автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование методов и разработка устройств адаптивной дискретизации сигнала изображения в телевизионных системах уплотнения

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Нгуен Тхань Бинь

УДК 621.397.2

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ АДАПТИВНОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМАХ УПЛОТНЕНИЯ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

/

/

7.x

Работа выполнена на кафедре телевидения Московского технического университета связи и информатики.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент В.Н. Безруков

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор A.C. Селиванов -кандидат физико-математических наук Л.Е. Чирков

Ведущая организация - Всероссийский научно - исследовательский институт телевидения и радиовещания.

Защита диссертации состоится "У£" О 1994г. в_/Д_часов на заседании специализированного совета К 118.06.03 Московского технического университета связи и информатики по адресу: 105855, гсп, Москва, ул.Авиамоторная, 8а, МТУСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"_1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 118.06.03 кандидат технических наук, доцент

О.В. Матвеева

Актуальность темы. Актуальность диссертационной работы обусловлена следующим:

в связи с перспективами внедрения систем телевидения с высоким разрешением (ТВЧ), для которых характерна широкая полоса частот соответствующего сигнала изображения, препятствующая передаче указанного сигнала по стандартным каналам связи вещательного телевидения, и систем многопрограммного телевидения, обеспечивающих в таком канале связи передачу четырех и более программ телевидения, в настоящее время увеличилась интенсивность исследования вопросов уплотнения спектра телевизионного (ТВ) сигнала.

- необходимо уделить особое внимание разработке методов уплотнения, отличающихся низким объемом промежуточных вычислений, что упрощает реализацию и увеличивает экономический эффект от внедрения разработанной аппаратуры уплотнения. Добиться максимального увеличения степени сокращения спектра ТВ сигнала возможно только на основе перехода к адаптивной дискретизации (АД) ТВ изображения, согласованной с текущими изменениями структуры последнего. Однако в настоящее время в специальной литературе уделяется недостаточно внимание рассмотрению методов сжатия спектра с применением АД. Поэтому решение этой задачи является важным научным результатом данной диссертационной работы.

Цель работы. Целью работы является исследование характеристик спектров различных структур дискретизации и разработка методов и устройств адаптивной дискретизации сигнала изображения в ТВ системах уплотнения.

Методы исследования. В работе использованы методы математического анализа, теории дискретизации, Фурье-преобразования, моделирования на ЭВМ, а также экспериментальные методы исследования.

Научная новизна работы состоит в том, что излагаемые в работе теоретические и технические результаты включают:

- разработку алгоритма расчета пространственного спектра действующей апертуры с использованием аппроксимации последней суммой прямоугольных функции; результаты анализа соот-

3« А

ношения сигнал-помеха дискретизации в вертикальном по растру направлении, конкретизировавшие число строк растра, которое является граничным для участка относительно резкого увеличения соотношения сигнал-помеха дискретизации (число строк » 800).

- принципы анализа сквозных характеристик преобразователя свет-сигнал (сигнал-свет) в горизонтальном по растру направлении и последующего выбора частоты дискретизации с учетом влияния фазо-частотной характеристики фильтра, ограничивающего полосу частот дискретизируемого (в пределах строк) ТВ сигнала.

- результаты расчета характеристики спектра структур дискретизации (ортогонального и неортогонального типов), отражающие возникновение интенсивных мешающих выбросов в структуре указанных характеристик в фиксированных направлениях по пространству дискретизации, и мощности соответствующих таким структурам помех дискретизации.

- метод формирования структур дискретизации по группам элементов, обеспечивающий изотропность результирующих характеристик спектра последних и оценки соответствующих отклонений формы спектра от изотропного вида.

- принципы адаптации структур дискретизации (периодических и по группам элементов), согласованные с изменениями сигнала изображения по направлениям информационного пространства.

- новый способ и устройство сжатия спектра ТВ сигнала с применением АД, результаты экспериментальных исследований.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что

- разработаны простые методы анализа, использование которых позволяет осуществить обоснованный выбор характеристики дискретизации в системах уплотнения с применением АД, и соответственно обеспечивает получение относительно высокой степени сжатия спектра.

- предложен новый способ сжатия спектра ТВ сигнала с применением АД и разработано устройство для его реализации, экспериментальная проверка которого на ЭВМ показала возможность достижения (при относительно небольшом объеме вычислений) достаточно высокого коэффициента сжатия спектра (до 35 раз) и низкой плотности и интенсивности сигнала сопутствующих искажений.

Реализация работы.

Полученные результаты исследования позволили разработать новые методы сжатия ТВ сигналов с применением АД.

