MONIPRIMÄÄRINÄYTTÖ Jari Hintikka Joensuun Yliopisto Kandidaatintutkielma 19.06.2002
TIIVISTELMÄ Tutkielmassa esitellään useampaa kuin kolmea pääväriä käyttävä moniprimäärinäyttö. Idea kehittää moniprimäärinäyttö on lähtenyt tarpeesta parantaa nykyisten näyttöjen kuvantoisto-ominaisuuksia, erityisesti värientoistokykyä. Spektrikuvantamiseen käytettävien spektrikameroiden teknisen kehityksen myötä spektrikuvien käyttö tarkkaa väriesitystä vaativissa sovelluksissa on lisääntynyt. RGB -näytöillä spektrikuvan näyttämisessä menetetään spektriesityksen tuoma tarkka väriesitys. Näistä tarpeista johtuen on aloitettu kehittämään moniprimäärinäyttöä, jossa käytetään useampaa kuin kolmea pääväriä. Ensiaskeleet on otettu Japanissa, Akasakan Natural Vision Research Center -tutkimuskeskuksessa mutta myös muuallakin kuten Saksassa Aachenin yliopistossa on lähdetty kehittämään moniprimäärinäyttöä. Tässä tutkielmassa kerrotaan moniprimäärinäytön ominaisuuksista ja käyttöalueista. Tutkielmassa esitetään myös Japanilaisen Natural Vision Research Centernin erään moniprimäärinäytön laitetekninen toteutus. Avainsanat: Värispektri, gamut, moniprimäärinäyttö, spektrikamera.
SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...1 2 VÄRIESITYKSEN PERUSTEET... 3 2.1 Kolmeulotteinen väriesitys... 4 2.2 Spektriesitys... 7 3 MONIPRIMÄÄRINÄYTTÖJEN HYÖDYT... 9 3.1 Käyttöalueet...11 3.2 Metamerismin välttäminen... 14 3.3 Värien esityskyky... 14 3.4 Värien luonnollisuus... 15 4 MONIPRIMÄÄRINÄYTTÖ... 16 4.1 Natural Vision -projekti... 16 4.2 Laitetekninen toteutus... 17 5 YHTEENVETO... 24 VIITELUETTELO...26
1 JOHDANTO Tarkkaa väriesitystä vaativien sovellusten määrä on kasvanut viimevuosina nopeasti. Tämä taas on kasvattanut parempien näyttöjen kehittämisen tarvetta. Tämän tutkielman tavoitteena on esitellä yksi tähän tarpeeseen kehitteillä oleva näyttölaite, moniprimäärinäyttö. Kyseisen näytön prototyyppiä ollaan parhaillaan rakentamassa Japanissa. Parempaa värienesitystarkkuutta vaativia sovellusalueita ovat esimerkiksi elektroninen kauppa, elektroninen museo sekä etälääketiede. Elektronisessa kaupassa henkilö voi internetiin yhdistetyn tietokoneen avulla ostaa erilaisista kauppapaikoista tarjolla olevia tuotteita. Asiakas valitsee tuotteet, antaa henkilötietonsa ja luottokorttinsa tiedot, jonka jälkeen hän suorittaa tilauksen. Asiakas saa tuotteet postin välityksellä, usein muutaman viikon sisällä tilauksesta. Myytäessä tuotteita internetin välityksellä on tärkeää, että värit pystytään esittämään juuri oikeanlaisina, luonnollisina. Tämä on jo kauppiaankin edun mukaista, koska jos asiakas ei ole saanut juuri sellaista tuotetta, jonka hän on tilannut, voi hän palauttaa tuotteen takaisin myyjälle. Elektroninen museo rakentuu tietokannoista, jotka sisältävät kuvia fyysisessä museossa olevista esineistä ja maalauksista. Asiakas voi esimerkiksi oman kotitietokoneensa välityksellä katsella museon tietokannassa olevia kohteita. Elektronisen museon tarkoitus on välittää omista taidekokoelmistaan mahdollisimman tarkka ja luonnonmukainen kuva, jonka muoto- ja väritarkkuus vastaavat tarkasti aitoa tuotetta [9]. Etälääketiede käsittää potilasrekisterin, joka sisältää kuvia potilaan hoidettavasta vammasta sekä etähoitotyöhön liittyvät toimet, kuten erilaiset leikkausoperaatiot sekä potilaan etävalvonnan. Jokaisessa edellä esitetyssä elementissä on tärkeää, että kuva, joka lääkärin näyttöruudulle välitetään, poikkeaa mahdollisimman vähän luonnollisesta kuvatusta kohteesta. Lääkäri voi siis internetin välityksellä tehdä diagnoosin potilaasta ja osallistua verkon kautta esimerkiksi reaaliaikaisiin leikkauksiin. Tarkka ja luonnonmukainen väriesitys on ehdoton edellytys oikean diagnoosin ja oikean hoitotavan tekemiselle [6]. 1
