автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование динамических характеристик телевизионных преобразователей и разработка методов коррекции искажений изображения

Введение.

Глава 1. Формирование сигналов динамических изображений преобразователями на ПЗС.

1.1. Преобразователи изображений на ПЗС.

1.1.1. Особенности работы преобразователей изображений на ПЗС.

1.1.2. Характер преобразования изображения матричным ПЗС.

1.2. Методы управления характеристиками преобразователей изображений на ПЗС.

1.3. Передача динамических изображений преобразователями на ПЗС.

1.4. Особенности восприятия динамических объектов на телевизионном экране.:.

1.5. Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Преобразование изображений движущихся объектов.

2.1. Виды движения и их классификация.

2.2.Разрешающая способность преобразователей изображений в динамическом режиме.

2.2.1. Модель и подходы к решению задачи.

2.2.2. Результаты анализа.

2.3. Особенности передачи одиночных движущихся объектов.

2.3.1. Модель и подходы к решению задачи.

2.3.2. Результаты анализа.

2.4. Выводы.

Глава 3. Формирование сигналов преобразователями изображений в режиме трансфокации.

3.1. Режим трансфокации.

3.1.1. Особенности процесса трансфокации.

3.1.2. Объектива с переменным фокусным расстоянием.

3.2. Разрешающая способность преобразователей изображений в режиме трансфокации.

3.2.1. Модель и подходы к решению задачи.

3.2.2. Результаты анализа.

3.3. Экспериментальные исследования режима трансфокации изображения.

3.4. Выводы.

Глава 4. Моделирование элементов управления преобразователями изображений на ПЗС в динамическом режиме.

4.1. Моделирование элементов системы управления в пакете Lab VIEW.

4.1.1. Краткие сведения о пакете Lab VIEW.

4.1.2. Функциональная схема система управления.

4.1.3. Моделирование процесса регулирования.

4.1.4. Создание интерактивного интерфейса - передней панели.

4.2. Результаты моделирования элементов системы управления.

4.3. Выводы.

В последнее десятилетие заметно увеличилось внимание к проблемам, связанным с повышением технического качества телевизионного (ТВ) изображения (внедрение цифровых ТВ систем, переход на существенно больший размер ТВ экрана с числом строк разложения 1125 вместо 625 и более выгодный формат - 16 : 9 вместо 4:3, повышение требований к качеству цветопередачи и др.) [1-4].

Одной из важнейших характеристик ТВ системы является ее разрешающая способность [5]. Разрешающая способность преобразователей изображений определяет, в конечном счете, способность ТВ системы передавать и воспроизводить с заданным контрастом мелкие детали изображения. «Под разрешающей способностью системы в оптике, фотографии и телевидении понимается ее способность передавать и воспроизводить на репродукции изображение штриховой миры таким образом, чтобы с заданной вероятностью были различимы штрихи, из которых она состоит» -Красильников Н. Н. [6].

Относя проблему разрешающей способности телевизионной системы к числу важнейших, определяющих одну из главных компонент качества телевизионного изображения, проведены фундаментальные исследования и многочисленные прикладные работы в этой области [5 - 9 и др.]. Использование в качестве преобразователей изображения твердотельных матриц на ПЗС позволило с целью улучшения качества формируемого изображения, в частности его четкости, использовать автоматическую настройку телевизионных систем с помощью микро-ЭВМ [10 - 11].

Вместе с этим, основное внимание исследователей сосредоточено на характеристиках передачи статических (неподвижных) изображений. Работы, посвященные особенностям передачи динамических (подвижных) изображений, связаны в основном с анализом явлений инерционности, искажений геометрии фрагментов изображения, искажениями цветопередачи на резких границах подвижных объектов и др. Повышение требований к качеству формируемых изображений в цифровых телевизионных системах, а также внедрение дискретных преобразователей изображений типа матриц ПЗС, фотодиодных матриц и других, привело к необходимости проведения анализа факторов, определяющих основные характеристики, в частности, разрешающую способность преобразователей изображений при передаче не только статических, но и динамических объектов. Естественно, проблемы качества передачи динамических изображений и управления в связи с этим характеристиками преобразователей на ПЗС привлекали внимание исследователей и ранее, например [12 - 14]. Заметим, однако, что если вопрос о характере восприятия статического ТВ изображения достаточно хорошо изучен, то познание механизмов восприятия динамических телевизионных изображений требует дальнейших усилий. Можно предположить, что в условиях наблюдения ТВ изображения механизм прослеживания подвижного объекта ослаблен в связи с малым полем изображения. Переход на воспроизведение ТВ изображений на экранах большого размера приводит к включению механизмов прослеживания движущихся объектов [15].

