автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы повышения качества изображения, формируемого цветными одноматричными телевизионными камерами

На правах рукописи

Баранов Павел Сергеевич

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ, ФОРМИРУЕМОГО ЦВЕТНЫМИ ОДНОМАТРИЧНЫМИ ТЕЛЕВИЗИОННЫМИ КАМЕРАМИ

Специальность

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Санкт-Петербург 2014

005553916

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) и ОАО «Научно-исследовательский институт телевидения»

Научный доктор технических наук, профессор кафедры

руководитель «Телевидение и видеотехника» СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Быков Роберт Евгеньевич

Официальные доктор технических наук, заведующий кафедрой

оппоненты: телевидения и метрологии Санкт-Петербургского

государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича Гоголь Александр Александрович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, исполнительный директор ЗАО «НПК-ЭЛАР» Вишневский Григорий Исаакович

ЗАО «Московский научно-исследовательский телевизионный институт» (ЗАО МНИТИ)

Защита состоится «17» декабря 2014 г. в 1530 на заседании диссертационного совета Д212.238.03 при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте http ://www.eltech.ru/.

Автореферат разослан «14» октября 2014 г.

Ученый секретарь л *

диссертационного совета Д212.238.03 Шевченко М.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

В настоящее время одной из главных тенденций производителей ТВ камер является переход от трехматричной к одноматричной схеме формирования сигналов цветного телевидения. Прежде всего, это связано с недостатками трехматричной схемы, такими как сложность, дороговизна, значительные габаритные размеры и масса.

Одноматричная ТВ камера для формирования цветного изображения использует один монохромный фотоприемник (ФП), на поверхность которого нанесена структура кодирующих светофильтров (СКС). Она производит разделение падающего света на спектральные диапазоны (/?, б, В и др.) и производит их дискретизацию в плоскости ФП.

При одноматричной схеме формирования цветного изображения происходит уменьшение чувствительности цветной ТВ камеры в 6 - 10 раз по сравнению с черно-белой, а также разрешающей способности на 20 - 30% по сравнению с ТВ камерой, использующей три ФП. Кроме того, сформированное изображение содержит различного рода ложные сигналы и артефакты, вызванные особенностями используемого ФП, параметрами СКС, внешними помехами.

Вопрос оценки качества изображения, формируемого ТВ камерой, достаточно сложный и неоднозначный. До сих пор не выработано строгой методики оценки качества изображения, не регламентированы параметры и критерии, по которым следует производить анализ. Традиционно для ТВ системы как показатели качества выделяются чувствительность, разрешающая способность, помехоустойчивость к различного рода артефактам, возникающим на изображении в процессе его формирования и передачи.

Экспериментально и теоретически было показано, что используемая в ТВ камере СКС в значительной степени влияет на все три параметра, определяющих качество формируемого изображения. Крупные фирмы-производители предлагают собственные новые СКС, однако ни одна из них не смогла занять лидирующих позиций. Недостаточная теоретическая проработанность методологии анализа СКС и алгоритмов их синтеза, не позволяют найти СКС, использование которой существенно повысит качество формируемого изображения. Используемые на данный момент СКС лишь производят взаимообмен чувствительности на разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с наиболее распространенной СКС Байера.

Передаваемое ТВ камерой изображение может содержать такие артефакты как блюминг, вертикальный смаз, геометрические искажения, вызванные бегущим затвором, неэффективность переноса, геометрический шум и другие. Активное развитие твердотельных ФП позволило либо полностью устранить артефакты

присущие предыдущим поколениям ФП, либо существенно снизить их заметность. Однако наиболее актуальной задачей является разработка методов компенсации цветовых муаров, вертикального смаза в матричных приборах с зарядовой связью (МПЗС) и разброса параметров выходных устройств ФП.

В настоящее время многие исследователи и научные коллективы занимаютс разработкой новых методов повышения качества изображения формируемого Т( камерой. В решение задач, относящихся к рассматриваемой проблеме, внесли вкла/ Рыфтин Я.А., Антипин М.В., Быков P.E., Гоголь A.A., Полосин Л.Л., Цыцулин А.К. Тимофеев Б.С., Дворкович В.П., Прэтт У., Певзнер Б., Кондат JI., Хиракава К. Пенгвей X., и др.

