автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка методов и устройств восстановления сигнала изображения в системах телевидения с многомерной дискретизацией

РГБ ОД

3 О'г.Л V:"

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи УДК 621.397

ПЛЕШИВЦЕВ ВАСИЛИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕВИДЕНИЯ С МНОГОМЕРНОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ

Специальность 05.12.17. Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на кафедре "Телевидения" Московского технического университета связи и информатики. Научный руководитель: .. к. т. н.. доц.. Г. В. Квиринг.

Официальные оппоненты: д.т.н..проф.,Б.П.Хромой,

к.т.н.. Г.К.Росаткевич.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт телевидения и радиовещания.

Защита диссертации состоится 09 февраля 1995 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета К118.06.03 Московского технического университета связи и информатики по присуждению ученой степени кандидата технических наук.

Адрес:111024. Москва, ул.Авиамоторная, д. 8 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 08 января 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета К118.06.03 к.т.н.., доц.

О.В.Матвеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающие требования к качеству телевизионного вещания и расширению функциональных возможностей систем прикладного телевидения (ТВ) приводят к необходимости применения цифровых методов при формировании. консервации и передаче ТВ сигналов. Разносторонние теоретические исследования и разработка аппаратуры цифрового ТВ вызвали появление телевизионных систем различной ориентации и назначения.

При восстановлении сигнала изображения, дискретизирован-ного по группам элементов с использованием обычных методов восстановления - интерполяции или экстраполяции - возникают заметные искажения, накладывающиеся на изображение и мешающие при наблюдении . В зависимости от характера исходного изображения (или спектра исходного изображения) уровень искажений заметно влияет на точность восстановления. Для повышения точности восстановления необходимо использовать адаптивные методы восстановления, учитывающие спектральные, фазовые характеристики и соотношения, характер и тип данного изображения. Исследования в данном направлении позволяют сократить избыточность цифрового сигнала изображения в несколько раз,, что актуально особенно сейчас, при широком внедрении перспективных систем ТВ с повышенным разрешением.

Применение цифровых методов обработки телевизионного сигнала в современных системах телевидения дало возможность повысить пропускную способность при передаче с использованием оптимальных методов модуляции и кодирования, базирующихся на более полном учете статистических характеристик передаваемых со/г

общений и свойств их получателей . Разработанные к настоящему времени цифровые методы кодирования можно условно разделить на поэлементное , блочное и гибридное. К поэлементному кодированию можно отнести рациональные методы кодирования (например . нелинейную ИКМ. различные методы кодирования с предсказанием и т.д.). заключающиеся в таком преобразовании ТВ сигналов, при котором минимизируются затраты двоичных единиц на их описание. Блочное кодирование характеризуется линейным либо нелинейным преобразованием ТВ сигналов (методы кодирования с преобразованием с использованием различных базисных функций, методы адаптивного группового кодирования, векторное квантование и т.п.). Так. при кодировании на основе линейного преобразования распределение ' энергии в исходном фрагменте ТВ изображения заменяется на ее резко неравномерное распределение в преобразованной области . что позволяет коэффициенты преобразования с небольшой энергией кодировать "грубо", а некоторые из них даже отбросить и тем самым сократить число двоичных единиц . необходимое для цифрового описания ТВ изображений. Гибридное кодирование-сочетание методов цифрового кодирования, относящихся к различным группам.

Таким образом можно выделить следующие направления решения данной задачи:

Первое направление - это более полный учет в процессе цифрового кодирования свойств источника и получателя.

Второе направление - более широкое использование методов временной адаптации в процессе цифрового кодирования ТВ сигналов (кодирование с компенсацией движения).

Третье направление - переход от скалярного квантования к

векторному.

Четвертое направление - переход к гибридным (составным) методам цифрового кодирования. При этом под гибридным методом следует понимать сочетание различных методов цифрового кодирования с пред- и послеобработкой кодируемых ТВ сигналов, ведущее к повышению эффективности всего процесса кодирования.

Выбор метода эффективного кодирования ТВ сигналов должен также базироваться на учете экономических аспектов . в частности на анализе зависимостей стоимости аппаратуры цифрового кодирования от требуемых параметров.

В качестве примера можно привести технологию сжатия изображения (сокращения избыточности), регламентируемая стандартом JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная группа экспертов в области фотографии), которая позволяет оперировать с большими обьемами информации, описывающей изображение .

Аналогичная задача решалась при разработке технологии сжатия видеоинформации с помощью метода MPEG (Motion Picture Experts Group - Группа экспертов в области движущихся изображений). принцип технологии MPEG (MPEG-2) основан на управлении разрядной скоростью, которая изменяется при передаче по каналам с фиксированной пропускной способностью.

