автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка и исследование методов повышения качества передачи телевизионных сообщений в системах информационного телевидения

рг в од

1 к ДПР Ш1.

На правах рукописи

Шиф Владислав Борисович

Разработка и исследование методов повышения качества передачи телевизионных сообщений в системах информационного телевидения

Специальности:

- 05.12.02 Системы и устройства передачи информации

по каналам связи

- 05.12.21 Радиотехнические системы специального

назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена на кафедре радиовещания и телевидения Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики

Научный руководитель — кандидат технических наук,

доцент Дмитриев А.Я.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Фалько А.И.

— кандидат технических наук Распутин В.Г.

Ведущее предприятие — Государственный научно-исследовательский институт радио

Защита состоится (/¿/й<%_ 1995 года в /0 часов на

заседании специализированного совета Д 118.07.01. в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики по адресу: 630102, г.Новосибирск-102, ул.Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан

ая/сгил, 1995 г.

Учёный секретарь

специализированного совета Д 118.07.01 / кандидат технических наук, профессор jf Б.И.Крук

t V .

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В результате всё возрастающей зависимости индустриально развитых стран от источников информации (научно-технической, образовательной, экономической, политической и т.д.), а также от уровня развития и эффективности использования средств передачи и переработки информации сформировалось принципиально новое понятие — национальные информационные ресурсы. Традиционные информационные службы оказались в состоянии перманентного кризиса, обусловленного взрывообраз-ным ростом объёмов информации и сопутствующими ему снижением скорости распространения и уменьшением надёжности информации. Поэтому основным направлением совершенствования информационной работы является механизация и автоматизация всех информационных процессов на основе использования вычислительной техники и средств электросвязи.

Создаются архивные банки информации, автоматизированные информационно-поисковые системы, компьютерные сети связи, включающие наземные и спутниковые каналы, внедряются системы электронной почты и т.д. Компьютерная техника представляет информацию в символьной и условно-графической формах. Для передачи реалистических изображений объектов и явлений внешнего мира, динамичных изображений, формально высокоинформативных изображений (например, репродукций произведений живописи и т.п.) необходима телевизионная техника.

Возникло новое научное направление — информационное телевидение. Разрабатывается концепция создания автоматизированной информационной системы телевидения (АИСТ), в которую войдут в качестве подсистем "электронная библиотека", "электронный музей", "электронная газета", видеотелефон, "обучение" и др. Соответственно появилось понятие "информационный телевизионный канал связи", составной частью которого является обычный телевизионный канал в границах "от света - до света".

Весьма актуальной задачей является внедрение информационных технологий в обучение и, в частности, в высшее образование. В концепции информатизации высшего образования Российской Федерации, утверждённой Госкомвузом России 28.09.93г., акцентировано

внимание на создании современной информационной среды системы высшего образования и науки. Создаётся федеральная универсальная компьютерная сеть, библиотечная компьютерная сеть высшей школы, региональные телекоммуникационные системы и сети и т.д.

Как известно, работа с компьютером способствует алгоритмизации мышления. В концепции Госкомвуза особо подчёркивается необходимость повышения эффективности приобретения профессиональных знаний за счёт применения и освоения методов образного, визуального мышления. Эта задача решается с помощью информационного телевидения. И во многих вузах страны успешно применяются системы учебного телевидения (УТВ), одна из самых совершенных создана в СибГАТИ (бывший НЭИС).

В данной работе анализируются теоретические вопросы решения проблемы информатизации общества. Исследуются новые методы и алгоритмы и предлагаются технические решения, позволяющие повысить эффективность передачи сообщений по информационным телевизионным каналам связи. При этом часть решаемых вопросов специфична именно для информационного телевидения и, в том числе, для учебного, а часть имеет значение также для телевизионного канала связи в традиционных границах "от света - до света".

Большой вклад в становление теории электрической передачи изображений, практическую реализацию телевидения внесли советские учёные П.В.Шмаков, С.И.Катаев, С.В.Новаковский, М.И.Кривошеев, В.В.Однолько, В.М.Зусманович и др., а также зарубежные учёные Д.Джадд, Г.Вышецки, Д.Мак-Адам, П.Мертц, Ф.Грей, Х.Кёльнер, Ф.Арп. Дальнейшее развитие основополагающие положения теории телевидения нашли в работах А.Я.Дмитриева, В.Е. Джаконии, Ю.Б.Зубарева, И.Н.Пустынского и ряда других учёных.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и исследование технических методов повышения качества передаваемых телевизионных сообщений по каналам связи систем информационного телевидения. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1.Исследование проблемы телевизионной передачи научной и учебной информации, анализ фундаментальных факторов, опреде-

ляющих отличия построения информационных систем телевидения от вещательных.

2.Исследование методов повышения качества функционирования телевизионного канала связи в границах "от света - до света".

3.Исследование проблем репродуцирования движения объектов в информационных системах телевидения, анализ особенностей телевизионной развёртки и возможностей адаптации параметров сигнала к динамике изображения.

