1 nstituut voor Perceptie Onderzoek Postbus MB Eindhoven Rapport no. 71 De perceptieve beeldkwaliteit van complexe scenes als functie van de luminanti...
Instituut voor Perceptie Onderzoek Post bus 513 - 5600 MB Eindhoven
18.08.1989
Rapport no. 710 De perceptieve beeldkwaliteit van complexe scenes als functie van de luminantie-overdrachtsexponent gamma A.A. A.M. van Tongeren
Afstudeerverslag peri ode november 1988 - augustus 1989 Afstudeerhoogleraar: Prof.dr.ir. J.A.J. Roufs Contacthoogleraar
Prof.ir. F.J. Kylstra (TUE, fac. E, vakgroep ER)
Samenvatting In dit afstudeerverslag vindt u de beschrijving van een onderzoek naar het effect dat variatie van de luminantie-overdrachtsexponent gamma heeft op de perceptieve beeldkwaliteit van statische complexe TV-beelden, zowel in zwart/wit als in kleur. Van een aantal geselecteerde scenes werd via een digitaal beeldgeheugen en computerprogrammatuur deze contrastparameter gewijzigd, waarbij er voor werd gezorgd dat de gemiddelde luminantie van het beeld constant bleef. Aan een aantal proefpersonen werd gevraagd om door middel van direkte categorieschaling hun oordeel te geven over een tweetal percepten van de stimuli, te weten de perceptieve beeldkwaliteit en de subjectieve contrastindruk. Hierbij bleken de resultaten van de verschillende proefpersonen een goede overeenkomst te vertonen, met een acceptabele spreiding. Met betrekking tot de perceptieve kwaliteit van de beelden werd voor gamma een duidelijk optimum gevonden, waarbij de optimale waarde duidelijk scene-afhankelijkheid vertoonde. De subjectieve contrastindruk van de beelden bleek toe te nemen met groter wordende gamma. Ook hier vonden we een scene-afhankelijkheid. Bij uitzetten van perceptieve kwaliteit tegen subjectief contrast bleek er een eenduidige relatie te bestaan tussen deze twee percepten voor aIle proefpersonen. De optimale kwaliteit hangt nauw samen met het ervaren contrast. Tenslotte werd gevonden dat een gegeven scene (dia) met optimale kwaliteit op de monitor kan worden afgebeeld, als er voor wordt gezorgd dat de keten (dia niet meegerekend) een totale gamma-overdracht heeft van ca. 1.3.
Summary The perceptual image quality of static television pictures as a function of the luminance-reproduction factor gamma.
This report describes experimental research on the effect of the luminance-reproduction factor gamma on perceptual image quality. Static television pictures were used, black and white as well as color. For a number of selected scenes the parameter gamma was transformed by means of a computer and a digital frame memory, in such a way that the mean luminance of the scene was kept at a constant value. Subjects were asked to rate perceived quality and contrast on a category scale. The agreement between subjects was found to be good, the standard deviation satisfactorily low. A clear optimum for gamma was found in the quality ratings. This optimum was dependent on the chosen test scene. The scaling of contrast by the subjects showed a growing perceived contrast with increasing gamma. Here we also found that the ratings were dependent on the test scene. The results also show that there is a relation between perceived contrast and perceived quality of the images. It was found that a given scene (slide) can be showed on a monitor with optimal quality if the gamma value of the chain slidescanner-monitor is equal to 1.3.
Inhoud Inleiding
1
1 De 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
experimenteeropstelling Beschrijving van de opstelling De diascanner . . . . De Image Processor De computer De monitor . . . . .
2 2
2 De 2.1 2.2 2.3
luminantieoverdrachts-exponent 1 Definitie en betekenis van 1 . . . . . . . . . . . . . Veranderen van l.l:eten' • • • . . . . . . . • • • • • • Variatie van 1 bij constante gemiddelde luminantie
3 IJking van de keten dia - monitor 3.1 IJking van de dia's . . . . . . . 3.2 IJking van de scanner 3.3 IJking van de programmatuur . . . 3.3.1 Het PQ-cornpensatie-programrna 3.4 IJking van de monitor . . . . . 3.5 IJking van de totale opstelling. . .
4
4 5 6
7 7 10 12 17 17 26 31 31 40 45
4 Beschrijving van de experimenten 49 4.1 De gebruikte stimuli . . . . . 49 52 4.2 Proefpersonen............ 69 4.3 Opstelling bij het experiment . . . 4.4 Opzet van het experiment en opdracht aan de proefpersonen 69 5 Resultaten 5.1 Eerste experiment met zwart/wit stimuli. 5.1.1 Kwaliteit versus gamma 5.1.2 Contrast versus gamma . . . . . . 5.1.3 Effectief contrast . . . . . . . . . . 5.1.4 Kwaliteit versus subjectief contrast. 5.1.5 Kwaliteit versus 1totl1dia . 5.2 Experiment met kleurenstimuli 5.2.1 Kwaliteit versus gamma .
72 72 73 78 78 81 86 89 89
5.3
5.4
6
5.2.2 Kwaliteit versus subjectief contrast. 5.2.3 Kwaliteit versus ItD,jldia . • • • . . Tweede experiment met zwart/wit stimuli . 5.3.1 Kwaliteit versus gamma . 5.3.2 Kwaliteit versus subjectief contrast. 5.3.3 Kwaliteit versus Itt1f/~dia • Vergelijking van de experimenten .
Conclusies
91 91
94 94 94 97
99 102
Literatuur
104
ii
Inleiding Binnen de visuele groep van het Instituut voor Perceptie Onderzoek (IPO) wordt ondermeer onderzoek gedaan naar de perceptieve kwaliteit van TVbeelden. Perceptief wi! hierbij zeggen dat gekeken wordt naar de kwaliteit van de beelden zoals die door mensen (proefpersonen) ervaren wordt, los van een aantal aspecten die te maken hebben met inhoud en opbouw van het beeld. Het gaat bier dus om subjectieve grootheden. Door het nog steeds toenemend aantal toepassingen van beeldschermen en elektronische beeldweergave is het onderzoek in deze richting, langs de weg van elektronische beeldbewerking, van groot belang. In het bijzonder is het belangrijk om te weten te komen hoe de perceptieve beeldkwaliteit verandert als functie van een aantal fysische parameters, zoals resolutie, contrast, kleurinformatie, enz. De opdracht die aan dit onderzoek ten grondslag lag, was te onderzoeken hoe de perceptieve beeldkwaliteit verandert als functie van de parameter gamma, die de luminantie-overdracht beschrijft. Hiertoe werd door middel van categorieschaling door een aantal proefpersonen een oordeel gegeven omtrent de perceptieve kwaliteit en de contrastindruk van een set gammagevarieerde stimuli. De stimuli-set bestond uit statische zwart/wit resp. kleuren beelden, die op een monitor aan de proefpersoon werden gepresenteerd.
1
Hoofdstuk 1 De experimenteeropstelling In dit hoofdstuk zuBen de verschillende onderdelen van de experimenteeropstelling worden behandeld. Dit zijn achtereenvolgens de diascanner, de digitale beeldbewerkingskaart (Image Processor), een micro-Vax computer en tenslotte de monitor. De verschillende onderdelen zullen in dit verslag vaak worden gekenmerkt door hun luminantiereproduktiecurve, een term die in hoofdstuk 2 zal worden verklaard, en de hierbij behorende parameter gamma.
1.1
Beschrijving van de opstelling
De kern van de opstelling als boven beschreven, wordt gevormd door een Gould d'Anza Image Processor, waarmee via de computer een a.antal bewerkingen op een videobeeld, kan worden uitgevoerd. Het van de diascanner afkomstige videosignaal wordt door een analoogdigitaal convertor (ADC) gedigitaliseerd en kan vervolgens worden opgeslagen in het geheugen van de Image Procesor, waarna het eventueel kan worden bewerkt. Het geheugen kan vervolgens weer worden uitgelezen en via een digitaal-analoog convertor (DAC) terug omgezet in een TV-signaal, dat aan de monitor wordt toegevoerd en daar omgeiet in een zwart-wit of kleurbeeld. Aan de hand van het blokschema in figuur 1.1 zullen we de diverse onderdelen en hun functie binnen het systeem verder beschrijven. Een scene met luminantie L w wordt op diafilm vastgelegd en vervolgens met behulp van de diascanner omgezet in een videosignaal Uti. Dit signaal wordt via een 8-bits AID convertor omgezet in een reeks grijswaardes gin, die worden opgeslagen in het beeldgeheugen van de IP en vervolgens via 2
COMPUTER
IP8000
MONITOR 1dia
1""0"
Figuur 1.1: Blokschema van de experimenteeropstelling.
3
de computer bewerkt kunnen worden. De hierna verkregen nieuwe reeks van grijswaardes guif wordt via een D I A convertor weer omgezet in een videosignaal, dat tensJotte wordt afgebeeld op een monitor, ala een beeld met een luminantie Lb.
1.2
De diascanner
Als we uitgaan van de werkelijkheid en kijken naar de weergave hiervan, is het eerste onderdeel dat we tegenkomen in de beeldbewerkingsketen de dia, waarop ~n scene fotografisch wordt vastgelegd. Deze wordt in een diascanner geplaatst, waarmee de informatie die is vastgelegd in de diaopname kan worden omgezet in een videobeeld. Hiertoe wordt de dia door de scanner rij na rij afgetast en de informatie die in het beeld is opgeslagen wordt hierbij omgezet in een elektrisch signaal, dat geschikt is om aan een monitor toe te voeren, alwaar het weer terug wordt getransformeerd tot een beeld. Volgens de specificties van de fabrikant heeft de scanner (type: Bosch Fernseh F2 SK 12369) een 3-dB bandbreedte van 9 MHz. De scanner heeft een instelbare luminantiereproduktie b), die gevarieerd kan worden tusen de waardes 0.4 en 1.2. Verder is er de beschikking over een set-up schakeling, om de spanning van het laagste niveau op 0 volt af te regelen, zodat alleen het signaal vanaf het laagste niveau volgens een machtsfunktie wordt getransformeerd. Omdat er bij het scannen van de dia ruis in het verkregen beeld aanwezig is, wordt elke scene meerdere malen ingenomen en wordt gemiddeld over het aantal innames om de ruis te elimineren. In de praktijk is gebleken dat bij 15 keer innemen de ruis vrijwel niet meer is waar te nemen.
1.3
De Image Processor
De beeldbewerker is een Gould d'Anza Image Processor IP 8000, bestaande uit een AID convertor, een beeldgeheugen met bijbehorende besturing, een D I A convertor en diverse Look-Up Tables (LUT). Een binnenkomend videosignaal wordt door de 8-bits AID convertor (9.8 MHz) gediskretiseerd en omgezet in een reeks grijswaardes gin, die allen een waarde hebben tussen 0 en 255 (= 28 - 1). Deze grijswaardes worden weggeschreven in het beeldgeheugen. Via een Intensity Transformation Table, kortweg ITT genoemd, kunnen deze grijswaardes worden veranderd en 4
vervolgens weer teruggeschreven naar hun pluts in het geheugenblok. In het geheugen is plaats gereserveerd voor 4 verschillende kanalen, elk 1024 bij 1024 bytes groot. Een monochroom videobeeld dat opgeslagen moet worden is 512 x 512 x 8 bits groot: 512 bij 512 pixels (= picture-elements = beeldpunten), elk gekarakteriseerd door 8 bits. Voor kleurenbeelden is driemaal zoveel geheugenruimte nodig: voor elk kleurkanaal apart 512 x 512 x 8 bits. Bij uitlezing van het geheugen passeren de data allereerst een LUT, waar de grijswaardes nog veranderd kunnen worden. Voor ieder kleurkanul is een LUT aanwezig. Tenslotte wordt de nu verkregen reeks grijswaardes guit door de D / A convertor weer omgezet in een videosignaal, dat kan worden gebruikt als ingangssignaal voor een monitor of videorecorder. Behalve het innemen van videosignalen is het ook mogelijk om zogenaamde picture-files (datafiles met de grijswaarde van ieder van de beeldpunten) in te lezen vanuit het geheugen van de computer. Hierbij wordt de A/D convertor niet gebruikt, in de picture-file staat immers 1.1 een digitaal beeJd opgeslagen. De luminantiereproduktie van de ADC en DAC is lineair en kan worden gekarakteriseerd door de waarde "t = 1.
1.4
De computer
De micro-Vax computer wordt in dit verband gebruikt voor het besturen van de digitale beeldbewerker en voor de opslag van plaatjes in de vorm van picture-files en data voor de ITT en LUTs, nodig om de luminantiereproduktie van de keten te kunnen corrigeren en/of wijzigen. Voor de besturing van de beeldbewerker is op de computer een werkomgeving LIPS (Library of Image Processing Software) geinstalleerd, waarin een aantal besturingscommando's voor de IP 8000 zijn geimplementeerd. Vanuit LIPS is het mogelijk diverse bewerkingen op het beeJd uit te voeren en de ITT en LUTs te programmeren met de gewenste data. Verder wordt de computer dus nog gebruikt voor opslag van gedigitaliseerde beelden, in de vorm van picture-files aanwezig in het geheugen, en het berekenen en opslaan van de inhoud voor de LUTs en ITT, die nodig is om de monitor- en scannerkarakteristieken te lineariseren en om de gamma van de beelden te kunnen varieren.
5
1.5
De monitor
In de experimenteeropstelling is gebruik gemaakt van een CONRAC high resolution kleurenmonitor (type CONRAC 7211, IPO-nr. 3383). Deze heeft een sehermhoogte van 30 em en een schermbreedte van 40 em. Volgens de specificaties heeft de monitor voor videosignalen een 3-dB bandbreedte die loopt van 100 Hz tot 40 MHz. Bet beeld a/komstig van de Image Processor is op de monitor e7.5 em hoog en e7.5 em breed. De luminantie als functie van een zekere grijswaarde g in het geheugen van de Image Processor wordt in benadering gegeven door de volgende formule: L = Cont x g"'(.,,,,,,;IO. + Brig (1.1) Hierin is Cont een maat voor de instelling van de contrastknop van de monitor en Brig een maat voor instelling van de helderheidsknop (brightness). In deze formule is "'(monitor de luminantiereproduktie van de monitor.
6
Hoofdstuk 2 De luminantieoverdrachtsexponent I In dit hoofdstuk zullen we wat nader ingaan op de bij de experimenten te varieren parameter, te weten de luminantie-overdrachtsexponent "y. Allereerst zal worden bekeken hoe gamma gedefinieerd is en wat zijn betekenis is bij de weergave van een scene bijv. op een monitor. Daarna wordt gekeken hoe we "y kunnen varieren op een zodanige manier dat de andere parameters van het beeld, zoals luminantie en kleur, constant blijYen.
2.1
Definitie en betekenis van '/
Elke scene die bij dit experiment wordt gebruikt heeft voordat deze als beeld op de monitor verschijnt een aantal stappen doorlopen. Om van werkelijkheid tot beeld te komen zijn dat achtereenvolgens de stappen die staan weergegeven in figuur 1.1. Hierbij wordt een scene die in werkelijkheid een luminantie LV! heeft getransformeerd tot een beeld op de monitor met een luminantie Lb. Ten eerste hebben we een transformatie in het luminantiedomein als de scene wordt vastgelegd op diafilm, vervolgens een transformatie in het plaatsdomein wanneer de dia wordt ingelezen door de diascanner, waarbij het beeld wordt opgedeeld in 512 bij 512 beeldelementen. Hierbij verandert in principe de resolutie van het beeld zoals die was vastgelegd op de diafilm. Deze transformatie kan gekarakteriseerd worden door genoemde diskretisatie in 512 bij 512 pixels en door de bandbreedte van het gebruikte systeem.
7
log{L b )
(Jog{cd/m 2 ))
Figuur 2.1: Luminantiereproduktiecurve.
