автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследования и разработка методов и устройств уменьшения, влияния дифференциальных искажений на качество цветного изображения

Ой .к

министерство связи российской вдврации Московский технически« университет связи и информатики

На правах рукописи

БАРРИ Яхия

УДК 621.397.132

исследования и разработка мзгодов и устройств умзншнш, влияния дйфжнзнцйашш исшений на качество цветного

ИЗОБРАЖЕНИЯ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и то лэвяз ионные

систэки и устройство

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МоскваЛ994

Работа выполнет в Московском техническом университе связи и информатики.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ГОВАКОВСКИЙ C.B.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, начальник

лаборатории нШ Радио

даоркович В.П.

- кандидат технических наук, зав.кафедрой ШШ Гостелэрадда ЮСТНИКОВА 1.Н.

Ведущее предприятие - МНИТИ

Защита диссертации состоится "05 " января 1995 года в _

часов на заседании специализированного совета К 118.06.03 ао прксувдению ученой степени кандидата технических надк в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, г.Москва, Авиамоторная улица, дом 8-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " " 1994г.

Ученый.секре тарь специадизировавного совета, к.т.н., доцент О.В.Матвеева

3.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В условиях совершенствования сети телевизионного вещания, резкого повышения требований к качеству воспроизведения, изображений на экранах абонентских телевизоров, увеличения технических возможностей радиотехнического производства, актуальными- являются вопросы научных исследований причин возникновения искажений сигналов цветного телевидения при иг передаче в каналах связи и декодирования в приемных устройствах.

Одним из источников ухудшения качества воспроизведения в ариешике цветных изображений стандартных систем цветного телевидения являются дифференциальные искажения (ДО) видеосигнала и помзхи сигнала яркости в канале цветности. В результате этих искажений появляются переходные процессы, вызывающие цветные оканточки, тянущиеся продолжения и искажения типа "Бахрома" при резких изменениях сигналов яркости и цветности.

Глубокие исследования причин возникновения и характера проявления указанных искажений являются важнейшей предпосылкой для создания надежных методов и устройств коррекции.

Этим проблемам посвящена настоящая диссертационная работа, в которой отражен личный вклад автора в теоретические исследования а разработку методов и устройств уменьшения влияния дифференциальных искажений на качество цветного изображения.

Актуальность рассматриваемой задачи

Вопросы влияния дифференциальных искажений (ЛИ) и помах от сигнала яркости в канале цветности в стандартных системах цветного телевидения NTSC » PAL и GEKAM требуют дополнительных теоретических и эксаершлентальных исследований.

Коррекция этих искажений приводит к существенному улучшению качества принимаемого цветного изображения. В связи с этим необходимо подробное исследование причин возникновения этих искажений, определение методов и разработка устройств для уменьшения их влияния ва качество цветного изображения.

В настоящее время в специальной литературе рассмотрению ДИ и помех от сигнала яркости не уделялось достаточного внимания. Поэтому решение этой задачи является важным научным результатом данной диссертационной работы. Актуальность теш также подтверж-

дается тем, что в настоящее время научные работы кафедры телевидения МТУСЙ связаны злучтением качества ТВ изображения.

Цели и задачи диссертационной работы

Основными целями настоящей работы являются.:

- теоретический анализ искажений цветного изображения вследст вие нелинейных и, в частности, ди-^еренциальных искажений (ДО видеосигнала в стандартных системах цветного телевидения;

- исследование и определение ошибок цветопередачи, вызванных искажениями видеосигнала цветности на цветовой поднесущей;

- анализ зависимости ДИ от длительности перепада сигнала яркости;

- исследование и анализ искажений видеосигналов вследствие прохождения спектральных компонентов сигнала яркости в канал цветности в приемниках по системам/v'7"5C , PAL и GEKAM;

- разработка математической модели влияния ДИ в система СЕКАМ и их оценки при конечной длительности переходов сигналов цветности и яркости;

- исследование и разработка нового метода автоматической коррекции ДИ и полного цветового видеосигнала при его преобразовании в цифровою форму.

