автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и устройств повышения качества изображения телематических систем

Б ОЛ

$ \<|(\Р МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский технический университет связи и информатики •<

На правах рукописи . .

ХАЕКА Амин Ахмед

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЕ ТЕЛЕМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

А.В.КОТЕЛЬНИКОВ

доцент

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор

Б.П.ХРОМОЙ

- кандидат технических наук Э.П.ЛУНЕВА

Ведущее предприятие

Санкт-Петербургский Государственный университет телекоммуникаций имени проф. М.А.Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится пЧ п 1996 г.

в "/5^" часов на заседании диссертационного совета К 118.06.03 в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, дом 8-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

-цйюГа- 1996 г.

•■/и, ■

Ученый секрета-диссертационно: К 118.06.03, к.' доцент

.Матвеева

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В настоящее время достигнут определенный прогресс в развитии техники телевизионного вещания. Одновременно развиваются системы телевизионной информатики. Системы телетекст, видеотекс прочно внедрились в жизнь общества. Эти системы передают упрощенное синтетическое информационное знакографическое изображение, состоящее из ограниченного числа цветов. Цвета в этих системах дискретны. Кроме того,имеется ряд специальных телевизионных систем, формирующих условные информационные изображения в дискретных цветах. К этим системам можно отнести такие системы, как гепловизионкые,спект-розональные и др.

Увеличение числа дискретных цветов повышает качество, облегчает восприятие, дает возможность лучше оттенять интересующие фрагменты информационного изображения и т.д. Многообразие цветов усложняет их подбор. Смежные цвета должны одинаково отличаться друг от друга. Это создает проблему при определении их параметров и значений многоуровневых сигналов.

Важным для настоящего момента является правильный подбор дискретных цветов и расчет соответствующих видеосигналов синтезаторов. Указанные телевизионные системы находят все более широкое применение, а в специальной литературе затронутой проблеме не уделено достаточного внимания. Решению этих, представляющих существенный интерес вопросов, посвящена тема данной диссертации.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является теоретический анализ преобразований диаграммы цветностей "х:у", направленный на получение равноконтрастяой плоскости, служащей для определения параметров системы дискретных цветов. Определение возможности нелинейных преобразований дающих равномерное распределение цветностей. Исследование особенностей равно-контрастной плоскости "£ : ^ ", полученной в результате нелинейных преобразований и разработка методов перехода от системы " в систему координат "х:у". Исследования и разработка методики определения оптимального числа цветов и разработка методики определения их параметров. Исследования и разработка методики расчета многоуровневых сигналов синтезатора.

Метод исследования. В диссертационной работе использовались:

б?

- 3 -

теория телевидения, теория кодлриметрии, вычислительная математика и программирование, теория цифровых преобразований.

Научная новизна работы состоит в следующем. В результате исследований цветовых полей различных диаграмм цветностей, полученных за счет линейных преобразований диаграммы МШ 1931г. было показано, что преобразования недостаточно аффективны и преобразованные поля недостаточно равномерны для расчетов параметров системы дискретных цветов. Предложенная методика исследований позволила показать, что нелинейные преобразования позволяют получить равноконтрастную диаграмму с достаточно равномерным полем, пригодным для подбора системы цветов. Исследования преобразованного поля цветностей локуса спектральных цветов показали, что область, соответствующая цветовому треугольнику, находится в центральной его части и обладает лучшей равномерностью, что повышает точность расчетов сигналов дискретных цветов.

Преобразование координат Мак Адама "/ : и рассчитанная по предложенной методике координатная сетка с малым шагом на плоскости "/' '• • позволяющая переходить в систему "х:у" и точно рассчитывать дискретные сигналы основных -цветов.

Разработанный метод, основанный на оптимизации зоны воспроизводимых дискретных цветов, позволяющий производить расчеты параметров цветов с равными цветоотличиями.

Разработанный метод расчета видеосигналов по параметрам системы цветов, позволяющий определить значения многоуровневых сигналов основных цветов и определить параметры синтезатора сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный метод анализа равномерности полей диаграмм цветностей с точки зрения их использования для подбора системы цветов информационных телевизионных систем.

2. Разработавный метод оценки эффективности линейных преобразований диаграмм цветностей.

3. Разработанный метод оценки нелинейных преобразований поля цветностей системы координат "х:у" в систему координат

4. Разработанный метод оптимизации зоны воспроизводимых дискретных цветностей, оптимизация фигуры цветностей преобразованного треугольника основных цветов приемника.