Nykyisissä näytöissä väriesitys muodostetaan yleensä käyttäen kolmea pääväriä eli punaista, vihreää ja sinistä (Red, Green, Blue, RGB). RGB -esityksen puutteita ovat erityisesti sen laiteriippuvuus, metamerismi, ympäristötekijät, kuten valaistuksen huomioonottaminen sekä se, että RGB perustainen näyttö ei pysty näyttämään värejä kuin rajoitetusti. Tutkielmassa esiteltävä moniprimäärinäyttö hyödyntää värigamutin laajennusta, joka tehdään kolmesta pääväristä laajennettuna kuuteen pääväriin. Tämän laajennuksen ansiosta voidaan moniprimäärinäytöllä päästä lähes luonnonmukaiseen värientoistoon. Moniprimäärinäytön kehittämisen alulle saattamiseen on myös omalta osaltaan vaikuttanut näyttöjen kokoamisen ja komponenttien kehittyminen. Myös tietotaito on kehittynyt ja asiakkaan toiveet huomioiva suunnittelu ovat edesauttaneet näyttöjenkin suunnittelemisessa. Tämän tutkielman tarkoitus on kartoittaa tarkemman väriesityksen tarvetta ja kertoa erityisesti tätä tarkoitusta varten Japanissa kehitteillä olevasta uudesta moniprimäärinäytöstä ja tähän liittyvästä Natural Vision projektista [14]. Tutkielman toisessa luvussa esitellään väriesityksen perusteita. Kolmas luku käsittelee moniprimäärinäyttöä ja sen hyötyjä ja käyttöalueita. Luvussa neljä käsitellään Natural Vision -projektia sekä esitellään tarkemmin moniprimäärinäytön laitetekninen toteutus. Viides luku sisältää tutkielman yhteenvedon ja kirjoittajan omia pohdintoja ja ajatuksia aiheeseen liittyen. 2
2 VÄRIESITYKSEN PERUSTEET Valonlähteet ja fysikaaliset kohteet säteilevät tai heijastavat valon eri aallonpituuksia. Silmän verkkokalvolla on erityyppisiä valoa aistivia soluja eli reseptoreita. Väriä aistivat reseptorit eli tappisolut herkistyvät kolmelle värille: punaiselle (R), vihreälle (G) ja siniselle (B) [13]. Kun kohteesta säteilevä tai heijastuva valo kohtaa silmän verkkokalvon, silmän aistinsolut reagoivat ärsykkeeseen lähettäen signaaleja eteenpäin aivoihin. Aivot kokoavat aistimuksista havaintokuvan, joka tulkitaan aivoissa. Tulkinnassa reseptoreiden impulssit yhdistyvät ja niiden keskinäinen suhde määrittää värin kullekin kohteelle. Ihmissilmään tulevan valon ominaisuus on fysikaalisesti mitattavissa. Kohteen väri voidaan määrittää jatkuvan elektromagneettisen säteilyn spektrin pohjalta näkyvän valon aallonpituusalueella 380 nm - 780 nm. Kuvassa 2.1 on esimerkki punaisen kohteen värispektristä. Mitatun säteilyn arvo, eli värispektri voidaan esittää seuraavasti [1]: T τ λ) = [ τ ( λ ), τ ( λ ),..., τ ( )], (2.1) ( 1 2 λ n missä λ on aallonpituus ja T tarkoittaa transpoosia. Spektrissä on n komponenttia, joka riippuu käytetystä mittaustiheydestä. Jos spektri on mitattu esimerkiksi 10 nm:n välein aallonpituusalueella 380 780 nm, niin silloin spektrissä on 41 komponenttia. 100 heijastus (%) 0 380 780 aallonpituus (nm) Kuva 2.1. Esimerkki punaisen kohteen värispektristä. 3
2.1 Kolmeulotteinen väriesitys Edellisessä kappaleessa esitetty väriaistimus esitetään yleensä 3-ulotteisella värimallilla. Kyseinen värimalli perustuu ihmisen värinäköjärjestelmään. Tyypillisiä 3-ulotteisia värimalleja ovat kansainvälisen valaistuskomitean CIE:n (The Commission Internationale de l Eclairage) kehittämät CIEXYZ, CIELAB, CIELUV ja RGB -mallit. Suurin osa 3-ulotteisista värikoordinaattisysteemeistä lasketaan tristimulusarvoista XYZ, jotka lasketaan spektrin τ (λ) kautta [13]: X = k τ (λ) x ( ) Y = k τ (λ) y ( ) λ E(λ) λ E(λ) d λ (2.2) dλ Z = k τ (λ) z (λ) E (λ) dλ, missä E (λ) on valonlähteen spektri. Funktiot x (λ), y (λ) ja z (λ) ovat CIE:n määrittelemät ihmisen värien erotuskyvyn käyrät. Normalisointitekijä k valitaan seuraavasti [13]: k = 100 E ( λ) y( λ) dλ. (2.3) CIE :n vuonna 1931 kehittämä kromaattinen diagrammi esittää 2-ulotteisen väriavaruuden xy -koordinaatistossa. Kromaattisuus arvot x ja y saadaan seuraavasti [13]: x = X X + Y + Z (2.4) y = Y X + Y + Z 4
Koordinaatisto tunnetaan nimellä CIE1931 xy ja se perustuu standardihavaitsijan n. 2º katselukulmaan. Kuvassa 2.2 on esitetty CIE 1931 xy -koordinaatisto. Kuvaan on myös lisätty eräiden laitteiden tyypillisiä värien toistoalueita eli värigamut -esityksiä, kuten tv:n värigamut sekä väritulostimen gamut ja CRT -näytön värigamut. Lisäksi on kehitetty erityisesti teollisuuden tarpeita ajatellen 10º katselukulmalle määritetty CIE 1964 standardi [13]. Kuva 2.2. CIE 1931 xy -värikoordinaatisto, johon on merkitty CRT -näytön, väritulostimen ja TV:n päävärien rajaama värialue eli värigamut [8]. 5
