автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Повышение различимости телевизионных изображений

ИНСТИТУТ точной МЕХАНИКИ и оптики

РГ Б ОД

I ; На правах рукописи

СИМКИН Борис Эдуардович

УДК 621.397

ПОВЫШЕНИЕ РАЗЛИЧИМОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Специальность 05.11.0? - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на со искание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1994 г.

Работа, выполнена р Научно-исе.чедоъ&талъохои институте телевидения в Санхт-Петербурге

Официальное оппоненты:

- доктор технических наук, профоссор ЛЕБЯДЬКО Е. Г.

- доктор технических наук, профессор ХРОМОВ А, И,

- доктор технических наук, профессор ГОРЕЛИК С. Л.

Бздуцая организация: НЯИКА "ПРОГРЕСС"

Защита состоится "....".............. 1S9 г. я.,...,часов

5ía заседании специализированно, о Совета Д 053.26.01 при Институте точной иеханики и оптики в Санкт-Петербурге rio адресу 197101, Санкт-Петербург, Себ/шнсхая ул. 14.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке института. Автореферат разослан "...."...............189 г.

Учений секретарь к .т.н., доцент

КРАСАВЦЕВ В. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность пробзеии. Для увеличения информативности полутоновых изображений при реазнки широкого спектра зрительных задач, возникающих в телевидении, от обнаружения отдельного . пятна или края до распознавания объектов сложной формы, необходима предобработка, делаюцая изображения более устойчивыми к помеха»-, и искажен .ям и обеспечивающая повышение их различимости наблюдателем, оператором или ¿^шифровщиком, получающим I цеоин-формаци».

Вопросами повышения различимости изображений, а также совершенствования методов и устройств предобработки видеоинформации занимаются на протяжении более, чем полувека при этом основным источником идей были и остаются новые знания о пороговых характеристиках, механизмах и особенностях обработки видеоинформации зрительной системой человека. В период пика исследований предварительной обработки изображений в зрительной системе - в 40 -60 годы уровень электронной течники не обеспечивал возможности реализации сколько-нибудь сложных алгоритмов пространственно-временной обработки, что отрицательно сказалось И на дальнейшем развитии работ в этом направлении. Благодаря прогрессу в электронике возможности осуществления сложных алгоритмов обработки неизмеримо выросли, однако уровень знаний и теоретических представлений о получателе видеоинформации остается по-прежнему недостаточным для определения наиболее эффективных методов повышения различимости полутоновых телевизионных изображений.

Основным препятствием является отсутствие теории различимое-* ти телевизионных изображений. Наибольшие затруднения в создании необходимой теории связаны с тем, что не имеется достаточно пол ной Функциональной модели получателя видеоинформации,'воспроизводящей основные пороговые характеристики зрения, оппеделяющие различимость малоконтрастных изображений в пространственной, пространственно-частотной, яркостной и временной областях. Наличие такой модели позволило бы на едином функциональном уровне проектирогать телевизионную систему целиком,, включая получателя видеоинформации.

Диссертация посвящена решению этой актуальной проблемы.

Критерием повышения различимости как простых, так и сложных

объектов является уменьшение пороговой величины перепада яркости (инкрементного порога) объекта в передаваемом изображении при наблюдении его на телевизионном экране. Как показал анализ литературных источников, большинство исследователей не идет дальше качественных миделей и Формализованных описаний пороговых характеристик зрения, что, как правило, исключает возможность оптимизации и оценки эффективности обработок изс&ражений на ранних этапах проектирования ТВ систем. При этом устройства обработки изображений по помехоустойчивости и требуемому динамическому диапазону не позволяют обеспечить предельных возможностей и уступают раиенив аналогичных задач зрительной системой.

Сложность проблемы обусловлена пятью причинами:

- отсутствием теории различимости полутоновых изображений, необходимой для проектирования телевизионных систем;

- отсутствием концепции или подхода, приводящих к построению достаточно полной Функциональной модели получателя видеоинформации, воспроизводящей основные пороговые характеристики зрения в яркстной, пространственной, прост т'нственно-частотной и временной областях;

- отсутствием необходимых экспериментальных данных, характеризующих влияние основных локальных параметров изображений ( ярхостных и пространственных характеристик границ об-ьектов, включая параметры .»онграстирующих яркостных выбросов ) на различимость объектов и эаметность возникаюцих при предобработке искажений;

- малой изученностью возможностей повышения различимости изображений при решении задач передачи и воспроизведения видеоинформации в телевидении;

- отсутствием высокоинтегрированной проблемно ориентированной элементной базы, позволяющей практически осуществить эффективную пространственную или пространственно-временную обработку телевизионных изображений.

Дель работа. Построение основ теории различимости ахроматических полутоновых изображений и принципов технической реализации повышения различимости изображений в телевидении на основе создания функциональной пороговой' модели получателя видеоинформации.

Задачи исследование

• анализ современного состояния проблемы по основным ее аспектам (пороговые характеристики зрения, модели получателя видеоинформации, .способы повышения- различимости ТЗ 'изображений, предобработка изображений в реальном Времени);

- изучение пороговых харг.ктеристик зрения при изменении локальных параметров телевизионных изображений;

- синтез пороговой функциональной модели получателя I»дезинформации;

-.исследования по изкекзнк» возможностей повышения различимости телевизионных изображений при ограниченном динамическом диапазоне;

- разработка вопросов практического осуществления устройств п?-эдс5рабогки изображений з реальном времени, в тем числе разработка высскоинтегрирозакнсй специализированной элементной :;ази.

Научная новизна работа.

Научная кезизна диссертации состоит в тем, что впервые реаекы следуяаие • задачи:

- теоретически и экспериментально исследовано влияние ссн^знкх локальных параметров изображений на различимость сленгов;

- разработана пороговая функциональная, модель получателя видеоинформации, воспроизводящая и объясняющая основные пороговые характеристики ахроматического зрения, а также основные законы и феномены - зрительного восприятия, и зпер-Еые позволяющая проектировать телевизионные системы и устройства обработки изображений с учетом особенностей зрительного восприятия человека на функциональном уровне,' а такте оцениват: различимость передаваемых изображений; теоретически и экспериментально обоснован выбор локальных параметров, обеспечивающий необходимое повышение- различимости телевизионных изображений при незаметности привносимых искажений и ограниченном динамическом диапазоне;'

- предложен принципиально новый способ обработки изображений, обеспечивающий повызение более, чем в 10 раз помехсустой-

нивости Формы границ объектов в изображениях при ограниченном динамическом диапазоне;

- предложен антропоморфный способ обнаружения перепадов яркости в изображениях, позволявший более, чем в 16 раз повысить помехоустойчивость по сравнению с известными контурными операторами;

- предложены технические решения специализированной микроэлектронной элементной базы д ля систем обработки изображений в реальном бремени, обеспечивающие минимизацию энергопотребления и позволяющие болев, чем на порядок повысить уровень интеграции без ужесточения требований к технологическим процессам.

Практическая ценность.

Практическая ценность диссертации определяется следующим:

- методика проектирования телевизионных систем на основе разработанной пороговой функциональной модели получателя видеоинформации обеспечивает возможность учета основных характеристик зрительного вооприятия в яркостной, пространственной, пространственно-частотной и временной областях при выборе параметров систем и способов обработки видеоинформации, а также оценки различимости изображений на ранних этапах проектирования;

- выявление дополнительных резервов повышения различимости полутоновых изображений, а также увеличения помехоустойчивости форм|Л объектов позволило предложить способы их осуществления на основе управления локальными параметрами изображений с учетом синтезированной модели получателя видеоинформации, обеспечивающие увеличение помехоустойчивости более, чем в 10 раз;

- предложенный антропоморфный метод обнаружения перепадов яркости в изображениях позволяет повысить помехоустойчивость выделения Контуров более, чем в 16 раз;

- предложенные научно-технические решения, позволили разработать новую элементную базу, предназначенную для осуществления сложных методов пространственно-временной предобработки изображений в реальном времени, обладающую более широкими функциональными возможностями, а также повышенными ■экономичностью н уровнем интеграции.