4.Разработка алгоритмов преобразования цветных изображений, позволяющих повысить семантическую информативность передаваемых телевизионных сообщений и разработка способа и устройств для передачи информационных стереоизображений.

Методы исследования. В диссертации приведены результаты теоретических и эспериментальных исследований, полученные с использованием методов теории передачи изображений по электрическим каналам связи, математического аппарата теории функций комплексного переменного, преобразований Фурье и линейной алгебры, теории зрения и инженерной психологии

Научная новизна. Новыми являются следующие результаты.

1.Проведено исследование трёх фундаментальных факторов (ЗФФ), определяющих построение телевизионных систем, в результате которого показано существенное отличие информационного телевидения от вещательного.

2.Исследованы пять обобщённых типов соответствия оригиналов и репродукций по любым параметрам и для любых получателей сообщений и на основе обобщённых технических решений разработана модель простейшей полноспектральной репродукционной системы, обеспечивающей физическую точность воспроизведения спектрального распределения мощности излучения (СРМИ).

3.Проанализированы основные характеристики зрительных сигналов и методы, позволяющие оптимизировать светотехнические условия воспроизведения изображений, предложен и обоснован метод автоматического измерения яркости канальных преобразователей "сигнал - свет", обеспечивающий объективную оценку светотехнических параметров, точность и быстродействие процесса измерений.

4.Проанализированы методы контроля качества цветопередачи в телевизионном канале связи с использованием стандартных тест-изображений, разработан телевизионный генератор "Атлас цветов" (ТГАЦ) с возможностью независимой регулировки цвета в пределах структурной единицы изображения, сочетающий достоинства полиграфического атласа цветов и генератора электрических тест-сигналов.

5.Исследованы вопросы репродуцирования движения объектов в информационном телевидении с учётом ЗФФ, разработан алгоритм повышения эффективности визуальной индикации движения и устройство для его реализации, работающее на принципах временной суммациии возбуждений в рецептивных полях глаза и закономерностях аддитивного смешения цветов.

6.Исследованы взаимосвязи объективных и субъективных параметров цвета и показана их неоднозначность вследствие особенностей зрительного восприятия, ограниченных возможностей преобразователей "сигнал - свет", специфики трёхцветного синтеза; разработаны алгоритмы электрического преобразования параметров цвета и устройства для их реализации; предложен способ передачи по стандартному каналу связи информационных стереоизображений и устройство для его реализации.

Практическая ценность работы.

1.В результате исследования ЗФФ, определяющих построение телевизионной системы, доказана необходимость комплексной проработки концепции полного информационного обеспечения абонентов на базе использования вычислительной техники и средств электросвязи при обеспечении совместимости отдельных информационных подсистем, прежде всего, по условию использования общего канала связи.

2.В результате исследования методов повышения качества функционирования телевизионного канала связи обоснованы и разработаны новые технические решения, обеспечивающие реализацию высокоинформативного, полноспектрального репродуцирования, автоматизированного контроля светотехнических параметров кинескопов, эффективных генераторов цветных тест-изображений с широкими эксплуатационными возможностями.

Помимо информационного телевидения, данные технические ре-

шения рекомендуются для использования в вещательном и промышленном телевидении, при производстве кинескопов.

З.На основе анализа особенностей телевизионной развёртки и специфики репродуцирования динамичных изображений разработан алгоритм адаптивного обмена частоты отбора фаз движения на чёткость изображения при сохранении условия совместимости по параметрам канала связи, разработан алгоритм и устройство для семантического согласования параметров динамичного телевизионного изображения с пропускной способностью визуального канала приёма информации получателя сообщений. Устройство также рекомендуется для использования в промышленном прикладном телевидении.

4.Обоснованы алгоритмы независимого и взаимозависимого преобразования параметров цвета, повышающие семантическую информативность телевизионных сообщений. Реализованы преобразователи для общей и селективной обработки сигналов цветного телевидения, переданных по каналу связи в терминал получателя. Разработанные преобразователи параметров цвета рекомендуются также для использования в прикладном и вещательном телевидении.

5.Разработан и технически реализован алгоритм обмена параметра "динамический диапазон сигнала" на параметр "объёмность". Техническое устройство рекомендуется также для использования в УТВ.

Оригинальные технические решения, предложенные в диссертации, защищены авторским свидетельством и заявкой на изобретение.

Реализация и внедрение результатов исследования.

1.В НИИ автоматических систем (г.Москва) внедрены в телевизионной аппаратуре прикладного назначения результаты диссертационной работы по электрическому преобразованию параметров цвета.

2.На заводе "Экран" (г.Новосибирск) успешно прошёл испытания измерительный комплекс контроля качества параметров кинескопов.

3.В Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики внедрены в учебный процесс в качестве демон-

страционных и лабораторных макетов генераторы цветных тест-изображений с возможностью независимой регулировки цвета в пределах структурной единицы изображения, телевизионный генератор "Атлас цветов".