RGB -koordinaatit saadaan laskettua XYZ -arvoista seuraavasti: R 2.3644-0.8958-0.4677 X G = -0.5148 1.4252 0.0882 Y (2.5) B 0.0052-0.0144 1.0092 Z RGB:n käytön yleisyys johtuu pääosin siitä, että se vastaa erilaisten laitteistojen värien esittämistapaa. RGB -esitys on myös laskennallisesti "kevyt" tapa esittää värejä [13]. Kolmea pääväriä (RGB) hyväksi käyttäen voidaan määrittää myös muitakin värejä. Tämä tapahtuu sekoittamalla kyseisiä kolmea pääväriä keskenään. Kaava tämän uuden värin laskemiseen on seuraava: C = r R + g G b B, (2.6) λ λ λ + λ missä C λ vastaa muodostettavaa uutta väriä ja r λ, kertoimia [5]. g λ ja λ b ovat päävärejä kuvaavia Värinäytöissä RGB väriesitys tapahtuu additiivisesti eli värien sekoitus toteutetaan summaavasti, jolloin väriin lisätään, toisin sanoen aluksi väriä lähdetään muodostamaan mustalta pohjalta lisäämällä siihen värisävyjä. Toinen väriensekoitus perustuu substraktiiviseen eli vähentävään tapaan. Tässä pohjavärinä on valkoinen, johon eri värisävyt muodostetaan. Tämä tapa on käytössä esimerkiksi tulostimissa [13]. RGB väriesitystekniikkaa käytetään normaaleissa katodisädeputki (Cathode Ray Tube, CRT) näytöissä, joissa värikuva syntyy kun elektronitykillä pommitetaan kolmea eriväristä näytön fosforia yhdistäen nämä kuvapisteen eli pikselin yhdeksi väriksi. Nestekidenäytöissä (Liquid Crystal, LC) käytetään kolmea värillistä valoa ja kolmea nestekidepaneelia värikuvan muodostamiseen. 6
RGB -esityksen haittoja ovat värien esityksen epätarkkuus, eikä RGB väriesitys ota huomioon muita ympäristötekijöitä, kuten erilaisten näyttöjen ja erilaisen katseluympäristön ongelmia. Päävärien määrän nostaminen kolmesta pääväristä esimerkiksi neljään aiheuttaa käsiteltävän tiedon määrän kasvun ja vaatii siten yhä tehokkaampia laskennallisia menetelmiä kuvankäsittelyyn. Samalla vaaditaan uudenlaisia näyttölaitteita, joiden väriesitystekniikka hyödyntää useampaa kuin kolmea pääväriä [14]. Nykyisillä näyttölaitteilla ei voida poistaa metamerismin ongelmaa. Ongelma syntyy esineiden erilaisesta pigmenttirakenteesta, joka saa kaksi saman väristä tuotetta näyttämään erivärisiltä eri valaistusolosuhteissa. Esimerkiksi auringonvalossa kaksi saman väriseltä näyttävää salkkua ovatkin sisätilavalaistuksessa eriväriset. Myös tähän ongelmaan ollaan hakemassa ratkaisua moniprimäärinäyttöjen kehittämisen avulla. RGB ei siis vastaa tarkan väriesityksen vaatimuksia [14]. Tarkan väriesityksen vaatimuksia vastaavaa näyttölaitetta ollaankin kehittämässä Japanissa. Kyseisestä näyttölaitteesta on enemmän tämän tutkielman muissa luvuissa. Seuraavassa alaluvussa käsitellään tarkkaan väriesitykseen pystyvää spektriesitystä [14]. 2.2 Spektriesitys Tarkin väriesitys saadaan aikaan esittämällä väri fysikaalisesti mitatulla värispektrillä. Värispektrin mittaamiseen on olemassa erilaisia mittalaitteita kuten spektrofotometri, radiometri ja CCD-kamera, jossa käytetään erilaisia suotimia [1]. Värispektrikuvien kuvantamislaitteita ovat esimerkiksi ImSpector viivakamera [2], Liquid Crystal Tunable Filter (LCTF) [3] ja CCD-kamera yhdistettynä kapeakaistaisilla värisuotimilla [4]. 7
Spektrimittauksella kohteiden välillä oleva metamerismi voidaan nähdä suoraan spektreistä. Spektrit voidaan myös mitata ultravioletti (UV) ja infrapuna (IR) alueilla, jotka ovat mielenkiintoisia esimerkiksi eläinten värinäön ja kasvillisuuden tutkimuksessa. Spektriesityksellä värit talletetaan valaistus- ja laiteriippumattomasti ja tästä esityksestä värit voidaan sovittaa halutulle esityslaitteelle ja halutun valaistuksen alle. Viimeaikoina spektriesityksen tarve on kasvanut huomattavasti mm. e-kaupan kehittymisen myötä. Ongelmana tässä on, että nykyiset näytöt eivät voi toistaa spektriesitystä tarvittavalla tarkkuudella, koska niiden tekniikka on RGB perusteinen [12]. Seuraavissa luvuissa käymme läpi niitä osa-alueita, jotka tarvitsevat tätä uutta näyttölaitetekniikkaa. 8
3 MONIPRIMÄÄRINÄYTTÖJEN HYÖDYT Näyttölaitteilta on alettu vaatia huomattavasti monipuolisempaa ja luonnollisempaa värien esitysominaisuutta. Tämä tarkoittaa sitä, että värien muodostamiseen käytettyjen värien määrää pitää nostaa suuremmaksi kuin kolme pääväriä. Tutkielmassa esiteltävä moniprimäärinäyttö käyttää hyväkseen kuutta pääväriä [14]. Nykyisiä näyttöjä rajoittaa se, että niiden väriesitys perustuu RGB värijärjestelmään. Digitaalisen kanssakäymisen lisääntymisen myötä on kuitenkin kehittynyt aloja, joille nykyisten näyttöjen tarjoamat värikuvat eivät yksinkertaisesti riitä. Tarkimpaan väriesitykseen päästään värispektrikuvilla, joita voidaan mitata spektrikuvantamislaitteilla ja täten esittää väri tarkemmin kuin