Известен и успешно используется для сжатия графической информации метод фрактального сжатия (Fractal Image Compression), т.е. сжатие структур,' обладающих схожими параметрами. В этом методе аналогично JPEG и MPEG используется ДКП и принцип сжатия, называемый Wavelet Image Compression (WIC) .

В настоящее время параллельно разработаны и существуют несколько систем телевидения высокой четкости - ТВЧ, как сов-

местимые . так и несовместимые 'с существующими. Приведем наиболее распространенные из них:

- Несовместимая на 1125 строк с чересстрочной разверткой на 60 полей в секунду, формат 5:3 (Япония,NHK);

- Совместимая на 1250 строк с прогрессивной разверткой на 50 кадров в секунду, формат 16:9 (Европейский стандарт.Eur1-са-95);

- Совместимая на 1050 строк с чересстрочной разверткой на 60 полей в 1 секунду, формат 16:9 (США).

В СССР в 1960-1962 гг. была разработана система на 1125 строк (МНИТИ), в середине 80-х годов проектировались системы на 1350 и 1875 строк (ВНИИТ совместно с МИС) с чересстрочной разверткой на 50 полей, формат 16:9, и был предложен вариант на 1375 строк (ВНИИТР).

Для систем ТВЧ были разработаны различные эффективные методы сжатия спектра видеосигнала. Для японской системы ТВЧ на 1125 была создана и в настоящее время успешно функционирует система MUSE (Multiple Sub-Nyqulst Sampling Encoding - система кодирования с многократной субдискретизацией). Система MUSE основана на дискретизации и субдискретизации сигнала с офсетом отсчетов. Существует несколько вариантов системы: MUSE-T. MUSE-E. MUSE-6, MUSE-9.

Европейская система ТВЧ базируется на концепции С-МАС (Multlplexel Analogue Components - временное уплотнение аналоговых компонент сигнала) и предназначена для непосредственного приема сигнала от спутника связи. Сжатие сигналов яркости и цветности во времени при кодировании производится с помощью устройств памяти.

Американская компания CBS (Columbia Brodcasting System) разработала систему на 1050 строк - систему MAC, совместимую с С-МАС. Кроме того, в США разработана система ACTV, предназначенная для работы со стандартом NTSC на 1050 строк, 60 полей в секунду, форматом 16:9.

Все вышеперечисленные методы сжатия сигнала изображения имеют или недостаточное быстродействие (JPEG, MPEG) и невозможность работы в реальном масштабе времени, либо небольшой коэффициент сжатия, точность восстановления и несовместимость с существующими системами (MUSE.MAC).

Цель работы. Исследование и разработка методов и устройств восстановления структуры изображения в системах телевидения с многомерной дискретизацией по группам элементов. Анализ принципов адаптивного многомерного восстановления, исследование характеристик сигналов при обработке сигналов изображения .

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, теории электрических цепей. теории дискретизации, Фурье-преобразования, преобразования Лапласа, машинные методы расчетов при обработке изображения и моделировании процесса восстановления на ЭВМ. а также экспериментальные методы исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Предложен новый метод анализа и расчета спектральных характеристик. позволяющий осуществлять расчет и согласование алгоритма восстановления с характеристиками исходного или восстанавливаемого цифрового сигнала изображения;

- Предложена упрощенная методика расчета спектральных характеристик цифровых сигналов;

- Предложен принцип восстановления . адаптивный к спектральным характеристикам исходного или восстанавливаемого сигнала изображения. .

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Предложен и проведен расчет и анализ спектральных характеристик элементарных многомерных дискретных групп;

- Предложен способ адаптивного восстановления сложнодиск-ретизированных сигналов - как одномерных, так и многомерных;

- Для реализации адаптивного способа восстановления предложено два устройства. Одно получило авторское свидетельство СССР, другое защищено патентом РФ.

Реализация работы. Разработаны практические рекомендации по методам и устройствам адаптивного восстановления ТВ сигнала, которые используются в научно - исследовательских работах по сокращению избыточности и сжатию спектра.

Результаты диссертационной работы легли в основу устройства адаптивного восстановления, кроме того результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры ТВ в виде лабораторной работы.