Цель работы

Целью работы является разработка и исследование методов одновременног повышения разрешающей способности, чувствительности и помехоустойчивост цветной одноматричной ТВ камеры, за счет использования новых СКС, а такж синтез алгоритмов компенсации артефактов, возникающих в процессе формировани изображения.

В соответствии с поставленной целью основными направлениями работ являлись:

1. Разработка модели формирования изображения в цветной одноматричной Т камере с произвольной СКС;

2. Разработка методики анализа влияния СКС на чувствительност разрешающую способность и помехоустойчивость к цветным артефактам Т камеры;

3. Разработка алгоритма синтеза СКС, обеспечивающей повышени чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефакта цветной ТВ камеры;

4. Анализ артефактов, возникающих в процессе формирования изображения разработка методов их компенсации;

5. Разработка экспериментальных стендов и моделей. Проведени экспериментальных исследований и компьютерного моделирования, анали полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Разработаны методики анализа, позволяющие рассчитать чувствительност разрешающую способность и помехоустойчивость к артефактам, для ТВ камер н ФП с произвольной СКС при заданных начальных условиях;

2. Предложен алгоритм синтеза, позволяющий найти шаблоны СКС при заданных начальных ограничениях, обеспечивающие повышение чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

3. Синтезированы несколько СКС, использование которых позволяет одновременно повысить чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам по сравнению с СКС Байера.

4. Разработан алгоритм компенсации вертикального смаза в цветных МПЗС со строчным переносом, отличающийся тем, что он эффективен при уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимальной амплитуды видеосигнала с ФП и индифферентен к положению яркого объекта в поле зрения ТВ камеры;

5. Предложен метод, позволяющий компенсировать разброс параметров выходных устройств в цветных МПЗС и КМОП-сенсорах с двумя и более выходными устройствами до уровня существенно ниже порогового контраста зрительного анализатора человека.

Практическая значимость работы

1. Предложенные методики анализа характеристик ТВ камер с произвольной СКС позволяют дать объективную оценку используемым и предлагаемым СКС, а также сформулировать параметры, которым должна удовлетворять СКС для повышения чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефактам цветной ТВ камеры;

2. Одна из синтезированных СКС позволяет повысить чувствительность ТВ камеры по сравнению с СКС Байера на 4,5 дБ, помехоустойчивость к цветовым артефактам (до -60 дБ), а также добиться разрешающей способности в горизонтальном и вертикальном направлении сопоставимой с разрешающей способностью черно-белой ТВ камеры.

3. Разработанный алгоритм компенсации вертикального смаза позволил получить время накопления в МПЗС со строчным переносом вплоть до 100 не, что обеспечило работоспособность телевизионной камеры в диапазоне рабочих освещенностей от 0,001 лк до 100000 лк без использования автодиафрагмы.

4. Предложенный статистический метод устранения разброса параметров выходных устройств может быть использован при проектировании цветных ТВ камер высокой и сверхвысокой четкости с несколькими выходными устройствами.

Методы исследования

При решении поставленных задач применялись следующая аппаратура и основные методы исследований:

• Анализ и обобщение литературных данных по проектированию цветных одноматричных ТВ камер;

• Методы математического анализа, элементы линейной алгебры, комбинаторики, Фурье (гармонического) анализа;

• Статистические методы анализа и синтеза радиотехнических и ТВ систем;

• Компьютерное моделирование - разработка алгоритмов и моделей в сред Matlab и Wolfram Mathematica;

• Физические эксперименты. ^

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Разработанные методики анализа характеристик ТВ камер на ФП произвольной СКС позволяют, в отличие от существующих, позволяют производит объективную теоретическую оценку чувствительности, разрешающей способности помехоустойчивости к артефактам, возникающим в процессе формировани изображения;

2. Предложенный алгоритм синтеза СКС позволяет найти шаблоны СКС, пр заданных начальных ограничениях, которые обеспечивают повышени чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости к артефакта цветной ТВ камеры;

3. Синтезированные в рамках работы СКС по сравнению с СКС Байер позволили существенно повысить чувствительность (от 3,8 дБ до 4,5 дБ) помехоустойчивость к цветовым артефактам (до -60 дБ), а также добитьс разрешающей способности в горизонтальном и вертикальном направлени сопоставимой с разрешающей способностью черно-белой ТВ камеры.