4.В Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики используются в учебном процессе в курсе лекций по дисциплине "Телевидение" основные результаты диссертационной работы.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения, докладывались и обсуждались на:

— Всесоюзной конференции "Человек, интеллект и системы ' связи" (г.Новосибирск, 1988г)

— Всероссийской научно-технической конференции "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи ПСП-92" (г.Новосибирск, 1992г)

— XXV, XXVI, XXX, XXXV областных научно-технических конференциях, посвященных Дню Радио (г.Новосибирск 1982, 1983, 1987, 1992 гг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в центральной печати и авторское свидетельство на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы из 99 наименований и приложения. Основной текст содержит 96 страниц и иллюстрируется 29 рисунками.

Основные результаты, представляемые к защите.

1.Принципы построения информационных систем телевидения, учитывающие три фундаментальных фактора.

2.Принципы построения полноспектральных репродукционных телевизионных систем.

3.Методы контроля параметров телевизионного канала связи в границах "от света - до света".

4.Алгоритмы и технические решения по повышению качества передачи телевизионных сообщений.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, указаны дели исследования, определена научная новизна, представлены сведения об апробации и публикации основных положений диссертации, о реализации и внедрении результатов исследования, указаны объём и структура работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе анализируются проблемы информационного обеспечения, перед которыми стоит общество в настоящее время.

На примере схемы учебного информирования определены основные недостатки, свойственные учебно-информационным процессам. Объёмы информации растут по экспоненциальному закону. На пути от источника (генератора информации) до потребителя информация проходит ряд этапов регистрации, при этом скорость её распространения прогрессивно снижается, достигая нескольких десятков месяцев, уменьшается надёжность. В обучении слабо проявляется дифференцированный подход к учащимся, затруднена подготовка специалистов по дисциплинам, возникающим на стыках наук. Преобладают вербальные формы представления информации.

Внедрение компьютерной техники и телевидения в учебный процесс позволяет его интенсифицировать и дифференцировать, кардинально повысить его эффективность. Информация может быть представлена в оптимальной для потребителя форме с заданным качеством воспроизведения отдельных её параметров.

Анализ аналогичных схем информирования по вопросам науки и техники, культуры и искусства, медицины и экономики, общественных наук и пр. обнаруживает методическую и формально-содержательную общность задач, связанных с поиском и переработкой больших объёмов информации, быстрым дистанционным её распространением, представлением в оптимальной форме. Это позволяет искать их общее техническое решение, механизируя и автоматизируя информационные процессы с использованием компьютерных и телевизионных технологий, средств электросвязи.

Выбор параметров и характеристик телевизионной системы, её построение определяются в общем случае тремя фундаментальными факторами: особенностями получателей информации, целями пе-

редачи, особенностями передаваемых оригиналов.

Получателю-человеку информация передаётся в визуальной (или аудио-визуальной форме) с целью удовлетворения его профессиональных информационных потребностей, интересов, запросов, характер которых он определяет сам. Система должна быть интерактивной. (В частном случае образовательной информации цели передачи определяет педагог-интерпретатор).

Главная особенность информационных оригиналов состоит в том, что они подготавливаются заранее и вводятся в архивные массивы банков в фиксированном виде. Этап отбора информации и её подготовки разнесён по времени с этапом представления информации получателю. Благодаря этому подготовка оригиналов может осуществляться с тщательным учётом характеристик репродукционной системы и необходимой точности воспроизведения. При этом сложные объекты необходимо отобразить в архивных массивах оригиналов с такой полнотой, которая заведомо обеспечит удовлетворение целей передачи для любых получателей.

Весьма важным является выбор критериев оценки качества воспроизведения. Известные формализованные критерии качества, предлагавшиеся А.Я.Рыфтиным, С.И.Катаевым и Л.И.Хромовым, М.В.Антипиным и другими авторами, учитывают показатели качества или параметры отдельных элементов сигнала и тракта в аддитивно-мультипликативных формах. Тем самым в них оказывается заложенной возможность неконтролируемого обмена параметров вплоть до того, что при определённых условиях чёрно-белое изображение получает более высокую оценку, чем цветное. Фактически такие обобщённые критерии в какой-то степени применимы лишь для оценки вещательных систем ТВ. В информационном же телевидении обмен параметров качества часто возможен лишь в некоторых пределах; иногда невозможен, если данный параметр (например, цвет) существенно информативен; в отдельных случаях какие-то параметры вообще не передаются либо намеренно искажаются. Наиболее общий подход к оценке качества воспроизведения основан на определении степени соответствия параметров изображения этим же параметрам оригинала. Применительно к цвету такой подход был предложен Н.Д.Нюбергом, который обосновал три типа точности: физическую, колориметрическую (или физио-

логическую) и психологическую. Позднее шкала была дополнена А.Я.Дмитриевым и распространена на любые параметры качества аудио-визуальных сообщений. Шкала содержит пять типов точности: идеальная, физическая, аппаратурная (частные случаи — физиологическая для любых параметров и колориметрическая для цвета), психологическая и семантическая.

