автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование методов и разработка устройств электронной стабилизации телевизионных динамических изображений

г-* -и v *Ъанкт-петербургскии государственный „ электротехнический университет

- в акв 1Я9Ь имени в. и. ульянова (ленина)_

На правах рукописи

БЕРЕЗИН Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ

ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальность 05.12.17 — РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

санкт-петербург 1В95

{

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном электротехническом университете имени В. И. Ульянова (Ленина).

Научный руководитель — заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук профессор Быков Р. Е.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Грязин Г. Н. кандидат технических наук доцент Михайлов В. А.

Ведущее предприятие — Научно-исследовательский институт те-леьидения.

на заседании диссертационного совета Д 063.36.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита состоится «

// с^^^С

1995 г. в

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

ЕГОРОВА С. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение широкого круга задач в различных областях науки, техники, производства, быта требует исследования методов и систем обработки изображений с целью повышения их визуального качества." Особое значение анализ и разработка этих методов приобретают в виду широкого диапазона условий эксплуатации реальных телевизионных систем.

Одним из внешних факторов, снижающих качество формируемого телевизионного изображения, является ""вибрация, дрожание телевизионной камеры, особенно при съемках в нестационарных условиях. Изменение условий эксплуатации системы не всегда возможно, что послужило причиной развития исследований по стабилизации изображений - разработке методов компенсации движения изображения, вызванного неконтролируемым смещением камеры. В большинстве опубликованных работ решалась задача стабилизации оптического изображения. Однако, в ряде случаев, параметры оптико-механических систем являются неудовлетворительными.

В телевизионной системе возможна реализация электронных методов стабилизации изображения, отличающихся от оптических отсутствием сложных и прецизионных оптико-механических узлов, что является актуальным для ряда прикладных и вещательных приложений. Например, появление легких и компактных видеокамер на матричных приборах с зарядовой связью поставило задачу компенсации случайного смещения поля зрения, вызванного непроизвольным дрожанием руки оператора. В прикладном телевидении электронные методы стабилизации могут найти применение в системах картографирования и экологического мониторинга, например, при телевизионной съемке с вертолета, когда на качество формируемого изображения оказывает влияние вибрация платформы с камерой.

Изложенное свидетельствует об актуальности-темы диссертационной работы, посвященной исследованию методов и разработке устройств электронной стабилизации телевизионных изображений.

Цель работы. Основной целью работы является исследование методов электронной стабилизации для повышения качества телевизионного изображения, формируемого в условиях вибрации, а также разработка устройств, реализующих алгоритмы электронной стабилизации в реальном времени.

- г -

Задачи, исследования.

1. Построение модели движения телевизионного изображения как функции перемещения платформы с камерой и анализ на основе этой модели процессов электронной стабилизации. Оценка методических ошибок компенсации движения изображения, вызванных различными составляющими скорости движения платформы с камерой.

2. Разработка и исследование методов и алгоритмов компенсации смещения телевизионного изображения в реальном времени. Машинное моделирование предложенных методов компенсации.

3. Исследование вопросов снижения требуемой производительности видеопроцессора, предназначенного для расчета межкадрового смещения изображения. Анализ методов и разработка быстродействующих алгоритмов определения смещения изображения в реальном времени, программная реализация предложенных алгоритмов.

4. Исследование вопросов визуального восприятия нестабили-зированного изображения, разработка технических требований к системам стабилизации с учетом зрительного восприятия.

5. -Аппаратная и программная реализация и экспериментальное исследование разработанных методов и устройств стабилизации телевизионных изображений.

Методы исследования. Для решения указанных задач в диссертационной работе использовались методы математического анализа, матричной алгебры, методы статистического анализа и обработки изображений, методы оптимизации радиоэлектронных устройств, методы программирования на алгоритмических языках. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном макете системы стабилизации, разработанном и изготовленном в рамках исследований, а также на ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ с использованием методов моделирования на ЭВМ.

Новые научнъю результаты. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Проведен структурный анализ видов движения в телевизионном изображении, позволяющий определить основные характеристики движения применительно к задаче электронной стабилизации изображения.

.2. Разработана математическая модель преобразования перемещения платформы с камерой в соответствующее межкадровое смещение цифрового телевизионного изображения, позволяющая теоретически

определить методические ошибки различных методов компенсации движения.

3. Предложены методы электронной компенсации пространственно-инвариантных составляющих движения изображения в реальном времени на основе обработки цифрового телевизионного изображения в кадровом запоминающем устройстве.