5. Преобразование координат "/ г £ " в систему "¿'гр'" и-метод определения числа цветов при заданных шетоотличшх.

6. Метод определения параметров цветов системы, с равным шагом цветностей. . ,, -

7. Метод расчета,дискретных видеосигналов синтезатора видеосигналов многоцветных .изображений. , •,

8. Практическая реализация путем моделирования нелинейных преобразований на ЗИЛ.

Личный вклад. Изложенные в диссертационной работе результаты получены лично автором.

Практическая ценность работы заключается в следующем. Проведенные автором научные исследования и разработанные методы определения параметров системы дискретных цветов информационного телевидения дают возможность существенного улучшения качества искусственных информационных изображений, обеспечивая, наилучшую различимость цветных фрагментов. Предложенная методика позволяет точно рассчитать соответствующие значения сигналов синтезатора многоуровневых сигналов.

Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на заседаниях кафедры телевидения МТУСИ, а также на научно-технических конференциях МТУСИ.

Публикаттии. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в четырех статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные результаты, выносимые на защиту, а также научная новизна полученных результатов.

В первой главе диссертации рассмотрены особенности телематических систем. Проведенный анализ показал, что их можно разделить на две группы. К первой группе относятся системы, где изображение формируется оператором. Ко второй группе относятся системы, в которых информационное изображение создается за счет обработка сигнала, поступающего с камеры.

И в первом и во втором случаях необходим синтезатор. Пользователи предъявляется изображение, состоящее из ограниченного набора дискретных цветов. Для повышения качества изображения, улучшения его восприятия, необходимо увеличение числа цветов. Надо формировать многоцветное изображение. Число цветов должно быть таким, чтобы смежные цвета одинаково отличались друг от друга. Число среднеквадратических отклонений между ними должно быть одинаковым для всей системы цветов. Поэтому необходим правильный их подбор.

Стандартная диаграмма цветностей МКО 1931 г. для этих целей-неприменима из-за ее большой неравномерности. Отношение длин максимального и минимального отрезков, соответствующих одинаковому числу СКО, чрезвычайно велико.

Улучшения равномерности поля цветностей дают линейно-проекционные преобразования стандартной диаграммы с координатами "х:у" в соответствии с выражениями: СТ^5"

I__КП X + К12 У * К 13_

К3, X + Кзг у + К 33

' *21 X * к22 У +

К„ X + К 32 У + К 33

Был проведен анализ различных вариантов включая рекомендованные Международным комитетом по освещению (МКО). Исследования показали, что получить равноконтрастную диаграмму, приемлемую для правильного определения параметров цветов, при помощи линейных преобразований подучить невозможно.

Во второй главе отмечается, что существенным достижением на пути представления равноконтрастных участков на плоскости с равномерной шкалой, являются нелинейные проекционные преобразования Мак Адама, которые позволяют данные, выведенные из статистического непостоянства уравнивания по цвету, отразить на плоскости, близкой к равноконтрастной. На криволинейном цветовом графике усредненные эллипсы уравнивания по цвету приближаются к окружностям приблизительно одного и того же диаметра. Преобразования не позволяют полностью

с-

СП : МКО 1976 о о о о о 9,00 о о о Счг 1 12,00 3,00

со 0,230 о о о 0,600 о -0,038 1,000 0,163

г> 1—1 СО «3 со о> ю 1—1 и со £> LO ►H о о о о счг •а* счг

1 о о о о о о о 1 1-1 о

со о 1—1 $ со сО счг ю cD 1-Н s СО V H 3 ю о 1—1 СЧг со г> ^ ст> о о о о о о о о о о о о

Счг 1 <? О с\г о счг 1 счг и со

г> о о о о

ю о О О ю о счг 1 СМ и со

Ч су -1,3631] и счг со ? 0,5710 j 1,2447| со о г> m ? 1,0000 j 2,2633 1,1054

СО «о со ЬЧ s СО M Oí со о и г> ю «З1 CNJ со о о Iß о о о о со s счг S ! о 1

CJ ? о М 1? (-< счг |—<

СЧг 0,6600 о о о 1,2666 0 о 1,0000 СО 1 СО «о 1 СЧ! 1 о

и i S г> ,1543 с\г о> i—i M со о> ! СО СО CV |С0 S S ! о о о о s ю со g 1 m '

I счг СЧ! о 1 счг i ю I о , t—1 1 со - 1

i s ses S ^ cd ! H 1 н-1 t—» к Счг fH ta со и td i—i счг СО f—1 йГ СЧ/ со tri 1 со íp

1

исключить остаточных различий между преобразованными эллипсами и идеальными окружностями одинакового диаметра. Вместе с тем, для этих различий не обнаруживается каких-либо систематических тенденций. Это дает возможность предположить, что при использовании данного типа нелинейного преобразования был достигнут оптимум и эти преобразования могут способствовать успешному решению ряда задач колориметрии.

