автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Радиометрический метод расчета разрешающей способности телевизионных систем

с>

3

На правах рукописи

ТРОЙНОЙ 'ГЕННАДИЙ ЛУШ

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЁТА. РАЗРЕШАЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ

05.11.16 - Информационно-измерительные системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

i

кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Котик А.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Хромой Б.П., кандидат физико-математических наук Вертушкин В.К.

Ведущая организация -

Российский институт мониторинга земель и экосистем.

Защита состоится

1995 г. в 14

00

часов на заседай:!

диссертационного совета Д041.01.02 Всероссийского научно-псследовательского института оптико-физических измерений по адресу:, 103031 Москва, ул.Рождественка, д.27.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений.

Автореферат разослан 1595 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Тихомиров С.В.

к.т.н. ,с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность теш Разрешающая способность является одним из основных параметров, характеризующих качество ТВ систем. В зависимости от их назначения, разрешающая способность может оценивать как визуальное, так и радиометрическое качество изображения (соответственно визуальная и радиометрическая разрешающие способности).

Специфика ТВ изображения, связанная со случайными факторами, вносимыми многими звеньям ТВ системы, затрудняет использование существующих методов анализа для оценки визуальной разрешающей способности на основе функции рассеивания точки (ФРТ), линии (ФРЛ), контрастно-частотных характеристик (КЧХ), а также метода Хелстрома. •Эти методы не решают задачи определения радиометрической разрешающей способности (размер тест-элемента, интегральная яркость которого передаётся с заданной точностью) и являются в большей степени экспериментальными, чем аналитическими, что не позволяет оптимизировать ТВ систему на этапе проектирования.

В последние годы появилось направление по разработке радиометрических ТВ систем, предназначенных для дистанционного исследования природных ресурсов'Земли, а также решения метеорологических . и сельскохозяйственных задач в интересах народного хозяйства путём измерения яркости и обработки изображений исследуемых объектов в различных спектральных зонах. Для таких систем кроме визуальной необходимо знать также радиометрическую разрешающую способность, а также закон изменения точности измерения интегральной яркости в зависимости от размера элемента объекта, что расширяет эксплуатационные возможности системы.

Однако, в настоящее время радиометрическая точность этих систем оценивается лишь по погрешностям, не связанным с рассеиванием светового потока за пределы идеального изображения, что позволяет относить её только к измерению интегральной яркости больших площа-

дёй, для которых факторы, вызывающие рассеивание светового потока, уже не отзывают заметного влияния. Линейные размеры этих площадей трактуются произвольно.

Такая оценка, не имеющая аналитического обоснования,увеличивает вероятность ошибок идентификации и исключает возможность распространения некоторых её видов на меньшие размеры площадей, т.е. ухудшает эксплуатационные возможности систем и не позволяет считать их в полной мере радиометрическими.

Из вышеизложенного следует, что вопросы связи технических параметров ТВ системы с её радиометрической и визуальной разрешающей способностью при системном подходе к анализу являются актуальными.

Цель и основные задачи диссертации

Целью диссертационного исследования является разработка нового метода, позволяющего определить как радиометрическую, так и визуальную разрешающую способность ТВ системы аналитическим путём на основе технических параметров составляющих её звеньев.

При этом методе, названном радиометрическим, определяются погрешности, вносимые кавдым фактором в передачу интегральной яркости тест-элемента (радиометрические погрешности), в предположении, что прямое влияние всех остальных факторов отсутствует. Погрешности определяются как относительные части интегральной яркости, на которые реальное изображение отличается от идеального, и выражаются как функции конструктивных и электрических параметров звеньев системы, характеризующих рассматриваемые факторы. При определении результирующей погрешности влияние каздого фактора, ухудшающего визуальное разрешение на линейном участке амплитудной характеристики, рассматривается как результат прохождения видеоинформации через эквивалентную по вносимой погрешности оптическую систему.

Радиометрическая разрешающая способность определяется на основании функциональной зависимости между линейным размером тест-элемента и результирующей радиометрической погрешностью.

Визуальная разрешающая способность определяется на основании аналитической связи мелщу параметрами результирунцего пятна рассеивания ТВ системы и радиометрическими погрешностями, от которых они зависят.