Daarnaast hebben we ook nog te maken met transformatie in het luminantiedomein, en weI op verschillende plaatsen in de keten. De eerste van deze transformaties vindt al plaats bij het vastleggen van de scene op dia en vervolgens gebeurt dit nogmaals bij het scannen van de dia (diskretisatie in 256 grijsniveau 's), bij het veranderen van de "y van de keten en bij het weergeven van de scene op de monitor. De transformatie in het luminantiedomein kan worden beschreven door de diskretisatie van het beeld en door de luminantie-overdrachtsexponent gamma. In figuur 2.1 is het verband weergegeven tussen de luminantie van de originele scene (L w ) en de luminantie van het beeld van deze scene (L b ), gekarakteriseerd door een zogenaamde luminantiereproduktiecurve. Zoals te zien heeft deze curve op log-log schaal uitgezet een lineair deel. De exponent "y is nu gedefinieerd als de tan tP van de helling van dit lineaire gebied: (2.1)
8
Bij een hoge waarde van gamma spreken we van een hard beeld, bij een lage gammawaarde van een zacht beeld. Deze twee termen worden vaak gebruikt in de fotografie, om de toonreproduktie van filmmateriaal enjoffotografisch papier te karakteriseren. Een hard beeld vertoont weinig grijsnuances en is zeer contrastrijk, een zacht beeld. daarentegen bevat veel grijstinten en komt wat vlakker en grauwer over. In het gebied van de luminantiereproduktiecurve waar "y is gedefinieerd kan de curve worden weergegeven door de volgende relatie tussen LV) en L b: (2.2) Deze vergelijking gaat dus aIleen op voor dat gebied waar de curve een lineair verloop heeft, daarbuiten voldoet de relatie niet meer als beschrijving van het verband tUBsen L b en L w , en wordt Lb onafhankelijk van L w • In figuur 2.1 zijn dit de stukken waar de grafiek horizontaal loopt. Het hanteren van de exponent "y is in deze gebieden dan ook totaal zonder betekenis, omdat deze hier niet zinvol te definieren is. We moeten er dus voor zorgen in het lineaire gebied van de curve te blijven werken als we de bewerkingen die we op het beeld gaan uitvoeren willen blijven karakteriseren door gamma. Elk van de in het vorige hoofdstuk genoemde onderdelen van de keten kunnen we karakteriseren door de bijbehorende gammawaarde, mits we aan bovenstaande eis blijven voldoen. Op deze wijze kunnen we de luminantieoverdracht van de afzonderlijke componenten als voIgt beschrijven: Voor de dia:
(2.3) Voor de diascanner:
(2.4) Voor de Image Processor:
(2.5) Voor de monitor tenslotte:
(2.6) 9
Om de overdracht te vinden van de totale keten moeten we bovenstaande vergeIijkingen in elkaar substitueren, waarbij we voor voldoende grote waardes van Lin de termen L o, Lb' Lg, Lg' mogen verwaarlozen. We vinden dan uiteindelijk de volgende relatie tUBsen de luminantie van het monitorbeeld en de werkelijke BCene waarvan we zijn uitgegaan:
(2.7) waarin C = Cl schrijven als
X C2 X Cs X
c•. In praktische benadering kunnen we dit ook
Lb = c
X
(LI&I)'lto.O"
(2.8)
De gamma van de totale keten hebben we dus gevonden door de gamma's van de afzonderIijke delen van de keten met elkaar te vermenigvuldigen.
2.2
Veranderen van
iketen
De parameter gamma, die we bij het experiment willen gaan varieren, weten we opgebouwd uit het produkt van de verschillende gamma's in de keten. Ais we nu "'Ilcelen willen veranderen, kunnen we dus volstaan met het veranderen van de gamma van een van de hierin voorkomende onderdelen. Van de vier mogelijkheden valt er tenminste een af, omdat de "'Idia vastligt door de eigenschappen van de gebruikte film en door de belichting ervan, zodat deze niet meer veranderd kan worden. Naar keuze kan nu "'I,can, "'lIP of "'Imon worden gevarieerd. We kiezen er voor om "'lIP als variabele te nemen en de andere twee constant te houden. Variatie van de gekozen gamma is vrij eenvoudig te realiseren met behulp van software, waarmee we de opgeslagen plaatjes kunnen bewerken. In de volgende figuur zien we wat er gebeurt met de grijBwaardes als we "'lIP veranderen. De figuur geeft de transformatie weer van grijswaarde gin naar grijswaarde guil voor enkele waardes van "'lIP' Bij "'lIP = 1 hebben we te maken met de identieke afbeelding, ofwel voor elke waarde g geldt dat guil = gin. Het beeld van een te bewerken scene is dan dus gelijk aan het origineel. Bij een "'lIP ¥ 1 wordt elke grijswaarde getransformeerd volgens de formule
(2.9) Op deze wijze vinden we de twee krommen die in de figuur zijn uitgezet. In bovenstaand verhaal kunnen we in plaats van grijswaardes ook kijken naar luminanties. Wat namelijk geldt voor grijswaarde g, geldt evenzo 10
255
_. -- - -
- - - -
- - - -
- -- - - - - -
I
I I I I
1
I I I
1
128
I I
1 I
I I
I I I
I
O-f'---==-------..,....--------...., o 128
Figuur 2.2: Effect van "Y-vanatle; verband tUBsen gin (grijswaarde Voor gammaverandering) en guit (grijswaarde na gammaverandering) bij verschillende waardes van "YIP.
voor de met deze waarde corresponderende luminantie L. Een in het beeld voorkomende luminantie Lin wordt getransformeerd naar een luminantie L uit ' Ais we de transformatie van digitaal naar analoog signaal even buiten beschouwing laten, wordt het verband tussen grijswaarde g en luminantie L bepaald door de monitorkarakteristiek, gegeven door de relatie
L = C ont x (g )"'",on
+ Brig
die we in het vorige hoofdstuk al hebben geformuleerd. Bij de transformatie wordt de ruimte (gm,in, gm,luJvan grijswaardes afgebeeld op zichzelf. Hetzelfde geldt voor de hiermee overeenkomende ruimte (Lm,in, Lm,luJ van luminantiewaardes. We kunnen dus naar keuze g of L als variabele uitzetten langs de assen van de figuur, waarbij we echter wei moeten bedenken dat tussen deze beiden geen lineair verband bestaat. Ais we kijken naar figuur 2.2 en langs de assen de luminantie uitgezet denken, dan zien we dat bij toenemende lIP (en dus bij toenemende Iketen) 11
de gemiddelde luminantie van het beeld afneemt, en bij afname van 11P de gemiddelde beeldluminantie juist toeneemt. Dit is eenvoudig in te zien, omdat bij 1 > 1 aIle grijswaardes worden afgebeeld op een gelijke of lagere waarde, terwijl bij 1 < 1 elke grijswaarde juist wordt afgebeeld op een grotere of gelijke waarde.
2.3
Variatie van I bij constante gemiddelde luminantie
Als we willen bekijken hoe de parameter 1 de perceptieve beeldkwaliteit beinvloedt moeten we er dus terdege rekening mee houden dat verandering van gamma ook de andere parameters kan wijzigen. Ret meeveranderen van de gemiddelde luminantie van het monitorbeeld is in dit verband een ongewenst effect, daar de beeldluminantie ook invloed op de perceptieve kwaliteit van het beeld heeft. Dit laatste is eenvoudigweg te verklaren uit het feit dat de retinale verlichtingssterkte evenredig is met de luminantie van het beschouwde object (Roufs,1974), dus als L gem afneemt zal het beeld donkerder worden voor de toeschouwer. Verder moeten we nog bedenken dat in een groot gebied van luminanties de wet van Weber van toepassing is, die zegt dat het quotient van het juist waarneembare luminantieverschil en de gemiddelde luminantie constant is. Dit alles betekent dat de mate waarin het visuele systeem details in het beeld kan waarnemen afhankelijk is van de gemiddelde luminantie van dat beeld. Bij een grotere L gem is een groter verschil in luminantie vereist tussen twee beeldelementen, opdat deze nog juist van elkaar onderscheiden kunnen worden. Ret is dus zaak om bij variatie van 1 ervoor te zorgen dat L gem constant blijft, zodat we zeker weten dat een verandering van de kwaliteit aIleen aan gamma toegeschreven mag worden. We zullen nu gaan kijken hoe we dit in de praktijk kunnen realiseren. Om de toonreproduktie van het beeld te veranderen zonder dat de gemiddelde luminantie verandert, maken we gebruik van de zogenaamde PQ-compensatie (Saelmans,1983). Met behulp van figuur 2.3 kunnen we uitleggen hoe het programma werkt. In de figuur zien we twee krommen, die het verband weergeven tussen de grijswaardes voor en na bewerking met PQ-compensatie. Kromme 1 geeft dit verband weer bij een gekozen maximale waarde voor gamma, 1maz, kromme 2 voor een willekeurige andere waarde van gamma, kleiner dan 1maz. We laten nu kromme 1 lopen 12
255
-1- -
-
-
-
-
-
--,
-
I
1 I
T
:
g'
-
1
t ------------ J
t I "," "I
I I I I
I
I I I
I I I
I I I I
I
--+ gin
gm4Z
255
Figuur 2.3: Effect van PQ-compensatie: grijswaardes veer en na bewerking (gin resp. guit). De waardes gmin en gma.z zijn de laagste reap. hoogste grijswaarde die in de origineJe scene voorkomen.
door de punten (gin = O,guit = 0) en (gin = gmaz,guit = 255), waarbij gma.z de hoogste grijswaarde is die in de te bewerken scene voorkomt. Wekunnen dit op soortgelijke wijze uitdrukken in termen van luminanties, waarbij kromme 1 loopt door de punten (Lin = L min , Lu,it = L min ) en (Lin = L"ma.z, Lu,it = L maz ), waarin L min de luminantie is behorend bij grijswaarde 9 = 0, L"ma.z de maximale luminantie die in de scene voorkomt (bij 9 = gma.z) en Lma.z de maximale monitorluminantie behorend bij grijswaarde 9 = 255. Willen we er nu voor zorgen dat een scene met "'t < "'tmaz een zelfde gemiddelde luminantie heeft als dezelfde scene met "'t = "'tmaz, dan zal de hoogste hierin voorkomende grijswaarde g' een waarde moeten hebben die ligt tussen 0 en 255, als we ervan uitgaan dat ook deze kromme door de oorsprong gaat, ofwei in het luminantiedomein: de hoogst voorkomende luminantie L' in deze scene moet liggen tussen L min en L maz . De uiteindelijke waarde van g' (L') is afhankelijk van de waarde van "'t van de betreffende curve en bovendien wordt ze nog bepaald door de 13
grijswaardeverdeling binnen de scene waarvan we zijn uitgegaan. Dit laatste is vrij logisch: naarmate de oorspronkelijke scene meer lichte partijen bevat zal de gemiddelde luminantie hoger zijn en moet het punt g' (L') dus lager komen te liggen om L,em. toch constant te houden. We zullen nu de werking van het programma meer gedetailleerd en aan de hand van de gebruikte formules verder uiteenzetten. Datgene wat we willen reaJiseren is een verandering van gamma bij een constante gemiddelde luminantie van het beeld. Om dit te bereiken voeren we twee factoren in, te weten P en Q. De variabele P zorgt ervoor dat de gemiddelde luminantie constant blijft bij variatie van gamma, terwijl Q nodig is om er voor te zorgen dat de grijswaarde gmaz na bewerking binnen de range van beschikbare grijswaardes (0 tot en met 255) blijft. We transformeren de grijswaardes volgens de formule guit = P x Q X (9in)"l'P waarbij de waardes 'Van P en Q afhankelijk zijn van de inhoud van de scene en van de waarde van gamma die we instellen met de Image Processor, 11p. De variabele P berekenen we als voigt. Als uitgangspunt nemen we de originele scene waarvan de beeldinhoud bekend is, dat wil zeggen we weten welke grijswaardes er in voorkomen en hoeveel pixels van elke waarde er aanwezig zijn in het beeld. Met behulp van de formule die het verband geeft tussen grijswaarde en luminantie op de monitor kunnen we nu de gemiddelde luminantie van het beeld als voIgt berekenen: Cont 255 L,em = A t I L a'i x (gd"l·non an a 'i=O
(2.10)
waarin Cont een constante is, afhankelijk van de monitor, Aantal het totaal aantal pixels in de scene en a'i het aantal pixels van grijswa.arde gi. Stel nu dat we gamma-transformatie gaan toepassen op deze scene, waarbij we de grijswaardes als voigt transformeren:
dan kunnen we voor de bewerkte scene opnieuw de vergelijking opstellen voor L,em' Deze wordt nu, met invoering van P voor het constant houden van de gemiddelde luminantie: Cont
255
L ,em. = A t 1 "L...J a,.. x (P an a
,;=0
14
X
(g.)'lIP)"lmon ,
(2.11)
waarna we uit gelijkstelling van vergelijking 2.10 en 2.11 de volgende vergelijking vinden voor P: p = (
~266
a
£J,;=o
(g )"",on j )lh... on (g,)"/PX",,,on ,
x g;
~26~o a g,. X £J g ,_
(2.12)
We hebben nu bereikt dat de gemiddelde luminantie van de bewerkte en de originele scene aan elkaar gelijk zijn. De factor P is voor iedere waarde van "YIP anders, zoals uit de formule blijkt. We gaan nu over tot de berekening van de factor Q. De factor Q hoeft voor elke scene in principe slechts eenmaal te worden bepaald, daar deze onafhankelijk is van gamma. WeI moet voor de berekening ervan bekend zijn wat de maximale waarde is die gamma aan kan nemen. Stel dat we de waarde voor P reeds berekend hebben, dan is het hoogst voorkomende pixelniveau dat kan ontstaan (gmaz is de hoogst voorkomende grijswaarde in de originele scene) gelijk aan: (2.13) hetgeen we met behulp van de formule afgeleid voor P kunnen herschrijven tot E 265 a x (g,)"",on ( g,=O g, , ph",on x (gmaz)'l/P = ~25~ £Jg;_O
(
a g,.
X
(g,)"/PX'",on ,
(g,)"",on ) Ih",on ~255 a x (g./g )"/PX"",on £Jg;=O g, 'maz ~255
£Jg;=o
a
x
g,'
(2.14)
waarin het argument van de som in de noemer, (gj / gmazP/ P X"... on, monotoon niet stijgend is als functie van gamma (want (gdgmaz) ~ 1). De functie in vergelijking 2.14 als geheel is dan monotoon niet dalend als functie van gamma en groter dan 1. Om te zorgen dat de pixelwaardes in de range van (0, 255) blijven kunnen we Q dus zodanig bepalen dat voor "YIP = "YIPmaz de grijswaarde gmaz wordt afgebeeld op pixelwaarde 255. Anders gezegd:
P x Q x (gmaz)'l/P",cu = 255 Met gebruikmaking van formule 2.14 vinden we als vergelijking voor Q dus:
255
Q=--=-.--------------E~~~o ag , x(g; ),mon
( ~~~:.
£JII,=O
-
a
) l!"'m'-
II, x(g,)'/Pmazx,mon , 15
,
OJ. .
X (gma~)"Y/Pmaz ""
(2.15 )
Zoals gezegd hoeft Q per scene in principe slechts eenmaal berekend te worden. P moet voor elke waarde van gamma opnieuw worden bepaald. Na berekening van beide parameters ligt de transformatie van gin naar guit (ofweI in het luminantiedomein van Lin naar L uit ) voIledig vast:
=
Een gevolg van deze compensatiemethode is wei dat bij liP 1 de originele scene ook verandert: P heeft weliswaar de waarde 1 in dit geval, maar aIle pixels worden ook nog met Q vermenigvuldigd. Dit betekent in de praktijk dat de gemiddelde luminantie omhoog (Q > 1) of omlaag (Q < 1) zal gaan. De dating in gemiddelde luminantie blijkt in de praktijk met een factor 3 a. 4 te gaan. Dit heeft geen grote gevolgen voor de beoordeling van de beeldkwaliteit door proefpersonen, alhoewel de scenes er minder briljant uit gaan zien. Ter iHustratie is in appendix H2-1 een tweetal grafiekjes opgenomen die betrekking hebben op een klein experiment waarbij gamma gevarieerd 1.00 werd en de gemiddelde luminantie vrij werd gelaten. Bij de waarde I hebben we hier dus te maken met de originele zwart/wit scene zoals deze verkregen is na scannen van de dia en berekenen van het luminantiesignaal. Bij vergelijking met de resultaten elders in dit verslag blijkt dat er nauwelijks verschil in de uitkomsten optreedt. Bij berekening van stimuli met PQ-compensatie blijft voor liP = 1.00 de luminantiereproduktie van het beeld ongewijzigd, ook als Q ongelijk 1 is. Immers een vermenigvuldiging op lineaire schaal betekent alleen een verschuiving van de karakteristiek op logaritmische schaal. Bovenstaande formules zijn geimplementeerd in het programma PQLUT, waarvan de source is opgenomen in de bijlagen. Bovengenoemd programma voor PQ-compensatie is oorspronkelijk ontworpen voor het bewerken van complexe monochrome (zwart-wit) scenes. Bij het experimenteren met polychrome beelden kan het evenwel ook gebruikt worden om de diverse stimuli aan te maken,zij het dat we er dan voor moeten zorgen geen verschuiving van kleurpunt te krijgen. Dit laatste kan worden voorkomen als we de bewerkingen met het PQ-programma aIleen uitvoeren op het luminantiesignaal van de te bewerken scene. Meer hierover in hoofdstuk 4, waar we het aanmaken van de stimuli verder zuBen behandelen.