Результаты работы намечены к внедрению при разработке ТВ системы многопрограммной передачи в канале связи, проводимой по программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсо-сберегающих технологий".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУ СИ в 1993 и 1994 г. г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в четырех статьях, трех докладах на научных конференциях МТУСИ и в отчете по программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсо-сберегающих технологий".

Личпьш вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общий объем работы - 205 страниц, в том числе 70 рисунков. Объем приложений - 26 страниц. Библиография содержит 61 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа характеристик ТВ системы и рекомендации по выбору первичной частоты дискретизации в различных направлениях дискретизации;

2. Разработанные общие принципы и результаты анализа характеристик спектра структур дискретизации сигнала изображения с учетом реальных ограничений протяженности многомерной структуры дискретизации, специфики распределения, вариаций периода следования, формы отсчетов и формы групп отсчетов;

3. Методика согласования спектральных характеристик многомерных структур дискретизации и спектра сигнала изображения;

4. Разработанные способы и устройства сжатия ТВ сигнала с применением АД.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, приведены новые научные результаты, полученные в работе, и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена исследованию характеристик многомерной дискретизации видеоинформации в системах телевидения. Результаты анализа дают основания для более точного выбора частоты первичной дискретизации по всем направлениям дискретизации.

Показано, что протяженность спектра телевизионного сигнала в вертикальном по растру направлении, а следовательно, и частота строк может быть правильно определена только на основе анализа параметров формы апертуры элоктронно-лучевого преобразователя (ЭЛП) в динамике. Характеристика пространственного спектра действующей апертуры, с учетом эффекта "пульсации-адаптации" электронного луча, может быть проанализирована, за счет аппроксимации формы действующей апертуры суммой прямоугольных функций. Результаты расчета показывают, что апертура имеет анизотропный характер спектра, вследствие чего ухудшается отношение сигнал/помеха (С/П) на выходе ЭЛП, и в системах вещательного ТВ с малым числом строк разложения (до 625) всегда присутствует помеха "муарового" типа.

Выбор частоты дискретизации в горизонтальном по растру направлении обычно проводится па основе рекомендаций МККР. Рекомендованная МККР частота дискретизации fÄ-13.5 мГц, примерно, в два раза выше верхней граничной частоты спектра телевизионного сигнала (системы PAL, SECAM). Эта величина частоты дискретизации удовлетворяет критерию Найквиста, но для неискаженного восстановления сигнала в этом случае необходимо использовать восстанавливающий фильтр с крутым спадом частотной характеристики. Реализация фильтра с крутым спадом частотной характеристики приводит к высокой нелинейности его фазо-частотной характеристики (ФЧХ). Влияние последнего фактора обычно проявляется уменьшениями четкости результирующего изображения. Соответственно можно говорить о возникновении сопутствующего эффекта "сужения" полосы пропускания восста-

навливающего фильтра или сокращения полосы частот выходного сигнала изображения.

Проведенный анализ характеристик различных фильтров с учетом указанного эффекта "сужения" полосы пропускания показал, что оптимальное соотношение частоты дискретизации и граничной частоты видеосигнала находится в районе Рд=3.166. Следовательно, частота дискретизации, при которой влиянием нелинейности ФЧХ восстанавливающих фильтров можно пренебрегать, для видеосигнала с верхней частотой ij, = б мГц составляет =19 мГц. Данная частота может быть рекомендована для использования в системах прикладного телевидения.

Выбор частоты дискретизации во временной области проводится на основе анализа сквозной временно-частотной характеристики (ВЧХ) телевизионной системы. Определяющими для ВЧХ таких систем являются инерционности преобразователи "свет-сигнал" (ПСС) и "сигнал-свет" на передающей и приемной сторонах ТВ системы. В свою очередь, инерционность ПСС связана с принципом накопления и с свойством неполного считывания накапливаемых зарядов с поверхности мишени. Инерционность преобразования "сигнал-свет" на приемной стороне определяется послесвечением люминофора. Из расчетных ВЧХ и графика зависимости отношения мощностей С/П от частоты дискретизации следует, что оптимальная частота дискретизация во временной области (частота кадров) составляет 50 Гц.

Вторая глава посвящена анализу и выбору параметров систем сжатия с применением адаптивной квазипериодической дискретизации ТВ сигнала группами отсчетов в объеме информационного пространства. Для этого в данной главе были проведены исследования характеристики пространственного спектра различных структур квазипериодической дискретизации сигнала изображения.