4. Исследованы методы минимизации вычислительной сложности видеопроцессора при расчете смещения изображения в реальном времени. Получены аналитические соотношения, определяющие требуемую производительность видеопроцессора в зависимости от размера зоны анализа и максимального межкадрового смещения.

5. Предложен алгоритм быстрого поиска экстремума двухмерной корреляционной функции на ограниченной целочисленной решетке, имеющий по сравнению с известными алгоритмами наилучшие показатели по скорости сходимости.

6. В результате проведенных экспериментов по оценке зрительной работоспособности получены количественные показатели пороговых значений параметров вибрации изображения с позиций получателя. информации.

Практическая ценность.

1. На основе предложенной структурной модели видов движений в телевизионном изображении возможно создание интеллектуальных определителей смещения изображения, предназначенных для систем электронной стабилизации.

2. Предложенные методы электронной компенсации смещения изображения позволяют разрабатывать устройства стабилизации и оценивать на этапе проектирования аппаратные затраты.

3. Разработанные режимы формирования сигнала смещения изображения позволяют практически требуемый режим формирования сигнала в зависимости от характеристик датчика смещения изображения.

4. Результаты анализа,' описывающего методические ошибки компенсации,' могут быть использованы для оценки предельных значений параметров движения камеры, при которых максимальная погрешность компенсации не превысит одного элемента изображения.

5. Приведенный анализ алгоритмов определения смещения'изображения в реальном времени доведен до удобных для инженерных расчетов аналитических выражений и графиков. Он может ирпользо-

ваться разработчиками для программной или аппаратной реализации алгоритмов определения смещения.

6. Проведенные эксперименты по визуальному восприятию нес-табилизированного изображения позволяют оценить снижение зрительной работоспособности при наблюдении и обосновать технические требования к системам стабилизации изображения с учетом особенностей зрительного анализатора.

Внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты были использованы при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой "Телевидение и видеотехника" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) в период 1991-1994 гг.: "Разработка и исследование блока обработки видеоинформации с матричного ФППЗ"-Т-88; "Разработка систем оптического мониторинга чрезвычайных ситуаций" Б12,* "Разработка и исследование методов и алгоритмов управления твердотельными преобразователями для повышения качества цветного изображения" Г/Б-2 Т-6; "Теория и .алгоритмы обработки цветовой видеоинформации в многосигнальных твердотельных преобразователях изображений" ГБ-2/ГР/Т-7; "Разработка и исследование малогабаритной цветной телевизионной камеры на многосигнальном матричном ПЗС" Т-113.

Макет системы электронной стабилизации изображения экспонировался на отчетной выставке-семинаре "Радиоэлектронные системы прогнозирования и контроля чрезвычайных ситуаций". Санкт-Петербург, СПб ТЭТУ, 1993 г.

Результаты диссертационной работы внедрены в ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова", НИИ РЭС ПЧС, г. Санкт-Петербург.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й конференции с международным участием "Приборы с зарядовой связью и системы на их основе ПЗС-92", Россия, г.Геленджик, 1992 г.; 9-й научно-технической' конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, 1992 г.; 48-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, С.-Петербург, 1993 г.; международной конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" Россия, Курск, 1993 г.; 49-й научно-технической конференции, посвященной Дню радио, 1994 г.; научно-практической конфе-

ренции "Критерии экологической безопасности", С.-Петербург. 1994 •г.; а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) 1992-1994 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований, двух приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста. Работа содержит 5 таблиц, 28 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности и практической значимости рассматриваемой задачи - электронной стабилизации изображения. Сформулированы задачи исследования, кратко описано содержание глав диссертационной работы.

В первой главе содержится обзор теоретических и прикладных работ, посвященных проблемам стабилизации изображений.

Отмечается, что для стабилизации изображения необходимо решить следующие основные задачи:

- компенсация взаимного движения фотоэлектрического преобразователя и оптического изображения;

- оценка параметров такого движения для получения компенсирующего воздействия.