Научная новизна полученных результатов

Новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

- впервые разработана математическая модель влияния ДИ и их оценки в зависимости от длительности перепада сигнала яркости; в результате этих исследований показано, что влияние ДИ и помех от сигнала яркости уменьшается при плавных перепадах сигнала яркости;

■ - проведено теоретическое исследование влияния помех от сигнала яркости в канале цветности в приемниках по системам NTSC • PAL и СЕКАМ. На основании результатов указанного исследовании показано, что помехи от сигнала яркости в система СЕКАМ оказывает существенно большее влияние на качество воспроизводимых изображений, чем в системах /✓TS С и PAÍ. ;

- разработана новая методика определения координат цветности изображения в системеl/V*W(MK0-I960 г.) при искажении формы

цветоразЕОстиых сигналов вследствие воздействия ДИ и помех от сигнала яркости;

- разработан новый метод анализа влияния искажений видеосигнала на качество воспроизведения максимально насыщенных цветов в цветном телевидении;

- разработан новый метод и устройство автоматической коррекции дифференциальных искажений.

Основные положения, внносише на защиту

1. Результаты теоретического анализа и методика оценки влияния на качество воспроизведения цветного изображения помех от сигнала яркости в канале цветности приемника системЛ/Г^С >РАЬ и СЕКАМ.

2. Методика и результаты теоретических исследований совместного влияния ДЕТ и помех от сигнала яркости на искажения цветного изображения в приемниках системы СЗКАМ.

3. Ноше методы оценки изменения цветности изображения в приемнике вследствие указанных выше искажений в системе СЕКАМ в случае переходов с конечной длительностью в видеосигнале.

4. Новый метод и устройство автоматической цифровой коррекции ДИ, принципы его моделирования.

Практическая ценность работы

Разработанные автором методы теоретического анализа влияния ДИ и помех от сигнала яркости в канале цветности позволяют с достаточной для практики точностью оценить их влияние на изменение формы цветоразностных сигналов и обеспечить высокоэффективную коррекции.

При использовании предложенного автором метода цифровой автоматической коррекции ДИ обеспечивается высокая точность цвето передачи в цветном ТВ вещании, надежность работы корректора при сравнительно малой'его стоимости.

Яичное участие. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично. ■ . •

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на заседаниях кафедры телевидения МТУСИ (МИС), а также на научных конференциях МТУСИ.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в двух статьях /1/,/2/ и шести научных докладах на заседаниях кафедры ТВ и на научных конференциях МТУСИ.

Метода исследования и разработки

В диссертационной работе использовались:

- теория телевидения, обвдй радиотехники;

- вычислительная математика и программирование;

- теория цепей;

- теория цифровых преобразования сигналов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и II приложений, списка литературы из 40 наименований, изложенных на 168 страницах и содержит 52 рисунка и 15 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, указаны цели исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, определена научная новизна, указаны обьем и структура работы. Представлены сведения об апробации и публикации основных положений диссертации и внедрение результатов работы.

В первой главе сделан обзор известных работ по анализу нелинейных искажений ТВ сигнала. Основное внимание уделено вопросам влияния дифференциальных искажений на качество воспроизводимых изображений систем СЕКАМ, РАI и /V'Ть С и их оценки. Также проведен подробный анализ работ по коррекции дифференциальных искажений.

В заключении первой главы сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена исследованиям искажения максимально насыщенных цветов изображения в зависимости от отклонения относительных величин сигналов основных цветов, как показано на рис. 1,а,б,в.

В системе СЕКАМ за счет использования фильтра обратной коррекции предыскажений (КШ) на поднесущиг влияние помех от сигнала яркости относительно более существенно, чем в системах NTSC и PAL, хотя амплитуда переходного процесса меньше.

Во второй главе диссертации разработана математическая модель искажения формы полного цветового ТВ сигнала систеш СЕКАМ и его составляющих в условиях воздействия дифференциальных искажений в случае, когда перепад сигнала яркости от одного уровня к другому имеет форму пилообразного изменения.

Проведен расчет искажений цветовых поднесущих в системе СЕКАМ за счет влияния сигнала яркости. Показано, что из-за использования фильтра обратной коррекции предыскажений на поднесущих переходные процессы в канале цветности существенно увеличиваются по длительности, изменяют амплитуду и фазу (частоту) при воспроизведении желтого и пурпурного цветов.

Разработана методика расчета впияния искажений сигнала яркости на качество воспроизведения переходов яркости и цвета в системе NTSC . Рассчитана форма переходных процессов в канале цветности за счет проникновения в него спектральных компонентов сигнала яркости (рис. 2).

Форт переходного процесса определяется соотношением

( i )"

где Д£у- ЕуГ fYi ;

.XUJ и "Llj - граничные зфуговые частоты ЛФ.