4. Предложенный алгоритм компенсации вертикального смаза, в отличие о известных, эффективен при уровнях смаза, достигающих 0,9 от максимально амплитуды видеосигнала с ФП, при произвольном положении яркого объекта плоскости ФП, а также подходит для применения в цветных ТВ камерах;

5. Предложенный алгоритм компенсации разброса параметров выходны устройств в МПЗС и КМОП-сенсорах в отличие от известных, позволяв компенсировать заметную глазу границу раздела областей цветного ФП с ошибко' не превышающий пороговый контраст зрительного анализатора человека бе использования калибровки, таблиц преобразования, итерационных методов, чт позволяет использовать его в ТВ камере с большим потоком данных.

Апробация работы

Основные положения и научные результаты работы докладывались обсуждались на научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2012-2014 г. (г. Санкт-Петербург на научно-технических конференция СПб НТОРЭС в 2011-2014 г. (г. Санкт Петербург), на международных конференциях "Телевидение: передача и обработк

изображений" в 2011-2014 г. (г. Санкт-Петербург), на 22-ой Международной научно-технической конференции «Современное телевидение и радиоэлектроника» в 2014 г. (г. Москва), на школе-семинаре «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире» в 2012-2013 г. (г. Санкт-Петербург).

Реализация и внедрение результатов исследований

Полученные научные и практические результаты использовались при выполнении следующих работ:

• ОКР и серийное производство изделия МОК-001 в ОАО «НИИТ» в интересах ОАО «ЛЗОС»;

• ОКР цветной и черно-белой ТВ камеры высокого разрешения СТЗ-КТА в ОАО «НИИТ»;

• НИР «Разработка и исследование методов динамического управления параметрами цифрового потока видеоданных» СПб ГЭТУ. № 01201152451. Сроки: 2011-2014.

• учебном процессе СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 12 печатных научных работах, в числе которых 4 статьи, входящие в Перечень ВАК, одна заявка на изобретение и 7 трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации 174 страница, из них 120 страниц текста, включая 10 таблиц, а также 80 рисунков. Список литературы насчитывает 104 наименования и 12 авторских наименований на 11 страницах.

Краткое содержание работы

Во введении описывается современное состояние развития техники в области повышения качества изображения, формируемого цветной одноматричной ТВ камерой. Обосновывается актуальность темы, отмечаются цель и задачи работы, определяются научная новизна и практическая значимость, перечисляются методы исследования, приводятся сведения об апробации работы и структуре диссертации, сформулированы научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены вопросы, касающиеся современных тенденций проектирования ТВ камер. Приведены преимущества использования одноматричной схемы формирования цветного изображения за счет использования различных

структур кодирующих светофильтров (СКС). Рассматриваются вопросы влияния различных блоков, узлов и элементов цветной ТВ камеры на чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к артефактам на изображении, возникающих в процессе его формирования. Показано, что наибольшее влияние на качество формируемого изображения имеют СКС и алгоритм обработки полученного видеосигнала.

Анализ литературы показал, что минимальный размер пиксела на данны момент составляет 1,1 мкм, что сопоставимо с дифракционным пределом оптическо системы. Дальнейшее повышение разрешающей способности за счет уменьшени размера разлагающего элемента связано с технологическими и теоретическим ограничениями. В то же время использование современных алгоритме интерполяции для СКС Байера (используется более чем в 90% цветных ТВ камерах в ТВ камерах как с фильтром нижних пространственных частот (ФНПЧ), так и бе него, не позволяют обеспечить разрешающую способность более 0,75 о разрешающей способности черно-белой ТВ камеры.

Использованием альтернативных СКС можно на 15-30% увеличит разрешающую способность и снизить уровень цветовых муаров, что сделано в СК X-trans фирмой Fujifilm. Такой выигрыш достигается только при использовани ресурсоемких алгоритмов обработки видеосигнала в фоторежиме. В режим потокового видео качество изображения значительно уступает качеств изображения, формируемого в ТВ камере с СКС Байера.