PoäJHsamtx результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы использованы э НИИ Телевидения Санкт-Петербурга при разработке прикладных телевизионных систем: при выборе реаимов передающих трубок И элементов систем, при выборе методов предобработки изображений и разработка устройств обработки сигналов изображений, при создании новой элементной базы для устройств '■ пространственно-временной обработки изображений, а также в КПФ "Электроника и видеосистемы", Санкт-Патрбург, при создании контрастора для медицинских рентгэно-телезизионных диагностических комплексов. Благодаря использованию результатов работы повыиена чувствительность уникальных прикладных телевизионных систем более, чем в 3 раза, а разрезающая способность при контрасте 0,2 - 0,3 доведена до уровня, соответствующего единичному контрасту. Разработанный на основе .результатов диссертационных исследований локальный контрастор позволил повысить информативность рентгено-телезизионных изображений, увеличить точность диагностики, сократить время исследования, уменьшить в 2-4 раза дозу облучения, заменить дефицитные серебросодержацие кино и фото материалы менее качественным бессеребряным материалом без потерь полезной информации.

Личный в.клпд автора в разработку проблемы. Основные научные положения, экспериментальные результаты и теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Апробация работы.

Апробация основных результатов была проведена на слодувцих Всесоюзных, международных и межрегиональных конференциях:

- 1-е Всесоюзное совещание по физическим принципам создания молекулярных устройств ;:паирния и переработки информации. Одесса, 1988.

- III Всесоюзная конференция: Автоматизированные системы обработки изображений (АСОИЗ-8В), 1989, Санкт-Петербург;

- IV Всесоюзная конференция: Математические методы распознавания образов (MMP0-IV). 1880, Рига.

- Межотраслевой ct-мчнар! Проблемы создания систем обработки, анализа и распознав?.!-:;'.;' изображений. 1383, Ташкент.

- IX Всесоюзная' конференция; Проблемы нейрохИбернетики. 1889, Тостов-на-Дону,

- Всесоюзная .научно-техническая конференция : Проблемы И перспективы развития телевидения. 1591, Санкт-Петербург.

- XXV Европейская конференция по зрительному восприятии, 1831, Вильнюс.

-•Межотраслевая 'научно-производственная конференций: развитие и.совершенствование телевизионной техники. 1631, Льаов.

- Международный симпозиум по нейронным сетям и нейрокомпьютерам, 1992, Рэстов-на Дону.-

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся б 88 научных работах, из которых:

- 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения;

- 27 статей б научно-технических сборниках и журналах;

- 17 материалов научно-технических конференций;

- 1С отчетов по НИР и ОК?,

£я/чипе положения и результаты, выносимые нв защиту,

1, .Метод-.проектирования 'телевизионных систем на основе раз--раСотанной пороговой функциональной модели получателя видеоинформации впервые обеспечивает:

- учет основных пороговых характеристик зрения человека в ярксстной, пространственной, пространственно-частотной и временной областях, а также основных законов зрительного восприятия и феноиенов;

- возможность оценки различимости разноразмерных объектов при известной ширине зоны размытия границ на произвольном яркостксм фоке при заданном времени экспозиции, в том числе при наличии шума;

- возможность оценки разрешающей способности ТВ систем о учетом ограничений зрения;

- возможность оценки локальной чувствительности ТВ систем, сквозной Передаточной характеристики, а также числа различимых градаций яркости с учетом зрительных порогов;

- Возможность оценки эффективности контрастирующих предобработок изображений с учетом характеристик яркостных выбросов, а

также оценки эаметнссти возникающих при этом искажений;

- возможность оценки различимости Формы . объектов как при отсутствии, так и при наличии контрастирующих предобработок.

2. Результаты исследований закономерностей порогового восприятия телевизионных изображений показывают, что:

- при расширении Фронта яркостных пёреходов (зоны размытия границ) вплоть до найденного критического значения прямое влияние расширения границ на порог обнаружзнкя пренебрежимо мало, при дальнейшем расширении фронта происходит резкое увеличение порога, что не воспроизводится'существующими дифференциальными моделями выделения контуров в зрительной системе ни при каких условиях;

- при переходе к адаптированным угловым размерам зависимость нормированной величины инкрементного порога от размера объекта оказывается инвариантной' к яркости адаптации, найденная закономерная связь воспроизводит законы пространственной суммацин -»' Рикко, Пипера, а также феномен отсутствия суммацин;

- при значениях яркости адаптации 1'. ..200 кд/м2 в диапазоне изменения адаптированной величины локальной яркости до 100 крат пороговый локальный контраст приблизительно постоянен, ■ а амплитудная, характеристика зрительной системы может быть выражена логарифмической функцией;

- .¿меются резервы для дополнительного повышения различимости разноразмерных объектов на основе локального усиления перепадов яркости с образованием яркостных выбросов, а также варьирования локальным фон-м, при обеспечении незаметности вносимых при этом искажений;

- для угловых и локальных формообразующих элементов объектов зависимость порога различения этих элементов от их размера соответствует аналогичной зависимости для порога обнаружения равновеликих с формообразующими элементами объектов;

- при наличии на границах перепадов яркости выбросов, размах которых возрастает при уменьшении локального радиуса границы ("радиальные" выбросы), обеспечивается возможность снижения порога различения■ формообразующих элементов объектов более, чем в 10 раз, бодьпеГо, чем при обычных ("линейных") выбросах..

3. Предложенные методы локальной предбработки изображений обеспечивают:

- возможность управления различимостью разноразмерных объектов в полутоновых изображениях при незаметности связанных с этим искажений при ограниченном динамическом диапазоне звеньев передачи сигналов изображений;

- увеличение чувствительности ТВ систем, а также разрешающей способности при малом контрасте в случае отсутствия лимитирующего влияния помех - более, чем в 10 раз;

- увеличение помехоустойчивости изображений без расширения динамического диапазона звеньев ТВ систем, при снятии известных ограничений на увеличение числа различимых градаций яркости;

- возможность увеличения помехоустойчивости Формы объектов более, чем в 10 раз;

- возможность дополнительного ослабления шума канала связи в 3 - 4 раза;

- увеличение помехоустойчивости обнаружения границ объектов более, чем в 18 раз по сравнению с известными дифференциальными контурными операторами,

4. Предложенные научно-технические решения позволяют повысить уровень интеграции элементной базы более, чем на порядок, упростить, сделать более экономичным, а также удешевить практическое осуществление систем предобработки изображений в реальном времени.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, двух частей основного материала, заключения, списка литературы и приложений.

Первая часть, посвященная анализу проблемы, изложена в пяти глазах.

Вторая часть, в которой представлены результаты собственных исследований автора, состоит из четырех разделов.

Первый раздел содержит основные результаты экспериментальных исследований (главы В - 6).

Второй раздел, посвященный синтезу функциональной пороговой модели получателя видеоинформации, изложен в 9 - 12 главах.

Третий раздел, в котором представлены результаты изучения возможностей повышения различимости изображений, изложен в

13 - 16 главах.

Четвертый раздал, посвященный вопросам практической предобработки телевизионных изображений, изложен а 17 - .20 главах.

Диссертация содержит 250 страниц текста,.85 страниц рисунков, 29 страниц списка литературы из 315 наименований, 16 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты, определены научная новизна, практическая ценность и область применения результатов исследования, приведены сведения об апробации работы и изложена ее структура.

В первой части, являющейся в основном обзорной, представлена структура проблемы и краткая характеристика состояния

ее основных аспектов, обоснозаны и конкретизированы задачи исследования, приведены самые необходимые сведения по исследуемым вопросам. В том число даны основные определения, касающиеся зрительных порогов и методов их измерения, представлены важнейшие пороговые характеристики различимости телевизионных изображений и методы их определения, описаны оснозные типы теоре-ических моделей получателя видеоинформации, рассмотрены известные способы повышения различимости телевизионных изображений, а также системотехнические аспекты практического осуществления устройств предобработки телевизионных изображений в реальном времзни с учетом современных концепций и технологических возможностей и ограничений.

