door het beeld uitgestraalde lichtgolven. De recente ontwikkeling der zogenaamde holografie heeft dit mogelijk

gemaakt. Ter beperking van ons studieterrein zullen we het onderwerp der ruimtelijke beeldanalyse e~ -reconstructie verder buiten beschouwing laten. We zullen ons derhalve beperlcen tot tweedimensionale beelden.

P Q

Figuur 1. 11. Binoculair zien.

De volledige beschrijving van de optische emissie van elk punt in een twee-dimensionaal beeld omvat opgave van de eerder gedefinieerde lwnitiantie daarvan en

de

/deur,

welke laatste bepaald wordt door de verdeling van de geëmitteerde straling over het spectrum.

In vele voor de praktische toepassing van elektronische beeldtechnieken belangrijke situaties gaat het om éénkleurige (zogenaamde monochrome) beelden. In deze gevallen wordt het beeld geheel bepaald door de luminantieverhoudingen. In andere gevallen

Beeldinformatie en beeldtechniek 27

vormt naast de luminantie, de kleur mede een essentieel bestanddeel van de beeldinformatie. Om de behandeling van

Ons

onderwerp overzichtelijk te houden zullen we ons voorlopig beperken tot beelden die uitsluitend door hun luminantie zijn gekenmerkt. In een later stadium komt dan eerst de kleurenleer, vervolgens de verwerking van kleurinformatie ter sprake.

Opmerking

Men verwarre het begrip monochroom (éénkleurig) niet met het begrip

monochromatisch, dat betekent: uit slechts één spectrale lichtsoort bestaande. Op de betekenis van dit onderscheid komen we terug in het hoofdstuk over kleurenleer. Voor een verdergaande bestudering van de in dit hoofdstuk ter sprake gekomen onderwerpen bieden de meeste handboeken op het gebied van de optica en van· de televisietechniek ruimschoots materiaal. Het meest uitgebreide handboek van de TV-techniek is Ref. 1.2. Dit boek dateert van 1957, maar voor onderwerpen als het onderhavige is het nog steeds. een bruikbare bron van gegevens.

Een goed overzicht van de eigenschappen van het zien in verband met technische weergeefsystemen is te vinden in Part I van het als Ref. 1.3 vermelde handboek. Ref. 1.1. H .R. Blackwell. Contrast thresholds of the human eye, 10umal of the

Optical Society of America, 36. (1946), pp. 624-643.

Ref. 1.2. p.G. Fink. e.a" Television Engineering Handbook, McGraw HilI, New York, 1957, hoofdstuk 3.

Ref. 1.3. p. Bosman (editor), Display Engineering, North Holland, Amsterdam, 1989.

2

Technische aspecten van

beeldinformatie

2.1. Informatieinhoud van een beeld

Beschouwen we eerst een stilstaand tweedimensionaal monochroom beeld. We vragen ons nu af hoeveel informatie dit beeld bevat. Mathematisch beschouwd omvat het beeld een oneindig groot aantal punten. die alle gekarakteriseerd zijn door hun plaats in het beeld en hun luminantie. Een beeld kan echter alleen dan een voor de mens zinvolle functie hebben. als het gedragen wordt door een materiële strucwur die als beelddrager fungeert. Deze kan uiteenlopende vormen aannemen, bijvoorbeeld een fotografische plaat, een afbeelding op papier, op een weergeefbuis, op een röntgenscherm, maar ook op het netvlies van het oog. Geen enkele beelddrager vertoont een 'oneindig fijne structuur. Dientengevolge is het oplossend vermogen steeds eindig. Zo wordt bij een fotografische afbeelding de afmeting van het kleinste detail dat kan worden vastgelegd, bepaald door de korrelstructuur van de fotografisch actieve stof in de emulsie, bij een weergeefbuis dOOr de eindige afmetingen v~ de elektronenbundel, bij het oog door het aantal in het netvlies aanwezige receptoren (kegeltjes en staafjes) en het aantal zenuwbanen in de oogzenuw. Het eindig oplossend vermogen van een beelddrager betekent dat het aantal onderscheidbare beeldpunten eindig is.