=
16
Hoofdstuk 3 IJking van de keten dia monitor In hoofdstuk 2 hebben we gezien dat tussen een scene in de werkelijkheid en een afbeelding daarvan op de monitor een zeker verband bestaat wat betreft de luminanties. Dit verband kon worden gekarakteriseerd door de overdrachtsexponent 1, die een maat is voor het contrast. In dit hoofdstuk wordt de ijking van de onderdelen van de meetopstelling (zoals gegeven in hoofdstuk 1) besproken. Achtereenvolgens zijn dit de dia's die gebruikt worden voor de experimenten, de diascanner, de Image Processor (met name de gebruikte programma's) en de tijdens de experimenten gebruikte monitor.
3.1
IJking van de dia '8
De eerste stap die we maken om van werkelijkheid naar beeld te komen is het vastleggen van een gekozen scene op diafilm. Op dit punt hebben we te maken met de toonreproduktie van de gebruikte diafilm, ofwel met de 1Ilia.' Deze kan in principe voor elke opname verschillend zijn, daar zij wordt bepaald door de omstandigheden waarin de opname werd gemaakt en de belichting van de film. Voor elk van de gebruikte scenes moest dus de waarde van 11lia. worden gemeten. Voor het experiment werd een achttal scenes geselecteerd, op grond van hun beeldinhoud en zodanig dat er overlap bestond met eerder verrichte experimenten. De gebruikte opnames zijn weergegeven in de figuren 3.1 tot en met 3.8. Zoals reeds gezegd willen we van elk van deze opnames weten wat de bijbehorende toonreproduktie is. Hiertoe werd van elke scene een tweede
17
Figuur 3.1: scene DEMERB41
Figuur 3.2: scene DORPSSTRAATI
18
Figuur 3.3: scene FRUITl
Figuur 3.4: scene MOLEN1
19
Figuur 3.5: scene STADHUISI
Figuur 3.6: Bcene TERRASGEELI
20
Figuur 3.7: scene WAOI04
Figuur 3.8: scene WA0304
21
opname gemaakt, direct naast het origineel op de film, waarop een grijstrap werd meegefotografeerd. Van deze grijstrap kan de luminantie van de zes verschillende grijsvlakken met behulp van een luminantiemeter worden bepaald. Vervolgens kan dan van de dia's ook de luminantie van deze grijsvlakken worden gemeten en kunnen de gegevens op log-log schaal tegen elkaar worden uitgezet, waarna door berekening van de regressierechte de "Ydia kan worden gevonden. De meting van de luminanties van de grijsvlakken leverde het volgende resultaat op (zie tabel 3.1).
De meting van de luminanties van de grijstrap werd gedaan met de LMT-LI003 luminantiemeter (lPO-nr. 3329), bij een meetveld van 1 graad en een afstand van 2 meter tussen luminantiemeter en grijstrap. De meting werd verricht in een verduisterde kamer bij licht afkomstig van TL-buizen, waarbij er voor gezorgd is dat de verlichting ter plaatse van de grijstrap homogeen was. Bovendien is de meting getoetst aan andere metingen, te weten een eerder gedane meting op dezelfde grijstrap die buiten werd verricht bij zonlicht en een tweede waarbij binnenskamers werd gemeten met verlichting door invallend diffuus daglicht. De overeenstemming tussen deze metingen was goed. We definieren nu pVJ als het quotient van de gemeten luminantie van een grijsvlak en de luminantie van het donkerste grijsvlak, te weten £6' Voor de dia's doen we een soortgelijke meting. We meten van de geprojecteerde dia de luminantie van een grijsvlak op het scherm en vervolgens ook de luminantie op dezelfde plaats op het scherm als we een leeg diaraampje projecteren. Dit laatste wordt gedaan om te corrigeren voor een inhomogene verlichting van het scherm door de projectorlamp. Vervolgens delen we de gemeten luminantie van het grijsvlak door die van het scherm bij projectie van het lege raampje. Het op deze wijze verkregen 22
quotient noemen we Td. Per scene vinden we zo een zestal waardes, die zijn weergegeven in tabel 3.2.
De scenes in de tabel genoemd corresponderen met de bij het experiment gebruikte scenes zonder grijstrap. Overeenkomende opnames met en zonder grijstrap verschillen alleen in het laatste cijfer. De waarde Tdi is de gemeten doorlating behorende bij grijsvlak L i . De meting van de luminanties werd verricht in een donkere kamer, waarin de dia's werden geprojecteerd op een wit scherm. Voor de meting werd wederom gebruik gemaakt van de LMT-L1003, op een afstand van 1.5 meter van het scherm en een meetveld van 20 boogminuten, behalve bij de scenes FRUIT2, WA0103 en WA0303, waar een meetveld van 1 graad werd gebruikt (dit was mogelijk i. v.m. een grotere afbeelding van de grijstrap in deze drie scenes). Er werd gekozen voor een klein meetveld, om zo min mogelijk hinder te hebben van overstraling door naastgelegen lichtpartijen in de dia. We kunnen nu voor elke dia log Pw uitzetten tegen log Td en hieruit vervolgens de toonreproduktie van de dia's bepalen, op grafische wijze door het tekenen van de raaklijn aan de grafiek en het bepalen van de richtingscoefficient, of door berekening van de regressierechte. De grafieken van de acht gebruikte dia's zijn weergegeven in de figuren 3.9 en 3.10. In deze figuren is te zien dat niet aile meetpunten mooi op een rechte lijn liggen, maar dat er verzadiging optreedt bij de lage en de hoge luminantieniveau's die in de scenes voorkomen. De parameter "y is echter gedefinieerd in het lineaire deeI van de karakteristiek, dus daar waar nog geen verzadigingsverschijnselen optreden. Bij de bepaling van de re23
Be~x]jng gamma dia o - 0 .5 -+-----1:---+---JLJ---.,I.r.-~
(P- no l)50 I Figuur 3.10: Luminantieweergavefunktie van de dia's STADHUIS, TERRASGEEL, WADI en WA03
25
I
gressierechtes door de punten sluiten we dan ook de waardes die in de gebieden liggen waar verzadiging optreedt uit. In tabel 3.3 is voor elke dia uitgezet welke punten werden gebruikt bij de bepaling van de waarde van Illia met de methode der kleinste kwadraten (punt 1 is het meest linkse punt in de grafiek, etc.) alsmede de berekende waarde van Illia zelf. scene DEMERB42 DORPSSTRAAT2 FRUIT2 MOLEN2 STADHUIS2 i TERRASGEEL2 !I WA0103 WA0303
lijn door punten 2 tim 5 2 tim 5 2 tim 5 2
3 2
3 3
I
tim tim tim tim tim
6 6 5
5 5
Illia
1.30 1.16 1.42 1.00 0.90 1.11 1.97 1.89
Tabel 3.3: Gevonden waardes voor de toonreproduktie van de gebruikte dia's
Ook werd een controlemeting uitgevoerd, om te kijken of de te gebruiken scene werkelijk identiek is met de scene waarbij de grijstrap werd meegefotografeerd, wat betreft de luminantieweergave. Hiertoe werden de scenes TERRASGEELI en TERRASGEEL2 beurtelings geprojecteerd en werd op een aantal overeenkomstige punten in beide scenes de luminantie op het scherm gemeten. We hoeven hier niet per se de doorlating te bepalen, maar kunnen volstaan met de luminanties zelf, omdat bij projectie van de dia's de overeenkomstige elementen in het beeld op dezelfde plaats op het scherm verschijnen en we dus geen last hebben van eventuele inhomogeniteiten. In tabel 3.4 is het resultaat van de meting terug te vinden. Zoals we zien is er inderdaad sprake van identiteit tussen de scenes met en zonder gri;'strap. Na deze berekening is dus voor elke dia die bijhet experiment wordt gebruikt de waarde van de toonreproduktiefactor bekend. Hiermee zijn de dia's dan gekarakteriseerd.
3.2
IJking van de scanner
Bet volgende onderdeel dat we in de keten tegenkomen is de scanner, waarmee de dia wordt omgezet in een RGB-signaal dat nn worden toegevoerd aan een monitor en zo een kleurenbeeld oplevert (mits de dia in kleur 26
Luminantie (cd/m 2 ) scene met scene zonder I plaats waarop gemeten werd grijstrap grijstrap 113.6 109.5 gele deel van de parasol 91.9 88.8 middelste stoel onder parasol 42.3 43.3 straatweg (voor het hek) 34.5 34.9 bloembak vooraan (scaduwzijde) 29.3 29.3 muur, bovende overkapping 14.0 14.5 muur van cafe 0.7 0.6 ~ raam boven ingang Tabel 3.4: Controle van de identiteit tussen scene met en zonder grijstrap, wat betreft de luminantie. Gebruikte scene: TERRASGEEL
is). De gebruikte scanner is een Flying Spot Scanner van Bosch Fernseh, type F2SK12369, IPO-nr. 2892. Dit apparaat heeft een lichtbron van waaruit licht door de dia via een optisch systeem op een photomultiplierbuis (PM-buis)valt, en zo wordt omgezet in een elektrisch signaal dat evenredig is met de densiteit van de dia ter plekke. Voor elk kleurkanaal (rood, groen en blauw) is er een aparte PM-buis aanwezig, zodat we uiteindelijk aan de uitgang van de scanner drie elektrische signalen krijgen die we naar een kleurenmonitor kunnen sturen. Op de scanner zijn een aantal potentiometers (potmeters) aanwezig waarmee we de karakteristiek van de scanner kunnen regelen. Zo heeft elke PM-buis een potmeter waarmee de voedingsspanning afgeregeld kan worden, om te zorgen dat het bereik van de buizen zo goed mogelijk wordt benut zonder dat het signaal aan de boven- of onderzijde vastloopt. Verder zijn per kanaal potmeters aanwezig voor het instellen van het wit- en het zwart-niveau van het uitgangssignaal en ook nog een potmeter waarmee we de waarde van gamma kunnen afregelen. De waarde van "'('CAn kan worden ingesteld in het interval 0.4 < "'('CAn < 1.0. Een en ander is schematisch weergegeven in figuur 3.11 voor het groene kanaal. Beide andere kanalen hebben uiteraard dezelfde opbouw als het groene. Zoals reeds werd opgemerkt willen we een rechtevenredig verband hebben tussen het uitgangssignaal van de scanner en de densiteit van de dia. Om te weten te komen of de scanner hieraan voldoet en om zonodig te kunnen corrigeren voor afwijkingen, moeten we een ijking uitvoeren. Hiertoe
27
(PMT)
photomultiplier tube
I ina 8pot uaiTler
~~-.
oIid~
r(>.)
-
.
...,
t.ube valt.a
~-.
( Green
!: C.
coDtrol
•
amplifier
t
~)
I .(A)
pow~r
8upply
Channel
Bph
I
.:
.- .:. r--- .c a r-
"-"
lr
W., A
lr
Vr
~
~t f"_0 C:C U
WI A
I
~ " W3
,
...
&I
E
fr., ••
&I
~
0
•
.....
W2~
u
I-~
V,
~
r
-
V. black level 0.4-1 white level DODIiDear amplifier
Figuur 3.11: Schematische weergave van het groene kanaal van de Flying Spot Scanner
hebben we filters nodig waarvan de densiteit nauwkeurig bekend is. We gebruiken hiervoor de Kodak Wratten gelatine filters, dit zijn neutral density (grijs)filters, die aIle kleuren uit het spectrum in gelijke mate verzwakken. Om deze filters te kunnen ijken en vervolgens te gebruiken voor een ijking van de scanner worden ze ingeraamd in diaraampjes (GEPE 3mm met antiNewton glas, 24x36mm). Daarna wordt met behulp van een standaardlichtbron gemeten wat de doorlating T, dit is het quotient van de hoeveelheid doorgelaten licht en de hoeveelheid opvallend licht, van diaraampje plus neutral density filter is. De gebruikte lichtbron is de LMT Leuchtdichtennormal LN2 (IPO-nr. 3329) en voor de meting werd verder gebruikt de LMT LI003 (IPO-nr. 3329), met een meetveld van I graad. De LMT LN2 geeft volgens deze meter een luminantie van 3140 candela per vierkante meter. In tabel 3.5 is voor aIle gemeten filters uitgezet de opgegeven waarde van de densiteit D (waarbij het diaraampje niet is meegerekend), de gemeten luminantie van ijkbron met filter ervoor, de doorlating T en tenslotte de berekende waarde van de densiteit, dat is D = - log T.
Tabel 3.5: Bepaling van de densiteit van de Kodak Wratten Neutral Density filters
29
Hiermee is de exacte waarde van de densiteit van de gebruikte NDfilters bekend en kunnen deze toegepast worden voor de bepaling van de karakteristiek van de diascanner. We zullen in het vervolg het filter met densiteit x.xx aanduiden als NDxxx. Als we kijken naar de dia's die gebruikt gaan worden bij het experiment, dan blijkt dat de densiteit hiervan Jigt in het gebied 0.25 < D < 2.25. We willen nu dat de scanner in dit gebied een lineaire overdracht vertoont, dat wil zeggen dat er een lineair verband bestaat tussen de densiteit van de te scannen dia en de logaritme van de grijswaarde aan de uitgang van de scanner die hiermee overeenkomt. De constante die de helling bepaalt bij deze overdracht is de gamma van de scanner. In formule: log(g) = log(255) - "i,con x (D - 0.2)
(3.1)
De waarde 0.2 in deze vergelijking is niet willekeurig gekozen, maar berust op het gegeven dat in de praktijk densiteiten Jager dan 0.2 bij de ingeraamde dia's niet meer voorkomen. Zodoende kunnen we voor deze densiteiten de karakteristiek van de scanner dus 'clippen' op grijswaarde 255, zonder verlies van informatie. Deze vergelijking willen we zo goed mogelijk benaderen in de praktijk. Omdat in de praktijk vrijwel altijd voor de scanner een gammawaarde van 0.40 wordt gekozen b,con = 0.40), eisen we dat de helling 0.40 is en bovendien dat de karakteristiek lineair moet zijn in het gebied 0.2 < D < 2.3. Het grijswaardebereik van de uitgang van de scanner loopt dan van 37 tot 255. Densiteiten kleiner dan 0.2 worden afgebeeld op 9 = 255 en densiteiten groter dan 2.3 op 9 = 37. Om de ideale karakteristiek al zo goed mogelijk te benaderen wordt de scanner met behulp van enkele van de ND-filters zodanig ingesteld dat de punten waarop deze worden afgebeeld zo dieht mogelijk langs de ideale lijn liggen. Dit instellen gebeurt door voor elk kanaal met behulp van de potmeters de waarde van gamma in te stellen op 0.4 en vervolgens met de potmeters voor zwart- en wit-niveau te manipuleren. We kiezen de instelling hiervan zodanig dat het van de buizen afkomstige signaal nog net niet vastloopt bij de kleinste densiteit en er pas bij hoge densiteit verzadiging ontstaat in het zwart. Nadat de scanner op deze wijze grofweg is afgesteld gaan we de karakteristiek ervan nauwkeurig vastleggen door middel van een meting, om daarna correcties er op toe te kunnen passen en te lineariseren. Hiertoe worden aIle geijkte ND-filters stuk voor stuk ingenomen en als digitaal beeld opgeslagen in het geheugen van het computersysteem. Via LIPS-software kan van elk van deze grijsvelden de gemiddelde (grijs)waarde worden bepaald, die we 30
dan weer kunnen uitzetten tegen de bijbehorende densiteit van het filter. Dit levert de karakteristiek van de scanner, zoals weergegeven in de bovenste helft van figuur 3.12. Met behulp van de relatie 3.1 en de gemiddelde grijswaardes kan de correctietabel voor de scanner worden berekend (LUT data in file RGBG04I.3LT). De karakteristiek na correctie is weergegeven in de onderste helft van de figuur. Merk op dat in deze laatste karakteristiek de signalen van de drie afzonderlijke kanalen op elkaar vallen en dus niet meer apart te onderscheiden zijn. De bij deze grafieken behorende waardes zijn in tabelvorm opgenomen in de bijlages (zie Appendix H3-1). ZO&.ls in deze tabel te zien is vertonen de grijswaardes van het rode, groene en blauwe (R, G, B) kanaal voor correctie nogal grote verschillen. Een eigenschap van de ND-filters was echter dat zij al het licht in dezeJfde mate doorlieten. Na correctie moeten de signalen R, G en B dus aIle drie even sterk zijn. Als we de tabel bekijken zien we dat dit inderdaad het geval is: er bestaan nauwelijks afwijkingen tussen de drie grijswaardes meer. Hiermee is de linearisatie van de scanner voltooid.