Отмечается, что чувствительность цветной ТВ камеры с СКС Байера в 6-10 (н 15-20 дБ) раз меньше, по сравнению с черно-белой. Такие интенсивные методы (н производящие взаимообмен чувствительности на разрешающую способность п пространству-времени) как повышение квантовой эффективности и снижени уровня шумов близки к теоретическому и технологическому пределам. Новые СК от фирм Sony, Aptina, Trusence более эффективно используют падающих светово поток, что позволяет повысить чувствительность на 3^ дБ по сравнению с СК Байера. Однако при этом происходит снижение разрешающей способности появление значительных цветовых муаров на передаваемом изображении.

В работе показано, что ни одна из используемых в настоящее время СКС н позволяет одновременно обеспечить значительного выигрыша по чувствительност разрешающей способности и помехоустойчивости к цветовым артефактам п сравнению с СКС Байера. Это связано с недостаточной теоретической методологической базой для анализа свойств СКС, а также с отсутствием алгоритмо их синтеза.

Рассмотрены вопросы возникновения различного рода артефактов н изображении в процессе его передачи. Показано, что наибольшую сложность актуальность представляют задачи компенсации вертикального смаза в МПЗС

разброса параметров выходных устройств ФП, а также цветовых артефактов вызванных использованием СКС.

Проведенный в первой главе анализ существующих методов улучшения качества изображения, формируемого цветной одноматричной ТВ камерой, позволил обосновать перспективность использования новых СКС для обеспечения одновременного повышения разрешающей способности, помехоустойчивости и чувствительности. Кроме того, для ТВ камер с большим потоком данных обосновано использование алгоритмов компенсации артефактов и определены пути дальнейшего совершенствования таких систем.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы преобразования сигнала в ФП с произвольной СКС. Показано, что СКС производит разделение падающего светового потока на спектральные каналы (Я, в, В, и др.) и их дискретизацию в пространстве на плоскости ФП. Свойства СКС полностью характеризует ее шаблон кСкс (один период повторения). Отмечено, что преобразование оптического сигнала СКС приводит к образованию так называемых мультиплексных компонент Рс2, и т. д. в частотной области, где Г/ - компонента яркости, РС/ и РС2 - компоненты цветности. Взаимное расположение этих компонент в частотной плоскости определяет разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым муарам на восстановленном изображении. Частотные свойства СКС полностью отражает матрица частотной структуры шаблона СКС 5СКС, которая вычисляется как ДПФ от шаблона СКС кскс. Ниже приведены параметры для СКС Байера

1Bayer

~ [g ^Bayer ~ DFT[hBayer] - - [

Fr + 2 FG + FB

Fr-FB Fr - Fc + FB

FC2 J

На рисунке 1а показано расположение мультиплексных компонент в частотной области для СКС Байера.

/Ъ

6

Рисунок 1 — Анализ причин возникновения цветовых муаров на изображении при СКС Байера

В работе проведено обобщение универсального алгоритма интерполяции для произвольной СКС. Показано, что если происходит наложение спектров мультиплексных компонент (рисунок 1 а) то при восстановлении изображение будет содержать цветовые муары. На рисунке 16, в представлены оригинальное

изображение и изображение после применения универсального алгоритма для СКС Байера. Для повышения разрешающей способности и уменьшения вероятности наложения спектров необходимо максимально разнести мультиплексные компоненты друг от друга.

Известных методик, позволяющих в полной мере оценить виляние СКС на качество формируемого ТВ камерой изображения, автору не известно, поэтому в данной главе был произведен их синтез.

Для анализа влияния СКС на интенсивность цветовых муаров, возникающих в процессе формирования изображения, была предложена методика оценк помехоустойчивости ТВ камеры к цветовым артефактам. В качестве тестового изображения использовались зоны Френеля, позволяющие наглядно оценит расположение спектров в частотной области. Далее, согласно используемой СКС производится дискретизация и интерполяция входного изображения. Цветовы артефакты оцениваются как сумма квадратов цветоразностных сигналов вычисленных согласно Рекомендации 1Т1}-Н ВГ601-6.

Для анализа влияния СКС на разрешающую способность ТВ камеры был' предложена следующая методика. После дискретизации тестового изображени (зоны Френеля) анализируемой СКС, производится восстановление полноцветног изображения. За разрешающую способность в заданном направлении принимаете максимальная пространственная частота, на которой не происходит превышени амплитуды цветоразностных сигналов заданного уровня ±Д. При сравнительно анализе уровень Д должен быть одинаковым для всех рассматриваемых СКС.