RGB -kuvilla [14]. Spektrikuvien näyttämisessä RGB näytöillä menetetään spektrikuvan tuoma tarkkuus ja täten on syntynyt tarve kehittää tarkempaan väriesitykseen pystyvä näyttölaite. Tämän luvun tarkoitus on antaa tietoa niistä sovellusaloista, jotka tarvitsevat huomattavasti nykyistä parempia näyttölaitteita, niin tarkan kuvan kuin tarkkojen ja luonnonmukaisten värien esitykseen. Samalla tarkastelemme uusien näyttöjen hyötyjä yleisemmällä tasolla. Kuva 3.1 osoittaa havainnollisesti miten moniprimäärinäytön, jossa on 6 pääväriä käytössä, värigamut eroaa tavallisen CRT näytön vastaavasta [14]. Värigamutin laajennuksen ansiosta voidaan eri värejä esittää paljon nykyistä puhtaampina ja luonnollisempina, esimerkiksi vihreän värin toistossa tämä seikka tulee erityisesti esille. 9
Kuva 3.1. Tyypillisen CRT-näytön värigamut ja moniprimäärinäytön värigamut xy - diagrammissa [14]. 10
3.1 Käyttöalueet E-kauppa on yksi niistä osa-alueista, jotka voivat hyödyntää uutta moniprimäärinäytön laitetekniikkaa. Kuva 3.2 havainnollistaa e-kaupasta tapahtuvaa ostotilannetta. Kuva 3.2. E-kauppa [6] Ajatellaan tilannetta, jossa asiakas selailee e-kauppiaan www-sivuja ja löytää haluamansa kauniin keltaisen t-paidan. Asiakkaalla on käytössään RGB -näyttö ja e-kauppiaan tuotteet on kuvattu RGB -kameralla. Asiakkaan haluama keltainen t-paita voi näyttää huomattavasti eriväriseltä asiakkaan näytöllä kuin mitä se on kauppiaan hyllyllä. Tämä kahden samanvärisen tuotteen värisävyn ero voi johtua monestakin eri tekijästä. Eräs tekijöistä on erilaiset valaistusolosuhteet niin asiakkaan luona kuin kauppiaankin luona. Kauppias voi käyttää tuotteita kuvatessaan hehkulamppua valaistukseen ja asiakkaalla voi olla tietokonepöytäänsä valaisemassa loisteputkivalo [14]. Lisäksi kuvanottoon käytettävä RGB -kamera tuottaa laiteriippuvaisen kuvan, jolloin kuvassa on mukana kameran ominaisuudet. Asiakkaalle näkyvään kuvaan vaikuttavat myös näyttölaitteen ominaisuudet, tässä tapauksessa CRT - näytön fosforeiden ominaisuudet. 11
Toinen hyvin yleinen ja kauan tiedossa ollut ongelma, joka ei pelkästään liity näyttöjen värintoistoon on metamerismi. Metamerismillä tarkoitetaan sitä, että kaksi samanväristä tuotetta, esimerkiksi kaksi t-paitaa voivat kaupan valaistuksessa näyttää samanvärisiltä, mutta kun asiakas tilattuaan t-paidat vie paidat ulos auringonvaloon, muuttuukin toinen paidoista eriväriseksi kuin toinen. Moniprimäärinäytön suunnittelemisen on ajateltu ratkaisevan sekä valaistukseen että metamerismiin liittyviä ongelmia. Moniprimäärinäytön edut tulevat todella esille silloin kun edellä selostetun e-kauppa esimerkin yhteydessä tuotteiden kuvaamiseen käytetäänkin RGB -kameran sijasta spektrikameraa ja RGB -näytön sijasta moniprimäärinäyttöä. Käytettäessä spektrikameraa kuvan ottamiseen, voidaan referenssivalkoisesta mitatulla spektrillä eliminoida käytetyn valolähteen vaikutus. Ei siis tarvitse välittää valaistusolosuhteista eli ei haittaa vaikka kuvaustilanteessa käytetään hehkulamppua valaisemaan kohde ja kuvaa mikrolla katsovalla henkilöllä on valaisimena loisteputkivalo. Spektrikameralla otettu kuva on myös laiteriippumaton eli moniprimäärinäytöllä saadaan erittäin tarkasti toistettua spektrikameralla otetut kuvat. Moniprimäärinäyttö takaa sen, että värit esitetään näytöllä luonnollisena ja samalla metamerismin mahdollisuus saadaan pienennettyä. Toinen käytännön läheinen ala, joka voi tulevaisuudessa hyödyntää moniprimäärinäyttöjä on elektroninen museo. Elektronisen museon ideana on, että esimerkiksi taidemuseossa olevista tauluista ja muista arvoesineistä otetaan valokuva digitaalikameralla ja otetut kuvat tallennetaan erityiseen tietokantaan, josta ihmiset voivat käydä niitä katselemassa omilta kotitietokoneiltaan. Samaan periaatteeseen pohjautuen myös taidehuutokauppa internetin välityksellä voi hyödyntää moniprimäärinäytön tekniikkaa. Tällöin asiakas voi rauhassa kotoaan käsin tutustua huutokaupassa myytäviin taideteoksiin ja nauttia näytöllään näkyvien taideteosten luonnollisista väreistä menettämättä kuvien ulkoasusta mitään. Kun henkilö käyttää moniprimäärinäyttöä ja kuvat on otettu spektrikameralla hän voi nähdä kuvat mahdollisimman luonnollisina ja aivan kuin hän olisi itse niitä katsomassa paikan päällä taidemuseossa tai huutokauppatilaisuudessa (kuva 3.3 a) [14]. 12