В первой и второй главах представлены основные результаты изучения' пороговых характеристик зрения человека и их теоретическая интерпретация. В перзой главе изложены методоло; .ческие, концептуальные и фактологические основы порогов чувствительности зрительной системы человека. Ео второй главе представлены наиболее важные ' экспериментальные результаты по пороговым характеристикам различимости сложных изображений и их интерпретация.

Показано отсутствие функциональных моделей для целого ряда важнейших пороговых характеристик зрения, в том числе для

феномена снижения порога при увеличении размеров объектов (закон Пипера) И при изменении локальных характеристик изображений. Не имеется подели, воспроизводящей взаимосвязь между пороговыми характеристиками зрения в пространственной и пространственно-частотной областях, а также модели, воспроизводящей пороги различения формы объектов. Недостаточно данных, характеризующих влияние локальных параметров на различимость телевизионных изображений, в том числе локальной яркости (при известном состоянии адаптации), иирины и формы зоны размытия границ и параметров яркостных выбросов на границах объектов.

В третьей главе представлен краткий анализ основных теоретических концепций и моделей получателя видеоинформации. Показано, что единой пороговой функциональной модели получателя видеоинформации, обеспечивающей воспроизведение основных пороговых характеристик зрения в пространственной, пространственно-частотной, ярхостной и временной областях, не имеется.

В четвертой главе описаны основные известные способы повышения различимости изображений, их возможности и ограничения. Показано, что согласование параметров изображений с пороговыми характеристиками зрения, как правило, не обеспечивается. Эффективность многих способов лимитируется ограниченностью динамического диапазона звеньев тракта передачи и хранения видеоинформации. Основная трудность повышения различимости телевизионных изображений путем целенаправленной оптимизации методов предобработки, изображений и параметров ТВ систем в процессе их проектирования состоит в отсутствии адекватной Пороговой модели получателя видеоинформации.

В пятой главе рассмотрены основные архитектурные решения систем предобработки телевизионных изображений в реальном времени, а также технологические возможности и перспективы практического осуществления. Развитие микроэлектронных технологий вызвало к жизни целый ряд архитектурных решений, целями которых является упрощение аппаратной реализации конкретных алгоритмов. Вместе с тем практическое осуществление сравнительно сложных методов пространственно-временной обработки изображений в реальном времени все еще остается проблематичным, одна

из основных причин состоит в отсутствии проблемно ориентированной элементной базы.

В настоящее время На имеется пксокоинтегрирсванной экономичной элементной базы для лредпроцессорных преобразований, обеспечивающей согласование информационных потоков с учетом специфики временной структуры телевизионного сигнала с одной стороны и архитектуры видеопроцессоров с другой. Отсутствует и экономичная унифицированная высокоинтйгрироланная элементная база • для пироко используемых при предобработке изображений процедур таких, например, как- пространственная Фильтрация в реальном времени. В настоящее время появились технологические процессы ККОЯ и ЕиКМОП технологий с проектными нормами 0,5-0,3 мкм, пригодные для создания такой элементной базы.

Во второй части представлены результаты собственных исследований автора, изложенные з четырех разделах.

и & р з и Л размел посвящен экспериментальным исследованиям. Эксперименты проследовали две основные задачи. Необходимо было определить либо уточнить малоизученные пороговые характеристики получателя видеоинформации, отсутствие которых затрудняло или делало невозможным синтез модели, Кроме того необходимо '"ыло оценить эффективность предлагаемых методов повышения различимости изображений. Представлены результаты исследования отдельных пороговых характеристик пс/ ..'чателя видеоинформации, в том числе зависимости инкрементного порога от резкости границ и формы яркостных пароходов, от размеров формо-, образующих элементов границ объектов., а также характеристик» локальной чувствительности. Представлены результаты исследования порогов восприятия обработанных изображений в части влияния параметров локального усиления перепадов яркости на поре, и обнаружения объектов и появления пластических искажений, а также пороги различения формы объектов.

В .шестой главе рассмотрены методические аспекты проводивиихся исследований. Взиду сложного характера распределения яркости тестовых изображений практически во всех экспериментах, сигналы изображений формировались с помощью разработанных автором специализированного телевизионного датчика свето:г-;,'.' стимулов и трехканального измерительного диапроектора, позжг

для этой цеди - был приспособлен телевизионно-вычислитель-ный комплекс. Из известных методов измерения сенсорных порогов был выбран современный вариант метода константных стимулов -метод "да-нет" как наиболее подходящий с учетом возможности минимизации ошибок, связанных со случайным угадыванием, а также машинной обработки данных. Применялись два варианта чередования пустых и стимуяьных проб: по■времени ив пространстве. Отличие обработки данных от общепринятой состояло в том, что перед определением эмпирического среднего полученные пороговые значения нормировались индивидуально для каждого наблюдателя.

Седьмая глава посвящена исследованию отдельных Пороговых характеристик получателя телевизионной информации.

Для изучения влияния резкости границ на пороговый контраст кп обнаружения объектов было взято тестовое изображение, представляющее собой однородное по яркости квадратное поле, расположенное внутри другого (фонового) и отделенное 'от него плавным яркостями переходом. Яркость фона изменялась в переделах от 1 до 100 кд/ма , угловая ширина фронта 9гр варьировалась в пределах от 1 угл. минуты до 5 угл, градусов.

НаЯдоНо, что при увеличении ширины фронта до угловых размеров объекта ^д происходит Приблизительно одинаковое увеличение порога в 1,5 - 2 раза независимо от размера объекта (рис. 1) вплоть до критической

величины

= %

«р 1

Увеличе-

ние У^р сверх критической величины при обнаружении объектов размером > Фкр приводит к резкому увеличению порогового контраста, независящему от размера оъекта. Критическая величина <Рдр не

Рис, 1

зависит от размеров объектов и при увеличении яркости адаптации возрастает, в зависимости от. вцбранного критерия она от 2^ до

раз превыпает размер'зоны полной пространственной суммации.

увеличение порога вызывается

При размерах объектов ^ < ^р

не прямым, а опосредованным влиянием размытия границ, связанным с изменением размеров и перепада яркости, прямое влияние расширения фронта на инкрементный порог наступает только при Ч^ > . Влияние вариации формы яркостных переходов на порог обнаружения пренебрежимо мало.

Полученная экспериментальная зависимость инкрементного порога от ширины фронта ни при каких условиях не воспроизводится известными дифференциальными моделями выделения контуров в зрительной системе и требуют иной теоретической интерпретации.

Для уточнения зависимости порога различения перепадов яркости от локальной яркости экрана кинескопа при установившемся состоянии адаптации в качестве тестового изображения был взят полутоновой ступенчатый клин, который предъявлялся на однородном адаптирующем фоне частями с временем экспозиции менее 0,1 с

Найдено, что диапазон локальных яркостей, в котором инкрементный порог приблизительно пропорционален локальной яркости, а пороговый локальный контраст постоянен, составляет около 100 крат.

Для исследования порогов различения формообразующих элементов границ объектов в качестве тестовых изображений были взяты малоконтрастные изображения квадратов. В одном случае у одного из двух квадратов вводилась нитевидная деформация стороны, в другом случае - деформация углов. В сигнал изображений вводился аддитивный квазибелый гауссов шум. Найдено, что зависимость нормированной величины порога различения формообразующих элементов границ (зон деформации сторон и углов квадрата) от размеров этих элементов более, чем в кратном диапазоне соответствует аналогичной зависимости для порога обнаружения равновеликих с формообразующими элементами объектов.