Важной особенностью рассмотренной шкалы критериев точности является то, что каждый последующий, более низкий тип соответствия входит составной частью в предыдущие, и чем выше тип соответствия, тем больший объём информации должна передавать репродукционная система. Но чем ниже тип соответствия, тем сложнее создать систему, удовлетворяющую широкому диапазону сочетаний ЗФФ, поскольку до настоящего времени формальные условия достижения психологической и семантической точности известны лишь для частных случаев, а в основном они определяются в результате экспертных оценок. В вещательном ТВ ориентируются, как правило, на психологическую точность воспроизведения основных параметров изображения, которая определяется создателями программ. В промышленном ТВ, чаще всего, стремятся обеспечить семантическую точность информативных параметров.

С технико-экономических позиций информационные подсистемы, входящие в состав АИСТ, должны быть взаимно-совместимыми. Под совместимостью ТВ систем понимают, как известно, свойство обеспечивать приём сигнала одной системы телевизорами другой с соответствующим качеством изображения и передачу сигналов по одному и тому же каналу связи. Следовательно, для АИСТ необходимым является унификация выполнения всех архивных информационных материалов. Обслуживание по индивидуальным запросам требует предоставления каждому абоненту отдельного канала связи. Узкополосные, низкоскоростные каналы не обеспечивают эксплуатационных удобств и могут использоваться лишь в виде исключения удалёнными одиночными абонентами. Основными должны быть ТВ каналы, и поэтому целесообразна совместимость АИСТ с вещательным ТВ либо действующего стандарта, либо ТВЧ. Но для того, чтобы каналы, в частности магистральные, использовались эффективно, необходимо уплотнение.

Способы передачи и уплотнения канала варьируются в зави-

симости от особенностей оригиналов (чёрно-белый, малоцветный, цветной; полутоновой, штриховой; моноскопический, стереоскопический; динамичный, статичный; текстовой, изобразительный и пр.), от целей передачи (удовлетворение потребностей, интересов, запросов), от особенностей получателя (физическая или аппаратурная точность для получателей — технических устройств). Неизменным по условиям совместимости остаётся использование общей канальной аппаратуры с заданной пропускной способностью канала связи и воспроизведение на общем терминале.

Таким образом, информационный телевизионный канал связи содержит: источник информации (оригинал, объект передачи); телевизионный канал в составе первого энергетического преобразователя, электрического тракта, второго энергетического преобразователя; приёмник информации (получатель сообщений).

Исходя из всего вышесказанного, в первом разделе сформулированы две группы задач настоящего исследования. К первой относятся задачи, имеющие общую значимость для построения АИСТ (анализ спектра излучений, разработка методов контроля телевизионного канала связи), ко второй — задачи по преобразованию параметров изображения в целях выявления и подчёркивания семантики.

Второй раздел диссертации посвящён разработке методов повышения качества функционирования телевизионного канала связи.

В общем случае обычный телевизионный канал связи рассматривается в границах "от света - до света", т.е. в состав канала входят: энергетический преобразователь "свет-сигнал", электрический канал связи и второй энергетический преобразователь "сигнал-свет". В частных случаях построения информационных телевизионных систем элементы канала могут отличаться от принятых в вещательном ТВ. Так первый энергетический преобразователь может работать не с излучениями видимого диапазона, а, например, с инфракрасными, ультрафиолетовыми или рентгеновскими излучениями. Второй энергетический преобразователь может создавать не видимые изображения, а, например, тактильное поле (ТВ для слепых) или вообще может отсутствовать, если получателем сообщения является не человек, а техническое устройство и т.п.

Кроме человека, получателем сообщений могут быть технические устройства, выполняющие по заказу абонента твёрдые копии или машинный анализ информации. В таких случаях может кардинально изменяться всё построение системы, поскольку третий из определяющих факторов становится иным.

Наиболее полную информацию о спектре оптического излучения, что существенно важно именно для информационных систем, способны обеспечить полноспектральные репродукционные системы (ПСРС). Принцип создания такой системы реализует модель, предложенная в диссертации.

Как известно, в процессе преобразования лучистой энергии в электрическую теряется, если не принять специальные меры, информация о детальной структуре спектра излучения, поскольку реакция фотоэлектронного преобразователя (ФЭП) является интегральной.

В предложенной модели ПСРС реализуется следующий алгоритм работы. Для того, чтобы сохранить информацию о спектре некоторого элементарного лучистого потока, необходимо последний разложить на однородные излучения и отдельно преобразовать их в электрические сигналы. В этом случае количество отсчётов, передаваемых по каналу связи в единицу времени, возрастает по сравнению с монохромной передачей пропорционально числу спектральных зон, регистрируемых отдельно. Для передачи этой информации в режиме реального времени требуется канал связи с повышенной пропускной способностью.