Методы решения задачи компенсации могут быть оптико-механическими и электронными. Для электронных методов компенсация состоит в сочетании внутрикадровой и межкадровой обработке формируемого сигнала изображения. Назначение внутрикадровой обработки заключается в минимизации скоростного смаза и повышению четкости на этапе формирования электронного изображения. Снижение четкости изображения при длительности кадра Тк, ■ вызванное скоростным смазом, для случая прямолинейного движения с постоянными составляющими скорости Ух и Уу описано двухмерным фильтром Н(о^,Шу) пространственных частот с характеристикой 1

Н(шх,шу) = г

jffix Vx t > jCOy Vy t

at

TH e

Jdi^V^WyVy) (TK+TH /2)

sinnWxVjj+uv'VyJTH/S]

(ш1(У1[+а)уУу)Тн/2

2TK

Первый множитель описывает снижение чувствительности преобразователя за счет уменьшения времени накопления, а также линейный фазовый сдвиг, вызванный движением. Второй множитель характеризует спад верхних пространственных частот, описываемый двухмерной функцией вида sin(x)/x. Соответствующий выбор Тн позволяет добиться допустимого спада Н(их,(%) в диапазоне верно передаваемых частот Шх, My. Назначение межкадровой обработки - компенсация- смещений оптического изображения относительно фотоэлектрического преобразователя амплитудой более одного элемента изображения .

Отмечается, что методы оценки параметров движения оптического изображения могут быть непосредственными, основанными на измерении характеристик изображения, и косвенными, когда информация о смещении изображения извлекается из внешних, дополнительных устройств. Проведенный* литературный обзор показал, что наиболее распространенными системами стабилизации изображений являются оптико-механические с косвенной оценкой смещения изображения, однако, появляются отечественные и зарубежные разработки, где применяются электронные методы компенсации движения и непосредственные методы определения смещения изображения. Так, некоторые модели видеокамер фирмы Panasonic оснащены встроенной системой Digital Image Stabilizer, работа которой активируется на время вибрации камеры.

Отмечается, что при разработке непосредственных методов оценки 1 параметров межкадрового смещения необходим структурный анализ возможных видов движения в телевизионном изображении. Этот анализ предназначен для выделения из всего разнообразия возможной динамики изображения в телевизионном кадре информации только о нежелательном смещении изображения. В результате прове-

дения такого анализа были выделены структурные элементы, имеющие непосредственное отношение к решению задачи стабилизации, к которым относится: глобальный характер смещения изображения, вызванный движением камеры: отсутствие преимущественного направления в движении; зрительная непрослеживаемостъ движения изображе -ния.

Анализ непосредственных информационных методов выделения смещения показал, что в случаях, когда содержание сюжета телевизионного изображения неопределено, наиболее подходящим способом определения межкадрового смещения изображения является корреляционный метод с временной базой. При этом, в качестве исходной информации используется входной сигнал изображения и отсутствуют дополнительные фотоэлектрические преобразователи, что значительно упрощает систему стабилизации. Этот метод предполагает обработку отсчетов сигнала изображения по алгоритмам с большим объемом вычислений, поэтому необходимо наличие в составе системы электронной стабилизации специализированного вычислителя - видеопроцессора.

Вторая глава посвящена исследованию влияния движения платформы с закрепленной на ней камерой на межкадровое смещение цифрового телевизионного изображения и методам компенсации такого движения. В этой главе также рассматриваются режимы формирования сигнала смещения изображения и методические ошибки компенсации.

При рассмотрении модели движения платформы с телевизионной камерой в глобальной системе рординат были получены горкзон -тальН'ая и вертикальная составляющая скорости движения оптического изображения для точки в плоскости оптического изображения с координатами (х,у)

х Щ Гы1у хУг у Ги1х уУг

V, =---+ шу -,-, V, = -'--+ шх--,

Н Н Н Н Н Н

где ¥х,Уу,У2 - линейные составляющие скорости движения платформы. Г - Фокусное расстояние объектива, 1Х.1у, 12 - линейный расстояние между центром объектива и центром вращения платформы, ш угловая скорость движения платформы, Н - расстояние до снимаемой оцени.