В системах прикладного ТВ вопрос о четкости движущихся фрагментов изображения во многих случаях также актуален. Он имеет принципиальное значение в системах регистрации координат точечных объектов, устройствах слежения за подвижными объектами и др. Примерами, подтверждающими актуальность рассматриваемой проблемы, могут служить системы медицинского назначения. Внедрение компьютерных технологий в медицинскую диагностику существенно расширило ее возможности. К числу направлений, в которых получены наибольшие результаты, можно отнести рентгенодиагностику, ангиографию, компьютерную томографию и др. [16]. Наряду с визуальными исследованиями, широкое распространение получают 6 автоматические и полуавтоматические телевизионные методы анализа медицинских изображений. В таких применениях, как ангиография сердца и др., значительные артефакты диагностики связаны с подвижностью отдельных частей исследуемого объекта. Вследствие конечного времени формирования кадра и инерционности преобразователя возникает динамическая нерезкость формируемого изображения, что ограничивает возможности диагностики. Искажения в первую очередь сказываются на детальности формируемого изображения, это существенно искажает передачу морфологической структуры исследуемых объектов.

В процессе выполнения настоящей работы проведен анализ процессов формирования сигнала изображения при передаче динамических (подвижных) объектов современными преобразователями на ПЗС. Полученные данные привели к возможности количественной оценки искажений детальности ТВ изображения динамических объектов и возможности обоснованного выбора режима работы преобразователя (с учетом скоростей объектов в поле изображения, требуемой четкости ТВ изображения и других характеристик).

В работе приведены результаты моделирования элементов управления преобразователями на ПЗС, обеспечивающих динамическую регулировку режимов их работы с целью обеспечения заданного качества ТВ изображения.

4.3. Вывод

1. Моделирование элементов системы управления преобразователем изображения на ПЗС в режиме передачи динамических объектов подтвердило возможность создания системы автоматической регулировки режима с целью получения заданной четкости изображения.

2. Показана необходимость использования двухканальной схемы регулирования (канал регулировки времени накопления и канал регулировки усиления сигнала); раскрыты механизмы их взаимодействия.

3. Показана эффективность использования графического пакета Lab VIEW для проектирования элементов системы обеспечения заданной четкости динамических объектов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведен анализ процессов формирования сигнала изображения при передаче динамических (подвижных) объектов телевизионными преобразователями изображений. Дана количественная оценка искажений детальности ТВ изображения динамических объектов и раскрыты возможности обоснованного выбора режима работы преобразователя (с учетом скоростей объектов в поле изображения, требуемой четкости ТВ изображения и других характеристик). В работе приведены результаты количественного анализа механизмов формирования сигналов изображения в процессе трансфокации (масштабирования), проведено моделирование элементов управления преобразователями на ПЗС, обеспечивающих динамическую регулировку режимов их работы с целью обеспечения заданного качества ТВ изображения.

В числе конкретных результатов необходимо отметить следующие:

• установлена аналитическая связь параметров видеосигнала, характеризующих четкость формируемого изображения, с характеристиками фрагментов оптического изображения, движущихся с известной скоростью, и электрическим режимом преобразователя изображения (раздел 2.2);

• исследования зависимости глубины модуляции сигнала мелких деталей изображения от скорости движущихся фрагментов и основных характеристик преобразователя позволяют обоснованно выбирать электрический режим его работы (раздел 2.2);

• установлены аналитические соотношения, отображающие механизмы формирования видеосигнала движущегося пятна; проведено имитационное моделирование и получены соответствующие графические зависимости (раздел

118

• получены аналитические соотношения, описывающие связь сигналов изображения, формируемых в процессе трансфокации, с параметрами масштабирования, в частности, раскрыта аналитическая зависимость параметров четкости от координат поля изображения (раздел 3.2);

• в модельном эксперименте подтверждено, что четкость изображения в процессе трансфокации является функцией координат: она уменьшается от центра изображения к его периферии, как при увеличении масштаба изображения, так и при его уменьшении (раздел 3.2);

• экспериментальные исследования режима трансфокации, выполненные на цифровой телевизионной камере фирмы Sony и видеокамере VHS фирмы JVC, дают количественную оценку изменению глубины модуляции сигнала мелких деталей на краях изображения по сравнению с центральной частью (раздел 3.3);

• Моделирование элементов системы управления преобразователем изображения на ПЗС в режиме передачи динамических объектов подтвердило возможность создания системы автоматической регулировки режима с целью получения заданной четкости изображения; разработаны принципы проектирования таких систем.