3.3
IJking van de programmatuur
In deze paragraaf willen we de werking van de programmatuur die wordt gebruikt bij het aanmaken van de stimuli wat nader beschouwen. Het is van belang om te weten of de bewerkte scenes voldoen aan de gestelde eisen, op grond waarvan het programma geschreven werd. Zo moet er bijvoorbeeld worden voldaan aan de eis van constante gemiddelde luminantie binnen een set stimuli die bij een scene behoren. Verder moet ook de transformatie naar een zekere gammawaarde met redelijke nauwkeurigheid uitgevoerd worden door het programma, daar dit de te onderzoeken grootheid is. Om een en ander na te kunnen meten werd gebruik gemaakt van een patroon bestaande uit 64 grijsvlakjes, elk 64x64 pixels groot (file GRAYTEST.PIC). Het eerste vlakje heeft een grijswaarde 66 en elk volgend vlakje heeft een grijswaarde die 2 hoger is dan die van zijn voorganger. Grijsvlak nummer 64 heeft dus de waarde 192. In figuur 3.13 is dit schematisch weergegeven.
3.3.1
Het PQ-compensatie-programma
Om het PQ-compensatie programma (PQLUT) te testen hebben we bovengenoemde grijstrapscene hiermee bewerkt. Daar de grijstrap geen
10T"---r----,r--...,.--...,...--"T""--r----! o 0.5 U 2 2.5 3 3.5
density
Figuur 3.12: Karakteristiek van de Flying Spot Scanner v66r (boven) resp. na correctie (onder)
32
512 pi •• ls
72
74
66
68
70
82
84
-- -- --
76
-- -- --
78
80
174 176
178 180 182 184 186 188 190 192
Figuur 3.13: Opbouw van de artificiele grijstrap GRAYTEST. De getallen in de vlakjes geven de bijbehorende grijswaarde aan.
realiteitswaarde heeft, dat wi! zeggen het is geen opname van een werkelijk bestaande grijstrap, ligt voor deze scene ook geen waarde voor gamma vast, en kunnen we deze dus vrij kiezen. Bij het testen van het programma PQLUT is gekozen voor de waarde Idia = 1.00. Verder liggen de waardes van gamma voor zowel de scanner als de monitor vast en zijn deze 0.40 resp. 2.50. Blijft nog over de vrij te kiezen parameter lIP, waarmee we de waarde van lA:den dan volledig vastleggen. Bij de aanmaak van de stimuli voor de ijking werden als waardes voor lIP gekozen 0.40, 0.70, 1.00, 1.30, 1.60, 1.90 en 2.20 (de overige parameters zijn als boven gegeven). Daar Idia = 1.00, I.can = 0.40 en Imon = 2.50 is het produkt van deze drie termen gelijk aan 1, en is de gamma van de totale keten in dit geval dus steeds gelijk aan de waarde van IIp. De met behulp van het programma PQLUT en de scene GRAYTEST gegenereerde LUT's voor de aanmaak van stimuli kregen als naam GRAYIPQxxx.3LT, waarbij xxx de waardes 040 tot en met 220 aan kan nemen, overeenkomstig de waarde van Itotaal waarop de LUT betrekking heeft (de punt vervalt 33
Tabel 3.6: IJking van het programma PQLUT: bepaling van de gemiddelde Iuminantie (scene GRAYTEST). De Iuminanties L}, L2. Ls en L4 hebben betrekking op een kwart van het totale beeld en weI resp. linksboven, rechtsboven, linksonder en rechtsonder.
hierbij, omdat die in een filenaam niet gebruikt mag worden). We gaan nu nameten of het programma naar behoren werkt. Hiervoor moeten twee metingen gedaan worden: een eerste om de gemiddelde luminantie van het beeld te bepalen en vervolgens nog een om te controleren of de waardes van ItotCJCJI overeenstemmen met de theoretische waardes. De metingen en resultaten worden hieronder besproken. Voor de eerste meting zetten we de scene GRAYTEST op de monitor en laden vervolgens steeds een van de berekende LUT's, waarna we een luminantiemeting verrichten op een kwart van het totale beeld (het is niet mogelijk op het gehele beeld ineens te meten, omdat de luminantiemeter niet over zo'n groot meetveld beschikt). We doen dit in totaal vier maal, op zodanige wijze dat we bij benadering het gehele beeldvlak bestrijken (linksboven, rechtsboven, link~onder en rechtsonder) en bepalen dan Lf/em door te middelen over de vier verkregen waardes. Voor de meting werd gebruik gemaakt van de LMT-L1oo3 luminantiemeter, meetveld 3 graden, afstand tot de monitor 2 meter. De monitorkarakteristiek was gecorrigeerd voor gamma en kleur; gebruikte LUT: CON512LM025.3LT (zie volgende paragraaf). de resultaten van deze meting zijn gegeven in tabel 3.6. In de tabel zien we dat de gemiddelde luminantie van het beeld inderdaad constant blijft. Het maximale verschil in de meting bedraagt:
LmCJ :
-
Lmin
x 100%
= 29.5 -
26.0 x 100% = 12% 29.5
L mCJz
34
De bij deze meting behorende standaarddeviatie bedraagt 1.25, bij een gemiddelde waarde van 27.7 cd/m 2 • Gezien de meetnauwkeurigheid (we dekken met deze meting bijv. niet aile 64 vlakjes), afrondingen en idealisaties, kunnen we stellen dat aan de eis van constante gemiddelde luminantie wordt voldaan (de gemiddelde luminantie van de stimuli is weI toegenomen ten opzichte van de originele scene, hetgeen duidt op een Q> 1). De tweede meting betreft het controleren van de waardes van 1'0'001' Hiertoe beschouwen we de scene GRAYTEST als een grijstrap, met een (als zodanig gedefinieerde) 1dio = 1.00. Precies zoals we bij de dia's hebben gedaan gaan we nu van elke teststimulus van een aantal van de 64 grijsvlakjes de luminantie meten. Als we de vlakjes van linksboven naar rechtsonder rij na rij doornummeren van 1 tot en met 64, kunnen we aangeven op welke vlakjes werd gemeten. De meetwaardes behorend bij de stimuli (=bewerkte scenes) kunnen we dan uitzetten tegen de meetwaardes behorend bij de originele scene. Doen we dit op dubbel-Iogaritmische schaal, dan moeten de hellingen van de lijnen overeenstemmen met de waardes van 1'0'001, daar we 1dia hebben gedefinieerd als 1.00 De meting werd weer gedaan met de LMT-LI003, met een meetveld van 1 graad (gericht op het midden van het te meten vlakje) en op een afstand van 1 meter van de monitor. De monitorkarakteristiek was ook nu gecorrigeerd, gebruikte tabel wederom CON512LM025.3LT. Meetresultaten zijn weergegeven in tabel 3.7 (a[le meetwaardes afgerond op 1 decimaal) De verkregen meetresultaten werden op dubbel-Iogaritmische schaal tegen elkaar uitgezet, waarbij de data op de eerste rij in de tabel (die betrekking heeft op de onbewerkte scene) op de horizontale as kwam te staan. De data op de andere rijen werd steeds vertikaal hiertegen uitgezet. De aldus verkregen grafiek is opgenomen in Appendix H3-3. Omdat we 1dia hadden gedefinieerd als 1.00 en deze gelijk is aan de gamma van de originele scene, moeten de diverse hellingen overeenkomen met de gammawaardes van de stimuli. Via de methode der kleinste kwadraten werden de hellingen van de regressierechten bepaald, die gelijk zijn aan 1gemden' In het ideale geval zouden de gemeten waardes voor gamma exact gelijk moeten zijn aan de theoretische, die als parameter zijn meegegeven bij de aanmaak van de teststimuli. In onderstaande tabel zijn de resultaten van de berekeningen terug te vinden. Zoals blijkt uit de tabel zijn de gemeten en theoretische waardes goed in overeenstemming met elkaar. De maximale
Tabel 3.7: IJking programma PQLUT: controle van "1totaal (scene GRAYTEST). De waardes in kolom #i hebben betrekking op een meting op grijsvlakje Dummer i van de scene.
i GRAY1PQ ... ! itheor
I i,emeten
040 0.40 0.42
070 : 100 0.70 i 1.00 0.69 0.98'
130 1.30 1.27
160 1.60 1.56
I I I
190 1.90 1.81
220 2.20 2.09
Tabel 3.8: lJking PQLUT: vergelijking theoretische en gemeten waardes van voor de diverse teststimuli.
36
"1totaal
relatieve afwijking vinden we voor 1theor - 1gemeten
x 100%
1theor
= 2.20 en deze bedraagt:
= 2.20 -
2.09 x 100%
= 5%
2.20
1theor
Dit verschil is zeker acceptabel gezien de nauwkeurigheid in de diverse stappen die we doorlopen, en we mogen dus steIlen dat het programma ook voldoet aan de verwachtingen wat betreft de variatie van gamma. Tenslotte zijn van de diverse teststimuli nog histogrammen gemaakt, die zijn weergegeven in de figuren 3.14 en 3.15. Hierin is te zien hoe de verdeling van de pixels over de luminantieniveaus verandert bij variatie van gamma. Duidelijk is te. zie.n dat bi,i lage. waarde.s van gamma Ble.chts een klein deel van de lumjnantie.schaal wordt gebruikt, te.rwijl hij toe.ne.me.nde gamma ste.e.ds me.e.r hoge.re. e.n lage.re. luminantie.niveaus be.ze.t worden. Verder zien we dat in de grafiek GRAYPQ040 pieken voorkomen in het diagram. Deze worden veroorzaakt door afrondingsfouten bij de berekening van de LUT's voor de stimuli. Hierbij worden namelijk aIle grijswaardes met een zekere waarde van gamma getransformeerd (volgens een machtsfunctie), maar daarbij zuBen de getransformeerde waardes geen integers zijn als gamma geen integer is. Hierdoor is het noodzakelijk de verkregen waardes af te ronden op het dichtsbijIiggende gehele getal (lees: de dichtstbijliggende grijswaarde). Bij de maximale gamma wordt ook het maximale niveau bereikt. Naast de histogrammen van de teststimuli is ook het histogram van de origineJe (onbewerkte) scene opgenomen (GRAYTEST). We zien hier dat de pieken niet equidistant verdeeld liggen in het luminantiedomein. Dit wordt veroorzaakt doordat we bij de vertaling van grijswaardes in luminanties weer te maken hebben met een machtsfunctie, waarbij grijswaarde 9 wordt verheven tot de macht 1mon' Equidistante grijswaardes geven hierdoor dus niet-equidistante luminanties te zien. Ais we dit vergelijken met het histogram behorende bij 1 = 1.00 (GRAY1PQ100), dan zien we dat tengevolge van de factor Q er een verschuiving plaatsvindt naar hogere luminantieniveaus (Q > 1, ofwel de gemiddelde luminantie neemt toe), en tevens dat de luminantie-omvang toeneemt. Ais geheel werkt het programma PQLUT dus naar verwachting, binnen redelijke grenzen. Het programma voldoet aan de gestelde eisen, te weten het constant houden van de gemiddelde luminantie bij variatie van de parameter gamma. Het laatste gebeurt ook met een grote nauwkeurigheid.
37
graytest
~
gray1pq070
(Jq ~ ~
...
-
10
10
~
•
::z:: ;0 r->-
0
...III
(Jq
§ ~
~
~ '--" ~
.8
.8
E
E
~
~
c
c
::J
<
III
::J 0.~
r->-
w
00
30
m r->-
@lill~lijUilllL~,-_~.~ .~.~.'-T-~.~ 60
90
120
0 0
150
30
Iuminance{cd/m••2)
til
n ::J
60
90
120
150
Iuminance{cd;fn"2)
~,
gray1pq040
~
C') ~
~
t-i
gray1pq100 10
10
t"j
en
1-3
,....
,.... .8
I
C
C
~ ~
E :J
E :J
•
0 0
JO
60
.,.....,.-,......----,---.y-
90
,uminonce{cd/m..2)
.,.--r--.. . . . . 120
-·---1 1~0
30
60
~
1 • 90
Iuminonce{cd/m"2)
•
I
120
0
I
150
gray1pq130
gray1pq190 10
30
60
90
150
120
30
luminonce{cd/m"2)
gray1pq160
I
90
120
gray1pq220
10
~
60
luminonce{cct, m••2)
10
1
:J C
~~UlliU1DllLI~f o~, 0
30
60
90
Iuminonce{cd, m..2)
120
~WW,WJJrllU 60
90
Iuminonce{cd/m"2)
120
150
3.4
IJking van de monitor
Ret sluitstuk van de keten wordt gevormd door de monitor, waar uiteindelijk het beeld van de scene op zal verschijnen. Ook de monitor kan worden gekarakteriseerd door een gamma-waarde. Evenals bij de scanner lean deze worden bepaald door een meting, waarbij we ditmaal een grijswaarde als input aanbieden en de bijbehorende luminantie op de monitor meten als output-signaal. De waarde van 1",on kan dan worden gevonden door beide grootheden logaritmisch tegen elkaar uit te zetten (grijswaarde horizontaal tegen luminantie vertikaal), en van het rechte deeI van deze karakteristiek de helling te bepalen, waarbij '"Y",on = tan(o:) met 0: de hoek van de rechte met de horizontale as. Ook de monitor kunnen we lineariseren, zodat deze in een zeker gebied als ideaal te beschouwen is. Bij het doormeten en corrigeren van de monitor werd gebruik gemaakt van de programma's GAMCUR, GAMLUT, GAMDRAW en LUMCON (zie handleiding, v.d.Braak en Martens,1989). Alvorens we de monitor kunnen corrigeren moet deze eerst doorgemeten worden, dat wil zeggen we moeten de relatie tussen grijswaarde en luminantie kennen. Deze zal ongeveer voldoen aan de formule:
L mon == Cont x (gp"'o"
+ Brig
die al eerder werd gegeven. We zetten dus vlakken van verschillende grijswaarde op de monitor en meten de bijbehorende luminanties. Op deze wijze meten we zowel de karakteristiek voor elk kleurkanaal afzonderIijk, alswel de karakteristiek van de som van de drie kanalen, hetgeen een grijsvlak oplevert op de monitor. Ret meten gebeurt met behulp van het programma GAMCUR, dat er voor zorgt dat achtereenvolgens steeds een rood, groen, blauw en grijs vlak op de monitor verschijnen, waarvan de grijswaardes door het programma dan wei door de gebruiker worden opgegeven. De waardes waarbij gemeten wordt en het aantal meetpunten, de grootte van het meetvlak en de eventuele waarde van de achtergrond kunnen als parameters worden meegegeven bij het aanroepen van GAMCUR. Bij deze meting werd gebruik gemaaakt van een veld van 512x512 pixels en de standaard meetpunten van het programma. De gebruikte luminantiemeter was wederom de LMT-Ll003, het gebruikte meetveld was 1 graad bij een afstand monitor-meter van 1 meter. De luminantiemeter stond gericht op het centrum van de monitor. Er werd gekozen voor een veld van 512x512 pixels, omdat we dan bij
40
coordinaten y kleur x rood 10.625 0.334 groen i 0.301 0.599 blauw ' 0.144 0.070 Tabel 3.9: Kleurcoordinaten van de RGB-signalen van de monitor
de lage grijswaardes (=lage luminantieniveau's) weinig of geen last hebben van reflectie via de wanden. Bij de hogere luminantieniveau's speelt dit effect niet zo'n grote rol meer. Ter vergelijking werden eerder metingen gedaan op velden van 512x512, 200x200 en 20x20 pixels (waarbij in de laatste twee gevallen de achtergrond een grijswaarde 100 kreeg), waaruit dit effect duidelijk blijkt. De laagst gemeten luminantie schuift hier steeds ca. een halve decade omhoog (zie Appendix H3-2, A tim C). Op grond van bovenstaande werd dus gekozen voor een grijsvlak van 512x512 pixels op de monitor voor de uiteindelijke meting. Het resultaat van deze meting is zowel in grafische vorm als in tabelvorm terug te vinden in figuur 3.16. Deze meetresultaten staan tevens opgeslagen in de file CON51283.dat. We zien in de grafiek dat de karakteristiek eigenlijk nergens echt recht loopt en dat de gamma (voor zover we deze zinvol kunnen bepalen) een vrij hoge waarde heeft, ergens in de buurt van de 3.5. De volgende meting die we moeten doen is de bepaling van de kleurcoordinaten van het rode, groene en blauwe kanaal, die we straks nodig hebben om de correctietabel te kunnen berekenen. Dit doen we met behulp van de colorimeter (EMT Monitor-Farbmessgerat TMF3, IPO-nr. 3704). De meetkop wordt op de beeldbuis van de monitor bevestigd en we stellen het apparaat in op xyz-meting, dat is meting van de kleurcoordinaten in het x-y-z systeem, zoals vastgelegd door de Commission Internationale de l'Eclairage (CIE,1971). We sturen de drie kanalen na elkaar aan met grijswaarde 255 en lezen op de meter de kleurcoordinaten van de kleuren af. Bij deze meting staan de knoppen van de monitor waarmee Cont en Brig ingesteld kunnen worden in de gecalibreede stand. De gemeten x- en ywaardes zijn terug te vinden in tabel 3.9 en de waarde van z voigt eenvoudig uit de relatie x + 11 + z = 1. Nu de karakteristiek van de monitor volledig gemeten is, kan worden overgegaan tot correctie ervan, en met name correctie voor gamma en kleur.