Восьмая глава посвящена исследованию порогов восприятия обработанных изображений. Экспериментально изучалось влияние характеристик яркостных переходов при наличии выбросов на различимость объектов простой формы разных размеров, а также на появление заметных искажений. Найдено,-что при увеличении относительного размаха и ширины контрастирующих локальных яркостных выбросов порог обнаружения уменьшается; одновременное увеличение ширины выбросов и размеров объектов в

одно и то же число раз оставляет 'относительное снижение порога практически без изменений. Наибольшей эффективностью снижения порога обнаружения и повышения помехоустойчивости изображений объектов в диапазоне размеров обладают выбросы с широким спадам (косинусоидальным и треугольным). Выбросы с узким спадом (одноэлементным и экспоненциальным) влияют преимущественно на различимость малоразмерных деталей. При уменьшении перепада яркости пороговый относительный допустимый (пороговый) размах выбросов возрастает, кроме того, при расширении спада выбросов восприятие искажений как ложных контуров ослабляется. Это позволяет, во-первых, скорректировать нормы на переходную характеристику видеотрактов ТВ систем с учетом зависимости от локального контраста, во-вторых повысить эффективность контрастирования, введя адаптацию параметров выбросов к локальному контрасту.

Экспериментально изучалось влияние параметров локального усиления перепадов яркости на пороги различения формы объектов. Наибольшее снижение порога различения малоразмерных формообразующих элементов границ получается при "радиальных" выбросах, отличающихся тем, что их размах увеличивается при уменьшении локального радиуса границы объекта. При "радиальных" выбросах с гиперболическим спадом порог различения нитевидной деформации и деформации угловой зоны при уменьшении ее площади в 256 раз увеличивается не более, чем в 1,5 раза (при отсутствии выбросов - приблизительно в 16 раз).

Второй раздел посвящен синтезу пороговой функциональной модели получателя видеоинформации и ее исследованию.

Изучение известной зависимости порогового зрения, связывающей три основные характеристики: перепад яркости объекта, его размер и яркость однородного адаптирующего фона, не имевшей прежде модельного объяснения, позволило выявить простую закономерность и дать ей функциональную интерпретацию. В основу объяснения лег принцип адаптационной нормировки угловых параметров объектов, наблюдаемых получателем видеоинформации, и предложенная многоканальная модель пространственной обработки изображений, описанных адаптированными угловыми величинами. Новый подход оказался единственным, обеспечивающим обоснованное воспроизведение известных экспериментальных данных на функцио-

нальном уровне.

Применение принципа адаптационной нормировки также к другим параметрам изображений позволило достичь удовлетворительного воспроизведения пороговых характеристик зрения в пространственной, адаптационно-яркостной, пространственно-Частотной, временной и локально-яркостНой областях. Всесторонний учет результатов позволил синтезироват функциональную пороговую модель Получателя видеоинформации.

В разделе представлены преобразующие и пороговые '.функций модели, а также результаты изучения пределов ее адекватности. Приведены, теоретические оценки различимости изображений, полученные на основе модели, в■том числе при наличии шума, при размытии границ, при 'использовании локальных контрастирующих предобработок. Приведена оценка различимости Формы объектов, обеспечиваемая моделью. Дано объяснение воспроизводимого моделью феномена обмена разрешающей способности на чувствительность при установившемся состоянии адаптации. Представлены также теоретические оценки характеристик телевизионных систем, определяющих различимость изображений, в том числе локальной чувствительности, сквозной передаточной характеристики, числа различимых градаций;яркости и разрешающей способности. '

В девятой главе изложены результаты обработки извес ных экспериментальных данных, приведшие к выводу о возможности разделения влияния яркости адаптации и размеров объектов на порог обнаружения. Предложен принцип адаптационной нормировки параметров изображений, на основе которого получено уравнение инкрементного порога с мультипликативно разделяющимися переменными. Представлено описание преобразований калоконт-растных изображений в функциональной пороговой модели получателя телевизионной информации.

В результате изучения и преобразования известных эмпирических зависимостей иькрементного порога от размеров объектов и от яркости адаптации при неограниченном времени экспозиции и однородном адаптирующем фоне (Блэквелл, ЗидентопФ, Вейгель и Кнолль в обработке В.В. Мешкова, а также Мун и Спенсер) было найденс, что, если при определении размеров наблюдаемого объекта перейти от общепринятой угловой меры к адаптированной

0д = ¡¿^ /^отСпР^»^ " нормализованной в зависимости от яркости адаптации Св , то иккрементный порог может быть описан произведением двух функций 10 А (Ц,) 5Д (8Д), где 5д - функция пространственного накопления, зависящая только от адаптированной величины размера объекта, А - Функция адаптационного ослабления сигнала, зависящая только от яркости адаптации, -абсолютный порог световой чувствительности. Получены, аналитические описания для функций ^(бд) и ., а также для нормирующая функции р(1-й) - адаптации угловых размеров, найдены значения параметров, ' обеспечивающие минимизацию СКО.

Полученное уравнение

*А(е> 0 + е,/ед)й со

представляет собой универсальный закон, устанавливающий связь между размером объекта, выраженным в адаптированных угловых единицах, и кккременгным порогом в диапазоне изменения яркости адаптациии свыше 9 порядков (рис. 2), и обобщающий известные законы пространственной суммации (Рикко, Пипера).

Основным фактором,.интег-

рирующим влияние пространст» венных характеристик объек- 5 >а (кд/м^)

тов, времени экспозиции. # <> - «»

яркости адаптации и локальной о - 10*

яркости на порог. • является яркость адаптации. Иной Формы :ог .V 4- - 10«

взаимного влияния параметров 0 - 1 ю-4

на порог, не опосредованного ♦

через яркость адаптации, не ■ - ю-г

наблюдается. Принцип адапта- 10 * - ю-3

ционной нормировки, парамет- * - 1(Г*

ров был применен тахже по V*

отношению к времени экспоэи-. ции X и к локальной ярко- ♦ « у» к . * - темповая адаптация

сти Ц . разделение пороговых функций» оказавшееся I а

возможным При переходе от

обычных пространственных, * 10 юг

временных и яркестных харак- Рис. 2

■ in

теристик изображений к адаптированным (б, Т, Л)

приводит к уравнении инкрементного по?ога

А Ц - Ц А (La) С (т) л (М й fS) Р (р). (2 >

где С(Т) - функция временного накопления, Л(Л) - Функция локального ослабления сигнала, Р(р) - пороговая Функция вероятности обнаружения. Получены аналитические.описания ДЛЯ пороговых Функций, найдены значения параметров, обеспечивающие минимизацию скэ.

• Пороговая модель nc-..учателя видеоинформации - представлена состоящей из семи Функционально самостоятельных подсистем: преобразсзателя "свет-сигнал",', системы адаптационного.ослабления сигнала, системы временной обработки, . системы амплитудной обработки, системы пространственной обработки, подсистемы,, управлявшей адаптацией ярксстных, временных и пространственных параметров изображений, а также подсистемы, определяющей состояние адаптации (рис. 3), Получены преобразующие характеристики-для систем модели. ■

Уг.рлллвхио адалтьшоюыь лреэ&р&эоааюьа ларейвтгча иэсЛраженлй

Рис. 3

Функциональная схема базового модуля ядра системы пространственной обработки модели (рис. 4) представляет собой, совокупность каналов, состоящих из интегро-дифференциального фильтра и детектора пространственных экстремумов. Выходы каналов под-

Линейные Детекторы Пороговый

Фильтры. локальных хояпаратор

пространственных эхстрекумов

рис. 4

ключены к пороговому решающему устройству. Фильтры имеют сину-ооподобную весовую функцию д^ ("0^,13^) (рис. 5), отличающуюся в разных каналах значениями четырех параметров; , , и коэффициентом усиления, равным 1 / Б/.

Рис. 5

Д е с я т а я. глава посвящена праз^рке модели. Показано, что в области яркости адаптации модель воспроизводит: абсолютный световой порог, флуктуационный закон, закон Вебера, а также

■1 л

Феномен увеличения порогового хонтраста при > 10 кд/м . Б пространственной области модель воспроизводит все основные законы пространственной суммации (Е'икко, Пипера и прекращение суммации) и впервые Дает закону Пипера Функциональное объясне-

ние. Модель впервые воспроизводит Феноменальные зависимости порога от соотношения сторон прямоугольного объекта. Во временной области модель воспроизводит законы Блоха-Шарпантье и Блонделя-Роя.