1. Быков Р. Е. Теоретические основы телевидения. Учебн. для вузов.- СПб.: Изд. Лань, 1998.-288 с.

2. Тимофеев Б.С. Цифровое телевидение. Учеб. пособие / СПб.: Изд. ГУАП, 1998.49 с.

3. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. Под ред. Зубарева Ю.Б. и Дворковича В.П.- М.: Изд. HAT, 1997. 255 с.

4. Быков Р. Е., Полосин Л. Л. Метрическая система световых и цветовых величин. Вестник Метрологической Академии, вып. 5, 2000, с. 50 60.

5. Рыфтин Я. А. Телевизионная система. Теория. М.: Изд. Советское радио, 1967.-271 с.

6. Красильников Н. Н. Теория передачи и воспроизведения изображений. М.: Изд. Радио и связь, 1986.- 248 с.

7. Кинотелевизионная техника / М. В. Антипин, Ю. С. Косарский, Л. Л. Полосин, Д. А. Таранец; Под ред. М. В. Антипина. М.: Изд. Искусство, 1984. - 288 с.

8. Гуревич С. Б. Эффективность и чувствительность телевизионных систем,- М.-Л.: Изд. Энергия, 1964, 344 с.

9. Сай С. В. Четкость цветного изображения в системах со сжатием визуальных данных. Хабаровск: Изд. ХГТУ, 1999, 143 с.

10. Быков Р. Е., Манцветов А. А., Степанов Н. Н., Эйссенгардт Г. А. Преобразователи изображения на ПЗС. М.: Изд. Радио и связь, 1992. - 184 с.

11. Тимофеев Б. С. Автоматическая настройка телевизионных систем с помощью микро-ЭВМ. М.: Изд. Радио и связь, 1988. - 160 с.

12. Шульженко К. М. О резкости и четкости телевизионных изображений движущихся объектов. Изв. Томского политехнического института. Том. 86, 1958, с. 123 136.

13. Михайлов В. А. Исследование методов и разработка устройств управления апертурными характеристиками твердотельных преобразователей изображения. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Д.: Изд. ЛЭТИ, 1985.

14. Манцветов А. А. Исследование методов и разработка устройств управления матричными приборами с зарядовой связью для передачи динамических изображений. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Д.: Изд. ЛЭТИ, 1990.

15. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. Пер. с англ. М.: Изд. Мир, 1990. - 239 с.

16. Технические средства медицинской интроскопии / Блинов Н. Н., Быков Р. Е., Козловский Э. Б. И др., Под ред. Б. И. Леонова. М.: Изд. Медицина, 1989. -304 с.

17. Самойлов Ф. Эволюция формирователей изображения на приборах с зарядовой связью// Техника кино и телевидения. 1994. - No. 1. - С. 22-34.

18. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1986. - 320 с.

19. Владимир Михайлов, Павел Шурбелев Видеокамеры от телевизионной камеры к видеокамере.// 625 информационно технический журнал. - 2000. -No.9-C.5-36.

20. Харкевич А.А. Спектры и анализ. ГИТТЛ, 1952.

21. Телевизионная оптика нового тысячелетия.// Broadcasting. 2001. - No. 1. - С. 82-85.

22. Манцветов А. А., Михайлов В. А., Эйссенгардт Г. А. Характеристики матричных ФППЗ в режиме суммирования зарядовых пакетов// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1990. - Вып.2. - С. 26-33.

23. Миленин Н.К. Цветные телевизионные камеры на матричных формирователях сигналов изображения// Техника кино и телевидения. 1981. - No.4. - С. 57-64.

24. Быков Р.Е., Гуревич С.Б. Анализ и обработка цветных объемных изображений. М.: Радио и связь, 1986. -248 с.

25. Быков Р.Е. Сигалов В. М., Эйссенгардт Г.А. Телевидение/ Под ред. Р.Е. Быкова. М.: Высшая школа, 1988. -248 с.

26. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. М.: Радио и связь, 1988. - 2-е изд., доп. И перераб. -224 с.

27. Красильников Н. Н. Теория передачи и восприятия изображений. Теория передачи изображений и ее приложения. М.: Радио и связь, 1986. -248 с.

28. Шульженко К.М. О влиянии движения передаваемых объектов резкость телевизионного изображения. Кандидатская диссертация, ЛЭТИ, 1953.