По данной тематике было запатентовано одно устройства, получено одно' авторское свидетельство на изобретение.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-препо-

давательского состава МТУСИ в 1991-1993 гг.: НТК молодых ученых Алма-Атинского энергетического института (Алма-Ата, 1991 г.). IV НТК молодых ученых, специалистов и студентов "Переда-' ча, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах" (Ростов-на-Дону,1991 г.). Втором Всесоюзном совещании "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов" - ИКАПП - 92 (Барнаул. 1992).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах. Получены одно авторское свидетельство и один патент на изобретение. Часть материалов вошла в отчет по НИР. проводимой кафедрой телевидения МТУСИ в рамках хоздоговорной тематики.

Обьем работы . Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения, приложения, списка литературы , изложенные на 197 страницах. Содержит 137 страниц основного текста, 32 страниц рисунков. 9 страниц литературы, состоящей из 93 наименований и 19 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приводится обзор зарубежных и отечественных ТВ систем уплотнения. Даны оценки достоинств и недостатков данных систем с точки зрения точности восстановления и экономической целесообразности использования той или иной системы, раскрывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, рассматриваются пути решения поставленных задач. Приводятся основные результаты и краткое содержание работы.

В первой главе приведены результаты анализа и оценки влияния на отношение сигнал/помеха многомерной дискретизации в ТВ

системах с апертурной коррекцией ТВ сигнала. Расчеты были проведены при обработке апертуры в вертикальном по растру направлении, т. к. -данное направление позволяет производить расчет без учета динамических искажений апертуры. В результате расчета были получены зависимости отношения сигнал/помеха от частоты дискретизации при различной степени коррекции, что позволило оценить влияние коррекции на качество восстановления.

Качество восстановления в большой степени зависит и от нелинейности фазовых характеристик фильтров. Произведена оценка влияния данного типа искажений. При анализе была использована известная связь между частотной и фазовой характеристиками, позволяющая рассчитать для линейных элементов схемы фазовую по частотным характеристикам.

В результате анализа была доказана зависимость степени "сужения" полосы пропускания фильтра от частоты дискретизации и рекомендованы параметры дискретизации для снижения уровня фазовых искажений и уменьшения их влияния на качество восстановления с учетом их использования в прикладных системах ТВ.

Следующий раздел посвящен важному этапу цифрового тракта ТВ системы - этапу дискретизации. Рассмотрены способы дополнительной дискретизации, их отличительные особенности. Отмечено, что аналитически процесс дополнительной дискретизации можно проводить различными способами: первый заключается в дискретизации уже дискретного сигнала, второй подразумевает дискретизацию по заданному алгоритму дополнительной дискретизации непосредственно самого аналогового сигнала.

Во второй главе рассматриваются аналитические выражения , применяемые для интерполяционного восстановления и анализиру-

ется точность восстановления, обеспечиваемая этими функциями. Показано, что использование полиномов Тейлора предпочтительнее. т.к. не требует при расчете построения заново всего многочлена. достаточно построения только недостающих членов . Тем не менее точность восстановления практически одинакова. Следовательно выбор остаточного члена не влияет на точность восстановления и может выбираться, исходя из удобства анализа.

Следующий раздел посвящен анализу идеализированного восстановления дополнительно дискретизированного сигнала. С помощью анализа восстановления различных вариантов дополнительно дискретизированного сигнала определены наиболее оптимальные варианты с точки зрения уровня помех в той части спектра, которая наиболее подвержена появлению частотных составляющих, создающих муаровые помехи.

Расчету гармонических составляющих дополнительно дискре-тизированных и восстановленных ТВ сигналов посвящен следующий раздел. В нем изложена предложенная методика расчета гармонических составляющих спектра, позволяющая довольно просто рассчитать любые сколь угодно сложные дискретные структуры.

По данной методике были произведены расчеты для различных структур дискретизации гармонических составляющих спектра ТВ сигнала, восстанавливающих фильтров и восстановленного этими фильтрами ТВ сигнала. Расчет отношения сигнал/помеха по полученным графикам позволил оценить качество фильтрации и сделать вывод, что наиболее качественное восстановление будет выполняться при использовании фильтров с характеристиками, близкими к линейной.

Аналитически данные последовательности можно представить

аналогично, как сумму 5 - функций (рис.1). Последовательность (рис.16) имеет вид:

гх (г) = I 5(1 - шт') . (1)

т=~оо

Последовательность (рис.1в) имеет вид:

1г[1) = НИ - шТ' -Т.). (2)

Ш~-с0

Спектр первой последовательности (рис 16) будет равен:

Б, 0») = 2 6(1» - кГ) . (3)

к=-со

Спектр второй последовательности (рис.1в) будет равен:

(т») = 1 5(1» - кГ) ■ехр(-Мд). (4)

к=-ю

где 1Г= 2Я/Т'.