Museossa käyntikulttuuri saa näin aivan uuden tason ja monien ihmisten kynnys lähteä harrastamaan taide-elämyksiä pienenee. Samalla museot ja taidehuutokaupat voivat laajentaa toimintaansa maailmanlaajuiseksi. Uusi tekniikka tuo mahdollisuuden päästä tutustumaan taiteeseen myös sellaisille ihmisille, jotka eivät syystä tai toisesta pääse käymään taidemuseossa esimerkiksi jonkin vamman takia tai heillä ei ole yksinkertaisesti aikaa tutustua taideteoksiin paikan päällä. a) b) Kuva 3.3 a) Elektroninen museo ja b) etälääketiede [6]. Kolmas ja erittäin tärkeä osa-alue moniprimäärinäyttöjen hyödyntämisessä on etälääketiede (kuva 3.3 b). Nykyaikaisessa hoitokulttuurissa on kovaa vauhtia yleistymässä potilastietojen kanssa yhtä aikaa rekisteröitävät kuvat potilaan vammasta, etähoito sekä leikkaukset, joissa esimerkiksi leikkaavaa lääkäriä avustava toinen lääkäri ei ole itse paikalla vaan seuraa leikkausta toiselta paikkakunnalta monitorien välityksellä. Edellä mainittu kotihoito helpottaa myös potilaiden elämää kun heidän tilaansa voidaan seurata sairaalasta käsin ja potilas itse voi olla tutussa kotiympäristössä. Kaikki tämä vaatii erittäin tarkkaa kuvaa ja erityisesti värientoistokykyä oikeiden diagnoosien ja hoitotoimenpiteiden suorittamiseksi. Spektrikamera ja moniprimäärinäyttö tarjoaa tähän hyvän ratkaisun [14]. 13
3.2 Metamerismin välttäminen Metamerismin esiintyminen on todettu ongelmaksi monella eri alalla. Ihmissilmä ei pysty esimerkiksi erottamaan kahden saman värisen puseron välistä metamerismiä. Näiden värierojen esille tuomisen mahdollistavat spektrofotometrit ja spektrikamerat, joilla saadaan mitattua erittäin tarkasti kahden samanväriseltä näyttävän tuotteen värispektrit ja niiden värierot. Tämä on tärkeää esimerkiksi silloin kun valmistetaan osia johonkin erityiseen laitteeseen ja näiden osien on oltava juuri tarkalleen saman väriset riippumatta valaistusolosuhteista. Tuotantovaiheessa suoraan liukuhihnalta spektrin perusteella mitatut kappaleet voidaan näin helposti tarkastaa ja eriväriset tuotteet poistaa [14]. Sama koskee värikuvien esittämistä näytöillä. Näyttöjen ongelmana on se, että ne tukeutuvat RGB värijärjestelmään ja näin ollen niiden värien esittämiskyky on rajallinen. Samoin näytöt ovat herkkiä valaistusolosuhteiden muutoksille. Kun värikuvat kuvataan spektrikameralla ja ne näytetään useammalla kuin kolmea pääväriä käyttävällä näytöllä, metamerismin määrä pienenee. Moniprimäärinäyttöjen on tarkoitus poistaa kaikki nämä ongelmat [14]. 3.3 Värien esityskyky Moniprimäärinäyttöjen edut tulevat esiin kun tarvitaan tarkkaa ja suurempaa värienerotuskykyä. Tämä on erittäin merkittävä asia silloin kun halutaan tarkkailla jotain kohdetta verkon kautta, kuten aikaisemmin esitetty etähoito lääketieteessä ja silloin kun kohteen tarkkailu ei onnistu itse paikan päällä. Tästä voi olla esimerkkinä erilaiset luonnonkatastrofit, kuten tulivuorenpurkaukset ja maanjäristykset. Tällaisilta alueilta saatu tarkka värikuvatieto voi olla elintärkeää. Myös ympäristön saastumisesta saatava kuvamateriaali on oltava mahdollisimman aidon väristä. Esimerkiksi merten saastuminen tai maataloudessa sadon kehittymisen seuraaminen satelliittien avulla. 14
3.4 Värien luonnollisuus Värien luonnollisuus on jo näytön katselumukavuuden kannalta tärkeä tekijä. Luonnollisen väriesityksen avulla saadaan esitettävästä kuvasta huomattavasti aidommannäköinen ja värit voi katsoja nähdä niin kuin ne olisivat luonnossakin. Värien luonnollinen toisto ja parantunut kuvan laatu rasittavat vähemmän silmiä ja ovat erittäin tervetullut uudistus niille ihmisille, jotka joutuvat työskentelemään paljon näyttöpäätteen kanssa ja tekemään erityistä tarkkuutta vaativaa työtä. Myös niin sanotulla huvipuolella luonnonmukaisella värien toistolla on etunsa, esimerkiksi pelien värimaailma saadaan näyttävämmäksi ja pelitilanne vieläkin aidon tuntuisemmaksi. Moniprimäärinäyttöjen parempaa värientoistokykyä voidaan hyödyntää myös elokuvateatteriesityksissä (kuva 3.4), joissa värigamutin laajennuksesta syntyvä värien luonnollisuus saadaan erityisesti esille. Etenkin värin vihreän osan laajennus lisää värien luonnollista esitystä, kuten kuvassa 3.1 on esitetty [14]. Kuva 3.4 Teatteriesitys [6]. 15