Выражение для расчета пространственного спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации было получено в виде произведения двух функций ядер Дирихле:

. 2к + 1 . 2п + 1

sin—5—ш,Х1 sin—5—шуУ1

D0(m„cO=-----*-:— =

sin—g— sin —

= 4T:*Dk((oxxI)Dn(<Dyy1) (1)

В этом выражении Х],У1 - фиксированные периоды дискретизации исходного сигнала в пространстве, 2к +1 и 2п +1 - числа отсчетов структуры дискретизации по горизонтали и вертикали.

Выражение для пространственного спектра квазипериодической структуры дискретизации шахматного вида Ош(гах,ооу) было получено путем соответствующего преобразования ортогональных структур дискретизации:

Ош(шж,шу) = Ц,(а>х,соу) + Ц^со,, гоу)Ож(гох,юу) (2) Ов(со„шт)- спектр исходной структуры (рис. 1.а), Д."^®0».®/)* спектр опорной структуры (рис1.б), Ц,(юх,а>у) - - спектр ячейки дискретизации (рис.1.в).

X 1 1 X '

2у х.

0 У к У У,

4 в) »)

Рис.1а - фрагмент исходной структуры дискретизации; б - фрагмент опорной структуры; в - ячейка дискретизации.

Выполненные на ЭВМ расчеты различных сечений пространственного спектра структур дискретизации ортогонального и шахматного видов с использованием (1) и (2) позволили выявить зоны повышения дискретизационных помех (ПДП) в пространстве дискретизации. В ортогональной структуре дискретизации такая зона проходит приблизительно вдоль линий • под углом а и ±53° к оси абсцисс, где, в отличии от спехтра идеализированной структуры дискретизации, обнаруживаются дополнительные однополярные лепестки, причем наибольшие из них располагаются относительно близко друг от друга (М » 6 мГц). Последнее показано на рис.2.

Зоны ЦДЛ в пространственной квазипериодической структуре дискретизации шахматного вида распространяются приблизительно вдоль горизонтальной и вертикальной линий (под углом 8° и —98° к оси абсцисс).

х

\ р

1

к- К

,1 г (мГц)

0.0 ^' у * 40 60 80

д1 д2

Рис.2. Сечение сгектра структур квази-периодической дискретизации ортогонального типа плоскостью, проходящей через линию ^ = ^ / р.

Можно сделать вывод, что поворот в пространственной области структуры квазипериодической дискретизации ведет к соответствующему повороту и зоны ПДП. Следовательно, в ТВ системах существует возможность адаптивного совмещения такой зоны с заданной областью пространства при воспроизведении изображений. Отсюда следует, что характеристики ортогональной структуры дискретизации согласованы со спецификой формы средне-статического пространственного спектра реального изображения, имеющего, как известно, ромбический вид.

Выбор структуры дискретизации не всегда однозначно определяется усредненной спектральной интенсивностью реальных изображений. Во многих случаях необходимо принимать решение с учетом динамических характеристик изображения, т.е. использовать адаптацию структуры дискретизации к локальным участкам телевизионного изображения, которая дает возможность резко сократить избыточность в передаваемом сигнале. Показано, что применение групп отсчетов дискретизации с изотропными характери-

стиками спектра позволяет, на основе использования относительно простых методов восстановления, сжимать спектр изображения минимум в 6 раз (только в пространственной области). Структура передаваемых групп отсчетов формируются как сочетания ортогональной и шахматной структур расположения отсчетов. При этом обеспечивается изотропность результирующей характеристики спектра.

Степень изотропности спектра оценивается по круговой диаграмме распределения помехи дискретизации в пространстве. Мощность помехи Рп(сох,©у) для каждого направления рассчитывается (с помощью соответствующего сечения пространственного спектра структуры дискретизации) как сумма площадей побочных спектров, попадающих в полосу пропускания восстанавливающего фильтра и Ыр2 (рис. 3), т.е.

Рп(©х,юу )=5Ж<а>ж ,со„)Ф(со,,(оу)П1 ,

1

К((юх,соу)- амплитуда ! -й побочной (мешающей) гармоники в преобразованном, в соответствии со структурой дискретизации, спектре воздействия;

Ф(юх,ооу)- весовая функция, учитывающая анизотропность пространственной частотной характеристики зрительной системы .

П, - ширина участка побочного спектра (¡-й гармоники), попадающего в полосу пропускания восстанавливавшего фильтра. i I ФНЧ

Рис.3. К расчету мощности помехи дискретизации.

Для простейших вариантов расположения отсчетов дискретизации, показанных на рис.4.а и б, при различных значениях П (п = X] / У1) были построены круговые диаграммы распределения помех дискретизации.