В принципе в ПСРС достижима физическая точность воспроизведения СРМИ, поскольку передаваемый и репродуцируемый спектры тождественны для любых получателей сообщений. Такие системы могут быть полезны, когда оптические характеристики объекта заранее неизвестны, или сам он существует непродолжительное время. Изображение ПСРС будет также физиологически точным, в том числе и для наблюдателей, имеющих любые дефекты цветового зрения. Но в настоящее время полное использование принципов ПСРС затруднено, т.к. для передачи видеосигнала с высокой точностью и в динамике потребуется очень широкая полоса частот канала связи. Использование же ПСРС в прикладных целях представляет интерес уже сейчас для систем космического ТВ, для при-

кладных систем целевого назначения. В вещательном ТВ возможно в камерном канале смоделировать спектральные характеристики, соответствующие любым кривым смешения, в том числе и с отрицательными участками. А с выхода камеры цветоделённые сигналы могут передаваться в стандартных полосах частот.

В этом же разделе проанализированы и обобщены сведения о методах оптимизации светотехнических условий воспроизведения изображений с учётом рекомендаций общей физиологии зрения, требований эргономики, специфики зрительной работы при чтении и технических параметров электронно-лучевых трубок, выработаны рекомендации по оснащению рабочего места абонента информационной сети. Предложены новые методы контроля параметров телевизионного тракта с использованием разработанного телевизионного генератора "Атлас цветов" (ТГАЦ) и устройств для автоматического измерения модуляционных характеристик и неравномерности яркости свечения кинескопов.

Сущность предложенного метода измерений заключается в следующем. При измерении яркости в пяти точках экрана кинескопа ФЭУ, расположенные в центре и по углам растра, автоматически, поочерёдно подключаются и выдают информацию о величинах яркости, которая регистрируется в микро-ЭВМ. При этом испытуемый кинескоп работает в режиме максимальной яркости. МикроЭВМ производит расчёт неравномерности яркости свечения экрана кинескопа.

При измерении модуляционной характеристики последняя разбивается на дискретные точки, причём, поскольку характеристика нелинейна, эти точки расположены неравномерно. В автоматическом измерителе яркости заранее выставляются пороги срабатывания ФЭУ, расположенного в центре. Этим уровням соответствуют определённые значения яркости, которые закладываются в память микро-ЭВМ или фиксируются на номограмме.

При измерении модуляционной характеристики центральное ФЭУ работает в режиме высокой чувствительности. На модулятор испытуемого кинескопа подаётся напряжение с автоматического измерителя яркости с уровнем ниже порога отпирания кинескопа, которое медленно меняется по амплитуде. При достижении порога отпирания срабатывает пороговое устройство и в микро-ЭВМ фик-

сируется напряжение запирания кинескопа. Затем по мере возрастания напряжения на модуляторе начнут срабатывать поочерёдно остальные компараторы и соответствующие напряжения фиксируются в микро-ЭВМ.

Для настройки узлов тракта и контроля цветопередачи в современном ТВ используются тестовые сигналы и тест-изображения. Эти сигналы вводятся в электрический тракт системы, в контрольных точках тракта форма сигнала сопоставляется с эталонными сигналами генератора и выносится суждение о состоянии участка тракта. Недостатками такой методики является то, что из-под контроля выпадает преобразователь "свет - сигнал", и, кроме того, в существующих тест-сигналах мало градаций цвета (как правило 8, включая чёрный и белый) и нет возможности изменять цвет в пределах структурной единицы изображения.

От указанных недостатков свободна предложенная в диссертации методика контроля параметров тракта с использованием разработанного ТГАЦ.

Телевизионный атлас цветов формируется на экране ПВКУ в виде 34-х кадров -— страниц. На каждой странице создаётся 117 градаций цветов бинарного синтеза (красный-синий) и каждой странице атласа соответствует одна из 34-х градаций зелёного цвета для всего экрана НВКУ. Закон изменения градаций задаётся экспериментатором и может быть любым. Изображение с экрана ПВКУ передаётся телекамерой и является тестовым.

Объектом передачи здесь являются цвета той же физической природы, что и цвета на воспроизводящем кинескопе. Цветов, находящихся за пределами возможностей синтеза кинескопа, принципиально нет. Для каждого из почти 4000 цветов известны сигналы генератора и с ними могут сравниваться формы сигналов в контрольных точках тракта. Предложенная методика и ТГАЦ рекомендуются для использования в вещательном ТВ.

В третьем разделе работы анализируются вопросы репродуцирования движения в информационном телевидении с учётом особенностей телевизионной развёртки.

Спектр всей последовательности изображений Ь(х, у) имеет

вид:

" /-оо лоо

1(р, д) = / / ехр(-рх - ду)Цх, у)йхйу. (1)

»/ — оо ^ — оо

где р и 5 — пространственные частоты, а; и г/ — текущие значения координат.

Аналогично выглядит спектр и(р, 9) апертуры развёртки II(х, у).

Для информационного ТВ особый интерес представляют многопольные развёртки. С их использованием оказывается возможным более точно адаптироваться к конкретному сочетанию ЗФФ. Чересстрочную развёртку с числом полей более двух используют в тех случаях, когда необходимо повысить разрешение в направлении, перпендикулярном строкам, оставляя неизменными частоты строк и полей, а также ширину полосы частот канала связи по условиям совместимости.