4 MONIPRIMÄÄRINÄYTTÖ Uuden näytön aikaansaaminen vaatii paljon muutakin kuin itse näyttölaitteen rakentamiseen tarvittava materiaali. Näyttö rakennetaan kasaan mutta se vaatii myös ohjelman, jotta se voi toimia näyttölaitteena. Samalla näytön on kyettävä toistamaan erilaisia väriyhtälöitä, joista sitten muodostetaan kuva, teksti ja lukuisat eri värit. Nykyiset näytöt perustuvat kolmen päävärin näyttämiseen ja näiden päävärien sekoituksesta muodostettaviin muihin värisävyihin. Moniprimäärinäytön perusajatus perustuu kolmea pääväriä (RGB) käyttävien CRT -näyttöjen gamutin värialueen laajennukseen (kuva 3.1). Tämä luku käsittelee Japanissa käynnissä olevaa Natural Vision -projektia, projektin aikataulua sekä moniprimäärinäytön tekniikkaa. 4.1 Natural vision -projekti Tarpeesta kehittää ja parantaa nykyisten näyttöjen värientoistokykyä, Japanissa perustettiin Natural Vision -projekti. Projektin yksi käytännön sovellus on prototyyppi moniprimäärinäytöstä. Projekti alkoi aikataulun laatimisesta ja tavoitteiden asettamisesta [6]. Projektin osatavoitteena on kehittää näyttölaite, joka on mahdollisimman riippumaton vastaanotetun kuvan lähettämistavasta ja kuvan ottamishetkellä vallinneista ympäristöolosuhteista [14]. Natural Vision -projekti on yhteistyöprojekti, jossa on mukana yliopisto ja yrityksiä. Koko projektin takana on Imaging Science and Engineering laboratory, Tokyo Institute of Technology sekä Telecommunications Advancement Organization (TAO) -organisaation Japan Akasaka Natural Vision Research Center [14]. Aikataulullisesti projektin ensiaskeleet otettiin vuonna 1999, jolloin tähän ensivaiheeseen kuului lähinnä projektiin liittyvän tietotaidon eli tutkijoiden ja suunnittelijoiden sekä näytön rakentamiseen tarvittavan laitteiston kerääminen ja kehittäminen. Ensimmäisen vaiheen oli tarkoitus kestää vuoteen 2000 saakka. 16
Toinen vaihe aloitettiin vuonna 2001 ja sen on tarkoitus kestää vuoteen 2002 saakka. Toisen vaiheen sisältö on koko systeemin yhdistäminen ja näin saadun laitteistokokoonpanon testaaminen [14]. Projektin osatavoitteena on rakentaa kokonaan uusi näyttölaite, jonka käyttösovellukset olisivat mahdollisimman laajat. Näyttölaitteen tulisi soveltua niin koti- kuin virkatarvekäyttöön. Samalla sen tekniikan tulisi olla sovellettavissa niin suurempiin kuin pienenpiinkin näyttöihin aina suurista elokuvasaleista taskukokoisten näyttöjen kuvantoistoon [14]. Uuden moniprimäärinäytön värigamutin laajennuksen ansiosta (kuva 3.1.) tulisi näytön värientoiston parantua. 4.2 Laitetekninen toteutus Moniprimäärinäytön toiminnan selvittämiseksi esitetään aluksi normaalin RGB -projektorin toimintaperiaate. Tämän jälkeen selvitetään tavallisen projektorin ja moniprimäärinäytön prototyypissä käytetyn projektorin erot. Tavallinen RGB projektori Projektorin sisällä voidaan valon säteen kulkua kuvata seuraavasti. Valkoisen valonlähteen lähettämä valonsädekimppu ohjataan peilien avulla polarisoivaan kääntöprismaan, jossa valo jaetaan värispektriksi. Spektriin jakautunut valo kulkee sen jälkeen kahden eri värierottelupeilin kautta erottaen spektristä punaisen, vihreän ja sinisen valon. Tämän jälkeen erotellut valonsäteet ohjataan peilien avulla nestekidenäytöille. Nestekidenäyttöjen pinnalle syötetään tietokoneelta varsinainen kuvatieto. Nestekidenäyttöjen avulla säädetään heijastettavan kuvan värisuhteet. Värierotteluprisman avulla pääväreiksi eroteltu valonsädekimppu kootaan taas yhdeksi ja ohjataan sen jälkeen projektorin objektiivin kautta heijastettavalle pinnalle. Kuva 4.1 havainnollistaa tätä tapahtumaa. 17
Heijastettava värikuva Kuva 4.1. Tavallisen projektorin prismojen asettelu sekä valon kulku projektorin sisällä. Moniprimäärinäytön projektori 18