Результаты расчета представлены на рис. 2.

При использовании искажений сигналов основных цветов за счет влияния сигнала яркости показано, что наибольшее искажение передаваемого цвета имеют место при передаче синего, пурпурного и голубого цвета.

Во второй главе также прозедев расчет влияния переходных процессов в канале цветности за счет влияния сигналов яркости в системе РАL.

V

0,40

0,35

С ,32

Г»5 СШ-

4 15 10

0 5 -10 15 20 85

1_I_III'

Число сап ■ ■ '_1—1_1111

0.12 0,15 0,20 0,25 и

Рес. 1.а

Искагевныз желтые цвета ЛЯ 4-13 ва стороне Ра, Си

V

0,35 г

б

0,30

0,25

г» 5 СЦП

0 5 10 15 20 25

1 I___£_>-С-

П

Чгсла ОШ

I ' | ^—■ 1 I I I I I

0,10 0,15 0,20 и

Ргс. 1.6

Иокааенные гохубые цвета М 4-11 на стороне Сп.Вп

V

0,25 15

' П

^ г 5

0,20

С,15

Г "5 СЦП

10 5 {0 -15 20 25

■ _I_I_I-1—

'Число СШ ,

I I I I | I 1 ' | ' I '-

С,25 0,30 0,35 и

Рис. 1.а

Искаженные пурпурные цвета № 4-11 на стороне Ра, Ва

Показано, что вследствие коммутации фаз поднесущих в различных строках изменяется знак искажений их амплитуд и фаз (рис.3).

Определены формы изменений амплитуды и частоты цветовых под-несущих при воздействии дифференциальных искажений. Амплитуда, сигнала цветности на выгоде цепи обратной коррекции высокочастотных предыскажений (КВН) равна:

Изменение частоты равно:

+ ЬДга)Со$(t.T)-a. Агсг- д¡п[дхи-ft-Т)]~

-АигСМй < 3 '

- se"Г [ ь cos ¡¡п л ига.ТУ)};

где - ¿-Т

-¿Я

центральная частота цепи-КВП;

Ь- ь,-н Ь5 ; ¿^ ^о^о.^ ;

Д. > Ь/~ коэффициенты, характеризующие искажение сигнала ^ цветности на выходе цепи КВП из-за помех от сигна-

ла яркости;

Рис. 2

Переходный процесс на выходе идеального ПФ в телевизорах систем fSTSC и PAL , созданный помехой от сигнала яркости в канале цветности

Рис. 3

Искажение амплитуды сигнала цветности за счет помех от сигнала яркости при отсутствии ДИ:

а/ сигнал ятжости имеет *юрму скачка напряжения , (Т=0)5 '

б/ сигнал яркости имеет пилообразный перепад с

длительностью 1=1/2^ ( Г =4,29 МГц);

о о

Здесь Т - длительн сть перепада сигнала яркости; С- постоянная времени цепи КШ1 ("С"=1,183); £~ амплитуда и *аза цветовой поднесущей

О, , Ц - коэффициенты, характеризующие влияние дифферен-

2 циальных искажений (изменением амплитуды и фаза цветовой поднесущей) на двух уровнях сигнала яркости;

¿1 , Ь - коэффициента, характеризующие влияние перехода

3 сигнала цветности при перепаде сигнала яркости.

Фаза и амплитуда сигнала на выходе цепи КВ11_в области перехода сигнала яркости (рассчитаны по формуле (2),(3)) в значительной степени зависят от следующих величин:

- длительности перепада сигнала яркости (Т);

- дифференциально-фазовых искажений (Ф);

- начальной фазы цветовой поднесущей (с/);

- сдвига частоты цветовой поднесущей относительно центральной частоты цепи КВП (обобщенной расстройки);

- коэффициентов, характеризующих размахи сигнала цветности на двух уровнях сигнала яркости К|, К2.

Во второй главе диссертации также разработан метод расчета формы видеосигналов на выходе частотных дискриминаторов декодера.

На выходах идеальных частотных дискриминаторов выделяется сигнал:

<4)

где - мгновенная частота"цветовой поднесущей;

- центральная частота дискриминатора; ^ - частота цветовой поднесущей;

АргкЛу искажение частоты цветовой поднесущей на выходе £ цепи КВН; ^чл ~ крутизна характеристики дискриминатора.