В работе рассмотрены особенности развёртки на пять полей, как самого сложного случая.

Спектр электрического сигнала, полученного при развёртке полного кадра, имеет вид

1(р) = 1(р)и(р), (2)

где: 1(р) — спектр яркости оригинала изображения при разложении на строки;

и(р) — спектр воспроизводящей апертуры; р — jw — комплексная частота передачи.

При чересстрочной развёртке на пять полей полный кадр состоит из N = 5п5 + 2 строк и каждое поле из п5 + 2/5 строк. Спектр в этом случае разделяется на пять составляющих:

(ЛГ-7)/5 (2п—9)/5

~Кр) = X] ехр(гр*2)7(р, уп-5г) + ехр(гри)1(р, уп+м-5г)+

«=0 ; = (ЛГ-2)/5

(ЗЛГ-6)/5 (4ЛГ-8)/5

+ ехр(ф^г)7(р, Уn+2N-ы) + ехр(гр<г)7(р, у„+злг-5»)+

i=(2N-4)/5 г=(ЗЛ'-1)/5

ЛГ-1

+ ехр(гр^)7(р,г/„+4Лг_51) (3)

1=(4УУ—3)/5

где — длительность строки;

п — строка, при которой начинается развёртка; Кр> Уп) — спектр оригинала. В результате преобразований Фурье получаем

(ЛГ-1)/10

Кр) = ехр(1рЬг)и(р, 5г)с?(0)+

i=~(N'-1)/10

(/V*-11)/10

+ ^ ex^p(iptг)и(р, 5г + 1)^(1)4-

г'=-(Л"-1)/10 (ЛГ-21)/10

+ £ ехр(гри)и(р, 5» + 2)й{2)+ (4)

1=-(ЛГ*-1)/10

(/V* -31)/10

+ ехР{гр*г)и(р, ог + 3)с?(3)+

г=—(Л" —1)/10 (ЛГ-41)/10

+ ехр(гр*г)и(р,5г' + 4)й(4)

г= — (ТУ* —1)/10

При этом ТУ* выбирается так, чтобы границы суммирования оставались целыми числами, а спектры и(р, г) равнялись 0 для г вне аппертуры.

Поскольку телерепродукция отличается от оригинала, то в передающий канал может вводиться компенсационный фильтр со спектральной характеристикой

и-Чр) = -Ц- (5)

ЩР)

И тогда для чересстрочной развёртки на пять полей получаем выражение:

оо

и~1{р) — £ ехр(й(2^+1)р^/5)«-1(рД-) (6)

к= — ос-

Отмечаем следующее. Во всех случаях использования многопольной развёртки при заданной полосе частот канала связи происходит обмен времени передачи полного кадра на вертикальную чёткость.

Задача репродуцирования движения в общем случае в ТВ, как известно, решается в два этапа. На первом этапе действительное движение квантуется и фиксируются отдельные его фазы. На втором этапе полученный ряд фиксированных фазовых положений объекта предъявляется зрителю так, чтобы обеспечить "кажущееся" движение.

В вещательном телевидении каждое поле передаёт фазовое положение объекта с пониженной вдвое вертикальной чёткостью. Для менее подвижных объектов в информационных системах ТВ возможно, используя многопольную развёртку, увеличить чёткость, если передавать изображение объекта 3...5 полями. При этом неподвижные изображения воспринимаются зрителем с высокой статической остротой зрения, а по мере возрастания динамики объектов, они воспроизводятся с понижающейся чёткостью, но и воспринимаются зрителем с уменьшающейся динамической остротой зрения, т.е. без замечаемой потери качества.

На основании вышеизложенного, применительно к информационному ТВ, предлагается оригинальный способ визуализации временных изменений в наблюдаемом изображении, опирающийся на особенности временной суммации возбуждений в рецептивных полях глаза и на закономерности аддитивного смешения цветов. Способ применим к чёрно-белому изображению, которое воспроизводится на цветном кинескопе. Соседние по времени кадры яркостно-го сигнала кодируются ("окрашиваются") дополнительными цветами. Например, один кадр воспроизводится на цветном кинескопе в голубом цвете, а следующий кадр — в красном цвете. Два последовательных кадра попадают в интервал временной суммации возбуждений. Проекции неподвижных деталей совмещаются на сетчатке глаза и вследствие сложения дополнительных цветов воспринимаются с ахроматической окраской, как чёрно-белые. Проекции же подвижных объектов смещаются от кадра к кадру, и на их контурах появляется цветная окантовка там, где условие взаимного дополнения цветов не выполняется. Окантовка возникает на контурах, ори-

ентированных под углом к направлению движения. Ширина окантовки зависит от скорости движения, и если последняя мала, то временная последовательность разноокрашенных изображений может быть составлена не из одиночных кадров, а из интервалов двух, трёх кадров. Отличительными особенностями предложенного способа является простота реализации и не высокая стоимость. Методика и устройство рекомендуются для прикладного ТВ.