Модель впервые устанавливает количественные соотношения между пороговыми характеристиками в пространственной и в пространственно-частотной области с учетом яркости адаптации (рис. 6). __

Модель воспроизводит эксперимен- ' 10 «г««8/"»*

тальну» зависимость инкрементно- Рис. £

го порога от локальной яркости и яркости .фона о случае их независимого изменения, соответствующего сложным телевизионным изображениям, в том числе подтвержденное нами экспериментально равенство

0,1

0,01

К (*)

А(х) х

(3)

выполняющееся на интервале 0,1 <Л < 10, подобное закону Вебера установленному для адаптационного контраста.

В одиннадцатой главе исследуются пределы инвариантности пороговых функций адаптированных параметров. Показано, что ошибка гипотезы инвариантности описания (1) в пороговом измерении не превышает СК0 нормализованной величины инкрементного порога в функции адаптированного аргумента при изменении яркости адаптации более, чем в 109 раз. Причем, вид функции р (1Л) согласуется с известной эмпирической зависимостью размера зоны полной оуммации рецептивных полей сетчатки от яркости адаптации.

Для функции С (Т) свойство инвариантности соблюдается во всем диапазоне яркостей от темновой адаптации до значений, превышающих 103 кд/м2. Полученное уравнение Функции адаптации временных интервалов ^('-д) имеет отклонение от экспериментальной зависимости в пределах 2Х, что позволяет приблизительно на порядок повысить точность учета временного Фактора по сравнению с известным эмпирическим уравнением А. В. луизова.

длг. боковых ветвей функции К (а) при 10 < А < 0,1 ошибка гипотезы инвариантности' близка к погрешности эксперимента Керна. Ошибка соотношение (3) : на интервале 0,3 < Д. < 3 ке ■ превышает 15%, £ на интервале 0,1 < А, < 10 не более 30% на краях интервала,

Ургвнзние функции вероятности Р(р) » полученное нами на оснор& обобщения результатов опытов Блзквелла, Раутиана и Пинегана, зирско .используемых ь светотехнических расчетах, Также удовлетворяет гипотезе инвариантности.

3 д вен ад ц а г о й главе представлэны тесротичес-кие оценки различимости телевизионных изображений и расчетные соотношения, ислученные на основе предложенной модели получателя бидеокнформацяя, а также результаты сравнения с имеющимися Экспериментальными данными. модель, воспроизводит пороговые характеристик*»; визуального' ебнаружемиг. объектов на шумовом фоне, г. том числе объекта -в виде пространственной син/ссиды при аддитивном квазибелом, гауссовом шуме, а также при узкополссном ауме, впервые дано теоретическое объяснение Феноменальному результата, полученному Хромовым и Регннцм при этих условиях.

' Модель впервые -воспроизводит зависимость порога ст иирины зоны размытия границ объектов, включал феномен слабого влияния размытия.края на • порог. При выделении границ модель учитывает размеры плоцадей, окаймляемы.'; или' разделяемых границам;! и воспроизводит их влияние на порог зрительного ейяаружения.

На основе модели получены.расчетные соотношения, позволяющие определять локальную чувствительность телевизионных систем, сквозную .передаточную характеристику, число различимых градаций яркости,"а также разрешающую способность.

■ Модель впервые воспроизводит и объясняет Феномен обмена разрешающей способности на чувствительность при установившемся состоянии адаптации, воспроизводит пороги различения объектов при использовании предобр.зоток типа локального контрастирования, воспроизводит пороги различения формы объектов.

7 р е г к й раздел посвящен изучению возможностей предобработок: телевизионных изображений в контексте модели получателя видеоинформации. 3 нем излагаются основы структур-

ного подхода к коделяровани» изображений, согдесуюиегося с модель?? получателя, дана теоретическая интерпретация ухудшению различимости формы и визуальной деградации изображений при уменьшении контраста к аакумденяи. Представлены.- результаты исследования возможностей уяучяения различимости разноразмерных объекте» посродством соответствующего управления локальной яркость», а также параметрам^ локального Усиления перепадов яркости с образованием ярхсстных выбросов на границах объектов.. Приведены результат« исследования возможностей повызани!* Помехоустойчивости формы объектов, В ТОН числа .путем ЙЕЗДС.'НИЯ зависимости локального усиления перепадов- яркости от радиуса кривизны границы. Представлены результаты медвлирпзгния антропоморфного метода помехоустойчивого обнаружения перепадов яркости, реализующего принципы предложенной, модели получателя видеоинформации.

В тринадцатой главе; предложен структурный подход к моделировании изображений - в .контексте предложенной пороговой Функциональной модели получателя • гидесинформации, позволяющий воспроизвести' я объяснить механизм визуальной деградации изображений, возникающей при уменьшении контраста и росте зашумления. Показано, что при уменьшений контраста и увеличении зазунления изображения минимальный различимый радиус кривизны границ возрастает, что воспринимается как деградация изображений. На основе модели получено уравнение для расчета Минимального различимого радиуса кривизны границ. Показано, что для увеличения помехоустойчивости формы объекте: необходима контрастируищая предобработка, при которой усиление перепадов яркости в разных точках границ объектов производится с учетом зрительных порогов.

Четырнадцатая глава посвящена изучению возмо±^ ностой улучшения различимости разноразмерных объектов путем оптимизации параметров передаваемых изображений с учетом модели получателя видеоинформации.

Чувствительность телевизионных систем определяется в основном локальной яркость», а Не яркфетьй адаптации. Рекомендуемое телезрителям и операторам увеличение внешнего освещения, снижающее утомляемость зрения, вплоть до десятикратного практически

не повлияет на различимость малохоктрастных объектов, если это не сопровождается подсветкой экрана и бликами.

Показано, что обработкой изображений, обеспечивающей уменьшение локальной яркости при неизменней величине перепадов яркости, можно достичь увеличения чувствительности телевизионных систем более, чем в 10 раз, при этом могут стать различимыми перепады яркости, составляющие 1:1000 от величины яркости адаптации, таким образом может быть реализован Феномен сверхчувствительности, представляваийся прежде парадоксальным результатом отдельных опытов.

обработкой изображений, обеспечивающей уменьшение локальной яркости при неизменной величине перепадов яркости, можно достичь увеличения разрешающей способности при ладом контрасте более, чем в 10 раз.

Управляя размахом, шириной и Формой яркостных выбросов с учетом пороговой-модели получателя видеоинформации можно избирательно управлять: различимостью и помехоустойчивостью малоконтрастных объектов в требуемом диапазоне размеров. Параметры выбросов могут быть выбраны таким езразом, чтобы обеспечить Незаметность вносимых при этом искажений, в частности ложных контуров. Предобработка изображений, базирующаяся на этом принципе, не требует расширения динамического диапазона звеньев телевизионных систем и снимает известные ограничения на число различимых градаций яркости. Получены расчетные уравнения.

П я т н а д ц а т ая глава посвящена изучению возможностей улучшения различимости формы объектов. Управляемое уменьшение Локальной яркости . позволяет уменьшить минимальный различимый радиус кривизны границ объектов сложной Формы и улучеить различимость формы.'

Для выравнивания порога различения формы в зависимости от локального радиуса границ необходимо увеличивать размах яркост-ных выбросов при уменьшении локального радиусе в обратной пропорции по отношению к порогу. Предложен метод радиус-зависимого усиления перепадов яркости, позволяющий увеличить помехоустойчивость Формы объектов более, чем в 10 раз (рис. 7):

Без предобработки "Линейные" выбросы "Радиальные" выбросы

Рис. 7

В шестнадцатой главе рассмотрены возможности повышения помехоустойчивости автоматического обнаружения перепадов яркости на основе использования принципов преобразования изображений в системе пространственной обработки предложенной модели получателя видеоинформации. Антропоморфный метод обнаружения перепадов яркости, реализующий принципы модели, позволяет увеличить помехоустойчивость обнаружения перепадов яркости более, чем в 16 раз по сравнению с известными контурными операторами (рис. 8).