Для оценки влияния СКС на чувствительность ТВ камеры была предложен следующая методика. В соответствии с полученными выражениями рассчитываютс относительные уровни видеосигнала в пикселах для цветного ФП (иа,10Г,) монохромного (ивяд-

(.ЛтахЛ ■ Ф'Ш ■ в (Л) ■ т, (Л) • г/я(Л)<1Л Г.Ята'Л ■ Ф'(Л) • в{Х)йЛ

_ Лушп_ .. _ _АтЫ_

I — —а ' — а-»

/Г1" А- Ф'(Я) ■ б (Я) ■ те (Я) ■ г,„(Л)<и Ф'(Л) ■ б (Я) ■ тс(Л) ■ тт(Л)йЛ

лтт лтт

где Ф (Я) — нормированная спектральная плотность энергетической освещенности у(Я) - кривая видности зрительного анализатора; Лтт...Лт1М - диапазон спектрально чувствительности фотоприемника; 0(Л) - квантовая эффективность монохромног ФП; т,(Л) — коэффициент пропускания /-го кодирующего светофильтра, т№ (Л) коэффициент пропускания фильтра ИК-отсечки, / — определяет спектрапьны диапазон (Я - красный, С - зеленый, В - синий, ¥е - желтый т.д.). На рисунке 2< представлены относительные уровни сигналов при использовании в качеств источника света АЧТ с цветовой температурой в диапазоне от 1500 К до 10000 К дл> СКС Байера.

отн.ед. Р(Т)

1500 3500 5500 7500 9500

а Т,К б

Рисунок 2 - Анализ чувствительности ТВ цветной камеры

В соответствие с относительными уровнями сигнала для каждой анализируемой СКС формируется изображение, эквивалентное равномерно освещенному полю источником белого света с заданной цветовой температурой. К данному изображению прибавляются шумы с заданным уровнем СКО, математическое ожидание принято равным нулю. При сравнительном анализе различных СКС необходимо, чтобы СКО шума было идентичным для всех рассматриваемых СКС, при этом конкретное значение СКО шума не имеет значения. После этого к сформированному изображению применяется универсальный алгоритм интерполяции, а затем алгоритм баланса белого. Коэффициенты усиления кк и кв рассчитываются в каналах красного и синего, канал зеленого принимается за опорный. В яркостном канале сформированного изображения оценивается СКО шума. На рисунке 26 представлен зависимость проигрыша Р(Т) по чувствительности, выраженной в дБ, цветной ТВ камеры с СКС Байера по отношению к черно-белой ТВ камере.

На основе разработанных методик был проведен анализ влияния десяти наиболее известных СКС на чувствительность, разрешающую способность и помехоустойчивость к цветовым артефактам. Было выявлено, что ни одна из используемых на данный момент СКС не обеспечивает существенного и одновременного повышения всей триады параметров ТВ камеры, определяющих на качество изображения.

Предложена система параметров для оценки свойств различных СКС, а также на ее основе разработан алгоритм синтеза СКС с заданными параметрами, что не было сделано ранее другими авторами. Отличительной особенностью разработанного алгоритма является:

• возможность задания не только начальных ограничений, но и постепенное использование новых, что позволяет значительно сократить количество анализируемых шаблонов СКС (с 1045 до 30, для СКС с размером шаблона 4x4) и фактически контролировать качество изображения, получаемое при использовании той или иной СКС;

• Высокая скорость работы алгоритма - поиск СКС среди 1045 варианте шаблонов занимает 3-5 машино-часов.

Разработанным алгоритмом были синтезированы несколько ранее известных литературе СКС, что подтверждает правильность методик анализа СКС и работь алгоритма.

В третей главе проведен анализ причин возникновения вертикального смаза МПЗС со строчным переносом. Показано, что оптимизация архитектуры пиксел' позволяет достичь уровня вертикального смаза до —130 дБ. Однако в некоторы случаях данного ослабления оказывается недостаточно. Проведен анали существующих программных методов компенсации вертикального смаза и отмече ряд общих недостатков, таких как неприменимость их для цветных ФП неустойчивая работа алгоритмов при нахождении ярких объектов на границ фоточувствительной области ФП, недостаточный диапазон значений вертикальног смаза, который может быть компенсирован.