41
51
. ~
'...
_-
--
---I --
,. -
Oij'
c
C
_.
'1
Ly
Co'
....
0)
~
l» '1 l» llO:"'
...
... ii' ~
<+
(i'
Do
..;:::;...
t-:l
W
::s ;:;:
Z
...0
OQ
8:3 If n 0
'1 '1 ftl
... n
_.~
u
J-
--
.I.
r
:1
J
r;-
01 0
:3 0
.j L
-
U
"..-..
~
--
~ "'0
llO:"'
::s
•
....
10'
1cf
--
-
« z
I---
_..
-
~-
. ,
~
.
3
il ll
,
10-
--
- -f--
1------
j;;'
-
-
1:/
11'
---
7" ._._-~
10' GREYVALUE Oog)
..
-.
.
-.
Lc1
Ib
r.y Lr V Lc1 no _._.a_______••••__••••_·_.··· .............-----Ib
De tabel waarmee we een van de LUT's hiertoe gaan laden kan worden berekend met het programma GAMLUT. Bij de in te voeren parameters hebben we ook de luminantiebijdrage van ieder kanaal nodig, die we eerst berekenen met LUMCON. Gewenst is een kleurweergave die zo natuurgetrouw mogelijk overkomt, dus we kiezen voor een kleurtemperatuur van 6500 Kelvin, hetgeen overeenkomt met de CIE daglichtstandaard 065, en krijgen met invoer van de eerder gemeten kleurcoordinaten luminantiebijdrages van 0.231 voor rood, 0.684 voor groen en 0.084 voor blauw. Dit betekent dat als we op de monitor een grijsvlak zetten met een luminantie van L cdjm 2 , dat dan het rode, groene resp. blauwe signaal een luminantie heeft van 0.684L, 0.231L resp. 0.084L cdjm 2 • Deze luminantie-contributies van de drie kleuren worden als parameter mee gegeven aan het programma GAMLUT, waarbij we verder als waardes voor de overige parameters kiezen: gamma = 2.50, Lmin = 0.25 cdjm 2 • Aanvankelijk werd gekozen voor Lmin = 1 cdjm 2 , maar de monitorkarakteristiek is dan pas lineair vanaf grijswaarde 35, tegen grijswaarde 20 bij Lmin = 0.25. Onder de genoemde waardes wordt de karakteristiek 'gec1ipt'. Dit heeft weliswaar geen consequenties voor het weergeven van de originele scenes op de monitor, omdat deze na het scannen aIleen grijswaardes bevatten groter dan 35, maar bij bewerking met gammawaardes kleiner dan 1 worden deze waardes kleiner en willen we toch zoveel mogelijk grijswwaardes op verschillende luminanties blijven afbeelden, om dichtlopen van de donkere partijen in het beeld zoveel mogelijk tegen te gaan. De keuze van "Ymon = 2.50 vloeit voort uit de gekozen waarde voor "Y8CQn = 0.40. Bij deze keuze krijgen we namelijk een overdracht van 1.0 voor monitor en scanner samen, en als we de Image Processor niet gebruiken om beelden te bewerken, hebben we een overdracht van 1.0 x "Ytlio voor de gehele keten. De ideale curve zoals die berekend werd door GAMLUT moet nu nog gecontroleerd worden door de LUT te laden en de monitor opnieuw door te meten. Dit laatste gebeurt op dezelfde wijze als eerder beschreven met het programma GAMCUR. Beide karakteristieken (ideale en gemeten curve na correctie) zijn opgenomen in figuur 3.17. De tabel met de meetwaardes is te vinden in Appendix H3-2 D. De gegevens van de ideale resp. gemeten karakteristiek zijn ook terug te vinden in de files YLOGLM025.dat en de file CON512LM025.dat. De inhoud voor de LUT is te vinden in CON512LM025.3It. Bepalen we tenslotte nog de waarde van "Ymon om te zien of deze inderdaad overeenstemt met de, bij de berekening van de LUT, opgegeven (gewenste) waarde van 2.50. We berekenen gamma door bepaling van de 43
I 10-2;..J---I--~~1-U-H--~+--4-H~~-....-........t I
GREYVALUE Oog)
I,
,
i -~
"
,d
f
II
"I I)
'l / lJ / / _.
.-
i-·-
~
I
I
2
I
.. It ·Jl-II----·-:-· f--.-- _ I / - l - - . - .-
1d
I
I
Jt!1
~
U r--.
-.:
>--
I
.......-~Ilo_+o......~ ~. . .__I_--f-f__H.
1d'
10
--- u z 1cf T----- -_. « z I
.-+---+,~,-~
-- -..
...
w
-+-.f.-+..iI+H---f.---fl,I+-tI---JJi-
r~ It . .'" ,.
1
Ol 0 c:::.-
1cf - .-.. -~
•
1/
~_-f-+-++f~-_.~~--'I--t-
- 1..- --+... _
'p
-..-.
--
•
II
_...-
--f.'--+-+-+-++-f+Hf-·-'-
-
~-
I
i
,
i
I
I
:
1-
.
I i
~
I
I, I, I I
1d
GREYVALUE Oog)
I
I
j
+-
T
I
helling van de log-log karakteristiek, ofwei (voor het luminantiesignaal) geldt:
alog(L~)
"Ymon
= alog(g)
Nemen we nu het lineaire deel van de karakteristiek, dan kunnen we hiervoor ook schrijven: log(L~2) -log(L~I) "Ymon
=
log(g2) - log(gd
met L~I' L~2 de bij gl, g2 behorende luminanties. Kiezen we voor laatstgenoemde parameter de grenzen van het theoretisch lineaire gebied, te weten gl = 20 en g2 = 255, dan vinden we voor de waarde van gamma: ImDn
=
log(148.764) - log(0.186) log(255) - log(20)
= 2.63
We zien echter in figuur 3.17 dat de karakteristiek niet helemaal recht meer is onder grijswaarde 35. Er treden hier afwijkingen op door afrondingen en beperkte meetnauwkeurigheid. Bepalen we gamma opnieuw, maar ditmaal in het gebied 9 = 35 tot 9 = 255 dan vinden we nu een waarde (L~1 = 0.960) 1m-on = 2.53. We kunnen dus stellen dat de gecorrigeerde karakteristiek voldoet aan de wensen wat betreft gamma. Tenslotte voeren we nog een laatste controle uit, te weten meting van de kleurtemperatuur van de gecorrigeerde monitor. Bij aansluiting van de colorimeter blijkt de kleurtemperatuur bij uitsturing van 512x512 pixels met grijswaarde 255 (aIle drie de kanalen) 7000 a. 7250 K te zijn. Dezelfde meting bij uitsturing met grijswaarde 20 levert een kleurtemperatuur op van 7000 K. Weliswaar is dit in beide gevallen iets te hoog, maar de kleuren zien er natuurlijk uit, en bij controle blijken de luminantiecontributies van de drie kleuren ook in overeenstemming met de berekende waardes. De monitor is hiermee voldoende gekarakteriseerd.
3.5
IJking van de totale opstelling
Nadat aIle onderdelen van de keten zijn geijkt en waar nodig gecorrigeerd, rest ons nog de mogelijkheid van een laatste controle, door een meting te verrichten aan de keten als geheel. Dit doen we aan de hand van de inmiddels bekende scenes, waarvan we de karakteristieken al hadden bepaald (zie de paragraaf "IJking van de dia's").
Tabel 3.10: Bepaling van averdracht van de tatale keten. Metjng 7tot vaar de acht gebruikte scenes.
Daar we voor "IlCon en "Imon de waardes 0.40 resp. 2.50 hebben genomen geldt voor de totale overdracht van de keten: "Itot
=
"Ielio X "I.con
x
"lIP X "Iwum
=
"Idio X "lIP
Als we geen gebruik maken van de mogelijkheid om via de Image Processor de gammakarakteristiek van de scenes te veranderen hiP = 1), dan zouden we dus als waarde voor "Itot weer de eerder gemeten waarde van "Idio terug moeten vinden. We kunnen dus de overdracht van de keten als geheel controleren door van elke scene opnieuw de karakteristiek te meten, maar dit keer niet via projectie op het scherm, maar door te meten op de monitor. Hiertoe zetten we van elke scene de opname met grijstrap op de monitor en bepalen vervolgens de luminantie van de grijsvlakken. Door deze op dubbel-Iogaritmische schaal uit te zetten tegen de luminanties zoals deze gemeten werden aan de grijstrap in werkelijkheid, en door toepassen van lineaire regressie (op dezelfde punten als bij de ijking van de dia's) verkrijgen we de waardes voor de luminantiereproduktie van de keten als geheel. In tabel 3.10 staan voor elke scene de gemeten luminanties, de gevonden waarde van "Itot en ter vergelijking de eerder gevonden waarde van "Idio' De bijbehorende grafiekjes zijn opgenomen in figuur 3.18. We zien in de tabel dat na ijking en correctie van de diverse onderdelen van de keten inderdaad wordt voldaan aan de relatie zoals die voor "Itot werd afgeleid, te weten dat deze wordt verkregen door het produkt te nemen van aIle gamma's die in de keten voorkomen. Slechts in twee gevallen is er geen overeenstemming tussen "Idio en "Itot gevonden, namelijk bij de scenes FRUIT2 en MOLEN2, 46
~alin9-i]amma 2 +----+--+---+---;'7"4;'1
tot
2 +------If---......:....--+--...,-~
,,-......
1.5
E I
-l
'--"
(jl
0
0.5 +----Af-----,tL--+-----+-I
0.5
o-M""'T""1,....,.....,h-.........r+-.........r-rh-.,....,..-r+l 0.5 1 1.5 2 o
0
x
0
0.5
log(L_w)
I
I
I
-.J
------~
'--"
:
(jl
0.5 , ,,
o
;if ;/ I: "
,.:-
o~
0
o
,,
,,
/'
V
j
i
0.5
1
~o'"
--..
2
1.5
E I
,'0 '
,
I'
1.5
2
P
,&;!~
i
E
,
i
i 1.5
2
I og(L_ w)
2 -1--- -----t-- - - -
,,-......
1.5
1
-.J
'--"
(jl
i
0
!
0.5 0
1.5
2
log(L_w)
0
0.5
1
I og(L_ w) x-xfruit v-vmolen .....-terrasgeel .......wa03
Figuur 3.18: Luminantieweergavefunkties van de acht scenes zoals deze werden gemeten op de monitor I na ijking en correctie van de diverse delen van de beeldbewerkingsketen
47
waar we een grote afwijking (ca. 25%) vinden (waarvoor verder geen verklaring gevonden is).
48
Hoofdstuk 4 Beschrijving van de experimenten In dit hoofdstuk willen we wat nader ingaan op de eigenlijke experimenten. Hiertoe bekijken we achtereenvolgens de gebruikte stimuli, zetten we de proefpersonen en hun visus op een rijtje, geven een schematisch overzicht van de bij de experimenten gebruikte opstelling en geven de opdracht aan de proefpersonen weer.