Анализ режективного восстановления, то есть восстановления с исключенными гармоническими составляющими, вносящими наибольший вес в помеховую составляющую, показал . что при экономически целесообразном достаточно простом виде этот метод не позволяет радикально улучшить отношение сигнал/помеха, так как приводит не только к понижению помеховых составляющих, но и влияет на уровень полезного сигнала.

Применяя для анализа дискретных групп предложенную выше методику были получены спектральные характеристики для дискретной структуры с конфигурацией - 2*2 (рис.2). Спектр данной дискретной структуры исследовался с различными значениями отс-

Ч-Ь-

Ч—I-

■ <-Т'-> 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

Рис.1. Принцип разделения последовательности с дополнительной дискретизацией на простейшие с равномерным распределением отсчетов.

а) Исходная последовательность с неравномерной дискретизацией 1*1*0*0 (где "1"- опорный отсчет. "0"-пропущенный отсчет).

б) Последовательность с равномерным распределением отсчетов и периодом Т'=4ТД.

в) Последовательность с равномерным распределением отсчетов и периодом Т'=4ТД. сдвинутая относительно исходной на Тд.

Рис. г

Спектр дискретной группы 2x2:

а1* с равномерными значениями отсчетов,

б^ с неравномерными значениями отсчетов.

четов в группе, что позволило оценить степень его изотропности и сформулировать рекомендации по выбору направлений восстановления при внутригрупповом восстановлении как адаптивном, так и неадаптивном. Из анализа следует , что при восстановлении необходимо выбирать направление восстановления . ортогональное направлению распространения спектра. В противном случае происходит значительное ухудшение сигнал/помеха (в критических случаях до 25-35%). Результаты исследований данного раздела позволили предположить целесообразность адаптации процесса восстановления к характеру спектра сигнала исходного или восстанавливаемого изображения как условия наиболее качественного восстановления, так как только в этом случае возможно восстановление высокочастотных составляющих с уровнем искажений. на 25-35% ниже, чем при неадаптивных методах восстановления.

В третьей главе диссертации рассмотрены сравнительный анализ и непосредственно технология сжатия видеоинформации МРЕС-2. Рассмотрен способ и устройства, позволяющие с учетом предложенных в предыдущих главах рекомендаций практически реализовать алгоритм восстановления. Основное преимущество данного способа заключается в ориентации при восстановлении на результаты анализа спектра структуры исходного изображения, как наиболее объективного параметра, позволяющего обеспечить восстановление с требуемым качеством. Описанные в данной главе устройства реализуют предложенный выше алгоритм восстановления. Одно устройство защищено патентом Российской Федерации . На другое устройство было получено авторское свидетельство СССР.

В четвертой главе описаны результаты экспериментов, подт-

верждающих теоретические результаты диссертационной работы . Приведены структурные и функциональные схемы экспериментальной установки. Алгоритм восстановления и восстанавливаемая структура. реализованные в эксперименте, аналогичны описанным во второй и третьей главах.

Результаты эксперимента показали удовлетворительное качество восстановления фрагментов изображения в направлении минимального изменения сигнала (ортогонально распространению спектра) и возникновение искажений при восстановлении участков изображений в направлении, отличном от ортогонального к направлению распространения спектра. Кроме того, большое влияние на качество восстановления оказывают правильно выбранные параметры дискретизации.

Для подтверждения результатов теоретических исследований было проведено моделирование восстановления на ЭВМ. Результаты моделирования восстановления изображения совпали с теоретическими и экспериментальными.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенной работы.

Отмечается, что проблема сокращения избыточности, сжатия спектра на передающей стороне ТВ системы и восстановления с требуемым качеством на приемной стороне одна из основных в цифровом телевидении. Особенно актуально эта проблема встала перед разработчиками новых цифровых ТВ систем в настоящее время, когда повсеместное распространение получило телевидение с повышенным разрешением.

Проведенные исследования адаптивного и неадаптивного восстановления сигнала изображения, дискретизированного

по группам элементов , анализ искажений, сопровождающих процессы преобразования, дискретизации и восстановления сигнала и анализ спектральных характеристик позволили автору разработать принципы алгоритма адаптивного восстановления такого сигнала и устройства, выполняющие данный алгоритм. Предложенные методы и устройства позволяют создавать ТВ системы адаптивного восстановления сигнала, дискретизированного по группам элементов.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Предложена новая методика анализа и оценки влияния на качество восстановления отношения сигнал/помеха при апертурной коррекции в ТВ системах с многомерной дискретизацией по группам элементов.

2. Определены условия и параметры дискретизации для уменьшения фазовых искажений при восстановлении в прикладных ТВ системах.