При разработке метода необходимо было решить задачи определения:

- связи радиометрической погрешности с параметрами пятна рассеивания ТВ системы;

- радиометрических погрешностей, вносимых звеньями видеотракта ТВ системы;

- зависимости радиометрических погрешностей от перепада интегральной яркости элемента объекта по отношению к прилегающей к нему зоне фона;

- результирующего значения радиометрических погрешностей;

- ширины прилегающей к элементу объекта зоны фона, от которой зависит радиометрическая погрешность;

- связи радиометрической погрешности с визуальной разрешающей способностью;

- возможных оптимальных соотношений мезду электрическими параметрами звеньев системы.

Научная новизна

1. Разработан новый метод, позволяющий аналитически определить как визуальную, так и радиометрическую разрешащую способность ТВ систем с помощью формул, удобных для инженерных расчетов, связывающих технические параметры их звеньев с радиометрическими погрешностями и радиометрические погрешности с разрешающей способностью.

2. Впервые аналитически рассмотрено влияние нестабильности развёртки на разрешащую способность.

3. Впервые рассмотрена оптимизация полосы пропускания видеотракта в системе "щум - полоса" с учётом влияния остальных факторов.

4. Впервые рассмотрена оптимизация шума на входе АЦП в системе "шум - шаг квантования - число цифровых отсчётов, приходящихся на элемент объекта".

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. При определении разрешавшей способности ТВ системы сложение апертур можно заменить сложением вызываемых ими радиометрических погрешностей.

2. Радиометрическая погрешность ТВ системы содержит составляющие трёх типов, каждый из которых имеет свою специфику учёта в результирующей погрешности.

3. Ширина зоны прилегающего к элементу объекта фона, от которой зависит радиометрическая погрешность, равна диаметру кружка рассеивания по уровню половины от максимальной яркости усреднённого по осям X и У пятна рассеивания ТВ системы.

4. Радиометрическая погрешность ТВ системы, вызываемая факторами, влияющими на визуальное разрешение, на линейном участке амплитудной характеристики практически обратно пропорциональна диаметру круглого тест-элемента, если он больше или равен диаметру кружка рассеивания.

5. Для определения визуальной разрешающей способности ТВ системы достаточно знать систематические и случайные составляющие радиометрических погрешностей по осям X и У, вызванные факторами, влияющими на визуальное разрешение, отнесённые к тест-элементу круглой формы с диаметром большим или равным соответствующему диаметру эллипса рассеивания.'

Пгактичеокая ценность шботы и её реализация

Предложенный радиометрический метод расчёта разрешащей способности ТВ систем позволяет аналитически определить как радиометрическую, так и визуальную разрешающую способность, а также выявить оптимальные соотношения между рядом электрических параметров ТВ системы.

Это создаёт предпосылки дал оптимального проектирования ТВ систем различного назначения, рационального построения системы проверок, разработки методик обработки изображений, максимально использующих технические возможности ТВ систем, а также для анализа причин и прогнозирования изменения радиометрической и визуальной разрешающей способности в процессе эксплуатации.

Анализ статистических характеристик параметров пятна рассеивания ТВ системы даёт возможность более полно оценить визуальное качество изображения.

Полученные в работе результаты могут быть использованы для объективного аналитического сравнения визуального качества изображения и радиометрической точности ТВ систем, при анализе их обнаружительной и распознавательной способности для различных типов объектов, для анализа визуальной разрешающей способности фототелеграфных систем, а также в измерительной технике для повышения точности цифровых измерений напряжений методом усреднения результатов отсчётов при наличии шума на входе АЦП.

По результатам диссертационной работы тлеется акт практического использования з Российском институте мониторинга земель и экосистем.

Апробация работы Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ВНИИОФИ.

Публикации

Основные научные результаты диссертаций опубликованы в 6 печатных работах.

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения,списка литературы и приложения. Работа изложена на 132 страницах основного текста, содержит 24 рисунка, I таблицу и список литературы из 33 наименований. В приложении дан акт ¡фактического исполь-

зования результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследования, сформулированы цель и задачи работы, указаны методы их решения, приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе сформулированы критерии, по которым будет производиться исследование визуальной и радиометрической разрешающей способности ТВ систем.

В качестве критерия визуальной разрешающей способности принято расстояние между двумя произвольно расположенными на однородном фоне в плоскости объекта одинаковыми точе шыми источниками света, при котором они могут наблюдаться раздельно с заданной вероятностью. При этом падение яркости мезду их изображениями дВ должно быть не меньше определённой величины от максимального значения перепада яркости по отношению к фону д Вт.