4.1
De gebruikte stimuli
Tijdens de experimenten werd gebruik gemaakt van zowel zwart/wit- als kleuren- beelden op de monitor (zij het wei gescheiden, dus geen experimenten met kleur en zwart/wit door elkaar), die in contrast waren gevarieerd. Zoals we reeds hebben gezien in het hoofdstuk over de exponent I' kunnen bij wijzigen van de contrastfunctie ook andere parameters gaan varieren. Een van die parameters, te weten de gemiddelde luminantie, konden we vasthouden met behulp van PQ-compensatie. Uitgaande van de acht gekozen scenes werden met het programma PQLUT stimuli aangemaakt, waarvan het contrast varieerde bij gelijkblijvende gemiddelde luminantie. Van elke scene werden 7 stimuli aangemaakt, waarbij werd gekozen voor de volgende waardes van lIP: 0.40, 0.70, 1.00, 1.30, 1.60, 1.90 en 2.20. In tabel 4.1 staat aangegeven wat de waarde van Itotool is voor de diverse stimuli bij deze waardes van lIP. De in de tabel gegeven waardes van Itotool zijn berekend uitgaande van de waardes van Idio zoals deze op de monitor werden gemeten, na correctie van monitor- en scanner-karakteristiek, en zoals weergegeven in de laatste paragraaf van het vorige hoofdstuk. De 49
gamma-bewerkingen (met het programma PQLUT) werden toegepast op de luminantiesignaien van de scenes. Hiervoor moesten van elke scene eerst het YUV-signaal worden berekend uit het RGB-signaal. Dit gebeurde met het programma PAL (J .B.Martens), dat een monitorbeeld omrekent in een luminantie-(Y) en twee kleurverschil-(U en V) signalen. De zo verkregen luminantiesignalen werden vervolgens bewerkt tot stimuli met gammawaardes als weergegeven in de tabel. Voor het zwart/wit experiment waren daarmee de stimuli gereed. Om het kleurexperiment te kunnen uitvoeren, moesten de nieuw verkregen luminantiesignalen (=stimuli) via PAL weer worden terugvertaald in kleurenbeelden. Hiervoor werd voor het Y-signaal het bewerkte beeld genomen (Y') en dit werd met de originele u- en V-signalen terug omgezet in een R'G'B'-signaal voor de monitor. De kleuren stimuli hebben dezelfde gamma en gemiddelde luminantie als de stimuli die werden gebruikt bij het zwart/wit experiment en verschillen dus alleen in het aanwezig zijn van extra informatie in de vorm van kleur. De met behulp van PQLUT verkregen LUT's en de hieruit berekende stimuli krijgen allen een codering, waarin de naam van de scene, het soort van compensatie (PQ) en de waarde van gamma terug te vinden is. De stimuli krijgen bovendien nog een code mee die aangeeft of het een kleurendan weI een zwart/wit-plaatje betreft. In onderstaande tabel (4.2) is de codering terug te vinden voor de diverse scenes. In de datatiles die door het programma PQLUT geproduceerd worden (en waarvan de naam gelijk is
50
scene i code LUT code stimuli DEMERB41 DEMERPQ.3LT DEMPQ
.PIC DORPSSTRAAT1 DORPSPQ.3LT DORPQ
.PIC FRUIT1 FRUITPQ.3LT FRTPQ
.PIC MOLEN1 MOLENPQ.3LT MLNPQ
.PIC STADHUIS1 STADHPQ.3LT STHPQ
.PIC TERRASGEEL1 TERRASPQ .3LT TERPQ
.PIC WA0104 WA01PQ.3LT WA1PQ
.PIC WA0304 WA03PQ.3LT WA3PQ
.PIC Waarbij geldt: staat voor de waarde van gamma
is BW voor zwart/wit stimuli
is CO voor kleurenstimuli Tabel 4.2: Naamgeving van LUT-files en stimuli bij het PQ-compensatie-experiment
aan die van de LUT-files met .3LT vervangen door .DAT) is terug te vinden hoe de transformatie van grijswaardes precies verloopt bij een bepaalde waarde van gamma, en tevens zijn terug te vinden de waardes van P en Q voor die gamma. Omdat aile bewerkingen aileen plaatsvinden op het luminantiesignaal, zijn deze datafiles zowel van toepassing op de kleuren als op de zwart/wit stimuli. Er werd nog een tweede experiment opgezet met zwart/wit stimuli, waarbij dezelfde waardes werden aangehouden voor "'tIP, te weten 0.40, 0.70, 1.00, 1.30, 1.60, 1.90 en 2.20. De waarde van "'tmon was nu echter ingesteld op 2.00 in plaats van 2.50. De bij dit experiment behorende LUT's en stimuli hebben een naamgeving volgens hetzelfde systeem als boven beschreven, dus de naam bevat steeds een lettercombinatie ter aanduiding van de scene, de letters 'PQ' om aan te geven dat PQ-compensatie werd toegepast, en verder een combinatie van cijfers waarmee de waarde van gamma wordt weergegeven. De combinatie < col> is in dit geval vervangen door 'BW2', en deze combinatie is tevens terug te vinden in de naam van de LUT's. Bij dit tweede experiment met zwart/wit stimuli werden slechts 4 scenes gebruikt van de 8, en wei FRUIT, STADHUIS, TERRASGEEL en WA03. Bij de methode van PQ-compensatie was gekozen voor gamma-variatie bij een constante gemiddelde luminantie van het beeld. Verder werd het al51
goritme zo uitgewerkt dat de maximale grijswaarde die in de oorspronkelijke scene voorkwam bij de maximale waarde van "YIP werd afgebeeld op grijswaarde 255. Bij de bewerking van de scenes tot stimuli krijgen we dus een (scene afhankelijke) verschuiving van de pixels over de luminantieniveau's. Om een indruk te krijgen van deze verschuiving voor de diverse scenes werd van elke stimulus uit het eerste experiment een histogram gemaakt van de verdeling van de pixels over de beschikbare luminanties. Deze histogrammen zijn in grafische vorm weergegeven in de figuren 4.1 tot en met 4.16, die hierna volgen. In de diagrammen is te zien dat de contrastomvang van de stimuli toeneemt naarmate gamma groter wordt: bij toenemende gamma raken de hogere en lagere luminantieniveau's bezet. Bij een lIP < 1 wordt de inhoud van de scene gecomprimeerd: het interval van luminanties die bezet zijn wordt kleiner. Gegeven was dat bij de maximale waarde van lIP de hoogst voorkomende grijswaarde in de scene werd afgebeeJd op 255, hetgeen bij beschouwing van de histogrammen niet lijkt te kloppen. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat het aantal pixels dat het hoogste grijswaardeniveau bezet vaak zo klein is dat de bijbehorende piek in het histogram niet meer zichtbaar is. Ter controle van het feit dat inderdaad 9mca wordt afgebeeld op 255 bij maximale gamma, kunnen de histogrammen dienen die zijn gemaakt van de testscene bij de ijking van de programmatuur (zie hoofdstuk "lJking van de keten dia-monitor").
4.2
Proefpersonen
De proefpersonen (pp.) die zijn gevraagd om dee I te nemen aan het onderzoek zijn allen werkzaam, als medewerker of als student, op het Instituut voor Perceptie Onderzoek. Onder hen bevinden zich een aantal personen die getraind zijn in het beoordelen van de kwaliteit van monitorbeelden, en vaker hebben deelgenomen aan soortgelijke experimenten, naast een aantal andere die weinig of geen ervaring hebben met schalingstechnieken en onderzoek naar beeldkwaliteit.Tot deze laatstgnoemde groep mogen worden gerekend de pp. AT, MN en TH. In tabel 4.3 is een lijst opgenomen van aIle proefpersonen, waarin van elke proefpersoon ook de visus is vermeld. In appendix H4-1 zijn de datafilecoderingen terug te vinden, met daarbij een identificatie van de proefpersonen. Van de 6 proefpersonen hebben er 4 deelgenomen aan aIle experimenten (2 met zwart/wit- en 1 met kleuren-stimuli), te weten de pp. AT, GS, MB en TH. De andere twee proefpersonen (pp. JR en MN) hebben aIleen deelgenomen aan het eerste experiment met zwart/wit stimuli.
o. . .IIIQa....--~~--.-r-T"""T"""'T"~~..--r..............-.---........, o ~ ~ luminonce(cdfn"2)
o_ • •t-t---....-,.........-...-----r-r-----.--.,.....,...~......---._, t20 ~ ~ o JO 'uminance(~2)
--
wa3pq203
wa3pq081
t-.:l"tj
~ ~()q
_ c
C
"'f
of>'-
10
10
'-' (J1
::r: c;;c+
0
()q "'f
III
S
s III
::I
<
~
~ y
::J
C
I
~ ::J
C
III ::I
0..
III II) ()
0
Ill' 0) ~
::I
60
JO
III
90
120
0
150
JO
luminance(cd;tn**2)
~
> 0 ~
120
wa3pq264
wa3pq142
e,., 0
10 60 Iuminonce(~)
<
0 0
10
10
"'f
;! 0
p
eli 0
00
'-' ~
0
c+ III
~
f
I
::J C
::J
C
::I
S III
c+
0
~·T·-r-
0
30
60
90
Iuminance(cd;tn**2)
120
JO
60
90
luminance(cq,m.0t2)
120
......... ~-r·,
M
~
wa3pq447
wa3pq325
oI>o."rj
0;;'
:--' t: t:
"'f
-...
'!'"
10
en
::r:: fit
~
0
oq "'f
ll'
3 3 (1)
l:I
<
~
I c:
ll'
l:I
0(1)
~
•
(1)'
0)
00
l:I
120
JO
(1)
~
I
150
wa3pq386
0
w 0
01>0.
<
0 0
"'f
10
:! 0 i>
2-
II
~i ~
(1)
:>
c:
l:I
3 (1)
~
1""1 JO
v
;
.
,
r •• , , ~
f
I
~
luminance{cd/rTl"'.2}
~~~-T-·-r~·r-·,..---r--,
120
M
Proefpersoon ! AT Visus I 2.50
GS 2.50
JR 1.25
MB 2.00
MN 2.50
TH 1.25
TabeI4.3: De proefpersonen en hun visus
4.3
Opstelling bij het experiment
Het experiment, te weten schaling van contrast en kwaliteit (zie ook volgende paragraaf), vindt plaats met de opstelling zoals die is weergegeven in figuur 4.17. De proefpersoon bevindt zich in een verduisterde ruimte, op een kijkafstand van 2.1 meter van de monitor, hetgeen overeenkomt met 7 maal de schermhoogte. Achter de monitor bevindt zich een egaal witte wand, welke verlicht wordt door een tweetal bureaulampen die via een variac geschakeld zijn. De gemiddelde luminantie van de wand achter de monitor bedraagt 4 cd/m 2 •
4.4
Opzet van het experiment en opdracht aan de proefpersonen
Bij het experiment met de PQ-gecompenseerde beelden moet elke proefpersoon de stimuli schalen naar contrast en naar kwaliteit. Deze twee schalingen vinden plaats in afzonderlijke sessies. Een proefpersoon schaalt dus nooit contrast en kwaliteit tegelijkertijd. Elke sessie waarin schaling van contrast of kwaliteit plaatsvindt, bestaat uit 224 opeenvolgende stimuli. Bij het eerste experiment met zwart/wit stimuli hebben we 8 verschillende scenes gebruikt en per scene een set van 7 stimuli. Zodoende kunnen we per sessie elke stimulus 4 maal aanbieden op de monitor. Aangezien we graag willen middelen over 8 aanbiedingen per stimulus om de spreiding op de data te verkleinen, zal elke proefpersoon dus tweemaal contrast en tweemaal kwaliteit moeten schalen. Bij het experiment met kleuren stimuli en bij het tweede experiment met zwart/wit stimuli wordt gewerkt met slechts 4 scenes, zodat hier in een sessie steeds een volledige schaling van contrast resp. kwaliteit kan plaats vinden. Er werd gekozen voor een sessielengte van 224 stimuli in verband met de duur van de sessie, die niet te lang mag zijn, om te voorkomen dat de proefpersonen niet te zeer vermoeid raken en/of hun concentratie verliezen
69
0-----
->- - - - - - - -
'-(
---:~~':: _2._1
~) _~,
Figuur 4.11: De experimenteeropstelling bij het onderzoek
tijdens het experiment. Als we weten dat elke stimulus 5 seconden op het scherm staat en wordt gevolgd door een grijsveld (adaptatieveld) gedurende 2 seconden, dan kunnen we uitrekenen dat een sessie iets minder dan een half uur in beslag neemt. Voordat begonnen wordt met de eigenlijke schaling, krijgt de proefpersoon eerst een kleine set stimuli te zien, waarvan de kwaliteit c.q. het contrast het gehele interval beslaat waarbinnen gevarieerd is. Dit heeft tot doe1 de proefpersoon een indruk te geven van de mate waarin de stimuli varieren. Bovendien is het van belang dat de proefpersoon op deze wijze zijn schaal vast kan leggen voordat hij aan het experiment begint. Bij de contrastschaling wordt de proefpersoon gevraagd om aan de aangeboden stimuli een cijfer toe te kennen tussen 1 en 10, al naar gelang het contrast in het beeld. Alleen gehele getallen tussen 1 en 10 mogen wor70
den gebruikt. Een plaatje met een zeer laag contrast kan minimaal met een '1' beoordeeld worden, terwijl een plaatje met een hoog contrast maximaal een '10' kan krijgen (zie ook de instructiebladen voor de proefpersonen, opgenomen in appendix H4-2). De kwaliteitsschaling verloopt identiek &an de boven beschreven schaling van het contrast. Ook hier mogen aIleen gehele getallen tussen 1 en 10 worden toegekend aan de plaatjes. Een volgens de proefpersoon kwalitatief zeer goed plaatje krijgt dus maximaal een '10' en een zeer slecht plaatje minimaal een '1'. In beide gevallen wordt verder geen instructie gegeven wat betreft de definitie van kwaliteit of contrast, dit wordt geheel aan de betreffende persoon overgelaten. WeI wordt gezegd dat de plaatjes aIleen in contrast gevarieerd zijn en niet in scherpte, kleur, of andere parameters. De proefpersoon krijgt voor de start van een sessie (voor de testserie van 16 stimuli) een vel uitgereikt met daarop de instrueties wat betreft de te verrichten taak (appendix H4-2). De instrueties voor het experiment met kleurenstimuli zijn identiek aan die voor het zwart/wit experiment.
71
Hoofdstuk 5 Resultaten In dit hoofdstuk komen de resultaten aan de orde die zijn verkregen uit de diverse experimenten met gamma-gevarieerde stimuli. De resultaten worden gepresenteerd in de volgorde waarin zij zijn verkregen, dus eerst komt het experiment met de zwart/wit stimuli aan bod, vervolgens dat waarbij gebruik werd gemaakt van kleurenstimuli en tenslotte het tweede experiment met zwart/wit stimuli, waarbij "'Imon een andere waarde heeft gekregen. Aan het eind van dit hoofdstuk zal tenslotte een vergelijking worden gemaakt tussen de gegevens die uit bovengenoemde drie experimenten zijn verkregen.
5.1
Eerste experiment met zwart/wit sti-
muli Bij het eerste experiment werd gebruik gemaakt van zwart/wit stimuli, verkregen uit de bewerkte Y-signalen van de gescande kleurendia's. De instelling van de (gecorrigeerde) apparatuur is als aangegeven in het hoofdstuk "IJking van de keten dia-monitor", met gammawaardes voor scanner en monitor: "'I,can = 0.40, "'Imon = 2.50. De gammawaardes voor de Image Processor lopen van 0.40 tot 2.20 (stapgrootte 0.30) en de waardes van "'Illia tenslotte zijn genomen zoals deze werden gemeten op het monitorscherm na correctie van scanner en monitor (zie hoofdstuk 3). In de nu volgende sub-paragrafen gaan we de resultaten verkregen uit dit experiment wat nader beschouwen.
72
5.1.1
Kwaliteit versus gamma
Ten eerste gun we kijken naar de perceptieve kwaliteit van de stimuli als functie van de parameter gamma, zoaJs deze door de proefpersonen tijdens het experiment werd geschaald, door middel van het toekennen van een cijfer tussen 1 en 10 aan elke stimulus. In de figuren 5.1 en 5.2 staat voor een tweetal proefpersonen de kwaliteit als functie van gamma weergegeven. Deze resultaten zijn verkregen door middeling over een achttal aanbiedingen per stimulus. De vertikale lijntjes in de grafieken geven steeds twee keer de standaarddeviatie van het gemiddelde weer. We zien in de grafiekjes dat er een duidelijke piek te vinden is voor iedere scene, maar dat de waarde van ""IopCifflGfJl ook per scene verschilt. De files waarin de originele data staan van de experimenten zijn opgenomen in de bijlagen van dit verslag. De resultaten vertonen voor de verschillende proefpersonen een zelfde verloop, zoals ook valt op te maken uit figuur 5.3, waarin voor een viertal scenes de kwaliteitsschaling is weergegeven zoals die werd geschaald door vijf verschillende proefpersonen. We zien hier dat er weliswaar verschillen zijn, maar dat de vorm van de curves en de Jigging van de optima grote overeenkomsten vertonen. Tenslotte werd nog een middeling gedaan over de originele data afkomstig van vijf proefpersonen, en ook hiervan is een grafiekje gemaakt, hetgeen terug te vinden is in figuur 5.4 . Ook in dit grafiekje zien we een duidelijke scene-afhankelijkheid optreden wat betreft de ligging van de optimale waarde voor gamma. De optimale waarde van gamma wordt duidelijk daar gevonden waar de plaatjes op de monitor er voor de proefpersoon zo natuurlijk mogelijk uit zien. Bij lage waardes van gamma worden de plaatjes erg grijs en Bets, en is het alsof er een soort van waas over het scherm ligt. De scene bevat nauwelijks lichte en donkere partijen, maar ziet er heel vlak uit en Jijkt zelfs enigszins onscherpte te vertonen. Bij de hoge gammawaardes zien we een heel ander effect optreden: de scene gaat grote lichte en donkere vlekken vertonen. Daar waar zich eerst de lichte en donkere partijen in het beeld bevonden zien we nu (bijna) totaal witte of zwarte plekken verschijnen waarin geen details meer waar te nemen zijn. In beide gevallen komen de scenes zeer onwerkelijk op de proefpersoon over. De waarheid ligt hier ergens in het midden: we vinden een optimale gamma daar waar de contrastindruk zodanig is dat de weergave van de scene een natuurlijk beeld oplevert met voldoende doortekening in lichte en donkere partijen. De waardes van gamma waarbij de kwaliteit optimaal werd geacht door
middeling over AT, GS ,MS, M ,TH zwart/wit stimuli, gam_mon = 2.5 10
~stadh ~terras
9
0 - - 0 wa01 ...-wa03
8
7 -+-' Q)
........
0
3:
.:::t:.
6
5 4
:3
2 1
0 0
2
:3
4
5
gamma Figuur 5.4: Kwaliteit als functie van gamma, gemiddeld over vijf proefpersonen.
77
de proefpersonen staan in tabel 5.1 nog eens per scene weergegeven. ,
scene DEMER DORPSSTRAAT FRUIT MOLEN STADHUIS TERRASGEEL WANDAOI ; WANDA03 Tabel 5.1: Waardes van
5.1.2
"1optlmool
10pt
1.6 1.5 2.5 1.4 1.0
1.5 2.7 2.6
per scene.