In de meeste gevallen zal een beeld uiteindelijk waargenomen worden door het oog. Het netvlies is dan de laatste beelddrager, zodat het zinvol is na te gaan hoe groot de informatieinhoud is van een op het netvlies aanwezig beeld. Op grond van het voorgaande kunnen we dit beeld onderverdelen in een eindig aantal beeldelementen in figuur 2.1 schematisch aangeduid met A, B, C, ... enz. Het aantal elementen wordt bepaald door de afmetingen van het beeld op het netvlies en door het oplossend vermogen van het oog voor ruimtelijke details, dit is de gezichtsscherpte. Willen we een beeld scherp waarnemen, dan dient het afbeeldingsveld zich te beperken tot de fovea en de onmiddellijke omgeving daarvan. De fovea omvat een beeldhoek van ca. 5°. Voor comfortabel zien blijkt het niet nodig te zijn dat het gehele aandachtsgebied van het beeldveld samenvalt met de fovea. Het oog voert van nature kleine bewegingen uit rondom het fixatiepunt. De bij het waarnemen van beelden geprefereerde kijkhoek is daardoor groter dan die welke overeenkomst met de strikt fovea1e afbeelding. De geprefereerde beeldhoek hangt af van de omvang van het waar te nemen beeld. Bij een beelddiagonaal van enkele decimeters, zoals gebruikelijk was in de begintijd van de televisie blijkt een beeldhoek van ca. 10° als comfQrtabel te worden ervaren. Als h de beeldhoogte voorstelt moet de kijk afstand

s

dan 5,7h

Technische aspecten van beeldinformatie 29

bedragen (figuur 2.2). Als de beeldhoek 100 is, en de gezichtsscherpte 1 boogminuut bedraagt, bevinden zich 10 x 60

=

600 onderscheidbare beeldelementen binnen de hoogte h. Bij toepassing van grotere beeldformaten blijkt de geprefereerde beeldhoek toe te nemen, tot ca. 20°. De daarbij horende kijkafstand

s

bedraagt ongeveer 3h. Het aantal onderscheidbare beeldele~nten binnen h bedraagt dan ca. 1200.

A

Be

D E

I I I

I I

Figuur 2.1. Verdeling van het beeld in een eindig aantal afzonderlijke beeldelementen.

s

Figuur 2.2. Verband tussen beeldhoek ,. beeldhoogte h en kijkafstand s.

De verhouding tussen beeldbreedte en beeldhoogte wordt <l~ aspectverhouding

genoemd. Veel voorkomende aspectverhoudingen van technische afbeeldingssystemen zijn 3:2 (kleinbeeldfotografie), 4:3 (de gebruikelijke televisiesystemen), 1:1 (vierkante foto's). Duiden we de. aspectverhouding aan met k en duiden we het aantal onder-scheidbare beeldelementen in verticale richting aan met n, dan bedraagt het totale aantal onderscheidbare beeldelementen in het beeld dus

!uil.

Hoeveel bit informatie bevat één beeldelement? We hebben gevonden dat het oog in het fotopische gebied ca. 200 luminantieniveaus kan onderscheiden. Als aan elk luminantieniveau dezelfde waarschijnlijkheid wordt toegekend, dan bedraagt de informatieinhoud van elk beeldpunt 210g 200

=

7,8 bit. De informatieinhoud van het gehele beeld bedraagt dus 7,8kn2 _{bit. Met k}

₌

_{4/3 en n}

₌

_{600 komen we op 3,7 x 1()6}

bit. Kiest men, zoals thans in discussie voor TV -systemen met hoge definitie, k = 16/9 en n

=

1200. dan neemt dit bedrag toe tot "" 2 x 107 bit.

Gaan we vervolgens na wat de informatieinhoud is van een met het oog waargenomen dynamisch beeld, dat is een beeld waarvan de beeldinhoud zich voortdurend wijzigt.

per seconde minstens 50 te bedragen. Voor het vloeiend waarnemen van bewegende objecten in een scène is evenwel een kleiner aantal afzonderlijke beelden voldoende.

'Dit ligt in de orde van 25 per seconde. Men kan dus met dit aan~l volstaan en dan elk beeld minstens twee keer weergeven om het optreden van flikkerverschijnselen te voorkomen .. In de flhntechniek legt men gewoonlijk 24 beelden per seconde vast en projecteert men elk beeld tweemaal in successie, in de TV-techniek werkt men met 25 of 30 volledige beelden per seconde, waarbij het systeem zo ingericht wordt dat er 50, respectievelijk 60 beeldwisselingen per seconde optreden. De wijze waarop dit geschiedt komt later aan de orde. Rekenen we met 25 volledige beelden per seconde, dan bedraagt de informatiestroom bij

n

=

600 dus niet minder dan 92,5 x lcfi bit per seconde. Dit is een enorme hoeveelheid informatie. Ter vergelijking stelle men zich een boek voor met 4000 tekens (letters, cijfers, spatie, etc.) per bladzijde. Als aan elk teken een informatie-inhoud van 6 bit wordt toegekend Zijn voor 92,5 x 1()6 bit bijna 4000 bladzijden nodig!

2.2. Informatiereductie; redundantie

De vraag rijst: kan een menselijk zintuig de berekende hoeveelheid informatie per seconde niet alleen ontvangen, maar ook verwèrken en opnemen? Hierover is veel onderzoek verricht. Het blijkt niet eenvoudig om precies uit te maken hoeveel informatie kan worden opgenomen; alle onderzoekingen komen echter uit op een grootte-orde van enkele tientallen bit per seconde bij intensief waarnemen.