Четвертый раздел посвящен вопросам практического осуществления предобработки телевизионных изображений в реальном времени. В нем рассмотрены возможности и ограничения простых одномерных предобработок, представлена классификация предпроцессорных преобразований телевизионных сигналов и требования к элементной базе, рассмотрены примеры практического осуществления систем предобработки изображений на имеющейся элементной базе, в которых реализованы результаты диссертационных исследований, рассмотрены порученные автором функциональные решения специализированной элементной базы для предпроцессорных преобразователей и процессорных модулей, а также предложенная схема автоматизированного процесса проектирования специализированной элементной базы для систем обработки изображений с учетом модели получателя видеоинформации.

«1?5Н Г 1

- и—' • . ■ ■ ^

I

я. •

Антропомор-

фный метод | |

■!Г

1_

(

I

и:

Рис. 8

В семнадцатой главе рассмотрены возможности и ограничения одномерных предобработок; предложена классификация предцроцессорных преобразований сигналов изображений (ППСИ) и определены требования к элементной базе. Показано, что возможности одномерной реализации локального контрастирования ограничены появлением ложных границ, заметность таких искажений можно уменьшить введением регулируемого ослабления яркостных выбросов с увеличением контраста с учетом найденных пороговых зависимостей.

В во-семнадцатой главе представлены примеры праетичесжого осуществления систем предобработки изображений на

имеющейся элементной базе. Ввиду проблематичности осуществления устройств предобработки в двух измерениях. в реальном времени из-за отсутствия высокоинтегрированной специализированной элементной базы, изыскивались компромиссные роаекия, обеспечивающие удовлетворительные результаты яри одномерной обработку а такхз с использованием эффекта пространственной фильтрации в передающей трубке.

Представлен разработанный автором на основе результатов диссертационных исследований лекальный контрастор рентгено-теловьзионных изображений "ЛОККОНТ". Применение призора в диагностических медицинских комплексах позволило увеличить помехоустойчивость изображений более, чем в 3' раза и обеспечить проработку изначально неразличимых малоконтрастных структур в условиях помех я искажений, вносимых при видеозаписи и регистрации изображений. В результате повысилась точность диагностики, сократилось минимально необходпмоз время исследования и в 2-4 раза доза облучения, повысилось качество, расширилась сфера применения видеозаписи, где обычно использовалась киносъемка, с сокращением потребления сэребросодержащих материалов. Прибор выпускается серийно . НЛФ "Электроника и сидеосисте-кы".

Представлено разработанное автором на основе результатов диссертационных исследований устройство предобработки изображений с ' использованием эффекта пространственной фильтрации в видиконе, наыедиве применение в прикладных телевизионных системах. Использование устройства позволило повысить уровень чувствительности системы более, чем в 3 раза, а разрешающую способность при контрасте ',2-0,3 довести до уровня, соответствующего единичному контрасту. Это устройство внедрено в НИИ Телевидения в С-Петербурге.

Автором разработано устройство селекции перепадов яркости, реализующее предложенный в диссертации антропоморфный метод. Это устройство также использовано в телевизионной аппаратуре, разработанной в НИИ телевидения, получено дополнительное практическое подтверждение его высокой помехоустойчивости.

Представлен предложенный автором способ ослабления пука канала связи на основе синтеза изображений на приемной стороне с использованием выбросов с плавным спадсм, параметры которых

устанавливаются с учетом найденных пороговых зависимостей.

В девятнадцатой глазе в кратком изложении представлены результаты исследований и разработок автора по созданию специализированной элементной базы для предпроцэссор-иых преобразований в .системах пространственно-временной обработки изображений в реальном времени. Основная цель исследований состояла а обеспечении вирэких функциональных возможностей с учетом "требований экономичности и высокой интеграции. Ввиду распространенности- в ПЙСИ режима инкременгного доступа исследованы возможности использования для этих целей приборов с переносом зарядов (ППЗ )

.Обоснована атратагич выбора параметров . ППЗ накопителей, обеспечивающая минимизация энергопотребления ППСИ. Обоснован выбор архитектура ППСИ и предложены технические решения, позволяющие болей, чем на порядок увеличить уровень интеграции и снизить себестоимость изделий. Предложен способ'и техническое рсвение. для реализаций широкодиапазонной задер.-.к:; сигналов в ППЗ структурах и ППСИ не, их основе.

Результаты использованы и НИОКР, проводимых в НИИ Телевидения в С-Петербурге и а'НИЙМА "Прогресс" (Москва).

Д з а д ц' а т а.я глава посвящена разработке БИС для предобработки изображений.. В кратком изложении представлены полученные автором системотехнические решения ЕИС, позволяющие упростить и сделать болео экономичным осуществление пространственной предобработки телевизионных изображений в реальном времени. Предложена изоморфная пс отнесению к Модели получателя экономичная иеЙр.онно - сетевая пирамидальная конструкция для предобра!отки изображений в реальном .времени. Предложена двсично-многоуровневая конструкция • пространственных фильтров, позволяющая увеличить уровень интеграции устройств предобработки изображений приблизительно в 20 раз по сравнению с цифровыми . аналогами . Предложена скорректированная схема автоматизированного процесса проектирования СБИС-систек для предобработки изображений с учетом модели получателя. Результаты внедрены в НИОКР, проводимых НИИ Телевидения, С-Петербург.

ЗАКЛЮЧЕНИИ

Основный научным результате!- диссертации, а также наиболее важным теоретическим ее результатом является разработка Функциональной пороговой недели получателя видеоинформации, в основа которой лежит принцип яркостной адаптации локально-яркост.чых, пространственных и временных параметров изображений и которая впервые воспроизводи? основные пороговые- характеристики зрения в яркостной, пространственной, зрострааственно-час-тоткой и временной областях, а также ссновке» тако.чч и феномены зрительного восприятия. В результате разработаны теоретические основы различимости ахроматических полутоновых изобрахтний, благодаря чему впервые при проектировании систем передачи и обработки изображений основные пороговые характеристики зрения могут быть учтены на едином Функциональном: уровне с характеристиками элементов систем.

Наиболее важным частным теоретическим результатом является вывод об инвариантности к яркости адаптации зависимости нормированной величины инкрементного порога от адаптированной величины размера объекта. Уравнение этой зависимости, соответствующее предложенной Функции пространственного накопления, воспроизводит основные законы пространственной суммации, включая закон Риххо, закон Пипера и феномен прекращения суммации, и справедливо в диапазоне яркостей адаптации, превышающем 9 порядков.

К важным частным теоретическим результатам относятся также следующие:

- впервые получено уравнение, устанавливающее взаимосвязь между инкрементным порогом и основными параметрами изображений и соответствующее функциональной модели получателя видеоинформации ;

- получены уравнения преобразующих и пороговых функций модели получателя видеоинформации, обеспечивающие воспроизведение экспериментальных данных в диапазонах изменения параметров, соответствующих условиям наблюдения телевизионных изображений на экранах кинескопов;

- впервые установлены количественные ссотнопения между

пороговыми характеристиками получателя видеоинформации в пространственной области и в пространственно-частотной области с учетом яркости адаптации;

- впервые дано функциональное объяснение феномену обмена разрешающей способности на чувствительность при установившемся состоянии адаптации;

- впервые получена теоретическая интерпретация феноменальной зависимости порога обнаружения пространственной синусоиды на Фоне узкополосного щума от частоты синусоиды (феномен Хромова-Ресина) ;

- впервые получено теоретическое объяснение изменению порогов различения объектов при размытии границ с учетом площадей, окаймляемых или разделяемых границами;

- впервые- получена теоретическая интерпретация зависимости инкрементного- порога от локальной яркости и яркости окружающего фона при одновременном их изменении;

- впервые да«о Функциональное объяснение феномену сверхчувствительности: при уменьшении адаптированной величины локальной яркости происходит увеличение чувствительности зрительной систем» более, чем в 10 раз при этом могут стать различимыми перепаду яркости, составляющие 1:1000 от величины яркости адаптации (по'сравнению с 1:1С0 - 1:150 в условиях однородного адаптирующего Фона, нехарактерного для телевизионных изо5ражзниЯ>;

- впервые получена функциональная интерпретация зависимости разрешающей способности от локальной яркости и контраста, включая феномен увеличения 'разрешающей способности более, чем в' 10 раз' при малом контрасте при уменьшении адаптированной величин'.: локальной яркости;

- впервые теоретически воспроизводятся пороги различения объектов при'локальном усилении перепадов яркости, сопровождающемся образованием выбросов Па границах;

- впервые ;чна Функциональная теоретическая интерпретация порогам различения формы объектов;

- получены изоморфные.варианте пространственных преобразований в модели получателя видеоинформация, позволяющие создать экономичные нейронко-сетевые конструкции устройств предобработки изображений б реальном времени.