Во второй главе диссертации разработан расчет формы видеосигналов на выходе цепи коррекции низкочастотных предыскажений, получено следующее выражение:

где

На базе разработанных математических соотношений создано программное обеспечение, позволяющее произвести численную оценку искажений сигналов в декодирующем устройстве и реализовать оценку искг^ний цветности изображений при использовании новой методики определения изменений координат цветности в системе

VVW. МО-1960.

В третьей главе диссертации, с использованием разработанных методов'расчета влияния перекрестных искажений, яркость цветности на искажения цветоразностных сигналов проведен подробный анализ изменения качества воспроизводимых изображений, содержащих черно-белый, черно-желтый, бело-сспгй, хэлто-красннй и сине-голуОой перехода как показано на рис. 4.а,б,а.

Показано, что помехи от переходов сигнала яркости часто приводят к появлению искажений в виде цветовой БахрЬда.

Из рис. 4.а видно, что в зависимости от величины и знака дифференциально-фазовых искажений изменяется значение и направление изменения цветности изображений за переходом. При этом искажения проявляются практически всегда в виде тянущихся цветовых. продолжений с плавно изменяющейся интенсивностью.

Дифференциально-амплитудные искажения чаще всего приводят к увеличению интенсивности искажений, в особенности, если знак этих искажений совпадает с направлением изменения сигнала яркости.

В четвертой главе диссертационной работы разработан новый цифровой метод автоматической коррекции ЛИ (рис. 5). Данный корректор, основанный на цифровом разделении сигналов яркости и цветности, анализе дифференциальных искажений цветовой подне-сущей, выделения цветовой поднесущей, смещена по фазе на угол 90°, обработке этого сигнала и цветовой поднесущей с последующий их суммированием.

Принцип работы данного корректора можно объяснить с помощью векторной диаграммы, на которой показаны соответствующие сигналы на ьсех этапах коррекции ДАИ и ДФИ цветовой поднесущей (рис.6).

Математически,.можно выразить сигналы во всех точках схемы корректора таким образом:

Точка I: /\ Sin (-ur-t +- ^ ) + £у »'.

0,315 0,305

0.19} 0,1 0,201 ц <л;

1/г О

0,3« 0,31 0,305'

0,1 0,205 V

0,1 ?.ЛИ

,Рео. 4.а

Графики изменения цветности в системеЦ"/КЛ-МКО-19бО г.

^азг 43

¿35 0.31

ОЗЯ

Л19

0.2 У

О.Ь

0,105 0,1 /

оиг>

Рис. 4.6

Графики изменения цветности на диаграмме Х/УИЛ-МКО-1960 г. в случае Т=1/2^ при передаче черно-белого перехода

<е* -зо

0.37 аЗ£ 0.35

Д О-Л 0-21 423 У О-2 0-2. С22 02,2,

сП

Рис. 4.в

Изменение цветности при передаче черно-желтого перехода в з случае Т=0, ДАИ=0

0-10Ы

ф=±30

04013

О -105

<// = О

олм

Г оя>№

О ¿05

ф=-Зо

0-//& о'1755 С /Д5 и 0-1735 О-Ш и 0-Т?5 0-1753 0-1*6

Рис. 4.г

Изменения цветности на диаграмме цвэтностеЯ в системе \5YtyJ -МК0-1960 г. в случав передачи бело-синего перехода при Т=0, ДАИ=0

Точка 2: Я К* Sln[-ujrCnt)+/

Точка 3: /) KD CoS[ur(n-t) + i

Точка 4: ^ Я Sifl [таг fftt)+cf+ií0]

Точка 5: К^ ¿COS ''

Точка 6: /СЛрЯ [^(„tj+cf* i

Точка 7: К,^ Д (¿S [гд£Сл tj + cf+ Sin ^ ;

Т0ЧКа 8: M»pflSin[bü;Cat) W +

В заключении изложены основные теоретические и практические результаты исследования.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании подробного изучения литературных источников по вопросам влияния нелинейных искажений на изменение форш передаваемых сигналов и качества воспроизведения изображений систем ЦТ СЕКАМ, PAL.yWXC показано, что проблемы влияния дифференциальных искажений, помех ат сигнала яркости в канале цветности, коррекции этих искажений в ТВ приемниках требуют проведения более глубоких научных исследований и разработки эффективных методов и устройств их коррекции.