Четвёртый раздел работы посвящен разработке алгоритмов преобразования параметров цвета в системах информационного ТВ.

Проведённые исследования объективных и субъективных параметров цвета показали неоднозначность связи между параметрами, которая вызвана особенностями зрительного восприятия, ограниченными возможностями преобразователей "свет-сигнал", спецификой трёхцветного синтеза.

Для повышения семантической информативности передаваемых сообщений в системах информационного ТВ разработаны алгоритмы преобразования параметров цвета.

Целесообразно все основные операции по преобразованию цвета осуществлять по сигналам, несущим информацию об объективных параметрах цвета: яркости (Ь), чистоте (р) и доминирующей длине волны (Л¿от)- Способы получения таких сигналов известны. Яркостный сигнал получают при сложении трёх сигналов основных цветов с соответствующими весовыми коэффициентами, определяемыми их видностью и выбранным опорным белым. Сигналы р и А¿от с достаточной степенью точности могут характеризоваться амплитудой и фазой поднесущей частоты, квадратурно-модулированной цветоразностными сигналами:

11 — Авт^г + 0), (7)

где:

А = у/{ил - иуу- + {ив - [7у)2; (8)

0 = агс!ап ^—. (9)

и в — иу

Разработаны и реализованы в технических устройствах алгоритмы общей обработки цвета по выбранному параметру и селективного изменения цвета деталей изображения.

Сущность общей обработки заключается в том, что в каналы формирования яркостного и цветоразностных сигналов вводятся дополнительные устройства, осуществляющие преобразования в соответствии с выбранным сигналом, несущим информацию о Ь,р и ^¿от, в соответствии с выбранным законом. Точность по цвету на репродукции при этом получается семантическая, но обеспечивается возможность введения любого объёма цветов в границы объёма цветов кинескопа и достигается максимальное цветоразличение семантически важных деталей. Подобные преобразования сигнала яркости осуществляются в настоящее время гамма-корректорами. А преобразование по параметрам р и А<*ото являются новыми.

Принцип селективного изменения цвета деталей телевизионного изображения заключается в том, что фрагменты видеосигналов, соответствующие выбранным деталям, пропускаются через "искажающие" каналы, тогда как сигналы всех других деталей проходят обычным каналом с номинальной точностью передачи. Электронная коммутация сигналов на тот или иной канал осуществляется с помощью специально сформированных импульсов целеуказания, которое может быть как внутренним, так и внешним. Как только значение сигнала попадает в зону, выбранную для сравнения, вырабатывается специальный импульс, переключающий электронный коммутатор на "искажающий" канал, в котором сигналы 11у(Ь) и А(р) подвергаются дополнительному ослаблению (усилению), а сигнал 0(А¿от) получает дополнительный фазовый сдвиг. В результате избранная деталь меняет свой цвет именно по селектируемому параметру. Устройства разрабатывались по заказу НИИ АС и внедрены в прикладных системах для наблюдения малоконтрастных изображений. Перекраска цвета деталей может быть использована в вещательной аппаратуре спецэффектов.

Для информационного телевидения (особенно для систем УТВ) весьма полезной оказывается передача информации не только о цвете, но и об объёме. В настоящее время системы УТВ строятся на основе стандартных промышленных телевизионных установок (ПТУ) или разрабатываются вузами самостоятельно. Цветные ПТУ серийно не выпускаются, а профессиональные цветные камеры слишком дороги.

В связи с этим разработан и экспериментально апробирован

оригинальный метод передачи штриховых анаглифических иллюстраций с использованием одной чёрно-белой камеры. Па штриховых изображениях полутонов нет. Каждый элемент может иметь один из трёх возможных цветов — красный, голубой и фоновый (белый или чёрный). При таких условиях три сигнала цветного телевидения становятся избыточными. Поэтому предложено на передающем конце осуществлять обмен параметра А4от на параметр Ь, создавая один трёхградационный сигнал, а на приёмном конце осуществлять обратный обмен, присваивая каждой градации яркост-ного сигнала свой параметр А ¿от- Для обычных штриховых анаглифов это условие достигается путём создания соответствующей характеристики спектральной чувствительности узла преобразования "свет-сигнал" с помощью светофильтра, устанавливаемого в оптическом канале камеры. Характеристика спектрального пропускания светофильтра выбрана так, чтобы в совокупности с характеристикой спектральной чувствительности фотопреобразователя передающей трубки, ординаты суммарной характеристики спектральной чувствительности камеры существенно (в 3...5 раз) различались для разных диапазонов оптических излучений, идущих от красного и голубого изображений стереопары. Сформированный трёхуровневый сигнал разделяется амплитудным дискриминатором и направляется в каналы "красный" и "зелёный плюс синий" ПВКУ, на экране которого воспроизводится анаглифическая иллюстрация. Сепарация полученного изображения осуществляется известными способами (например, очками с цветными светофильтрами).