Поэтому представляется целесообразным исследовать равно-контрастную плоскость цветностей с точки зрения ее приемлемости для определения параметров цветовой композиции дискретного телевизионного изображения. Аналитические выражения для преобразований-имеют следующий вид:

Для координаты:

/ = 3751-ц^ - Ю-а* - $2О- Ь* + 15295-^ + 32527-а.~ -2549Г6-Ь?-а,-4Г672аг-Ь? + /Оа?-*, - 52272952Ш

Для координаты:

где при переходе от системы "х:у"

__Юх

2,4х+34-у + 1

а

2*У 24 У-* + /

Ь ___

1*У 2,4х + 34у-к

ь ЮУ_

2*У 4,2 у - х + 7

При переходе из системы ¿/ : V надо применять следующие выражения:

ки

Г5 и

2&У 0}2У-0,5и+2

Ь

11ГУ

Ю у

4 61/ + 30 V + 2

10 V

2и V

0,2 V - 0,5 и + 2

Была рассчитана точная координатная сетка с малым шагом по шкале "х:у", равным 0,01 (рис. I).

Линии постоянных значений "х:у" в новой системе координат искривлены, что потребовало расчета координат большого количества точек для каждой линии и большого объема машинных расчетов (рис.2). Для проверки эффективности преобразования были пересчитаны на координаты усредненных эллипсов уравнивания по цвету. Шли получены координаты линии спектральных цветов. Построен преобразованный локус (рис. 2). Спектральная линия заметно отличается от цветового графика в системе "х:у".

Как видно, на площади преобразованного локуса эллиптические зоны равнозаметных цветностей Мак Адама близки к окружностям, что свидетельствует о хорошей однородности преобразованного поля цветностей.

Телевизионная система воспроизводит цветности, ограниченные треугольником основных цветов. Для определения площади этих цветов были рассчитаны координаты фигуры преобразованного цветового треугольника (рис. 2). Преобразованный треугольник представляет собой криволинейную фигуру.

Рос 1 - 10 -

b-f

Неоднородность поля цветностей определяется степенью отклонения от окружности линий, соответствующей положению концов радиусов-векторов, длина которых следует изменению цветностей на определенный интервал. Неоднородность поля спектрального локуса составляет примерно 35$. Неоднородности распределения цветностей на площади треугольника основных цветов меньше и составляет 15%, что значительно увеличивает точность расчетов видеосигналов.

Как показали исследования масштаб координатной шкалы системы координат : ^ " равен:

// = = / CK О

Получена зависимость неравномерности для различных значений среднеквадратичных отклонений. Увеличение цветового контраста соответствует большей неравномерности цветоотличий цветового пространства. В зоне охвата треугольника основных цветов для перепадов до 20 СКО (60 2ЛРСД) неточность цветоотличий не превышает 15/5, что обеспечивает достаточную точность для определения параметров цветов.

В третьей главе показано, что при составлении цветовой системы могут возникнуть две задачи: Первая - это определение числа цветов п при заданных цветоотличиях в ряде (Л //). Вторая заключается в определении параметров цветов при заданном их числе.

Оптимизация системы цветов должна заключаться в правильном выборе их числа и определении их параметров так, чтобы избежать наложения близких по цветности цветов. То есть следует добиваться их равномерного распределения в цветовом пространстве, обеспечивая равный цветовой контраст смежных цветов.

Цветовое поле £ , у -однородно, расстояние между точками на v нем однозначно определяется числом среднеквадратических отклонений. Расположив на нем цветности так, что соответствующие точки находятся на одинаковом расстоянии, мы обеспечиваем равный цветовой контраст между всеми сменными цветами, равные цветоотличия.

Лелается вывод, что цветности системы следует располагать используя прямоугольную решетку, определяя их параметры по пересечениям перпендикулярных, равноотстоящих друг от друга перпендикулярных линяй, расстояние мевду которыми соответствует

x~o,6

У* о./

Рис. 4.