В данной главе предложен метод компенсации вертикального смаза в цветны ТВ камерах, отличительной особенностью которого является адаптивная селекц вертикального смаза и блюминга в видеосигнале с темновых строк ФП, чт< позволяет исключить некорректную компенсацию вертикального смаза пр нахождении яркого объекта на границе фоточувствительной области ФП и те самым повысить устойчивость ТВ камеры к световым перегрузкам. Кроме того, дл уменьшения влияния фотонного шума алгоритм предусматривает усреднени сигналов темновых строк, на основе которых формируется видеосигн вертикального смаза.

Проведен анализ причин возникновения разброса параметров выходны устройств ФП. Несмотря на то, что в общем случае свет-сигнальная характеристик ФП имеет нелинейный характер, для задачи минимизации видимой глазу человек границы раздела областей ФП (рисунок 3), ее можно аппроксимировать линейно функцией

SoutW1 = levelк + Gk ■ Е, где к — номер выходного устройства, levef - аддитивная составляющая (уровен черного), Gk- мультипликативная составляющая (крутизна каскада транзисторо емкость плавающей диффузионной области), Е - освещенность. Отмечено, чт известные методы компенсации имеют существенные недостатки, среди которы можно отметить необходимость проведения калибровок, перекрытия световог потока, накопления статистических данных по условиям эксплуатации, значительны ресурсы на таблицы преобразования.

В данной главе предложен метод компенсации разброса параметров выходных устройств ФП отличительной особенностью которого является

вычисление аддитивной Д levelk

составляющей и мультипликативного коэффициента коррекции AGk только на основе статистического анализа

изображения.

Параметры Aleve? и AG рассчитываются исходя из того предположения, что при любой освещенности Е на ФП (при равномерном его освещении), видеосигналы с двух соседних областей равны S^ut(E) = S%ut(Ey, или

level1 + G1 ■ Е = level2 + Дlevel2 + G2AG2 ■ E.

Предложенный алгоритм не требователен к вычислительным ресурсам, что позволяет использовать его в ТВ камерах высокой и сверхвысокой четкости, а также за счет увеличения количества обрабатываемых кадров до 50-100 и в условиях низкой освещенности

В четвертой главе проведены компьютерное моделирование и экспериментальные исследования предлагаемых методов повышения качества изображения, формируемого цветной ТВ камерой.

С помощью разработанного алгоритма синтеза были получены несколько ранее не известных СКС. Главной задачей синтеза являлось поиск СКС, которые бы обеспечивали одновременное повышение всей триады параметров ТВ камеры, определяющих качество формируемого изображения. На основе предложенных в главе 2 методик, а также на тестовых изображениях с различным сюжетом проведена сравнительная оценка параметров синтезированных СКС с известными. На рисунке 4д изображена СКС, обеспечивающая наилучшие суммарные показатели, СКС Байера (рисунок 4а) и ряд изображений получаемых в результате их использования.

Проведенное моделирование показало, что синтезированная СКС в среднем (в диапазоне цветовых температур АЧТ от 1500 К до 10000 К) повышает чувствительность ТВ камеры на 4,5 дБ по сравнению с СКС Байера (рисунок 46, е), обеспечивает разрешающую способность по зонам Френеля, эквивалентную черно-белой ТВ камере (рисунок 4в, ж), а также значительно повышает помехоустойчивость ТВ камеры к цветовым артефактам, вызванных наложением спектров как на тестовых изображения (зоны Френеля - 60 дБ), так и на реальных изображениях (текст) (рисунок 4г, з). Ни одна из известных СКС не обеспечивает столь значительного суммарного повышения качества изображения.

Рисунок - 3 Изображение, полученное МПЗС с двумя выходными устройствами

>EFGHI J KLMNOPQj i j к I mnopq r s t u

IDE FGHI J KL MNOP i j к I mn a p q г s t u

г

■ ИМШИИИ JEFGHI J KLMNOPQ ^HHIHHH i j к I mnopqrst u'

ЯИш-!дЙД :DEFGHI J KL MNOP:

lr ' i ^ I mriap-qrstu

3

e ж

Рисунок 4 - Сравнительный анализ синтезированной СКС по сравнению со СКС Байера '

Также были проведены экспериментальные исследования разработанногс алгоритма компенсации вертикального смаза в МПЗС со строчным переносом. Н; рисунке 5а показано изображение полученное ТВ камерой высокого разрешена СТЗ-КТА, разработанной в рамках ОКР в ОАО «НИИТ», без использована, предложенного метода. В проведенных исследованиях амплитуда вертикального смаза достигала 70% от сигнала насыщения. Предложенный алгоритм эффективна компенсировал данный артефакт. При этом общая яркость формируемог изображения возрастает (рисунок 56).