Используя соотношения между непрерывными координатами в

плоскости оптического изображения, размерами фоточувствительной области (ХН,УМ), периодами элементной, строчной, кадровой дискретизации (ТЭ,ТС.ТК). относительными длительностями обратного хода строчной а и кадровой (3 разверток были получены горизонтальные Б! и вертикальные составляющие межкадрового смещения цифрового телевизионного изображения для отсчета с дискретными координатами отсчетов (1,о)

^тиБ^): ^¿пиз^),

в

где 1пЪ( ) - целая часть числа, б'^.б" [элемент] - пространственно-независимые составляющие перемещения электронного изображе-

3 3

ния, Э!, Б-, [элемент] - пространственно-зависимые составляющие перемещения электронного изображения, определяемые как

н ГГктс(1-а) „ ГГк(1-Р)

Б, = -(У»-ш1у); Эч = -(Уу-ш 1Х);

НХМТ3 3- НУнТс

3 _ шУмТс (1-а) (3-0.5) а)УмТсТк (1-а) УгТк (1-0.5) ,УгТкТс (1-а)^ - - - + *

ХМТЭ(1-3) 2ХМТЭ Н 2НТЭ

з шХмТкТэ (1-р) (1-0.5) шХмТк(1-Р) УгТк (3-0.5) УгТк(1-(3)

^ =

У„ Тс Тс (1-а) 2У„ТС Н 2НТС

На основе полученных выражений, аналитически описывающих межкадровое смещение цифрового телевизионного изображения, возможна разработка методов компенсации такого смещения, основанных, в общем случае, на пространственно-зависимой обработке сигнала изображения. При такой обработке требуется информация о смещении каждого элемента всего цифрового телевизионного кадра, что приводит к большим техническим сложностям при практической реализации.

Предложен метод компенсации только пространственно-инвариантных поставляющих движения изображения, при котором компенсирующие воздействие координатно-независимо и одинаково в момент времени I для всех элементов поля изображения'

si=int(s"): sj=int(s").

Метод может быть представлен в виде обработки изображения, состоящей из двух этапов:

1. Запись отсчетов сигнала изображения текущего k-го кадра нестабилизированного изображения BIN(i,J,k) в кадровое оператив-

•ное запоминающее устройство (ОЗУ) без адресного смещения Bram (i. J. К) = Bj N ( i, j, К).

2. Чтение отсчетов (к-1) кадра стабилизированного телевизионного изображения из кадрового ОЗУ с адресным смещением, пропорциональным перемещению изображения с соответствующим маскированием зоны M(i,j) информационных потерь компенсации

В0 (i. j. (k-1)) = BRAM(I-ASI(k-l), j-ASJ(k-l),к) &M(i,J), где ASI(k-l), ASJ(k-l) - текущее адресное смещение формируемого телевизионного изображения, ь - символ логического произведения.

Информационная емкость кадрового ОЗУ V [бит], необходимая для такой обработки сигнала изображения в реальном времени, определяется как V = KNKVIMJM, где К > 2 - коэффициент конвейера, NKV - число разрядов двоичного квантования сигнала изображения, IM, JH - максимальные значения цифровых координат изображения.

Для реализации данного метода - метода стабилизации при чтении - необходимо кадровое ОЗУ с произвольной параллельной адресацией при чтении в пределах, ограниченных максимально возможным смещением изображения и схема маскирования (гашения) неинформативной зоны. Оценены информационные потери предложенного метода, заключающиеся в сокращении поля зрения системы.

Предложен метод стабилизации при записи, имеющий в отличии от метода стабилизации гГри чтении меньшие информационные потери, но требующий для своей реализации кадровое ОЗУ повышенной информационной емкости. Проведено машинное моделирование предложенных методов компенсаций.

Проведен анализ режимов формирования сигнала смещения изображения- ASI(k-l), ASJ(k-l) для предложенных методов компенсации. Выделены два режима формирования сигнала адресного смещения: определение интегрального смещения от "опорного" кадра и рекурсивное межкадровое вычисление текущего смещения. Для этих режимов, при заданных среднеквадратических ошибках стабилизации и временном интервале работы системы, определены требования к пределам-

измерения и погрешности определителя смещения изображения. Показана возможность реализации обменных соотношений между пределами и допустимой погрешностью измерения смещения изображения при использовании различных режимов формирования сигналов ДБ1 и ДЭХ

Определены методические ошибки предложенных методов компенсации, вызванные наличием пространственно-зависимых составляющих в межкадровом смещении телевизионного изображения. Показано, что

средние значения ДЗх,Д!Зу, методических ошибок компенсации по полю изображения

I, Л„ 1„ Л9504Хм

Л^ = - [ [ Б? сШа ; Д§у = - [ [ Б? (Шо,

1м,7м оо ^ о о

теоретически-стремятся к нулю. Абсолютные значения методических ошибок компенсации определяются значением дискретных цифровых координат отсчетов сигнала изображения и возрастают к границам кадра. Для частного случая найдены конкретные значения составляющих скорости движения платформы с камерой из условия минимизации методической ошибки компенсации.