требуемыми цветоотличиями, т.е. заданным числом среднеквадра-тическюс отклонений.

Полученная за счет нелинейных преобразований криволинейная фигура треугольника имеет сложный вид (рис. 3). Стороны фигуры могут быть описаны следующими функциями:

сторона - функцией: ^ ~У^ Я

сторона ¿/В - функцией:^

сторона ££ — функцией: £ -у^^ £ £ ^

Площадь фигуры можно представить двумя частями. На участке от / до / она определяется выражением

На участке от ^ до § выражением

¿в** = //^ам л

Таким образом, полная площадь равна /<? & /е. ^ /л

Для упрощения расчетов преобразована форма контура воспроизводимых цветностей. При этом учитывалось, что на плоскости ^ : ^ (рис. 3) линия цветностей Я 6" приближается к прямой, параллельной оси £ , линия 6В - к прямой, параллельной оси р . Причем, расстояние между точками ^ и к точками ¿? к В , практически, равны. Линия цветностей приближается к окружности. Таким образом, в оптимизированном виде

воспроизводимые цветности заключены в прямоугольный сектор с радиусом:

Такие преобразования значительно упрощают расчеты. Площадь воспроизводимых цветностей

- ь)2 з- Об - и)2 - ; —= ; j

Оптимизированная фигура несколько отличается от исходной. Отличия по площади не превышают 10$. Показано, что эти расхождения не влияют на точность расчетов, так как точность исходной диаграммы составляет примерно 20%.

Далее отмечается, что центр круга цветностей смещен относительно начала координат как по оси f ' , так и по оси g'. Это создает дополнительно трудности при расчетах.

Предлагаются дополнительные преобразования системы координат Мак Адама j - £ в новую систему . При этом, преобразованные координаты выражаются:£f =f - 800; f = f - 250. Построена диаграмма цветностей в системе координат/' = (рис. 4) с криволинейной координатной сеткой, что позволяет просто перейти в систему "х:у".

В системе координат /': ^ ' выражения заметно упрощаются так: площадь цветностей телевизионной системы равна

с fie)*

¿ä - 4 - 4

Число цветов при заданных цветоотличиях в ^ ^ (CKD) определяется как:

где t и f\ - координаты красного и зеленого цветов тре-

" ¿6 ' г' ,/

" угольника в системе t : j .

Параметры системы дискретных цветов определяются следующим образом:

Число цветов в / -ом ряду:

Ь' Л N >

Координаты цветов должны соответствовать выражениям: = (К -0,5)4^ ; б'. = ( / - 0,5) Л//

В этих формулах: С - номер ряда, К - номер цвета в ряде.

Предельные значения:

Чь^-уб'Чг/Ь-О-")' ;

() =а 2А

Используя цветовой график (рис. 4) и зная координаты цветов можно просто перейти в систему '5с:у" и определить соответствующие координаты и у^ для конкретных цветов системы.

Значения выходных сигналов-синтезатора:

^

Г О. 1д X? - 0.05 У к - 0. 025 -] 0.23Уц .1

^ / Г - О.ГбХч + 0.29Уч + 0.07 Л

с _/ Г 0.27 Ун- О-^У^ » Р.29 у 6

Такш образом, применение новой системы координат, полученной за счет нелинейных преобразований, переноса начала координат и оптимизации формы фигуры охвата цзетностей цветовос-

производящего устройства, отазался возможным выбор параметров цветов в соответствии с требуемыми цветоогличиями, выраженными в единидах СКО.

Рассчитанные при помощи разработанного алгоритма диаграмма фигуры охвата цветностей с нанесенной на нее координатной,сеткой позволяют перейти к координатам "х:у".

Полученные формулы позволяют рассчитать выходные сигналы синтезатора.

В четвертой главе приведены алгоритмы машинных расчетов, необходимых для теоретических исследований ч ; колориметрических преобразований, описанных во 2 и 3 главах. Необходимость машинных расчетов вызвана сложностью математических вычислений в соответствии со степенными выражениями (I), (2), которые позволяют переходить от системы координат "х:у" и " С/ : V" к нелинейным системам координат " и

При пересчетах использовались проверенные надекные данные Мак Адама, Райта, Джадда и др. Данные о эллипсах Мак /дала после преобразований использовались для исследований равнококтрастного нелинейного поля цветностей. Данные Мак Адама, Райта, Джадда и др. позволили оценить точность преобразований площади локуса и цену шкалы равноконтрастной диаграммы. Кроме того, машинный расчет позволил оцэнить степень ошибки, возникающей при использовании для подбора цветов стандартной диаграммы гретностей в системе координат "х:у".