Рис. 4. Простейшие варианты расположения отсчетов в передаваемой группе.

Анализ полученных диаграмм показывает, что спектры структур дискретизации рис. 4а при п=0.9 и рис.4б при п=0.67 имеют изотропный характер, следовательно, можно использовать их в качестве базовых структур в системах АД. Для улучшения качества восстанавливаемого изображения желательно вместо каждого отсчета базовой структуры передавать группу из нескольких отсчетов. При этом для сохранения коэффициента сжатия можно увеличивать размеры самой группы (хя и у„), но не менять значение П (в таком случае появляется возможность применения различных алгоритмов адаптивного восстановления).

Показано, что дальнейшее развитие метода АД должно привести к учету мгновенных изменений на ка>вдом локальном участке изображения и использованию соответствующих структур дискретизации для их передачи. Спектр таких структур имеет анизотропную форму; их применение позволяет узеличить коэффициент сжатия в 1.5 раз. Сложность реализации таких методов заключается в необходимости использования адаптивного восстановления на приемной стороне.

В этой главе также были рассмотрены возможности совместного применения методов сжатия во временной и в пространственной области. Показано, что применение комбинации дзух методов сжатия обеспечивает возможность стабилизации потока передаваемых сообщении и одновременно позволяет осуществить декорреляцию границ фрагмента после восстановления. При этом коэффициент сжатия возрастает в пять и более раз по сравнению со случаем сжатия только по пространству.

Третья глава посвящена разработке эффективных методов и устройств адаптивной дискретизации сигнала изображения в ТВ системах уплотнения.

На основе проведенных теоретических исследований был разработан метод сжатия с применением АД. Сущность метода заключается в правильном выборе месторасположения матриц (групп) передаваемых отсчетов (МПО) с тем, чтобы использовать наименьшее стабильное число отсчетов (на ТВ кадр) для получения на приемной стороне восстановленного изображения с приемлемым качеством. При этом обеспечивается возможность регулировки (автоматически или "вручную") соотношения качество-коэффициент сжатая. Последнее обстоятельство служит для стабилизации по .-ока гп формаций с выхода кодера.

Определение месторасположения передаваемых матриц отсчетов осуществляется с помощью двух дискретных двумерных фильтров с высокочастотными импульсными откликами. Одним из вариантов реализации таких фильтров является последовательное скользящее суммирование отсчетов в пределах матрицы МхЫ элементов по строкам и в последовательности строк. Импульсная характеристика фильтра при этом описываются выражением:

еф^шхо.пуо) = х - ШХоЖу - пу0)

п.--А п=-В

Показано, что оптимальный размер матрицы суммирования для первичного фильтра является 7x7, а рекомендуемая структура маски суммирования для второго фильтра показана на рис.5.

"О -1 о"

-1 4 -1 .0 -1 0.

Рис.5 Структура маски суммирования.

Выбор структуры дискретизации в передаваемых группах отсчетов сделан на основе изучения статистических характеристик изображения и с учетом рекомендаций, полученных в предыдущей главе. Структура передаваемых групп отсчетов (матриц) показана на рис.6.

Рис.б.Структура передаваемой матрицы отсчетов.

Данный метод сжатия предполагает передавать дополнительную сетку отсчетов, состоящую из фиксированных (в координатной плоскости) узловых элементов и особых точек на границах ячеек сетки. При этом обеспечивается:

- сокращение длины адресов передаваемых матриц за счет связи их с координатами узловых элементов.

- восстановление фонового изображения (при отсутствии мелких деталей,,а, следовательно, и передаваемых матриц отсчетов).

- точное восстановление прямых линий, дающих пересечения с координатной сеткой.

Проведенная теоретическая оценка эффективности предлагаемого метода сжатия спектра ТВ изображения показывает хорошие результаты восстановления исходного изображения. Ожидаемый коэффициент сжатия для данного метода сжатия составляет не менее 21 раз.

На основе предлагаемого выше метода сжатия было разработано устройство сжатия (на передающей стороне) и устройство восстановления (на приемной стороне) ТВ сигнала. При восстановлении отсчетов используется метод линейной интерполяции.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования разработанных методов и устройств сжатия спектра ТВ изображения (в виде фотографий). Здесь, в частности, приведены результаты всех этапов обработки ТВ изображения в устройствах сжатия и восстановления, полученные в результате моделирования на ЭВМ. Программа обработки вводимого со сканера изображения написана на языке Си++.