В качестве критерия радиометрической разрешающей способности принят размер тест-объекта (диаметр равномерно освещённого белого крута или сторона эквивалентного по площади квадрата на чёрном фоне), произвольно расположенного в плоскости объекта, интегральная яркость которого может быть передана с заданной точностью.

Обоснована аппроксимация распределения яркости пятна рассеивания ТВ системы Гауссовой кривой.

Приведены основные понятия и определения, которые будут использоваться при анализе, а также соотношения, которыми связана визуальная разрешающая способность с диаметрами эллипса рассеивания ТВ системы в данном направлении при дВ=0 и ДВ=20%.

Приведена типовая структурная схема ТВ системы с оптико-механическим сканированием, относящейся к классу систем, используе-мьсгдля решения ряда задач космических исследований, в аналоговом и цифровом вариантах, на примере которой в последующих главах будет рассмотрено влияние отдельных звеньев на радиометрическую

погрешность, а также определение радиометрической и визуальной раз-решащей способности с необходимыми пояснениями особенностей расчётов для других типов ТБ систем.

Во второй главе рассмотрено влияние разрешающей способности объектива и лучевых устройств передачи и воспроизведения изображения на радиометрическую погрешность ТВ системы.

Распределение яркости пятна рассеивания этих устройств аппроксимировано Гауссовой кривой. При этом погрешность передачи перепада интегральной яркости мевду тест-элементом и прилегающей зоной

/7

фона с точностью не хуже, чем аппроксимируется формулой<5п = где К =-—; А - диаметр круглого тест-элемента; а - диаметр кружка рассеивания по уровню 0,5Вт (Вт - максимальная яркость пятна рассеивания) .

Переход от погрешности 6п к погрешности передачи интегральной яркости элемента объекта осуществляется по фори(уле 6 = &п , где ДВ - значение перепада интегральной яркости; В - передаваемое значение интегральной яркости. Показано, что ширина зоны фона, влияющей на 6, равна а.

Приведены формулы, устанавливающие зависимость между параметром а и числом П различимых лин./мм.

Формула 6п приближённо справедлива и для усреднённого по осям X и 'У пятна рассеивания ТВ системы. Отсвда сделан вывод, что результирующая радиометрическая погрешность, учитывающая только факторы, влияющие на визуальную разрешающую способность, на линейном участке амплитудной характеристики приблизительно обратно пропорциональна линейному размеру тест-элемента.

В третьей главе рассмотрено влияние строчного разложения и нестабильности развёртки сканирующего и воспроизводящего устройств на радиометрическую погрешность ТВ системы.

Получены формулы для определения систематических составляющих и дисперсий случайных составляющих радиометрических погрешностей

по осям X и У как функций параметра К = (для строчного разложения и нестабильности развёртки), где А - сторона квадратного тест-элемента; а - ширина строки и параметра п (для нестабильности развёртки), явлшсщегося обратной величиной относительного сдвига изображения тест-элемента от его идеального положения по строке или по кадру.

Показано,что дисперсия погрешности, возникающей за счёт строчного разложения, носит периодический характер и определяется по разным формулам при К равном целому числу и целому числу плюс 1/2.

Предложен способ учёта несимметричности функций распределения плотности вероятности определением условных дисперсий отдельно для плюсовчх и минусовых отклонений от математического ожидании , считая функцию (£$) симметричной и соответствующей рассматриваемым отклонениям.

Формулы, учитывающие влияние нестабильности развёртки, могут быть использованы при расчёте радиометрической погрешности, вносимой устройством магнитной записи аналогового видеосигнала из-за нестабильности скорости записи и воспроизведения.

В четвёртой главе рассмотрено влияние полосы пропускания и шума приёмно-передаетцего вцдеотракта на радиометрическую погрешность ТВ системы.

Получены форцулы для определения радиометрических погредшос-• тей, вызываемых этими факторами.