Гретья глава посвящена исследованию и разработке определителей смещения изображения, предназначенных для работы в системе стабилизации в реальном времени.

Для двухмерного дискретного случая при нахождении вектора межкадрового смещения использован метод сопряжения блоков, в котором определяются корреляционные связи между элементами блока Б размера М*И в к-том кадре и элементами в зоне поиска Эй в предыдущем, (к-1)-ом кадре, и на основе найденных связей определяются координаты наилучшего сопряжения. При максимальных значениях горизонтального Н и вертикального V межкадрового смещения размер зоны поиска БК определяется выражением БЕ = (М+2Н) (N+21').

В качестве меры статистической близости может быть применена нормированная функция взаимной корреляции КСП!. з)

М N

I I 8К(т-:),п-;]')*3(т, п) Ш=1 П=1

ЫСГ(и) =

1 М N \ I 1 М N

— I I 31?(т-^п-о:> — I I Sdi.il) ДМ т=1 п=1 > I ММ т=1 п=1

За оценку межкадрового смещения принимаются такие 1=1<|Н|, сг=Л< 1VI, при которых функция МСГ(1,.Л принимает максимальное значение. Показано, что непосредственное определение координат максимума функции взаимной корреляции между последовательными кадрами изображения размера 492*492 элемента при максимальном межкадровом смещении ±10 элементов с частотой кадров 50 Гц тре- / бует быстродействия видеопроцессора порядка 50 миллиардов сложений в секунду, что технически затруднительно. Предложено уменьшить размер зоны анализа Б. до значений, обеспечивающих точность определения смещения порядка одного элемента изображения.

Из приведенной зависимости потенциальной точности определения смещения методом сопряжения блоков от размера зоны Э следует. что при размере блока Б=8*8 элементов и отношении сигнал-шум в обрабатываемом изображении 30 дБ достижимо значение погрешности в 10% от размера элемента. Данный факт, а также удобство в программной реализации послужили обоснованием для выбора размеров зоны анализа.

Произведена детализация задачи минимизации требуемого быстродействия видеопроцессора, определены методические и алгоритмические направления решения данной задачи. Функция требуемой производительности видеопроцессора для задачи определения межкадрового смещения представлена как

П(Р,Н) = Ш-(Р)*Рг(Ю, где Иг(Р) - число точек расчета функции статистической близости двух изображений методом такого расчета Р. Рг(Ю - производи- -тельность видеопроцессора при вычислении одного значения функции статистической близости типа Н.

Исследованы с точки зрения вычислительной сложности следующие критерии статистической близости двух изображений: нормированная корреляционная функция, среднеквадратический критерий, критерий абсолютной межкадровой разности, критерий на основе парных функций. Показано, что критерий статистической близости двух изображений в виде абсолютной межкадровой разности МЛВЦ,,]'), определяемый как

1 М N

МАО(1, .1) = —2 I п-о)-3(П1. п)

ИШ ш=1 п=1

имеет наименьшую вычислительную сложность среди сравниваемых. При этом выигрыш по требуемому быстродействию видеопроцессора по сравнению с критерием' N(^(1,3) составляет более 1.5 раз.

При нахождении экстремума функции статистической близости двух изображений последовательным перебором возможных положений блока анализа Б в блоке поиска ЭР, требуемая производительность видеопроцессора квадратично связана с размером зоны поиска, что при заданном быстродействии видеопроцессора приводит к ограничению максимальных пределов измерения горизонтального и вертикального межкадрового смещения. Рассмотрены градиентные методы поиска экстремума функции статистической близости двух изображений, имеющие меньшее количество точек расчета ИгСР) по сравнению с методом последовательного перебора ЭР, для которого количество точек расчета выражается как Иг(БР) = (2Н+1)*(2У+1).

Градиентные методы поиска экстремума полагают монотонность, гладкость и непрерывность анализируемой функции. Из литературных данных известно, что для большинства реальных телевизионных изображений нормированная корреляционная функция (или другие подобные статистические критерии) удовлетворяют вышеприведенным условиям. Так, коэффициенты автокорреляции телевизионных изображений достаточно точно апроксимируются экспоненциальными функциями типа ехр[-т (Мц!) ], где ц - пространственные координаты изображения, т - величина, обратная интервалу корреляции.