В приложении представлены акты внедрения результатов, полученных в диссертационной работе.

В заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты реферируемой работы, которые состоят в следующем:

1.Проведен анализ трёх фундаментальных факторов, определяющих построение любой телевизионной системы, на основе которого доказано существенное отличие информационного телевидения от вещательного. Результаты анализа свидетельствуют о необходимости комплексной проработки концепции полного информационного обеспечения на базе использования средств вычислительной техники и телевидения.

2.Исследованы методы повышения качества функционирования телевизионного канала связи, на основе которых разработаны модель полноспектральной репродукционной системы, обеспечивающей физическую точность репродуцирования СРМИ, и новые методы контроля параметров телевизионного канала связи в границах "от света - до света".

3.Проведены исследования репродуцирования движения в телевидении, анализ особенностей телевизионной развёртки, по результатам которых предложен оригинальный способ визуализации временных изменений в наблюдаемом изображении, основанный на принципах временной суммации возбуждений в рецептивных полях глаза и закономерностях аддитивного смешения цветов.

4.Разработаны алгоритмы преобразования параметров цвета и технические решения для их реализации, направленные на повышение семантической информативности передаваемых телевизионных сообщений для:

— общей обработки цветных изображений;

— селективного изменения цвета деталей;

— передачи объёмных анаглифических штриховых изображений в системах УТВ.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1 .Дмитриев А.Я., Шиф В.Б. О методах анализа спектра излучений в репродукционных системах// Системы и средства передачи информации по каналам связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. — Л., 1983. — С.39-43.

2.Дмитриев А.Я., Матросов М.Л., Шиф В.Б. Генерация тест-изображений с регулируемым цветом деталей// Техника кино и телевидения. — 1984. — №3. — С.50-53.

3.Дмитриев А.Я., Шиф В.Б. Передача анаглифических штриховых стереоизображений в системах учебного телевидения// Оптические системы передачи информации и цифровая обработка сигналов в технике связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. — JL, 1987. — С.59-63.

А.Дмитриев А.Я., Шиф В.Б. Телевизионный генератор "атлас цветов"// Радиотехнические системы связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи. — Л., 1989. — С.103-110.

5.А.С. №1277431 СССР, МКИ Н 04 N 13/02. Стереотелевизионное устройство для воспроизведения анаглифических штриховых изображений/ А.Я.Дмитриев, В.Б.Шиф// Открытия. Изобретения. — 19S6. — №46. — С.282.

6.Заявка №488840/09 от 5.11.90. Телевизионное устройство для обнаружения движения объектов/ Дмитриев А.Л., Шиф В.Б.

7.Шиф В.Б. Учебное телевидение и развитие визуального мышления// Человек, интеллект и системы связи: [Тез. докл. и сообщений к Всесоюз. конф.]. — Новосибирск, 1988. — С.37-39.

8.Шиф В.Б. Повышение информативности изображений в системах информационного телевидения// Тез. докл. Всерос. науч,-техн. конф. "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи ЦСП-92". — Новосибирск, 1992. — С.47.

9.Шиф В.Б. Электрические преобразования параметров цвета// Тез. докл. XXV Обл. науч.-техн. конф. — Новосибирск, 1982.

10.Шиф В.Б. Генераторы регулируемых цветоделённых сигналов// Тез. докл. XXVI Обл. науч.-техн. конф. — Новосибирск,

11.Шиф В.Б. Особенности построения генераторов сигналов "атлас цветов"// Тез. докл. XXX Обл. науч.-техн. конф. — Новосибирск, 1987.

12.Шиф В.Б. Обработка цветных изображений в прикладных установках ТВ// Тез. докл. XXXV Обл. науч.-техн. конф. — Новосибирск, 1992.

13.Разработка методов и аппаратуры для измерения светотехнических параметров кинескопов: Отчёт о НИР (заключ.)/ Но-восиб. электротехн. ин-т связи; Руководитель А.Я.Дмитриев — №ГР 81019637; Инв. №02827007595. — Новосибирск, 1981. — 81с. (В.Б.Шиф — исполнитель).

14.Исследование возможностей применения спектрозональных телевизионных систем для повышения различимости малоконтрастных объектов: Отчёт о НИР (промеж.)/ Новосиб. электротехн. ин-т связи; Руководитель А.Я.Дмитриев — №ГР 01825006572; Инв. №02840021304. — Новосибирск, 1983. — 100с. (В.Б.Шиф — ответ, исполнитель).

1983.

Бесплатно

Рукопись автореферата подготовлена в пакете СугТиС-етТ^Х с использованием кириллических шрифтов, разработанных в редакции автоматизации издательских процессов издательства «Мир».

Лицензия №020475, октябрь 1992г. Подписано к печати 30.03.95г. Объём 1.00 псч.л. Формат А4. Заказ №59. Тираж 80 экз.

Отпечатано на ризографе СибГАТИ. 630102, Новосибирск, ул.Кирова, 86.