29. Грудзинский М. А., Куликов А. Н., Хромов Л. И., Цыцулин А. Н. Адаптивные телевизионные системы на ПЗС// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. -1984. Вып. 4. - С. 3-10.

30. Манцветов А. А., Михайлов В. А., Эйссенгардт Г. А. Апертурная фильтрация входного изображения на матричном приборе с зарядовой связью// Тез. Докл. Всесоюзн. Конф. "Формирование оптического изображения и методы его обработки". Кишинев. - 1985. - С. 68.

31. Манцветов А. А. Методы управления характеристиками матричных ФППЗ// Тез. Докл. На республ. конф. "Телевизионные методы и средства в науке и технике". Ужгород. - 1989.-С. 31.

32. Смирнов Е.В. Новая камера для ТВЧ на ПЗС-матрицах.// Техника кино и телевидения. 1997. - No.6. - С. 11-14.

33. Преобразование стандартов, основанное на анализе движения.// 625 информационно технический журнал. 1995. - No.l - С.36.

34. Виктор Дворкович, Валерий Басий, Александр Дворкович, Дмитрий Макаров Телевизионные измерения как средство обеспечения высокого качества телевизионного вещания.// 625 информационно технический журнал. 1999. -No.8 - С.5-46.

35. Миленин Н.К. Современные камеры цветного телевидения на матрицах ПЗС// Техника кино и телевидения. 1993. - No.l. - С. 23-29.

36. Хорн Б.К.П. Зрение роботов/Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 487 с.

37. Чэн Ш. -К. Принципы проектирования систем визуальной информации: Пер. с англ. М.: Мир, 1994. - 408 с.

38. Отчет по начно-исследовательской работе по теме «Разработка и исследование методов и алгоритмов управления твердотельными преобразователями для повышения качества цветного изображения» N гос. Регистрации 01970006194. Санкт-Петербург, СПБГЭТУ, 1997.

39. Е.Накасу, К.Аеки. Статистический анализ качества изображений MPEG-2 для телевизионного вещания// Техника кино и телевидения. 1997. - N 3. - С. 2427.

40. Тимофеев Б.С. Цифровое телевидение. Учеб. пособие/СПбГУАП. СПб., 1998. 49с.

41. P. Walland Practical Techniques for Maintaining the Quality of Digital Transmission Systems. The First Conf. Advances and Future Development of Cable and Satellite TV, M.: 24-27 Febr. 1999, p. 61-62.

42. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. 3-е изд. М.: Радио и связь. 1989.- 608с.

43. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение/ Под ред. РосселевичаИ.А,- М.: Радио и связь, 1986.-184 с.

44. Цыцулин А.К. Построение телевизионных систем для наблюдения подвижных изображений/ /Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. Вып. 5.- с. 3-11

45. B.C. Бабенко Оптика телевизионных устройств. 2-е изд., перераб. И доп. -М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.

46. Гаврилов П.Ф., Кривилев В.Н. Видеокамеры: принципы работы, схемотехника, регулировки. М.: Радиотон 1999. - 272 с.

47. Быков Р. Е., Интерпретация многозональных изображений в задачах экологического мониторинга. С-Пб.: изд. ТЭТУ, Безопасность жизнедеятельности, 1994, с. 102-109.

48. Бочко В. А., Быков Р. Е., Многоспектральная интерактивная система обнаружения и измерения параметров объектов. Известия ВУЗов России, 1998, 1, с. 50-54.

49. Иванов Г.Г., Корсавов Ю.Л. Проблемы программно-алгоритмического обеспечения обработки аэрокосмических изображений в геоинформационных системах. Мониторинг, март, 1996, с.40-44.

50. Манило Л.А., Левашов С.Ю., Калиниченко А.Н., Обработка биомедицинских сигналов с использованием программного пакета Lab VIEW: Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ, СПб ТЭТУ.1998. 32с.

51. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C., Использование виртуальных инструментов Lab VIEW. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия Телеком, 1999. 268с.

52. Быков Р.Е., Цао Ф. Динамическая нерезкость медицинских телевизионных изображений // Медико-экологические информационные технологии 99: Тезис докл. Международн. конф., Курск, 19-21 мая, 1999. г. Курск: изд. КПУ,1999.-С. 150-153.

53. Быков Р.Е., Цао Ф. Разрешающая способность преобразователей изображений при передаче динамических объектов // Радиотехнические и телевизионные системы: Сб. науч. тр. / Под ред. Б.С. Тимофеева; СПбГУАП. СПб., 2000. -С. 69-75.