Погрешность передачи перепада интегральной яркости, вызванная ограниченностью полосы пропускания видеотра^та, с точностью не ху-

'а

ке, чем 3,2% аппроксимируется формулой £п =1/ЗК, где К = ^^ ; £гр.э = //га '£гр.ш - граничная частота эквивалентного однозвенного ЕС фильтра; /га - граничная частота реальной характеристики видеотракта; /гдй/ - граничная частота однозвенного ЕС фильтра, эквивалентного видеотракту по шумовой полосе; £гр.о - граничная частота однозвенного ЕС фильтра, у которого постоянная времени Тфо - Т5/3;

Тэ - время прохождения развёрткой по строке расстояния, равного стороне квадратного тест-элемента.

Дисперсия шумовой погрешности определена для передачи видеосигнала без дис1фетизации, а также с дискретизацией без интегрирования и с интегрированием в интервалах между выборками как функция параметра К, коэффициента отношения сигнала к шуму Кс/ш и числа цифровых отсчётов, приходящихся на тест-элемент.

Полученные формулы могут быть использованы при расчёте аналогичных погрешностей, вносимых устройством магнитной записи аналогового видеосигнала.

Сделан вывод о том, что наименьшая шумовая погрешность при наибольшем динамическом диапазоне сигнала получается при дискретизации с интегрированием в интервалах мевду выборками.

Показано, что оптимизацию полосы пропускания для получения минимальной результирующей радиометрической погрешности в системе "шум - полоса" целесообразно производить лишь в случае передачи видеосигнала с дискретизацией без интегрирования в интервалах между выборками. Оптимальной полосе пропускания соответствует условие равенства нулю первой производной полной радиометрической погрешности по частоте /гр.з .

В пятой главе рассмотрено влияние дискретизации и квантования видеосигнала на радиометрическую погрешность ТВ системы. Получены формулы для определения радиометрических погрешностей, вызываемых этими факторами

Систематическая составляющая и дисперсия случайной составляющей радиометрической погрешности, вызываемой дискретизацией видео-.сигнала, определены как функции числа выборок Пв , приходящихся на время прохождения развёрткой по строке расстояния, равного отороне квадратного тест-элемента. Дисперсия этой погрешности носит периодический характер и определяется по разным формулам при К равном

целому числу и целому числу плюс 1/2.

Дисперсия радиометрической погрешности, вызываемой квантованием видеосигнала, определена с учётом влияния на неё .шума на входе АЦП как функция параметров: П.&; П.с (число строк, приходящихся на сторону квадратного тест-элемента); т (число уровней квантования); Р где 11ш - среднеквадратическое значение шума

на входе АЦП, Дт - 1/2 интервала квантования видеосигнала по амплитуде.

Показано, что дисперсия этой погрешности уменьшается с ростом Уш при ПеПс^! и состоит из 2-х частей,' одна из которых носит шумовой характер.

Формулы составляющих дисперсии получены как аппроксимации результатов статистической обработки семейств кривых распределения плотности вероятности относительной погрешности квантования при наличии шума, построенных для различных реализаций той же погрешности при отсутствии шума и различных значениях 1/ш.

Рассмотрена оптимизация уровня шума на входе АЦП в системе "шум - шаг квантования - число цифровых отсчётов, приходящихся на элемент объекта". Оптимальное значение (/ш определено как функция параметра А, зависящего от К = /гдэ//гяо, Пе, Пс и Дт.

Определено, что при р ^ 3,8 часть разрядов АЦП оказывается бесполезной и их число целесообразно уменьшить по 1файней мере на I.

В шестой главе рассмотрено определение радиометрической и визуальной разрешающей способности ТВ системы на основе радиометрических погрешностей. Последние классифицированы.по 3-м типам, каддый из которых имеет свою специфику учёта в результирующей погрешности:

- погрешности первого типа, связанные с изменением крутизны амплитудной характеристики;

- погрешности второго типа, связанные с параллельными сдви-

гаш амплитудной характеристики (или интерпретируемые ими);

- погрешности третьего типа, связанные с рассеиванием светового потока (или его отображения в электрическом сигнале) за пределы идеального изображения.

Получены формулы их результиругацих значений и формула полной радиометрической погрешности.

Показано, что закон сложения погрешностей третьего типа отличается от закона сложения вызвавших их условных апертур лишь на постоянный коэффициент, обратно пропорциональный диаметру круглого тест-элемента, если он больше или равен диаметру кружка рассеивания ТВ системы. Формула результирующего значения погрешностей, влиявдих на визуальную разрешающую способность, в широком диапазоне подчиняющаяся тому же закону, подтверздает практическое соответствие принятой при анализе модели прохождения видеоинформации и методики расчёта реальным процессам в ТВ системе.