Разработан новый метод анализа влияния искажений видеосигнала на качество воспроизведения максимально насыщенных цветов в цветном телевидении.

2. Разработана методика расчета влияния изменений сигнала яркости на качестзо воспроизведения переходов яркости и цвета в системах }JTSC и PAL. Рассчитана *орма переходных процессов в канале цветности, возникающих при резких изменениях сигнала яркости, проанализированы изменения цветности при воспроизведении цветных полос. Показано, что в системе PAL за счет коммутации одного из цветоразностннх сигналов в смежных строках при модуляции цветовой поднесуще? в кодирующем устройстве влияние

ЛЛ>

Рис. 5

Структурная схема цифрового корректора

1. Синхронизатор

2. Анализатор (ДАИ и ДФИ)

3. Датчик кодов коррекции ДАИ

4. Датчик кодов уровней сигнала яркости

5. Схема сравнения амплитуд

6. Датчик кодов коррекции ДТИ

7. Косинусный преобразователь

8. Синусный преобразователь

Рис. 6

Векторная диаграмма сигналов в точках схемы цифрового корректора

помех от переходов сигнала яркости уменьшается по сравнению с системой Л/Т5С примерно в два раза.

Разработан метод и проведен расчет искажений цветовых поднесущих в системе СЕКАМ за счет влияния сигнала яркости. Показано, что из-за использования фильтра обратной коррекции КВП на под-несущих переходные процессы в канале цветности существенно увеличиваются по длительности, изменяют амплитуду и фазу (частоту) поднесущих за переходом сигнала яркости. Вследствие коммутации частот поднесущих в различных строках изменяется знак искажений их амплитуды и фазы.

3. Разработана методика расчета влияния дифференциальных искажений на качество воспроизведения изображений, кодируемых по системе СЕКАМ. Проведен подробный аналитический анализ зависимостей искажений частоты цветовой поднесущей и формы цветоразностных сигналов на выходе декодирующего устройства от величин и знаков дифференциального усиления и дифференциальной фазы, длительности перехода сигнала яркости и значения фазы и частоты поднесущих в момент перехода сигнала яркости.

На базе разработанных автором математических соотношений создано программное обеспечение, позволившее произвести численную оценку искажений сигналов в де кодирую® м устройстве и реализовать оценку искажений цветности изображений при использовании новой методики определения изменений координат цветности в системе иуиГ-МК0-1960 г.

4. С использованием разработанных аналитических зависимостей

и алгоритмов расчета влияния перекрестных искажений яркость-цветность на искажения цветоразностных сигналов проведен подробный' анализ изменения качества воспроизводимых изображений, содержащих черно-белый, черно-желтый, бело-синий, желто-красный и сиве-голубой переходы.

Показано, что помзхи от переходов сигнала яркости часто приво--дят к появлению искажений з виде цветовой бахромы.

В зависимости от величины и знака дифференциально-фазовых искажений изменяется значение и направление измзнения цветности изображения за переходом. При этом искажения изображения проявляются практически всегда в виде тянущихся цветовых продолжений с плавно изменяющейся интенсивностью. Дифференциально-амплитудные • искажения чаще всего приводят к увеличению интенсивности искажений, в особенности, если знак этих искажений совпадает с направ-

ленйен изменения сигнала яркости.

Влияние дифференциальных искажение на качество цветного изображения более существенно в случае резких перепадов сигнала яркости, а также при переходе от темного цвета к светлому. Когда имеется переход от светлого цвета к темному это влияние менее заметно.

5. Разработан принципиально новый цифровой метод автоматической коррекции Дй, основанный на цифровом разделении сигналов яркости и цветности, анализе дифференциальных искажений цветовой поднесущей в передаваемом совместно с сигналами изображения испытательном сигнале, «формировании сигнала, аналогичного выделенной цветовой поднесущей, но смещенного по фазе на угол 90°, обработке этого сигнала и цветовой поднесущей с последующим их суммированием. Разработана структурная схема такого корректора и проведен расчет основных его элементов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Новаковский C.B., Барри Яхия.. Исследования влияния искажений видеосигнала на качество воспроизведения изображения в цветном телевидении. Техника кино и телевидения. - 1993. - Ji I. - С. 44-50.

2. Новаковский C.B., Барри Яхия. Влияние помех от сигнала яркости на образование окантовок изображения в цветном телевизоре. Радиотехника. - 1993. № - 10-12. - С. 3-II.