Contrast versus gamma
Als tweede opdracht kregen de proefpersonen een schaling van het contrast van de beelden. Ook dit gebeurde weer door middel van het toekennen van cijfers van 1 tot en met 10 aan de stimuli. De resultaten van deze schaling zien we voor twee van de proefpersonen weergegeven in figuur 5.5, waarin het subjectieve contrast is weergegeven als functie van gamma. We zien dat de curves allemaal een stijgend verband vertonen (de contrastindruk van de proefpersoon neemt toe met oplopende gamma), maar voor de diverse scenes vallen de curves wederom niet op elkaar. Ofwei anders gezegd, bij dezelfde waarde van gamma geven verschillende scenes een verschillend subjectief contrast (scene-afhankelijkheid). Daar de contrastwaardering van de proefpersonen, die op een lineaire transformatie na bepaald is (zie figuur 5.6), nogal verschillend is wordt hier geen middeling over meerdere personen uitgevoerd, maar volstaan we met het laten schalen van contrast door iedere persoon afzonderlijk en de gevonden waardes te gebruiken voor het uitzetten van contrast VB. kwaliteit. De curves vertonen weI bij aIle proefpersonen een soortgelijk verloop: stijgend als functie van gamma.
5.1.3
Effectief contrast
Bij het kijken naar complexe scenes blijken de gangbare formules die worden gehanteerd om het contrast uit te drukken, niet te voldoen, omdat hierin 78
a +-----L_+------l_+------l_+------l_+-----l-----J a
2
3
4
5
gamma Figuur 5.5: Contrastschaling als functie van gamma. Resultaten van twee proefpersonen.
79
Contrastscholing scene fruit (zwart/wit stimuli) 10
_pp.mb
[,-' ~
II
o ••• -opp.mn
~
II
7
.::.
8 !5
o
4
c
U
V
~
Iw",
.l1I"
.... ....
>( ,-
J
•
2
o
.-V ,.-
V
_pp.mb ...... pp.m"
I-A
o
:I
J
!5
gamma
Contrastschaling scene fruit (zwartl 'wit stimuli) 10'T"'"......,..-,.--.,.....--r-r-.,.....--r-r-~-,
_pp.mb o ••• -opp.mn
II
.. _
E
c o U
II
7 II !5 4
J
2
o+----L--I-.....L-If--'---+-.L--+---''----! o 2 J gamma
_pp.mb ...... pp.mn
geen oppervlakte-effect in rekening wordt gebracht. Op deze wijze zouden we dus door twee pixels een andere waarde te geven (een de waarde a en een ander de waarde 255) theoretisch de contrastindruk van de gehele scene veranderen. In de praktijk blijkt dit echter niet zo te zijn: verandering van sle<:hts enkele pixels in een scene heeft geen invloed op de contrastindruk van de proefpersonen. Daarom wordt gezocht naar een formule waarmee het subjectieve contrast tot uitdrukking kan worden gebracht. Een mogelijke formule waarin een oppervlakte-effect en een soort "modulatiediepte" (uitwijking t.o.v. een gemiddelde waarde) in rekening worden gebracht is de volgende (Goossens,1987): C = (l/nm
"
m
LL
IL(x, y) - L gem \6p l 6
z= 1 \1=1
De macht 0 introduceert een weging van hoge t.o. v. lage luminantieuitwijkingen. We kiezen hier voor o-waardes van 0.33, 0.50, 1.00 en 2.00 (zie ook bijlage, waarin opgenomen de source van het programma EFCON waarmee het effectief contrast berekend wordt). In figuren 5.7 tot en met 5.9 is voor een tweetaJ proefpersonen de contrastcurve weergegeven als functie van gamma en als functie van het effectieve contrast. We zien dat bij uitzetten tegen gamma aIle curves nogal ver uit elkaar komen te Jiggen. Bij uitzetten van subjectief contrast vs. effectief luminantiecontrast worden de curves rechter en komen dichter opeen te liggen voor waardes van 6 = 0.33 tot 1.00. Op grond van deze resultaten aIleen kan nog geen keus worden gemaakt voor een zekere waarde van delta. De gebruikte formule lijkt in eerste benadering weI een maat voor het subjectieve contrast in de scenes.
5.1.4
Kwaliteit versus subjectief contrast
De volgende stap is het uitzetten van de verkregen meetwaardes tegen elkaar: kwaliteit als functie van het subjectieve contrast van de stimuli. Om redenen als bovengenoemd werd dit wederom aIleen per proefpersoon gedaan, en niet als gemiddelde over aile proefpersonen. In figuur 5.10 is voor een tweetal deelnemers aan het experiment het verband te zien tussen subjectief contrast en kwaliteit. Uit dit plaatje zijn de standaarddeviaties weggelaten vanwege het overzicht. We zien hier dat de curves voor de verschiIlende scenes vrijwel op elkaar komen te liggen. Er bestaat dus een verband tussen het contrast zoals dat door de proefpersoon ervaren wordt en het kwaliteitsoordeel dat gegeven wordt aan een bepaalde stimulus. Het 81
l-,OntrCslscnollnq ..."
proefpersoon MN lzwart/wit stimuli) '0 ,I
i i i
1
I'
fruit __ stadh
x-x
g..j !
...... en o ...... c: o () ~
:~51
~terras
....... wa03
;~
2-1
~Li~L o
I 2
I
I 3
,
I 4
I
I 5
gamma
Controstschalina -'
proefpersoon TH (:wart/wit stimuli) '0
I
"T
I
i i i
I
I
I:A
I
x-)<
:~ ...... en o ~
......
c:
o u
fruit
~stadh ~ terras
.-.wa03
7~
6~
:~3~
,
2~
,~
o1
o
I,
2
3
4
5
gamma Figuur 5.7: Contrastcurves als functie van gamma voor twee verschillende proef. personen.
Effectief vs. subjectief contrast delta =, 0.50; pp.=-: MN
Effectief vs. subjectief cont r 9st delta :-: 2.00; pp.= MN
C
00
.to-
s: ....n ;. ..., ll)
n
10
::s
9
0
........ ....c:
.-
<
0
0 0
II
c:>..
0
5
.... II
!=' e,., e,.,
!=' (J1 a
.... 0 a
ll)
::s
c
u
,
It
'" .~
,
7
III
2 1
o
~,
.1/ ~ r;
~'!
5
I I 10
1S
20
effectief lum. contrast
i
I
.-
II +----+--...,.--j~-.,.,q-._-+~
0
5
c
--t---
I J/
o
.III 0
,
_fruit t7'1_stadh terras It +---+--~-,l-e:...-+--~4.&--"""', _ wanda3 7 9
~
JI
..
:0- ;, ::J
.--stadh __ terras --_.. - _-.wanda3
r-,
10
__ fruit
u
I
-___ - JL - -
..
:0- ;, ::J VI
2
.2S
o +-.~........t--~-.;'-T-~"-+",----,+""........--t o
5
10
15
20
effectief lum. contrast
25
Kwaliteit vs. contrast proefpersoon AT (zwart/wit stimuli) 10 --,-------r---.---_____,c-------.--~-----,--~-__.____-~_____,
demer • • dorp )(--)( f ru i t v--v molen 0 - - - 0 stadh _ _ terras 0 - - 0 wa01 0--0
9
8 7
6
5 4
.3 2 O-+---+--+_-1f----+--+--+---+---+--+_~
o
2
.3
4
5
6
7
8
9
10
subj. contrast
Kwoliteit vs. contrast proefpersoon MN (zwart/wit stimuli) 10 --,-------r---.---_____,c-------.--~---r--~-__.____-~~
demer • • dorp )(--)( fruit v--v molen o c stadh ~ ~ terras 0------0 waD 1 0--0
9
8 7 6
5 4
.3 2 O-+---+--+---f----+--+--+---+---+--+-~
o
2
.3
4
5
6
7
8
9
10
subj. contrast Figuur 5.10: Kwaliteit als functie van subjectief contrast voor twee verschillende proefpersonen.
85
subjectieve contrast in een scene is een maat voor de kwaliteit. Probleem is nu om een maat te vinden voor het subjectieve contrast.
5.1.5
Kwaliteit versus
,totl,dia
We zagen bij de schaJing van kwaliteit en contrast een duidelijke sceneafhankelijkheid optreden in de resultaten. Wetende dat '"'Itot het produkt is van de diverse gammawaardes die in de beeldbewerkingsketen voorkomen en dat de variatie in "'tIP voor aIle scenes hetzelfde was, is de enige sceneafhankelijke gammawaarde "Ydia' We gaan nu eens kijken wat er gebeurt als we '"'Idia overal uitdelen en dan opnieuw de kwaliteit uitzetten als functie van gamma, maar nu dus niet als functie van "'Itoh maar als functie van "'Itot!'"'Idia' Ret resultaat van dit experiment is terug te vinden in figuur 5.11 voor twee verschillende proefpersonen, en in figuur 5.12 nog eens, maar nu gemiddeld over vijf proefpersonen. Vanwege het overzicht ontbreken de standaarddeviaties. We zien nu inderdaad de toppen van de curves naar elkaar toeschuiven. Als we de gevonden optima per scene zoeken vinden we de waardes zoals weergegeven in tabel 5.2, en we zien dat dit voor aIle scenes ongeveer dezelfde gammawaarde is. Blijkbaar heeft de scene-afhankelijkheid dus inderdaad iets te maken met .-c---------
--T-
scene DEMER DORPSSTRAAT FRUIT MOLEN STADRUIS TERRASGEEL
I~1~~1~~ Tabel 5.2: Waardes van
10ptimaal
"Y gereduceerd
1.2 1.3 1.3 1.2 1.3 1.3 L
_._
~:~
__
I
per scene, na uitdeling van
1dia'
de verschillen die gevonden werden voor de waardes van deze als we laatstgenoemde factor overal uithalen.
In dit experiment wordt gebruik gemaakt van dezelfde stimuli als in het vorige, met dat verschil dat we de oorspronkeJijke kleurinformatie hier weer aan hebben toegevoegd. Verder werd het aantal scenes waarmee het experiment wedr uitgevoerd teruggebracht tot vier. De bewerkingen die op de scenes werden uitgevoerd zijn, buiten de toevoeging van kleur, volledig identiek aan de bewerkingen bij het vorige experiment. De vraag is of de extra informatie die verkregen wordt uit het toevoegen van kleur van invloed is op het oordeel van de proefpersonen, of dat we bij dit experiment dezelfde uitkomsten vinden als bij dat met de zwart/wit stimuli.
5.2.1
Kwaliteit versus gamma
Beschouwen we eerst weer de relatie tussen beeldkwaJiteit en gamma. Evenals bij het zwart/wit experiment vinden we ook hier grote overeenkomsten tussen de verschillende proefpersonen die aan het experiment deelnamen, wat betreft de vorm van de grafieken en de Jigging van de optima. In figuur 5.13 zien we de meetresultaten bij middeling over aile vier de proefpersonen die aan dit experiment hebben deelgenomen. Ook hier zien we weer duidelijk de scene-afhankelijkheid voor de optimale waarde van gamma. Ook hier vinden we net als bij de zwart/wit stimuli weer een optimum in kwaliteit daar waar de weergave van de scenes op de monitor er zo natuurgetrouw mogelijk uitziet voor de proefpersoon. De lage waarde van gamma geeft ook hier weer zeer vlakke plaatjes te zien, waarin bovendien nu op zeer nadrukkelijke wijze de kleurinformatie aanwezig is. De kleuren komen onnatuurlijk over, steken vee I te fel af en lijken er later op geschilderd te zijn. Ret beeld lijkt uiteen te vallen in een aantal vlakken van verschillende kleur. Bij hoge gammawaardes is het effect minder sterk en minder storend. De plaatjes lijken zelfs door het toevoegen van de kleurinformatie minder onnatuurlijk te zijn dan de zwart/wit plaatjes met dezelfde gammawaarde. Maar ook hier is sprake van het min of meer dichtlopen van lichte en donkere partijen en het daardoor ontstaan van vlekkerige beelden, die er onwezenlijk uit zien. In de optimale situatie vinden we weer een goede balans tussen contrast en kleur terug, zodanig dat de weergave van de scene realistisch oogt.
89
KWaiiteitsschalin~
middeling over AT, GS, MS, H kleuren stimuli, gam_man == 2.5 10 .......---..---r--~--r----r---r---.-----r-----.------,
De bepaling van het subjectief contrast gebruiken we in dit geval aileen om een reJatie te vinden tussen dit perceptief attribuut en het kwaliteitsoordeel van de proefpersonen. Hiertoe zetten we weer de kwaliteit uit tegen het su bjectief contrast. In figuur 5.14 is van enkele proefpersonen het resultaat in grafische vorm weergegeven. We zien hier weer dat de zo verkregen curves op elkaar komen te liggen, en dat de optimale kwaliteit gerelateerd is aan het subjectieve contrast binnen de scene. Het plaatje vertoont grote overeenkomst met dat bij het vorige experiment.
5.2.3
Kwaliteit versus itod/dio
Evenals bij het experiment met de zwart/wit stimuli proberen we ook hier de scene-afhankelijkheid er uit te halen, door het wegdelen van de factor "'tdia' Zetten we nu de resultaten van het begin van deze paragraaf (kwaliteit vs. gamma) opnieuw uit, dan krijgen we de grafiek van figuur 5.15. We zien ook nu weer dat de tappen van de kwaliteitsschaling min of meer op elkaar komen te liggen en dat dus de scene-afhankelijkheid verdwijnt. Net als bij het zwart/wit experiment vinden we hier een optimum als itotlidia in de buurt van 1.2 a 1.3 ligt. Zie ook tabel 5.3. I
Bet op elkaar vallen van de curves bij uitdelen van idia kan nog twee dingen betekenen: er is sprake van een optimale overdracht van het systeem scanner-monitor, of er is sprake van een bewerkingsartefact. In het eerste geval hebben we een maat voor optimale afbeelding gevonden, in het tweede slechts een indicatie dat we geen nette manier van bewerken toepassen. Om te verifieren met welke van de twee mogelijkheden we (waarschijnlijk) te maken hebben, werd een tweede experiment opgezet met zwart/wit stimuli, waarbij we voor imon ditmaal de waarde 2.0 kozen (i.p.v. 2.5), en waarbij verder aile andere omstandigheden gelijk bleven, behalve de beperking van het aantal scenes tot vier, en weI dezelfde vier als gebruikt bij het kleur experiment. Door deze verandering worden aile waardes voor ltot met een factor 0.8 vennenigvuldigd ten opzichte van het eerste zwart/wit experiment. Ais we nu dezelfde optimale waardes vinden als bij het eerste experiment kunnen we concluderen dat we te maken hebben met een optimalisatie van het systeem en niet met een bewerkingsartefact, omdat immers bij eenzelfde waarde van ltot nu een andere waarde van lIP hoort, terwijl de andere omstandigheden en parameters tijdens het experiment allemaal onveranderd waren.
5.3.1
Kwaliteit versus gamma
Zetten we de data die werd verkregen door middeling over de vier proefpersonen uit tegen gamma, dan vinden we de grafiek uit figuur 5.16. We zien dat er ook hier weer sprake is van verschillende waardes van lopt voor de verschillende scenes, zoals ook werd verwacht op grond van de voorgaande twee experimenten.
5.3.2
Kwaliteit versus subjectief contrast
Als we de kwaliteit uitzetten als functie van het subjetieve contrast vinden we opnieuw dat de curves voor de verschillende scenes op elkaar komen te liggen, zoals het geval was bij de vorige experimenten. In figuur 5.17 is dit voor enkele proefpersonen nogmaals in beeld gebracht.
94
'"r:l
Kwaliteitsschaling
(Jq
c: c:
..... ~
middeling over pp. AT, GS, MB, TH (zwart/wit stimuli; exp.2)
.....
0>
:;,::: ~ ~
;:;" ~
10
.....
e-
8
fruit <>--¢ stadh w w terras
7
•
x-x
9
rn
2' ='n
~.
It)
<:
III
='
(Jq
10 U1
III
+J
J'
Q) +J
3 3
(Jq It)
3
0.: 0.It)
0: 0 <:
It)
0 ~ .::£.