Результаты машинного моделирования подтвердили правильность выводов, полученных в результате колориметрических исследований.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе и могут быть сформулированы следующим образом,

1. На основе анализа литературных источников показано, что телематические системы и ряд других информационных систем формируют телевизионное изображение, состоящее из дискретных цветов. Увеличение их числа повышает качество и дает воамокность лучше оттенять интересующие фрагменты.

2. Смежные, из используемых цветов, должны иметь одинаковые цветоотличия для обеспечения постоянного цветового контраста по всему полю цветностей. Это обстоятельство усложняет .. их правильный выбор. Стандартная диаграмма цветностей Мак Ада-

Ь

ма "х:у" для подбора системы цветов неприменима из-за недопустимой неравномерности поля.

3. Подробные исследования диаграмм цветностей, полученных за счет различных линейных преобразований, показали, что они дают определенный эффект, но получаемые цветовые поля обладают также недостаточной равномерностью и их нельзя использовать для подбора цветов.

4. Предложенная методика исследований позволила показать, что только нелинейные преобразования позволяют получить равно-контрастную диаграмму с достаточно равномерным полем, пригодным для определения параметров системы дискретных цветов.

5. Исследования площади охвата преобразованного локуса спектральных цветов показали, что .она обладает хорошей равномерностью. Эллипсы Мак Адама преобразуются в примерно равные круги. Их разброс для насыщенных цветов составляет около 35$.

6. Преобразованная фигура треугольника основных цветов телевизионного приемника меняет свою форму. Стороны принимают искривленную форму. Она находится в центральной части площади локуса и обладает лучшей равномерностью. Разброс параметров преобразованных эллипсов значительно меньше и не превышает 17/?. .Это обстоятельство дает возможность достаточно точно определить параметры дискретных цветов.

7. Преобразование координат Мак Адама и рассчитанная по разработанной методике координатная сетка с малым шагом, на плоскости нелинейна. Она позволяет свободно перейти в систему координат "х:у" с бокыпой точностью (до третьего знака) и в дальнейшем точно рассчитать дискретные сигналы синтезаторов искусственных телевизионных изображений.

8. Разработанный метод, основанный на оптимизации зоны воспроизводимых цветов на плоскости '-р'" позволяет значительно упростить расчеты параметров системы с равными цветоотличк-ями и определить оптимальные цвстоотличия при заданном числе цветов.

5. Предложенная методика расчета по параметрам цветов в системе "х:у" позволяет без сложных вычислений определить значения многоуровневых сигналов.

10. Проведенные по разработанному алгоритму машинные вычисления, подтвердили правильность выводов, полученных в результате колориметрических исследований.

ПУБЛИКАЦИИ

по теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Хабка A.A., Котельников A.B. Синтез дискретного изображения телематических систем, - № 2059-св 295. Деп. рук. ВИНИТИ от 23.08.95 г. - С. 20-28.

2. Хабка A.A., Котельников A.B. Использование нелинейных преобразований для выбора цветов синтетических изображений, J* - 2059-св 95. деп. рук. ВИНИТИ от 23.08.95 г.

- С. 12-19.

3. Хабка A.A., Котельников A.B. К вопросу определения числа порогов цветности оконечных устройств,-й 2058-св 95. Деп. рук. ВИНИТИ от 23.08.95 г. - С. 30-34.

4. Хабка A.A., Котельников A.B. Оптимизация цзетов дискретного ТВ-изображения, - J6 2059-сз 95. Деп. рук. ВИНИТИ от 23.08.95 г. - С. 2-II.

5. Хабка A.A., Котельников A.B. Повышение точности определения параметров системы цветов /НТК МТУСИ, 1996 г. Тезисы,

- 104 с.

6. Хабка A.A., Котельников A.B. Многоцветные изображения телематических систем. /НТК МТУСИ, 1996 г. Тезисы. - 104 с.

7. Хабка A.A., Котельников A.B. Расчет параметров знакогра-фическиъ телевизионных изображений. /НТК МТУСИ, IÖ96 г.

- 107 с.