Moniprimäärinäytön eräs prototyyppi on rakennettu käyttäen kahdeksaa projektoria, joihin kuva syötetään tietokoneelta. Jokainen projektori tarvitsee oman tietokoneen. Projektoreilta kuva heijastetaan yhdelle isolle näyttöruudulle. Kuva 4.2 esittää miten peilit ja suotimet on aseteltu yhden projektorin sisällä. Samanlainen ratkaisu on käytössä kaikissa kahdeksassa projektorissa [10]. Tavallisesta projektorista tämä ratkaisu poikkeaa siten että prototyypissä käytettyä projektoreiden rakennetta on muutettu. Heijastuspinnalle muodostettava moniprimäärikuva saadaan aikaan lisäämällä projektorin rakenteeseen kolme kappaletta ali- tai ylipäästösuotimia. Nämä suotimet on jaoteltu projektoreittain siten, että projektoreissa joka toisessa on ylipäästösuotimet ja joka toisessa alipäästösuotimet [10]. Kuva 4.2 havainnollistaa valon kulkua yhden projektorin sisällä. Kuvassa valonsäde muutetaan kolmeksi pääväriksi RGB värierottelupeilien avulla. RGB värit jaetaan vielä jokainen kahteen osaan, joista valitaan ali- tai ylipäästösuotimilla haluttu puolisko. Täten yhdellä projektorilla saadaan aikaan kolme kapeakaistaista pääväriä ja toisella projektorilla toiset kolme kapeakaistaista pääväriä, joten kahdella projektorilla saadaan samaan kohtaan heijastettuna yhteensä kuuden päävärin väriesitys aikaiseksi. Nestekidenäyttöinä käytetään heijastavia nestekidenäyttöjä, joihin kuva ohjataan tietokoneelta. Heijastavia nestekidenäyttöjä on kussakin projektorissa kolme. 19
20
Kuva 4.2. Peilien ja suotimien optinen asettelu moniprimäärinäytön projektorin sisällä [10]. Nestekidenäytöt heijastavat halutusta kuvasta tietyn värisävyn, esimerkiksi valon punaisia aallonpituuksia heijastava nestekidenäyttö korostaa kuvan punaista ominaisuutta. Kuvatieto heijastetaan nestekidenäytöiltä ja heijastetut kuvat kootaan värierottelupeilin kautta projektorin objektiiville ja siitä heijastettavalle pinnalle [10]. Erona tavalliseen projektoriin on prototyypin projektoreihin lisätyt ali- tai ylipäästösuotimet. Näiden suotimien tarkoituksena on muuttaa hajotettu RGB valo siten, että heijastettavalle pinnalle uudelleen muodostettu kuva rakentuu kolmen päävärin sijasta kuuden päävärin sekoituksesta. Tämä saadaan aikaan käyttämällä kahta projektoria ja heijastamalla niiden kuvat samaan kohtaan. Heijastaville nestekidenäytöille ohjelmoidaan kuvat, jotka saadaan laskettua spektrikameralla kuvatun spektrikuvan ja kuuden kapeakaistaisen suotimen välisinä sisääntuloina. Ali- tai ylipäästösuotimien tarkoitus on jakaa kahden projektorin RGB suotimet kuuteen kapeampaan suotimeen ja täten laajentaa syntyvän värigamutin kokoa (kuva 3.1). Kuvassa 4.3 on esitetty tavallisen projektorin RGB valon aallonpituudet. Nämä päävärit jaetaan kukin ali- ja ylipäästösuotimen avulla puoliksi. Valon aallonpituuksista saatavat arvot ovat alipäästösuotimille R(620), G(540) ja B(450). Ylipäästösuotimille vastaavat arvot ovat R(620), G(540) ja B(440). Kuva 4.4 esittää ali- ja ylipäästösuotimien spektrien arvot [10]. 21
Kuva 4.3. Tavallisen projektorin spektrin arvot [10]. Kuva 4.4. a) Ali- ja b) ylipäästösuotimien spektrien arvot [10]. 22
Kuvassa 4.5 esitetään miten yli- tai alipäästösuotimista koottu värispektrin rakenne muuttuu kolmesta pääväristä kuuteen pääväriin. Kuvassa 4.5 pystyakseli kuvaa spektrin voimakkuutta ja vaaka-akseli valon aallonpituutta. Kirjain numeroyhdistelmät S1 S6 kuvaavat kuuden päävärin aallonpituuksia siten, että S1 ja S2 muodostuvat valon sinisestä (B) aallon pituudesta, S3 ja S4 muodostuvat valon vihreästä (G) aallonpituudesta sekä S5 ja S6 muodostuvat valon punaisesta (R) aallonpituudesta [10]. Kuva 4.5. Moniprimäärinäytön kuuden päävärin spektrit [10]. 23
Kuva 4.6. Kahdeksan projektorin heijastama alue näytöllä [14]. Kuva 4.6 esittää miten projektorit on kohdistettu näytölle. Projektorien heijastusalue on jaettu siten, että kaksi projektoria heijastaa kuvaa samaan paikkaan yhden kuva-alueen neljännekseen. Prototyypin iso näyttö on siis jaettu neljään osaan ja jokaista neliömuotoista osaa heijastaa kaksi projektoria limittäin. Projektoreita voidaan käyttää joko niin, että ne heijastavat kuvan kankaan läpi jolloin projektoreiden heijastama kuva läpäisee kankaan. Toinen tapa on heijastaa kuva siten, että katsoja ja projektori ovat samalla puolla jolloin voidaan puhua pelkästään kuvan heijastuvuudesta [14]. 5 YHTEENVETO 24