6
5 4 3
.....
.. .. -a' .. <
;'
't:1 0
It)
It)
! II
0
='It) ='
2 1
0 0
1
2
gamma
3
4
.wa03
Kwaliteit
VS.
contrast
proefpersoon AT (zwart/wit stimuli; exp.2) 10
fruit 0---0 stadh M---t« terras ..-wa03 x-x
9
8 7 ........ Q)
........ 0 ~
.::s:.
6
5 4
3
2
0-+----+-4--+-+--+-+--+-+---+---1
o
2
3
4-
5
6
7
8
9
10
subj. contrast
Kwaliteit vs. contrast proefpersoon MB (zwart/wit stimuli; exp.2) 10
fruit 0---0 stadh M---t« terras ..-wa03 x-x
9
8
7 ........ Q)
........ 0 ~
.::s:.
6
5 4
3
2
04--+-+--+-+--+-+---+--+--+---1
o
2
3
4
5
6
7
8
9
10
subj. contrast Figuur 5.17: Kwaliteit als functje van het subjectief contrast voor enkele proefpersonen.
96
5.3.3
Kwaliteit versus
itot/idia
Tenslotte nog de resultaten bij uitdelen van "Idia' Middelen we weer over de vier deelnemres aan het experiment en zetten we de zo gevonden data grafisch uit tegen "Itotlldia dan komen we tot de curves in figuur 5.18. We zien ook hier weer het bij elkaar komen van de toppen van de verschillende curves. Net als bij de andere experimenten verdwijnt ook nu de sceneafhankelijkheid uit het plaatje. Bepalen we de ligging van de optima dan vinden we voor de gebruikte scenes de waardes zoals in tabel 5.4. scene 1'g~rtductt..d FRUIT 1.1 STADHUIS 1.3 TERRASGEEL 1.2 l_~~NDA03 __ ~J ~ Tabel 5.4: Waardes van
"loptimaal
_
per scene, na uitdeling van
97
ldia.
Kwaliteitsschaling
"'1 oq (;;
...c ....
middeling over pp. AT, GS, MB, TH (zwart/wit stimuli; exp.2)
Tot besluit van dit hoofdstuk zetten we nog even de resultaten van de drie experimenten naast elkaar op een rijtje. Om te beginnen constateren we een grote overeenkomst tussen de grafieken die uit de drie experimenten verkregen zijn. Zowel bij het uitzetten van kwaliteit tegen gamma, als tegen subjectief contrast vertonen de grafieken hetzelfde verloop. Wat ons echter met name interesseert is de vergelijking van de grafieken waarbij de kwaliteit is uitgezet als functie van /toti/diG.' Riertoe hebben we per scene deze drie curves nog eens in een grafiek uitgezet (zie figuur 5.19 en 5.20). We zien dat de overeenkomst opmerkelijk is en dat de toppen bij aile drie de experimenten vrijwel op dezelfde plaats terecht komen. Op grond van eerder genoemde argumenten kunnen we dus stel/en dat we hier te maken hebben met een zekere optima/e overdracht van de keten scanner-monitor. Ret Iijkt er op dat het niet belangrijk is wat de waarde
van 'itat is, maar dat we een gegeven opname (lees: dial optimaal kunnen afbeelden op de monitor als we er voor zorgen dat de keten scanner-monitor een gamma-overdracht heeft in de buurt van 1.2 a 1.3.
99
Kwaliteitsschaling scene: FRUIT vergelijking van de 3 experimenten 10
gamma_ tot/gamma_dia Figuur 5.20: Kwaliteit als functie van "1tothdlQ uitgezet per scene; vergelijking van de drie experimenten.
101
Hoofdstuk 6 Conclusies Een nadere beschouwing van de resultaten die uit de experimenten van dit afstudeeronderzoek zijn verkregen, leidt tot de volgende conclusies: • De apparatuur (scanner en monitor) voldoet na ijking en correctie van de gamma-karakteristieken aan de eisen die worden gesteld: er is een lineaire karakteristiek in het relevante gebied van densiteiten resp. grijswaardes, waarbij tevens de helling van de luminantie-reproduktiecurve naar wens kan worden ingesteld. •
~ umerieke categorieschaling van de perceptieve beeldkwaliteit van complexe zwart/wit- en kleuren-scenes door de proefpersonen levert voor verschillende proefpersonen dezelfde resultaten op, met een acceptabele spreiding in de verkregen meetresultaten.
• Schaling van het subjectief contrast van complexe scenes (zwart/wit en kleur) levert eveneens eenduidige resultaten op, waarbij een toename van gamma een stijging van het subjectief contrast te zien geeft. • Er wordt voor de perceptieve kwaliteit van de gamma-gevarieerde stimuli een duidelijk optimum gevonden voor de waarde van gamma, zowel per proefpersoon als gemiddeld over de hele groep, waarbij deze waarde echter weI scene-afhankelijk blijkt te zijn. • Eerder verkregen resultaten met betrekking tot optimalisatie van de perceptieve beeldkwaliteit als functie van gamma (Goossens, 198i) worden, door deze nieuwe experimenten onder beter gecontroleerde omstandigheden, merendeels bevestigd.
102
• Bij uitzetten van de perceptieve kwaliteit tegen het subjectief contrast per bewerkte scene, vinden we per proefpersoon een eenduidige relatie, die voor aIle in het experiment gebruikte scenes hetzelfde is. De optimale beeldkwaliteit is op directe wijze gekoppeld aan het subjectief contrast, zoals de proefpersoon dat ervaart. • Nieuw is de aanwezigheid van kleurinformatie in de aangeboden gamma-gevarieerde stimuli, hetgeen niet van invloed blijkt te zijn op de schaling van de perceptieve kwaliteit hiervan door de proefpcrsonen. De gevonden optima liggen voor de experimenten met kleurenstimuli en zwart/wit-stimuli op dezelfde waarde van gamma. • Ais we de scene-afhankelijke parameter lelia niet meenemen, zien we dat de scene-afhankelijkheid verdwijnt. De optimale perceptieve kwaliteit ligt nu voor alle scenes bij dezelfde waarde van gamma. Deze optimale waarde blijkt in de buurt van 1.3 te liggen. • Bij verandering van de gamma\"t'aarde van de monitor en herhaling van het zwart/wit-experiment met verder gelijkblijvende parameters, vinden we dezelfde resultaten wat betreft de optimale waarde van gamma voor de diverse scenes, met wederom scene-onafhankelijkheid van de resultaten na wegdelen van de waarde van lelia' • i'ieuw is ook de conclusie dat we een gegeven scene optimaal op de monitor kunnen afbeelden als we er voor zorgen dat de keten scanner-monitor, na linearisatie van scanner en monitor, een gammaoverdracht heeft die in de buurt van 1.3 ligt.
Met dank aan aIle medewerkers van de visuele groep van het IPO, voor hun bereidwillige medewerking en het beschikbaar stellen van hun tijd, hetzij als proefpersoon bij een of meer van de experimenten, hetzij bij het helpen oplossen van problemen die zich voordeden gedurende mijn afstudeerperiode op het IPO.
103
Literatuur Bavel, P.J.M.van (1985). Kwaliteitsschaling van het contrast van complexe TV-beelden. Rapport no.503, Instituut voor Perceptie Onderzoek (IPO), Eindhoven. Bartleson, C.J. (1967). Criterion for tone reproduction. Journal of the Optical Society of America, 58(7), 992-995. Bartleson, C.J. and Breneman, E.J. (1967). Brihgtness perception in complex fields. Journal of the Optical Society of America, 57(7),953-957. Bartleson, C.J. and Breneman, E.J. (1967). Brightness reproduction in the photographic process. Photographic Science and Engineering, ll( 4), 254-262. Braak, B.C.\\'.M.van den en Martens, J.B.O.S. (1989). Programmatuur voor de gamma-correctie van monitorkarakteristieken. Handleiding no.96, Instituut voor Perceptie Onderzoek (IPO), Eindhoven. CIE publication no.15 (E-1.3.1) (1971). Colorimetry, official recommendations of the International Commission on fl/umination. Goossens, A.M.J. (1987). Het effect van de kontrastparameter gamma op de perceptieve kwaliteit van monochrome TV-beelden. Rapport no.583, Instituut voor Perceptie Onderzoek (IPO), Eindhoven. Roufs, J .A.J. (1983). Co/legedictaat 'Licht en geluid'. Technische Universiteit Eindhoven, dictaatnr.1.148. Saelmans, P.B. (1983). Perceptief bee/dscherpte·onderzoek met spatiale overdracht en luminantie-reproduktie als parameters. Rapport no.432. Instituut voor Perceptie Onderzoek (IPO), Eindhoven, 45-48. Simonds, J.L. (1961). A quantitative study of the influence of tonereproduction factors on picture quality. Photographic Science and Engineering, 5 (5), 270-277. Vrijer, F.W.de (1957). Grondslagen van de kleurentelevisie. Philips Technisch Tijdschrift, 3, 80-91. 104
Appendix H2-1
Kwaliteit als functie van gamma, gemiddelde luminantie vrij. Kwaliteitsschaling proefpersoon AT gamma variatie. Lgem niet constant 10 0--0
9
......, (lJ ......,
0
3
~
demer
~stadh
B
_
7
0------0
terras W a0 1
6
5 4
3
2
O+----'---+-.L..--+-----L----+-..I......--+-.........L---I o 2 345 gamma proefpersoon GS gamma variatie, Lgem niet constant 10 -,--------.----r-..,.-------,---------,--.-------.------.-------,~
demer sta d h _ terras 0------0 wa 0 1
9
0--0 0-----0
8
7 (lJ
......,
6
o
5
3
4
~
3 2
o+----L----+_-'--+---L_t---.....L...----I------l----l 4 5 2 3 o gamma
Appendix H3-1
Grijswaardes ND-filters voor en na correctie van de scanner
Data-file codering. In deze appendix is opgenomen de verklaring van de codering der data-files, die de resultaten bevatten van de experimenten met de PQ-gecompenseerde beelden. Het betreft hier de files die de schalingswaardes bevatten zoals die door de proefpersonen zijn geproduceerd bij schaling van perceptieve kwaliteit en subjectief contrast van de aangeboden stimuli. In de naamgeving (codering) van deze files is een vijftal velden te onderscheiden: = <sesm> <exp> . <ext> Waarin:
= aanduiding van de proefpersoon die de schaling uitvoerde.
<sesnr> = sessienummer van de schaling, komt aileen voor bij data-files die betrekking hebben op het eerste experiment met zwart/wit stimuli, omdat hier vanwege het grote aantal stimuli voor elk te schalen percept (kwaliteit en contrast) 2 sessies nodig waren. Bij de files die de data bevatten verkregen uit middeling over 2 sessies ontbreekt dit veld. = geschaalde percept waarop de data-file betrekking heeft.
Q = kwaliteitsschaling C = contrastschaling <exp>
= aanduiding van experiment waarbij de schaling behoort. veld ontbreekt: eerste experiment met zwart/wit stimuli col = experiment met kleurenstimuli bw2 = tweede experiment met zwart/wit stimuli
<ext>
= file extensie. raw = file bevat ruwe output, zoals geregistreerd tijdens sessie out = file bevat bewerkte output data
Appendix H4-2
Onderzoek naar de kwaliteit van zwart/wit beelden.
Bet experiment waaraan u deelneemt heeft betrekking op een onderzoek naar de subjectieve kwaliteit van complexe zwart/wit scenes. Tijdens het experiment worden u 224 in kwaliteit gevarieerde plaatjes aangeboden, verdeeld over 8 verscbillende scenes. Aan u wordt gevraagd om van elk van deze plaatjes de kwaliteit (aileen kwaliteit) te beoordelen en deze uit te drukken in een cijfer, lopend van 1 tot 10, wat u vervolgens intoetst op de terminal. Bet laagste cijfer (1) kent u toe aan een plaatje waarvan u de kwaliteit zeer slecht vindt, terwijl u een kwalitatief zeer goed plaatje maximaal kunt beoordelen met een 10. Om u een indruk te geven van de mate waarin de kwaliteit van de plaatjes varieert krijgt u voorafgaand aaTl bet experiment eerst een proefserie te zien van 16 plaatjes. De plaatjes in deze serie zijn verdeeld over bet gehele gebied waarbinnen de kwaliteit varieert. l
Als iets niet geheel duidelijk is, vraag dan om opheldering bij de proefleider.
Bedankt en succes
Appendix H4-2
Onderzoek naar het contrast van zwart/wit beelden.
Het experiment waaraan u deelneemt heeft betrekking op een onderzoek naar het subjectieve contrast van complexe zwart/wit scenes. Tijdens het experiment worden u 224 in contrast gevarieerde plaatjes aangeboden, verdeeld over 8 verschillende scenes. Aan u wordt gevraagd om van elk van deze plaatjes het contrast (aJleen contrast) te beoordelen en dit uit te drukken in een cijfer, lop end van 1 tot 10, wat u vervolgens intoetst op de terminal. Als laagste cijfer mag u een 1 geven, aan een plaatje met een zeer laag contrast, terwijl u aan een plaatje met een zeer groot contrast maximaal een 10 kunt toekennen. Om u een indruk te geven van de mate waarin het contrast varieert, krijgt u voorafgaand aan het experiment eerst een proefserie te zien van 16 plaatjes. De plaatjes in deze serie zijn verdeeld over het gehele gebied waarbinnen het contrast gevarieerd wordt. Als iets niet geheel duidelijk is, vraag dan om opheldering bij de proefleider.
Bedankt en succes
Bijlage
Datafiles van de drie experimenten
lOCESSED DATA IW data : atq.raw ·ocessed data: atq.out
lbj ect !thod !marks
AT, visus 2.5 scaling of quality (average over 2 sessions) gam_mon • 2.5, variation of gam_tot, black/white scenes
program PQLUT Copyright IPO, Eindhoven, 1988 Author: A. van Tongeren, 1988 Purpose: PQLUT calculates the data for PQ-compensation of a scene. PQ-compensation means that the greyvalues in the original scene are changed in such a way that you can make a set of stimuli which have a different luminance reproduction but all have the same mean luminance. However the mean luminance of the stimuli may differ from the mean lumniance of the original scene before PQ-compensation was used. The program uses as input a file containing the histogram data from the original scene. This file can be created by the program HISBLK. The name of the input file can be given as a parameter: , and is default 'HIS.OAT'. Two output files are created: .3LT and .OAT. The first contains the data for loading the memory ITT sections, the second gives a list of greyvalues and the new value they are transformed to, and also the values of P, Q, gamma and the mean luminance before and after compensation. This file is merely ment for the user to check the parameter input and output. Usage: PQLUT [GD gd] [GS gs] [GM gm] [GA gamma] [MG maxg] [CO cont] [FN filin] [FO filout] Description of parameters: GD gd gd is gamma value of the slide range: gd = [0 ... 3] default: gd = 1.5 GS gs
gs is gamma value of the slide scanner range: gs = [0 ... 1] default: gs = 0.4
GM gm
gm is gamma value of the monitor range: gm = [0 ... 5] default: gm = 2.5
GA gamma
gamma is actual gamma parameter range: gamma • [0 ... 5] default: gamma = 1.0
MG maxg
maxg is maximum value used for gamma in this scene range: maxg • [0 ... 5] default: maxg· 3.5
CO cont
cont is a luminance range: default:
FN filin
filename of input (histogram) data file default: filin· 'HIS.OAT' max. 20 chars.
constant in the formula that describes the reproduction of the monitor cont • [0 ... 1] cont • 1.3E-4
FO filout filename of output data file default: filout· 'PQOUT.3LT, max. 20 chars.
status gd gs gm gamma maxg cont filin fi10ut blk i, j
vmax helpar{O:255l hist{O:25S) aantal P, 0 sum,hulp sor sma x sgam Imean lor k
value gamma of slide value gamma of scanner value gamma of monitor actual gamma parameter max.value of gamma used constant name of input file name of output file blank miscellaneous 1 highest greylevel in original scene helparray for LUT data ! data from histogram file ! nu~r of pixels in the scene values of P and 0 to compute help values sum (i-1,255) (P*O*(i)**g)**gm, where 9 stands for gd, maxg or gamma respectively mean luminance after PO compensation mean luminance original scene dummy variable t
blk / 0 /
c c
parser declarations to include
c
include include include include include include status