Zulk onderzoek kan men op vele manieren uitvoeren. De opneemcapaciteit van het visuele systeem kan men bijvoorbeeld onderzoeken door de waarnemer in willekeurige volgorde een reeks tevoren afgesproken eenvoudige visuele symbolen aan te bieden, en na te gaan welke presentatiesnelheid nog juist kan worden gevolgd. Ook kan men nagaan met welke snelheid een gedrukte tekst kan worden opgenomen. Voor het onderzoek van het auditieve systeem kan men op soortgelijke wijze werken met klankreeksen, of nagaan met welke snelheid een muzikale klanbtructuurkan worden opgenomen.

Hieruit moeten we concluderen dat ons oog in normaal bedrijf ongeveer miljoen maal zoveel informatie aangeboden krijgt als het in feite kan verwerken. Toch hebben wij de indruk dat slechts weinig ons ontgaat. Hoe komt dat? Lang niet alle informatie die ons bereikt, is voor ons van wezenlijk belang. De aangeboden informatiestroom bevat een grote hoeveelheid irrelevante gegevens. Het heeft· hierbij zin twee aspecten te onderscheiden. Ten eerste valt op te merken dat in vele gevallen een deel der totale informatiestroom in feite herhaling is van reeds eerder overgedragen informatie. Dat dit zo is blijkt direct bij de vergelijking van een reeks op elkaar volgende beeldjes van een flhn. Gewoonlijk zullen tientallen opeenvolgende beelden slechts zeer geringe

Technische aspecten van beeldinformatie 31 onderlinge verschillen vertonen. De nieuwe infonnatie die een bepaald beeld in de reeks toevoegt aan de reeds bekende is dan slechts een kleine fractie van de totale infonnatie die het 'nieuwe' beeld omvat. De rest is in principe overtóllig of redundant,

zoals de vak tenn lUidt. Deze vonn van redundantie kan men statistische redundantie

noemen. Kenmerkend voor deze vonn van redundantie is, dat zij door analyse van de infonnatiestroom nauwkeurig kan worden berekend

Daarnaast is er nog een andere vonn van redundantie van belang. De menselijke waarnemer hanteert voortdurend een waardeoordeel ten aanzien van de relevantie van de,aangeboden infonnatie op grond waarvan hij continu selecteert. De criteria voor deze selectie hangen niet af van de infonnatie als zodanig, doch van de situatie waarin zich de waarnemer bevindt Beschouw tet: illustratie een waarnemer die zich bevindt in de positie van bestuurder van een auto en daarnaast zijn passagier. Aan beiden wordt tijdens de ril' in principe dezelfde infonnatie aangeboden. De eerstgenoemde waar-nemer zal zich sterk interesseren voor de aard van de weg en de zich daarop voor-doende verkeerssituaties. Aan bijvoorbeeld botanische aspecten van het de weg omringende landschap zal hij weinig aandacht wijden. De passagier kan zich, zo hij dit wenst, wel belangstelling voor bijvoorbeeld details van de groeiwijze van gewassen veroorloven en daarmee een geheel andere selectie uit het infonnatieaanbod doen. Het door hem verworpene is niet redundant in statistische zin, doch wel in psychologische

zin.

Als tweede voorbeeld kan de beschouwing van een fotografisch portret dienen. Van technisch standpunt beschouwd zijn bijvoorbeeld de contouren van het gelaat niet rijker aan infonnatie dan die van een weefpatroon in de kleding van de geportretteerde. Men kan zich voorstellen dat beide patronen met hetzelfde aantal bits beschreven kunnen worden. Maar aan de bits van het eerstgenoemde beelddetail 'hechten we meer waarde', die van het laatstgenoemde vertonen weer een zekere psychologische redundantie. Het zal duidelijk zijn dat zich de beschreven psychologische redundantie niet gemakkelijk laat meten of in numerieke vonn laat brengen daar zij sterk aan de waarnemer is gebonden. Zij speelt echter niettemin een zeer grote rol in de bij visuele perceptie optredende infonnatiereductie. Een beeldend kunstenaar weet dit en past deze wetenschap, veelal intuïtief, toe. Een cartoonist slaagt er in met enkele lijnen evenveel relevante infonnatie over te dragen als met een gedetailleerde fotografische opname mogelijk zou zijn; in vele gevallen zal door de toegepast infonnatiereductie de boodschap zelfs beter overkomen. Psychologisch redundante infonnatie kan onder omstandigheden als een storend signaal worden ondervonden. Voor statistisch redundante infonnatie geldt echter juist het tegendeel. Deze draagt er steeds toe bij de invloed van storende signalen te venninderen doordat zij de scheiding tussen infonnatiedragend signaal en storing vereenvoudigt De herhaling van de infonnatie biedt immers een mogelijkheid om controle uit te oefenen op de overdracht