Разработанный метод компенсации вертикального смаза был внедрен в серий» выпускаемое изделие МОК-001 в интересах ОАО «ЛЗОС». Данная ТВ камер работает в широком диапазоне освещенностей (от 10"3 лк до 105 лк) бе использования объектива с автодиафрагмой. На рисунке 5 в показано изображени участка тестовой таблицы при освещенности на объекте 105 лк без применена предложенного алгоритма. Значительный вертикальный смаз существенно с нижа контраст изображения, а также распознавание объектов. Использовани предложенного метода (рисунок 5г) позволило сохранить разрешающую способност в 500 твл и избежать деградации качества изображения при высокой освещенности.

Предложенный алгоритм компенсации вертикального смаза, в отличие о известных методов, позволяет применять его как при использовании цветных, так черно-белых ФП, в ТВ камерах с большой скоростью формирования данных и пр значительных уровнях смаза (до 90% от уровня насыщения видеосигнала).

- - ЩЩЩ 4 Ш 1

^ >13

Рисунок 5 - Экспериментальное исследование разработанного метода компенсации

вертикального смаза

Было проведено компьютерное моделирование предложенного метода компенсации разброса параметров выходных устройств ФП при СКО шума от 0 до ОД на наборе тестовых изображений с различным сюжетом. Полученные результаты показали, что ошибка компенсации уровня видеосигнала г при любом значении СКС шума значительно ниже порогового контраста Д зрительного анализатора человека (рисунок 6). е,%

5

На рисунке 7 приведен участок опорного тестового изображения 1т, при двух значениях СКС 0 и 0,1. Видно, что граница раздела двух областей ФП отчетлива видна. После применения разработанного

алгоритма компенсации при е=0,1% границу раздела зрительным анализатором человека различить не удается. При е=5% и СКО=0 граница раздела отчетливо видна на объектах с малым градиентом изменения яркости (небо), но уже при СКО=0,1 граница раздела маскируется шумами ФП.

! ' """" т........ .....~

Л V—»

1 ; "У* 1—1 С" "

Л 8 1

...♦;..?..1__ —1—1— _1—

Рисунок 6 - График ошибки определения коэффициента поправки от СКО шума

СКО

1т - Опорное изображение К-~0 85

1т* - Обработанное изображение £-0.1%

1т* - Обработанное изображение £-5.0%

шума

Рисунок 7 - Компьютерное моделировани алгортма разброса параметров выходных устройств ФП

Предложенный метод, в отличие от известных, позволяет использовать его дл компенсации разброса параметров выходных устройств цветных ФП, он н требователен к вычислительным ресурсам (возможно его применение в ТВ камера: стандартов ТВЧ и УТВЧ), не требует проведения калибровок и накоплени статистических данных об условиях эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В заключении обосновывается внутреннее единство решенных зада1 отмечается личный вклад автора в их решение. Заключение содержит выводы п! диссертации, содержащие конкретные количественные показатели эффективност разработанных методов, подтверждающие решение поставленных задач и служащи обоснованием положений выносимых на защиту.

По диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Разработана модель формирования изображения в цветной ТВ камере н ФП с произвольной СКС, которая, в отличие от известных, позволяе произвести как субъективную, так и объективную оценку передаваемог изображения;

2. Разработаны методики объективной оценки разрешающей способное™ помехоустойчивости и чувствительности цветных одноматричных Т камер с произвольной СКС, что не было сделано другими авторам Данные методики позволили не только произвести сравнительный аналк существующих СКС, но и сформулировать ряд требований и параметро которым должны удовлетворять СКС для повышения качеств изображения.