Приведены методики и формулы определения радиометрической разрешающей способности на основании формулы полной радиометрической погрешности ТВ системы и визуальной разрешающей способности на основании формулы результирующего значения влияющих на неё погрешностей передачи перепада интегральной яркости мевду тест-объектом и фоном, а также методика и формулы определения диаметров эллипса рассеивания ТВ системы.

Обоснована возможность практического устранения влияния погрешностей, связанных с рассеиванием светового потока, при измерении интегральной яркости однородного по яркостной характеристике объекта в центральной области, отстоящей от'его границ не менее, чем на величину диаметра эллипса рассеивания ТВ системы в данном направлении бед учёта влияния погрешностей второго типа.

В седьмой главе в качестве примера приведён расчёт радиометрической и визуальной разрешающей способности ТВ системы МСУ-СК, модификации которой нашли применение в составе информационных ком-

плексов спутников системы "Метеор - Природа". Сделаны выводы и даны рекомендации по возможностям улучшения радиометрической и визуальной разрешающей способности этой ТВ системы без её существенной переработки.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан новый радиометрический метод расчёта разрешающей способности ТВ систем, позволяющий аналитически определить радиометрическую и визуальную разрешающую способность как функцию конструктивных и электрических параметров ТВ системы.

2. Исследованы типы радиометрических погрешностей ТВ системы по характеру их влияния на радиометрическую и визуальную разрешающую способность и определена специфика их учёта в результирующей погрешности.

3. Определена зависимость радиометрической погрешности от размера элемента объекта и перепада интегральной яркости мевду объектом и прилегающей зоной фона.

4. Выявлены возможные пути уменьшения радиометрических погрешностей и условия реализации их оптимальных соотношений с учётом взаимного влияния. Рассмотрена оптимизация по минимуму результирующей погрешности в системе "шум - полоса пропускания видеотракта"

и в системе "шум - шаг квантования - число цифровых отсчётов, приходящихся на элемент объекта".

5. Расчётные формулы, полученные радиометрическим методом с применением аппроксимаций, просты " пригодны для'инженерных расчётов.

6. Созданы предпосылки для оптимального конструирования ТВ систем и решения ряда других практических задач, указанных в подразделе "практическая ценность работы и её реализация".

7. Произведён анализ статистических характеристик параметров пятна рассеивания ТВ системы, позволяющий определить как предельную (для заданной вероятности непревышения), так и средневероятную

визуальную разрешающую-способность для любых линейно передаваемых световых потоков, формирующих пятно рассеивания, что даёт возможность более полно оценить визуальное качество изображения.

8. Выявлена возможность использования результатов анализа зависимости радиометрической погрешности от числа уровней квантования видеосигнала при наличии шума на входе АЦП в измерительной технике для повышения точности цифровых измерений напряжений.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах;

1. Тройной Г.Л. Метод инженерного расчёта разрешающей способности радиометрической телевизионной системы.- М., 1982,- 17с,- Деп. в ЦНТИ Информсвязь 14.07.1582, № 141.

2. Тройной Г.Л. Влияние строчного разложения и нестабильности развёртки на разрешающую способность радиометрической телевизионной системы.- М., 1982.- 20с.- Деп. в ЦНТИ Информсвязь 14.07.1982,

№ 140.

3. Тройной Г.Л. Влияние полосы пропускания и шума приёмно-передаю-щего видеотракта на разрешающую способность радиометрической телевизионной системы,- М., 1982.- 16с.- Деп. в ЦНТИ Информсвязь 20.02.1984, Я 357.

4. Тройной Г.Л. Влияние дискретизации и квантования видеосигнала на разрешающую способность радиометрической телевизионной системы,- М., 1982,- 21с.- Деп. в ЦНТИ Информсвязь 16.04.1984,

381.

5. Тройной Г.Л. Определение разрешающей способности радиометрической телевизионной системы.- М., 1982.- 21с.- Деп. в ЦНТИ Инфоры-связь 17.07.1984, }? 451.

6. Тройной Г.Л. Повышение точности цифровых измерений напряжений методом усреднения результатов отсчётов при наличии шума на входе АЦП // Измерительная техника.- 1990.- У 6,- с.40,41.