Оценка изменения качества' ТВ изображения проводится методом субъективно-статических экспертиз. В качестве испытатель-

ных изображений выбраны наиболее часто встречающиеся в практике телевидения: изображения человеческого лица, пейзажи.

Результат моделирования на ЭВМ показывает, что, даже с применением относительно простых средств восстановления, удается сократить объем информации ТВ фрагмента (320 х 200 эл.) в 35 раз без существенного ухудшения качества. Проведенное сравнение с методом сжатия на осносе применения преобразования JPEG показывает, что при одинаковом коэффициенте сжатия (23 раза) качество восстановленного изображения полученное в предлагаемом методе было существенно лучшим.

Предложенный метод намечен к внедрению при разработке ТВ системы многопрограммной передачи в канале связи, проводимо!" по "îiorraKive фу.;,г?мс»'т?.л*чы* и прикладных исследований ьузо» V-G'.v•:.'•. Ф .-дорйции 'Фундаментальные аспекты

новы;, инфар^ацкоьнкх и ресурсо сберегающих технологий"'.

В ходе экспериментального исследования бил реализован блок интерполятора, позволяющий восстанавливать пропущенные отсчеты ТВ сигнала. Данный блок является составной частью предложенного устройства восстановления. В данной главе приведены также результаты восстановления ТВ изображения с использованием указанного блока.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

Î- Реализованы ;; получены результаты сквозного анализа ха-¡.&î :ei.rfcn;.. il системы и рекомендации по выбору первичной частоты дискретизации в различных направлениях дискретизации;

2- Проведен анализ характеристики пространственного спектра различных структур дискретизации (ортогонального и неортогонального типов), результаты анализа были использованы при синтезе сложных структур дискретизации с нообходимой характеристикой спектра.

3- Сформулированы принципы адаптации структур дискретизации (периодических и по группам элементов), согласованные с изменениями сигнала изображения по направлениям информационного пространства.

4- Предложен метод формирования структур дискретизации пс группам элементов, обеспечивающий изотропность результирующих характеристик спектра последних.

5- Разработан метод оценки степени отклонения формы спектра от изотропного вида. На основе предложенного метода были рассчитаны и предложены конкретные структуры дискретизации, имеющие изотропную характеристику спектра, для использования в системах сжатия с АД.

5- Разработай способ и устройство сжатия спектра ТВ сигнала г применением ад&птивной дискретизации.

7- Пррдстьвленл результаты экспериментальных исследований разработанного способа сжатия. Показана возможность достижение (при относительно небольшом сбъсме вычислений) достаточно высокого коэффициента сжатия спектра (20 -г 30 раз) н чиской плотности и интенсивности сигнала сопутствующих искажении.

Ш ШШХАЩШ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Безрукое В.Н.,Нгуен Тхань Бин\ Плещивцев H.A. О выборе гзрпметров дискретизации телевизионного сигнала //Техника кчпо и телевидения. №4, -1994 г., с. 33 - 35.

2. Нгуен Тхань Бинь, Плещивцев В.А., Кулагин П.А. Анализ моторов восстановления цифрового видеосигнала яря неравноиер-Ho;'i дискретизацки.//Техника кино и телевидения. №3, -1993 г., с. 4(>49.

3. Нгуси Тхань Плещивцев В.А. Виды искажений видео-стал? з телевидении и их коррекция. Л°3, -1993 г., с. 47-48.

4. Нгуен Тхань Бинь. Особенности анализа функции передачи модуляции электронно-лучевого преобразователя "евзт-еигнал". //Техника кино и телевидения. №10, -1994 г., с. 17- 49.

5. Нгуен Тхань Бинь. Анализ адаптивных методов дискрэткга-:-i телевизионного сигнал?// Тез.докл., НТК профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава МТУ СИ, -Москва, 1993г.

6. Нгуен Тхтнь Бинь. Характеристика спектра действующей апертуры в электронно-лучевых преобразователе "свет-сигнал" и выбор структуры дискретизацки ТВ изображений//Тез.докл., НТК профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава МТУ СИ, - Москва, 1994г.

7. Нгуен Тхань Бинь, Салтыков К.Е. К вопросу выбора параметров дискретизации телевизионного сигнала //Тез.докл., НТК профессорско-преподавательского и инженерно-технического состава МТУСИ, - Москва, 1994г.

8. Нгуен Тхань Бинь. Раздел отчета по программе фундаментальных и прикладных исследований вузов связи Российской Федерации "Фундаментальные аспекты новых информационных и ре-сурсо-сберегающих технологий", НИЧ МТУСИ, 1994г.