Tietokonelaitteiston tärkeimpiä osia on näyttölaite, joka toimii aktiivisena välikätenä käyttäjän ja koneen välillä. Siinä missä tehokkaammat prosessorit tuovat koneeseen lisää tehoa, tuo hyvä näyttölaite tietokoneeseen sen tarvitsemaa arvokkuutta ja samalla se toimii hyvänä viimeistelijänä laitteistokokoonpanossa. Näyttölaitteet ovat kehittyneet viimevuosina nopeasti ja perinteiset CRT -näytöt ovat saaneet rinnalleen LCD -näyttöjä. Lisääntynyt PDA -laitteiden käyttö sekä matkapuhelimien yleistyminen ovat myös lisänneet näyttöteknologian kehittymistä. Mutta ilman sovelluksia ei tehokkailla näytöilläkään tee mitään. Verkkoteknologian kehittyminen on tuonut oman osansa kehittyvään kommunikointiin ja erityisesti tiedonsiirtoon. Uusia aluevaltauksia tällä alalla ovat erityisesti e-kauppa, etälääketiede sekä elektronisten museoiden tietokannat. Kaikki nämä yllämainitut sovellusalueet ovat yhdessä olleet yksi tärkeimmistä parempien näyttölaitteiden kehittämiseen johtaneista syistä. Erityisesti Japanissa ollaan erityisen kiinnostuneita paremman näytön rakentamisesta. Japanissa ollaankin jo rakennettu prototyyppi uudesta moniprimäärinäytöstä. Näytön edut tulevat esille siinä, että se pystyy toistamaan värit paremmin ja erityisesti luonnollisemmin. Samalla näyttölaite olisi laiteriippumaton sekä ympäristöolosuhteet eivät vaikuttaisi näyttölaitteella toistettuun kuvaan. Moniprimäärinäytön toistamien päävärien määrä on kasvatettu kolmesta kuuteen, jonka vaikutus näkyy värigamutin laajennuksessa kuvassa 3.1. Moniprimäärinäytön hyödyt ovat kiistämättömiä. Toisaalta näytön kehittäminen ja suunnittelu ovat vasta alkumetreillä, joten on vielä liian aikaista sanoa miten moniprimäärinäytön tulee käymään. Kehitystyön jatkumiseen vaikuttavat tietysti rahoitus sekä kyseistä näyttötyyppiä hyödyntävien sovellusten kehittäminen. Moniprimäärinäytön yleistyminen tietokoneiden näyttölaitteissa, televisioissa, kommunikaattoreissa, PDA-laitteissa ja kännyköissä jää tulevaisuuden asiaksi. Jos tässä onnistutaan niin moniprimäärinäytölle voi odottaa hyvää tulevaisuutta. Tämän tutkielman tarkoituksena oli luoda katsaus moniprimäärinäytön tarpeeseen, sen kehittämiseen ja tekniikkaan. Tutkielmassa esiteltiin myös moniprimäärinäytön käytännön sovelluksia ja käyttöalueita. Sitä ei sovi epäillä etteikö moniprimäärinäytöllä olisi tilausta. Teknologia kehittyy eteenpäin ja näyttölaitteilta vaaditaan paljon enemmän. Onnistuessaan moniprimäärinäyttö tulee täyttämään yhden tarpeen, jota kehittyvä it -ala kaipaa. 25
VIITELUETTELO [1] Hauta-Kasari M.: Computational techniques for spectral image analysis. Väitöskirja, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, 1999. 26
[2] Hyvärinen. T., Herrala.E., Dall`Ava. A.: Direct sight imaging spectrogaph: a unique addon component brings spectral imaging to industrial applications. In proceedings, IS&T/SPIE`s Symposium on Electronic Imaging: Science and Technology (EI98), San Jose, California, USA, January 25-30, vol. 3302-21,1998. [3] Hoyt C.C.: Towart higher res, lower cost guality color and multispectral imaging. Advaced Imaging, 02, 1995. [4] Kawata. K., Sasaki, Minami.S.:Component analysis of spatial and spectral patterns in multispectral images. I.Basis. Journal of the Optical America A, 4(11):2101-2106, 1987. [5] Koponen P.: Spetrivideo. Diplomityö, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, 1999. [6] Natural Vision Project. Internet WWW-sivu: URL:http://www.akasaka.tao.go.jp/about_project.html 17.06.2002. [7] Ohya.Y., Obi.T., Yamaguchi.M., Ohyama.N., Ishii.K., Komiya.Y.: Natural color reproduction system for telemedicine. Proceedings of medical technology symposium, 1998 [8] Orava J.: Digitaalikameran värintoisto. Pro Gradu tutkielma, Joensuun yliopisto, 2001. [9] Sakamura K.: TRON and digital museum. Proceedings of TRON project international symposium, 1996 [10] Takeyuki.A., Takashi.O., Masahiro.Y., Nagaaki.O.,: Six-primary color projection display for expanded color gamut reproduction. Proceedings of international symposium on multispectral imaging and color reproduction for digital archives. Chiba, Japan, October 21-22, 1999. [11] Takeyuki.A., Takashi.O., Masahiro.Y., Nagaaki.O.,: Color conversion method for multiprimary display using matrix switching. Optical review Vol.8, No.3 (2001), 191 197, 2001. 27
[12] Takeyuki.A., Takashi.O., Masahiro.Y., Nagaaki.O.,: Multiprimary color display for liquid crystal dispaly projectors using diffraction grating. Optical engineering. Vol. 38, No11, 1883 1888, 1999. [13] Wyszecki G., Stiles W.S.: Color science, concepts and methods, quantitative data and formulae, 2 nd edition. John Wiley & Sons. New York, 1982. [14] Yamaguchi M.: Natural Vision projektin esitemateriaali. Imaging science and engineering lab. Tokyo Institute of Technology, 1999. 28