Наиболее важным экспериментальным результатом диссертации является вывод о незначительности прямого влияния расширения Фронта яркостных переходов при размытии границ на инкрементный порог вплоть до критического значения, в - 25 раз (з зависимости от выбранного критерия) превышающего размер зоны полной прэстракс гззнной суммации и независящего от р.-.змероз объектов-. Этот результат, ни при каких условиях не -'воспроизводящийся известными дифференциальными моделями выделения контуров, потребе г. ::..г радикального пересмотра функциональной модели пространственных преобразования изображений в зрительной системе.

Наиболее важным частным экспериментальным результатом является подтверждение гипотезы о том, что при значениях яркости адаптации 1... 200 кд/м5 пороговый локальный контраст приблизительно постоянен, а амплитудная характеристика зрительной системы в диапазоне изменения адаптированной локальней яркости вплоть ;:о 100 крат может быть выражена логарифмической функцией.

X важным частным экспериментальным результатам откосятся Также следующие:

- влияние Формы распределения яркости в зоне размытия грэ.чиц на инкрементный порог пренебрежимо мало по'сравнению с влиянием аирины Фронта;

- при увеличении относительного размаха и сирины яркостных выбросов на границах объектов порог обнаружения уменьшается;

- при уменьшении перепада яркости пороговый относительный размах выбросов, при котором обеспечивается незаметность искажений, возрастает, а при расширении зоны _спада выбросов их восприятие как искажений ослабляется; .

.- варьируя размахом, шириной и формой яркостных выбросов, можно избирательно управлять различимостью малоконтрастных Объектов з требуемом диапазоне тазмеров при обеспечении незаметности вносимых искажений;

- зависимость порога различения простых формообразующих элементов объектов от их размера соотвотствует аналогичной зависимости для порога обнаружения объекта, равновеликого с

.Формообразующим элементом;

- при "радиальных" выбросах, отличгюг-хся тем, что их

■•зг

размах при уменьшении локального радиуса кривизны границы возрастает, порог различения Формообразующего элемента при уменьшении его площади в 2" раза увеличивается не более, чем в 1,5 раза ( при отсутствии выбросов приблизительно в 16 раз).

Наиболее важными практическими результатами является разработка способов и устройств обработки изображений/ в том числе:

- предложенный способ контрастирующей предобработки изображений с использованием адаптации параметров яркостных выбросов к параметрам изображения обеспечивает возможность увеличения чувствительности ТВ систем и увеличения помехоустойчивости полутоновых изображений более, чем в 10 раз без расширения динамического диапазона звеньев систем;

- предложенный антропоморфный метод обнаружения перепадов яркости в изображениях, реализующий принципы функциональной Пороговой моде-и получателя видеоинформации, обеспечивает

■ увеличение помехоустойчивости обнаружения границ объектов более, чем в 16 раз по сравнению с известными дифференциальными контурными операторами;

- предложенный метод предобработки изображений с использованием "радиальных" выбросов обеспечивает увеличение помехоустойчивости формы объектов более, чем е 10 раз.

К важным частным практическим результатам относится использование полученных автором научных результатов в КИОКР, в том числе:

- разработка принципиально нового устройства предобработки изобраке '.ИЯ а реальном времени ЛР-113, позволившего , повысить уровень чувствительности прикладных телевизионных систем более, чем в 3 раза, а разрешающую способность при контрасте 0,2 - 0,3 довести до уровня, соответствующего единичному контрасту, ( обрг^цы устройства изготовлены НИИ Телевидения и поставлены заказчикам);

- разработка локального кснтрастора рентгено-телевизион-• ных Изображений "Л0КК0НТ-2", обеспечивающего проработку., изначально неразличимых малоконтрастных структур в условиях помех и искажений, вносимых при видеозаписи и регистрации (увеличение

помехоустойчивости составляет еолзо» чем 3 раза и кз лимитируется динамическим диапазоном пкдеотракта); использование конт-растсра в диагностических медицинских комплексах Н301С0К, З^ЕНЕЯЗ и других Фирм позволило сократить время и повысить точность диагностики, уменьшит:, дозу облучения в 2-4 раза, отказаться от использования дорогостоящих' серевроссдержащих фотоматериалов (выпускается ПЛ? "Электроника И'видеосистемы");

- учет предложенной модели получателя видеоинформация при проектировании передающей прикладной тедевизионноЯ аппаратуры ЛР-100, а результате чего были пересмотрзнц тре^овзьич к передающей теле-биэиоиной трубке и к средствам обработки изображений, что позволило улучиить передачу мзлоконтрасгнкх деталей (образцы аппаратуры л?-100 изготовлены НИИ Уе^эгидзкия и поставлены заказчику);

- учет предложенных з диссертации новых научно-технических решений при разработке специализированной элементной базы для прэдпррцеесорных преобразователей и видеопроцессоров для систем пространственно-временной обработки. изображений в реальном времени (темы "Пума-Питон", "Агат-гн", "Ясмб-Н", НИК Телевидения), что позволило повысить уровень интеграция разработок ¿елее, чем 10 раз без ужесточения требований к технологии и сократить энергопотребление.

3 итоге диссертационной работы исследовано влияние локальных параметров изображений на различимость объектов, выполнено теоретической обобщение экспериментальных денных, и в результате резона крупная научная проблема, ' имеющая существенное значение для те-левидеь.'.я, - впервые синтезирована пороговая Функциональная модель получателя видеоинформации, учитывающая и 'объясняющая основные пороговые характеристики, законы и феномены зрения человека, чем обеспечены возможности теоретической оценки различимости ахроматических телевизионных изображений и совершенствования методов поьыяекия различимости, реализованные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ! ПУБЛИКАЦИИ

1. Симиии В. Э, О зрительном обнаружении деталей изображения при изменении охрана Фронта перепада яркости. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1077, вып. 1, С. 103111.

2. Симкин Б. 3, Модель зрительного обнаружения перепадов яркости в изображении. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения1878, аып. 1. с. 40-48.

3. симкин- Б. -Э.• влияние выбросов на границах яркостных переходов на различимость деталей•в телевизионных изображениях !: появление пластических исхажеиий. Техника средств связи. Сэр. Техника телевидения. 1584, зып5, С. 18-26.

4. Симкин 3. 3. 0 закономерной связи между основными Параметрами и явлениями зрительного обнаружения. Техника средств связи.. Сер. Техника телевидения. 1985, вкл. 4, С. 3446.

5. Симкин Б. 3. Математическое описание пространственной частотной характеристики зрения на ис.чове модели обнаружения перепадов яркости. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1986, вып. 5, С. 75-64.

6. Симкин Б. 3. Закономерности зрительного обнаружения при ограниченно!'! времени экспозиции. Техника средств ссязи. Сер. Техника телевидения. 1337, рыг. -1, С. 47-55.

7. Симкин З.Э. Системотехника экономичных БИС ка.г(1. >-;ых ЗУ для телевидения высокой четкости на основе приборов с переносом зарядов. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1888, вып. 6; с. м-5В.

8. Симкин Б. Э. Локальная контрастная чувствительность получатели -„'¿дооинформации. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, вып. Б, С. 16-26.

3. СяиУк-л В, 3.. Передаточке.« характеристика зрительной системы, техника средств са$;зи. Сер. Техника телевидения. 1089, вып. 6, С. 2"-22.

10." Симкин Б. Э. Антропоморфная функциональная модель предобработки и анализа изображений.- Межотраслевой семинар': Проблемы создгьяя систем обработки, анализа и распознавания

изображений. 1888, Ташкент. Тезисы докладов, Ч. 2, С. 87-88.