3. Разработан алгоритм синтеза СКС, которые обеспечивают повышенк чувствительности, разрешающей способности и помехоустойчивости

артефактам цветной ТВ камеры, а также синтезированы несколько ранее не известных СКС. Одна из них позволяет достичь разрешающей способности цветной ТВ камеры по зонам Френеля сопоставимой с черно-белой ТВ камерой, а также повысить чувствительность ТВ камеры на 4,5 дБ и значительно снизить интенсивность цветовых артефактов по сравнению с СКС Байера;

4. Разработан алгоритм компенсации вертикального смаза в цветных ТВ камерах работающих в условиях большой освещенности (до 105 лк) или при наблюдении ярких объектов.

5. Разработан алгоритм компенсации разброса параметров выходных устройств цветных ФП с СКС Байера. Моделирование данного алгоритма показало, что после компенсации перепад яркости на границе раздела областей ФП при любом сюжете изображения и при СКО шума до ОД минимум в 2,5 раза ниже порогового контраста зрительного анализатора человека.

Результаты работы использованы в разработках ОАО «НИИТ», ОАО «ЛЗОС», ЦНИИ РТК, в НИР СПбГЭТУ о чём имеются акты внедрения.

Разработанные методы повышения качества изображения формируемого цветной ТВ камерой позволяют решить задачи, намеченные в федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России» на 2014-2020 года.

Совокупность сделанных выводов и научных положений позволяет утверждать, что поставленная в диссертации цель достигнута, а задачи решены в полном объеме.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Баранов П.С. Чувствительность цветных одноматричных телевизионных камер [Текст] Баранов П.С., Козлов В.В., Манцветов A.A. //Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2012. Вып. 1. С. 58-71.

2. Баранов П.С. Управление режимом накопления в твердотельных фотоприемниках [Текст] / Умбитапиев A.A., Цыцулин А.К., Манцветов A.A., Козлов В.В., Рычажников А.Е., Баранов П.С., Иванова А.В // Оптический журнал вып.11. Том 79. 2012. С. 84-92.

3. Баранов П. С. Статистический метод устранения разброса параметров выходных устройств фотоприемника [Текст] / Баранов П. С//. Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. Вып. 2. 2013. С. 80-89.

4. Баранов П. С. Анализ характеристик телекамер на фотоприемниках с произвольной структурой кодирующих светофильтров [Текст] / Баранов П. С // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. Вып. 1. 2014. С. 80-89.

Патенты

5. Баранов П.С. Устройство формирования изображения // Быков P.E., Барано П.С. Заявка №2013128843/07(042936) 2013 г.

Другие статьи и материалы конференций:

6. Баранов П.С. Управление накоплением видеоинформации в твердотельны фотоприемниках [Текст] / Баранов П.С., Иванова A.B., Манцветов A.A., Умбиталие A.A. // Тез. докл. 9-ой Международной конф. "Телевидение: передача и обработк изображений", СПб, 2012 г. с. 15-18.

7. Баранов П.С. Метод компенсации анизотропии видеосигнало фотоприемника с параллельным считыванием в реальном времени. [Текст] / Барано П.С., Сергеева Е.Ф. // Тез. докл. 9-ой Международной конф. "Телевидение: передач и обработка изображений", СПб, 2012 г. с. 134-135.

8. Баранов П.С. Специальные телевизионные камеры со сверхмалым времене экспозиции [Текст] / Баранов П.С., Иванова A.B. //. сбор, докладов науч.-тех. школы семинара «Инфокоммуникационные технологии в цифровом мире». 2012 г. С. 5-7

9. Баранов П.С. Интерполяция цветных изображений на основе анализа спектральной плоскости [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. научно-тех конф. СПб НТОРЭС, СПб, 2013 г. С. 240-241

10. Баранов П.С. Представление и анализ изображения, фильтрованного CFA, частотной области. Синтез CFA. [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. 10-о Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СП 2013 г. с. 93-95.

П.Баранов П.С. Выбор структуры цветных кодирующих светофильтров дл повышения чувствительности [Текст] / Баранов П.С., Драк О.Т. // Тез. докл. 10-о Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СП 2013 г. с. 14-16.

12. Баранов П.С. Методы компенсации вертикального смаза в телевизионны камерах на матричных ПЗС [Текст] / Баранов П.С. //. Тез. докл. 10-о Международной конф. "Телевидение: передача и обработка изображений", СП 2013 г. с. 26-28.

Подписано в печать 13.10.14. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 133.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5