Специфика применения градиентных методов в задаче определения межкадрового смещения заключается в дискретном и сравнительно небольшом значении (обычно 81... 169) возможных точек положения экстремума функции статистической близости. Критериями эффективности различных градиентных алгоритмов являются общее количество итераций и число анализируемых точек, требуемых для нахождения экстремума функции.

Проведен анализ известных градиентных алгоритмов определения межкадрового смещения методом сопряжения блоков: двухмерно-логарифмического. трехступенчатого спуска, поиска сопряженного направления. На основе алгоритма трехступенчатого спуска разработан новый алгоритм - быстрого градиентного спуска, имеющий среди вышеприведенных алгоритмов лучшие показатели. Для наихудшего случая расположения экстремума функции статистической близости данный алгоритм требует нахождение значений функции з

21-ой точке, и сходится максимум за 4 итерации. Разработанный алгоритм позволяет в 9 раз расширить пределы измерения межкадрового смещения по сравнению с первоначальным вариантом.

- Для случая, когда стабилизируемое телевизионное изображение содержит малоразмерные точечные объекты, возможно построение детектора смещения с помощью методов амплитудно-координатниго интерполирования, при этом потенциальная точность определения смещения составляет сотые доли элемента изображения за кадр. Для осуществления расчета координат центра изображения точечного объекта в реальном времени необходимо минимизировать аппаратные и временные затраты, что предполагает выбор таких алгоритмов интерполирования, которые обладают математической простотой. В результате проведенного моделирования и разработок аппаратуры показано, что для наиболее часто встречающегося в литературе алгоритма-нахождения центра тяжести функции распределения Х(1), 1=1.4 координатная оценка положения центра точечного объекта выглядит как

Хт - Хл +' [Х(1)+2Х(2)+ЗХ(3)+4Х(4)]/[Х(1)+Х(2)+Х(3)+Х(4)1, а для менее известного алгоритма нахождения медианы функции распределения ХЦ)

Хм = Хл„ + [Х(3)+Х(4)-X (1) -Х(2)] /X(2), где Хл, Хли - целочисленные оценки искомых координат. Отмечено, что алгоритм нахождения медианы распределения более прост в аппаратной или программной реализации при сравнимой методической погрешности, чем метод поиска центра тяжести. Затраты времени на расчет координаты алгоритмом поиска центра тяжести составят Тт = 141;Аип +

где ъДор, ^¡у - время выполнения видеопроцессором операций сложения и деления соответственно, а для алгоритма поиска медианы аналогичные затраты времени составят

Тм = о + , у.

В четвертой главе приведены результаты аппаратно-программных разработок устройств электронной стабилизации телевизионных изображений, экспериментов по зрительному восприятию нестабилп-зиро'ашюго телевизионного изображения.

Отмечено, что для большого числа применений, корректность решения задачи стабилизации зависит от особенностей визуального восприятия нестабилизированного изображения. Возникающий у чело-

века при наблюдении нестабильного изображения зрительный дискомфорт был определен на 11 сессии МКО как ощущение неудобства или напряженности. При наблюдении такого изображения у человека снижается зрительная работоспособность ц, • прямо пропорциональная вероятности Роп правильного опознавания формы тест-объекта и обратно пропорциональная времени различения ТРАЗ формы тест-объекта п = Роп / ТРА3.

Для определения зависимости зрительной работоспособности от характеристик вибрации поля зрения были проведены экспериментальные исследования с использованием модифицированной методики измерения. Для формирования тестовых изображений, сбора статистики. обработки и анализа полученной информации широко использовались аппаратно-программных возможности ПЭВМ типа IBM PC АТ 386DX40. Результаты экспериментов, отраженные в виде таблиц и графиков, позволяют сделать выводы о значительном снижении зрительной работоспособности при наблюдении нестабилизированного изображения. >

Качество телевизионного изображения, полученного в результате электронной стабилизации на экспериментальном макете, значительно улучшилось по сравнению со входным, нестабильным изображением, что подтверждает основные теоретические результаты.

В заключение сформулированы основные выводы, полученные в результате проведенной работы, которые состоят в следующем:

1. Предложена структурная модель видов движения в телевизионном изображении, обозначены элементы модели, имеющие определяющее значение при разработке измерителя смещения изображения для систем, электронной стабилизации.