11. Симкин Б. Э. Пороговые функциональные подали зрительного обнаружения пространственных границ объектов. Сенсорные системы. 1889, Т. Э, Н 4, С. 430-440.

12. Скмкин 5. Э. Функциональная медаль предобработка видеоинформации в зрительном анализаторе человека. IX Всесоюзная конференция: Проблемы нейрокиберкетики. '-18Э8, Ростов-на-Дону. Тезисы докладов, С. 389-330.

13. Скмкин Б. Э. Различимость перепадов яркости -в сюжетных изображениях. Сенсорные системы. 1933, Т. 3. К 4, С. 395-401.

14. Симкин Б. 3. Нейронная сеть для антропоморфных систем помехоустойчивой локализации пространственных границ объектов, IV Всесоюзная конференция; математические методы распознавания образов (KMP0-I7). 1600, Рига. тезисы докладов, Ч. XV, С. 130182.

15. Симкин Б. Э. Различимость градаций яркости при установившемся состоянии адаптации. Техника кино и теловидения. 1209, N 11, С. 19-25.

16. Симкин Б. Э. особенности системотехнического проектирования элементной базы для аппаратуры обработки изображений. III Всесоюзная конференция: Автоматизированные системы обработки изображений (АС0ИЗ-89), 1989, Санкт-Петербург. Тезисы докладов, С. 178-177.

17. Симкин Б. Э. Автоматизация распознавания Изображений в условиях дефицита памяти. Межвузовский сборник: САПР БИС -Проблемы разработки и применения.- И.: МНЭТ, 1990, С. 171-173,

18. Симкин Б. э. Итгерпретация порогоз различения формы многоканальной моделью зрительного обнаружения перепадов яркости; Сенсорные системы. 1990, Т. 4, Н 4, С. 367-396.

19. Симкин Б. Э. Снижение порогов зрительного-обнаружения объектов в изображениях посредством локального контрастирования. Сенсорные системы. 1990. Т. 4, N 4, С. 379-386.

20. Симкин Б. Э. К теоретическим основам различимости изображений. Всесоюзная научно-техническая конференция: Проблемы и перспективы развития телевидения. 1961, Санкт-Петербург. Тезисы докладов, С, 75.

21. Симкин Б. 3. Пороговая модель по;"чателя телевиэион-

кой информации. Межотраслевая научно-производственная конференция: Развитие м ссзерсекствование телевизионной техники. 1991, Львов, Тезисы докладов. С. 57,

22. Siakir. В.. Е. Algorithms о; iaage coding in я. visual eyster. an interpretation of the thresholds cf detection and cf shape cS incr iininat ion. 14-th European Conference on Visual Perception. 1931, Vilnius. Perception, 1931, V. 20, P. 21.

23. Симкин E. Э. О Динамической амплитудной характеристике зрительной системы.' ■Всесоюзная научно-техническая конференция: Проблемы к перспективы развития телевидения, 1DS1, Санкт-Петербург. Тезисы докладов, 0.'-75-7-5.

24. симкин 5. Э. Быстрая лохальйо-яркостная адаптация при наблюдении телевизионных изображений. Межотраслевая Ньучно-производстгэкна.-; конференция " Развитие и соЬераеистгование телевизионной технихи'.', Львов, 1S81, .С. 61-32.

25. Siskin В. Г. . Antropcmcrphic - .neuro-preproct,'--sÍR¿ for visual Interfax*. 2RNHS/ISEE 'Syspósiui, cn Neural Infori.&txos and Neural Coiaputers. Rostov. Den, 1D32, V.l, P. 203-218.

25. симкин S. Э. Управление порогами различения формы объектов в полутоновых изображениях. Сенсорные системы. 1SS3, Т. 7, N 2, С. 40^-5-1.

27.. Симкин Б. Э. Пороговое функциональное моделирование получателя сидеоинформации, Часть 1: Преобразующие и пороговые Функции. Техника кино и .телевидения,-'.1993, N 7, С. 33-42.

28. симкин Б. Э, ' Пороговое функциональное моделирование получателя видеоинформации. Часть 2: Прогностические способности модели. Техника кино и телевидения, 1SS3, N 3, С. 35-43.

23. Сикхин Б. 3. Сб определении ■ требований к качеству передачи и ¡госпроизведения фронтов деталей изображения. XII отраслевая конференция МУиО НПСС, 1S72, Ленинград. Тезисы докладов, С. 15-25 .

30. Тай а К., -симкин Б. Э. Телевизионный датчик световых стимулов. Вопросы•радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 1973, вып. 1, С. 68-75.

31. Симкин в. Э., Тайц У. И. Обработка изображений посредством добавления на границах деталей выбросов яркости. Техника кино и телевидения, 1S75, N 12, С, 36-38,

32. Валик И. Л,, СИмкин Б. Э. Возможности повышения эффективности аппаратурного анализа изображений. Техника средств связи. Сер, Техника телевидения, 1978, вып. 5, с. 59-65.

33. Баяндин В. Д., Симхин Б. Э. Проблема создания предпро-цассорных преобразователей сигналов изображений з реальном масштабе времени. Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1386, вып. а, с. 43-50.

34. Симхин Б, Э, Методологические аспекты проектирования систем обработки изображений в реальном времени на основе специализированных СБИС. Кежзузозский сборник: САПР.БИС - Проблемы разработки и применения.- М.; МИЭТ, 1990,.С. 18-23.

35. Симкин Б. Э, Системотехнические вопросы создания антропоморфных устройств предварительной обработки изображений на основе молекулярной элементной базы. I Всесоюзное совещание по физическим принципам создания молекулярных устройств хранения и переработки информации и электронной структуре молекул. 1998, Одесса, Тезисы докладов, С. 231-239.

36. Баяндин Б. Д., Симхин Б. э. Организация и основные характеристики кадровой видеопамяти на специализированных БИС. III Всесоюзная конференция: Автоматизированные системы обработки изображений ( АСОИЗ-89 ), 1988, Санкт-Петербург, Тезисы докладов. С. 176.

37. А. с. 367564 (СССР) Устройство для оконтурйвания телевизионного изображения/ И. Л. Валик, Б, Э. Симкин, Т. И. Тайц, А. Ф. Чугунов.

38. А. с. 583212 (СССР) Апертурный корректор/ Б. Э. симкин, Т. И. Тайц.

39. А. с. 610318 (ССОР) Апертурный хоррехтор/ Б. Э. Симкин, Т. И. Тайц.

40. А. с. 612420 (СССР) Устройство для выделения сигнала контура изображения/ Б. Э. Симкин, Т, И. Тайц.

41. А. с. 663127 (СССР) нелинейно-частотный корректор видеосигнала/ Б. Э. Симкин, И, Л. Валик.

42. А. с. 815Э65 (СССР) нелинейно-частотный коррехтор видеосигнала/ Б. Э. Симкин, Н,. М. Андреева, Э. М. Ресина,

43. А. с. 1021021 (СССР) Способ повышения контрастности телевизионного изображения/ Б. Э. Симкйи, И. Л. Валик.

зе

44. Патент России N 1553430 Устройство памяти на телевизионный кадр/ в. Д. Баяндин, Б. э. Симкин, В. В. Тараканов.

45. Патент России N 1667305 Дзоично-кногоуровневый транс-версаль.чкй Фильтр/ -Б. Э. 'симкин.

45. Патент России 9 1816487 Прибор с зарядовой саяэыо/ Б. Э. Симкин, Коротков.

47. Патент России К 15-12528 Устройство задержки на приборах с зарядовой-слизью/ В. Э. Симкин, д. Б. Коротков.

48'. Патан» России К 1687806 Двокпно-нногоуровневый тренс-версальиый фильтр/ Б. з.-Сйкхин, В, Е. Лосев.

40. Патент России К 1£23387<1 Способ повышения контрастности телевизионного изсбраквгжя/ 3. э. Симкин

Подписано к печати 04.05.94 г. Заказ 97 Тиран 100 экз.

Объем 2,1 п.л. Бесплатно

Ротапринт. ИШ0. 190000, Санкт-Петербург, пер.Гризцова, 14