3. Разработан метод анализа и расчета спектральных характеристик. позволяющий осуществлять расчет и согласование алгоритма восстановления с характеристиками исходного или восстанавливаемого цифрового сигнала изображения.

4. Предложен и проведен расчет и анализ спектральных характеристик элементарных многомерных дискретных групп.

5. Получены сравнительные характеристики для различных вариантов восстановления с помощью различных полиномов - Лаг-ранжа. Тейлора. Ньютона и др.

6. Предложен принцип восстановления , адаптивный к спектральным характеристикам исходного или восстанавливаемого сигнала изображения.

г б'

7. Предложена упрощенная методика расчета спектральных характеристик цифровых сигналов.

8. Предложен способ адаптивного восстановления сложно-дискретизированных сигналов - как одномерных, так и многомерных.

9. Для реализации адаптивного способа восстановления предложено два устройства, одно устройство защищено патентом Российской Федерации , на другое устройство было получено авторское свидетельство СССР.

10. Разработаны практические рекомендации по методам и устройствам адаптивного восстановления ТВ сигнала, которые используются в научно - цсследовательских работах по сокращению избыточности и сжатию спектра.

Результаты диссертационной работы легли в основу экспериментальной установки устройства адаптивного восстановления, кроме того результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры ТВ в виде лабораторной работы.

11. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1991-1993 гг.; НТК молодых ученых" Алма-Атинского энергетического института (Алма-Ата. 1991 г.), IV НТК молодых ученых, специалистов и студентов "Передача, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах" (Ростов-на-Дону,1991 г.). Втором Всесоюзном совещании "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов" - ИКАПП - 92 (Барнаул, 1992).

Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работах.

Часть материалов вошла в отчет по НИР, проводимой кафедрой телевидения МТУСИ в рамках хоздоговорной тематики.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Плешивцев В. А., Кулагин П.А. Анализ методов неравномерной дискретизации видеосигнала в телевидении.//Техника кино и телевидения. -1992. -И 7.-с.57-59.

2. Патент РФ N 2009620 на изобретение "Устройство адаптивного восстановления телевизионного сигнала".Заявка N 4954595 от 24.05.93 Заявитель: МТУСИ. Патентообладатель: В. А. Плешивцев.

3. Плешивцев В.А.. Кулагин П.А., Нгуен Т.Б. Анализ методов восстановления цифрового видеосигнала при неравномерной дискретизации.//Техника кино и телевидения. -1993. -И 3.-С. 36-39.

4. Плешивцев В. А. Реставрация телевизионного изображения при неравномерной дискретизации.//В сб. :БУ Депонированные рукописи .-М.: 1991.-7с.-Деп.в ЦНТИ "Информ-связь".—N 11.

5. Плешивцев В.А. Анализ причин возникновения и методы коррекции искажений видеосигнала в телевидении. // Материалы научной конференции молодых ученых Алма-Атинского энергетического института: Алма-Ата. 1990.-5с.-Деп. в КазНИИНТИ 12.01.91. N 18-76-Ка91.

6. Плешивцев В.А. Сокращение избыточности телевизионного сигнала изображения методом неравномерной дискретизации. //Всес.НТК: Измерение и контроль при автоматизации

производственных процессов.Тез.докл. -Барна-

ул. 1992.-Ч. 2- -С. 98-101.

7. Плешивцев В.А.. Камалягин А.А. Программно-управляемое устройство для формирования цифро-знаковой информации на экране видеоконтрольного устройства малокадровой телевизионной системы.//Материалы научной конференции молодых ученых Алма-Атинского энергетического института: Алма-Ата. 1990.-Деп. в КазНИИНТИ 12.01.91. N25-45--Ка91.

8. A.C. 1742897 (СССР).Устройство для обработки изображения в растровом электронном микроскопе/В. А. Плешивцев и др.-Регистр.22 февр. 1992г.

9. Плешивцев В.А.. Кулагин П. А. Исследование'оптимальных методов сокращения избыточности телевизионного сигнала при неравномерной дискретизации.//Всес. НТК Передача, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах.Тез.докл.-Ростов-на-Дону.1991.-с.37.

10. К выбору параметров дискретизации телевизионного сигнала. //В. Н. Безруков. В. А. Плешивцев. Н. Т. Бинь. Техника кино и телевидения.- 1993г.-N 8. - с.43 - 48.

11. Плешивцев В.А., Нгуен Т.Б. Виды искажений видеосигнала в телевидении и их коррекция. //Техника кино и телевидения.-1993 г. -N 8-с.47-49.