2. На основе теоретического анализа модели движения цифрового телевизионного изображения как функции перемещения платформы с камерой предложены методы электронной компенсации пространственно-инвариантных составляющих движения изображения путем обработки сигнала изображения в кадровом оперативном запоминающем устройстве, а также математически описаны методические ошибки компенсации, вызванные пространственно-зависимыми составляющими скорости движения изображения.

3. Проведено исследование методов минимизации вычислительной сложности видеопроцессора при расчете смещения изображения в реальном времени. Получены аналитические соотношения, определяю-

щие требуемую производительность видеопроцессора в зависимости от размера зоны анализа и максимального межкадрового смещения. Разработан и ^программно реализован на языке Ассемблера алгоритм быстрого градиентного спуска, позволяющий рассчитывать межкадровое смещение изображения в реальном времени и имеющий более чем в 80 раз лучшие показатели по требуемому быстродействию видеопроцессора, по сравнению с первоначальным вариантом.

4. Проведенные экспериментальные исследования вопросов визуального восприятия неетабилизированных изображений позволяют сделать количественные предположения о пороговых значениях параметров вибрации изображения с позиций получателя информации.

5. Разработка устройств и проведение экспериментальных исследований подтвердили основные теоретические результаты. Реализована и отлажена система электронной стабилизации с точностью до элемента изображения, обладающая важным потребительским свойством - возможностью реставрации искаженного вибрацией телевизионного изображения, воспроизводимого с видеомагнитофона.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Березин В. В. Формирование сигналов изображения в условиях вибраций//Изв. ГЭТУ: Сб. науч. тр./Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина). - 1993,- Вып. 459,- С. 34-37.

2. Березин В. В. Обработка сигнала матричного ФППЗ при опрр-делении координат малоразмерного- объекта//Радиоэлектроника и связь,- 1992,- и 2-3.- С. 71-76.

3. Березин В.. В., Манцветов A.A. Особенности передачи движущихся изображений телевизионными камерами на твердотельных пре-образователях//Оптико-электронные приборы И устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Материалы международной конф. - Курск, 1993. - Ю.г>. ,

4. Березин В. В., Быков P.E., Манцветов A.A. Методы стжщли-зации изображений в телевизионных системах экологического мгот торинга//Критерии экологической безопасности: Материалы по уч. -прадс. Конф. 25-27 мая, 1994 г. СПб., 1994, - С. ;>1Н.

'). Березин В. Ii., Манцветов A.A. Методы компенсации дшгшц

ческого смаза в телевизионных системах//Тез. докл. 48-й науч. -техн. конф., посвящ. Дню радио; С.Петербург, апр.. 1993 г. -СПб. 1993. - С. 75-76.

6. Березин В.В. Аппаратно-программные средства минимизации скоростного смаза изображения//Тез. докл. 48-й науч.-техн: конф.. посвящ. Дню радио, С.Петербург, апр., 1993 г. - СПб. 1993. - С. 76.

7. Березин В.В. К вопросу визуального восприятия несгабили-зированного телевизионного изображения//Тез. докл. 49-й науч.-техн. конф., посвящ. Дню радио, С.Петербург, апр., 1994 г,-СПб. 1994,- С. 19. ,

8. Березин В.В., Манцветов A.A.. Мачтовой И.А. Измерительная оптико-электронная система, работающая в реальном време-ни//Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез. докл. 9-й науч. -техн. конф., Москва,24-26 нояб.Л992 г.- М., 1992.- С. 103.

9. В. В. Березин, A.A. Манцветов. Аппаратно-программные средства улучшения качества передачи динамических объектов//0п-тико-электронные -приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Материалы международной конференции, Курск, 5-8 окт., 1993 г.- Курск.

1993,- С. 94.

10. Березин В.В., Манцветов А.А Электронная стабилизация изображения в телевизионных камерах//Тез. докл. 49-й науч.-техн. конф.. посвящ. Дню радио, С.Петербург, апр., 1994 г. - СПб.

1994. - С. 20.

11. Лысова В.Г., Березин В.В. Методы улучшения гидролокационных изображений//Программная и аппаратная реализация алгоритмов в радиоэлектронных и микропроцессорных устройствах.- Хабар, политехи, ин-т. Хабаровск, 1990.- С. 86-89.

12. Березин В.В., Иванов К.В., Манцветов А.А. Принципы построения телевизионных измерительных систем и систем технического зрения на матричных ПЗС//Приборы с зарядовой связью и системы на их основе:Тез. докл. 4-той науч.-техн. конф. с международным участием. - М. 1992,- С. 110-111.